磷肥深施对谷子根系分布、养分利用及产量的影响

关键词：谷子；磷肥深施；根系；肥料偏生产力；产量

农业的可持续发展，在保证作物生产满足粮食需求的同时，还应实现资源的高效利用。根系具有很强的可塑性，良好的根系构型有利于植株对土壤水分和养分的获取。施肥量和施肥方式对作物根系的生长和分布具有重要影响，优化施肥方式有助于实现农业生产高产高效。合理的磷肥用量和施用方式可以促进根系生长和下扎，有助于理想根系构型的建成，进而从时空分布上充分发挥其生物学潜力，提高作物产量和水肥资源的利用效率。

谷子抗旱耐瘠，在我国北方干旱、半干旱地区广泛种植。由于多种植在山地、丘陵等土壤贫瘠地区，谷子产量水平通常较低。研究表明，合理施肥能够有效提高谷子产量。

近年来，推广应用谷子免耕播种及机械化施肥技术，肥料施用深度普遍较浅，而磷在土壤中的扩散能力较差，导致有效磷多富集于土壤表层。磷素在土壤表层富集，不利于谷子根系生长和下扎，同时也会降低根系对深层土壤水肥资源的利用。如何施肥，使根系的生长分布在时空上与土壤水肥资源充分耦合，前人在氮肥深施方面研究的较多，而磷肥施深相关研究相对较少，且多集中在玉米、小麦等大宗作物上。磷肥对谷子影响的研究多集中在磷肥用量以及与氮、钾肥的合理配比等方面，关于磷肥深施对谷子产量、根系生长、水肥利用方面的研究鲜有报道。朱灿灿等在单一磷肥水平下研究了不同磷肥施用深度对谷子根系、氮素利用和产量的影响，结果表明，磷肥深施（15cm）能够有效促进谷子根系向深层土壤生长，提高根系对土壤氮素的吸收和利用，较磷肥浅施（5cm）增产32.86%。为此，本研究设置低、中、高3个磷肥水平，分析磷肥深施对不同土层中的谷子根系分布、土壤水分、土壤有效氮含量，以及对籽粒产量的影响，以期探索出谷子磷肥运筹的合理途径，为其高产高效生产提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地概况及材料

试验于2023年在郑州市农业科技研究院须水试验场（113°27 '58\"E，34°46'20\"N）进行。前茬小麦收获后，于6月10日取0～50cm土样测定耕层土壤基础肥力，结果为：有机质含量7.61g/kg、有效氮41.20mg/kg、有效磷9.35mg/kg、速效钾77.95mg/kg，pH值7.59。

供试谷子品种为郑农谷7号。

1.2试验设计

采用二因素裂区设计，以施磷量为主区，设P205用量为50kg/hm2（低磷，LP）、100kg/hm2（中磷，MP）、150kg/hm2（高磷，HP）3个水平；以施磷深度为副区，设5cm（浅施，D5）和15cm（深施，D15）2个水平。随机区组排列，重复3次。小区行长5m，行距0.4m，面积16m2。播种前，均匀撒施N300kg/hm2、K20 60kg/hm2，结合小麦灭茬旋耕深松，种植行旁开沟，将磷肥施在相应深度。播种后，微喷灌溉一次，3～4叶期间苗、5～6叶期定苗，留苗密度为45万株/hm2。各生育时期及时进行病虫草害防治。

1.3测定项目及方法

土壤含水量：分别于抽穗期和成熟期，在植株根系附近，用土钻分别取0～10、10～20、20～40cm土壤样品，每小区选取3个点取样，相同土层土样混合为一个土样。采用烘干法测定土壤含水量。

根系干质量：抽穗期，每小区选取有代表性、长势一致且相连的植株5株，以植株为中心，行距方向半径取20cm，株距方向两端植株各外延3cm，按照0～10、10～20、20～40cm分为3个土层，分别将每层挖出的根土装入网袋，用流水冲洗干净并挑出全部根系。用EPSON扫描仪记录根系形态，然后用WinRHIZO Pro分析根长。将扫描完的根烘干至恒质量，称根干质量。

土壤有效氮含量：成熟期，在植株根系附近用土钻分别取0～10、10～20、20～40cm土壤样品，每小区选取3个点取样，相同土层土样混合为一个土样。将土壤风干过筛后，用碱解扩散法测定有效氮含量。

产量及其构成因素：成熟期，每小区选取5株有代表性的植株，测定单穗重、单穗粒重、出谷率、千粒重、收获指数等性状，并对小区进行收获测产。

1.4数据处理与分析

土壤含水量（%）=（原土质量一烘干土质量）／烘干土质量×100：

肥料偏生产力=籽粒产量／施肥量，分别计算氮、磷、钾各单质肥料的偏生产力；

单位肥料增产量=（磷肥深施处理的籽粒产量一磷肥浅施处理的籽粒产量）／施肥量，分别计算氮、磷、钾各单质肥料单位增产量。

采用Microsoft Excel 2017对试验数据进行整理，用SPSS 22.0软件进行统计分析。

2结果与分析

2.1磷肥深施对谷子根系生长的影响

由表1可以看出，谷子抽穗期的根长和根干质量随土层深度增加呈递减趋势。3个施磷水平下，磷肥深施（15cm）均能提高总根长和总根干质量，但不同土层间有差异。不同水平磷肥深施大多显著降低浅层（0～10cm）土壤中的根长和根干质量，显著提高深层（10～20、20～40cm）土壤中的根长和根干质量。磷肥深施较浅施（5cm），0～10cm土层内根长降低2.40%～4.04%，根干质量降低4.35%～6.08%; 10～20cm土层中根长提高11.79%～15.64%，根干质量提高31.11%～34.09%：20～40cm土层中根长提高106.25%～119.72%，根干质量提高80.00%～109.09%。另外，不论深施还是浅施，中、高磷条件下的总根干质量变化基本不明显，但大多显著高于低磷条件下的总根干质量。

2.2磷肥深施对土壤含水量的影响

由表2可以看出．0～40cm土层范围内，谷子抽穗期和成熟期土壤含水量随土层深度增加呈递减趋势。磷肥水平和施用深度对抽穗期和成熟期土壤含水量有一定影响，尤其是深层土壤。提高磷肥用量，大多数土层土壤含水量稍有降低。磷肥深施整体降低了抽穗期和成熟期深层（10～20、20～40cm）土壤的含水量，其中，中、高磷条件下，磷肥深施显著降低抽穗期20～40cm土层的土壤含水量。可见，磷肥深施可以促进植株对深层土壤水分的利用。

2.3磷肥深施对土壤有效氮含量的影响

图1显示，0～40cm土层范围内，谷子成熟期土壤有效氮含量随土层深度增加呈递减趋势。磷肥水平和施用深度对0～10cm土层土壤有效氮含量影响较小，对10～20、20～40cm土层有效氮含量影响明显。提高磷肥用量，10～20cm土层有效氮含量呈降低趋势，表明磷肥能够促进氮肥的利用。磷肥深施降低了10～20、20～40cm土层有效氮含量，其中，中、低磷条件下，10～20、20～40cm土层有效氮含量显著降低：高磷条件下，20～40cm土层有效氮含量显著降低。表明磷肥深施可以促进植株对深层土壤中氮素的利用。

2.4磷肥深施对产量及其构成因素的影响

由表3可知，3个磷水平下深施处理均能显著提高籽粒产量，单穗重、单穗粒重、出谷率、千粒重和收获指数也有不同程度的提高。磷肥深施较浅施，籽粒产量、单穗重、单穗粒重、出谷率、千粒重和收获指数分别提高6.20%～8.35%、1.77%～6.12%、3.67%～8.80%、1.61%～2.61%、1.48%～3.41%和2.11%～4.94%，其中，籽粒产量、单穗重、单穗粒重和收获指数在低磷条件下的提升效果最好。磷肥深施与浅施，低磷条件下的单穗重、单穗粒重、出谷率、千粒重和中磷条件下的千粒重等性状均存在显著性差异；其他性状差异不显著。另外，施用深度一致时，中、高磷条件下的籽粒产量显著高于低磷条件下的，而中、高磷处理间差异不显著，表明该试验条件下，中磷水平（P205 100kg/hm2）能较好地满足谷子生长。

2.5磷肥深施对肥料偏生产力的影响

由表4可以看出，相同的磷肥用量，深施较浅施，氮、磷、钾肥的偏生产力均得到提高，除了高磷条件下磷肥偏生产力提高不显著外，其他均显著提高。磷肥深施较浅施，单位氮肥籽粒增产量为1.39～1.71kg/kg，单位磷肥籽粒增产量为2.78～10.26kg/kg，单位钾肥籽粒增产量为6.95～8.55kg/kg，三种肥料的单位增产量均在低磷条件下最高。

2.6产量及其构成因素与土壤含水量、有效氮含量的关系

相关性分析（表5）表明，产量及其构成因素与10～20、20～40cm土层土壤含水量、有效氮含量存在较高的相关性，而与0～10cm土层土壤含水量、有效氮含量的相关性较弱。尤其是10～20cm土层，产量及其构成因素与土壤含水量、有效氮含量均呈极显著负相关。另外，籽粒产量与抽穗期、成熟期20～40cm土层土壤含水量呈显著负相关：出谷率与抽穗期、成熟期20～40cm土层土壤含水量及成熟期20～40cm土层土壤有效氮含量呈显著负相关，其他性状与20～40cm土层土壤含水量和有效氮含量的相关系数也较大，但未达显著水平。

3讨论

3.1磷肥深施促进了深层土壤中谷子根系的生长

植物对土壤水肥资源的吸收和利用与根系构型密切相关，而根系具有很强的可塑性。对作物而言，通过调节施肥水平和位置，可以刺激根系生长或增殖，从而提高对土壤水肥资源的吸收。本研究结果显示，在低、中、高3个磷肥水平下，深施（15cm）较浅施（5cm）均显著提高了10～20、20～40cm土层中的根长和根干质量，而0～10cm土层中的根长和根干质量有所降低。这与朱灿灿等的试验结果一致，磷肥适当深施可以促进深层土壤根系生长或增殖，为更好地利用深层土壤水肥资源奠定基础。本研究也发现，同样的施用深度，中、高磷条件下的总根干质量变化基本不明显，表明本试验条件下的基础地力水平或磷肥水平，施用中等水平磷肥量（P205 100kg/hm2）就能较好地满足谷子根系生长。

3.2磷肥深施促进了谷子对深层土壤中水肥资源的利用

肥料运筹通过调控根系在土壤中的时空分布，影响作物对不同土层中水肥资源的吸收以及在作物体内的积累和分配。适度增加磷肥施用深度有利于根系向下生长，提高作物对深层土壤中的水肥资源利用效率。本研究发现，磷肥水平和施用深度对谷子抽穗期和成熟期10～20、20～40cm土层中的土壤含水量产生一定影响：提高磷肥用量，抽穗期和成熟期土壤含水量稍有降低，表明磷肥可以促进谷子对土壤水分的利用。磷肥深施降低了抽穗期和成熟期10～20、20～40cm土层的土壤含水量，表明磷肥深施主要是提高谷子对深层土壤水分的利用效率。同样地，磷肥水平和施用深度对成熟期10～20、20～40cm土层的土壤有效氮含量影响明显：随着磷肥用量的增加，成熟期10～20cm土层有效氮含量呈降低趋势，表明磷肥能够促进土壤氮素的利用。在低、中、高3个磷肥水平下，磷肥深施均降低了成熟期深层土壤的有效氮含量，尤其是20～40cm土层，表明磷肥适当深施能够促进谷子对深层土壤氮素的利用。朱灿灿等在中等磷肥水平上的研究结果也证实了这一点。另外，通过对肥料偏生产力的分析发现，磷肥深施较浅施，氮、磷和钾三种肥料的偏生产力均有提高，尤其在低磷水平条件下提高更显著。因此，合适的肥料用量并采用磷肥深施，可以调节谷子根系的时空分布，使根系的生长在时空上与土壤水肥资源充分耦合，达到水肥资源的高效利用。

3.3谷子磷肥深施具有明显的节肥增产效果

化肥的大量使用在增加粮食产量的同时，却也给环境带来了不利影响，优化施肥方式是实现作物高产高效、缓解环境压力的有效途径。前人对不同作物的研究均表明，适当的磷肥深施能提高肥料的利用效率，进而提高作物产量。本研究结果表明，不同磷水平下深施（15cm）较浅施（5cm），单穗重、单穗粒重、出谷率、千粒重和收获指数均有不同程度的提高，最终籽粒产量提高6.20%～8.35%。相关性分析表明，产量及其构成因素与深层土壤的含水量、有效氮含量存在明显的负相关关系，尤其是10～20cm土层。这些结果表明，磷肥深施增产的主要原因是深层土壤根系的扩增促进了谷子对深层土壤水肥资源的利用。本研究中，低磷条件下磷肥深施（P205 50 kg/hm2，15cm）的产量高于中磷条件下磷肥浅施（P205 100kg/hm2，5cm）；而中磷条件下磷肥深施（P205 100kg/hm2，15cm）的产量显著高于高磷条件下磷肥浅施（P205 150kg/hm2，5cm）。以上结果表明，谷子生产上，采用磷肥深施（15cm）可以达到节肥增产的目的。

4结论

磷肥深施15cm能够有效促进10～20、20～40cm土层中谷子根系的生长，提高根系对深层土壤中水分和养分的利用，可以不同程度地提高谷子单穗重、单穗粒重、出谷率、千粒重和收获指数，进而提高籽粒产量6.20%～8.35%，具有显著的节肥增产效果。