玉米是重要的粮食作物之一，近年来其需求量持续攀升，在耕地资源有限的情况下，进一步提升单产是提升总产、保障国家粮食安全的重要途径[1-2]。根系是植物吸收养分和水分的重要器官，也是物质同化、转化或合成的场所，同时还是与地上部进行物质交换的代谢器官[3]。良好的根系构型能够提高作物对土壤水分和养分的吸收利用能力[4]。玉米通过改变根系形态和分布来协调对氮、磷资源的响应，从而强化对不同土壤氮、磷资源的摄取能力[5]。合理施用氮肥通过影响玉米根系构型、根系分泌物及根系微生物群来提高玉米产量及其氮素利用效率。程乙[6]研究表明，与常规施氮方式相比（5 cm深度施用225 kg/hm2），减少15%施氮量结合15 cm深度施用有利于促进玉米根系生长，提高深层土壤中根系吸收面积，从而增大根系氮素吸收效率。Péret等[7]和Chen等[8]研究表明，施用磷肥可有效促进植株根系生长，影响侧根与根毛的发生与生长，改变根系构型，增强植物对土壤养分的吸收和利用，进而提高作物的抗性。局部施用磷肥，会引起土壤磷富集区根系生物量、总根长的增加[9]。此外，施用磷肥能够增强作物的光合作用，增大叶面积指数，延缓叶片衰老、提高光合生产潜力[10-11]。现有研究对氮、磷单一元素对玉米根系构型及养分利用效率的探索相对深入，但关于二者配施对夏玉米根系构型、养分吸收能力及产量形成的影响相对较小。本试验通过设置不同氮、磷用量，探索其不同配比对玉米根系构型与养分吸收能力的调控效应，以期为玉米生产过程中的氮、磷合理配施提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验在山东农业大学黄淮海区域玉米技术创新中心（117°09´ E，36°09´ N）进行。供试品种为登海605。试验为栽培箱试验，栽培箱长×宽×高为60 cm×25 cm×60 cm，折合密度为67 500株/hm2。栽培箱内所填土壤为附近农田0~20 cm表层土壤，其养分含量为有机质含量10.37 g/kg、全氮含量0.68 g/kg、碱解氮含量42.51 mg/kg、速效磷含量13.16 mg/kg、速效钾含量64.32 mg/kg。
1.2 试验设计
采用裂区试验设计，以氮素投入量为主区，以磷素投入量为裂区，设置4个氮素用量，分别为0（N0）、225 kg/hm2（N1）、300 kg/hm2（N2）和375 kg/hm2（N3）；4个磷素用量，分别为0（P0）、60 kg/hm2（P1）、90 kg/hm2（P2）和120 kg/hm2（P3），共计16个处理，每处理种植20株。所有处理的钾肥投入量均为300 kg/hm2。氮、磷、钾肥分别为尿素（纯N含量为46.0%）、过磷酸钙（P2O5含量为11.60%）和氯化钾（K2O含量为61.0%）。40%的氮肥和全部磷肥、钾肥作为基肥一次性施入，剩余氮肥在大喇叭口期追施。玉米于6月15日播种，10月1日收获。从出苗期到小喇叭口期每隔1 d浇水200 mL，之后每天浇水300 mL，保证植株水分供应。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 地上部干物质积累量
于玉米开花期（VT）和完熟期（R6），每个处理选取有代表性的植株5株。首先将地上部取下，按照茎秆、叶片、叶鞘、雄穗、籽粒、穗轴、苞叶分开，105 ℃杀青30 min后80 ℃烘至恒重，用精确度为0.01 g的电子天平称重并保存，用于植株养分分析。
1.3.2 根系形态指标及干重
于开花期和完熟期收获根系，将完整的根系在低水压下冲洗干净后，用Epson Perfection tmV700 Photo彩色图像扫描仪扫描图像，然后用Win Rhizo根系分析系统[沃德精准（北京）科贸有限公司]分析根系长度、根系表面积和根系体积。测定完成后将根系置于85 ℃烘箱中烘至恒重并称重，得到根干重，并计算根冠比，如式（1） 。
根冠比=玉米根干重/玉米地上部分干重
1.3.3 籽粒产量
于成熟期收获10株代表性玉米，脱粒称重，计算籽粒产量。
1.3.4 植株养分测定
玉米植株按照茎秆、叶片、穗轴、籽粒、雄穗、苞叶分开，然后研磨过2 mm筛；土壤自然风干，研磨后过2 mm筛。植株与土壤样品用浓H2SO4-H2O2联合消煮，利用BRAN+LUEBBEIII型连续流动分析仪器（德国）测定氮、磷含量。氮（磷）素吸收性能计算如式（2 ）~（6 ）。
植株氮（磷）素积累量（g/株）=植株含氮（磷）量×生物量
氮（磷）肥吸收效率（kg/kg）=植株地上部氮素（磷）累积量/施氮（磷）量
氮肥（磷肥）偏生产力（kg/kg）=籽粒产量/施纯氮（磷）量
氮（磷）农学利用率（kg/kg）=[施氮（磷）区产量－氮（磷）空白区产量]/施氮（磷）量
氮（磷）收获指数（%）=玉米籽粒吸氮（磷）量/玉米地上部植株总吸氮（磷）量×100
2 结果与分析
2.1 植株干物质积累量及籽粒产量
由图1可知，同等氮素水平下，P1、P2、P3开花期和完熟期地上部干物质积累量较P0分别增加13.0%、22.2%、28.6%和4.1%、9.2%、14.0%，籽粒产量提高4.1%、10.5%和16.9%；同等磷素水平下，N1、N2、N3开花期和完熟期地上部干物质积累量较N0分别增加43.0%、40.5%、53.5%和58.9%、73.1%、97.2%，籽粒产量增长110.7%、139.1%和199.4%。其中，N3P3处理表现较佳，开花期、完熟期的地上部干物质积累量分别为84.01、313.31 g/株，籽粒产量为190.74 g/株。
2.2 玉米根系性状
由图2可知，同等氮素水平下，P1、P2、P3开花期和完熟期根系长度较P0分别提高7.4%、15.4%、24.7%和11.2%、18.6%、24.7%；根系表面积较P0分别提高10.3%、22.1%、26.9%和7.0%、15.3%、19.2%。同等磷素水平下，N1、N2、N3开花期和完熟期根系长度较N0分别提高45.4%、51.6%、55.6%和19.5%、28.1%、32.5%；根系表面积较N0分别提高55.5%、61.7%、63.5%和3.9%、8.8%、13.5%。同等氮素水平下，P1、P2、P3开花期和完熟期根系体积较P0分别提高11.1%、24.9%、33.8%和12.6%、18.9%、27.3%；单株根干重较P0分别增加9.6%、12.8%、20.7%和13.0%、25.1%、44.0%。同等磷素水平下，N1、N2、N3开花期和完熟期根系体积较N0分别提高64.1%、69.2%、80.0%和4.9%、13.5%、25.2%；根干重较N0分别增加45.1%、55.6%、62.4%和24.2%、29.2%、46.0%。氮素、磷素及其互作效应对根系长度、表面积、体积和干重均存在一定影响，其中N3P3处理表现较佳。
2.3 玉米根冠比
由图3可知，N2P2处理开花期根冠比较大，N0层次根冠比低于其他3个氮素水平，磷素对根冠比影响规律不明显。在完熟期，同等氮素水平下，随着施磷量的增加，根冠比略有增加；同等磷素水平下，随着施氮量的增加，根冠比略有减小。完熟期根冠比减小说明夏玉米更多的干物质分配到了地上部分，N2和N3水平地上部干物质积累量较大，从而提升产量。
2.4 氮磷配施对植株氮磷积累和利用的影响
由表1~2可知，同等氮素条件下，随着施磷量的增加，夏玉米氮素积累量呈逐渐增加的趋势，在P3水平达到最大；同等磷素条件下，随着施氮量的增加，夏玉米磷素积累量也呈逐渐增加的趋势，在N3水平达到最大。随着施氮量及施磷量的增加，开花前氮素积累不断增加，说明施磷肥能有效缓解高氮下的养分利用瓶颈，提高氮肥偏生产力。同等氮素水平下，随着施磷量的增加，夏玉米氮素吸收效率和氮肥偏生产力呈增加趋势；同等氮素水平下，氮收获指数在P2和P3水平较高，农学利用效率在P3水平下较低，这通常是因为高磷水平促进了高产量，使得每单位施氮量的边际增产效应相对降低，或者是因为养分过剩导致了部分浪费（表1）。同等磷素水平下，随着施氮量的增加，夏玉米磷素吸收效率和磷肥偏生产力呈增加趋势，磷肥农学利用效率呈现非线性波动，在P3水平下，经历了由高到低再回升的过程（表2）。
表1 不同氮磷配施处理的夏玉米氮素吸收性能 |
| 处理 | 氮素积累量 /（g/株） | 氮素吸收效率/ （kg/kg） | 氮收获指数 | 氮肥偏生产力/ （kg/kg） | 氮肥农学利用率/ （kg/kg） | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 花前 | 花后 | |||||
| N0P0 | 0.69 | 0.78 | 40.88 | |||
| N0P1 | 0.99 | 1.06 | 47.35 | |||
| N0P2 | 1.01 | 1.02 | 47.84 | |||
| N0P3 | 1.31 | 1.14 | 51.20 | |||
| N1P0 | 1.32 | 1.32 | 0.79 | 50.05 | 40.81 | 23.70 |
| N1P1 | 1.58 | 1.44 | 0.90 | 51.47 | 41.65 | 23.27 |
| N1P2 | 1.62 | 1.41 | 0.91 | 51.50 | 43.50 | 22.86 |
| N1P3 | 1.88 | 1.61 | 1.05 | 52.77 | 45.18 | 20.05 |
| N2P0 | 1.65 | 1.61 | 0.73 | 52.94 | 33.46 | 20.63 |
| N2P1 | 1.82 | 1.72 | 0.80 | 53.80 | 35.32 | 21.53 |
| N2P2 | 2.11 | 1.91 | 0.90 | 54.16 | 37.70 | 22.22 |
| N2P3 | 2.42 | 2.08 | 1.01 | 53.95 | 39.42 | 20.57 |
| N3P0 | 2.21 | 2.44 | 0.84 | 55.07 | 34.58 | 24.31 |
| N3P1 | 2.58 | 2.58 | 0.93 | 55.42 | 35.60 | 24.57 |
| N3P2 | 2.88 | 2.59 | 0.98 | 55.81 | 37.37 | 24.99 |
| N3P3 | 3.05 | 2.55 | 1.01 | 58.07 | 38.44 | 23.36 |
表2 不同氮磷配施处理的夏玉米磷素吸收性能 |
| 处理 | 磷素积累量/（g/株） | 磷素吸收效率/ （kg/kg） | 磷收获指数 | 磷肥偏生产力/ （kg/kg） | 磷肥农学利用率/（kg/kg） | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 花前 | 花后 | |||||
| N0P0 | 0.85 | 0.84 | 43.05 | |||
| N0P1 | 1.00 | 0.97 | 2.22 | 41.48 | 68.93 | 4.76 |
| N0P2 | 1.07 | 0.98 | 2.31 | 43.99 | 77.39 | 13.23 |
| N0P3 | 1.31 | 1.09 | 2.71 | 49.44 | 94.24 | 30.08 |
| N1P0 | 1.50 | 1.42 | 57.71 | |||
| N1P1 | 1.72 | 1.59 | 3.72 | 58.09 | 156.19 | 3.16 |
| N1P2 | 1.84 | 1.65 | 3.93 | 57.89 | 163.12 | 10.08 |
| N1P3 | 1.99 | 1.63 | 4.07 | 58.69 | 169.42 | 16.39 |
| N2P0 | 1.62 | 1.23 | 56.79 | |||
| N2P1 | 1.85 | 1.37 | 3.63 | 58.38 | 176.59 | 9.30 |
| N2P2 | 2.01 | 1.36 | 3.79 | 60.27 | 188.50 | 21.21 |
| N2P3 | 2.55 | 1.55 | 4.61 | 59.54 | 197.09 | 29.80 |
| N3P0 | 2.22 | 1.39 | 62.64 | |||
| N3P1 | 2.59 | 1.72 | 4.85 | 63.85 | 222.50 | 6.39 |
| N3P2 | 2.84 | 1.71 | 5.12 | 63.29 | 233.56 | 17.45 |
| N3P3 | 3.08 | 1.72 | 5.40 | 64.75 | 240.24 | 24.13 |
3 结论与讨论
3.1 氮磷配施对夏玉米干物质积累和产量的影响
合理的氮肥施用可有效提高夏玉米籽粒产量，氮素缺乏会影响植株穗粒数，降低籽粒产量[12]。刘栋等[13]研究表明，在一定范围内，籽粒产量随施氮量的增加而提高，超过一定限度后增加施氮量籽粒产量增加不明显，甚至降低。随着高产耐肥玉米品种的推广，植株对氮肥用量的承受限度有了较大提升。张经廷等[14]研究认为，施氮量在180 kg/hm2时可满足夏玉米对氮素的需求，获得较高产量。程乙等[15]研究认为，每生产100 kg籽粒需要氮素2.0 kg。因此，在不同的试验条件下，夏玉米氮肥适宜施用量不同。本研究发现，在同等磷素水平下，氮素对夏玉米地上部干物质积累量和籽粒产量有明显影响，在本试验条件下，施氮量375 kg/hm2（N3）时，地上部干物质积累和产量较大。
3.2 氮磷配施对夏玉米根系形态和功能的影响
根系作为作物吸收营养的主要器官，其生长发育状况明显影响作物生长发育和产量形成[18]。根系长度是决定作物从土壤中吸收水分与养分总量的关键指标；直径是根系重要的结构特征，其粗细反映不同的生理功能；根系表面积代表作物吸收养分能力的强弱；根干重是根系大小的直接表现[2]。本研究发现，同等磷素水平下，随着施氮量的增加，夏玉米根系长度、根系表面积、根系体积和根干重均呈增加趋势，说明增施氮肥能有效促进夏玉米根系发育，提高根系对养分的吸收利用能力。根冠比是反映农作物根系和冠层协调生长的重要指标，较高的根冠比有利于满足地上部干物质积累所需的养分物质，从而获得高产[19]。适宜的施氮量能更好地协调作物根系与冠层的功能关系，随着施氮水平的增加，根冠比降低[20]。本研究表明，夏玉米完熟期较开花期根冠比降低，干物质逐渐向地上部转移。在磷胁迫下，玉米可通过根系形态的变化，增大根系与环境的接触机会，根冠比增大，增加了根系与土壤的接触面积，提高玉米根系对磷的吸收，从而提高玉米对缺磷环境的适应能力[21]。范秀艳等[22]研究发现，磷肥下移能促进较深土层根系的生长，提高根系对养分的吸收和利用效率，这表明磷肥可以调控玉米根系构型及发育。本研究发现，同等氮素水平下，随着磷肥施用的增加，夏玉米根系长度、根系表面积、根系体积、根干重均呈增加趋势；在完熟期，同等氮素水平下，随着磷素的增加，夏玉米根冠比略有降低。
3.3 氮磷配施对夏玉米养分积累和利用的影响
作物生物量的积累与养分的积累有着密切的关系，养分积累是生物量累积的基础，也是作物产量形成的基础[23]。巨晓棠[24]研究表明，随着土壤肥力水平或施肥水平的提高，玉米籽粒产量、籽粒含氮磷量、氮磷累积量均会增加，但氮磷收获指数下降，氮磷的增产效果和利用效率也下降。施氮肥可以促进玉米地上部氮素的积累，而过量施用氮肥会抑制玉米对磷素的吸收[25]。本研究结果表明，同等磷素水平下，随着施氮量的增加，夏玉米吸氮量和吸磷量均有所增加，同等氮素水平下，随着施磷量的增加，夏玉米吸氮量和吸磷量也有所增加。氮磷吸收效率、收获指数、偏生产力、农学利用效率是表示养分利用率的常用指标。本研究发现，同等氮素水平下，增施磷肥有效提高了氮素吸收效率和氮肥偏生产力；同等磷素水平下，增施氮肥，可以有效提高磷素吸收效率和磷肥偏生产力；说明在本试验条件下，氮磷配施能提高夏玉米对氮素和磷素的吸收利用效率。
综上，本研究利用栽培箱试验，探究了氮磷配施对夏玉米干物质积累及根系构型、吸收性能的影响，结果表明，氮磷配施能显著提高夏玉米籽粒产量，N3P3产量最高，为190.74g/株；夏玉米根系长度、根表面积、根系体积、根干重随施氮量、施磷量的增加明显提高，二者对根系生长发育调控的交互效应显著；施氮量和施磷量通过促进根系对氮和磷的吸收，从而促进植株干物质积累和籽粒产量形成；随着氮磷肥施用量的增加，氮素和磷素的吸收利用效率明显提高，以N3P3处理最佳。