施鉀方式對高產春玉米根系分布及其活力的影響

張玉芹, 楊恒山, 高聚林, 范秀艷, 梁懷宇

(1.內蒙古民族大學 農學院, 內蒙古 通遼 028042; 2.內蒙古農業大學 農學院, 內蒙古 呼和浩特 010019)

施鉀方式對高產春玉米根系分布及其活力的影響

張玉芹1, 楊恒山1, 高聚林2, 范秀艷1, 梁懷宇1

(1.內蒙古民族大學 農學院, 內蒙古 通遼 028042; 2.內蒙古農業大學 農學院, 內蒙古 呼和浩特 010019)

摘要：[目的] 探討施鉀方式(一次性施入和鉀肥后移)對高產春玉米根系特性的影響，為高產春玉米鉀素養分調控提供理論依據。 [方法] 以金山27玉米為供試品種，2個施鉀水平(K2O 150和300 kg/hm2)及施鉀后移處理下，測定不同生育時期各土層根系干物質重、根系活力及其酶活性，成熟期測定根條數、根幅。 [結果] 300 kg/hm2施鉀水平與150 kg/hm2施鉀水平相比，各土層根系干重增加，尤以吐絲前0—20 cm土層為根干重增加幅度最大，20—60 cm土層根干重占總干重比例減小，尤以乳熟期為甚；各土層根條數、最大根幅增加，最大根幅下移；各生育時期各土層根系活力、超氧化物歧化酶(SOD)活性和過氧化物酶(POD)活性隨施鉀量增加而增加，丙二醛(MDA)含量下降。相同施鉀水平下，施鉀后移各生育時期0—60 cm各土層根系干重減小；0—20 cm土層根干重占總干重比例增加；最大根幅、根條數及最大根幅深度均減少，且隨土層深度增加差異增大；各土層根系活力、SOD酶活性和POD酶活性降低，MAD含量增加。 [結論] 300 kg/hm2施鉀量較150 kg/hm2施鉀量促進玉米根系生長，且延緩根系衰老，尤其可促進深層根系的生長；同一施鉀水平下，施鉀后移則促進作用不明顯，甚至降低了根系的干重。

關鍵詞：高產玉米; 施鉀方式; 根系分布; 生理特性

合理施肥是實現作物高產的重要措施之一，也是調控生物產量及組分動態轉化的重要手段[1-2]。隨著氮、磷肥料的施用，單產的提高，鉀已成為許多土壤繼氮、磷之后的又一高產限制因子[3]。中國鉀礦資源和鉀肥缺乏[4]，提高作物對鉀肥的吸收利用效率是緩解資源短缺、節約資源的重要途徑[5]。根系是作物物質生產的基礎，直接決定養分的吸收能力和抗倒能力[6]，尤其是在高產栽培中，根系的分布和生長狀態對作物產量的形成至關重要。已有的研究[7]指出，在施氮、磷肥的基礎上施鉀，能明顯影響根的形態與生長，缺鉀處理顯著抑制了根系伸長。也有研究[8]認為，缺鉀不抑制根系的伸長生長，但降低了側根數和側根分布密度。近些年來，隨著品種的改變，栽培技術的改進，產量不斷提高，玉米根系也發生變化，研究高產栽培下不同施鉀方式對春玉米根系特性的影響對產量提高有重要意義。但目前有關根系生長與鉀營養的關系其他作物上研究較多[9-10]，在玉米方面的研究很少。鉀肥后移對根系影響未見報道。因此，本研究對2個施鉀水平下鉀肥后移處理對高產春玉米根系特性的影響進行試驗分析，以期為高產春玉米的鉀肥管理提供科學依據。

1材料與方法

1.1　試驗地概況

試驗于2011年在地處西遼河平原的內蒙古民族大學試驗農場進行。試驗點地理坐標為43°36′N，122°22′E，海拔178 m；土壤為灰色草甸土，播前試驗地耕層(0—20 cm)土壤養分狀況詳見表1。

表1　試驗地耕層基礎地力

1.2　試驗設計

以金山27玉米為試材，磷肥為過磷酸鈣、含P2O516%，一次性底施，170 kg/hm2；氮肥為尿素，含N 46%，在拔節期、大喇叭口期和抽雄期按3∶6∶1的比例追施，共375 kg/hm2。鉀肥為德國鉀鹽公司生產紅牛硫酸鉀，含K2O 50%，鉀肥試驗方案詳見表2。各處理均等行距種植，行距50 cm，株距22.2 cm，小區面積為60 m2，隨機排列，3次重復。2011年5月2日播種，9月26日收獲。

表2　鉀素養分調控田間試驗方案

1.3　測定項目與方法

1.3.1根系干重在大喇叭口期(V12)、吐絲期(VT)、乳熟期(R3)和完熟期(R6)，同行內連續3株，以第1株1/2株距處到第3株1/2株距處為長，以1/2行距為寬,挖長方形樣方分層取根，每20 cm為1層，取根深度為60 cm，取樣3株，3次重復。取出后裝網袋，用水沖洗干凈，剔除雜質并撿出死根后烘干稱重。

1.3.2根條數及根幅完熟期將根挖出后，置于貼有坐標紙的平板上，查10，20和30 cm處單株根條數，同時測定最大根幅(植株根系水平分布最大直徑)及最大根幅所處深度，每處理取樣5株，3次重復。

1.3.3根系酶活性及根活力取樣方法同1.3.1，用水沖洗根系，剔除雜質并撿出死根后用鮮根測定酶活性及根系活力。SOD活性用NBT光化還原法[11]測定，POD活性用愈創木酚法[11]測定，MDA含量采用硫代巴比妥酸法[11]測定。根系活力采用TTC還原法[11]測定。

1.3.4選3個生長均勻的樣方測產，樣方面積均為30 m2，測定子粒產量，同時取樣測定籽粒含水率，并折算成14%含水率下的產量。

2結果與分析

2.1　不同土層根系干重

由表3可知，施鉀處理各生育時期各土層根系干重均高于對照。與T150-Ⅰ相比，T300-Ⅰ各生育時期各土層根干重均升高，尤以吐絲期后0—20 cm為甚，成熟期T300-Ⅰ較T150-Ⅰ高13.35%。同一施鉀水平下，各生育時期0—40 cm土層均表現為施鉀后移根系干重減小，40—60 cm土層差異不顯著。

表3　不同施鉀方式對不同土層根重的影響

注：注：V12為大喇叭口期，VT為吐絲期，R3為乳熟期，R6為完熟期。下同。

2.2　根重垂直分布

由表4可知，0—20 cm土層中，施鉀處理根干重占總干重比例各生育時期均小于對照；與T150-Ⅰ相比，T300-Ⅰ根干重占總干重比例各生育時期均下降，尤以乳熟期為甚；同一施鉀水平下，施鉀后移根干重占總干重比例增加，且施鉀量越少越顯著，其中，T150-Ⅲ較T150-Ⅰ高出3.1%，說明前期施鉀促進下層根系生長。

20—60 cm土層，根干重占總干重比例各生育時期均大于對照；與T150-Ⅰ相比，T300-Ⅰ根干重占總干重比例各生育時期均升高，乳熟期差異最大；同一施鉀水平下，隨施鉀后移量增加而減小。

表4　不同施鉀方式對各生育時期根系干重在土壤中的垂直分布的影響

2.3　完熟期根條數

由圖1可知，完熟期玉米單株根條數均隨土層深度的增加而減少，施鉀處理各土層根條數均高于對照。與T150-Ⅰ相比，T300-Ⅰ根條數增加，在10 cm處，T300-Ⅰ根條數較T150Ⅰ高出7.9%，比對照高出11.5%；20 cm處，T300-Ⅰ根條數較T150-Ⅰ高出8.2%，比對照高出19.5%，30 cm處，T300-Ⅰ根條數較T150-Ⅰ高出12.8%，比對照高出60.3%。同一施鉀水平下，施鉀后移根條數減少，且隨土層深度增加差異增大，0—20 cm，T300-Ⅱ，T300-Ⅲ分別較T300-Ⅰ減少了6.5%和9.0%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ分別較T150-Ⅰ減少了8.8%和15.6%。20—40 cm，T300-Ⅱ，T300-Ⅲ分別較T300-Ⅰ減少了11.6%和19.4.0%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ分別較T150-Ⅰ減少了12.8%和21.6%。40—60 cm，T300-Ⅱ，T300-Ⅲ分別較T300-Ⅰ減少了14.9%和24.4.0%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ分別減少了T150-Ⅰ降低了15.7%和28.6%。

圖1　不同施鉀方式對春玉米成熟期根條數的影響

2.4　完熟期根幅

由圖2可知，施鉀處理完熟期最大根幅深度均大于對照。與T150-Ⅰ相比，T300-Ⅰ最大根幅下移，最大根幅深度較T150-Ⅰ下移了6.2%。同一施鉀水平下，施鉀后移最大根幅深度減少，T300-Ⅱ，T300-Ⅲ分別較T300-Ⅰ減少了7.9%和12.4.0%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ分別較T150-Ⅰ減少了9.7%和18.1%。施鉀處理最大根幅大于對照。與T150-Ⅰ相比，T300-Ⅰ最大根幅增加，T300-Ⅰ較T150-Ⅰ高出14.2%；同一施鉀水平下，施鉀后移最大

根幅減小，T300-Ⅱ，T300-Ⅲ分別較T300-Ⅰ減少6.8%和9.4.0%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ分別較T150Ⅰ減少9.4%和14.3%。

2.5　根系活力

由表5可知，施鉀處理各生育時期各土層根系活力均顯著高于對照。與T150-Ⅰ相比，T300Ⅰ各土層根系活力增加，尤以吐絲期20—40 cm土層為甚，T300Ⅰ較T150Ⅰ高12.2%。同一施鉀水平下，施鉀后移各土層根系活力均降低，尤以0—20 cm土層為甚，其中，乳熟期差異最大，T300-Ⅱ，T300-Ⅲ分別較T300-Ⅰ降低了17.5%和38.2%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ分別較T150-Ⅰ降低了20.9%和33.3%。

圖2　不同施鉀方式對成熟期最大根幅的影響

土層深度/cm時期根系活力/(μg·g-1·h-1)T150-ⅠT150-ⅡT150-ⅢT300-ⅠT300-ⅡT300-ⅢCKV1229.1±3.7b24.3±2.6b19.7±2.4b31.5±4.7b26.1±3.2b23.8±1.6a15.3±1.3b0—20VT38.4±2.7b31.8±4.0b26.3±2.3c42.1±3.1a34.7±2.6b28.1±1.9c19.4±1.4dR332.1±2.8b25.4±2.0c21.4±1.6d36.1±2.5a29.8±2.4b22.3±1.9cd10.4±1.4eV1226.4±1.3b22.5±1.1c15.3±1.0d30.2±1.6a27.1±1.6b18.3±2.3d10.1±0.9e20—40VT34.1±2.1b30.0±1.5bc25.1±1.4c38.2±1.9a30.2±1.5bc26.1±1.8c15.4±1.0dR331.3±1.7ab25.1±0.9b22.1±1.0c33.1±1.2a30.2±1.1b24.1±1.3c14.2±1.4dV1224.3±1.2b21.3±1.0c19.1±1.1cd26.4±1.1a24.2±1.4b20.2±12.2c12.3±1.0d40—60VT32.4±1.7b30.1±1.2b26.1±1.2d35.2±1.6a30.6±2.1c29.2±1.6b14.2±0.6dR327.1±1.0b23.1±1.2c20.1±0.9d29.3±1.1a26.8±1.2b22.1±1.0c13.8±0.8e

2.6　根系抗氧化酶活性

由表6可知，根系SOD酶(超氧化物歧化酶)活性和POD酶(過氧化物酶)活性變化趨勢基本一致。施鉀處理吐絲期和乳熟期各土層SOD和POD活性均顯著高于對照。與T150-Ⅰ相比，T300-Ⅰ各土層酶活性增加，尤以乳熟期20—40 cm土層為甚，其中，T300-ⅠSOD酶活性較T150-Ⅰ高出25.2%，T300-ⅠPOD酶活性較T150-Ⅰ高出12.1%。同一施鉀水平下，施鉀后移根系SOD和POD 酶活性降低，尤以乳熟期0—20 cm土層為甚。其中，SOD酶活性T300-Ⅱ，T300-Ⅲ分別較T300-Ⅰ降低了11.9%和23.8%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ分別較T150-Ⅰ降低了14.4%和26.8%；POD酶活性T300-Ⅱ，T300-Ⅲ分別較T300-Ⅰ降低了12.0%和28.9%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ分別較T150-Ⅰ降低了14.4%和23.0%。

施鉀各處理MDA(丙二醛)含量均顯著低于對照。與T150-Ⅰ相比，T300-Ⅰ各土層MDA含量下降，以乳熟期0—20 cm土層最為明顯，其中，T300-ⅠMDA含量較T150-Ⅰ低21.2%。同一施鉀水平下，施鉀后移根系MDA含量增加，尤以乳熟期0—20 cm土層為甚，其中，T300-Ⅱ，T300-ⅢMDA含量分別較T300-Ⅰ降低了11.9%和23.8%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ分別較T150-Ⅰ降低了14.4%和26.8%。

2.7　產量變化

施鉀各處理春玉米產量均顯著高于對照。T150-Ⅰ處理和T300-Ⅰ處理產量分別較對照高出13.9%和18.5%；不同施鉀水平下，T300-Ⅰ處理與T150-Ⅰ處理產量差異顯著，T300Ⅰ處理產量較T150Ⅰ處理產量高出8.9%。同一施鉀水平下，鉀肥后移產量下降，T300-Ⅱ，T300-Ⅲ產量分別較T300-Ⅰ降低了14.3%和19.9%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ產量分別較T150-Ⅰ降低了4.2%和8.9%。

表6　不同施鉀方式對根系SOD，POD酶活性及MDA含量的影響

3討 論

根量的大小直接影響植株地上部分的生育，建立起強大的根系，并維持后期較高的生物量，可獲得高量[12]。已有研究[13]表明，鉀的富集可促進作物根系的生長。也有研究認為施鉀或缺鉀均可對根系產生抑制作用。試驗研究表明，施鉀使棉花根系的總長和總體積顯著降低[9]，缺鉀對水稻根系生長有一定的抑制作用[13]。缺鉀能夠抑制主根伸長生長[7]，但能促進根毛生長[14]。Shin等[8]認為缺鉀不抑制根系的伸長生長,卻顯著降低了側根數和側根分布密度。土壤缺鉀對根冠比、根數、根平均直徑、總根長、側根數、根表面積、根體積、根總吸收面積以及活躍吸收面積等性狀均有影響。韓立軍等[15]研究表明拔節期前玉米根系對鉀肥不敏感，大喇叭口期后根系干重、根體積、地上干重均與施鉀水平呈正相關。本研究中與T150-Ⅰ相比，T300-Ⅰ各土層根干重和根條數均增加，尤以吐絲期明顯，但施鉀后移根系干重及根條數減小。所以，增加施鉀量促進玉米根系生長，施鉀后移抑制根系生長。

玉米根系的空間分布對玉米產量有重要作用，深層根量較多，籽拉增重期根系吸收活力高，活躍吸收層深，有利于玉米吸收深層土壤水分[16]，且深層根系所處的土壤環境穩定，根系活力受密度影響小，根系活力強向地上部分運輸物質的能力強，有利于植株地上部分各種生理活動的正常進行，促進光合物質生產，為籽粒充實提供充足的光合產物，對產量貢獻大[16]。Edward研究發現，施鉀使玉米根向下深扎達60 cm，能吸收到深層土壤中的水分。本研究中與T150-Ⅰ相比，T300-Ⅰ0—20 cm根干重所占比例下降，20—60 cm根干重所占比例增加，表明增加鉀肥施用量可增加深層根系增加。施鉀后移0—20根干重比例增加，20—60 cm根干重所占比例下降，所以施鉀后移不利于深層根系的發生。這可能與鉀肥追肥方式有關，本試驗小口期追施鉀肥是在表面追施覆土，加之鉀肥在土壤中移動性小，所以鉀肥在小口期表面追施不利于深層根系發生。

研究[17]表明，葉片功能的強弱和持續期長短，主要決定于根系功能和衰老的延遲。低鉀脅迫易造成玉米根系CAT，POD等活性下降，MDA含量上升[18]。鉀肥的施用能提高玉米對環境脅迫的抵抗能力，增施鉀肥能夠提高植株根系活力。本研究中，T300-Ⅰ玉米各土層根系活力、根系SOD和POD酶活性均高于T150-Ⅰ，這與前人研究基本一致。但施鉀后移根系抗氧化酶活性降低，這與本研究試驗條件有關，本研究為7 a生苜蓿翻耕后種植玉米，苜蓿喜磷、鉀，所以播前耕層土壤含有效鉀較低(表1)，施鉀后移造成玉米生育前期鉀肥不足，根系發育受到限制，后期易早衰，SOD和POD酶活性下降，而MDA含量增加。玉米施用鉀肥后產量大幅度提高，有研究[19]得出，鉀肥基施增產效果優于大喇叭口期追施和拔節期追施，也有提出鉀肥做底肥時分期施用明顯優于鉀肥一次性施用[20]。本研究結果表明，增施鉀肥促進產量增加，T150-Ⅰ處理和T300-Ⅰ處理產量分別較對照高13.9%和18.5%，T300-Ⅰ處理產量較T150-Ⅰ處理產量高8.9%。同一施鉀水平下，施鉀后移產量下降，T300-Ⅱ，T300-Ⅲ產量分別較T300Ⅰ低14.3%和19.9%，T150-Ⅱ，T150-Ⅲ產量分別較T150-Ⅰ低4.2%和8.9%。這可能是金山27鉀肥需求規律與鉀肥施入方式不吻合造成的，有待在其他品種進一步試驗。

4結 論

與150 kg/hm2施鉀水平相比，300 kg/hm2施鉀水平可增加各土層根系干重，增加下層根系(20—60 cm)根干重占總干重比例，增加各土層根條數和最大根幅，且最大根幅下移；延緩生育后期根系衰老，各生育時期各土層根系活力、SOD酶活性和POD酶活性較高，MDA含量較低。施鉀后移則促進作用不明顯，甚至導致根系干重降低；0—20 cm土層根干重占總干重比例增加；最大根幅、根條數及最大根幅深度均減少，各土層根系活力、SOD酶活性和POD酶活性降低，MAD含量增加。

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Effects of Potassium Fertilization Methods on Root Distribution and Root Vitality of a High-Yield Spring Maize

ZHANG Yuqin1, YANG Hengshan1, GAO Julin2, FAN Xiuyan1, LIANG Huaiyu1

(1.CollegeofAgronomy,InnerMongoliaUniversityforNationalities,Tongliao，InnerMongolia028042,China; 2.CollegeofAgronomy,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot，InnerMongolia010019,China)

Abstract：[Objective] To provide some bases for nutrient regulation of high yield maize, the effects of potassium fertilization on root vitality of a high yield spring maize were investigated. Potassium fertilization had application level treatment with two levels of 150 and 300 kg/hm2and application method treatment with levels of once-and-base fertilizer and postponed application. [Methods] A maize cultivar, Jinshan 27, was used as the test material. Its dry root weight, root vigor, activities of superoxide dismutase(SOD) and peroxidase(POD), and malondialdehyde(MDA) content were measured at each stage; root number and root width were measured at mature stage. [Results] Root dry weight at 300 kg/hm2application level was greater than that at 150 kg/hm2, especially it was obvious in 0—20 cm layer before silking stage. The percentage of root weight at 20—60 cm was contrary, especially in milking stage. Root number increased at high application level, and also the biggest root width increased and proliferated deeper. At high application level, vigor, SOD and POD activities of root in all growth period increased, while MDA content decreased. Root weight of postponed fertilization at 0—40 cm soil layer was less than that of once-and-base fertilization method; while, the percentage of root weight at 0—20 cm soil layer was relatively great. Root number, the biggest root width and the layer with the biggest root width of postponed application was lower than that of the once-and base application method, and the differences of these indices between the two methods increased with the increase of soil depth. Root vigor and activities of SOD and POD of postponed application decreased; MDA content increased. [Conclusion] Once-and-base K application could improve the root growth of maize and especially the proliferation at deep layer was promoted; It also delayed the senescence of root. These effects were not observed, and moreover the contrary effects it were for postponed application.

Keywords:spring maize; potassium application methods; root distribution; physiological characteristics

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0064-06

中圖分類號：S513

收稿日期：2014-08-20修回日期：2014-09-19

資助項目：國家科技支撐計劃“內蒙古春玉米大面積均衡增產技術集成與示范”(2012BAD04B00； 2013BAD07B04); 內蒙古自然科學基金項目(2012MS0314); 內蒙古民族大學博士啟動項目(S265)

第一作者：張玉芹(1977—),女(蒙古族),內蒙古自治區赤峰市人,博士,副教授,主要從事作物高產栽培方面的研究。E-mail:zhyq369@126.com。