滴灌條件下基肥減施后移對夏玉米養分吸收和根系生長的影響

許 麗，邵長俠，朱瑞華，李松堅，孫雪芳，張洪生，孫 青，劉樹堂，姜 雯

（1青島農業大學農學院/山東省旱作農業技術重點實驗室，山東青島266109；2青島膠州市農業農村局，山東青島266109；3青島平度市農業技術推廣站，山東青島266109；4青島市農業技術推廣中心，山東青島266109）

0 引言

玉米作為中國主要糧食作物之一，在農業生產和國民經濟發展中具有重要地位[1]。夏玉米生長發育對養分需求較多，尤其在生育后期，充足的養分供應是夏玉米獲得高產的關鍵[2-3]。但長期以來由于生產上過度依賴于化肥，超量施用十分嚴重[4]，導致了肥料利用率較低，部分地區土壤肥力的下降、土壤板結、產量不穩[5-6]；同時也造成了農田面源污染[7]。滴灌水肥一體化技術是一項新型農業技術，可以按照作物水肥的需求特點，適時將水分、養分精確地供給到根際土壤，實現水肥的同步效應機制，有助于解決作物后期追肥困難、脫肥嚴重等問題[8-9]。近年來水肥一體化技術在中國農業生產上得到較快發展，農作物滴灌面積也迅速增加，尤其是在新疆春玉米和棉花生產上的應用[10-15]。目前滴灌水肥一體化技術在夏玉米生產上的應用也越來越受到關注，許多學者也開始致力于有關配套灌溉、施肥制度的探索。習金根[16]研究結果表明滴灌施肥顯著增加了夏玉米對氮素養分的吸收，肥料氮素利用率達73.5%，與傳統漫灌施肥相比增加幅度為110.44%[17]。呂雙慶[18]研究發現，在適宜施氮量情況下，按照作物對氮素的需求規律，通過滴灌施肥在不同生育期分多次提供氮素，實現氮素養分供應和作物需求的同步，可以更好滿足玉米不同生育階段對養分需求，延緩植株衰老[19]。習金根等[13]在對土壤中的遷移轉化規律研究時發現滴灌施肥可以顯著降低氮素的淋溶損失。但目前黃淮海地區滴灌條件下夏玉米生產上施肥方式注重施基肥，往往導致前期生長過快[20]，基施氮肥過多也容易導致硝態氮淋洗、深層殘留量增加，造成土壤污染[21]。因此，夏玉米滴灌水肥一體化施肥制度尤其基追肥比例優化仍有待于進一步探索。本研究在山東省膠州市潮土肥力較高農田比較分析了基肥減施后移時期對夏玉米氮肥吸收積累、氮素利用效率、根系分布、土壤無機氮殘留和產量的影響，為滴灌水肥一體化下基肥減施后移技術在夏玉米生產上的應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗于2018年6—10月在膠州市洋河鎮(36°09′N，120°00′E)進行，試驗地處溫帶大陸性氣候區。2018年生育期降雨量為327.5 mm，無霜期為205天。供試品種為‘鄭單958’，采用大田種植，試驗地土壤為潮土，0～30 cm 土壤容重為 1.39 g/cm3，pH 5.6，有機質13.52 g/kg，全氮1.12 g/kg，堿解氮96.12 mg/kg，速效磷33.51 mg/kg（Olsen-NaHCO3法），速效鉀144.10 mg/kg。

1.2 試驗設計

夏玉米于2018年6月17日播種，2018年10月7日收獲，45 cm+95 cm寬窄行播種，播種密度67500株/hm2。滴灌系統包括：水源部分、首部樞紐、輸配水管網和滴水器。選用內鑲貼片式滴灌帶，滴頭出水量2.0 L/h，滴頭間距30 cm，滴灌帶鋪設在窄行，一管兩行。試驗設空白和3個施肥處理（表1）：CK，T1，T2，每個處理3個重復，采用隨機區組設計。各小區面積為16.8 m×30 m；肥料種類：氮（尿素、磷酸一銨）、磷（磷酸一銨）、鉀（氯化鉀），根據養分平衡配方施肥補充純N、P2O5、K2O量分別96.8、130.5、49.8 kg/hm2。

表1 各生育時期施肥量占整個生育期比例

1.3 測定內容及方法

1.3.1 植株干物重和氮磷鉀含量 分別于夏玉米拔節期(V6)、大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)、灌漿中期(R3)和成熟期(R6)取樣（追肥前），取樣時每個小區選取長勢均勻一致且有代表性的植株3株，將地上部帶回實驗室進行分樣，105℃殺青30 min后75℃烘干至恒重，測定植株干物重。以上述各生育時期烘干植株樣本為材料，用常規養分分析法測定植株的氮、磷、鉀含量。其中用凱氏定氮法測定含氮量，用鉬黃比色法測定含磷量，用火焰光度計法測定植株含鉀量。

1.3.2 根系形態指標及干重 于大喇叭口期(V12)和吐絲期(R1)對根系進行取樣，取樣時選取生長均勻一致的植株，以植株為中心，中心及窄行以10 cm×20 cm×15 cm大小的土塊為單位，寬行以20 cm×20 cm×15 cm大小的土塊為單位，每15 cm為一土層，取根深度為45 cm，將根土混合物裝入網袋，在低水壓下沖洗干凈，其中的根系全部挑出，放入自封袋中低溫保存。用Epson Perfection V700 Photo掃描儀(Epson,Perfection V700 Photo,Epson(China)Co.Ltd.,China)進行掃描，使用軟件(Win Rhizo Pro,Régent Instruments,Québec,Canada)進行根系分析，將掃描完的根系放在烘箱中烘至恒重稱干重。

1.3.3 土壤硝態氮含量 夏玉米成熟期，在每個小區玉米行間（滴灌帶下）及行上（玉米株間）分別用土鉆采集0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm，80～100 cm土層樣品。土樣采集后帶回實驗室放入-20℃冰箱中冷凍保存；土壤硝態氮含量采用0.01 mol/L CaCl2浸提-流動分析儀法測定。土壤其他養分指標的測定用常規方法進行。

1.3.4 產量和產量構成要素 夏玉米成熟后，每小區選取中間連續的3行（每行10穗）進行測產。將全部果穗收獲后曬干用于考種，測定產量及其構成因素。

1.3.5 有關計算方法 氮素積累量、氮肥利用率(REN)、收獲指數(HIX)、植株各器官氮積累量、氮營養指數(NNI)[22]和根系表面積密度的計算分別見公式(1)～(6)。

1.4 數據處理及統計分析

數據采用SAS 9.2軟件進行處理與統計分析并采用LSD法進行差異比較，Excel 2013作圖。用Surfer 11繪制根系剖面等高線圖。

2 結果與分析

2.1 基肥減施后移對地上部干物質積累動態變化的影響

隨著生育期的推進，地上部的干物質積累量呈逐漸增加的趨勢，成熟期達到最大值（圖1）。處理間地上干物重在各生育期差異均不顯著，其中拔節期CK干物質積累量最大，比T1、T2處理高(+58.91%、+52.29%)，灌漿中期T2干物質積累量最大，比CK處理高(+9.30%)，但差異不顯著。

圖1 基肥減施后移對夏玉米各生育時期地上部干物質積累量的影響

2.2 基肥減施后移對各生育階段植株養分含量的影響

隨生育進程推進，各處理植株地上部氮和鉀含量均呈下降趨勢（圖2），而磷含量呈先增加后降低趨勢（圖2）。與CK相比，雖然T1和T2處理在吐絲前植株地上部氮磷鉀含量較低，但處理間差異不顯著；吐絲后植株地上部磷鉀含量較CK明顯增加，其中，在成熟期T2處理磷含量高于CK 11.40%，雖然差異未達到顯著水平。

圖2 基肥減施后移對夏玉米各生育時期植株地上部氮磷鉀含量的影響

2.3 基肥減施后移對夏玉米植株養分積累的影響

2.3.1 基肥減施后移對夏玉米各生育期養分積累量的影響 各處理植株地上部總氮磷鉀積累量均隨夏玉米的生長而逐漸增加（圖3），到成熟期達到最大值。雖然在吐絲前期CK處理的植株地上部氮鉀積累量均高于T1、T2處理，但差異不顯著；而成熟期T2處理植株地上部氮積累量高于CK 6.70%，雖然差異未達到顯著水平。T1和T2處理磷素積累量在大喇叭口期前低于CK處理，但T2處理在吐絲期和成熟期磷素積累量均高于CK(+16.75%，+6.90%)，且在吐絲期差異達到顯著。

圖3 基肥減施后移對夏玉米各生育時期植株地上部養分積累量影響

2.3.2 基肥減施后移對夏玉米階段養分吸收的影響 從各處理可以看出，拔節期(V6)至大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)至成熟期(R6)是夏玉米對氮素和磷素吸收積累的兩個主要階段（圖4），其中氮素吸收分別占全生育期總量的30.40%～32.04%和33.50%～41.88%；磷素吸收分別占全生育期總量的23.99%～26.67%和41.51%～49.57%。在大喇叭口期(V12)至吐絲期(R1)，T1和T2處理氮素積累量均高于CK(+54.78%，+55.50%)；在吐絲期(R1)至成熟期(R6)，T1和T2處理氮素積累量均高于CK(+15.34%，+33.39%)，但處理間各生育階段氮素和磷素積累量差異均不顯著。從植株鉀素階段積累量來看，拔節期(V6)至大喇叭口期(V12)是夏玉米對鉀素吸收積累量較大的階段，占全生育期總量的45.61%～51.43%，在拔節前T1和T2處理鉀素積累量顯著低于CK(-43.28%，-39.90%)，但在大喇叭口期至吐絲期，顯著高于CK(+59.9%，+64.0%)。

圖4 基肥減施后移對夏玉米各生育階段地上部養分積累的影響

2.3.3 基肥減施后移對夏玉米氮營養指數(NNI)的影響 作物氮營養狀況可基于臨界氮濃度曲線，利用NNI直觀地判斷氮素虧缺情況，若NNI小于1，則氮素不足；等于1，恰好合適；大于1，則氮營養過盛[22]。由表2可以看出，T1和T2處理除在拔節期出現氮素輕度虧缺，但從大喇叭口期到成熟期植株氮營養均為充足，其中T2處理在灌漿中期和成熟期分別比CK高6.1%和4.5%，差異未達到顯著水平。

表2 不同處理下各生育時期植株氮營養指數差異

2.4 基肥減施后移對夏玉米成熟期土壤硝態氮含量的影響

玉米收獲期，無論行間還是行上，隨土層加深，土壤硝態氮殘留量呈先減小后增加趨勢（圖5），但行間0～80 cm土層硝態氮含量均高于行上。處理間比較可以看出基肥減施后移可以降低0～100 cm土層土壤硝態氮含量，其中玉米行間0～20 cm土層硝態氮含量CK＞T1＞T2，T2處理分別低于CK和T1處理41.85%和35.46%，差異達到顯著。深土層(80～100 cm)硝態氮含量T1和T2處理分別低于CK處理78.68%和56.02%，雖然差異未達到顯著水平。

圖5 夏玉米收獲期各土層土壤硝態氮含量變化

2.5 基肥減施后移對夏玉米根系時空分布的影響

2.5.1 根系干重的變化 大喇叭口期根系總干重CK＞T1＞T2，在0～15 cm土層，CK高于T1和T2處理，但在15～30 cm土層，T1和T2處理都高于CK(+45.63%，49.87%)，而且T2處理在30～45 cm土層根系干重也高于CK 55.34%（圖6），雖然差異不顯著。吐絲期根系總干重T2＞T1＞CK，在0～15 cm土層，T2高于T1和CK處理(+9.95%，+23.11%)，說明基肥減施后移可以促進前期深層根系生長，補充生育后期的養分。

圖6 基肥減施后移對夏玉米不同時期根系干重的影響

2.5.2 根系表面積密度空間分布 根表面積密度是指單位體積土壤中根表面積所占的比例。各處理在不同土層根系表面積密度由中心向兩邊逐漸減少，即中心位置的根系數目最多（圖7）。不同處理間比較，大喇叭口期0～15 cm土層根系表面積密度為CK＞T2＞T1，但15～30 cm土層根系表面積密度為T2＞T1＞CK，其中T2和T1分別比CK高25.89%和36.17%，且T2處理30～45 cm土層根系表面積密度也較CK高68.59%，雖然差異不顯著。吐絲期0～45 cm土層根系總表面積密度處理間為T2＞T1＞CK，T2和T1分別比CK高23.5%和11.0%，差異不顯著。

圖7 基肥減施后移對夏玉米不同時期根系表面積密度空間分布的影響(cm2/cm3)

2.6 基肥減施后移對夏玉米產量構成要素及氮肥利用率的影響

基肥減施后移對夏玉米的收獲指數、產量及產量構成因素均沒有顯著影響；但T2處理的收獲指數及產量均高于對照CK（9.6%和4.2%），百粒重也較其他處理高（表3）。T2處理的氮肥利用率最高，比對照CK高12.13%，說明基肥減施后移至大喇叭口期可以在一定程度上提高氮肥利用率。

表3 基肥減施后移對夏玉米產量構成要素及氮肥利用率的影響

3 討論與結論

3.1 基肥減施后移對夏玉米養分吸收和養分狀況的影響

養分吸收積累直接影響夏玉米的生長發育和產量，作物對養分吸收積累需求規律是合理施用肥料的重要依據[23-24]。前人研究發現夏玉米全生育期對氮、磷吸收積累呈現“S”形曲線變化[23]，植株氮磷的吸收高峰階段為大喇叭口期—吐絲期[25]，而玉米對鉀素的吸收峰值期通常早于對氮磷的吸收[26]，鉀素累積高峰期出現在拔節期—大喇叭口期階段，吐絲后出現鉀素凈損失或微量増加[27]，可能與生育后期根系停止吸收鉀素、衰老器官如葉片脫落造成植株體內鉀素的流失有關[28]。本研究也表明，在滴灌水肥一體化下，夏玉米氮磷的吸收高峰為拔節期—大喇叭口期、吐絲期—成熟期兩個階段，灌漿期間氮素吸收積累量占全生育期33.50%～41.88%，磷素吸收積累量占41.51%～49.57%，且吐絲期至成熟期是營養生長的養分吸收關鍵期，該時期養分吸收速率大，積累量高（圖4）。說明基肥減施后移能保證玉米中后期土壤的養分供給強度與植株對養分需求量相吻合。另外將基施氮磷鉀肥分別后移至拔節期和大喇叭口期的條件下，雖然在拔節期植株出現氮素輕度供應不足(NNI＜1)，但干物質積累量與對照（NPK常規基施）差異并不顯著（圖1）；大喇叭口期后各處理植株氮素供應均充足(NNI＞1)，而CK（基肥氮施用占35%）在各生育期氮營養指數[22]均大于1，說明在本試驗肥力條件下采取基肥適當減施后移，可以滿足玉米中后期尤其灌漿期間養分需求，起到控前促后作用，同時減少肥料損失。

3.2 基肥減施后移對夏玉米成熟期土壤硝態氮含量的影響

施肥量與追肥時期的耦合效應可在保障夏玉米豐產同時，大幅度降低土壤硝態氮殘留[29]。趙士誠[29]等研究表明與傳統施氮方式（N 240 kg/hm2，基肥和大喇叭口追肥為1:2）相比，氮肥減量部分后移（N 168 kg/hm2，基肥、大喇叭口肥和吐絲肥為1:3:1）可使耕層無機氮供應較好地與作物吸收同步，提高吐絲后肥料利用效率，減少土壤硝態氮含量。本試驗中基肥減施后移也降低了不同土層中的硝態氮含量，其中0～20 cm土層硝態氮T2處理低于對照CK 41.85%，深層80～100 cm土層硝態氮含量低于CK 56.02%，說明基肥過量施氮一方面容易增加淺層土壤的氮素固定量，造成淺層土壤氮的累積（圖5）；另一方面也容易導致未被吸收氮肥向深層土壤的淋洗，增加了對環境污染的風險。

3.3 基肥減施后移對夏玉米根系生長和產量的影響

根系是作物吸收土壤養分和水分的重要器官，對作物生長發育具有重要的影響，根系形態和空間分布影響作物養分吸收，合理施肥可以營造良好的根際土壤環境，保證玉米根際養分的有效供應[30]。前人研究表明氮肥能促進根系生長，增加根毛密度，增強根系生理功能[31-32]。本研究結果表明，基肥后移處理尤其是T2處理可以促進大喇叭口期深耕層(15～45 cm)根系干重及表面積密度，增加深層根系空間分布，可能是因為基肥減施后移下淺層土壤養分虧缺，從而促進根系向下生長，吸收深耕層土壤養分。前人研究也表明生育前期少量供氮對根系生長無抑制作用，而供氮水平進一步提高，則對根系生長有抑制作用[33-34]。本研究也發現，在大喇叭口期，雖然各處理根系表面積密度差異不顯著，但T2處理30～45 cm土層根系表面積密度較CK高68.59%（圖7），即基肥減施后移一定程度上能促進前期根系下扎，對植株抗倒伏性起到很好的補償效應。從收獲期產量和氮肥利用率來看，處理間雖然差異不顯著，但是總體上T2處理值均最高。

總之，基于對根系與養分協調性關系以及產量和氮肥利用效率的綜合分析，在滴灌水肥一體化下，玉米生產上可以根據地力采取基肥適當減施后移拔節期甚至大喇叭口期，實現耕層無機氮供應與作物吸收同步，提高植株對供給養分的吸收利用，降低土壤硝態氮殘留，同時促進前期根系下扎，增強抗植株倒伏性，實現穩產。