长期定位施肥对砂姜黑土小麦根系性状和根冠比的影响

张向前,曹承富,陈 欢,乔玉强,杜世州,李 玮，赵 竹,徐云姬

(安徽省农业科学院作物研究所/安徽省农作物品质改良重点实验室，安徽合肥 230031)

长期定位施肥对砂姜黑土小麦根系性状和根冠比的影响

张向前,曹承富,陈 欢,乔玉强,杜世州,李 玮，赵 竹,徐云姬

(安徽省农业科学院作物研究所/安徽省农作物品质改良重点实验室，安徽合肥 230031)

为了解长期定位施肥下砂姜黑土区小麦根系的生长发育状况，研究了5种长期不同施肥模式对该区小麦根系性状和根冠比的影响。结果表明，长期单施有机肥(M)小麦的总根长、总根表面积、总根体积、总根尖数、总根分叉数、根干重皆高于长期单施化肥(NPK)，其中，开花期M处理小麦的总根体积、总根尖数、总根分叉数、根干重显著高于NPK处理，根直径M与NPK处理间差异不显著。长期有机肥与化肥配施传统施氮量(MNPK)与有机肥与化肥配施高施氮量(HMNPK)处理间小麦的总根长、总根表面积、平均根直径、总根体积、总根分叉数差异皆不显著，而MNPK处理小麦的总根尖数和开花期的根干重显著高于HMNPK处理。长期有机肥与化肥配施相对于长期单施化肥和有机肥可以明显改善小麦根系性状，其中，开花期MNPK和HMNPK处理小麦的总根长、总根表面积、总根体积、总根尖数、总根分叉数显著高于NPK和M处理，而MNPK和HMNPK处理小麦的平均根直径与M处理差异不显著。长期不施肥(CK)小麦的根系性状各指标显著低于其他各施肥处理。拔节期CK处理小麦的根冠比最低，其次为HMNPK，NPK、M、MNPK处理间的根冠比差异皆不显著，开花期HMNPK处理小麦的根冠比最低，其次为MNPK。研究认为，在改善根系性状方面，长期有机肥与化肥配施的效果最优，其次为长期单施有机肥、长期单施化肥；有机肥与化肥配施下施氮量偏高并不利于根系的改善，增加施氮量会降低根冠比。

长期施肥；砂姜黑土；根系性状；根冠比

根系不仅是作物吸收水分和养分的主要器官,也是合成某些氨基酸、激素等生理活性物质的重要场所,在作物生长发育过程中具有举足轻重的作用，直接影响地上部的生长发育和产量的形成[1-2]。作物的根系性状不仅是根系质量优劣的主要体现，而且很大程度上决定着作物获得养分和水分的能力及作物群体抗逆性和产量的形成[3-4]，明确不同农艺措施对作物根系性状的影响，对提高作物养分吸收利用率、增强群体抗逆性及产量具有重要意义。根冠比能反映作物的生长状况及环境条件对根系与地上部生长的影响[5]。为了植株整体及各自生长需要,根、冠之间经常进行着物质和能量的交换,既相互依赖,又相互促进[6]。张绪成等[7]认为，根冠比是反映小麦干物质协调积累状况的重要指标之一，受小麦本身遗传特性和环境因素的影响，小麦能够通过调节根冠比来实现对逆境的适应。研究不同农艺措施对作物根冠比的影响，对协调作物地上部和地下部生长及作物干物质积累分配、增加作物产量具有重要意义。

小麦是安徽淮北砂姜黑土地区主要粮食作物之一，由于砂姜黑土养分贫瘠、耕层浅薄、结构不良、适耕期短、保水保肥性能差，致使作物根系生长发育不良，加之长期以来该区种植户科学种田意识淡薄、追求高产和贪图省钱、省事，在肥料施用量和施用类型上存在很大的盲目性，对小麦根系生长发育产生了明显不良影响。研究表明，小麦根系性状和根冠比除与品种自身的基因型有关外,受施肥等栽培管理措施的影响也较大[8-10]。此外，相对地上部而言，根系的研究更为复杂和困难，目前，在安徽淮北砂姜黑土这一典型生态区尚未见小麦根系方面的研究。本试验以35年定位土壤培肥为基础，研究了长期不同施肥模式下砂姜黑土小麦根系性状和根冠比的差异，以期阐明施肥对小麦根系的影响，筛选出能优化小麦根系性状和根冠比的适宜施肥模式，为砂姜黑土区小麦增产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015年小麦季在安徽省农业科学院作物所濉溪县杨柳试验站长期(1981-2015年)定位土壤培肥试验区进行，试验土壤为砂姜黑土，其成土母质为黄土性古河沉积物。长期定位土壤培肥试验开始前，耕层0～20 cm土壤基础理化性状为全氮0.78 g·kg-1、全磷0.47 g·kg-1、碱解氮 64.10 mg·kg-1、速效磷 2.50 mg·kg-1、有机质10.22 g·kg-1、pH 7.6。

种植模式为玉米-小麦轮作，种植玉米品种为郑单958，小麦品种为济麦22，每季作物收获后将地上部秸秆移除，实施根茬还田。试验小区面积为30 m2，小区间筑水泥墙作永久性田埂。试验共设5个施肥处理(表1)，4 次重复。施肥的 4 个处理实行定氮，磷、钾素不统一定量。所用化肥为复合肥(N、P2O5和K2O含量皆为15%)，N 素不足用尿素补齐。所施有机肥为豆饼肥(N 60～70 g·kg-1、P2O510～30 g·kg-1、K2O 20～30 g·kg-1、有机质300～400 g·kg-1)，有机肥用量均按当季肥料养分分析后的实际含量折算。磷、钾肥和有机肥全部用作基肥，且有机肥全部于小麦季施用，夏播作物不施有机肥。氮肥基追比例玉米为3∶5(大口期追肥)，小麦为6∶4(拔节期追施)。

1.2 样品采集与测定

挖取0～40 cm土壤中的小麦根系，取样时期分别为拔节期和开花期，将所取根样装入大塑料袋中，带回实验室后借助0.25 mm 土壤筛和尼龙网用自来水将根系冲洗干净。将洗干净的小麦根系放入装有少量水的有机玻璃盘上，用镊子小心将每条根展开，使根与根之间不交叉、不重叠，用根系图像分析软件WinRhizo(Regent Instruments,Canada) 对每株小麦根系进行扫描检测，每个处理重复5次，测量指标分别为总根长、总根表面积、根直径、总根体积、总根尖数，总根分叉数。

于小麦拔节期和开花期在各处理的每个小区随机取小麦10株；将小麦地上部和根系分离，高温105 ℃杀青半小时；85 ℃烘干致恒重，测定地下部根干重和地上部生物量，以二者的比值为根冠比。

1.3 统计分析

采用SPSS 17.0进行显著性检验，运用Excel 2010对数据进行处理和作图。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥处理对总根长的影响

从图1可以看出，长期CK处理小麦的单株总根长显著低于其他施肥处理，在拔节期和开花期NPK、M、MNPK、HMNPK小麦的总根长分别比CK增加了78.6%、117.8%、137.4%、136.7%和72.2%、92.0%、121.7%、114.1%，差异均显著。在拔节期和开花期，M处理的总根长比NPK分别增加了21.9%和11.5%，拔节期差异显著。MNPK处理的总根长在两个采样期均与HMNPK差异不显著，表明有机肥与化肥配施下增加施氮量对小麦总根长无明显促进作用。长期有机肥与化肥配施相对于长期单施化肥和有机肥，可以明显提高总根长，其中，在开花期，MNPK和HMNPK的总根长比NPK和M分别增加28.8%、24.4%和15.5%、11.5%，差异均显著；在拔节期，MNPK和HMNPK的总根长与M差异不显著，与NPK处理差异显著。

2.2 长期不同施肥处理对总根表面积的影响

由图2可知，长期CK处理的小麦单株总根表面积显著低于其他施肥处理。在拔节期和开花期，M比NPK处理小麦总根表面积分别增加了19.9%和6.0%，在拔节期差异显著。MNPK与HMNPK处理，小麦的总根表面积在拔节期和开花期的差异皆不显著，表明有机肥与化肥配施下增加施氮量并不能明显增加小麦总根表面积。在拔节期和开花期，MNPK和HMNPK处理的总根表面积比NPK增加38.7%、42.3%和21.2%、22.6%，比M分别增加了15.6%、18.7%和14.3%、15.7%，差异均显著。

表1 1981年至今各处理每年肥料施用量

Table 1 Fertilizer amount in different treatments since 1981 kg·hm-2

图1 长期不同施肥处理对小麦单株总根长的影响

图2 长期不同施肥处理对小麦单株总根表面积的影响

图3 长期不同施肥处理对小麦单株根直径的影响

2.3 长期不同施肥处理对根直径的影响

由图3可知， M处理的根直径略高于NPK，差异不显著，M、MNPK、HMNPK处理间的根直径差异不显著，表明长期有机肥与化肥配施相对于长期单施有机肥，对增加根直径的效果并不明显。MNPK和HMNPK的根直径在开花期显著高于NPK处理，分别增加了4.8%和3.6%，表明长期有机肥与化肥配施相对于长期单施化肥，可以显著提高根直径。NPK、M、MNPK、HMNPK处理的根直径在拔节期和开花期比CK分别增加了51.2%、53.5%、69.8%、65.1%和40.0%、43.3%、46.7%、45.0%，差异均显著。

2.4 长期不同施肥处理对总根体积的影响

长期不施肥相对于其他长期施肥处理，小麦根体积显著降低(图4)。在拔节期，M处理的根体积与NPK差异不显著，而在开花期显著高于NPK处理，增加了7.8%。MNPK和HMNPK的根体积在拔节期和开花期差异皆不显著，表明有机肥与化肥配施下，增加施氮量并不能明显增加小麦根体积。与长期单施化肥和有机肥相比，长期有机肥与化肥配施可以明显增加小麦根体积，在开花期，MNPK和HMNPK的根体积比NPK增加了21.9%和19.8%，比M增加了13.1%和11.2%，差异均显著。

2.5 长期不同施肥处理对总根尖数的影响

从图5可以看出，MNPK处理的总根尖数显著高于其他处理，比CK在拔节期和开花期增加了260.1%和188.5%。M处理的总根尖数比NPK在拔节期和开花期分别增加了11.9%和11.2%，差异均显著，表明长期单施有机肥相对于长期单施化肥，可以显著增加小麦总根尖数。MNPK的总根尖数显著高于HMNPK，表明有机肥与化肥配施下，施氮量偏高会降低小麦总根尖数。

2.6 长期不同施肥处理对总根分叉数的影响

长期CK处理的总根分叉数最低(图6)，在拔节期和开花期，NPK、M、MNPK、HMNPK处理的总根分叉数分别比CK增加了137.9%、209.1%、230.9%、222.7%和159.6%、187.4%、227.0%、214.1%，差异均显著；M处理的总根分叉数比NPK增加了29.9%和10.7%，差异均显著。MNPK和HMNPK处理的总根分叉数在拔节期和开花期差异皆不显著，表明有机肥与化肥配施下，增加施氮量对小麦总根分叉数影响不大。MNPK和HMNPK处理的总根分叉数在拔节期显著高于NPK处理，与M处理差异不显著；在开花期显著高于NPK和M处理。

2.7 长期不同施肥处理对根干重的影响

从图7可以看出，长期CK处理的根干重显著低于其他施肥处理。与NPK处理相比，M处理增加小麦根干重，在开花期MNPK与HMNPK处理的根干重在拔节期差异不显著，在开花期MNPK较HMNPK处理增加了5.9%，差异显著。在拔节期MNPK与HMNPK处理的根干重显著高于NPK处理，在开花期MNPK处理的根干重显著高于CK和M处理。

图4 长期不同施肥处理对小麦单株总根体积的影响

图5 长期不同施肥处理对小麦单株总根尖数的影响

图6 长期不同施肥处理对小麦总根分叉数的影响

图7 长期不同施肥处理对小麦根干重的影响

图8 长期不同施肥处理对小麦根冠比的影响

2.8 长期不同施肥处理对根冠比的影响

从图8可以看出，拔节期CK与HMNPK处理的根冠比较低，两者差异不显著；NPK、M、MNPK处理间的根冠比差异皆不显著，但显著高于CK处理，分别增加了17.6%、14.7%、17.6%。在开花期，各处理的根冠比皆低于拔节期，HMNPK和MNPK处理根冠比较低，但差异不显著。在开花期，M处理的根冠比低于NPK处理，但两者差异不显著；MNPK和HMNPK处理的根冠比较NPK处理降低了26.1%和43.5%，差异均显著。以上分析表明，在生育前期适当施肥有利于增加小麦根冠比，而在生育后期会使小麦根冠比降低，其中，较高的肥料运筹会使根冠比显著降低。

3 讨 论

小麦根系的生长、发育、分布和形态构建除了具有品种本身的特性外，还受施肥、耕作等措施的影响。根系形态决定了作物获得养分和水分的能力，健壮的根系和适宜的根系形态能为植株提供充足的养分和水分，多数栽培措施如施肥对作物的影响都是通过调控根系而实现的[1，11]。李京涛等[12]研究发现，有机肥特别是有机肥与一定量的氮肥配合施用能有效延缓根系衰老，使小麦生育后期维持较高的根系生理话性，从而提高籽粒产量。张永清等[13]在研究中指出，根系不仅受施肥类型的影响，而且受施肥深度的影响，较深层次的施肥有利于下层土壤中根重、根长密度及根系活性的提高。李絮花等[14]研究证实，与施用化肥相比，有机肥可促进小麦根系的生长和根系在深层土壤中的分布，使小麦根系的总鲜重明显增加。本研究发现，就改善小麦根系性状总根长、总根表面积、总根体积、总根尖数、总根分叉数、根干重而言，长期单施有机肥的效果优于长期单施化肥，长期有机肥与化肥配施的效果优于长期单施有机肥和化肥，而有机肥与化肥配施下施氮量偏高会导致总根尖数和根干重的降低，长期不施肥处理会导致上述根系性状各指标显著低于其他各施肥处理。对根直径，长期有机肥与化肥配施相对于长期单施有机肥并未表现出明显优势，而显著优于长期单施化肥。Yang等[15]和苗果园等[16]也证实作物根系的生长发育受施肥类型和方式的明显影响。长期单施化肥相对于其他施肥处理会根系性状变差，主要可能是由于长期单施化肥易造成土壤板结，透气透水性差，土壤有机质、速效氮和速效磷含量降低造成的，而有机肥与化肥配施不仅可为作物根系的生长发育提供充足的氮磷钾及其他微量营养元素，而且可改善土壤紧实度和透水透气性，易于根系的生长和下扎。

根冠比是指作物根系与地上部干重的比值,它能反映作物的生长状况及环境条件对根系与地上部分生长的不同影响[17]。段舜山等[18]研究发现，在养分和水分充足条件下，小麦根冠比较低。张绪成等[7]指出，氮素营养对植物根冠比有显著的调控作用,氮素营养缺乏会导致地上部分生长受阻，使根冠比增大，过量氮素供应则会使地上部分过度生长，使根冠比显著降低。本研究发现，长期有机肥与化肥配施的根冠比低于长期单施化肥和有机肥处理；有机肥与化肥配施下施氮量偏高会导致根冠比的进一步降低。武 荣等[19]和Rajala等[20]在研究中指出，根冠比过小或者过大都会对作物产生不良影响，过小会导致根系不能吸收足够的养分和水分而限制作物生长，过大的根冠比会导致过多的同化物在根部被消耗掉，同样会限制产量的增加。因此，在实际农业施肥过程中，应注重肥料施用量和类型的合理选择。综合分析，在安徽淮北砂姜黑土地区，肥料施用建议首选有机肥与化肥配施，其次为单施有机肥，且有机肥与化肥配施下施氮量不宜偏高。

4 结 论

(1)长期有机肥与化肥配施相对于长期单施化肥和有机肥可以明显改善小麦根系性状，但有机肥与化肥配施下，施氮量偏高并不利于小麦根系性状的改善，甚至会导致总根尖数和根干重的降低，而长期不施肥则会导致根系性状明显变差。

(2)长期有机肥与化肥配施的根冠比低于长期单施化肥和有机肥处理，其中，有机肥与化肥配施下施氮量偏高会导致根冠比的进一步降低。

(3)在改善小麦根系性状和根冠比方面，长期有机肥与化肥配施效果最好(施氮量不宜偏高)，其次，为长期单施有机肥。

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Effect of Long-Term Fertilization on Root Traits and Root-Shoot Ratio of Wheat in Lime Concretion Black Soil

ZHANG Xiangqian,CAO Chengfu,CHEN Huan,QIAO Yuqiang,DU Shizhou,LI Wei,ZHAO Zhu，XU Yunji

(Crops Research Institute,Anhui Academy of Agricultural Sciences/Anhui Provincial Key Laboratory of Crops Quality Improvement,Hefei,Anhui 230031,China)

In order to provide scientific basis for improving root growth and development and yield of wheat in lime concretion black soil area,the effects of five long-term fertilization models on root traits and root-shoot ratio of wheat in this area were studied. The results indicated that the total root length,total root surface area,total root volume,total root tips,total root forks,and root dry weight of M(long-term application of single organic fertilizer) were higher than those of NPK(long-term application of single chemical fertilizer),and the differences in total root volume,total root tips,total root forks and root dry weight between M and NPK were significant,while the difference in average root diameter between M and NPK was insignificant. The differences in total root length,total root surface area,average root diameter,total root volume,and total root forks between long-term mixed application of organic and chemical fertilizer MNPK(traditional nitrogen application rate) and HMNPK(higher than traditional nitrogen application rate) were insignificant,while the total root tips and root dry weight at flowering stage of MNPK were significant higher than those of HMNPK. When compared to long-term application of single organic and chemical fertilizer treatments,the treatments of mixed application of organic and chemical fertilizer can obviously improve root traits of wheat,and the total root length,total root surface area,total root volume,total root tips and total root forks of MNPK and HMNPK were significantly higher than those of NPK and M,while the differences in average root diameter between M and MNPK,HMNPK were insignificant. The root traits of long-term no fertilizer application CK was significantly lower than those of other fertilization treatments. The root-shoot ratio of CK was the lowest at jointing stage,followed by HMNPK,and the differences in root-shoot ratio of NPK,M and MNPK were insignificant; the root-shoot ratio of HMNPK was the lowest at flowering stage,followed by MNPK,and the root-shoot ratio of MNPK and HMNPK were lower than that of NPK and M. In terms of improving root traits,the effect of M is better than that of NPK,and the effect of MNPK is better than that of M. Increasing N application rate is not helpful to improve root traits under the conditions of MNPK. Application of mixed organic and chemical fertilizers and increasing N application rate decreased root-shoot ratio.

Long-term fertilization; Lime concretion black soil; Root traits; Root-shoot ratio

时间：2017-03-07

2016-07-19

2016-09-18

国家自然科学基金项目(31401328)；国家重点研发计划项目(2016YFD0300408)；国家科技支撑计划项目(2013BAD07B08)

E-mail:xiangqian111@163.com

曹承富(E-mail:caocfu@126.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)03-0382-08

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170307.1639.030.html