不同深松深度對夏玉米根系時空分布及氮素利用的響應

吳廣俊 劉鵬 董樹亭 張吉旺 趙斌

摘要：研究不同深松對夏玉米根系時空分布及氮素吸收利用的響應，旨在探明深松下玉米根系與養分的協調一致性，進而提高產量及氮素利用效率。選用鄭單958為試驗材料，設置3個深松深度，即不深松（S0）、15 cm深松（S15）、35 cm深松（S35）。結果表明，35 cm深松對比不深松和15 cm深松顯著增加深層根系數量及分配比例，進而增加葉面積指數和單株生物量，提高氮素吸收效率，最終促進產量的顯著提高。因此35 cm深松增產效果較為明顯。

關鍵詞：夏玉米；深松深度；根系；氮素吸收效率

中圖分類號：S513.052文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）10-0092-06

玉米是世界重要的糧食、飼料、工業原料和生物質能源等多用途作物。氮肥的投入在玉米產量增加過程中起著重要作用；高效利用氮肥、減少氮肥損失在保護環境、提高玉米產量中也起著很重要的作用[1]。根系對于固定植株、吸收水分養分有重要作用[2]，與土壤中水分養分的分布、轉移、消耗密切相關，和地上部植株生長和產量形成有直接關系[3]。根系形態決定著作物探尋吸收土壤中多樣資源的能力[4-6]，根系在土壤空間的分布對于捕獲不可移動和可移動的土壤資源起著決定性的作用[7]。由于玉米根系在土壤空間呈“橫向緊縮、縱向延伸”的生長趨勢，深層根系增加可減少氮素的揮發和淋洗損失，增加氮素的吸收效率[8]。

目前農業生產中普遍存在耕層淺、犁底層堅硬、土壤通氣性差等問題，限制了玉米根系的生長發育，阻礙根系向下層土壤中下扎，導致地上部早衰，最終降低產量[9]。土壤深松耕作可以打破阻礙根系生長的犁底層，改善耕層環境，促根下扎，提高根系對深層土壤的吸收利用，最終獲得高產[10-12]。因此探明深松耕作與玉米整個生育時期根系分布及氮素吸收利用的關系尤為重要。本試驗就不同深松深度對夏玉米根系時空分布及氮素利用的響應進行研究，揭示深松對提高氮素利用效率及夏玉米產量的作用，這對玉米的可持續發展有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗材料及設計

試驗于2014-2015年在山東農業大學實驗農場進行。供試品種為鄭單958，種植密度為75 000 株/hm2。2014年6月14播種，10月4日收獲。2015年6月15播種，10月4日收獲。在拔節期追施純氮315 kg/hm2， P2O5和 K2O分別為105 kg/hm2和270 kg/hm2，玉米生育期給予良好的管理并保證水分供應。

試驗設置3個深松深度，分別為不深松（S0）、15 cm深松（S15）、35 cm深松（S35）。隨機區組排列，重復3次，小區面積60 m2。

1.2測定項目及方法

分別于玉米大口期（V12）、抽雄期（VT）、灌漿期（R2）、乳熟期（R3）、蠟熟期（R5）和完熟期（R6）系統取樣，取樣時每個小區選有代表性的植株4株，按照莖稈、葉片、雄穗、苞葉、籽粒、穗軸分開，105℃殺青30 min后80℃烘至恒重，測定干物質積累量，并研磨過80目篩，用H2SO4-H2O2聯合消煮后用BRAN+LUEBBE Ⅲ型連續流動分析儀測定氮素含量。生育期氮素積累量（g/株） =∑某生育期各器官含氮量（mg/g）×干物質積累量（g/株）/1 000。

根系取樣采用土壤剖面法，以植株為中心取長60 cm（垂直于行向）×寬25 cm（沿行向） 的面積，0～60 cm 土體按每10 cm為一層，共分為6層。土壤挖出后，裝入網袋。低壓水沖洗根系，剔除雜質，吸干根系樣品表面水分。

沖洗干凈的根系分別測定干重和根長密度。根系干重采用烘干法測定；根系長度直接用Epson， Perfection V700 Photo掃描儀[Epson （China） Co. Ltd.， China]進行掃描，然后使用配套軟件（WinRhizo Pro， Régent Instruments， Québec， Canada）進行根系分析。通過測定的根系長度計算根長密度。根長密度（mm/cm3）=各土層根系長度（mm）/土層體積（cm3），即單位土體內的根系長度。

成熟期每個小區收獲中間3行5 m的穗數進行考種測產，計算籽粒產量。

1.3數據統計

用DPS 15.0統計軟件LSD法進行統計分析，用Sigmaplot 10.0作圖。

2結果與分析

2.1不同深松深度對玉米產量及其構成要素的影響

由表1可知，S35處理顯著增加了籽粒產量，主要是顯著增加了穗粒數和千粒重，公頃穗數無顯著性差異。2014年S35處理籽粒產量比S0和S15處理分別提高17.35%和4.13%。2015年S35處理籽粒產量比S0、S15處理分別增加19.68%、7.04%。

2.2不同深松深度對玉米單株生物量的影響

玉米單株生物量在不同深松深度下表現出顯著差異（圖1）。隨著生育時期的推進，單株生物量逐漸增加，在開花期之前3種深松深度差異不明顯，從開花期起S35處理單株生物量快速增加，兩年呈現出相同的規律。2014、2015年開花期S35處理分別比S0、S15增加79.02%、20.61%和74.53%、40.66%，在完熟期分別增加33.28%、15.05%和32.52%、11.98%。

2.3不同深松深度對玉米葉面積指數的影響

不同深松深度玉米葉面積指數呈單峰曲線變化，均在開花期達到最大值，在開花前3種深松深度差異不大，在開花后S35處理較其它處理葉面積指數為最高。2014、2015年開花期S35處理分別比S0、S15增加22.64%、12.47%和20.06%、8.55%，在完熟期分別增加25.94%、14.76%和55.88%、26.43%（圖2）。說明35 cm深松延緩了葉片衰老，更好地維持了花后的綠葉面積。

2.4不同深松深度對玉米氮素吸收的影響

由圖3可知，不同深松處理隨著生育時期的推進氮素吸收量呈現持續增加的趨勢，尤其S35顯著增加了花后的氮素積累量，說明S35處理促進了玉米對氮素的吸收。由圖4看出，在開花期S35處理顯著增加氮素積累量和氮素吸收效率。S35處理氮素積累量比S0和S15分別增加75.69%和29.85%，氮素積累效率S35增加16.03%和9.04%。說明35 cm深松提高了氮素的吸收效率。

2.5不同深松深度對玉米根系時空分布特征的影響

健壯的根系是玉米高產的基礎，較多的深層根系是玉米高產的保證，根系干重和根長密度在一定程度上能夠反映根系的生長發育狀況。從圖5看出，不同深松深度下，不同土層之間表現不同，在0～10 cm土層根系干重差異不大，但在10～60 cm土層S35處理每層根系干重均顯著高于S15和S0，S35處理比S15處理根系干重分別增加8.53%、176.34%、103.14%、132.67%、180.75%；比S0處理分別增加49.13%、378.95%、565.69%、884.99%、705.43%。

不同深松深度下玉米根長密度隨土壤深度的加深，呈顯著降低趨勢。0～10 cm土層內，與S0比較，S35處理顯著增加了玉米的根長密度，S15變化不大，與S0差異不顯著。10～60 cm各土層內，根長密度則表現為S35>S15>S0，S35處理與S15處理相比，不同土層分別增加18.96%、56.89%、180.77%、135.85%、134.51%，與S0處理相比分別增加109.46%、514.01%、535.28%、692.51%、680.34%（圖5）。

由表2、表3可以看出，土壤深松耕作不僅顯著促進根系總量大量增加，還促進根系向下層土壤生長，提高下層根系的比例。不同深松處理0～10 cm土層單株根系干重占總干重的比例表現為

S0>S15>S35，10～20 cm根系干重占總干重的比例表現為S15>S35>S0，但是S35與S0差異不大，在20～60 cm土層根系干重占總干重的比例表現為S35>S15>S0。根長密度在不同土

層的分布比例與根系干重呈現相似的規律。表明35 cm深松明顯增加20～60 cm土層的根系，促進玉米根系的下移。

2.6不同深松深度處理玉米根系與氮素吸收效率的關系

由圖6可知，在不同深松處理下根系干重、根長密度與氮素吸收效率均呈顯著線性正相關，但是不同深松處理對氮素吸收效率的響應不同，S35處理氮素吸收效率對根系干重和根長密度的響應度要高于S15、S0處理，這種響應在根長密度上表現更加突出。表明35 cm深松能保持對根系干重和根長密度較高程度的響應。

3討論與結論

玉米根系干重、根系長度與土壤養分的吸收呈顯著相關性，即隨著根系干重與根長的增加，土壤中養分吸收利用效率與玉米產量均顯著增加[13]。宋日等（2000）[14]研究表明，深松可以打破犁底層，促使根系下移，顯著提高玉米生長后期的根系抗逆性和根系活力，增加千粒重，進而提高玉米產量。在本試驗中35 cm深松顯著提高下層根量以及下層土壤中根系的分配比例，從而增加穗粒數和千粒重，進而提高籽粒產量。深松增加根系重量、根體積及根表面積，提高深層根系的活力及根重[15]。

米國華等（2010）[1]也提出玉米氮高效吸收的理想株型假設：根系下扎能力強、后期分布較多、根系活力強；高氮投入下仍能保持正常的側根生長，提高氮素的有效性；側根對局部硝酸鹽的響應能力強。玉米根系向深層土壤擴展有利于深層土壤中水分養分的吸收，而且深層土壤環境相對穩定，對根系生長、延緩衰老有重要作用，這樣利于根系對地上部養分的供給[8]。但是玉米向深層土壤中的伸長又受到下層土壤的阻礙作用，深松可以打破土壤堅硬的犁底層，促進根系向下層土壤的擴展，進而提高對深層土壤的吸收利用效率[16]。王新兵等（2014）[17]研究表明條帶深松能夠改善根系的空間分布，提高深層根系的容納量，減弱上層根系的擁擠程度，提高對下層養分的吸收。本試驗結果顯示，35 cm深松比15 cm深松和不深松顯著增加下層根系的數量及其分配比例，提高氮素的吸收效率，尤其是提高花后的氮素吸收效率，顯著提高養分利用率。

根系主要從土壤中吸收水分、養分，冠層將吸收上來的營養物質合成碳水化合物，根冠之間協調進行，構成整體結構和功能來滿足植株生長[18]。本試驗發現35 cm深松不僅增加深層根系數量，還顯著提高葉面積指數、增加花后單株生物量，這樣促進根系吸收的養分更多轉化成光合產物，提高生物量積累進而提高玉米產量。

總之，35 cm深松處理打破了土壤的犁底層，增加深層根系數量及分配比例，使之有較高的葉面積指數、較多的單株干物質積累量，促進養分的吸收利用，提高養分利用效率，為籽粒的建成打下良好基礎，所以35 cm深松增產效果最明顯。

參考文獻：

[1]米國華，陳范駿，吳秋平，等.玉米高效吸收氮素的理想根構型[J]. 中國科學（生命科學）， 2010， 40（12）：1112-1116.

[2]Mackay A D， Barber S A. Effect of nitrogen on root growth of two corn genotypes in the field[J]. Agron. J.， 1986， 77：699-703.

[3]李運生，王菱，劉士平，等. 土壤-根系界面水分調控措施對冬小麥根系和產量的影響[J]. 生態學報， 2002， 22（10）： 1680-1687.

[4]Lynch J P. Root phenes for enhanced soil exploration and phosphorus acquisition： tools for future crops[J]. Plant Physiology， 2011， 156（3）： 1041-1049.

[5]Lynch J P. Turner review No. 14. Roots of the second green revolution[J]. Australian Journal of Botany， 2007， 55（5）： 493-512.

[6]Pagès L. Links between root developmental traits and foraging performance[J]. Plant， Cell and Environment， 2011， 34： 1749-1760.

[7]Smith D M， Jackson N A， Roberts J M， et al. Root distributions in a Grevillea robusta-maize agroforestry system in semi-arid Kenya[J]. Plant and Soil， 1999， 211（2）： 191-205.

[8]王空軍，鄭洪建，劉開昌，等. 我國玉米品種更替過程中根系時空分布特性的演變[J]. 植物生態學報， 2001，25（4）：472-475.

[9]王志剛.超高產春玉米根冠結構、功能特性與農藝節水補償機制研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2009.

[10]Sasal M C， Andriulo A E， Taboada M A. Soil porosity characteristics and water movement under zero tillage in silty soils in Argentinian Pampas[J].Soil Till Res.， 2006， 87： 9-18.

[11]Motavalli P P， Stevens W E， Hartwig G. Remediation of subsoil compaction and compaction effects on corn N availability by deep tillage and application of poultry manure in a sandy-textured soil[J]. Soil Till Res.， 2003， 71： 121-131.

[12]Xu D， Mermoud A. Topsoil properties as affected by tillage prac-tices in North China[J]. Soil Till Res.， 2001， 60：11-19.

[13]慕自新，張歲岐，郝文芳，等.玉米根系形態性狀和空間分布對水分利用效率的調控[J].生態學報，2005，25（11）：2895-2900.

[14]宋日，吳春勝，牟金明，等.深松土對玉米根系生長發育的影響[J].吉林農業大學學報，2000，22（4）：73-75，80.

[15]于曉芳，高聚林，葉君，等.深松及氮肥深施對超高產春玉米根系生長、產量及氮肥利用效率的影響[J].玉米科學，2013，21（1）：114-119.

[16]Sen H S. Problem soils in India and their management： prospect and retrospect[J]. Journal of the Indian Society of Soil Science， 2003， 51（4）： 388-408.

[17]王新兵，侯海鵬，周寶元，等.條帶深松對不同密度玉米群體根系空間分布的調節效應[J]. 作物學報， 2014， 40（12）： 2136-2148.

[18]宋海星，李生秀.玉米生長空間對根系吸收特性的影響[J]. 中國農業科學， 2003， 36（8）： 899-904.