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不同磷水平土壤上磷启动肥对玉米生长效应的研究

  • 刘小龙

    机 构：

    石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832003

    ×
  • ， 张新疆

    机 构：

    石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832003

    ×
  • ， 危常州

    机 构：

    石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832003

    ×
  • ， 邢翔

    机 构：

    石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832003

    ×
  • ， 马林

    机 构：

    石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832003

    ×

石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832003；

Effects of phosphorus starter fertilizer on maize growth in soils with different phosphorus levels

  • LIU Xiao-long

    Affiliation：

    Department of Agricultural Resources and Environment，College of Agriculture，Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832003

    ×
  • ， ZHANG Xin-jiang

    Affiliation：

    Department of Agricultural Resources and Environment，College of Agriculture，Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832003

    ×
  • ， WEI Chang-zhou

    Affiliation：

    Department of Agricultural Resources and Environment，College of Agriculture，Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832003

    ×
  • ， XING Xiang

    Affiliation：

    Department of Agricultural Resources and Environment，College of Agriculture，Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832003

    ×
  • ， MA Lin

    Affiliation：

    Department of Agricultural Resources and Environment，College of Agriculture，Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832003

    ×

Department of Agricultural Resources and Environment，College of Agriculture，Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832003；

作者简介:

刘小龙(1997-),硕士研究生,研究方向为新型肥料与现代施肥技术。E-mail:2394606501@qq.com。

通讯作者:

危常州,E-mail:changzhouwei@126.com。

DOI:10.11838/sfsc.1673-6257.21488

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目录contents

    摘要

    探究不同磷水平土壤施用磷启动肥对玉米生长和磷吸收的影响，为玉米生产中合理施用磷启动肥提供理论依据。通过两因素盆栽试验，人工设置 3 个土壤磷肥力水平，分别为低磷土壤（LP，P 2.47 mg/kg）、中磷土壤（MP，P 12.35 mg/kg）、高磷土壤（HP，P 33.67 mg/kg），并分别设置施磷启动肥（SF）和不施磷启动肥处理（NS），共 6 个处理。于玉米七叶期时测定生长相关指标。结果表明，LP 水平的株高、茎粗、叶片数、叶片净光合速率、不定根轴根总根长、地上部和地下部根系的干物质和吸磷量较 MP 和 HP 水平分别显著降低了 42.95% ～ 42.98%、49.59% ～ 51.30%、7.32% ～ 9.52%、45.82% ～ 46.84%、37.44% ～ 40.05%、84.81% ～ 84.87%、75.03% ～ 76.02%、83.70% ～ 83.80%、71.86% ～ 72.83%，可以看出土壤磷水平显著影响玉米早期发育。在 LP 和 MP 水平下，SF 处理的玉米茎粗、叶面积、不定根轴根总根长、地上部和地下部的干物质和吸磷量较 NS 处理分别显著增加了 14.74% ～ 69.59%、22.58% ～ 140.16%、7.16% ～ 57.27%、12.17% ～ 218.39%、 12.10% ～ 193.98%、11.01% ～ 186.13%、25.10% ～ 247.21%，其中 SF 处理在 LP 水平下对玉米生长的促进效应优于 MP 水平。在 LP 和 MP 水平下，SF 处理较 NS 处理均显著增加了玉米不定根轴根总根长，但对单位不定根轴根长无显著影响。在低磷和中磷水平下施用磷启动肥可促进玉米生长和磷吸收，这对不同磷水平土壤中合理施用磷启动肥提供了理论依据。

    Abstract

    The objective of this study was to examine the effects of phosphorus starter fertilizer on maize development and phosphorus uptake in soils with different phosphorus levels in order to develop a theoretical basis for the rational application of phosphorus starter fertilizer．Three soil phosphorus levels were set up：low phosphorus soil（LP，P 2.47 mg/kg）， medium phosphorus soil（MP，P 12.35 mg/kg）and high phosphorus soil（HP，P 33.67 mg/kg），respectively；and phosphorus starter fertilizer（SF）and without phosphorus starter fertilizer（NS）were set up under each soil phosphorus level，making a total of six experimental treatments．The growth-related indicators were determined at the seven-leaf stage of maize．The results showed that the maize plant height，stem diameter，leaf number，net photosynthetic rate of leaves， total root length of adventitious axial roots，dry weight and phosphorus uptake of shoot and root at LP level were significantly reduced by 42.95% ～ 42.98%，49.59% ～ 51.30%，7.32% ～ 9.52%，45.82% ～ 46.84%，37.44% ～ 40.05%， 84.81% ～ 84.87%，75.03% ～ 76.02%，83.70% ～ 83.80%，71.86% ～ 72.83%，respectively，compared with those at MP and HP levels．Therefore，the level of soil phosphorus significantly affected the early development of maize． Under the LP and MP levels，the maize stem diameter，leaf area，total root length of adventitious axis roots，shoot and root dry weight and phosphorus uptake of SF treated maize were significantly higher than those of NS，increasing by 14.74% ～ 69.59%，22.58% ～ 140.16%，7.16% ～ 57.27%，12.17% ～ 218.39%，12.10% ～ 193.98%， 11.01% ～ 186.13%，25.10% ～ 247.21%，respectively．Furthermore，the favorable effect of SF treatment on maize growth was greater at the LP level than at MP level．SF treatment significantly enhanced the total root length of maize adventitious axis root at the LP and MP levels as compared to NS treatment，but had no significant effect on the root length of unit adventitious axis root．The use of phosphorus starter fertilizer at low and medium phosphorus levels can improve maize growth and phosphorus uptake，providing a theoretical basis for the rational use of phosphorus starter fertilizer in soils with varying phosphorus levels．

  • 玉米在全世界广泛种植，它不仅是重要的粮食和饲料作物，也是食品工业和能源生产的重要原料[1]，同时玉米是典型磷敏感的作物，磷素的供应对玉米苗期生长发育进程至关重要[2]。新疆广泛采用滴灌，在这种模式下玉米种植基肥用量很低或不施基肥，因此可能导致玉米苗期磷营养不良。而玉米的磷素营养临界期在三叶期前后，六叶期时磷养分的充足供应对产量的形成有很大贡献[3]。新疆春季极易出现降温、倒春寒等不利于玉米生长的天气。在美国，农民通常采用启动肥来解决早春低温对玉米根系生长和对养分吸收受限的问题。启动肥是指在作物播种或种子出苗前施用的少量肥料，类似于种肥，但是不与种子接触，而是施用在种子侧下方 5 cm 左右[4]。有研究结果表明，施用启动肥可以促进苗期玉米生长，提高产量[5]，还可以促进玉米根系生长和地上部干物质积累，在玉米八叶期时促进效果最明显[6]。吕小凡等[7]研究表明，在磷肥减施 43.86% 的基础上，施用启动肥可以促进玉米根系生长，进而提高玉米产量，增加了农户的经济效益。

  • 不同土壤磷肥力会导致作物施磷效应存在差异，土壤有效磷含量较低时，施磷更能有效提高作物生产效率[8]；石玉海等[9]在不同磷肥力黑土上进行试验发现，玉米增产顺序为低肥力黑土 >中肥力黑土 >高肥力黑土。席雪琴[10]研究发现，当土壤有效磷含量介于 9.78～16.0 mg/kg 之间时，施用磷肥对夏玉米无增产效果。此外，也有研究结果表明，在高磷水平下，磷肥施用仍然可以提高作物生物量、促进作物生长发育和增加磷素吸收量[11-12]。可见，有关磷肥在不同磷水平背景下作物施磷效果存在不同结果。

  • 本研究从不同土壤磷水平背景下出发，通过盆栽试验设置 3 个土壤磷水平，研究施用磷启动肥对玉米生长效应的影响，为玉米生产中磷启动肥的合理施用提供理论依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验概况和供试材料

  • 于 2021 年在新疆石河子大学农学院试验站 （44°31′ N，86°05′ E）进行盆栽试验。取土壤有效磷含量低的土壤（多年撂荒地），土壤类型为灌耕灰漠土，通过添加磷肥（重过磷酸钙）并经过 5 个月稳定后，形成不同磷水平的土壤。经土壤取样分析，低磷土壤（LP）有效磷为 P 2.47 mg/kg，中磷土壤（MP）有效磷为 P 12.35 mg/kg，高磷土壤 （HP）有效磷为 P 33.67 mg/kg。供试土壤基础养分为：碱解氮含量为 31.50 mg/kg，有效磷含量为 2.47 mg/kg，速效钾含量为 110.17 mg/kg，有机质含量为 7.10 g/kg，pH 为 8.22。供试作物为玉米，品种为新玉 65。

  • 1.2 试验设计

  • 盆栽试验采用两因素试验设计，分别为土壤磷水平（SP）：低磷土壤（LP，P 2.47 mg/kg），中磷土壤（MP，P 12.35 mg/kg），高磷土壤（HP，P 33.67 mg/kg）； 磷启动肥（SF）：施用磷启动肥 （SF）和不施磷启动肥（NS），共计 6 个处理，分别为低磷土壤 + 无磷启动肥，低磷土壤 + 磷启动肥，中磷土壤 + 无磷启动肥，中磷土壤 + 磷启动肥，高磷土壤 + 无磷启动肥，高磷土壤 + 磷启动肥，各处理重复 3 次。供试塑料盆钵采用上口直径 30.00 cm、底部直径 22.00 cm、高 30.00 cm、盆底均匀开 5 个直径 1.00 cm 圆孔的盆钵，每盆钵装入 15.00 kg 土壤。在播种当天一次性将磷启动肥模拟滴灌施于玉米播种点水平 5.00 cm 处，对照处理施入等量的清水并加入与磷启动肥中等量的尿素氮。于 2021 年 4 月 12 日播种，种子播于盆中心 5.00 cm 深土壤中，播种量为 5 粒 / 盆。待玉米长至两叶一心进行定苗，每盆留长势均匀植株 1 株。于玉米七叶期（2021 年 6 月 6 日）试验结束，整个试验过程中通过采用称重法控制土壤含水量维持在田间持水量的 70%～90% 之间。

  • 使用滴灌磷酸二铵（N 16%，P2O5 51%）作为磷启动肥，其施磷量（P2O5）为 52.00 mg/kg（磷启动肥施用量是大田 2 倍施肥量，通常玉米大田磷启动肥施用量为 P2O5 30.00 kg/hm2），对照中施入相同数量的氮肥（尿素）。

  • 不同磷水平土壤预处理：于试验开始前一年 （2020 年 9 月），取 0～20 cm 土层土壤 400.00 kg，风干过 5 mm 筛后，将供试土壤均分为 3 份，分别施入 P2O5 0、600.00、1500.00 mg/kg（肥料为重过磷酸钙），将肥料和土壤充分混匀后装入大容器，间歇灌水，经过土壤充分沉积，磷素被土壤吸附和转化，全程历时 150 d。试验开始前将预处理土壤破碎、混匀、过筛后备用，播种前取预处理土壤样品分析土壤有效磷含量。

  • 1.3 样品采集与测定

  • 于玉米七叶期时，测定玉米株高和茎粗（用游标卡尺测定茎基部）、叶片数（以出现叶枕作为展开叶的标志）；用光合仪（雅兴 1102）测定玉米倒数第 2 片展开叶的净光合速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度和蒸腾速率；用 SPAD 仪（SPAD502 Plus）测定玉米倒数第 2 片展开叶的上、中、下 3 部分 SPAD 值；测定玉米整株总叶面积（长宽系数法计算叶面积）。

  • 测定完玉米生长指标后，每盆进行破坏性采样，分玉米地上部和地下部分别取样。测定根长 （直尺测量）、根系条数、地上部与根系干物质重 （烘干法）以及磷养分吸收量（植株样品经 H2SO4-H2O2 消煮后，采用钼锑抗比色法）。

  • 1.4 相关参数计算

  • 单叶叶面积（cm2）= 叶长 × 叶宽 ×0.75

  • 种子根条数（条）= 初生根 + 种子根条数

  • 单位不定根轴根长度（cm/ 条）= 不定根轴根总根长 / 不定根轴根条数

  • 1.5 数据处理

  • 采用 Excel 2010 对数据进行处理和绘图，数据用“平均值 ± 标准误差”表示，采用 SPSS 21.0 对数据进行差异显著性分析，采用独立样本 t 检验、 Ducan 法进行各指标间差异的显著性比较（0.05 水平）。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 磷启动肥对玉米地上部生长的影响

  • 由图1 可知，不同土壤磷水平和磷启动肥对玉米株高、茎粗、叶片数和地上部干物质均存在显著影响，不同土壤磷水平与磷启动肥交互作用显著影响茎粗和叶片数。玉米株高、茎粗、叶片数和地上部干物质在 LP 水平显著低于 MP 和 HP 水平，分别低 42.95%～42.99%、49.59%～51.30%、7.31%～9.52% 和 84.81%～84.87%，而这些参数在 MP 和 HP 水平间无显著性差异。在 LP 和 MP 水平下，SF处理玉米茎粗、地上部干物质较 NS 处理分别显著增加了 14.74%～69.59%、12.17%～218.39%。在 LP 水平下，SF 处理玉米株高和叶片数较 NS 处理分别显著增加了 33.96% 和 23.53%。

  • 图1 不同处理对玉米株高、茎粗、叶片数和地上部干物质的影响

  • 注：柱上不同大写字母表示不同土壤磷水平间差异显著（P <0.05），不同小写字母表示同一土壤磷水平下磷启动肥与对照之间的差异显著 （P <0.05）；* 和 ** 分别表示 P <0.05 和 P <0.01。下同。

  • 2.2 磷启动肥对玉米根系生长的影响

  • 由表1 可知，不同土壤磷水平和磷启动肥对玉米不定根轴根条数、种子根轴根总根长、不定根轴根总根长、地下部干物质存在显著影响，不同土壤磷水平与磷启动肥交互作用显著影响初生根轴根长、不定根轴根总根长、地下部干物质。玉米不定根条数、初生根轴根长、种子根轴根总根长、不定根轴根总根长、单位不定根轴根长、地下部干物质在 LP 水平下均显著低于 MP 和 HP 水平，分别低 28.57%～29.13%、19.24%～23.41%、 22.20%～25.62%、37.44%～40.05%、11.82%～16.80%、75.04%～76.02%，而这些参数在 MP 和 HP 水平间无显著性差异。3 种土壤磷水平下，玉米种子根轴根条数、初生根轴根长、种子根轴根总根长、单位不定根轴根长在 SF 和 NS 处理间均无显著性差异。在 LP 和 MP 水平下，SF 处理玉米不定根轴根总根长和地下部干物质均显著高于 NS，分别高 7.16%～57.27% 和 12.10%～193.98%，但在 HP 水平下，SF 和 NS 处理玉米不定根轴根总根长和地下部干物质无显著性差异。在 LP 水平下，SF 处理玉米不定根轴根条数显著高于 NS 处理 57.07%，在 MP 和 HP 水平下，SF 和 NS 处理玉米不定根轴根条数无显著性差异。

  • 2.3 磷启动肥对玉米叶面积、叶片 SPAD 值和光合特性的影响

  • 由图2 可知，不同土壤磷水平和磷启动肥及其交互作用对玉米叶面积和 SPAD 值均存在显著影响。玉米叶面积和 SPAD 值在 LP 水平显著低于 MP 和 HP 水平，分别低 51.17%～52.96% 和 28.76%～32.13%，而这些参数在 MP 和 HP 水平间无显著性差异。在 HP 水平下，玉米叶面积和 SPAD 值在 SF 和 NS 处理间无显著性差异。在 LP 水平下，相比 NS 处理，SF 处理分别显著增加了玉米叶面积和 SPAD 值 140.16% 和 33.07%。

  • 表1 不同处理对玉米根系生长的影响

  • 注：同列数据后不同大写字母表示不同土壤磷水平间差异显著（P <0.05），不同小写字母表示同一土壤磷水平下磷启动肥与对照之间的差异显著（P <0.05）；* 和 ** 分别表示 P <0.05 和 P <0.01。下同。

  • 图2 不同处理对玉米叶面积和 SPAD 值的影响

  • 由表2 可知，不同土壤磷水平和磷启动肥对玉米叶片净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率均存在显著影响，而不同土壤磷水平与磷启动肥交互作用对各参数均无显著性影响。玉米净光合速率、气孔导度和蒸腾速率在 LP 水平显著低于 MP 和 HP 水平，分别低 45.82%～46.84%、 28.57%～28.99% 和 27.19%～27.28%，但胞间二氧化碳浓度则相反，LP 水平显著高于 MP 和 HP 水平 19.62%～23.17%。而这些参数在 MP 和 HP 水平间无显著性差异。在 LP 水平下，SF 处理玉米净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均显著高于 NS 处理，分别高 43.39%、15.18 和 14.23%，而 SF 处理较 NS 处理胞间二氧化碳浓度显著降低 6.91%。在 MP 和 HP 水平下，SF 处理较 NS 处理玉米净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率均无显著性差异。

  • 表2 不同处理对玉米光合特征的影响

  • 2.4 磷启动肥对玉米磷养分吸收的影响

  • 由图3 可知，不同土壤磷水平和磷启动肥及其交互作用对玉米地上部和地下部吸磷量均存在显著影响。玉米地上部和地下部吸磷量在 LP 水平显著低于 MP 和 HP 水平，而这些参数在 HP 水平间无显著性差异。在 LP 和 MP 水平下，相比 NS 处理， SF 处理均显著增加了地上部和地下部吸磷量，其中，LP 水平地上部和地下部吸磷量分别显著增加了 186.13% 和 247.21%，MP 水平地上部和地下部吸磷量分别显著增加了 11.01% 和 25.10%。在 HP 水平下，SF 处理玉米地上部和地下部吸磷量较 NS 处理无显著性差异。

  • 图3 不同处理对玉米磷吸收的影响

  • 3 讨论

  • 本研究发现，在 LP 水平下，玉米各生长指标（株高、茎粗、叶片数、叶面积、地上部干物质和地下部干物质）、吸磷量、光合速率均显著低于 MP 和 HP 水平，而这些指标在 HP 水平下无显著性差异，这说明土壤缺磷限制了玉米的生长和光合产物的积累，而一定土壤磷水平下，土壤增加施磷量对玉米没有显著性影响。造成以上结果的原因可能是因为在本试验中 HP 水平土壤处理磷含量已经高于土壤临界磷水平[13]。LP 和 MP 水平下，施用磷启动肥均增加了玉米茎粗、叶面积、地上部和根系干物质，而 HP 水平下磷启动肥的施用没有显著效果，可以看出在 LP 和 MP 水平下施用磷启动肥对玉米生长有促进作用。此外，Malik 等[14]的研究也发现，施用启动肥可以促进玉米生长发育，其中显著增加了玉米叶片长度；Pierson[15]研究也发现，在玉米六叶期时，施用启动肥处理的生物量与不施启动肥处理相比增加了 21%。Jokela[16]研究表明，在低磷水平施用启动肥对青贮玉米的增产效应大于高磷水平；作物的磷肥增产效应随着土壤磷肥力提升或磷肥投入量的增加而减弱[17-18]。

  • 植物强大的根系是养分吸收和生物量形成的重要保证[19-20]，Qin 等[21]研究发现，施用启动肥显著增加了玉米根系直径和根长密度，有利于促进玉米养分吸收和生长发育。本研究发现，在 LP 和 MP 水平下施用磷启动肥，不仅促进了玉米地上部干物质和吸磷量的增加，还促进了玉米根系的生长和吸磷量的增加，其中玉米地下部干物质和吸磷量较 NS 处理分别显著增加了 193.98%～247.21%（表1）和 12.10%～25.10%（图3），而张少民等[22]的研究也发现，施用启动肥刺激了根系生长，从而促进养分吸收，进而提高光合效率和干物质积累[23]。本研究发现，SF 处理较 NS 处理增加了玉米不定根轴根条数和不定根轴根总根长，其中在 LP 和 MP 水平下 SF 处理较 NS 处理显著增加了不定根轴根总根长，这可能是导致玉米地下部干物质和吸磷量增加的原因，有研究也表明，不定根根长对植株生长和磷养分的吸收有重要的影响[24-25]。本研究中，LP 和 MP 水平下 SF 处理较 NS 处理，对玉米不定根轴根总根长有显著影响，但对单位不定根轴根长无显著性差异，因此推测磷启动肥促进玉米根系不定根生长的主要原因是促进了不定根根系条数的发生，增加了玉米根系长度，从而增加根系养分吸收面积，进一步增加磷养分吸收量和促进地上部生长（表1，图3）。这与前人研究结果相一致，在低磷水平下虽然导致菜豆不定根的生长缓慢，但由于菜豆在土壤表层中分布多条不定根，使得根与表层土壤接触面积增加，这种根系构型利于对磷素的有效吸收[26-27]。

  • 4 结论

  • 本研究发现，较高磷土壤，在低磷和中磷土壤下施用磷启动肥对玉米生长和磷吸收的促进作用明显，其主要表现为通过增加玉米茎粗 （14.74%～69.59%）、叶面积（22.58%～140.16%）、不定根轴根总根长（7.16%～57.27%）、地下部干物质（12.10%～193.98%），从而利于地上部的吸磷量和干物质积累。低磷土壤下施用磷启动肥的促进效果明显，主要是通过增加了玉米不定根轴根条数而增加了玉米不定根轴根总根长，从而促进了磷吸收与干物质积累，这为不同磷水平土壤中合理施用磷启动肥提供了理论依据。

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  • 基本信息

    DOI: 10.11838/sfsc.1673-6257.21488

    基金信息

    国家重点研发计划(2017YFD0201808)；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2021-09-12
    录用日期: 2021-11-29

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