《Frontiers in Plant Science》：Interaction of phosphorus and water supply regulates the maize root system and phosphorus-use efficiency
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本研究系统揭示了不同磷肥类型（MAP、DAP、APP、UP）与水分供应（正常灌溉与干旱胁迫）的互作效应通过调控玉米根系形态（总根长、平均直径）和生理特性（根际pH、酸性磷酸酶APase活性），显著影响石灰性土壤中磷有效性（Olsen-P）和玉米磷素利用效率（PUE）。APP在维持土壤高磷有效性方面表现突出，而含铵态氮的MAP与APP在水分充足时能有效促进根系增殖。研究为通过优化磷肥-水分协同管理实现根系/根际工程调控、提高农业可持续性提供了重要理论依据。
引言
磷（P）是植物生长发育不可或缺的大量元素，参与重要结构组成、细胞能量转移及多种代谢过程。磷肥施用对保障粮食安全至关重要，然而，过量施磷现象普遍，且当季磷肥利用率通常低于20%，导致磷在土壤中积累并引发水体富营养化等环境问题。此外，磷矿资源不可再生，提高磷素利用效率（PUE）同时增加作物产量已成为可持续磷管理和绿色农业发展的核心挑战。
土壤水分显著影响磷的有效性，因为磷的移动主要依靠扩散，而磷的生物地球化学循环（吸附/解吸、沉淀/溶解）对土壤含水量高度敏感。气候变化导致的干旱胁迫会降低作物产量和农业效率，但一定程度的水分胁迫可能刺激根系生长，改变磷吸收效率。不同磷肥因其特定的理化性质（如磷酸根形态、伴随阳离子、溶液pH值）而对作物生长和养分利用效率产生差异影响。目前，中国农业生产中主要使用高品位磷肥MAP和DAP，而新型磷肥如APP和UP因价格较高尚未广泛推广。本研究旨在探究两种常用磷肥（MAP、DAP）和两种新型磷肥（APP、UP）在两种水分条件下对玉米根系和根际过程的影响，检验以下假设：（1）不同磷肥通过改变根系形态和根际过程差异性地影响玉米生长和磷吸收，且这种效应受土壤水分调节；（2）优化磷肥类型与土壤含水量的互作可依据磷肥特性提高PUE和玉米生长。
材料与方法
研究通过温室盆栽试验，在玉米苗期设置了四种磷肥（MAP、DAP、APP、UP）和无磷对照（CK），并分别在正常灌溉（浇水至田间持水量的70%）和干旱胁迫（浇水至40%）条件下进行。测定指标包括土壤Olsen-P浓度、植株生物量、根系形态（总根长、平均直径）、根际土壤pH和酸性磷酸酶（APase）活性、植株磷含量及PUE。
结果
土壤Olsen-P浓度受磷肥与水分互作的显著影响。在正常灌溉下，APP处理的土壤Olsen-P浓度最高，较其他磷肥高17%-41%。水分处理对同一磷肥的Olsen-P浓度无显著影响。
玉米地上部和根系生物量及根冠比均受磷肥与水分互作的显著影响。在正常灌溉下，所有施肥处理的地上部生物量均显著高于干旱处理，其中UP增加31%，MAP、DAP和APP增加73%-127%。MAP、DAP和APP的根系生物量在正常灌溉下较干旱处理显著增加35%-51%，而UP和CK无差异。因此，MAP和APP的根冠比在正常灌溉下显著低于干旱处理。
根系形态方面，总根长和平均根径受互作影响显著。与干旱处理相比，正常灌溉使MAP和APP的总根长增加47%-62%。仅MAP的平均根径在正常灌溉下较干旱处理增加40%。
根际生理特性上，根际土壤pH和APase活性受互作显著影响。正常灌溉下，DAP处理的根际pH较干旱处理降低0.4单位，而CK则升高0.5单位。MAP、APP和UP的根际pH无显著差异。干旱胁迫下，CK、MAP和DAP的根际APase活性较正常灌溉显著升高（分别增加25%、160%和58%），APP和UP无差异。
植株磷吸收和利用上，地上部磷浓度受磷肥类型和水分主效应影响，但互作不显著。APP处理的地上部磷浓度显著高于CK、DAP和UP。正常灌溉处理的地上部磷浓度较干旱处理高14%。地上部磷含量和PUE受互作影响显著。正常灌溉下，所有施肥处理的地上部磷含量均显著高于干旱处理，UP增加40%，MAP、DAP和APP增加115%-169%。PUE在正常灌溉下也显著高于干旱处理，UP增加52%，MAP、DAP和APP增加157%-249%。
讨论
本研究阐明了不同磷肥与水分供应互作通过调控玉米根系形态和生理性状，影响养分吸收和作物生长的机制。APP能维持最高的土壤Olsen-P浓度，尤其在水合条件下，这得益于其含有的正磷酸盐和聚磷酸盐能持续提供有效磷，并减少石灰性土壤中的磷固定。
含铵态氮（NH4+-N）的磷肥（MAP、DAP、APP）在水分充足时更能促进根系增殖，因为铵态氮吸收伴随质子释放，酸化根际并刺激根分生组织细胞分裂。MAP和APP在正常灌溉下总根长显著增加，导致植株将更多光合产物分配至地上部，降低根冠比。DAP在水分充足时显著降低根际pH，可能提高了根际磷有效性，但其过高铵态氮比例可能引发铵毒害，或因其高pH初始溶解特性削弱酸化益处。UP虽溶液pH最低，但其肥效提升最小，表明肥效受养分形态、类型等多因素综合影响，根系生长响应比肥料pH更能有效适应环境变化。
干旱胁迫降低玉米地上部生物量和PUE，源于水分短缺限制磷溶解扩散、根系功能及养分运输。胁迫下根际APase活性升高（如MAP、DAP）可能动员有机磷，但根际酸化响应在CK与多数施肥处理间受水分调节，凸显磷肥-水分互作的复杂性。
结论
磷肥与水分供应互作显著影响玉米生长和PUE。APP表现出最佳农学性能，尤其在维持土壤高磷有效性方面；MAP次之。含铵态氮磷肥在水分充足时通过促进根系形态生理调整优化磷吸收。协调磷肥选择与作物-土壤-环境系统互作，是提高根系养分吸收和肥料利用率、实现可持续作物生产的关键。
