不同氮肥施用方式下春玉米根系时空分布特征

展文洁，陈一昊，曾子豪，张 畅，张水梅，程 松，梁 尧，袁静超，任 军，刘剑钊*，蔡红光

（1.吉林省农业科学院/农业农村部东北植物营养与农业环境重点实验室，吉林 长春 130033；2.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095）

玉米是重要的粮食作物之一，不仅可直接供人类食用，也是保障国家粮食安全的重要途径［1-2］，同时在饲料、医药学及生物质能源等方面具有重要地位。东北是我国最大的春玉米生产区［3］，玉米种植面积占全国的40.4%，产量占全国的43.3%［4］。玉米的有效供给是持续的需求［5］，但通过扩大种植面积来提高玉米产量来实现有效供给是不现实的。依靠施肥技术上的改进来提高玉米产量，是促进玉米生产发展的有效途径之一。

氮肥对玉米的产量和品质起着重要作用，合理施用氮肥对于提高春玉米产量和氮肥利用率、减缓环境压力具有重要意义［6-8］。近年来，为了降低劳动力成本，玉米简化施肥或一次性施肥成为一种趋势［9-10］，高强等［11］研究表明吉林省玉米一次性施肥面积占全省玉米总面积的62.5%。氮肥一次性基施会造成土壤残留硝态氮淋失，降低肥料利用率，加重环境负担［12-14］。近年来，有学者提出了氮肥后移技术［15］，即分次施用氮肥，以更好地起到养分供应与作物吸收同步的作用［16］。关于一次性施肥与分次施肥的比较，前人研究得出的结论不一［17］。葛均筑等［18］研究表明，玉米氮肥一次性基施相对于氮肥分次施用，在降水充足的年份产量并无差异，在干旱年份其产量有所降低，氮肥一次性基施会显著降低玉米生育前期养分积累量［19-20］。氮肥分次施用，能显著减少氮肥的田间表观损失［21］，更加适应玉米的养分吸收需求。在已发表的研究中，多围绕玉米产量［13，16-17］、氮肥利用效率［13，18］、碳氮代谢［15］等方面，而关于氮肥一次性基施对春玉米根系生长的影响鲜有报道。作为植株吸收养分和水分的重要器官，根系形态在土层中的分布对肥料的响应至关重要。本研究基于多年田间定位试验，对不同氮肥施用方式下春玉米根系生长动态及空间分布进行了剖析，以期为东北春玉米区氮肥的合理施用提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验起始于2011年，在吉林省公主岭市吉林省农业科学院试验田（43°29′55″N，124°48′43″E）进行。试验田为玉米连作区，玉米生育期间平均气温19.6℃左右，无霜期125～140 d，有效积温2600～3000℃，总日照时数1220 h左右。供试土壤为黑土，0～20 cm耕层土壤主要性状为：有机质2.1%，碱解氮111.8 mg/kg、有效磷31.5 mg/kg、速 效 钾185.9 mg/kg、pH值6.0。2013和2014年玉米生育期内降水量分别为642.9、422.5 mm（图1）。

图1 2013和2014年公主岭市玉米生育期内降水量

1.2 试验设计

试验设3个处理，分别为不施氮对照（N0）、氮肥一次性基施（N1）、氮肥分次施用（N2），每个处理重复3次，随机区组排列，小区面积为50 m2。氮肥为尿素（N 46%）。具体氮肥用量及施肥时期见表1。磷肥为过磷酸钙（P2O512%）和磷酸二铵（N 18%，P2O546%），用量均为75 kg/hm2（P2O5）；钾肥为氯化钾（K2O 60%），用量均为82.5 kg/hm2（K2O）。基肥和追肥均采用沟施，其中基肥施肥深度为10 cm，追肥施肥深度为7 cm。种植品种为先玉335，播种密度为5.0万株/hm2。其它管理方式均同一般大田。

表1 不同施肥模式下的氮肥用量 （kg/hm2）

1.3 测定项目与方法

在玉米播种前采集0～20 cm耕层土壤样品，采用常规方法测定土壤养分。分别于2013和2014年在玉米12展叶（V12）、开花期（VT）、花后20 d（VT+20）、花后40 d（VT+40）、生理成熟期（R6）5个生育时期对植株地上部和根系取样，每个处理选取有代表性的植株3株，分别将植株叶、茎（鞘）、籽粒、穗轴器官分开，烘干，粉碎，采用凯氏定氮法测定植株全氮。

根系样品采用土壤剖面挖掘法，具体如下：垂直于垄的方向，每个小区以植株为中心挖掘1/2行距（30 cm）×1/2株距（10 cm）范围内深度为60 cm土体（V6时期根系样品采集深度为40 cm土体）的根系2株，每10 cm为1层，由取根刀切断。每层土体中的所有可见根系由人工挑出，将根系上附着的土和杂质去除，用清水冲洗干净。用扫描仪（Epson V700）扫描后获得根系图片，利用WinRhizoPro 5.0（Pro2004b，Canada）分 析 获得根长、根表面积、根系平均直径等指标，将根系烘干后采用称重法测定根系干重。从VT期开始，在采集根系样品的同时取相应土层土壤样品，放入冰盒，带回实验室用0.01 mol/L CaCl2浸提，TRACCS2000型连续流动分析仪测定土壤硝态氮。

成熟期收获中间2行玉米，装入尼龙网袋，晒干脱粒称重，以含水量14%的重量折算小区产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2007对数据进行处理和作图，采用SAS 8.0进行方差分析和多重比较（LSD法）。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥施用方式对产量、生物量、吸氮量和根冠比的影响

由于本试验始于2011年，随着地力的消耗，增施氮肥后对产量的增产效果显著提高。由表2可以看出，施用氮肥后大幅提高了春玉米的产量、生物量和吸氮量（P＜0.05）。从单株籽粒产量来看，2013年，N1和N2处理分别比N0处理增产175.5%和177.9%；2014年，N1和N2处理分别比N0处理增产122.0%和154.9%。从单株生物量来看，2013年，N1和N2处理分别比N0处理增加125.4%和127.8%，2014年，N1和N2分别比N0处理增加76.3%和95.1%，其处理间差异达显著水平（P＜0.05）。从吸氮量来看，2013年，N1和N2处理分别比N0处理增加242.6%和272.4%，2014年，N1和N2处理分别比N0处理增加191.0%和210.1%。从根冠比来看，两年均表现为N0处理显著高于N1和N2处理（P＜0.05），2013年，N0处理比N1和N2处理分别增加62.5%和79.3%；2014年，N0处理比N1和N2处理分别增加75.8%和75.8%。由此可见，施氮处理显著增加了春玉米的产量、生物量和吸氮量（P＜0.05），其中以N2处理最优。可见，增施氮肥后，地上部的生长比根系的生长减小更多，致使根冠比增加，而适当地增加根冠比更有利于后期产量的形成。

表2 不同氮肥施用方式下的籽粒产量、生物量、吸氮量及根冠比

2.2 不同氮肥施用方式下根系时间分布特征

不同氮肥施用方式下玉米根系干重的生育期动态变化如图2A所示。随着生育进程的推进，玉米的根系干重呈先增加后降低的变化趋势，在VT期或花后20 d达到最大值。不同处理方式对各生育期玉米的根系干重有显著影响。2013年，N1和N2处理各生育时期根系干重均高于N0处理，其中N1处理在花后40 d和成熟期分别比N0处理增加了35.0%和15.2%（P＜0.05），N2处理在花后20 d、花后40 d和成熟期增幅显著（P＜0.05），增幅为25.8%～27.7%；2014年，N1处理的根系干重在开花期之后均低于N0处理，降幅为2.9%～14.2%，而N2处理在各生育时期的根系干重均属最高，在开花期和花后20 d分别比N0处理增加了52.2%和34.2%（P＜0.05）。进一步分析发现氮肥一次性基施受年际间的影响较大，而氮肥分次施用处理在年际间表现相对稳定，尤其在花后20 d和成熟期等关键生育时期，其根系干重增幅显著（P＜0.05）。

随着生育进程的推进，玉米的根长和根表面积均呈先增后降的单峰曲线变化，根系平均直径整体变化趋势不明显（P＞0.05）。从各根系指标的年际间差异来看，2014年的根长和根表面积均高于2013年，同一处理间的根长在年际间增加46.2%以上，同一处理间的根表面积在年际间增加47.0%以上。2013年，各处理的根长和根表面积均在开花期达到最大值，与N0处理相比，N1处理降低了12展叶期和开花期的根长和根表面积，降幅为3.5%～29.1%；N2处理均增加了各生育时期的根长和根表面积，在开花期、花后20 d和成熟期增幅为18.6%～30.3%。2014年，N1处理在多个生育时期的根长和根表面积高于N0处理（P＞0.05），但在成熟期，N1处理略低于N0处理，降幅分别为0.6%和6.7%。N2处理促进了多个生育时期的根长和根表面积，其中在开花期和花后20 d增加显著（P＜0.05），增幅为27.4%～37.3%。从根系平均直径来看，在成熟期，无氮区比施肥处理平均增加11.94%。研究表明，相对于氮肥一次性基施，氮肥分次施用更有利于根系形态的建成，显著增加了开花期和花后20 d的根长和根表面积（P＜0.05）。

2.3 不同氮肥施用方式下根系空间分布特征

2013年，从玉米根系干重来看，随着土层深度的增加，根系干重呈下降趋势（图2A）。与N0处理相比，N1处理在各生育期0～10 cm土层的根系干重均增加明显，平均增幅为6.7%～38.6%，而在开花期20～60 cm土层、花后20 d 20～40 cm土层、花后40 d 10～20 cm土层的根系干重均低于N0处理，降幅为2.0%～73.0%，其他土层均高于N0处理。N2处理在12展叶期0～10、30～40和50～60 cm土层，开花期、花后20 d和成熟期0～10 cm土层，花后40 d 0～20 、30～50 cm土层的根系干重均明显高于N0处理，增幅为10.2%～59.9%，而在开花期20～60 cm土层的根系干重均低于N0处理，减少了15.1%～43.7%。这表明不施氮肥促进了植株在开花期的根系干物质积累。

图2 不同氮肥施用方式下玉米根系形态特征的空间分布（2013年）

图2B、3C显示，不同氮肥施用方式对各生育时期玉米根系的垂直分布有显著影响。从N1处理的根长和根表面积来看，与N0处理相比，其在12展叶期0～10和30～50 cm土层、开花期30～40 cm土层、花后20 d 40～50 cm土层、花后40 d 10～40 cm土层均有所降低，降幅为2.8%～37.8%；而N1处理增加了花后20 d 10～40 cm土层和成熟期0～10、20～30和40～50 cm土层的根长和根表面积，增幅为3.6%～99.8%；从N2处理的根长和根表面积来看，其在12展叶期、开花期和成熟期0～10 cm土层、花后20 d 10～40 cm土层均高于N0处理，增幅为24.7%～173.8%，而在花后40 d 10～20、30～40和50～60 cm土层和成熟期10～20和30～40 cm土层的根长和根表面积均有所降低，降幅为9.7%～54.7%。综合分析表明，N2处理促进了根系在表层土壤中的生长，但随着土壤层次的加深，其根长和根表面积则显著低于N0处理，这与根干重的反应相一致。

2014年各处理下根系形态与2013年稍有不同。N1处理增加了12展叶期0～30 cm土层和开花期0～10 cm土层的根系干重，增幅为8.0%～48.8%，但在各生育期的其它土层，N1处理均低于N0处理，降幅为1.3%～47.6%；N2处理与N1处理不同，N2处理增加了12展叶期、花后20 d和成熟期0～10 cm土层的根系干重，增幅为19.4%～57.2%，开花期0～40 cm土层、花后40 d 0～20和30～40 cm土层的根系干重增加明显，增幅为2.2%～75.1%。同时，在12展叶期的20～60 cm土层、花后20 d 10～30 cm土层、花后40 d 20～30 cm土层和成熟期10～20 cm土层的根系干重均有所降低，降幅为8.4%～30.8%。这表明在12展叶期，氮肥一次性基施处理对根系的生长产生了抑制作用（图3A）。

图3 不同氮肥施用方式下玉米根系形态特征的空间分布（2014年）

从根长和根表面积来看（图3B，4C），与N0处理相比，N1处理在各生育时期土壤表层的根长和根表面积均有所增加，在12展叶期和花后20 d 10～30 cm土层增加了9.8%～98.0%，在开花期0～20 cm土层、花后40 d 10～40 cm土层、成熟期10～20 cm土层增加了11.6%～110.2%。N2处理提高了各生育时期土壤表层的根长和根表面积，增幅为1.8%～56.3%。不同处理下的根系平均直径在成熟期10～50 cm土层有较大差异（图3D），表现为N0处理高于N1和N2处理，增幅为4.5%～11.2%。综上表明，施氮处理均有利于表层土壤的根系建成，但氮肥一次性基施处理对玉米成熟期0～10和20～30 cm土层的根系建成产生了抑制作用。

2.4 不同氮肥施用方式对土壤硝态氮的影响

如图4所示，2013年降水较为丰沛，施肥处理下0～60 cm土层硝态氮总含量均显著高于无氮区（P＜0.05）。随生育进程的推进，在开花后期，N2处理硝态氮总含量显著高于N1处理，增幅为110.9%，其它生育时期无明显差异。从土层剖面硝态氮含量来看，N1处理在开花期40～60 cm土层、花后20 d 30～50 cm土层、成熟期0～30 cm土层的土壤硝态氮含量均高于N0和N2处理，尤其在开花期40～50 cm土层，N1处理的平均硝态氮含量为14.3 mg/kg，而N0处理的平均土壤硝态氮含量为0.5 mg/kg，差异达显著水平（P＜0.05）。

图4 不同氮肥施用方式对土壤硝态氮含量的影响（2013年）

如图5所示，2014年降水较正常，施肥处理在不同生育时期下的硝态氮总量均显著高于无氮区（P＜0.05）。在花后20 d，N2处理硝态氮总含量显著高于N1处理，增幅为92.6%，而在其他生育时期，N1处理硝态氮总含量均高于N2处理。从土层剖面硝态氮含量来看，N1处理在开花期20～60 cm、花后20 d和40 d 10～60 cm土层、成熟期0～60 cm土层明显高于N2处理，增幅在28.0%以上。N2处理在开花期、花后20 d和40 d 0～10 cm土层、成熟期10～20 cm土层的硝态氮含量高于N1处理，增幅为8.6%～530.2%。综合分析表明，N1处理在开花之后土壤中下层的硝态氮含量显著增加，这可能与其前期氮肥一次性施入有关。

图5 不同氮肥施用方式对土壤硝态氮含量的影响（2014年）

3 讨论

3.1 不同氮肥施用方式对玉米根系生长的影响

良好的根系构建与发育是获得高产的关键因素［22］。刘培利等［23］研究表明，发育良好的根系表现为根系干重、根长、根表面积较大，且根系的发育动态更加合理，根系更易下扎，深层土壤的根量较多。寇太记等［24］研究表明，拔节期至乳熟期玉米根系的根长和根表面积均随生育进程的推进呈单峰曲线变化，在抽雄吐丝期达最大值。本研究中，随着生育进程的推进，玉米的根系干重、根长和根表面积均呈先增加后降低的变化趋势，在开花期或花后20 d达到最大值。氮肥一次性基施受年际间的影响较大，而氮肥分次施用处理在年际间表现相对稳定，相对于氮肥一次性基施，氮肥分次施用处理在花后20 d和成熟期，其总根系干重、总根长和总根表面积增幅显著。从不同剖面的根系形态来看，N1处理在12展叶期便对根系生长产生了抑制作用，而N2处理促进了根系在表层土壤的生长，但随着土层深度的增加，其根系干重、根长和根表面积低于N0处理。低氮促进根系生长，低氮条件下碳同化产物向根系分配比例明显增加，使地上部更多的碳向根系运输，根冠比变大［25］；本研究中，从根冠比来看，两年均表现为N0处理显著高于N1和N2处理（P＜0.05）；从根系平均直径来看，在成熟期，无氮区比施氮处理平均增加11.94%。可能是无氮区一直受到养分胁迫，再加上根部比地上部有着更有效的养分吸收作用，促进根系平均直径增大，造成过多的碳水化合物用于根系的生长，使根的绝对重量增加［26］。

3.2 玉米根系对氮肥一次性施用和分次施用的响应

养分对根系生长的促进作用与生育期有关［27］，因此确定最佳施肥时期至关重要。在唐拴虎等［28］的研究中，一次性施用肥料较常规分次施肥明显提高根系活力，而较高的根系活力能吸收深层土壤养分吸收并带到上层土壤中，且分次施肥的养分与作物生育需求较吻合［29］，可以提供持续的养分供应［30］。在不同试验年份，氮肥分次施用处理在各生育时期的根系形态均优于氮肥一次性基施处理，其在各生育时期的总根系干重、总根长和总根表面积比氮肥一次性基施处理平均增加了17.1%。本研究中，与氮肥分次施用处理相比，在各生育时期，氮肥一次性基施处理在土层0～40 cm的根系生长均受到抑制，其中在花后20 d和成熟期，0～40 cm土层的根系干重、根长和根表面积分别减少15.3%、7.9%和8.2%。结合袁静超等［31］的研究，氮肥一次性基施使苗期施肥过量，且不能满足玉米后期氮素养分的需求，根系的生长量因此降低，从而减弱根系向深层土壤下扎的能力。氮肥施入方式对根系的影响受年际间变化影响显著。在雨量丰沛的年份，氮肥一次性投入后，氮肥一次性基施处理抑制了12展叶期和开花期的总根长和总根表面积，从不同土层剖面来看，主要是降低了12展叶期30～50 cm土层和开花期30～40 cm土层的根长和根表面积，降幅为9.5%～30.1%；在降雨正常的年份，氮肥一次性基施处理从花期开始，对玉米根系干重的积累产生了抑制作用，各土层的根系干重均低于无氮区，降幅为1.3%～47.6%。氮肥一次性基施处理抑制了成熟期的总根长和总根表面积，具体表现为在成熟期0～30 cm土层，降幅为3.8%～12.3%。与氮肥分次施用处理相比，氮肥一次性基施处理受年际间变化影响较大，氮肥分次施用在年际间相对稳定，均改善了根系总干重、总根长和总根表面积，利于根系建成。

4 结论

增施氮肥显著提高玉米产量、干物质累积量和吸氮量。2013和2014年，施肥处理下的产量增幅为122.0%～177.9%，生物量增幅为76.3%～127.8%，吸氮量增幅为191.0%～272.4%。低氮促进了过多碳水化合物用于根系的生长，使根冠比增大；随着生育进程的推进，氮肥一次性基施对根系生长产生抑制作用，但年际间差异显著，降雨丰沛年份，在12展叶期根系生长即出现抑制情况。氮肥分次施用处理下根系在各生育期的空间分布上均显著优于氮肥一次性基施。综合分析表明，氮肥分次施用年际间表现稳定，促进根系的纵深分布，更有利于养分的吸收，进而实现玉米高产稳产。