华北地区集约化玉米体系减磷增效的根际调控原理与技术规程

王利阳，李海港，申建波

（1. 中国农业大学 资源与环境学院 资源环境与粮食安全研究中心 国家农业绿色发展研究院，北京 100193；2. 内蒙古农业大学 草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

0 引言

磷肥当季利用率低（15%～20%）是我国乃至全世界农业生产面临的严峻问题［1］。磷矿作为不可再生的战略资源，关乎国家粮食安全以及生态环境健康，提高磷资源利用效率是保障国家农业绿色发展的重大战略需求。华北平原是我国粮食主产区之一，也是我国高投入农业的典型代表。华北地区土壤类型多为石灰性土壤，pH在8.0以上，土壤中含有大量碳酸钙，对施入土壤中的磷肥具有强烈的固持作用，大大降低了磷肥的生物有效性。过量施用磷肥，不仅不能进一步增加粮食产量，而且造成磷在土壤中大量累积，进而带来一系列潜在的环境问题。据统计数据［2］测算，我国农田土壤磷累积量已经高达1.15亿t，相当于我国10年的磷肥生产总量。因此，如何提高磷肥利用率、减少其在土壤中的累积是我们面临的重要科学问题。

根际（植物-土壤-微生物互作界面）是植物与土壤环境相互作用最剧烈的微域，控制着营养物质的循环和转化过程，同时也是养分元素从土壤进入植物体内的必经门户［3］。在以低投入为特征的自然生态系统中，根际养分转化与循环相对平衡，根系效率得以最大化发挥。然而集约化农业生产体系以“高投入、高产出”为典型特征，根际的养分物质循环及转化平衡处于紊乱状态，特别是过量的化学肥料投入严重抑制了作物根系的生物学潜力，显著降低了养分的利用效率及增产效益［3］。植物根系能够感知周围土壤环境并作出适应性响应，一般包括形态学响应（如改变根系大小、根长密度、侧根长度和密度等）和生理学响应（如改变根际pH、提高酸性磷酸酶活性及增加有机酸分泌等）。因此，在集约化农业生产体系中利用植物自身特性，通过改变养分投入总量、形态组合以及施用方式等定向调控根系特征是提高养分（特别是磷等难移动性元素）利用效率的关键［4］。

1 根际调控的基本原理与策略

根际调控是在更好的理解根际过程的基础上，操纵根际生态系统的不同组成部分（如根层养分环境、定向调控根系生长、操纵根系-根系或根系-微生物之间的相互作用），以优化作物根系-土壤-微生物的相互作用从而实现养分高效利用、农产品优质高产以及环境友好等目标［5］。其核心是通过调控根系生长环境，减少外部养分投入，强化根际生物学过程，最大化发挥作物自身生物学潜力，高效获取养分资源。

优化外部养分投入，为根系生长创建合理的根层磷浓度是根层磷调控的重要环节。根系效率高度依赖土壤肥力和外部养分投入：如果土壤肥力水平较低又缺乏外部养分投入，根系生长受到严重抑制，制约根系生物学潜力发挥；随着土壤肥力水平提高，根系生长不断加强，根际效率不断提高；然而当土壤肥力过高或者外部资源输入过量时，根系生长再次受到抑制，根系效率降低。因此，合理的根层磷调控需要严格控制根层养分浓度，使之处于稍低于产量临界水平的“紧平衡”状态。对于华北地区玉米而言，长期肥料试验结果表明，当调控根层有效磷（碳酸氢钠浸提法测定，下同）质量分数处于6 ～8 mg/kg时，能够显著强化玉米根际生物学过程，此时玉米根系吸收效率、根际范围以及微生物与根系的相互作用均能达到最优状态［5-6］。

养分资源在土壤中的分布往往是不均匀的（即土壤养分异质性），植物根系可以对异质性土壤养分作出反应，即当根系遇到土壤养分斑块时会在形态和生理上作出适应性响应［5-7］。在形态上往往表现为侧根增多、细根比例增加等，在生理上表现为根系分泌能力增加、养分吸收速率加快等［8］。基于根系对异质性土壤养分响应的特点建立的局部磷加铵调控是根际调控的又一重要策略。养分局部施用人为创造了更大的异质性土壤环境，当根系生长进入局部调控施肥区后，玉米根系在形态和生理上作出响应，细根和侧根增加，酸性磷酸酶活性以及铵诱导的质子分泌均有显著提高，极大地提高了根系效率。此外，由于磷的集中施用，减少了磷与土壤颗粒的接触面积，降低了磷被土壤颗粒固定的概率，显著提升了磷肥利用效率［9］。

2 北方石灰性土壤局部施用磷加铵的根际调控技术规程

2.1 适用范围

该技术规程适合于华北地区集约化玉米生产体系，包括单季春玉米及夏玉米种植体系。华北地区春玉米一般4 月下旬或5 月初播种，夏玉米一般在6月中旬播种，种植密度一般为7.5万株/hm2。其他地区也可根据实际情况援引本规程。

2.2 肥料选择

针对华北地区pH 较高的石灰性土壤，宜选用生理酸性肥料如过磷酸钙、磷酸一铵等，磷酸二铵水溶液呈碱性，不宜作为调控磷肥。此外，搭配硫酸铵或者氯化铵等带有铵根离子的氮肥，可以进一步诱导根系释放质子，从而酸化根际。

2.3 施肥量的确定

施肥量确定原则：依据土壤有效磷实测值和目标产量将根层土壤磷浓度培育并维持在一定的范围内，即土壤有效磷质量分数在6 ～8 mg/kg。如果土壤有效磷质量分数在这一范围内，施肥量可以控制为P2O575 kg/hm2；如果土壤有效磷质量分数较低，建议在根据目标产量计算的所需施磷量的基础上上调1.1 ～1.3倍以适当提升土壤磷肥力；反之，对土壤有效磷质量分数较高的土壤需要下调磷肥用量以挖掘土壤遗留磷。磷肥品种一般选用过磷酸钙（市场上过磷酸钙产品w（P2O5）一般为16%），依据肥料养分含量确定施肥量。氮肥一般按照推荐用量N 180 ～225 kg/hm2施用，钾肥可按推荐用量K2O 60 ～80 kg/hm2施用［10-11］。

在局部调控中，选用硫酸铵作为部分氮源（一般为总施氮量的40%）。除了硫酸铵水溶液呈酸性外，其中所含的铵根离子被根系吸收后可以刺激根系释放H+而进一步酸化根际，降低石灰性土壤中玉米根际pH，达到酸化根际的目的，提高磷肥的生物有效性。

2.4 调控位置的确定

如何准确确定调控位置是关乎根际调控成败的关键。玉米一般可选用宽窄行种植和均匀行种植两种方式。对于宽窄行种植，一般建议窄行距离为30 cm，宽行距离为50 ～70 cm；局部调控的位置可设置在窄行中间，即调控的中心点距离两行玉米各15 cm。对于均匀行种植方式，调控位置则需要距离每行玉米5 ～10 cm 处才能发挥较好的调控效果。调控深度一般距地表深度为10 cm。特别需要注意的是尽管局部调控的核心是将肥料集中施用，但是也要避免施肥沟过于狭窄，施肥沟的宽度在5 ～10 cm 为宜，避免根系快速穿过过于狭窄的施肥带［11］。

图1 调控位置示意

2.5 调控时间与调控次数

根际调控可以根据实际情况采用苗期一次性调控或者苗期和拔节期双调控的策略［12］。对于苗期一次性调控，选择将40%的氮肥（铵态氮-硫酸铵）和全部的磷肥（过磷酸钙）在播种时一次性施于播种行附近进行调控，建议调控位置距播种行中心点10 ～15 cm为宜，调控带宽度按5 ～10 cm 进行设置。有条件的可以采用苗期和拔节期双调控技术，在苗期，将40%的氮肥和70%的磷肥作为启动肥进行调控，调控带位置可以稍微靠近玉米播种行（保持在5 ～10 cm 为宜）；剩余的肥料待拔节期在第一次调控侧的对侧距玉米播种行10 ～15 cm处进行二次调控，以促进玉米中后期的生长和养分吸收［11］。

2.6 施肥制度

以在肥力适宜的耕地中，采取“苗期+拔节期”双调控模式为例。

基肥：春玉米结合播前翻耕，将钾肥（硫酸钾）按施用量K2O 70 kg/hm2均匀翻入土壤；推荐适当补施锌肥，每公顷锌（可选用农用硫酸锌）用量为3 ～5 kg，同钾肥一样均匀翻入土壤。

苗期调控：确定玉米播种行，播种之前在玉米播种行一侧5 ～10 cm 处开沟，将硫酸铵（施用量按N 80 kg/hm2）和过磷酸钙（推荐选用粉末状，施用量按P2O550 kg/hm2）均匀分配到每行的施肥沟中，然后精播。推荐使用具有侧深施肥器的种肥同播播种机，可以极大提升效率。

拔节期调控：在苗期调控的对侧，将N（可50%选用硫酸铵，50%选用尿素）120 kg/hm2和P2O5（过磷酸钙）25 kg/hm2均匀分配在距玉米行10 ～15 cm 处，有条件的可以采用侧深施肥机实现。

2.7 其他配套措施

整地、灌溉、喷药等其他农事管理措施按常规进行。