浅埋滴灌下水氮运筹对春玉米根系衰减特性及产量的影响

张玉芹 杨恒山,* 张瑞富 李从锋 提俊阳 葛选良 杨镜宏

浅埋滴灌下水氮运筹对春玉米根系衰减特性及产量的影响

张玉芹1,2杨恒山1,2,*张瑞富1李从锋3提俊阳1葛选良1杨镜宏1

1内蒙古民族大学农学院, 内蒙古通辽 028042;2内蒙古自治区饲用作物工程技术研究中心, 内蒙古通辽 028042;3中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081

为探明浅埋滴灌下水氮运筹对春玉米产量及吐丝后根系衰减特性的影响, 2017—2020年在通辽市科尔沁区农牧业高新科技示范园区, 以传统畦灌常规施氮(W: 4000 m3hm–2, N: 300 kg hm–2)为对照(CK), 以滴灌定额为主处理,设传统畦灌常规灌量40% (W1: 1600 m3hm–2)、50% (W2: 2000 m3hm–2)、60% (W3: 2400 m3hm–2) 3个水平, 以施氮量为副处理, 设常规施氮量50% (N1: 150 kg hm–2)、70% (N2: 210 kg hm–2)和常规施氮量(N3: 300 kg hm–2) 3个水平, 测定不同水氮运筹下春玉米产量的变化, 2019年和2020年采用BTC-100微根监测系统对春玉米吐丝后0～50 d时段内0～100 cm土层的根系进行定点连续动态监测。结果表明, 春玉米产量连续4年均为W3N3显著高于CK, 与W3N2、W2N3、W2N2处理差异不显著, 氮肥农学效率连续4年均为W3N2较高。与CK相比, 浅埋滴灌W3N3 0～60 cm土层根长密度、总根表面积和根系平均直径增加, 80～100 cm土层根长密度降低, 总根表面积和根系平均直径差异较小; 吐丝后0～50 d根长密度、总根表面积和根系平均直径衰减幅度较CK低, 其中20～40 cm土层根长密度吐丝后0～50 d时段W3N3 2年分别降低10.29%和8.83%, CK分别降低了15.04%和14.08%, 平均根系衰减率W3N3较CK降低5.23%和4.43%。浅埋滴灌下, 根长密度、总根表面积和根系平均直径W3N3、W3N2高于其他处理, 且吐丝后0～50 d时段内0～60 cm土层衰减幅度较低, 80～100 cm土层差异较小; 吐丝后0～50 d时段内0～100 cm土层平均根系衰减率W3N3与W3N2差异不显著, W3N2较W2N2和W1N2 2年分别低5.68%、5.44%和9.75%、11.98%, 较W3N1低7.16%和6.77%。方差分析表明, 滴灌量和施氮量对产量和氮肥农学效率均有显著影响, 滴灌量对吐丝后0～50 d时段内0～60 cm土层根长密度、总根表面积和平均根系衰减率影响显著, 施氮量对吐丝后0～50 d时段内0～60 cm土层根长密度、吐丝后0～30 d时段内0～60 cm总根表面积和吐丝后0～50 d时段内0～40 cm土层平均根系衰减率影响显著。综上, 浅埋滴灌下W3N3和W3N2 0～60 cm土层根长密度、总根表面积和根系平均直径较高, 且吐丝后0～50 d时段内降低幅度小, 平均根系衰减率低, 二者产量差异不显著, 但W3N2氮肥农学效率更高, 推荐W3N2为西辽河平原灌区玉米节水高产高效栽培适宜的水氮管理模式。

玉米; 浅埋滴灌; 水氮运筹; 根系衰减; 产量

西辽河平原地处世界玉米生产的“黄金带”, 是我国为数不多的井灌玉米高产区之一[1-2], 近些年来, 追求高产而导致的高水高肥田间管理方式十分普遍,由于漫灌生育后期追肥困难, 仍延续拔节期一次性追肥, 水肥利用效率低是该区域玉米生产所面临的主要问题[3]。滴灌水肥一体化技术解决了传统灌溉下施肥总量控制和分期调控的技术难题, 可精确地调控水分和肥料的施入数量及时间, 大幅度提高水分和氮素利用效率。杜君等[4]等研究表明, 与传统灌溉相比, 滴灌技术可增产5.3%～6.1%, 水分利用效率提高36.10%～39.42%, 氮肥利用率提高35.29%～ 37.56%。浅埋滴灌是一种新型滴灌技术, 地表无膜覆盖、滴灌管浅埋于地表(3～5 cm), 在发挥滴灌技术优势的同时, 也避免残膜污染等问题, 在半干旱风沙地区具有更大应用价值[5], 该技术2021年入选全国农业主推技术(生态环境类)。本团队前期研究结果表明, 浅埋滴灌下水氮用量可实现较传统畦灌常规施氮减水40%、减氮30%[6], 在传统畦灌70%的灌水量下, 浅埋滴灌与膜下滴灌灌溉水利用效率无显著差异, 但显著高于传统畦灌[7]。

根系是作物吸收土壤养分、水分、固持植株的主要器官, 对于玉米产量和水氮效率的提高起着至关重要的作用[8-9]。根系能否正常发挥转运养分和水分的作用与根系的形态变化和生理特性有关, 根系形态及分布在很大程度上取决于土壤肥力水平和水氮分布[10]。研究表明, 氮肥能促进根系生长, 增加根毛密度, 增强根系生理功能, 适量施氮会显著增加玉米总根干重、根长、根表面积和根体积, 过量氮肥投入开花期对深层土壤中根系略有促进, 但总量上表现出抑制作用[11]。优化水肥管理可增加根系根长、表面积和体积, 从而提高根系活跃吸收面积, 进而提高根系的吸收能力和效率, 且生育后期减缓衰减[12]。高产实践证明, 生育后期维持较高的根系生物量、根长密度等是增产的主要原因之一, 基肥减施后移一定程度上能促进前期根系下扎[13], “化肥减量配施有机肥”[14]、“氮肥后移”[15]等均可以延缓后期根系衰老而提高产量。浅埋滴灌下, 氮肥后移分次随水滴施, 优化水氮管理, 可实现水氮耦合, 对延缓玉米生育后期根系衰减具有重要作用, 但这方面尚无系统的研究报道。本文以农华101为试验材料, 传统畦灌常规施氮为对照, 采用微根管法, 在不破坏玉米根系及其生长环境的情况下监测玉米吐丝后0～50 d时段内0～100 cm土层根系变化特征, 研究浅埋滴灌下水氮运筹对玉米生育后期根系衰减特性的影响, 以期揭示浅埋滴灌水氮一体化高产高效的生理机制, 为生产中合理的水氮调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017—2020年在内蒙古通辽市科尔沁区农牧业高新科技示范园区进行(43°37′N、122°19′E, 海拔182 m), 为连续4年的定位试验。试验区4年5月至9月降雨量分别为442.5、372、377.3和545.5 mm; 2017—2020年播前耕层(0～20 cm)土壤养分为: 有机质18.52～19.45 g kg–1、碱解氮50.81～52.7 mg kg–1、有效磷11.35～13.21 mg kg–1、速效钾110.83～118.69 mg kg–1。试验地土壤类型为灰色草甸中壤土, 为当地主要土壤类型。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计, 并以传统畦灌常规施氮为对照(CK), 以滴灌定额为主处理, 施氮量为副处理, 灌量设传统畦灌量的40%、50%和60%三个水平, 分别用W1、W2、W3表示; 施氮量设常规施量、常规施氮量70%、常规施氮量50% 3个水平, 分别用N3、N2、N1表示, 各小区均底施磷酸二铵(18-46-0) 195 kg hm–2, 硫酸钾(0-0-50) 90 kg hm–2, 结合灌溉分别在拔节期、大喇叭口期、吐丝期按3︰6︰1的比例滴施尿素(N: 46%), 表1为不同生育时期各处理灌水及施氮情况, 同时设不同灌量下不施氮肥空白对照。种植玉米品种为‘农华101’, 浅埋滴灌大小垄(小垄行距40 cm, 大垄行距80 cm)种植, 种植密度为7.5万株 hm–2, 每个小区长30 m, 宽7.2 m, 3次重复。

表1 不同生育阶段灌水和施氮情况

W1: 滴灌, 传统灌量40%; W2: 滴灌, 传统灌量50%; W3: 滴灌, 传统灌量60%; CK: 传统畦灌。N1: 滴灌, 常规施氮量50%; N2: 滴灌, 常规施氮量70%; N3: 滴灌, 常规施氮量; CK: 畦灌, 常规施氮。

W1: drip irrigation and traditional border irrigation 40%; W2: drip irrigation and traditional border irrigation 50%; W3: drip irrigation and traditional border irrigation 60%; CK: traditional border irrigation. N1: drip irrigation and conventional nitrogen application 50%; N2: drip irrigation and conventional nitrogen application 70%; N3: drip irrigation and conventional nitrogen application; CK: border irrigation and conventional nitrogen application.

1.3 测定指标及方法

1.3.1 根系测定 于定位试验第3年、第4年(2019年、2020年)采用BTC-100根系生态监测系统定点观测根系, 在不干扰根系生长过程的前提下, 连续监测根系生长的变化过程。该监测系统由埋入土壤中的微根管, 高倍电子窥镜摄像头, 定位手柄和I-CAP图像采集系统组成。待玉米生长至三叶期, 每小区选定玉米长势良好、具有代表性的位点, 安装6根微根管, 微根管与玉米种植条带在同一条直线上。试验所选用根管每根长1.8 m, 内径50 mm, 微根管与地面倾斜成60°安装[16]。每根微根管上部留20 cm露出地面以供后期安装观测系统的定位手柄, 露出部分用黑色胶布缠好并盖好防水管盖, 防止光照透过管壁对根系生长造成影响, 并避免灰尘、水分进入微根管内影响摄像头对微根图像的采集。微根管地面垂直监测深度为139 cm。具体监测剖面布置图见图1。

图1 微根管空间布置图

BTC根系生态监测系统根据参照图像的实际网格数(每个网格面积为1 mm×1 mm), 得到监测系统获取的每张图像实际大小为: 18 mm×14 mm (长×宽)。之后保持电子窥镜摄像头焦距不变进行根系图像采集。电子窥镜摄像头连接定位手柄在根管内每前进一格为1.35 cm, 试验观测时, 在玻璃壁自下而上手柄每隔20格进行拍摄, 则摄像头在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm土层深度下根管内的实际土层深度为6.0、29.4、52.8、76.2和99.6 cm共5个点。以第1张图片为起始点, 每转45°拍摄1张照片, 每个深度共采集8张。于玉米吐丝期开始每隔10 d观测1次, 共观测6次。将每个土层深度8张照片进行拼接组合并进行数据处理。后期利用WinRHIZOTron MF 2012 (Regent, 加拿大)图像分析软件处理根系图像。

以玉米的根长密度(root length density, RLD)作为基本参数。RLD表示单位体积土壤内的根长(mm cm–3), 可以较为严谨地描述根系分布及生长和死亡的过程。RLD、根系净生长速率(RLDNGR)在一定程度上可以反映出根系对土壤资源利用能力的强弱。具体计算公式如下[17]:

RLD =× (×× ST)–1(1)

RLDNGR= (RLD– RLD1)×–1(2)

平均根系衰减率(%)= (RLD– RLD1)×RLD–1× 100 (3)

式中,为根总长(cm);为图片数量;为每张图片的观察范围(1.4 cm×1.8 cm); ST为微根管能观测到的土壤厚度(mm), 通过实际测定图像采集观察并参考有关文献[18-19], 本研究中为2 mm; RLDNGR为根系衰减速率(根系净生长速率的负值), RLD和RLD+1分别为第次和第+1次观测的根长密度,为相邻2次观测间隔时间。

1.3.2 产量及氮肥农学效率 2017—2020年成熟期收获测产, 每小区测产面积24 m2, 3次重复, 分别计算各测产区有效穗数, 人工脱粒后测鲜粒质量和含水率, 并折算成含水量为14%的产量, 计算氮肥农学效率, 氮肥农学效率(kg kg–1)=(施氮区产量–无氮区产量)施氮量–1。

1.4 数据处理运用

利用WinRHIZOTION根系分析软件对拍摄的根系图像进行处理分析, 利用Microsoft Excel 2016和Origin 2018软件进行数据计算和作图, 采用DPS 7.5和SPSS22.0软件进行方差分析和差异显著性检验(LSD法,<0.05,<0.01)。

2 结果与分析

图2为2020年玉米吐丝期(7月25日)至吐丝后50 d (9月13日) W3N3处理0～20 cm拍摄的具有代表性的玉米根系形态图像变化信息, 从图中直观地反映出春玉米根长、根系直径、根系衰老动态变化, 以下是对不同水氮运筹对各土层根系指标影响的阐述。

图2 微根管法监测吐丝期至吐丝后50 d玉米根系生长示意图

2.1 浅埋滴灌下水氮运筹对春玉米根长密度的影响

图3所示, 2种灌溉模式下, 浅埋滴灌(W3N3)根长密度0～60 cm高于传统畦灌(CK), 尤其0～40 cm土层, 80～100 cm低于畦灌, 说明浅埋滴灌浅层根系发达而深层根系较少; 吐丝后20～50 d两种灌溉模式下根长密度均逐渐减小, 20～40 cm土层尤为明显, 浅埋滴灌下根长密度减少幅度较畦灌低, 吐丝后0～50 d W3N3分别减少了10.29% (2019)和8.83% (2020), CK分别减少了15.04% (2019)和14.08% (2020)。浅埋滴灌下, 同一施氮水平各土层根长密度随灌溉量的减少而降低, 吐丝后30～50 d时段内20～40 cm土层根长密度减少幅度最为明显, W1> W2>W3; 同一灌量水平下, 各时期各土层根长密度N3、N2明显高于N1, N3与N2差异不明显。水氮互作下, W3N3、W3N2各时期各深度根长密度明显高于其他处理, 且随生育进程根长密度减少幅度最小。

图3 不同水肥运筹下春玉米根长密度的时空变化

W1N3: 传统灌量40% (1600 m3hm–2), 常规施氮量(300 kg hm–2); W1N2: 传统灌量40% (1600 m3hm–2), 常规施氮量70% (210 kg hm–2); W1N1: 传统灌量40% (1600 m3hm–2), 常规施氮量50% (150 kg hm–2); W2N3: 传统灌量50% (2000 m3hm–2), 常规施氮量(300 kg hm–2); W2N2: 传统灌量50% (2000 m3hm–2), 常规施氮量70% (210 kg hm–2); W2N1: 传统灌量50% (2000 m3hm–2), 常规施氮量50% (150 kg hm–2); W3N3: 传统灌量60% (2400 m3hm–2), 常规施氮量(300 kg hm–2); W3N2: 传统灌量60% (2400 m3hm–2), 常规施氮量70% (210 kg hm–2); W3N1: 传统灌量60% (2400 m3hm–2), 常规施氮量50% (150 kg hm–2); CK: 传统灌量 (4000 m3hm–2), 常规施氮量(300 kg hm–2)。

W1N3: traditional border irrigation 40% (1600 m3hm–2), conventional nitrogen application (300 kg hm–2); W1N2: traditional border irrigation 40% (1600 m3hm–2), conventional nitrogen application 70% (210 kg hm–2); W1N2: traditional border irrigation 40% (1600 m3hm–2), conventional nitrogen application 50% (150 kg hm–2); W2N3: traditional border irrigation 50% (2000 m3hm–2), conventional nitrogen application (300 kg hm–2); W2N2: traditional border irrigation 50% (2000 m3hm–2) , conventional nitrogen application 70% (210 kg hm–2); W2N2: traditional border irrigation 60% (1600 m3hm–2), conventional nitrogen application 50% (150 kg hm–2); W3N3: traditional border irrigation 60% (2400 m3hm–2), conventional nitrogen application (300 kg hm–2); W3N2: traditional border irrigation 60% (2400 m3hm–2), conventional nitrogen application 70% (210 kg hm–2); W3N2: traditional border irrigation 60% (2400 m3hm–2), conventional nitrogen application 50% (150 kg hm–2); CK: traditional border irrigation (4000 m3hm–2), conventional nitrogen application (300 kg hm–2).

以滴灌量为A因素, 施氮量为B因素, 种植年份为C因素, 将根长密度进行方差分析, 由表2可知, 不同滴灌量和施氮量下吐丝后0～50 d 0～60 cm土层根长密度差异极显著, 不同年份间吐丝后0～10 d 0～20 cm土层根长密度和0～50 d 40～60 cm土层根长密度差异显著或极显著。灌量与施氮量交互下, 0～40 cm土层根长密度差异不显著, 吐丝后30～50 d 40～60 cm深度差异显著, 三因素交互下均不显著。说明灌量与施氮量对吐丝后0～50 d 0～60 cm土层根长密度影响较大。

2.2 浅埋滴灌下水氮运筹对春玉米总根表面积的影响

由图4可知, 吐丝至吐丝后20 d, 各处理各土层总根表面积均为20～40 cm土层最大, 吐丝后30 d至吐丝后50 d W3灌量下20～40 cm土层高于0～20 cm土层, W1灌量下低于0～20 cm土层, 可能是W1灌量下吐丝后30 d 20～40 cm土层根总表面积下降速度大于0～20 cm土层所致。吐丝至吐丝后50 d各土层总根表面积随水氮的变化趋势来看, 0～60 cm土层变化较为明显, 随水氮的减少而减少, 80～100 cm变化幅度较小, 说明深层根系总表面积受水氮的影响较小。与传统畦灌(CK)相比, 浅埋滴灌(W3N3)吐丝至吐丝后50 d 0～60 cm 3个土层总根表面积均增加, 衰减幅度降低。浅埋滴灌下, 0～60 cm土层氮水平相同下均表现为W3>W2>W1, 且各处理间差异显著; 同灌量水平下, W3水平N3、N2差异不显著, 二者显著高于N1, W2水平表现为N3>N2>N1, 处理间差异显著。随生育进程, 各土层总根表面积均减小, 且随灌量与施氮量减少其减小幅度增加, 在吐丝后30～50 d 20～60 cm土层减少最为明显。水氮互作下, 0～60 cm土层总根表面积均为W3N3、W3N2显著高于其他处理, W3N2随生育进程推移总根表面积降低幅度最小, 60～100 cm土层处理间无明显差异。说明生育后期W3N3和W3N2可维持较高的总根表面积。

表2 浅埋滴灌水氮运筹下根长密度方差分析

表中数值为值;*和**分别表示不同处理< 0.05和< 0.01差异显著。

The values in the table were-values;*and**indicate significant difference among treatments at< 0.05 and< 0.01, respectively.

如表3所示, 总根表面积方差分析表明, 不同灌量下吐丝后0～50 d 0～100 cm土层总根表面积差异均达显著或极显著水平, 不同施氮量下吐丝后0～30 d 0～60 cm土层差异达显著或极显著水平, 不同年份间吐丝后0～30 d 0～40 cm土层和吐丝后0～40 d 60～100 cm土层差异显著。灌量与施氮量交互下吐丝后0～30 d 0～60 cm土层差异极显著, 三因素交互下除0～30 d 20～40 cm外均不显著。说明灌量对吐丝后0～50 d 0～100 cm土层总根表面积影响较大, 施氮量对吐丝0～30 d 0～60 cm土层总根表面积影响较大。

图4 水氮运筹对春玉米总根表面积的影响

处理同图3。Abbreviations are the same as those given in Fig. 3.

表3 浅埋滴灌水氮运筹下总根表面积方差分析

表中数值为值;*和**分别表示不同处理< 0.05和< 0.01差异显著。

The values in the table were-values;*and**indicate significant difference among treatments at< 0.05 and< 0.01, respectively.

2.3 浅埋滴灌下水氮运筹对春玉米根系平均直径的影响

由图5可知, 随土层深度增加各处理根系平均直径均减小, 0～60 cm土层随水氮变化明显, 80～100 cm变化幅度很小。与传统畦灌(CK)相比, 浅埋滴灌(W3N3)吐丝后0～50 d 0～60 cm 3个土层根系平均直径均增加, 40～60 cm土层根系下降幅度低于CK。浅埋滴灌下, 同一施氮水平0～60 cm土层各处理均表现为W3>W2>W1, 且各处理间差异显著; 同一灌量水平下, 0～60 cm土层W3灌量下N3、N2稍高于N1, 各施氮量间差异不显著。随生育进程推移, 吐丝至吐丝后10 d各土层根系平均直径变化甚微, 吐丝后30 d至吐丝后50 d根系直径降低, W1N3处理20～60 cm土层及W1灌量各处理降低最为明显。水氮互作下, 0～60 cm土层吐丝期至吐丝后20 d均为W3N3、W3N2根系平均直径显著高于其他处理, 吐丝后30 d至吐丝后50 d为W3N2最高, 随生育进程推移根系平均直径W3N2降低幅度最小, 其次为W3N3; 60～100 cm土层各处理间无明显差异。

如表4可知, 不同滴灌量下吐丝后0～50 d各土层的根系平均直径差异均达显著或极显著水平, 不同施氮量下吐丝后0～10 d 0～20 cm土层、吐丝后0～50 d 20～40 cm土层以及吐丝后20～50 d 40～60 cm土层根系平均直径差异极显著, 不同年份间吐丝后10～50 d 20～60 cm土层根系平均直径差异显著。灌量与施氮量交互下20～50 d 40～60 cm土层深度根系平均直径差异显著, 三因素交互下均不显著。说明滴灌量对0～100 cm土层玉米根系平均直径影响较大, 施氮量对20～60 cm土层根系平均直径影响较大。

图5 水氮运筹对春玉米根系平均直径的影响

处理同图3。Abbreviations are the same as those given in Fig. 3.

表4 浅埋滴灌水氮运筹下根系平均直径方差分析

表中数值为值;*和**分别表示不同处理< 0.05 和< 0.01。

The values in the table were-values;*and**indicate significant difference among treatments at< 0.05 and< 0.01, respectively.

2.4 浅埋滴灌下水氮运筹对春玉米根系衰减速率的影响

如图6和图7所示, 吐丝后0～50 d春玉米各土层根系衰减速率随时间推移均呈单峰曲线的变化趋势, 0～60 cm土层根系衰减速率峰值出现在吐丝后10～30 d, 60～100 cm土层出现在吐丝后20～40 d。与传统畦灌(CK)相比, 浅埋滴灌(W3N3)根系衰减速率除吐丝后20～30 d 20～40 cm土层外, 均低于对照, 吐丝后0～50 d平均根系衰减率2年分别降低5.23%和4.43%。浅埋滴灌下, 同一施氮水平随灌量的减少平均根系衰减率增加; 同一灌量水平下, 平均根系衰减率W3、W2灌量水平均随施氮量减少而增加, W1灌量水平下2019年N1和N3差异较小, 均高于N2, 2020年为N1>N3>N2, 可能灌量不足的情况下, 施氮量增加或不足均促进了根系的衰减; 水氮互作下, 吐丝后0～50 d各土层平均根系衰减率均为W3N3和W3N2低于其他处理, W3N2平均根系衰减率2年分别较W2N2低5.68%和5.44%、较W1N2低9.75%和11.98%, 较W3N1低7.16%和6.77%。

(图6)

处理同图3。Abbreviations are the same as those given in Fig. 3.

图7 水氮运筹下春玉米平均根系衰减率变化

处理同图3。Abbreviations are the same as those given in Fig. 3.

由表5可知, 不同灌量下0～50 d 0～60 cm土层平均根系衰减率差异极显著, 不同施氮量下0～50 d 0～40 cm土层差异显著, 不同年份间吐丝后0～50 d各土层间差异均不显著。灌量和施氮量交互和三因素交互下吐丝后0～50 d各土层均无显著性差异。说明浅埋滴灌下灌量对春玉米0～60 cm根系衰减率影响较大, 施氮量对0～40 cm土层根系衰减率影响较大。

2.5 浅埋滴灌下水氮运筹对春玉米产量的影响

2.5.1 产量 由图8可知, 浅埋滴灌(W3N3)产量连续4年均高于CK, 2017—2020年分别较CK高11.2%、12.0%、12.6%和11.7%。浅埋滴灌下, W1滴灌定额下N2与N3差异不显著, 但二者均显著高于N1处理, W2滴灌定额下2017年和2018年各处理间差异不显著, 2019年和2020年N2与N3显著高于N1, W3滴灌定额下除2018年外, 均为N2与N3差异不显著, 但二者均显著高于N1处理。水氮互作下, 以W3N3处理产量与W3N2、W2N3、W2N2处理差异不显著, 显著高于其他处理。

2.5.2 氮肥农学效率 由图9可知, 浅埋滴灌下, W1灌量下2017年和2018年均为N1和N2差异不显著, 显著高于N3, 2019年和2020年N1>N2>N3; W2灌量下2017—2019年N1和N2差异不显著, 2020年N1>N2>N3; W3灌量下2017年N2>N1>N3, 2019年和2020年N1与N2差异不显著, 均高于N3。水氮互作下, 2017和2018年W3N2与W2N2差异不显著, 显著高于其他处理, 2019年和2020年W3N2和W3N1差异不显著, 显著高于其他处理。

表中数值为值;*和**分别表示不同处理< 0.05和< 0.01差异显著。

The values in the table were-values;*and**indicate significant difference among treatments at< 0.05 and< 0.01, respectively.

图8 不同水氮运筹对春玉米产量的影响

处理同图3。同一年份处理间不同小写字母表示差异显著< 0.05。

Abbreviations are the same as those given in Fig. 3. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among treatments in the same year.

图9 不同水氮运筹对春玉米氮肥农学效率的影响

处理同图3。同一年份处理间不同小写字母表示差异显著< 0.05。

Abbreviations are the same as those given in Fig. 3. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among treatments in the same year.

由表6可知, 灌量、施氮量以及种植年限对春玉米产量和氮肥农学效率均有极显著影响, 灌量与施肥量交互和三因素交互对产量的和氮肥农学效率均无显著影响。

表6 浅埋滴灌水氮运筹下产量及氮肥农学效率方差分析

表中数值为值;*和**分别表示不同处理< 0.05和< 0.01差异显著。

The values in the table were-values;*and**indicate significant difference among treatments at< 0.05 and< 0.01, respectively.

3 讨论

根系是玉米获取水分和养分的重要器官, 养分吸收利用以及产量形成的关键在于其根系分布[20], 良好的根系结构和分布可以促进玉米高效吸收土壤养分、提高玉米产量[21]。滴灌与传统畦灌一直是我国半干旱地区玉米主要的灌溉方式, 而浅埋滴灌由于其滴头给水、灌溉定额以及滴灌施肥等特性使其在玉米生产上具有其独特的节水增产效应和根系构型[22]。本研究表明, 浅埋滴灌根长密度0～60 cm高于传统畦灌, 尤其0～40 cm土层, 60～100 cm低于畦灌, 说明浅埋滴灌浅层根系发达而深层根系较少, 这可能由于浅埋滴灌(W3N3)与传统畦灌相比, 灌溉时期及时间、灌溉定额、灌溉方式以及施肥方式有所不同, 灌水次数增加, 单次灌量少, 湿润土层较浅, 使根系“表聚”, 畦灌灌量大, 湿润土层较深, 肥随水走, 所以深层根系较多, 相关研究也表明, 灌溉次数增加耕层土壤的根系表面积增加[23], 邹海洋等[24]研究也发现, 滴灌春玉米73.6%的根量主要集中在总扎根度深1/3处。漫灌条件下研究表明, 高产玉米具有深层根系占比较高的特征[25], 本文中浅埋滴灌下深层根系减少, 但连续4年的测产结果表明, 浅埋滴灌下(W3N3)产量显著高于传统畦灌, 主要原因可能是浅埋滴灌下, 随生育期推移玉米根系衰减速率低于畦灌, 0～100 cm土层传统灌量60%常量施氮(W3N3)吐丝后0～50 d平均根系衰减率2年分别降低5.23%和4.43%, 0～60 cm土层根长密度、根系总表面积、根系平均直径衰减幅度均低于传统畦灌, 而生育后期0～60 cm土层根系对玉米物质和养分积累转运影响较大。王志刚等[26]在玉米断根研究中发现, 0～20 cm、21～40 cm土层根系是玉米产量的主要贡献层, 贡献率可达52%和11%, 王飞飞等[27]研究也表明, 玉米花期根系扎根约0～160 cm, 其中0～20 cm土层根量占总根量的58.8%, 20～40 cm占20.2%, 且0～40 cm土层根系对花后氮素积累和转运量影响最大, 这与生育后期玉米根系保持较高根系生物量和根系功能期是玉米高产的主要原因[2,28]结论相符。

水与氮作为影响玉米器官和产量形成的重要因素, 灌量及施氮量会显著影响根系形态分布和对氮素的吸收利用。适当的控水增加根系在土壤剖面中的分布, 当土壤水分不足时, 玉米根系的生长受阻, 影响根系分布比例[29]。适当施氮能促进玉米根系生长, 但氮肥过量施用会导致根系生长受到抑制[30]。陆大克等[31]提出, 增加灌溉量的同时要增施一定比例的氮肥才能促进灌溉后根系的生长, 水肥耦合技术可以提高根长和根干重。本文研究表明, 浅埋滴灌下各处理随水氮用量减少, 根长密度、平均直径、总根表面积均呈逐渐减小趋势, 0～60 cm土层传统灌量60%常规施氮量(W3N3)、传统灌量60%常规施氮量70% (W3N2)处理均高于其他处理。也有研究表明,增施氮肥可以促进前中期根系长度的发育[32], 施氮期推迟, 上层(0～40 cm)玉米根系活性升高, 40 cm以下土层根系活性不受施氮期影响[33], 灌水量对玉米根系形态和根系活力等均有影响[34], 增水可以保证后期根系不早衰[35]。本研究表明, 浅埋滴灌下氮肥后移且随水滴施, W3N3和W3N2能够有效延缓玉米生育后期根系衰减, 吐丝后0～50 d根长密度、平均直径、总根表面积的衰减幅度和平均根系衰减率均较低, 维持植株地上部较高的碳氮代谢活性[36], 促进水氮吸收, 提高水氮效率; 浅埋滴灌下传统灌量60%常规施氮量50% (W3N1)和传统灌量60%常规氮量(W1N3)处理根系各指标随生育期推移降低幅度大, 且衰减速率较高, 说明高水低氮(W3N1)和低水高氮(W1N3)并不利于根系生长, 浅埋滴灌下氮肥随水滴施, 水氮耦合效应是促进根系发育的主要原因, 水分不足增施氮肥加速根系生育后期的衰减速率。本文方差分析表明, 滴灌量对吐丝后0～50 d 0～60 cm土层平均根系衰减率影响显著, 施氮量对0～40 cm土层根系衰减速率影响显著, 通过优化水氮管理可减缓玉米生育后期根系衰老速率, 增加产量和提高氮肥农学效率。

4 结论

与传统畦灌相比, 浅埋滴灌春玉米0～60 cm土层根长密度、根系总表面积、根系平均直径均增加且吐丝后0～50 d衰减幅度较低, 平均根系衰减率2年分别降低5.23%和4.43%。浅埋滴灌下, 灌量对吐丝后0～50 d 0～60 cm土层平均根系衰减率有显著或极显著影响, 施氮量对吐丝后0～50 d 0～40 cm平均根系衰减率有显著或极显著影响, 传统灌量60%常规施氮量70% (W3N2)玉米生育后期0～60 cm土层根长密度、总跟表面积和根系平均直径降低幅度小, 平均根系衰减率低, 产量和氮肥农学效率连续4年均较高, 可推荐为西辽河平原灌区及同类地区浅埋滴灌下较为适宜的水氮管理模式。

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Effects of water and nitrogen application on root attenuation characteristics and yield of spring maize under shallow buried drip irrigation

ZHANG Yu-Qin1,2, YANG Heng-Shan1,2,*, ZHANG Rui-Fu1, LI Cong-Feng3, TI Jun-Yang1, GE Xuan-Liang1, and YANG Jing-Hong1

1College of Agronomy, Inner Mongolia Minzu University, Tongliao 028042, Inner Mongolia, China;2Engineering Research Center of Forage Crops of Inner Mongolia Autonomous Region, Tongliao 028042, Inner Mongolia, China;3Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

In order toexplore the effects of shallow drip irrigation on the yield and root decay characteristics of spring corn after silking, in the Agricultural and Animal Husbandry High Tech Demonstration Park of Horqin District, Tongliao City from 2017 to 2020, traditional border irrigation conventional nitrogen application (W: 4000 m3hm–2, N: 300 kg hm–2) was used as the control (CK), and drip irrigation quotas were used as the main treatments. Three levels of traditional border irrigation conventional irrigation were set: 40% (W1: 1600 m3hm–2), 50% (W2: 2000 m3hm–2), and 60% (W3: 2400 m3hm–2), Using nitrogen application rate as the secondary treatment, three levels of conventional nitrogen application rate [50% (N1: 150 kg hm–2), 70% (N2: 210 kg hm–2), and conventional nitrogen application rate (N3: 300 kg hm–2)] were set up to determine the changes in spring maize yield under different water and nitrogen treatments. In 2019 and 2020, the BTC-100 micro root monitoring system was used to continuously monitor root system of spring maize in the 0–100 cm soil layer at the 0–50 days stage after silking. The results showed that the yield of spring maize was significantly higher in W3N3 than CK for four consecutive years, and there was not significant difference compared with W3N2, W2N3, and W2N2 treatments. The nitrogen agronomic efficiency of W3N2 was also the highest at the same time. Compared with CK, root length density, the total root surface area, and the average root diameter of W3N3 all increased in 0–60 cm soil layer while root length density, the total root surface area, and the average root diameter were less in 80–100 cm soil layer; the decrease in root length density, the total root surface area, and the average root diameter was lower from 0 d to 50 d after silking in two years, in which the root length density of W3N3 and CK decreased by 10.29% and 8.83%, and 15.04% and 14.08% and the average root decay rate of W3N3 decreased by 5.23% and 4.43% compared with CK. Under the shallow buried drip irrigation, the root length density, the average diameter, and the total root surface area of W3N3 and W3N2 were both higher than those of other treatments, whose decrease extent of average root decay rate were lower in 0–60 cm soil layer and differences were less in 80–100 cm soil layer from 0 day to 50 days after silking; During the 0–50 day stage after silking, the difference of average root decay rate between W3N3 and W3N2 was not significant, and W3N2 decreased by 5.68% and 5.44%, 9.75% and 11.98%, 7.16% and 6.77%, respectively, compared with W3N1, W2N2, and W1N2 in two years. The variance analysis showed that both drip irrigation and nitrogen application had a significant impact on yield and nitrogen fertilizer agronomic efficiency. The drip irrigation amount had a significant impact on the root length density, the total root surface area, and the average root decay rate of the 0–60 cm soil layer at the 0–50 day stage after silking. Nitrogen application amount had a significant impact on root length density of the 0–60 cm soil layers at the 0–50 day stage after silking, the total root surface area of the 0–60 cm soil layers at the 0–30 day stage after silking, and the average root decay rate of the 0–40 cm soil layer at the 0–50 day stage after silking. In summary, the root length density, the total root surface area, and the average root diameter of the 0–60 cm soil layers of W3N3 and W3N2 under shallow burying drip irrigation were relatively higher, and the decrease was lower within the 0–50 day stage after silking, the average root decay rate was low, and the yield difference between the two was not significant, however, W3N2 had higher nitrogen agronomic efficiency, which could be recommended as a suitable water and nitrogen application mode for water-saving, high-yield, and efficient cultivation of corn for the irrigation area of the Xiliaohe plain.

maize; shallow buried drip irrigation; water and nitrogen application; root attenuation; yield

10.3724/SP.J.1006.2023.33009

本研究由国家自然科学基金项目(31960382, 32160509)资助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31960382, 32160509).

杨恒山, E-mail: yanghengshan2003@aliyun.com

E-mail: zhyq369@126.com

2023-02-16;

2023-05-24;

2023-06-14.

URL: https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.1809.S.20230613.1313.008.html

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