抗重茬菌剂和双氰胺对华北夏玉米节根特性的影响

李瑞霞 ，霍艳丽，李洪杰，高悦，刘宏元，杨正礼*，张爱平

1. 河北经贸大学旅游学院，河北 石家庄 050061；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 10081；3. 河北北方学院，河北 张家口 075000；4. 山东省德州市农业科学院，山东 德州 253015

华北平原是中国重要的粮食产区，该地种植制度以冬小麦Triticum aestivum -夏玉米Zea mays轮作体系为主，在保障中国粮食安全和农业可持续发展中占有重要地位。目前过量或不合理氮肥施用引起的农业面源污染（Zhou et al.，2014）、土壤酸化和土传病害等问题越来越严重，制约了华北平原农业的可持续发展。前人研究表明，抗重茬菌剂是解决病虫害问题的经济而有效的方法，在马铃薯Solanum tuberosum、草莓Fragaria ananassa、花生Arachis hypogaea和西瓜Citrullus lanatus等作物中得到印证（张春强等，2010；韩涛等，2014；刘洋等，2015；张幸果等，2016），但在大田作物上应用较少。通过适量硝化抑制剂与氮素配施延缓铵态氮向硝态氮转化，提高氮肥利用效率和作物产量（徐星凯等，2000；陈利军等，2002；焦晓光等，2004；王雪薇等，2017；Liu et al.，2013；Peng et al.，2017），其对减少硝态氮的淋溶损失，防止氮肥面源污染（杨春霞等，2005；Cui et al.，2011；Peng et al.，2017），以及调节硝酸盐在植物体内的累积具有良好效果（伍少福等，2006）。其中，双氰胺是一种应用比较广泛的硝化抑制剂（Neeteson，1995）。

玉米根是须根系，由胚根和节根组成，其中节根又分为地上节根（气生根）和地下节根（次生根），由于分枝多、根毛密、根量大、功能期长，须根系是玉米的主要根系（Pellerin et al.，2000），在抗倒伏、水分和营养物质吸收中起着重要作用（Hochholdinger et al.，2009），增加节根数量可以提高作物养分效率或产量（王玉贞等，1999）。也有研究表明，作物产量与根系生长量密切相关（王玉贞等，1999）。以往研究大多关注于硝化抑制剂和抗重茬微生物菌剂在提升作物氮利用效率和作物产量方面的作用，而对作物根系特性的影响鲜见报道。本研究拟通过在田间试验条件下，探讨氮肥配施抗重茬微生物菌剂/双氰胺对华北平原夏玉米节根生长特性的影响，以期为制定农田面源污染控制和夏玉米高产高效生产措施提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验点位于山东省德州市黄河涯镇德州市现代农业科技园试验基地（37°21′14′N，116°20′3′E），本区属暖温带半湿润季风气候，年平均气温12.90 ℃，年平均降水量 547.50 mm，多集中在 6—8月份。土壤类型为砂壤土，碱解氮26.56 mg·kg-1，速效磷 34.27 mg·kg-1，速效钾 106 mg·kg-1，有机质13.17 g·kg-1，pH值8.54，土壤各项理化指标的测定方法参见《土壤农业化学分析方法》（鲁如坤，2000）和《分析测试方法》（徐静安等，2000）。

1.2 田间试验设计

试验采用随机区组设计，共设3个处理：常规施肥（CK），常规施肥+抗重茬微生物菌剂（T1）和常规施肥+双氰胺（T2），每个处理3次重复。供试玉米品种为鲁宁184，种植密度75000 plant·hm-2，行距60 cm。2016年6月27日播种，10月9号收获。各处理夏玉米季施氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）分别为255、45和60 kg·hm-2，磷肥（过磷酸钙）和钾肥（硫酸钾）于播种前一次性施入，其中氮肥（尿素）按照基肥和拔节期追肥6∶4比例施入，灌溉、除草和喷药等措施同常规田间管理。

试验所用硝化抑制剂为双氰胺，由天津市大茂化学试剂厂生产，用量为10.22 kg·hm-2。抗重茬微生物菌剂为600 kg·hm-2，由北京金禾佳农生物技术有限公司生产，有效成分为防病促生芽胞杆菌、木霉菌等高效微生物，每克菌剂有效活菌数量高于 2亿。两种土壤改良剂于夏玉米播种前撒施于土壤表面，然后翻耕后播种。

1.3 根系取样和扫描分析

在夏玉米拔节期，在小区中间部位随机选取 5株长势均匀一致的玉米植株，采用土壤剖面挖根法，以茎杆为中心，以1/2株距为宽，1/2行距为长，挖取0～20 cm土层根系，用水冲洗干净，置于-4 ℃冷藏箱保存，按照玉米节根生长部位分为地下节根和地上节根两类，计算节根条数，并用WinRHIZO（Pro2005c）根系扫描仪进行扫描。结合 Epson Expression10000 XL图像扫描系统对根系平均直径、总根长和总表面积等形态指标进行分析。

1.4 根系氮含量测定

根系扫描结束后，用滤纸包好，在 65 ℃下烘干（48 h）至恒重，用电子天平（±0.0001 g）称重。将烘干后的根系样品，先用植物粉碎机（老本行多功能粉碎机 400Y）粉碎再经研磨磨碎（以收集足够量的细根样品），过筛（孔径0.15 mm），用于根系碳氮含量的测定。不同类型根系氮含量采用元素分析仪测定（Vario Element，German Ⅲ）。

1.5 数据处理

采用 SPSS 16.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，Version 16.0）进行方差分析（Duncan检验法，差异显著性水平α=0.05）和相关性（Pearson相关系数）分析，SigmaPlot 12.5软件制图。

2 结果与分析

2.1 两种土壤调理剂对夏玉米节根形态的影响

由表1可知，与对照处理相比，T1和T2处理均显著降低了地上节根的总根长，分别降低50.39%和30.34%。两种土壤改良剂显著提高了地上节根的平均直径和生物量，其中 T1、T2处理分别增加25.82%、24.39%和 32.42%、57.32%。地上节根的表面积、根体积和分支数与对照处理无显著性差异。与对照相比，T1处理显著降低地下节根根体积23.24%，T2处理显著提高表面积36.75%和分枝数47.24%。地下节根的总根长、平均直径和生物量与对照处理相比差异不显著。

2.2 两种土壤调理剂对夏玉米节根氮含量的影响

根系是作物吸收、转化和储藏营养物质的重要器官，玉米根系氮含量直接影响地上部的生长和玉米产量。由图1可知，与对照相比，T1和T2均增加节根的氮含量，并且T2处理显著大于T1处理。在地上节根中T1和T2处理氮含量分别增加17.53%和68.29%，其中仅T2处理达到显著水平；T1和T2处理地下节根氮含量分别显著增加了30.79%和36.07%。

2.3 两种土壤调理剂对夏玉米节根条数的影响

前人研究表明，增加节根数量可以提高作物养分效率或产量（李宁等，2008；Cai et al.，2012），其中地上节根对增强抗倒伏能力具有重要作用（李宁等，2008；Hochholdinger et al.，2009）。与对照相比，T1和T2处理分别显著增加地上节根9和12条（P<0.05）（图2），增幅分别为75%和100%；却对地下节根的数量影响不显著（P>0.05）。这表明，T1和T2处理均促进夏玉米地上节根发育。

表1 不同处理对夏玉米节根形态和生物量的影响Table 1 Effect of different treatments on maize brace root morphology and biomass

图1 不同处理对节根氮质量分数的影响Fig. 1 Effect of different treatments on brace root nitrogen content不同处理小写字母表示差异显著（P<0.05） Means with different small letters are significantly different at the 0.05 level

2.4 两种土壤改良剂对土壤基本理化性质的影响

图2 不同处理对节根数量的影响Fig. 2 Effect of different treatments on brace root number不同处理小写字母表示差异显著（P<0.05） Means with different small letters are significantly different at the 0.05 level

由表2可知，3个处理中双氰胺T2处理的土壤铵态氮含量最高（P<0.05），显著增加了30.73%；T2处理的土壤速效磷含量最低（P<0.05），显著降低了33.61%。两处理显著提高土壤pH值（P<0.05），而对土壤硝态氮、速效钾和有机质含量影响不显著（P>0.05）。

2.5 节根形态、条数和氮含量与土壤养分的相关性分析

由表3可知，地上节根表面积与土壤有机质含量呈显著负相关（P<0.05）。地上节根的平均直径与土壤pH值呈显著正相关。地上节根的氮含量与土壤铵态氮和pH值呈显著正相关（P<0.05），与土壤速效磷呈极显著负相关（P<0.01）。地上节根数量与土壤pH值呈极显著正相关（P<0.01）。

表2 不同施肥处理下土壤养分变化Table 2 Changes of soil nutrient under different treatments

表3 节根生长特性与土壤理化性质的相关性Table 3 Corrections between brace root growth characteristics with soil physical and chemical properties

地下节根总根长与土壤 pH值呈显著负相关（P<0.05）。地下节根表面积与土壤铵态氮含量呈显著正相关（P<0.05），与土壤速效磷含量呈显著负相关（P<0.05）。地下节根分支数与土壤铵态氮含量呈显著正相关（P<0.05）。地下节根氮含量与土壤pH值呈极显著正相关（P<0.01）。节根的形态、氮含量和数量与土壤硝态氮和速效钾含量不存在显著相关性，这与本试验中得到的土壤硝态氮和速效钾含量受处理影响较小有关。

2.6 两种土壤调理剂对夏玉米产量和产量构成指标的影响

由表4可知，T1处理中单穗粒重、秸秆干质量和产量有降低趋势，但与对照差异均不显著（P<0.05）。T2处理有效穗数和秸秆产量均显著高于对照（P<0.05），分别增加 26.58%和 9.72%；而单穗粒重和产量有降低趋势，但与对照差异均不显著（P>0.05）。说明施用抗重茬微生物菌剂可能不利于夏玉米产量的增加，而施用双氰胺通过增加有效穗数和秸秆干质量提高了氮肥利用效率，对产量的作用不大。

2.7 节根形态、条数和氮含量与产量的相关性分析

由表5可知，夏玉米有效穗数与地上节根表面积呈显著正相关（P<0.05），与氮含量呈极显著正相关（P<0.01）；秸秆干质量与地上节根表面积和氮含量呈显著正相关（P<0.05）。夏玉米有效穗数与地下节根表面积呈极显著正相关（P<0.01），与分枝数呈显著正相关（P<0.05）；秸秆干质量与地下节根表面积、根体积和分枝数呈显著正相关（P<0.05）。可见，拔节期地上节根表面积和氮含量以及地下节根表面积和分枝数是影响夏玉米有效穗数和秸秆干质量的主要因素，对后期产量的影响不明显。

3 讨论

3.1 抗重茬微生物菌剂对玉米节根形态、氮含量和数量的影响

抗重茬微生物菌剂含有多种高效活性微生物，能固定于作物根系周围并大量繁殖，快速吞噬土壤中的有害菌群，增强根系活力和生根能力，促进作物根系延展，加快根系的生长发育，提高作物产量（张幸果等，2016）。程红玉等（2012）研究发现，6种抗重茬剂对制种玉米植株生长均有一定的促进作用，能够提高玉米产量。本研究发现，抗重茬微生物菌剂显著增加夏玉米地上节根条数、平均直径和生物量，降低了总根长；同时提高了地下节根的氮含量，降低了根体积。可见，两类节根生长指标对抗重茬微生物菌剂的响应存在差异。

本研究还发现，抗重茬微生物菌剂显著提高了土壤pH值，但对土壤其他理化性质影响却不显著。土壤酸化不仅导致土壤肥力严重下降，而且导致土壤微生物群落发生变化，使得真菌处于优势，并对土壤有益微生物的生长和活动产生抑制，有利于有害微生物的繁殖。樊小林等（2014）研究发现，香蕉枯萎病危害和土壤pH值呈显著负相关关系，香蕉枯萎病的危害将随着土壤pH值的升高而减弱。施用碱性肥料，有利于细菌或放线菌等有益微生物的活动和繁殖（王世强等，2011）。Thfwawn et al.（2004）研究认为，施用微生物土壤改良剂能诱导植物对土传病原物产生抗病性，减轻一些土传病原真菌和胞囊线虫、根结线虫等对植物造成的危害，提高植物的营养水平使植株健壮，增强植物对病原菌的抗性。相关性分析表明，在抗重茬微生物菌剂处理中，节根的形态、氮含量和根条数仅受土壤pH值的影响。

表4 不同处理下夏玉米产量和产量构成因素Table 4 Summer maize yield and its components in different treatments

表5 节根生长特性与产量和产量构成因素的相关性Table 5 Corrections between brace root growth characteristics with yield and and its components

3.2 硝化抑制剂对玉米节根形态、氮含量和数量的影响

与对照相比，双氰胺显著增加地上节根的平均直径、生物量和数量；显著增加地下节根表面积和分支数。这与王少先等（2003）研究得出的低剂量双氰胺（7.5 kg·hm-2和15 kg·hm-2）能显著增加水稻根系体积，改善根系的吸收性能的结论一致。本研究还发现，双氰胺显著增加地上和地下节根的含氮量，这与邓兰生等（2007）研究得出的双氰胺显著提高了玉米地上部和根系的含氮量的结果一致。施用双氰胺促进玉米节根的生长，有利于植株从土壤中吸收更多的氮素，减少氮素在土壤中的累积和可能的损失。

双氰胺延缓铵态氮的硝化速率，使施入土壤中的尿素能较长时间地以铵态氮形态存在，铵态氮是作物可以直接吸收利用的氮素主要形态之一，添加双氰胺能提高土壤供氮能力。土壤中铵态氮含量高于硝态氮含量，铵态氮供作物吸收利用，减少作物对硝态氮的吸收，降低了氮肥以硝态氮形式淋溶而产生的损失（Cui et al.，2011）。本研究中，双氰胺使得土壤中铵态氮含量升高30.73%，硝态氮含量则降低6.10%，与王煌平等（2013）、杨春霞等（2007）、刘瑜等（2011）和Yin et al.（2016）研究结论类似。至拔节期（33 d后），土壤中硝态氮含量与对照处理差异不大，但铵态氮含量仍然显著高于对照，说明添加双氰胺至少将正常的硝化作用延迟了33 d。双氰胺施用还能减弱施氮造成的pH下降幅度，在一定程度上减缓了土壤的酸化趋势，对土壤pH值有一定的缓冲作用，这源于双氰胺使土壤中铵态氮含量显著提高，而使硝态氮含量显著降低。相关性分析表明，在双氰胺 T2处理中节根的形态、含氮量和数量受土壤铵态氮、有效磷和pH值的影响。

抗重茬微生物菌剂和双氰胺处理能在一定程度上改善夏玉米根系的生长指标，并且两类节根的增幅明显不同，说明夏玉米对抗重茬微生物菌剂和双氰胺反应不同。抗重茬微生物菌剂和双氰胺效果受土壤温度、水分、微生物活性等多种因素的影响，本文是在大田环境条件下取得的初步结果，对于全面分析不同优化施肥模式调控夏玉米节根的生长发育机制，尚需进一步田间试验进行验证。

4 结论

（1）抗重茬微生物菌剂显著提高地上节根直径、生物量和数量以及地下节根氮含量，对地上节根总根长和地下节根体积产生了明显的抑制作用。双氰胺显著提高地上节根直径、生物量、氮含量和数量以及地下节根根表面积、分枝数和氮含量，却抑制了地上节根总根长。

（2）抗重茬微生物菌剂仅显著提高了土壤 pH值；双氰胺显著提高土壤铵态氮含量和pH值，显著降低土壤速效磷含量。地上节根氮含量、地下节根表面积和分支数与土壤铵态氮和速效磷含量的相关性最为显著，地上节根直径、氮含量和数量以及地下节根总根长和氮含量与土壤pH值的相关性达到显著水平，说明两类节根的生长指标受土壤理化性质变化的影响存在差异。

（3）夏玉米拔节期地上节根表面积和氮含量与地下节根表面积和分枝数是影响夏玉米有效穗数和秸秆干质量的主要因素，但对后期产量的影响不明显。抗重茬微生物菌剂和双氰胺调控节根生长特性，提高了节根的吸收功能，其中地上节根反应更为敏感。综合比较两种模式，双氰胺的效果优于抗重茬微生物菌剂，显著提高了夏玉米有效穗数和秸秆干质量，但两种模式对后期产量的影响却不明显。

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