优化栽培与施磷措施对春玉米生育期生长及土壤性质的影响

刘小雨，杨豫，马琴，焦慧洁，刘金山

西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，杨凌 712100

农业生产中，施用磷肥有利于根系数量增加、根系形态改善和籽粒产量显著增加［1］，但过量施用磷肥会导致土壤磷素累积、肥料利用率低、环境超负荷、甚至减产等风险［2］。在西北玉米生产中，磷肥施用不合理现象较为普遍。例如在宁夏春玉米种植区，70.1%的农户磷肥投入量偏高［3］，在陕西渭北旱塬春玉米种植区，30.4%以上农户施磷量偏高［4］。因此，优化磷肥施用措施对降低磷肥用量、解决全球磷资源短缺问题和提高磷肥利用效率具有重要意义。

在西北旱地，覆膜基础上磷肥用量减少38%～42%仍可保证玉米稳产［5］；磷肥条施较传统撒施可提高农学利用率和产量，磷酸二铵、重过磷酸钙等磷肥条施全部作基肥作物的根系长度增加2.3%～23.3%，根系活力提高1 倍以上［6］。此外，聚磷酸铵磷肥较过磷酸钙磷肥可显著提高石灰性土壤的有效磷含量，促进磷吸收，磷肥当季利用率高达67%［7］。由此说明，采用不同磷肥品种及施肥措施可进一步影响磷肥利用效率，但不同区域和作物效果不一致。

玉米苗期或前期是磷素的养分临界期，对磷肥有较强的需求，而且苗期的生长发育直接影响玉米后期的产量以及养分累积。因此，在此阶段有针对性地开展促进玉米生长的磷肥施用措施探究具有重要意义。但目前针对西北旱区不同优化磷肥施用和栽培措施对春玉米生长前期生长发育和土壤环境的研究较少。故本研究在覆膜和不覆膜栽培2 种条件下，结合不同磷肥施用措施，探索该地区春玉米生育前期蓄水保墒、磷肥高效吸收利用的优化农业措施，为提高磷肥利用效率提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2019―2020 年在黄土高原中南部陕西长武县洪家乡王东沟村（35°12′N，107°40′E，海拔1 200 m）进行，该地区地带性土壤为黑垆土，质地均匀。年平均气温9.1 ℃，无霜期171 d。年降水量584 mm，但受季风影响年际间降雨差异较大，多集中于春玉米生长季。试验地土壤性质如下：有机质12.86 g/kg，全磷0.73 g/kg，有效磷（Olsen-P）10.5 mg/kg，硝态氮15.5 mg/kg，全氮0.84 g/kg，有效钾133.5 mg/kg，土壤pH（H2O）为8.17，容重1.23 g/cm3。试验期间（5―9月）月平均降雨分别为76、128、96、124、100 mm，平均气温分别为17、19、21、20、16 ℃。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主处理为覆膜（FM）和不覆膜（NM），FM 处理采用全膜双垄沟栽培模式，NM处理采用无膜双垄沟栽培模式。副处理为不同的磷肥施用措施：条施聚磷酸铵（LAPP）、撒施过磷酸钙（BSSP）、条施过磷酸钙（LSSP）、对照（CK）。其中CK 处理仅施用氮肥和钾肥，各处理对应的施肥量均为N 225 kg/hm2、P2O570 kg/hm2、K2O 96 kg/hm2。聚磷酸铵（APP）为N∶P2O5∶K2O=18∶58∶0。条施是指在距离玉米种植行5 cm 处挖深10～13 cm 的沟，将磷肥均匀撒入沟内后填埋。氮肥总量的50%和全部磷钾肥作为基肥在土壤旋耕后人工撒施（条施处理除外）并翻入耕层，其余50%氮肥作为追肥在大喇叭口期穴施，施肥点距离植株10 cm，深10 cm。试验供试玉米品种为先玉335，种植密度65 000 株/hm2，株距31 cm，播种日期为4 月30 日左右。每个处理重复3次，整个生育期按照农户习惯进行田间管理。

1.3 样品采集与测定

植株样品采集：在2019、2020年玉米播种后第30天、第50 天分别从各小区挖取3 株玉米，带回洗干净并分为地上部与根系两部分，烘干称质量后粉碎备用；另从各小区挖取2 株0～20 cm 深的玉米根系，洗干净后进行根系扫描。

土壤样品采集：在以上2个时期于每个小区采用“五点法”采集植株行距0～20 cm 的土壤样品，挑出杂物后混匀，分取适量测定土壤水分含量，其余风干后研磨过孔径1 mm筛保存，用于土壤性质测定。

土壤水分含量、生物量等测定分析均参照文献［8］；采用温度记录器（HOBO MX2203 TidbiT 400，美国）测定土壤温度（深度10 cm）；采用WinRHTZO（Regent Instruments Inc.，加拿大）根系扫描系统获得各生育期根系生态指标；采用磷酸苯二钠比色法［9］测定土壤碱性磷酸酶活性；采用碳酸氢钠浸提流动分析仪（AA3，SEAL，德国）测定土壤速效磷含量；采用浓H2SO4-H2O2消煮流动分析仪测定植物样品中的磷养分含量。

1.4 数据计算与处理

试验数据采用Microsoft Excel 2016 和DPS（v6.5）软件进行处理和统计分析，采用LSD 法进行方差分析（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 春玉米生育前期土壤水分含量及温度

覆膜在春玉米的生长发育前期具有显著的保水及保温作用（图1 和表1）。2019―2020 年覆膜处理各时期耕层土壤的水分含量及贮水量比不覆膜处理平均高24.7%（表1）；春玉米播种后50 d 内覆膜处理的耕层土壤温度比不覆膜处理平均高11%（图1）。

表1 2019－2020年生育前期0～20 cm土层各处理土壤含水量与贮水量Table 1 Soil water content and storage in the 0-20 cm soil layer at the early growth stage of maize from 2019 to 2020

图1 2019―2020年春玉米生育前期耕层土壤温度Fig.1 Soil temperature in the surface layer at the early growth stage of spring maize from 2019 to 2020

2.2 土壤碱性磷酸酶活性

不同磷肥优化施肥措施影响土壤碱性磷酸酶活性，且覆膜与不覆膜2种条件下的结果呈现相反现象（图2）。覆膜条件下，LAPP 处理碱性磷酸酶活性在播后30 d 和50 d 比BSSP 处理分别平均低28.7%和30.8%，比LSSP 处理分别平均高7.4% 和20.4%。不覆膜条件下，LAPP处理的碱性磷酸酶活性在播后30 d 与50 d 比BSSP 处理分别平均高45.9% 和14.8%。

图2 2019－2020年春玉米生育前期耕层土壤碱性磷酸酶活性Fig.2 Soil alkaline phosphatase activities in the surface layer at the early growth stage of spring maize from 2019 to 2020

2.3 土壤速效磷含量

LAPP 及LSSP 处理可显著提高耕层土壤速效磷含量（图3）。覆膜条件下，播后30 d 时条LAPP 处理2 年土壤的速效磷含量比BSSP、LSSP 处理分别平均高84.2%、34.1%；播后50 d 比BSSP 处理、LSSP 处理分别平均高61.4%、31.1%。在不覆膜条件下也有相似趋势，条施磷肥土壤速效磷含量整体要高于撒施处理。

图3 2019－2020年春玉米生育前期耕层土壤速效磷含量Fig.3 Soil available phosphorus content in the surface soil at the early growth stage of spring maize from 2019 to 2020

2.4 春玉米生育前期根系形态特征

覆膜处理根系各形态参数整体上优于不覆膜处理（表2）。播后50 d，LAPP 处理总根长在覆膜条件下比LSSP处理平均高16.76%、比BSSP处理平均高15.4%，在不覆膜处理条件下比BSSP 处理平均高22.5%；LAPP 处理根表面积在覆膜条件下比其他处理平均高9.38%～34.74%，在不覆膜条件下比其他处理平均高3.1%～40.8%；LAPP 处理≤0.5 mm 细根长在覆膜与不覆膜条件下比其他处理分别平均高15.4%～43.2%和10.3%～102.2%。

表2 2019-2020年春玉米生育前期单株根系形态参数Table 2 Root morphological parameters per plant at the early growth stage of spring maize from 2019 to 2020

2.5 春玉米生育前期生物量及磷素吸收

覆膜显著提高了春玉米生育前期根系及地上部生物量和磷素吸收累积量（表3）。2019―2020 年在播后第30 天和第50 天，覆膜处理不同施肥措施下平均磷素累积量是不覆膜处理的2.9～3.5倍，但各优化施肥处理间在生物量、磷含量及累积量方面表现不同。

3 讨 论

3.1 优化栽培与施肥措施对土壤性质的影响

地膜覆盖可使土壤的水热条件得到优化，减少水分蒸发并保证土壤温度，促进作物的生长从而提高产量［10］。本研究覆膜提高春玉米生育前期耕层土壤水分含量20%以上（表1），提高耕层土壤温度10%以上（图1），这是因为生育前期玉米植株叶面较小，覆膜处理有效减少了长波辐射，且减少水分蒸发，起到保温保墒的作用［11］。

土壤磷酸酶对有机磷的矿化及植物的磷素营养有重要影响，覆膜可显著提高土壤碱性磷酸酶活性［12］，且土壤养分充足时微生物相对较为活跃，酶活性也相应较高［13］。覆膜栽培措施改善了微环境，条施处理下春玉米前期生长快，土壤养分消耗量大，导致残留在土壤中的养分较撒施处理少，因此覆膜情况下LSSP 处理碱性磷酸酶活性低于BSSP 处理。而LAPP 处理碱性磷酸酶活性高于LSSP 处理可能与其根系生长比较旺盛有关（图2）。

施用磷肥可明显提高耕层土壤的速效磷含量，且在一定范围内二者呈正相关［14］。在本研究中施用磷肥可显著提高土壤速效磷含量，其中LAPP处理要高于其他处理6.4% 以上，比不施磷肥高出84.2%（图3）。磷肥条施较为集中、与土壤接触面较撒施处理小，被土壤固定减少，导致土壤速效磷含量较撒施处理高，这与Thomas 等［15］的研究结果一致，而聚磷酸铵作为缓溶性长效肥料［16］，一定程度也影响了土壤速效磷的有效性。

3.2 优化栽培与施肥措施对春玉米生长的影响

覆膜的保温保墒作用有利于春玉米生育前期根系及地上部的生长发育［17］。本研究中，覆膜处理根体积、根表面积、总根长及直径＜0.50 mm 细根长整体上高于不覆膜处理（表2），且显著提高了根系及地上部的干物质累积量（表3）。此外，相较于传统撒施磷肥，该研究中条施磷肥对春玉米生育前期根长及根表面积也有所提高（表2），这与范秀艳等［18］改变养分的供应位置，可有效刺激根系生长或增殖，提高植物对土壤养分的吸收面积这一研究结论一致。江尚焘等［19］研究表明，磷肥集中施用有利于作物的生长与生物量的累积。本试验2 年期间不同磷肥施用措施对春玉米的前期根系及地上部生物量无显著影响（表3），可能由于该地区试验期内降水充足、磷营养得到及时供应，导致磷肥优化措施效果不明显。

3.3 优化栽培与施肥措施对春玉米磷素吸收利用的影响

春玉米前生育期，覆膜处理根系及地上部生物量较不覆膜明显提高，在植株体内磷素含量无明显差异的情况下，覆膜处理在同时期获得了较高的磷素累积量（表3）。这与程明芳等［20］对全国不同地区及不同作物的磷素吸收探究结果一致。磷在土壤中的扩散移动能力较弱，植物吸收利用磷素能力取决于根系生长情况［21］，且相较于传统的磷肥，施用聚磷酸铵磷肥可提高磷素吸收利用［22］。在本研究中，LAPP处理玉米根系形态参数优于其他处理，植株磷素吸收累积整体上略高于其他处理但无显著差异，可能与这2年生育前期降水量比较充足，土壤水分对聚磷酸铵分解作用较强有关［23］。此外，苏同庆等［24］的盆栽试验表明磷肥集中施用可提高作物对磷素的吸收。在本研究中，条施磷肥处理并没有表现出明显的优势。因为磷肥本身转化吸收过程相对复杂，受土壤类型和土地利用方式等多方面因素影响［25］，导致差异的具体原因还需进一步探究。既要满足该地玉米更好生长，又要保证磷肥的高效利用，采用覆膜加上条施磷肥（如聚磷酸铵）是目前较为合理的栽培措施。

表3 2019-2020年春玉米生育前期单株生物量及磷素吸收累积量Table 3 Biomass and phosphorus uptake and accumulation per plant at early growth stage of spring maize from 2019 to 2020