深松对春玉米根系分布及氮素积累与利用的影响

张瑞富，杨恒山，张玉芹，范秀艳，刘 晶，柳宝林，薛新伟，李丹丹

(1.内蒙古民族大学农学院/内蒙古自治区饲用作物工程中心，内蒙古 通辽 028042；2.内蒙古自治区兴安盟科尔沁右翼前旗农牧业局农业技术推广中心，内蒙古 兴安盟 137423)

西辽河平原灌区地处世界玉米生产黄金带，光热资源充足，井灌条件好，具有实现大面积高产的潜力和优势，是内蒙古自治区重要的商品玉米生产基地。由于长期采用旋耕灭茬作业，导致耕层变浅、犁底层加厚，严重限制了玉米产量潜力的发挥，因此高量施氮成为玉米生产上提高产量的主要措施，这不仅导致高产与高效的矛盾日渐突出，也进一步加大了生态安全风险。耕作措施通过改变土壤微环境而影响作物对养分的吸收与利用[1-3]，深松可以疏松土壤，打破犁底层，增加土壤孔隙度，蓄水保墒，有利于土壤养分的转化利用，可为作物生长创造良好土体环境，进而增强根系对养分和水分的吸收能力，提高肥料吸收利用效率和产量[4-7]。刘明等[8]研究表明，垄间隔行深松可以构建良好的耕层结构，有利于根系的固定和下扎，使根系更好地吸收水分和养分，倒伏率降低，玉米籽粒产量较旋耕处理提高4.72%；赵亚丽等[9]研究深松方式对砂姜黑土耕层特性、作物产量和水分利用效率的影响时指出，深松能够显著降低土壤紧实度，且降低了土壤三相比与适宜状态下土壤三相比在空间距离上的差值(R值)，促进作物根系生长，提高了作物产量和水分利用效率，与秋季旋耕相比，秋季深松土壤紧实度降低20.90%，土壤三相比R值降低12.90%，冬小麦、夏玉米周年总产量增加15.20%，周年水分利用效率增加4.00%，经济效益增加19.80%。研究深松对玉米氮素积累与转运的调控作用，可更好地协调土壤氮素供给与玉米生长发育对氮肥需求之间的关系，增加产量，提高氮肥吸收利用效率，有利于实现玉米栽培减氮增效和环境友好。前人关于深松的研究多集中在深松方式对土壤理化性状的改良[10-11]、作物根系特征的改善[12-13]以及深松与氮肥的互作效应[14-15]上，有关深松对玉米氮素吸收调控的研究不多，尤其是不同玉米品种进行比较研究的报道相对较少。本研究采用定位试验，分析深松措施下春玉米根系时空分布及其氮素积累特征，以期为研究地区春玉米高产高效栽培提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区自然概况

试验于2015—2016年在内蒙古通辽市开鲁县蔡家堡村(121°09′E， 43°35′N，海拔178 m)进行；试验区域为典型大陆性季风气候，土壤为灰色草甸黑土，是当地主要土壤类型。播前试验地耕层(0～20 cm)土壤养分2015年为有机质19.30 g·kg-1、全氮0.66 g·kg-1、碱解氮48.71 mg·kg-1、速效磷5.81 mg·kg-1、速效钾79.18 mg·kg-1；2016年为有机质20.69 g·kg-1、全氮0.71 g·kg-1、碱解氮38.28 mg·kg-1、速效磷7.02 mg·kg-1、速效钾66.88 mg·kg-1。

1.2 试验设计

采用裂区设计，以耕作方式为主区，分别设深松+旋耕(S+R)处理和旋耕(R)处理，其中旋耕处理作业深度为15 cm，深松+旋耕处理采用深松旋耕联合整地机实施，深松处理作业深度为35 cm，深松+旋耕和旋耕作业分别在2015年4月12日和2016年4月20日进行；以品种为副区，分别为先玉335(XY335)和郑单958(ZD958)，3次重复，小区面积360 m2(3.6 m×100 m)，种植密度为7.5×104株·hm-2；各小区基施尿素(N)15 kg·hm-2、硫酸钾(K2O)45 kg·hm-2、过磷酸钙(P2O5)125 kg·hm-2；追施尿素(N)356 kg·hm-2，分别在拔节期、大喇叭口期、吐丝期按3∶6∶1比例追施；生育期间浇水4次，每次灌溉量约为900 m3·hm-2。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量及其构成因素 收获时各小区选取48 m2(2.4 m×20 m)测产区，测量各测产区内有效穗数，取样测定籽粒含水率，并折算成含水率为14%的产量。各小区分别取有代表性样穗10穗，进行穗部性状调查及考种。

1.3.2 生物量及地上部氮素积累量 在春玉米大口期、吐丝期和完熟期，各小区选择3个不同位置，作为3次重复，每个位置选择长势一致的玉米连续3株，地上部按器官分离(茎、叶、籽粒)，用清水冲净，在干燥箱内105℃杀青30 min，继续在80℃烘至恒重后，测定干物质重，烘干后样品用粉碎机粉碎，过60目筛，H2SO4-H2O2消煮后，使用凯氏定氮仪测定全氮含量，并折算地上部氮素积累量。

1.3.3 根系生物量、根幅及根条数 吐丝期和完熟期地上部取完后，同株根系取样采用挖掘法，以第1株1/2株距处到第3株1/2株距处为长，以1/2行距为宽，挖长方形样方分层取根，每层20 cm，大喇叭口期取根深度为60 cm，其他生育时期取根深度均为100 cm。洗净并剔除杂质，捡出死根后于105℃杀青30 min，在80℃下烘干至恒重，称其干质量。吐丝期将根挖出后，置于贴有坐标纸的平板上，观测植株根系，以齐地面处为起点，查10、20 cm和30 cm处单株根条数测定根幅(植株根系水平分布最大直径)。

1.4 相关参数计算[16-18]

地上部氮素积累量(kg·hm-2)=器官氮含量(%)×器官干重(kg)×种植密度(株·hm-2)；

单位根干重氮素吸收量(mg·g-1)=单株氮素积累量(mg)/单株根干重(g)；

植株氮素吸收效率(kg·kg-1，NUPE)=地上部氮素积累量(kg·hm-2)/施纯氮量(kg·hm-2)；

植株氮肥偏生产力(kg·kg-1，NPFP)=籽粒产量(kg·hm-2)/施纯氮量(kg·hm-2)。

1.5 数据处理与统计分析

使用Excel 2016进行数据处理并作图表，SPSS 19.0进行数据统计分析，LSD法检验处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 深松对春玉米根系特征的影响

2.1.1 对根系垂直分布的影响 根系是玉米生长发育和产量形成的基础，根干重在一定程度上能够反映根系的生长状况。由表1可见，2个品种春玉米0～20 cm土层根干重处理之间变化规律不明显，除郑单958在完熟期处理间差异达到显著水平，其他处理之间差异均不显著，20～40 cm土层不同处理之间均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，除郑单958在吐丝期处理间差异不显著外，其他处理之间的差异均达到了显著水平；从根系总干重来看，不同处理间均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，其中吐丝期处理间差异均不显著，而完熟期先玉335和郑单958深松+旋耕处理分别较旋耕处理提高了7.35%和9.25%，处理间差异均达到了显著水平，说明深松对春玉米根系的影响主要表现在吐丝后，且随生育期的推移处理间差异逐渐增大，这主要是由于深松改善了土壤生态条件，有利于根系生理活性的保持，衰老延缓，从而使吐丝后的根干重较单独旋耕处理优势明显。从2个品种春玉米不同土层根干重占根系总干重的比例来看(表2)，0～20 cm土层不同处理之间均表现为深松+旋耕低于旋耕处理，20～40 cm土层则表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，这也说明，深松促进了春玉米根系下扎，深松措施下春玉米根系重心下移。

表1 2016年深松对春玉米不同土层根干重的影响/(g·株-1)

表2 2016年深松对春玉米不同土层根干重占总根干重比例的影响/%

2.1.2 对根条数、根幅的影响 由图1可见，2个品种春玉米根条数在10 cm土层处不同处理之间的变化规律不明显，处理间差异也不显著，20、30 cm土层处均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，其中20 cm土层处不同处理之间的差异不显著，30 cm土层处的差异均达到了显著水平，这也说明深松能够促进根系发生，且在深层根系上表现最为明显。从2个品种春玉米根幅来看，10、20 cm土层处不同处理间变化规律不明显，而30 cm土层处2个品种春玉米均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，其中先玉335处理间差异不显著，郑单958处理间差异达到了显著水平，这也说明深松有利于提高郑单958深层根系的分布面积，对于其截获更多的营养元素非常有利。

2.2 深松对春玉米单位根重氮素吸收量的影响

单位根重氮素吸收量能够反映根系对氮素的吸收能力。由图2可见，2个品种春玉米单位根重氮素吸收量均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，其中吐丝前先玉335和郑单958深松+旋耕处理较旋耕处理分别提高了11.22%和12.03%，处理间差异均达到了显著水平；吐丝后先玉335深松+旋耕处理较旋耕处理提高了4.49%，处理间差异不显著，而郑单958深松+旋耕处理较旋耕处理提高了8.05%，处理间差异达到了显著水平，这也说明，深松能够提高春玉米根系的吸收能力，其中尤以吐丝前为甚，品种间郑单958表现更为明显。

2.3 深松对春玉米地上部氮素积累量的影响

由表3可见，不同耕作措施下2个品种春玉米氮素积累量均随生育进程的推移逐渐升高，不同处理间均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，其中大口期处理间差异均不显著，吐丝期仅2015年郑单958处理间差异达到显著水平，而完熟期2015年先玉335和郑单958深松+旋耕处理较旋耕处理分别提高33.73 kg·hm-2和27.85 kg·hm-2，处理间差异均达到了显著水平，2016年郑单958深松+旋耕处理较旋耕处理提高36.61 kg·hm-2，处理间差异亦达到显著水平，先玉335处理间差异不显著。

图2 深松对春玉米单位根重氮素吸收量的影响(2016年，吐丝期)Fig.2 Effect of subsoiling on root number and root widthof spring maize (2016,Silking stage)

2.4 深松对春玉米籽粒产量的影响

由表4可见，2个品种春玉米2 a的籽粒产量不同处理间变化规律一致，均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，其中先玉335在2015年处理间差异不显著，2016年达到了显著水平，郑单958处理间差异在2 a间均达到了显著水平；有效穗数均表现为旋耕处理高于深松+旋耕处理，处理间差异均不显著；穗粒数除先玉335在2015年旋耕处理略高于深松+旋耕处理外，其他处理均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，处理间差异均不显著；从千粒重的变化规律来看，不同处理间均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，除了先玉335在2015年处理间差异不显著外，其他处理之间的差异均达到了显著水平。

2.5 深松对春玉米氮素吸收效率的影响

由图3可见，不同耕作措施下2个品种春玉米氮素吸收效率2 a均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，其中2015年和2016年先玉335深松+旋耕处理较旋耕处理分别提高了6.40 kg·kg-1和6.11 kg·kg-1，处理间差异达到了显著水平；而郑单958深松+旋耕处理较旋耕处理分别提高了7.51 kg·kg-1和7.17 kg·kg-1，处理间差异亦达到了显著水平，说明深松有利于春玉米对氮素的吸收，品种间以郑单958表现的尤为明显。2个品种春玉米氮肥偏生产力不同处理间均表现为深松+旋耕处理高于旋耕处理，2015年郑单958深松+旋耕处理较旋耕处理提高5.40 kg·kg-1，处理间差异达到了显著水平，先玉335处理间差异不显著；2016年2个品种春玉米处理间差异均达到了显著水平。

3 讨 论

作物对营养元素的吸收主要靠根系的直接接触而获得，因此，根系的形态特征对作物的营养元素吸收利用效率会产生明显影响，进而影响到产量。王敬锋等[19]研究不同基因型玉米根系特性与氮素吸收利用的差异时指出，氮高效玉米品种整个生育期具有较大的根系干重、根冠比，且土壤深层根系的分布相对较多，后期根系活力强，有效地延长了根系功能期，因而其氮素吸收利用效率高于氮低效品种；米国华等[20-21]认为，增加30 cm以下土层中的根量，可以显著降低硝酸盐向深层的淋失损失，通过增加深层根系量，使玉米在生长中后期截获不断下移的硝酸盐，是进一步提高玉米氮素吸收利用效率的重要机制。关于玉米根系特征与氮素吸收利用效率的关系，前人的研究结论已经比较明确，深层根系总量多、根系表面积大、根条数多，是玉米氮素高效吸收利用的主要原因。有研究表明，深松可以打破犁底层，改善土壤物理结构，疏松土壤，从而减小根系穿透阻力，利于根系下扎，提高土壤中下层根系的生物量，增加玉米的总根长和总根表面积[22]。植株的生长发育是地上和地下部协调发展的结果，地上部可为根系提供充足的光合产物，有利于根系良好形态结构和生理功能的建成，合理的根系分布可以获得较高肥料吸收效率和生物产量[19,23]。本研究结果表明，郑单958和先玉335在深松+旋耕措施下，深层根系分布比例增加，30 cm土层处根幅增加、根条数增多。根系形态特征的改善，促进了地上部的生长，增加了根系与氮素的接触机会，有利于截获不断下移的硝酸盐，从而提高了2个品种春玉米的氮素吸收效率和籽粒产量。由于不同玉米品种对深松的响应不同，深松措施下郑单958根系的空间分布更为合理，活力更强，因而较先玉335表现出更高的氮素吸收效率。

表3 深松对春玉米地上部氮素积累量的影响/(kg·hm-2)

表4 深松对春玉米籽粒产量的影响

图3 深松对春玉米氮素吸收利用的影响Fig.3 Effect of subsoiling on N absorption and wtilization of spring maize

不同玉米品种对深松的响应不同，肥料施用深度也会影响到作物对肥料的吸收利用效率。本研究仅探讨了在常规施氮深度下深松对2个品种春玉米根系形态特征以及氮素吸收效率的影响，进一步明确深松措施下氮肥分布与根系空间分布的匹配关系，对于进一步提高玉米氮素吸收利用效率具有重要意义。

4 结 论

深松提高了2个品种春玉米籽粒产量，深松措施下郑单958和先玉335分别较旋耕措施提高了8.36%～9.13%和2.39%～7.63%；深松提高了春玉米根系的纵深分布，使根系空间分布更加合理，促进了春玉米对氮素的吸收，提高了植株氮素积累量，使春玉米氮素吸收效率得以提高。深松是提高春玉米籽粒产量和氮效率的有效措施，由于郑单958和先玉335对深松的响应不同，因此表现出不同氮素吸收效率，其中郑单958深松措施较旋耕措施提高了7.17～7.51 kg·kg-1，先玉335提高了6.11～6.40 kg·kg-1。