浅埋滴灌水肥优化高产模式下春玉米产量与根冠特征差异性

高 鑫，杨恒山，张瑞富，张玉芹，李 锐，张明伟

(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 028000)

探索不同生态区玉米产量潜力与突破技术途径，努力提高单产水平仍是未来玉米栽培研究的主要目标之一。当前利用单项栽培技术实现单产水平提高变得日益艰难，通过综合多项高产栽培措施形成优化栽培模式，提高玉米群体耐密性，实现密植群体资源的高效利用已成为玉米稳产增效的主要途径。研究表明，通过增加玉米种植密度和优化养分管理，可实现产量和氮素生产力协同提高20%的高产高效发展目标，若将种植密度、养分管理、品种、防病(兼化控)与耕作方式5个因子进行优化，则可实现产量和资源效率均协同提高30%以上的长期目标。优化肥料用量与分期调控等管理措施，可促进玉米各层位叶片酶活性，降低丙二醛含量，促进根系干物质分配和活跃吸收区域下移，增大深层土壤养分吸收能力，保证玉米吐丝期后对养分的需求，显著增加玉米生殖生长期的群体干物质和氮、磷、钾积累量，显著提高肥料利用效率，从而实现产量和效率的协同提升。

浅埋滴灌是近年来兴起的一种新型滴灌方式，基于这种方式而形成的水肥一体化高产栽培模式对玉米节水节肥增产提效具有显著效果，前人对此也做了大量的研究工作，但以往的研究主要针对浅埋滴灌下玉米产量、水肥利用效率和干物质转运等进行了阐述，而对玉米根冠特征变化研究还鲜见报道。因此，本试验采用浅埋滴灌水肥优化高产模式，以农户生产模式为对照，通过探究春玉米植株冠层与根系变化特征，明确浅埋滴灌水肥优化高产模式下春玉米的增产机制，为进一步提高西辽河平原灌区春玉米产量提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2020年在通辽市科尔沁区通辽市玉米新技术集成与推广示范基地进行，地点位于122°12′E，北纬43°44′24″N。试验田为沙壤土，有机质含量8.53 g·kg，全氮含量0.89 g·kg，速效磷含量9.82 mg·kg，速效钾含量108.51 mg·kg。

1.2 试验设计

以先玉1483和迪卡159为试验材料，设置浅埋滴灌水肥优化高产创建模式(简称高产模式，HY)和农户生产模式(简称农户模式，CK)。2种模式均采用大区种植，高产模式每品种种植面积为1.33 hm，农户模式每品种种植面积为0.2 hm，大小垄种植(大垄80 cm、小垄40 cm)，两种模式田间除草和病虫害防治一致。高产模式：种植密度为90 000株·hm，施肥量为尿素525 kg·hm(46% N)、磷酸二铵225 kg·hm(18% N，46% PO)、硫酸钾90 kg·hm(50% KO)、尿素硝铵(urea ammonium nitrate，UAN)液体肥150 kg·hm(32% N)，有机肥30 000 kg·hm，灌水量2 400 m·hm；采用浅埋滴灌水肥一体化模式:有机肥于整地前均匀撒施，磷、钾肥随种基施，尿素和UAN按3∶6∶1分别于拔节期、大喇叭口期、吐丝期随水追施，全生育期灌水6次。农户模式种植密度为75 000株·hm，施肥量为尿素525 kg·hm(46% N)、磷酸二铵225 kg·hm(18% N，46% PO)、硫酸钾90 kg·hm(50% KO)；2020年5月2日播种，9月30日收获，灌水量4 000 m·hm，磷、钾肥随种基施，尿素于拔节期(V6)一次性追施，灌溉采用传统畦灌，全生育期灌水4次。

1.3 指标测定

1.3.1 植株干物质量

在玉米拔节期、大喇叭口期、吐丝期和完熟期，每处理取代表性玉米植株3株，重复3次。按叶片、茎、营养体和籽粒(成熟期)等部位分开，放入烘箱，105 ℃杀青30 min后，再调至75 ℃烘干至质量不变，称量并计为干物质量。

1.3.2 叶面积指数(LAI)

在吐丝期，每处理选择有代表性的植株连续3株，重复3次，测量叶片长、宽，计算叶面积和叶面积指数。

单叶叶面积=长×宽×0.75；

叶面积指数(leaf area index，LAI)=(单株叶面积×单位土地叶面积内的株数)/单位土地面积。

1.3.3 叶片酶活性

于吐丝期测定。将每小区选取的具有代表性植株的上位叶、穗位叶和下位叶样品等量混合，采用硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，采用氮蓝四唑光化还原法测定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性。

1.3.4 根系干物质量

于吐丝期测定。以长势一致的连续3株玉米为取样对象，3次重复。每20 cm一层，取根深度为60 cm。用水冲洗掉泥沙，剔除杂质后烘干称重。

1.3.5 根幅

将0～10 cm和10～20 cm土层根系取出后，置于贴有坐标纸的平板上，分别测量行间和株间的根系水平分布最大直径，计算根幅。

根幅=行间直径(cm)×株间直径(cm)。

1.3.6 根系活力

取样方式同1.3.4节，根系样品放入冰盒中带回实验室，用水洗净后吸干水分，称取根尖0.5 g，采用TTC还原法测定根系活力。

1.3.7 产量

每小区量取宽8行、长15 m的面积作为测产区，全部收穗，记录穗数并称量；计算平均单穗重。选取等质量的20个果穗脱粒后测定籽粒重和含水率。计算测产区产量并折算成含水率为14%的产量。同时，取10个果穗进行考种，测定穗粒数、千粒重等指标。每试验小区3次重复。

1.3.8 氮偏生产力(PFP)

氮偏生产力(kg·kg)=产量/施氮量。

1.4 数据处理

利用Excel 2013和Sigmaplot12.0进行数据处理并作图，应用SPSS 13.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 产量构成因素与氮效率分析

由表1可知，与农户模式相比，高产模式通过增大种植密度和优化水肥管理相结合，使2个玉米品种的产量与氮肥利用效率均得到了显著提升，其中，先玉1483增产24.38%，氮肥偏生产力提高24.39%；迪卡159增产14.36%，氮肥偏生产力提高14.35%，增产与增效协同提升。通过产量构成因子可以看出，高产模式增产的关键在于增加植株群体数量获得了单位面积穗数和穗粒数的优势，水肥合理调控促使植株保持了较为稳定的穗粒数和千粒重，从而达到增产的效果。不同品种之间增产效果差异显著，而造成这种差异的主导因子则是穗粒数变化，高产模式下先玉1483的穗粒数显著大于迪卡159，从而导致产量上的显著差异。

2.2 不同栽培模式下玉米冠层变化特征

2.2.1 地上部植株干物质量变化

如图1所示，2种栽培模式下玉米单株干物质量变化趋势基本一致，均表现为拔节期至吐丝期稳步上升，吐丝期至完熟期迅速增大；高产栽培模式对不同品种的影响存在显著差异。高产模式下，先玉1483在拔节期至大喇叭口期的干物质量与农户模式相比并未产生明显差异，而在吐丝期至完熟期增加显著，获得了更多的干物质积累；迪卡159在拔节期至成熟期整个阶段的干物质量与农户模式相比均无显著差异，未表现出干物质积累优势。从成熟期籽粒与植株干物质比来看，高产模式下的籽粒干物质比均低于农户模式，但差异未达到显著水平；2个品种之间也无显著差异，籽粒干物质量均达到了植株干物质量的50%以上，都具有较高的干物质转运率。

表1 产量构成因素与氮偏生产力

V6，拔节期；V12，大喇叭口期；R1，吐丝期；R6，完熟期。柱上无相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。V6，Jointing stage;V12，Bell-mouthing stage;R1，Silking stage; R6， Physiological maturity stage.Bars marked without the same lowercase letter indicated significant differences at P<0.05.The same as bellow.图1 不同模式下各生育期玉米单株干物质量变化与成熟期干物质比Fig.1 Changes of dry matter weight per plant at different grow stages and dry matter ratio at maturity of maize under different modes

2.2.2 LAI与单株叶面积

如图2所示，2个玉米品种的叶面积指数和单株叶面积在不同栽培模式下的变化趋势一致，均表现为高产模式大于农户模式。其中，2个品种在高产模式下的叶面积指数均显著大于农户模式，单株叶面积则只有先玉1483表现出了显著差异，而迪卡159差异并不显著；品种之间相比无显著差异。增大种植密度，会降低植株个体叶面积；高产模式通过水肥合理优化，促进了叶片生长，使单株叶面积并未受到密度影响，反而呈现增大趋势。因此，高产模式具有较高的叶面积指数，不仅是来自于群体效应的增益，也得益于植株个体叶面积的增幅。

图2 吐丝期不同模式玉米LAI与单株叶面积Fig.2 LAI and leaf area per plant under different modes in silking stage of maize

2.2.3 叶片MDA含量与SOD活性

MDA含量和SOD活性能够反映出叶片生理活性状况，MDA含量越低、SOD活性越高，说明叶片生理活性越高，受环境胁迫越小。如图3所示，与农户模式相比，高产模式下先玉1483吐丝期的MDA含量和SOD活性变化不显著，而迪卡159吐丝期的MDA含量显著降低，SOD活性显著升高。说明高产模式改善了玉米叶片生理活性，但对不同品种的影响效果有所差异。

2.3 不同栽培模式下玉米根系变化特征

2.3.1 植株根系干物质量与根冠比

如图4所示，玉米植株0～60 cm土层全部根系和0～20 cm土层根系干物质量表现出相同变化趋势，即高产模式显著低于农户模式；而20～60 cm土层的根系干物质量两模式则无明显差异，说明0～20 cm土层根系受高产栽培模式影响较大，从而降低了整个根系的干物质量水平。同时，高产模式下的根冠比显著低于农户模式，根系所占整个植株的比例明显下降，且差异达到显著水平，这也从侧面反映出高产种植模式对根系的影响大于地上部分。从品种表现来看，先玉1483的根系干物质量和根冠比下降幅度更大，对栽培模式的变化更为敏感。

图3 吐丝期不同模式下玉米叶片MDA含量与SOD活性Fig.3 Changes of MDA content and SOD activity in leaves under different modes in silking stage of maize

图4 吐丝期不同模式下玉米根系干重与根冠比Fig.4 Dry weight of root and root shoot ratio under different modes in silking stage of maize

2.3.2 根幅与根条数

由图5可知，与农户模式相比，高产模式下玉米植株0～20 cm土层的根幅显著降低，导致根系在土壤中的空间分布范围变窄，可吸收土壤养分面积变小；处于0～20 cm土层的根条数没有明显变化，但20～40 cm土层的根条数反而显著增加。说明高产模式通过栽培措施优化，促进了局部单位面积内的根条数增多，增大了局部单位面积土壤中的根密度，使根系在一定的范围内活跃性更高，具有更强的水肥吸收能力。

2.3.3 根系活力

由图6可知，高产模式在0～60 cm土层的根系活力均高于农户种植模式，尤其各处理在0～20 cm土层的表现差异均达到了显著水平；在20～60 cm土层，高产模式下的先玉1483品种显著大于其他处理，其他处理之间无显著差异。从不同层位根系活力来看，0～20 cm土层根系活力显著大于20～40 cm和40～60 cm土层的根系活力，说明玉米根系主要集中活跃在0～20 cm土层，且在这一土层能够吸收更多的养分。

图5 吐丝期不同模式下的玉米根幅与根条数Fig.5 Root radicle and root number under different modes in silking stage of maize

图6 吐丝期不同模式下的根系活力Fig.6 Root activity under different modes in silking stage of maize

3 结论与讨论

大量高产研究表明，玉米的生产是一个种群过程，而非个体表现，密度是影响产量的关键因素。增加种植密度一般导致穗粒数和千粒重降低，产量提高主要是依靠获得足够多的穗数实现。在高产栽培模式下，千粒重变化不大，穗数和穗粒数是决定高产群体产量的主要因素。本研究也得出同样结果，稳定的穗粒数是在高密植下获得高产的必要条件，且穗粒数还是决定产量上限的关键因子，也是高产品种的一个重要特征。研究表明，高产玉米品种一定具有较高的养分吸收和干物质积累能力，特别是吐丝后养分吸收和向籽粒转运分配的能力；高密度能够增加玉米群体干物质积累，但同时也抑制了单株干物质的积累，降低了物质转化效率，即植株干物质增量高于籽粒产量增量。本研究发现，获得高产的玉米品种先玉1483在吐丝期与成熟期显著增加了单株干物质积累，但籽粒所占比例略有下降，表现出物质转化效率降低的趋势，这与前人的研究结果一致。

较高的叶面积指数是玉米群体获得高产的基础，但叶面积指数过高反而会影响产量。高密度群体中的个体为了增强自身的竞争力， 形成了较大的叶面积，这种过度生长容易导致营养和能量的过度消耗，降低分配给生殖器官的物质比例，从而使单株生产力下降，影响群体产量的提高；去除这些多余的叶片可使植物对获取的有限物质和能量进行合理、优化的分配，提高现存能量的利用率，获得较高的籽粒产量。刘铁宁等研究表明，在高密植条件下去除植株顶部2片叶，可有效调控玉米生育后期群体光合能力，能较好地协调高密度群体与个体的关系，从而获得较高的籽粒产量；刘志全等在高密植条件下通过去除叶面积指数8以上的玉米群体的叶片，实现了产量的提升，并得出叶面积指数在5.5时产量最高。在本研究中，高产模式增大了单株叶面积，显著提高了叶面积指数，使叶面积指数达到8以上，最终也获得了较高的产量；虽然植株干物质量增加，但籽粒所占的干物质比下降，说明可能存在叶片冗余，在此基础上去除叶片是否能够继续提高产量，有待于下一步的探究。

研究表明，在密植条件下玉米根冠结构均受到抑制，叶面积与根长的消长变化趋势相同，因此植株根冠比并没有明显差异；也有研究表明，根冠比是品种的特征性状，在同一时期不受密度影响。本研究结果有所不同，增大种植密度后，即使优化了水肥供给，2个品种的植株根冠比仍然显著降低，主要在于密植对地上植株干物质量没有造成影响，而是显著降低了根系干物质量。根系干物质量降低主要表现在土壤表层(0～20 cm)，而土壤深层(20～60 cm)根系无明显变化，这与前人研究结果一致。本研究还发现，植株在0～20 cm土层的根幅明显下降，但根系活力明显增大，具有更活跃的吸收能力，20～40 cm根条数显著增多，局部根密度增大，与滴灌条件下水肥运移特征比较吻合，这可能是植株干物质量与产量增加的一个重要因素。

综上所述，与农户模式相比，高产模式在增加种植密度的同时，通过浅埋滴灌水肥合理调控，保持了植株个体物质生产能力，增大了叶面积指数，维持了较高的叶片活性，同时使根条数和根系活力显著增加，从而获得了较高的籽粒产量。