不同深松深度对夏玉米根系时空分布及氮素利用的响应

吴广俊 刘鹏 董树亭 张吉旺 赵斌

摘要：研究不同深松对夏玉米根系时空分布及氮素吸收利用的响应，旨在探明深松下玉米根系与养分的协调一致性，进而提高产量及氮素利用效率。选用郑单958为试验材料，设置3个深松深度，即不深松（S0）、15 cm深松（S15）、35 cm深松（S35）。结果表明，35 cm深松对比不深松和15 cm深松显著增加深层根系数量及分配比例，进而增加叶面积指数和单株生物量，提高氮素吸收效率，最终促进产量的显著提高。因此35 cm深松增产效果较为明显。

关键词：夏玉米；深松深度；根系；氮素吸收效率

中图分类号：S513.052文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）10-0092-06

玉米是世界重要的粮食、饲料、工业原料和生物质能源等多用途作物。氮肥的投入在玉米产量增加过程中起着重要作用；高效利用氮肥、减少氮肥损失在保护环境、提高玉米产量中也起着很重要的作用[1]。根系对于固定植株、吸收水分养分有重要作用[2]，与土壤中水分养分的分布、转移、消耗密切相关，和地上部植株生长和产量形成有直接关系[3]。根系形态决定着作物探寻吸收土壤中多样资源的能力[4-6]，根系在土壤空间的分布对于捕获不可移动和可移动的土壤资源起着决定性的作用[7]。由于玉米根系在土壤空间呈“横向紧缩、纵向延伸”的生长趋势，深层根系增加可减少氮素的挥发和淋洗损失，增加氮素的吸收效率[8]。

目前农业生产中普遍存在耕层浅、犁底层坚硬、土壤通气性差等问题，限制了玉米根系的生长发育，阻碍根系向下层土壤中下扎，导致地上部早衰，最终降低产量[9]。土壤深松耕作可以打破阻碍根系生长的犁底层，改善耕层环境，促根下扎，提高根系对深层土壤的吸收利用，最终获得高产[10-12]。因此探明深松耕作与玉米整个生育时期根系分布及氮素吸收利用的关系尤为重要。本试验就不同深松深度对夏玉米根系时空分布及氮素利用的响应进行研究，揭示深松对提高氮素利用效率及夏玉米产量的作用，这对玉米的可持续发展有重要意义。

1材料与方法

1.1试验材料及设计

试验于2014-2015年在山东农业大学实验农场进行。供试品种为郑单958，种植密度为75 000 株/hm2。2014年6月14播种，10月4日收获。2015年6月15播种，10月4日收获。在拔节期追施纯氮315 kg/hm2， P2O5和 K2O分别为105 kg/hm2和270 kg/hm2，玉米生育期给予良好的管理并保证水分供应。

试验设置3个深松深度，分别为不深松（S0）、15 cm深松（S15）、35 cm深松（S35）。随机区组排列，重复3次，小区面积60 m2。

1.2测定项目及方法

分别于玉米大口期（V12）、抽雄期（VT）、灌浆期（R2）、乳熟期（R3）、蜡熟期（R5）和完熟期（R6）系统取样，取样时每个小区选有代表性的植株4株，按照茎秆、叶片、雄穗、苞叶、籽粒、穗轴分开，105℃杀青30 min后80℃烘至恒重，测定干物质积累量，并研磨过80目筛，用H2SO4-H2O2联合消煮后用BRAN+LUEBBE Ⅲ型连续流动分析仪测定氮素含量。生育期氮素积累量（g/株） =∑某生育期各器官含氮量（mg/g）×干物质积累量（g/株）/1 000。

根系取样采用土壤剖面法，以植株为中心取长60 cm（垂直于行向）×宽25 cm（沿行向） 的面积，0～60 cm 土体按每10 cm为一层，共分为6层。土壤挖出后，装入网袋。低压水冲洗根系，剔除杂质，吸干根系样品表面水分。

冲洗干净的根系分别测定干重和根长密度。根系干重采用烘干法测定；根系长度直接用Epson， Perfection V700 Photo扫描仪[Epson （China） Co. Ltd.， China]进行扫描，然后使用配套软件（WinRhizo Pro， Régent Instruments， Québec， Canada）进行根系分析。通过测定的根系长度计算根长密度。根长密度（mm/cm3）=各土层根系长度（mm）/土层体积（cm3），即单位土体内的根系长度。

成熟期每个小区收获中间3行5 m的穗数进行考种测产，计算籽粒产量。

1.3数据统计

用DPS 15.0统计软件LSD法进行统计分析，用Sigmaplot 10.0作图。

2结果与分析

2.1不同深松深度对玉米产量及其构成要素的影响

由表1可知，S35处理显著增加了籽粒产量，主要是显著增加了穗粒数和千粒重，公顷穗数无显著性差异。2014年S35处理籽粒产量比S0和S15处理分别提高17.35%和4.13%。2015年S35处理籽粒产量比S0、S15处理分别增加19.68%、7.04%。

2.2不同深松深度对玉米单株生物量的影响

玉米单株生物量在不同深松深度下表现出显著差异（图1）。随着生育时期的推进，单株生物量逐渐增加，在开花期之前3种深松深度差异不明显，从开花期起S35处理单株生物量快速增加，两年呈现出相同的规律。2014、2015年开花期S35处理分别比S0、S15增加79.02%、20.61%和74.53%、40.66%，在完熟期分别增加33.28%、15.05%和32.52%、11.98%。

2.3不同深松深度对玉米叶面积指数的影响

不同深松深度玉米叶面积指数呈单峰曲线变化，均在开花期达到最大值，在开花前3种深松深度差异不大，在开花后S35处理较其它处理叶面积指数为最高。2014、2015年开花期S35处理分别比S0、S15增加22.64%、12.47%和20.06%、8.55%，在完熟期分别增加25.94%、14.76%和55.88%、26.43%（图2）。说明35 cm深松延缓了叶片衰老，更好地维持了花后的绿叶面积。

2.4不同深松深度对玉米氮素吸收的影响

由图3可知，不同深松处理随着生育时期的推进氮素吸收量呈现持续增加的趋势，尤其S35显著增加了花后的氮素积累量，说明S35处理促进了玉米对氮素的吸收。由图4看出，在开花期S35处理显著增加氮素积累量和氮素吸收效率。S35处理氮素积累量比S0和S15分别增加75.69%和29.85%，氮素积累效率S35增加16.03%和9.04%。说明35 cm深松提高了氮素的吸收效率。

2.5不同深松深度对玉米根系时空分布特征的影响

健壮的根系是玉米高产的基础，较多的深层根系是玉米高产的保证，根系干重和根长密度在一定程度上能够反映根系的生长发育状况。从图5看出，不同深松深度下，不同土层之间表现不同，在0～10 cm土层根系干重差异不大，但在10～60 cm土层S35处理每层根系干重均显著高于S15和S0，S35处理比S15处理根系干重分别增加8.53%、176.34%、103.14%、132.67%、180.75%；比S0处理分别增加49.13%、378.95%、565.69%、884.99%、705.43%。

不同深松深度下玉米根长密度随土壤深度的加深，呈显著降低趋势。0～10 cm土层内，与S0比较，S35处理显著增加了玉米的根长密度，S15变化不大，与S0差异不显著。10～60 cm各土层内，根长密度则表现为S35>S15>S0，S35处理与S15处理相比，不同土层分别增加18.96%、56.89%、180.77%、135.85%、134.51%，与S0处理相比分别增加109.46%、514.01%、535.28%、692.51%、680.34%（图5）。

由表2、表3可以看出，土壤深松耕作不仅显著促进根系总量大量增加，还促进根系向下层土壤生长，提高下层根系的比例。不同深松处理0～10 cm土层单株根系干重占总干重的比例表现为

S0>S15>S35，10～20 cm根系干重占总干重的比例表现为S15>S35>S0，但是S35与S0差异不大，在20～60 cm土层根系干重占总干重的比例表现为S35>S15>S0。根长密度在不同土

层的分布比例与根系干重呈现相似的规律。表明35 cm深松明显增加20～60 cm土层的根系，促进玉米根系的下移。

2.6不同深松深度处理玉米根系与氮素吸收效率的关系

由图6可知，在不同深松处理下根系干重、根长密度与氮素吸收效率均呈显著线性正相关，但是不同深松处理对氮素吸收效率的响应不同，S35处理氮素吸收效率对根系干重和根长密度的响应度要高于S15、S0处理，这种响应在根长密度上表现更加突出。表明35 cm深松能保持对根系干重和根长密度较高程度的响应。

3讨论与结论

玉米根系干重、根系长度与土壤养分的吸收呈显著相关性，即随着根系干重与根长的增加，土壤中养分吸收利用效率与玉米产量均显著增加[13]。宋日等（2000）[14]研究表明，深松可以打破犁底层，促使根系下移，显著提高玉米生长后期的根系抗逆性和根系活力，增加千粒重，进而提高玉米产量。在本试验中35 cm深松显著提高下层根量以及下层土壤中根系的分配比例，从而增加穗粒数和千粒重，进而提高籽粒产量。深松增加根系重量、根体积及根表面积，提高深层根系的活力及根重[15]。

米国华等（2010）[1]也提出玉米氮高效吸收的理想株型假设：根系下扎能力强、后期分布较多、根系活力强；高氮投入下仍能保持正常的侧根生长，提高氮素的有效性；侧根对局部硝酸盐的响应能力强。玉米根系向深层土壤扩展有利于深层土壤中水分养分的吸收，而且深层土壤环境相对稳定，对根系生长、延缓衰老有重要作用，这样利于根系对地上部养分的供给[8]。但是玉米向深层土壤中的伸长又受到下层土壤的阻碍作用，深松可以打破土壤坚硬的犁底层，促进根系向下层土壤的扩展，进而提高对深层土壤的吸收利用效率[16]。王新兵等（2014）[17]研究表明条带深松能够改善根系的空间分布，提高深层根系的容纳量，减弱上层根系的拥挤程度，提高对下层养分的吸收。本试验结果显示，35 cm深松比15 cm深松和不深松显著增加下层根系的数量及其分配比例，提高氮素的吸收效率，尤其是提高花后的氮素吸收效率，显著提高养分利用率。

根系主要从土壤中吸收水分、养分，冠层将吸收上来的营养物质合成碳水化合物，根冠之间协调进行，构成整体结构和功能来满足植株生长[18]。本试验发现35 cm深松不仅增加深层根系数量，还显著提高叶面积指数、增加花后单株生物量，这样促进根系吸收的养分更多转化成光合产物，提高生物量积累进而提高玉米产量。

总之，35 cm深松处理打破了土壤的犁底层，增加深层根系数量及分配比例，使之有较高的叶面积指数、较多的单株干物质积累量，促进养分的吸收利用，提高养分利用效率，为籽粒的建成打下良好基础，所以35 cm深松增产效果最明显。

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