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作物杂志, 2024, 40(2): 80-88 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2024.02.010

生理生化·植物营养·栽培耕作

秸秆还田年限及施磷水平对玉米根系生长和产量的影响

胡昊驰,, 王富贵,, 朱孔艳, 胡树平, 王猛, 王志刚, 孙继颖, 于晓芳, 包海柱,, 高聚林,

内蒙古农业大学农学院，010018，内蒙古呼和浩特

Effects of Straw Returning Years and Phosphorus Application on Root Growth and Yield of Maize

Hu Haochi,, Wang Fugui,, Zhu Kongyan, Hu Shuping, Wang Meng, Wang Zhigang, Sun Jiying, Yu Xiaofang, Bao Haizhu,, Gao Julin,

Agricultural College of Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, Inner Mongolia, China

通讯作者: 包海柱，主要从事作物遗传育种与生理生态研究，E-mail：bhz2009@126.com； 高聚林，主要从事作物生理生态及决策系统研究，E-mail：nmgaojulin@163.com

收稿日期: 2023-01-29   修回日期: 2023-03-30   网络出版日期: 2023-03-31

基金资助: 国家重点研发计划课题(2018YFD03008404)
内蒙古自治区作物栽培与遗传改良重点实验室和农村部华北黄土高原地区作物栽培科学观测实验站(25204120)

Received: 2023-01-29   Revised: 2023-03-30   Online: 2023-03-31

作者简介 About authors

胡昊驰，主要从事玉米栽培生理生态研究，E-mail：hhc5179@163.com；

王富贵，主要从事玉米栽培生理研究，E-mail：fgwang2008@163.com

摘要

以先玉335为供试材料，采用两因素裂区设计，研究了不同秸秆还田年限[连续5年（5a）和1年（1a）秸秆全量深翻还田]及不同施磷水平[P2O5 0（P0）、45（P45）、90（P90）、135（P135）和180 kg/hm2（P180）]对玉米根系构型、菌根侵染状况、植株干重、磷素积累量和产量的影响。结果表明，5a较1a明显优化了玉米根系形态，促进了根系生长、菌根侵染以及植株干物质和磷素积累，使产量提高1.94%~7.15%；磷肥水平影响玉米的生长发育，还影响菌根侵染密度（m%）、丛枝丰富度（a%）和根系丛枝丰富度（A%），并在P90处理后开始明显降低，表明当施磷水平较高时，会严重抑制AM真菌的侵染。拔节期玉米根系、茎秆、叶片的干重分别在P90、P90和P135时达到最大值，与其他施磷处理相比增幅分别为1.31%~15.07%、0.05%~25.07%和7.61%~22.42%；磷素积累量分别在P135、P90和P135时达到峰值，与其他施磷处理相比增幅分别为11.09%~ 95.51%、10.77%~77.39%和3.91%~29.28%。成熟期玉米茎秆、叶片和籽粒的干重分别在P90、P135和P90时达到最大值，与其他施磷处理相比增幅分别为0.18%~19.25%、5.79%~30.60%和0.90%~10.47%；磷素积累量分别在P135、P135和P90时达到峰值，与其他磷处理相比增幅分别为5.16%~54.70%、13.18%~77.22%和3.99%~56.75%。各施磷处理玉米产量均较P0显著增加，P135产量最高。综上，连续5年秸秆全量深翻还田配施磷135 kg/hm2时，能够促进植株生长，玉米具有更强的养分吸收能力，产量显著提高。

关键词： 玉米; 秸秆还田; 施磷量; 根系生长; 菌根侵染; 产量

Abstract

Xianyu 335 was used as the test material in this experiment, and a two-factor split-plot design was used to study the effects of straw returning years [5 years (5a) and 1 year of total straw deep ploughing (1a)] and phosphorus application levels [P2O5 0 (P0), 45 (P45), 90 (P90), 135 (P135) and 180 kg/ha (P180)] on root architecture, mycorrhizal colonization, plant dry weight, phosphorus accumulation and final yield of maize. The results showed that compared with 1a, 5a significantly optimized the root morphology of maize, promoted root growth, mycorrhizal infection and plant dry matter and phosphorus accumulation, and then increased the yield by 1.94%-7.15%. The level of phosphorus fertilizer affected the growth and development of maize, and also affected the mycorrhizal colonization density (m%), arbuscular richness (a%) and root arbuscular richness (A%), and these indexes began to decrease significantly after P90 treatment, indicating that when the phosphorus level was high, the infection of AM fungi would be seriously inhibited. The dry weights of roots, stalk and leaves of maize in jointing period reached the maximum at P90, P90 and P135, respectively, which increased by 1.31%-15.07%, 0.05%-25.07% and 7.61%-22.42% compared with other phosphorus treatments. The accumulation of phosphorus reached the peak at P135, P90 and P135, respectively, which increased by 11.09%-95.51%, 10.77%-77.39% and 3.91%-29.28% compared with other phosphorus treatments. The dry weight of stalk, leaves and grain of maize at mature period reached the maximum at P90, P135 and P90, respectively, and increased by 0.18%-19.25%, 5.79%-30.60% and 0.90%-10.47% compared with other phosphorus treatments. The accumulation of phosphorus reached the peak at P135, P135 and P90, which increased by 5.16%-54.70%, 13.18%-77.22% and 3.99%-56.75%, respectively, compared with other phosphorus treatments. Compared with P0, the maize yields of all P treatments increased significantly, and reached the highest at P135. In summary, when the total straw deep ploughing combined with 135 kg/ha phosphate fertilizer was applied for five consecutive years, maize had stronger nutrient absorption capacity, which could promote plant growth and significantly increase yield.

Keywords： Maize; Straw returning; Phosphorus application rate; Root growth; Mycorrhizal colonization; Yield

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本文引用格式

胡昊驰, 王富贵, 朱孔艳, 胡树平, 王猛, 王志刚, 孙继颖, 于晓芳, 包海柱, 高聚林. 秸秆还田年限及施磷水平对玉米根系生长和产量的影响. 作物杂志, 2024, 40(2): 80-88 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2024.02.010

Hu Haochi, Wang Fugui, Zhu Kongyan, Hu Shuping, Wang Meng, Wang Zhigang, Sun Jiying, Yu Xiaofang, Bao Haizhu, Gao Julin. Effects of Straw Returning Years and Phosphorus Application on Root Growth and Yield of Maize. Crops, 2024, 40(2): 80-88 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2024.02.010

我国是秸秆产量大国，年均产生约10亿t的作物秸秆，其中玉米秸秆约占总秸秆量的1/3，秸秆肥料化可替代磷肥需求量的22.9%[1⇓-3]。秸秆还田作为一种合理利用生物质资源和促进农业可持续发展的有效方式，能使耕地肥力得到提升，使土壤微生物量磷（MBP）含量、土壤酶活性、微生物数量及肥料利用率显著提高，作物增产明显[4⇓⇓-7]。有研究[4,7]表明，秸秆还田可使土壤全磷和有机磷总量分别增加6.55%和12.05%，氮肥偏生产力提高37.8%，氮肥农学效率提高90.4%，磷肥偏生产力提高55.6%。因此，合理利用农作物秸秆，对减少资源浪费和改善环境具有长远意义。

磷作为继氮素之后的第二大养分因子，是作物生长发育所必需的营养元素[8-9]。目前，粮食生产中为追求增产投入大量肥料，导致我国肥料用量持续增加，磷肥施用量已跃居世界首位，研究[10-11]认为，我国当季磷肥利用率只有15%~25%，与磷肥利用率达40%左右的美国仍有较大差距。可见我国虽然大量施用磷肥，但磷肥利用率却未得到有效提高。针对上述问题，前人在磷肥施用等方面做了较多研究。有研究[12-13]表明，施磷能明显增加耕层土壤有效磷含量和提高作物植株磷素积累量，但产量不会随施磷量增加而持续上升；张锦滨等[14]关于水稻的研究表明，不同磷肥用量下的水稻产量表现为0 kg/hm2<150 kg/hm2<112.5 kg/hm2<75 kg/hm2<37.5 kg/hm2。可见，找到合理的磷肥用量在作物生产中十分重要。以往的研究多从减量施磷等单一因素出发，研究了吸磷量与物质积累和产量的协同关系，而关于多年秸秆还田配施磷肥的研究报道较少，尤其缺少关于秸秆还田配施磷肥条件下玉米生长前期根系生长的研究。因此，本研究以玉米品种先玉335为材料，研究了不同秸秆还田年限及施磷水平对春玉米根系构型、菌根侵染状况、植株磷素积累量和产量的影响，为玉米苗期磷肥高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年在内蒙古自治区包头市土默特右旗科技博览园（110°31′ E，40°33′ N，海拔1008.62 m）进行。试验地为沙壤土，前茬为玉米。播前0~30 cm耕层土壤pH 8.18，含有机质26.37 g/kg、碱解氮55.53 mg/kg、有效磷31.57 mg/kg、速效钾107.94 mg/kg。生育期间总积温（≥10 ℃）3495.79 ℃，总日照时数1646.57 h，总降水量347.20 mm。

1.2 试验设计

试验采用3次重复的2因素裂区设计，秸秆还田年限为主区，设1年（1a）和5年秸秆全量深翻还田处理（5a），其中5年还田试验在5年连续定位试验田进行，1年还田试验在紧邻地块进行；施磷量为副区，设P2O5 0（P0）、45（P45）、90（P90）、135（P135）和180 kg/hm2（P180）5个施磷水平。各处理的N和K2O用量一致，分别为180和150 kg/hm2。

播前使用GPS确定试验地并划出小区，将磷肥撒于地表面后用1BX-30型动力旋转耙（新疆牧神机械有限责任公司生产）将磷肥翻于地下15 cm深。各处理前期均基施全部磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）、氮肥（N）54 kg/hm2；在拔节期追施氮（N）126 kg/hm2，氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5 12%），钾肥为硫酸钾（K2O 50%），小区为4行区，7.5 m行长，行距为0.6 m，种植密度75 000株/hm2。供试品种先玉335购于市场，4月30日播种，10月10日收获，田间管理同当地大田生产。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 菌根侵染状况

玉米拔节期各小区避开测产行随机选取有代表性3株玉米根系，将根系与土壤一并取出装入冰盒迅速带回，洗净并剔除杂质，将幼嫩根系剪成1 cm根段，采用曲利苯蓝―方格交叉法测定菌根侵染率，通过Mycocale软件分析菌根侵染状况[15]。

1.3.2 根系构型、各器官干重与磷素积累量

于玉米拔节期与成熟期各小区避开测产行，随机选取有代表性的植株3株，取回样品，拔节期样品分为根、茎、叶；成熟期样品分为茎、叶、籽粒。将拔节期洗净的根系鲜样用EPSON V300型根系扫描仪（日本生产）扫描总根长、根表面积和根体积。将待测样品均匀平铺于32 cm×24 cm的储水玻璃槽中，各根系互不遮挡，扫描后保存照片，用WinRHIZO根系图像处理软件进行定量化分析[16]；后将植株各器官分别装袋并做好标记，置于烘箱内105 ℃杀青0.5 h，之后80 ℃烘干至恒重，称量各部分干物质积累量。称重后的样品粉碎，过0.15 mm筛，采用钼锑抗比色法测植株全磷含量。各器官磷素积累量（kg/hm2）=植株各器官干物质重×植株各器官磷素含量[17]。

1.3.3 考种及测产

成熟期随机选取10穗玉米进行考种，测定穗行数、行粒数、百粒重等产量构成因素。每小区实收2行，以收获穗数计算每公顷有效穗数，以14%含水量折算单位面积产量。

1.4 相关参数计算公式

参考王艳丽等[13]和吴启华等[18]研究方法计算。

磷素吸收效率（PUPE，kg/kg）=植株磷素积累量/施磷量；

磷素利用率（PUE，%）=（施磷素区作物吸磷总量-不施磷素区作物吸磷总量）/施磷量×100；

磷素农学效率（PAE，kg/kg）=（施磷区玉米产量-不施磷区玉米产量）/施磷量；

磷素偏生产力（PPFP，kg/kg）=施磷区玉米产量/施磷量。

1.5 数据处理

应用Microsoft Excel 2019和SPSS 23.0软件进行数据处理和分析，应用Origin 2022软件完成制图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田年限与施磷量对玉米根系形态及菌根侵染状况的影响

由表1可知，秸秆还田年限、施磷水平及二者交互作用对根系形态和菌根侵染状况的影响均达到显著及以上水平。

表1   根系形态及根系菌根侵染状况在秸秆还田年限和施磷处理下的方差分析

Table 1  Analysis of variance of root morphology and root mycorrhizal infection status under straw returning years and phosphorus treatments

变异来源
Sources of
variation		F值F-value
总根长
Total root length		总根表面积
Total root surface area		总根体积
Total root volume		菌根侵染密度
(m%)		丛枝丰富度
(a%)		根系丛枝丰富度
(A%)
SRY632.427**147.198**109.700**1228.415**121.868**1469.118**
P480.649**31.032**52.163**336.514**100.514**221.513**
SRY×P84.312**4.337**11.755**104.200**3.795*88.872**

SRY：秸秆还田年限；P：施磷水平，“**”表示0.01的极显著水平；“*”表示0.05的显著水平，下同。

SRY: straw returning years; P: phosphorus level,“**”represents the extremely significant level of 0.01;“*”represents significant level of 0.05, the same below.

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由表2可知，秸秆还田年限对根系形态和菌根侵染状况有显著影响。5a处理下的玉米根系总根长、总根表面积和总根体积较1a处理分别增加19.38%、20.65%、14.76%；菌根侵染密度（m%）、丛枝丰富度（a%）和根系丛枝丰富度（A%）分别增加70.66%、19.66%、92.43%。可见玉米根系的生长发育在5a处理下可得到明显改善，在菌根侵染方面更为突出。

表2   组合间根系形态及根系菌根侵染状况的多重比较

Table 2  Multiple comparisons of root morphology and root mycorrhizal infection among combinations

处理
Treatment		总根长
Total root length (mm)		总根表面积
Total root surface area (cm2)		总根体积
Total root volume (cm3)		菌根侵染密度
(m%)		丛枝丰富度
(a%)		根系丛枝丰富度
(A%)
1aP01796.59f542.71d13.52f24.70f50.89c13.88f
P451910.12e619.22c17.14cd27.03de66.58b16.31e
P902912.27a721.15b17.49c28.67d69.90b19.82c
P1352267.34d627.02c16.09de13.27g54.43c6.18g
P1801804.64f544.41d15.92e8.93h40.44d3.85h
5aP01901.09e654.25c15.46e28.13d69.11b18.39d
P452530.34c735.38b19.24b32.77c75.33a27.12a
P902980.03a781.57a19.50b52.50a77.09a26.05ab
P1352686.03b816.50a21.34a35.77b66.65b25.67b
P1802665.45b697.71b16.46cde25.93ef49.54c18.32d

同列数据后不同小写字母分别表示差异显著（P < 0.05），下同。

Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P < 0.05), the same below.

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施磷水平明显影响玉米根系形态特征和菌根侵染状况，且玉米根系总根长、总根表面积、总根体积、m%、a%和A%均随施磷量的增加表现出先升高后降低的变化趋势。玉米总根体积在P135时达到最大值，较P0显著增加29.19%；总根长、总根表面积、m%、a%和A%均在P90时达到峰值，分别较P0增加59.35%、25.54%、53.60%、22.5%和42.13%，差异均达显著水平。而P180处理下的m%、a%和A%明显低于P0处理，表明当施磷水平较高时，会抑制AM真菌对玉米根系的侵染。

2.2 秸秆还田年限与施磷量对玉米根系干重和磷素积累量的影响

由表3可知，秸秆还田年限、施磷水平及二者交互作用对根系干重及磷素积累量的影响均达到极显著水平。

表3   根系干重和磷素积累量在秸秆还田年限和施磷处理下的方差分析

Table 3  ANOVA of root dry weight and P accumulation under straw returning years and P treatments

变异来源
Sources of
variation		F值F-value
根系干重
Root dry weight		根部磷素积累量
Phosphorus accumulation in roots
SRY79.17**3854.82**
P25.69**514.43**
SRY×P6.10**111.17**

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由图1可知，5a处理下的玉米根系干重和磷素积累量较1a处理增加的幅度分别为1.87%~ 16.10%和46.15%~130.83%。可见，玉米根系磷素积累量能够在5a处理下得到显著提高。

图1

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图1   秸秆还田年限和磷处理对根系干重和磷素积累量的影响

“*”和“**”分别表示相同磷水平下不同秸秆还田年限间的差异达显著（P < 0.05）和极显著（P < 0.01）水平，下同。

Fig.1   Effects of straw returning years and phosphorus treatments on root dry weight and phosphorus accumulation

“*”and“**”indicate significant (P < 0.05) and extremely significant (P < 0.01) differences between straw returning years at the same phosphorus level, the same below.


玉米根系干重和磷素积累量因施用磷肥得到显著改善，且均随施磷量的增加呈先升后降的变化趋势。1a和5a处理下的玉米根系干重分别在P90和P135时达到最大值，分别较P0增加19.57%和15.22%；磷素积累量均在P135时达到峰值，分别较P0增加113.94%和87.13%，差异均达显著水平。可见，5a条件下有利于玉米根系干物质和磷素的积累，但在1a条件下施用磷肥对根系干物质和磷素积累的促进作用更强。

2.3 秸秆还田年限与施磷量对玉米地上部干重和磷素积累量的影响

由表4可知，秸秆还田年限、施磷水平和二者交互作用对玉米地上部干重和磷素积累量的影响均达到显著及以上水平。

表4   地上部各器官干重和磷素积累量在秸秆还田年限和磷处理下的方差分析

Table 4  Analysis of variance of dry weight and phosphorus accumulation of shoot organs under straw returning years and phosphorus treatments

指标
Index		部位
Position		拔节期Jointing stage成熟期Mature stage
SRYPSRY×PSRYPSRY×P
干重Dry weight茎秆171.09**43.54**9.18**492.12**64.92**8.31**
叶片108.76**87.88**8.27**7.12*139.58**1.63
籽粒－－－122.47**96.47**27.76**
磷素积累量Phosphorus accumulation amount茎秆307.70**150.47**4.83**523.44**81.53**24.10**
叶片254.74**70.11**7.80**120.42**178.63**8.84**
籽粒－－－513.66**508.33**121.69**

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由图2可知，秸秆还田年限对玉米地上部各器官干重和磷素积累量均有显著影响。在拔节期，与1a相比，5a处理下玉米茎秆和叶片干重的增幅分别为7.16%~35.47%和3.88%~15.66%，磷素积累量的增幅为21.24%~38.95%和15.21%~30.29%。在成熟期，与1a相比，5a处理下玉米茎秆干重和磷素积累量的最大增幅出现在P45，分别显著增加24.82%和74.92%，叶片干重和磷素积累量的最大增幅出现在P135，分别显著增加5.35%和26.40%，籽粒干重和磷素积累量的最大增幅分别出现在P45和P90，分别显著增加74.92%和32.88%。由此可见，玉米生长在5a条件下可得到明显的促进作用，有利于地上部干物质和磷素养分的积累。

图2

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图2   秸秆还田年限和磷处理对地上部各器官干重和磷素积累量的影响

Fig.2   Effects of straw returning years and phosphorus treatments on dry weight and phosphorus accumulation of shoot organs


玉米地上部干重和磷素积累量均因施用磷肥得到不同程度的提升，且随施磷量的增加呈先升高后降低的变化趋势。在拔节期，1a和5a处理下的茎秆干重的峰值分别出现在P45和P90，磷素积累量分别出现在P90和P90，1a和5a峰值茎秆干重较P0分别显著增加33.07%和27.10%，磷素积累峰值较P0分别增加77.83%和68.23%；叶片干重和磷素积累量均在P135达到最大，干重1a和5a分别较P0显著增加18.48%、26.11%，磷素积累量分别较P0增加20.76%和36.48%。在成熟期，1a处理下茎秆、叶片与籽粒干重和磷素积累量的最大值均在出现在P135，干重分别是P0的1.14、1.68、1.27倍，磷素积累量分别是P0的1.62、1.11和1.46倍；5a处理与P0均达差异显著水平。结果表明，当磷肥施用超过135 kg/hm2时，玉米地上部干重和磷素积累量均有明显下降，可见合理施用磷肥有益于玉米生长和磷素积累。

2.4 秸秆还田年限与施磷量对玉米产量及其构成因素的影响

由表5可知，秸秆还田年限和施磷水平对玉米有效穗数和产量的影响均达到显著及以上水平。

表5   玉米产量及其构成因素在秸秆还田年限和磷处理下的方差分析

Table 5  Analysis of variance of maize yield and its components under straw returning years and phosphorus treatments

变异来源
Sources of
variation		F值F-value
穗粒数
Grains
per ear		有效穗数
Effective
panicles		百粒重
100-grain
weight		产量
Yield
SRY2.1420.51**0.0144.53**
P1.563.62*0.8419.25**
SRY×P0.591.430.332.28

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由图3可知，秸秆还田年限对玉米产量及其构成因素有明显影响。5a处理下的玉米穗粒数、有效穗数和产量与1a处理相比分别在P45、P135和P90时增加最大，分别增加4.79%、8.62%和7.15%，可见主要通过增加有效穗数来提高产量。

图3

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图3   秸秆还田年限和磷处理对产量及其构成因素的影响

Fig.3   Effects of straw returning period and phosphorus treatment on yield and its components


施磷显著改变了玉米有效穗数与产量，且均随施磷量的增加表现出先升高后降低的变化趋势。1a和5a处理下各施磷处理的玉米有效穗数与产量较P0处理有不同程度提升，均在P135时达到峰值。磷肥过低时，1a和5a处理产量无明显差异，但在施磷量为90 kg/hm2时，5a处理较1a处理对玉米增产作用最为明显，说明施磷过低或过量都会对玉米产量建成起到抑制作用。

2.5 秸秆还田年限与施磷量对玉米磷素吸收利用效率的影响

由表6可知，除P45外，5a处理下的玉米磷素吸收效率、磷素利用率、磷素农学效率和磷素偏生产力均高于1a处理，在P90时增幅最大，分别较1a处理显著增加0.18 kg/kg、0.13%、7.06 kg/kg和11.55 kg/kg。可知5a处理较1a处理提高玉米磷素的吸收利用效率。

表6   组合间玉米磷素吸收利用效率的多重比较

Table 6  Multiple comparisons of absorption and utilization efficiency of phosphorus among combinations in maize

处理
Treatment		磷素吸收效率
PUPE (kg/kg)		磷素利用率
PUE (%)		磷素农学效率
PAE (kg/kg)		磷素偏生产力
PPFP (kg/kg)
1aP0－－－－
P450.92b0.21b8.20b322.05a
P900.50d0.14c4.67cd161.60c
P1350.36f0.12d8.13b112.74d
P1800.22h0.05f2.46d80.93e
5aP0－－－－
P450.97a0.15c5.46c328.30a
P900.68c0.27a11.73a173.15b
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施磷可明显改变玉米磷素吸收利用效率。1a处理下的磷素吸收效率、磷素利用率、磷素农学效率和磷素偏生产力均在P45达到最大值，分别较其他施磷处理显著提高84.00%~318.18%、50.00%~320.00%、0.86%~233.33%和99.29%~ 297.94%。5a处理下的磷素吸收效率和磷素偏生产力随施磷量的增加呈逐渐降低的变化规律，P45处理分别较其他处理显著增加42.65%~234.48%和89.60%~286.37%；磷素利用率与磷素农学效率则呈先增后降的变化趋势，均在P90达到峰值，较其他处理增加幅度分别为80.00%~237.50%和32.24%~175.35%，差异均达显著水平。可见当磷肥用量过多时，玉米对磷素的吸收利用将显著降低，但P180的玉米产量显著高于P45，因此不能单一着重于产量或肥料吸收利用效率的高低，应当适量施肥，增强养分吸收利用的同时提高作物产量。

3 讨论

根系在作物和环境之间充当桥梁角色，在保证作物养分和水分供应方面十分重要[19]。根系构型和其他性状可能会影响养分吸收和养分向根系表面迁移的路径[20]。同时，AM真菌通过侵染宿主根系并在根外土壤形成菌丝网，扩大作物根系的吸收范围从而促进宿主植物吸收水分和养分，可改善植物营养状况[21]。前人研究表明，秸秆还田有利于根系对水分和养分的吸收利用，为AM真菌的生长繁殖提供更加适宜条件，从而增加玉米根部的丛枝菌根侵染率与AMF菌丰富度[22-23]，且玉米根重密度、总根长及根系活力等指标均随着秸秆还田年限的增加而提高[24]。本试验结果表明，与1年秸秆全量深翻还田相比，玉米根系在连续5年秸秆全量深翻还田条件下的总根长、总根表面积、总根体积、根系干重和菌根侵染状况显著提高，进一步证明连续多年秸秆深翻还田能够促进玉米根系生长发育，作物能吸收更多养分，从而转化为更多的生物量[25]，这可能得益于多年秸秆还田可更好地改善土壤结构，降低土壤对磷素的固定，同时秸秆整体腐熟程度较高，可降低部分病原体在土壤中的生存能力，并创造有利于其他微生物生长的条件，能够刺激土壤微生物分泌参与氮磷循环的水解酶，释放更多养分[26]，为玉米根系生长提供了较好的土壤环境。

施磷可以增强作物抗性，促进根系发育，使作物根系更多分布于深层土壤，提高吸收养分的能力[27]。Rast等[28]研究表明，大田和盆栽2种环境下的土壤由于磷的施加，玉米根系伸长率分别提高了75%和30%。本研究发现，在秸秆深翻还田条件下，不同施磷水平也影响着玉米根系的生长发育，所有施磷处理均较不施磷处理优化了根系构型、增加了根系干重和磷素积累量。不施磷和低磷处理可能由于秸秆腐熟引起的“争肥现象”，加上磷肥施用不足，导致玉米根系发育受阻；施肥适中的P90和P135处理可适当缓解由于秸秆腐熟对根系发育的抑制作用；P180处理下根系各指标均有所下降，表明过多施磷对玉米根系生长同样起到抑制作用，尤其是菌根侵染状况。而众多研究者在施磷水平对玉米根系菌根侵染状况的影响方面结论不一。一些学者[15]认为，土壤低磷含量对AM真菌侵染宿主植物根系有促进作用，过高磷条件时，促进效果逐渐降低，最后呈抑制侵染作用；另有学者[29]认为，土壤中有效磷量过低或过高都会抑制菌根对植物根系的侵染。本试验结果表明，随施磷量的增加菌根侵染状况表现出先增加后降低的变化趋势，但P180处理下的根系侵染状况较P0处理更差。不施磷和低磷处理下的根长、根表面积、根体积等指标均较差，需要AM真菌侵染以增大对磷素的吸收面积来抵御不良环境，保证作物自身正常生长发育，从而对菌根侵染起到促进作用；而高磷处理下根系吸取的养分能够满足自身生长消耗，且根系膜透性可能因施用更多的磷酸盐而降低，导致根系分泌物中氨基酸和糖的浓度降低，使菌根菌活性下降，从而对菌根侵染起到较为严重的抑制作用。

作物产量的形成离不开养分的积累。前人[30]研究表明，促进玉米对磷的吸收可以通过施磷肥来实现，但过多或过少的施用都会影响作物增产效果。同时战秀梅等[31]研究证实，在不同秸秆还田年限下，玉米产量均表现为深翻>深松>旋耕，又在各耕作方式下产量总体表现为无秸秆还田<隔年还田<秸秆连年还田。本研究发现，5a处理下的产量和植株磷素积累量均显著高于1a，这与5a处理下玉米根系发育良好密不可分。同时发现施磷能够显著提高玉米产量及地下部和地上部各器官磷素积累量，且均随施磷量的增加呈先升高后降低的变化趋势，从成熟期玉米籽粒中的磷素占比可知，1a和5a处理下，籽粒磷素占比分别在P45和P90下最高，继续施磷将导致磷素不能向籽粒高效转移，表明当施磷水平过高时，玉米吸收的磷素较多的供应给了营养生长，造成资源浪费。产量在P135处理下最高，但继续增施磷到180 kg/hm2时，产量下降3.5个百分点，与最高产量相比差异显著，表明磷肥施入过多后可导致玉米减产。但吴启华等[18]研究表明，玉米产量随施磷量的增加持续提高，与本文结果有所不同，可能由于试验地土壤、所处区域和气候等不同造成。综上可见，适宜的磷肥用量是作物养分高效利用及高产的关键。

肥料吸收利用效率是衡量合理施肥的重要指标，可以表示植株对肥料的利用率。侯云鹏等[8]研究表明，随施磷量的增加磷素偏生产力和农学效率逐渐降低。本研究则有所不同，与1a相比，5a处理的磷素吸收效率、磷素利用率、磷素农学效率及磷素偏生产力均显著提高，同时发现磷肥施用量越少，磷素吸收效率和偏生产力越高，而磷素利用率和磷素农学效率分别在P90和P135时最高，其可能是玉米品种特性和试验设计不同所致。综上可见，合理的磷肥用量可在保证作物产量的同时，通过提高磷素利用率和磷素农学效率来有效减少磷肥施用量。

4 结论

连续5年秸秆全量深翻还田（5a）较1年秸秆全量深翻还田（1a）显著改善了玉米根系构型和菌根侵染状况，同时提高各器官干物质积累量和磷素积累量；不同施磷水平比较表明，适量施磷能有效改善根系构型，促进磷素积累，进而提高植株干物质积累量、磷素积累量和产量，2种秸秆还田年限下玉米产量均在施磷量为135 kg/hm2时达到峰值。可见在磷肥施用方面，5a条件下配施磷肥135 kg/hm2是该地区玉米较适宜生长条件。

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【目的】 针对东北半干旱区覆膜滴灌玉米生产中大量施磷导致的效率低与环境风险增大问题,通过3年定位试验,系统研究了覆膜滴灌条件下不同磷肥用量对玉米产量、磷肥利用效率和土壤供磷能力的影响,为该区域玉米磷肥合理施用提供科学依据。【方法】 于2015—2017年在吉林省半干旱玉米主产区（乾安县）布置定位田间试验。共设6个磷肥用量处理,分别为0（P0）、40 kg·hm -2（P40）、70 kg·hm -2（P70）、100 kg·hm -2（P100）、130 kg·hm -2（P130）和160 kg·hm -2（P160）,测定指标包括玉米产量及其构成、成熟期植株磷含量和土壤有效磷含量,并计算作物吸磷量、磷肥利用效率和土壤-作物系统的磷素表观平衡状况。【结果】 施磷可显著提高玉米产量,增幅依次为6.2%—21.2%（2015年）、9.0%—20.6%（2016年）和12.9%—30.3%（2017年）,3年平均增幅为9.2%—23.9%,增产的主要原因是施磷增加了穗粒数、百粒重和收获指数。玉米产量随磷肥用量的增加呈先升后降趋势,其中以P100处理玉米产量最高。磷素表观回收率和磷素偏生产力均随磷肥用量的增加而下降,磷素农学利用率随磷肥用量的增加先升后降。与不施磷肥相比,随磷肥用量和施磷年限的增加,0—40 cm土壤有效磷含量呈增加趋势,其中P100处理土壤有效磷含量与试验起始时土壤有效磷含量相近。连续种植3季玉米后,P0、P40和P70处理土壤磷素表观平衡值均表现为亏缺,亏缺量随磷肥用量的增加而下降;P100、P130和P160处理的土壤磷素表现为盈余,并随磷肥用量的增加而增加。将盈余率（x）与磷肥用量（y1）、土壤有效磷含量（y2）、磷肥利用效率（y3）分别进行拟合,当x=0时,磷肥用量为92.4 kg·hm -2,玉米产量为12 497 kg·hm -2,0—20 cm和20—40 cm土壤有效磷含量分别为34.6 和28.4 mg·kg -1,磷素表观回收率为24.1%,磷素农学利用率为21.9 kg·kg -1,磷素偏生产力为146.1 kg·kg -1;其结果与最高产量处理（P100）相对应的玉米产量、土壤有效磷含量和磷肥利用效率结果相近;以理论盈余率为0时施磷量的95%为置信区间,得出最佳施磷范围在88—97 kg·hm -2。【结论】 本研究中磷肥用量88—97 kg·hm -2范围内不仅能获得玉米高产,还能维持土壤磷素平衡,可作为东北半干旱区覆膜滴灌条件下玉米高产与环境友好的磷肥管理参考依据。

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采用大田试验与土柱试验相结合的方式, 设置距离地表-5 cm (P5)、-10 cm (P10)、-15 cm (P15)和-20 cm (P20)施用磷肥处理, 以不施磷肥为对照(CK), 研究磷肥施用深度对夏玉米根系分布、干物质积累与产量形成及磷肥吸收和利用效率的影响。结果表明, 磷肥施用深度显著影响夏玉米根系干重及根长, 表现为P15>P10>P20>P5>CK。与常规磷肥施用深度(P5)处理相比, P15处理玉米籽粒产量两年平均提高23.1%, 根干重及总根长两年平均提高13.1%、22.9%; P15、P20处理均增加了-20 cm以下土层的根干重比例及根长比例, 土柱试验分别达到35.4%和36.4%、58.7%和59.3%, 大田试验根干重两年均达到19.0%, 根长比重分别达到39.8%和39.9%。根系分布的优化促进了植株磷素积累与转运, P10、P15、P20处理较P5处理磷积累量2年平均提高10.6%、25.2%和14.7%, 磷转运量平均提高46.9%、76.6%和57.6%, 籽粒产量相应增加12.9%、23.1%和10.6%。P15比P5处理的磷肥偏生产力、农学利用效率和表观利用效率两年平均值分别提高19.1 kg kg -1、19.1 kg kg -1和25.2%。磷肥深施能够增加深层土壤根系的分布比例, 提高植株对磷肥的吸收、利用效率, 显著提高夏玉米产量, 在本试验条件下以磷肥集中施用在-15 cm处效果最好。

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为解决水稻生产中磷肥适宜用量及提高水稻产量效益问题,以江苏水稻‘9108’为试验材料,采用不同磷肥用量方法对水稻产量、经济效益、磷肥利用率及土壤养分含量进行研究。结果表明：施磷 37.5 kg/hm2水稻产量最高,达到了11781.15 kg/hm2。磷肥用量在37.5 kg/hm2的基础上增施磷肥水稻磷肥利用率、磷肥生理利用率、磷肥农学利用率和磷肥偏生产力呈现下降趋势,施磷37.5 kg/hm2磷肥效率均最高。增施磷肥降低了土壤pH、有机质和碱解氮含量,增加了土壤有效磷、速效钾含量。水稻经济效益随施磷量的增加而增加,施磷量超过37.5 kg/hm2经济效益下降。综合上述结论拟推荐兴化水稻生产中磷肥适用量为37.5 kg/hm2。

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Returning crop straw to soil can potentially improve soil health and crop production, facilitating sustainable agriculture. However, the effects of straw incorporation with various tillage management techniques combined with nitrogen (N) regimes on crop root growth, and water and N utility are not well understood. In this study, rotary tillage (RTS) and plow tillage (PTS) for straw incorporation combined with N regimes (CK, no N applied; LN, 112 kg N ha−1; MN, 187 kg N ha−1; and HN, 262 kg N ha−1) were used to determine their effects on soil water and mineral N availability, root distribution, crop N uptake, grain yield, and water use efficiency (WUE) of maize in northeast China. The results demonstrate that higher levels of pre-sowing soil-water storage and field evapotranspiration (ET), and lower levels of WUE and pre-sowing soil mineral N storage (Nmin-PS) at a depth of 0–60 cm were obtained with the RTS treatments as compared to the PTS treatments. N addition improved Nmin-PS and post-harvest soil mineral N storage (Nmin-PH) at a depth of 60–100 cm in 2016, and increased WUE compared to CK. RTS treatments enhanced root weight density (RWD) at a depth of 0–60 cm in 2016–2017, root length density (RLD), ratio of root length density (RLDR), and ratio of root weight density (RWDR) at a depth of 30–60 cm in 2016, and RLD at a depth of 0–30 cm in 2017. N addition promoted RLD and RWD at a depth of 0–10 cm in 2016–2017. RTS treatments reduced pre-silking shoot N uptake (NPS) and grain yield. Shoot N uptake and grain yield were enhanced in response to increasing levels of N; however, the grain yield did not show further significant improvements when the amount of N applied was over 187 kg N ha−1 (except for RTS in 2016). Overall, tillage with straw incorporation management and N levels markedly affected the soil physicochemical properties (such as ET, Nmin-PS, and Nmin-PH). This influenced grain yield indirectly by further mediating root traits (RLD, RWD, RLDR, and RWDR) with consequences for the NPS and post-silking shoot N uptake (NPOS) of maize, which were found to have greatest direct and positive impact on maize grain yield.

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