施氮量对滴灌超高产春玉米根系 时空分布及产量的影响

楚光红，章建新，高 阳，傅积海，唐长青，王 娜

(1.新疆农业大学农学院， 新疆 乌鲁木齐 830052； 2.阿克苏地区农业技术推广中心， 新疆 阿克苏 843000； 3.伊宁县农业技术推广中心， 新疆 伊犁 835100)

根系是作物生长的重要器官，与产量形成密切相关。庞大的根系结构和较高的根系活力往往是作物获得高产的前提[1-2]。根系对作物的作用不仅取决于其生物总量的多少，还取决于它们的空间分布特征[3-5]。玉米栽培生产中，其根系生长不仅取决于自身品种特性，还受到土壤、气候、地理位置等生态因子，以及耕作过程中灌水和施肥等方式的影响[6-8]。前人研究发现，玉米生产中合理施用氮肥可显著提高玉米根干重、根长、根系吸收面积，有效延缓根系衰老，延长根系养分吸收活跃期，提高根系对土壤养分和水分的吸收能力，协调根系与茎叶籽粒之间的功能平衡，促进叶片进行光合物质生产、积累和转运，提高籽粒产量[9-11]。因此，明确氮肥对玉米根系生长的影响规律对玉米生产意义重大。

近年来，随着滴灌技术的快速发展与推广，水肥一体化的栽培技术在玉米生产中得到了广泛应用。与此同时，相关滴灌模式下的玉米施肥技术研究得以全面展开。就目前而言，对于玉米滴灌施肥技术的研究大多着重于地上部分光合生理变化、干物质积累转运和产量相关的研究，而对于玉米根系生长特性的研究相对较少，特别是对滴灌超高产春玉米根系生长的研究相对缺乏。本文以氮肥为试验因子，分析了不同施氮量对滴灌超高产春玉米根系生长时空分布特征的影响，旨在为滴灌超高产春玉米生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2014年在新疆伊犁哈萨克自治州伊宁县萨地克于孜乡进行(半干旱性气候)。供试土壤为壤土，0～20 cm土层基础肥力：有机质20.3 g·kg-1，碱解氮73.92 mg·kg-1，速效磷11.5 mg·kg-1，速效钾97 mg·kg-1，pH 8.5。播前随翻耕施入重过磷酸钙150 kg·hm-2。

1.2 试验设计

试验共设置5个氮素水平(肥料为尿素)详见表1，随机区组排列，3次重复。小区面积32 m2，8行，行长8 m，株距20 cm，行距50 cm。供试材料为紧凑型春玉米品种新引KWS 2564。4月24日人工拉线点播，5叶期中耕定苗，理论留苗10×104株·hm-2。灌水方式为滴灌，毛管按“一管两行”铺设在两行中间，全生育期不覆盖地膜。生育期内共滴水4次(6月17日、7月3日、7月18日和8月3日)，滴水总量为3 075 m3·hm-2。其它管理措施同大田。

表1 氮肥用量设计

1.3 测定项目与方法

分别于拔节期(V5)、大喇叭口期(V12)、吐丝期(R1)、乳熟期(R3)、成熟期(R6)进行取样，每小区选取有代表性植株3株，将地上部取下后进行根系取样。地上部分按器官分样，105℃杀青30 min，80℃烘至恒重并称重。根系取样采用土壤剖面法，将土层划分为0～20、20～40 cm和40～60 cm三个层次，以植株为中心取长0.5 m×0.2 m面积内全部土壤，土壤挖出后装入网袋低压水枪冲洗根系，剔除杂质，迅速吸干根系样品表面水分，并采用李合生的TTC法测定各层根系活力，同时测定根系长度。将根样烘干称重并计算根干重密度和根长密度。成熟时每小区去除边行及两端2 m后，选取中间4行4 m长的玉米果穗全部收获测定产量，另选连续20果穗进行考种(籽粒产量按含水率14%折算成实际产量)。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2013和DPS 7.05软件进行数据处理和统计分析，并绘制成图表。

2 结果与分析

2.1 施氮量对春玉米根干重及根干重密度的影响

由图1可知，春玉米根干重主要集中在0～20 cm土层，其次是20～40 cm土层，40～60 cm土层最少，分别占总根干重的87.37%，10.56%和2.07%。增加施氮量显著增加春玉米各土层根干重密度。乳熟期时处理间0～20 cm土层根干重密度表现为N300>N150>N0，处理N300根干重密度显著高于N0和N150，分别高出62.00%和45.58%，而N300，N375和N450间无显著差异，说明当施氮量超过300 kg·hm-2时对春玉米灌浆期的根系干物质积累量增加无显著效果。

2.2 施氮量对春玉米根长及根长密度的影响

由图2可知，春玉米各土层根系长度分布规律同根干重分布规律基本一致，即0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，分别占到总根长的57.41%、25.44%和17.15%。施氮量不同导致处理间根系长度差异显著。乳熟期时以处理N375各土层根长密度数值最大，显著高于处理N0和N150，0～20、20～40 cm和40～60 cm的根长密度较处理N0分别高出142.37%、121.35%和123.36%，但与处理N300和N450之间无显著性差异。说明，增加施氮量可以显著提高春玉米各土层根系长度，当施氮量超过300 kg·hm-2时，氮肥对根系的伸长无显著促进作用。

图1 春玉米不同处理不同土层根系干重密度动态变化

图2春玉米不同处理不同土层根长密度动态变化

Fig.2 Change of spring maize root length density among all treatments in different soil layer

2.3 施氮量对春玉米根系活力的影响

由图3可知，增加施氮量显著提高春玉米生育期内各土层根系活力。乳熟期时0～20 cm土层根系活力以处理N300数值最高，三个土层根系活力较处理N0分别高532.76%、129.96%和81.91%，且明显高于处理N375和N450。20～40 cm、40～60 cm土层根系活力均以处理N375数值最高，显著高于处理N0和N150，0～20、20～40 cm和40～60 cm 的根系活力较处理N0分别高出52.58%、41.04%和113.71%，但与处理N300和N450之间无显著性差异。虽然处理N375对20～60 cm土层根系活力的促进作用明显高于处理N300，但在20～60 cm土层根干重水平相对0～20 cm土层根干重较低情况下，处理N375对整个根系活力的促进作用就不如处理N300那么明显。说明，施氮量为300 kg·hm-2时更有利于提高春玉米根系对养分和水分的吸收能力。

2.4 施氮量对春玉米总根干重及根冠比的影响

由表2可知，春玉米生育期内总根干重呈先升高后降低变化。施氮显著提高春玉米各时期总根干重，明显推迟其峰值出现的时间，处理N0和N150总根干重在吐丝期达峰值，处理N300、N375和N450总根干重在乳熟期达峰值。随施氮量的增加，春玉米总根干重呈递增变化，当施氮量超过300 kg·hm-2时，增加不再显著，乳熟期时处理间总根干重表现为N300(N375、N450)>N150>N0。处理N300总根干重显著高于N0和N150，分别高出55.06%和36.88%。生育期内春玉米根冠比值呈下降变化，增加施氮量对春玉米根冠比值无太大影响，同一生育期处理间根冠比值均无显著差异。说明施氮对春玉米根系和地上的促进作用是同步的，较大的根系生物量和较高的根系活力是地上部旺盛生长的基础。

2.5 施氮量对春玉米产量及氮肥利用效率的影响

由表3可知，增加施氮量显著增加春玉米穗粒数、千粒重和产量，且处理N450、N375和N300均显著高于N150和N0。处理N450、N375和N300穗粒数分别较N0增加10.2%、9.9%、9.0%，千粒重分别较N0增加13.5%、11.6%、9.8%，产量分别较N0增加39.9%、33.0%、32.2%。但随着施氮量的增加，氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力呈现降低趋势。当施氮量为300 kg·hm-2时产量为17 000 kg·hm-2，此时农学效率、氮肥偏生产力和氮肥利用率均较高，分别为13.79 kg·kg-1、56.68 kg·kg-1和50.05%，若继续增加施氮量，穗粒数、千粒重和产量增加不显著，且农学利用效率、氮肥偏生产力和氮肥利用率持续降低，不利于农业生产。

图3 春玉米不同处理不同土层根系活力动态变化

注：不同的小写字母表示在5%水平上差异显著。下同。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level. The same as below.

表3 产量构成因素及氮肥利用效率

3 讨 论

作物产量与根系生长发育密切相关，发达的根系总是伴随着地上部的旺盛生长并获得高产。张玉芹等[12]研究发现，超高产春玉米深层根系占总根重比例较大，最大根幅明显下移，下层土壤根条数增加，且随土层深度增加与对照的差异增大。齐文增等[13]研究发现，吐丝期和乳熟期是玉米干物质积累和产量形成的关键时期。因此，通过增加深层土壤中的根系分布有利于玉米干物质积累而获得超高产。本研究结果表明，滴灌条件下春玉米根干重主要集中在0～20 cm土层，占到总量的80%左右，且随施氮量的增加总根重呈上升趋势。同时本研究还表明，吐丝前施氮是构建春玉米根系结构的关键时期，而吐丝后施氮对根系的影响不如吐丝前明显，当施氮量超过300 kg·hm-2时，处理间各土层根干重密度和根长密度均未表现出显著性差异。

根系活力及其生理活性是衡量作物根系对养分吸收能力的重要指标。根系活力大，生理活性强，意味着根系对养分吸收能力强，特别是在春玉米生育后期有利于地上部分维持正常的生理功能，保证籽粒灌浆充分。然而，不同时期和不同深度的根系活力和活性对籽粒生产的作用不同。王启现等[14]研究发现，施氮较不施氮显著增加春玉米根系活力，且以施氮量和施氮期时期处理效果显著。追加施氮量对根系活力的影响主要是上层土层的根系(0～40 cm)，而推迟施氮期，粗根系活力降低，但细根活力增加，且上层(0～40 cm)土层根系活力增加，而40 cm以下土层根系活力不受施氮期影响。本研究表明，施氮量300 kg·hm-2作用时，春玉米0～60cm深各土层根系活力均显著得到提高，吐丝期增施氮肥，底层(40～60 cm)根系活力提高尤为明显，显著高于处理N0和N150，说明滴灌模式下适当增加吐丝期施氮量也是实现春玉米超高产的关键[14]。

增加密度和优化施氮是实现玉米超高产的2个关键技术。本试验为高密(10×104株·hm-2)种植，在不施基肥的情况下，利用滴灌施肥技术分别于春玉米拔节期、大喇叭口期和吐丝期追施不等量氮肥，成熟期籽粒产量依然达17 002.65～18 002.71 kg·hm-2。其原因是合理分配氮肥施用时期和用量，保证了春玉米吐丝前建立良好的根系结构，灌浆期0～60 cm根系具有较高的吸收活力，有效延缓了根系过度衰老，增强根系对水分和养分的吸收，维持了地上部正常的光合物质生产和转运。并且本研究还发现，处理N450的根系活力在灌浆期受到抑制作用，尤其是吸收较活跃的20～40 cm土层根系抑制作用尤为明显，这说明，吐丝期过多的增加氮肥比例并不利于超高产春玉米根系的生长。

4 结 论

各施氮春玉米根干重密度和根长密度随生育进程推移表现先增加后降低变化，且根干重主要集中在0～20 cm土层。增加施氮量显著提高春玉米根干物质积累量，拔节期和大喇叭口期施氮主要促进春玉米构建合理的冠层结构和根系结构，而吐丝期施氮显著提高春玉米灌浆期深层(20～60 cm)根系对养分和水分的吸收能力。当施氮量为300 kg·hm-2左右时春玉米根系长势最好，农学利用率较高为13.8 kg·kg-1，籽粒产量达17 002 kg·hm-2，较不施氮处理增产显著，平均增产32.10%。如继续增加施氮量，各施氮处理间的根干重和根系活力均无显著性差异，当施氮量增加到450 kg·hm-2时，根系生长表现出抑制作用；且农学利用效率及氮肥偏生产效率均明显下降。因此本试验地区滴灌春玉米种植施肥方式可确定为拔节期结结合大喇叭口期配合吐丝期施氮300 kg·hm-2。

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