水氮對根箱種植冬小麥根系生長及產量的影響

姜麗娜　齊冰玉　徐光武

摘要：根箱種植條件下，探討不同水氮施用量對冬小麥根系生長及產量的影響。結果表明，根質量密度在拔節期表現為N2最高，較N0、N1處理分別提高37.95%、5.74%；在抽穗期表現為N1>N0>N2；灌漿期根質量密度表現為充分灌水處理（W1）大于水分虧缺處理（W0），其中充分灌水處理下，N1處理根質量密度顯著高于N0、N2。根質量密度主要分布在0～10 cm的土壤中。隨著土壤深度的增加，根質量密度逐漸降低，根箱條件下，部分處理在30～40 cm有小幅回升。隨著生育時期的推進，根冠比逐漸下降，并在灌漿期達到最低。根冠比隨著施氮量的增加而降低。灌漿期N1、N2處理下，充分灌水（W1）根冠比較水分虧缺（W0）分別增加1.62%、13.87%。在同一水分處理下，隨著施氮量的增加，產量呈現出先升高后降低的趨勢，且充分灌水（W1）高于水分虧缺（W0），以N1W1處理的產量最高。因此，適量的增施氮肥以及充分的灌水能夠增加冬小麥的根質量密度，增加地上部的光合產物，從而提高產量。

關鍵詞：冬小麥；水氮施用；根質量密度；根冠比

中圖分類號： S512.106文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）14-0042-04

植物根系的主要作用是吸收水分和肥料，與植株地上部生長密切相關，并在植物-土壤生態系統中扮演重要角色[1-2]。根系的空間分布決定其對水分和肥料的吸收能力[3]。適宜的水氮運籌措施可以調節根系生長[4-5]，促進產量和水氮利用效率的提高，還可避免造成地下水污染[6-7]。灌水影響土壤水分含量，進而影響根的生長。研究表明，適當的土壤水分能顯著增加植株根的長度和密度[8]，干旱條件下根系N、P積累量減少[9-11]，根系總生物量減少，但是深層土壤中根系量增加，有利于吸收深層土壤中的水分和養分[12]。適量施肥促進了根系在土壤中的延伸和分布，有利于其對水分和養分的吸收[13-14]。干旱條件下施肥能夠促進小麥植株早期生長，使根系迅速下扎，有利于植株在早期吸收深層土壤水分；但是過量養分施入抑制根系下扎，減少了其對硝態氮的吸收[15-16]。適宜的根冠比，能夠保證作物正常生長。根冠比較低會限制作物生長，而根冠比過高會導致過多的同化物在根[CM（25]部被消耗，從而影響產量[17]。田間試驗條件下，施入土壤中的水分和氮肥存在下滲及徑流等損失。以根箱進行小麥種植，既能夠避免水氮的損失，也為根系的觀察和取樣提供了方便。本研究在根箱種植條件下，設置不同的水分和氮肥施用量處理，研究其對小麥根系分布以及根系與地上部之間關系的影響，以期為小麥高產高效水氮運籌提供理論參考。

[BT1#]1材料與方法

1.1試驗設計

試驗于2014—2015年在中國農業科學院新鄉綜合試驗基地（113°45′E、35°09′N）進行。供試品種為矮抗58（由河南科技學院小麥中心提供）。

試驗采用根箱（內徑110 cm×50 cm×60 cm）種植，隨機區組試驗設計，水分處理為充分供水（W1）和水分調虧（W0），灌水時間及灌水量見表1。氮肥處理為3個水平，在底施氮肥0、150、240 kg/hm2的基礎上，隨拔節期灌水追施氮肥 90 kg/hm2，分別以N0、N1、N2表示。2014年10月23日播種，根據根箱尺寸，縱向6行等行距（20 cm）播種，播量以基本苗450萬/hm2計，每個處理重復4次。冬小麥播種前底墑充足，田間管理按照高產田標準進行。2015年6月2日收獲。

1.2樣品采集

分別于拔節期（2015年3月30日）、抽穗期（2015年4月16日）和灌漿期（2015年5月12日）進行地上部取樣和根鉆取土（0～40 cm）。將土壤樣品置入100目尼龍網中進行清洗，分離出根系。地上部樣品和根系樣品分別烘干后稱質量。

1.3數據分析

運用SPSS 17.0對數據進行統計分析。采用Duncans法進行多重比較。

2結果與分析

2.1根質量密度

冬小麥的根系干質量是根系生長狀況的集中體現，是衡量冬小麥根系發達程度的重要指標。由表2可以看出，小麥根質量密度表現為抽穗期>拔節期>灌漿期。拔節期，N1、N2處理根質量密度顯著高于N0，其中N2最高，較N0、N1處理分別提高37.95%和5.74%。抽穗期，各處理根質量密度表現為N1>N0>N2，N1處理較N0、N2處理高8.70%、1819%，表明拔節期追氮有利于根系生長，但高的氮肥水平對根系生長產生了抑制。灌漿期，根質量密度表現為W1高于W0，表明充足的水分能夠促進冬小麥根系的生長。其中W1處理下，N1顯著高于N0和N2，表明在水分充足的條件下，適量氮肥供應可以使冬小麥在生育后期有較高水平的根系生物量。

由圖1可知，3個時期小麥根質量密度主要分布在0～10 cm 的土壤中。隨著土壤深度的增加，根質量密度逐漸降低，與20～30 cm土層相比，部分處理底層30～40 cm根質量密度有小幅回升，這主要是由于根箱深度的限制，使得下扎的根系堆積在根箱的底層而致。

[FK（W11][TPJLN1.tif][FK）]

[FL（2K2]根質量密度的空間分布隨生育時期的推進，其變化不完全一致。拔節期，N0處理0～10 cm土壤中的根質量密度占57.70%，低于N1、N2處理，這與N0處理無底氮施入，表現為抑制根系生長有關。進入抽穗期后，0～10 cm土層根質量密度較拔節期有所提高，其中N0處理0～10 cm土層的根質量密度由于拔節期追氮表現為迅速增加，超越了過量施氮的N2處理；此期，0～10 cm土層的根質量密度以N1處理最高，達到1 416.6 g/m3，所占比例達到67.06%。灌漿期，0～10 cm土層中根質量密度迅速下降。其中N1處理0～10 cm土層根質量密度比例最低，僅為44.42%。從灌水處理來看，0～10 cm 土層根質量密度表現出充分灌水處理（W1）大于水分虧缺處理（W0）。

隨著生育時期的推進，10～20 cm土層根質量密度的變化趨勢與0～10 cm土層基本一致，均先增加后降低，于抽穗期達到最高。在拔節期，10～20 cm土層根質量密度表現為N2>N1>N0；進入抽穗期后，10～20 cm土層根質量密度表現為N1處理根質量密度低于N0、N2；灌漿期10～20 cm土層的根質量密度均迅速下降，各處理間表現為N1W1處理根質量密度最高。20～30 cm與30～40 cm土層根質量密度變化趨勢基本一致。拔節期到抽穗期，深層土壤（20～40 cm）根質量密度占整個土層的比例均以N0處理表現最高，說明施加氮肥使根系主要集中在上層；灌漿期20～40 cm土層的根質量密度所占比例表現為N0W0>N0W1，而N1、N2處理下不同水分處理間差異較小。

2.2根冠比

由表3可知，隨著生育時期的推進，地下部根系和地上部的比值逐漸下降，并在灌漿期達到最小。隨著冬小麥的生長和發展，地下部根系和地上部冠層的干物質分配呈現出相反的結果，即分配到地下部根系的干物質比例逐漸降低，地上部干物質占總干質量的比例逐漸增加。拔節期干物質在根系的分配比例為27.11%～30.13%，之后光合產物向根系的分配比例明顯降低，均不足15%，而地上部干物質的比例則明顯增加。這說明拔節期以后是以地上部干物質的積累為主。

水氮處理影響冬小麥的根冠比例。在拔節期和抽穗期，根冠比隨著施氮量的增加而降低。與N0處理相比，拔節期和抽穗期N1、N2處理的根冠比分別降低13.75%、13.43%和25.29%、40.41%。這說明增施氮肥有利于中后期光合產物向地上部轉運。灌漿期相同水分處理下，根冠比同樣隨著施氮量的增加而降低；水分虧缺條件下，相較于N0處理，N1、N2的根冠比分別降低17.05%、28.16%；充分灌水條件下根冠比降低緩慢，分別降低了4.14%、6.97%。灌漿期N1、N2處理下，充分灌水（W1）處理的根冠比較水分虧缺（W0）分別增加了1.62%和13.87%。由此可以看出，充分灌水以及降低施氮量能夠增大根冠比，這說明植株地上部的生長受到水氮的影響要大于根系。

由表4可知，水氮調控對小麥穗粒數的影響較小。N2W1處理下穗粒數最多，而N0W1處理最少。其中，N0W1、N1W0處理的穗粒數顯著低于N2W1處理，其他各處理間無顯著差異。充分供水條件下，隨著施氮量的增加，穗粒數呈現遞增趨勢，說明增施氮肥能夠增加單穗粒數，有利于提高產量。在同一施氮量下，除N0外，均表現為W0

由表4可知，千粒質量以N0W1最高，N1W0最低。在同一水分處理下，隨著施氮量的增加，各處理的千粒質量呈現先降低后增加的趨勢，且差異顯著。在同一施氮量下，充分灌水（W1）千粒質量顯著高于水分虧缺（W0），說明適量的灌水亦能夠增加小麥的千粒質量。

在同一水分處理下，隨著施氮量的增加，產量呈現先增加后降低的趨勢，充分灌水（W1）均高于水分虧缺（W0），其中N1W1處理產量最高。在同一水分處理下，產量表現為N2

3討論

目前，已有研究表明施氮能夠顯著影響冬小麥根系的生長和發展。武榮等研究表明，當灌水量相同時，適當增加施氮量（150 kg/hm2）能促進冬小麥根系生長，但施氮量過高時（300 kg/hm2）又會抑制冬小麥根系生長[17]。Wang等研究表明，在兩水灌溉下，180 kg/hm2的施氮量能顯著促進根系生長并獲得最大的根質量密度；與無水條件比較，灌兩水處理下根質量密度較無水條件顯著增加[18]。本研究在根箱種植條件下進行，研究結果表明抽穗期和灌漿期充分灌水處理下，根質量密度均表現N1>N0>N2，其中N1分別較N0、N2處理高8.70%、18.19%（抽穗期）和9.11%、14.07%（灌漿期），且充分灌水處理（W1）大于水分虧缺處理（W0）。

根系在不同土層分布差異較大，且隨土層增加而減少，根系主要分布在耕作層（0～20 cm），增施氮肥促進總根量增加，并使根系垂直分布遞減率增大，表層根量增加，深層根量減少[19]。本研究中，與20～30 cm土層相比，部分處理30～40 cm土層中根質量密度略有回升，可能與根箱深度的限制有關。有研究表明，水分虧缺導致了根系向深層土壤生長或土壤表層側根數量的增加以吸收更多的水[11]。本研究中，灌漿期10～30 cm土層中根質量密度所占比例表現為 N0W0>N0W1，N1、N2處理下不同的水分處理間差異較小。這說明水氮互作對小麥根系的生長起到了互補效果，氮肥的施用可以平衡水分虧缺的不利影響。土壤中的N、P含量高時，對根系生長是有利的，但對比地上部的生長來說還是很慢，這也降低了根冠比（R/S）[20]。本研究結果表明，不同處理間的根冠比隨著施氮量的增加而降低，充分灌水處理（除N0處理外）的根冠比高于水分虧缺處理。這可能是由于水分促使龐大根系的建成，從而消耗較多的同化物，使根質量增加，冠質量降低。

水分和養分是作物增產的決定性因素[21-23]，水分供應不足是小麥產量的主要限制因子，而養分特別是氮素供應不足又在很大程度上限制了水分作用的發揮[24-26]。適量補水和施肥可以增加土壤貯水量，提高小麥抗旱能力和產量。本研究結果表明，在同一水分處理條件下，隨著施氮量的增加，產量呈現先上升后下降的趨勢，充分灌水處理產量顯著高于水分虧缺處理，以N1W1處理產量最高。因此，適當增施氮肥以及充分灌水能夠促進冬小麥的根系生長，有利于根系對水分和肥料的吸收，增加地上部的光合產物，從而提高產量。在農業生產上，可以優化水氮供應，協調冬小麥地上部和地下部的生長，以獲得高的產量。本研究是在根箱條件下進行的，根箱種植能夠盡量真實地反映田間種植植株-土壤的特性，并具有根系觀察的直觀性和取樣的便捷性，可利用根箱種植結合田間試驗，進一步研究水氮調控對小麥根系生長的影響。

參考文獻：

[1]Zhang X Y，Chen S Y，Sun H Y，et al. Root size，distribution and soil water depletion as affected by cultivars and environmental factors[J]. Field Crops Research，2009，114（1）：75-83.

[2]馬冬云，郭天財，朱云集，等. 不同穗型冬小麥品種根系時空分布特征及其碳氮代謝的研究[J]. 西北植物學報，2006，26（4）：778-783.

[3]梁銀麗. 土壤水分和氮磷營養對冬小麥根系生長及水分利用的調節[J]. 生態學報，1996，16（3）：258-264.

[4]李巧珍，郭家選，徐春英，等. 水肥調控措施對華北農田土壤水分及冬小麥產量的影響[J]. 麥類作物學報，2014，34（3）：372-379.

[5]付雪麗，王晨陽，郭天財，等. 水氮互作對小麥籽粒蛋白質、淀粉含量及其組分的影響[J]. 應用生態學報，2008，19（2）：317-322.

[6]Li Q Q，Dong B D，Qiao Y Z，et al. Root growth，available soil water，and water-use efficiency of winter wheat under different irrigation regimes applied at different growth stages in North China[J]. Agricultural Water Management，2010，97（10）：1676-1682.

[7]劉坤，陳新平，張福鎖. 不同灌溉策略下冬小麥根系的分布與水分養分的空間有效性[J]. 土壤學報，2003，40（5）：697-703.

[8]Misra R K，Chaudhary T N. Effect of a limited water input on root growth，water use and grain yield of wheat[J]. Field Crops Research，1985，10：125-134.

[9]趙廣才，劉利華，張艷，等. 肥料運籌對超高產小麥群體質量、根系分布、產量和品質的效應[J]. 華北農學報，2002，17（4）：82-87.

[10]薛麗華，段俊杰，王志敏，等. 不同水分條件對冬小麥根系時空分布、土壤水利用和產量的影響[J]. 生態學報，2010，30（19）：5296-5305.

[11]楊書運，嚴平，梅雪英，等. 土壤水分虧缺對冬小麥根系的影響[J]. 麥類作物學報，2007，27（2）：309-313.

[12]Wang F H，Wang X Q，Sayre K. Comparison of conventional，flood irrigated，flat planting with furrow irrigated，raised bed planting for winter wheat in China[J]. Field Crops Research，2004，87（1）：35-42.

[13]王永華. 不同栽培管理模式下冬小麥根群構建與水氮利用及產量的關系研究[D]. 鄭州：河南農業大學，2014.

[14]Wang B，Lai T，Huang Q W，et al. Effect of N fertilizers on root growth and endogenous hormones in strawberry[J]. Pedosphere，2009，19（1）：86-95.

[15]Vamerali T，Ganis A，Bona S，et al. Fibrous root turnover and growth in sugar beet（Beta vulgaris var. saccharifera）as affected by nitrogen shortage[J]. Plants and Soil，2003，255：169-177.

[16]López-Bellido L，López-Bellido R J，Redondo R. Nitrogen efficiency in wheat under rainfed Mediterranean conditions as affected by split nitrogen application[J]. Field Crops Research，2005，94（1）：86-97.

[17]武榮，李援農. 水氮耦合對冬小麥根系分布和根冠比及產量的影響[J]. 南方農業學報，2013，44（6）：963-967.

[18]Wang C Y，Liu W X，Li Q X，et al. Effects of different irrigation and nitrogen regimes on root growth and its correlation with above-ground plant parts in high-yielding wheat under field conditions[J]. Field Crops Research，2014，165：138-149.

[19]邱喜陽，王晨陽，王彥麗，等. 施氮量對冬小麥根系生長分布及產量的影響[J]. 西北農業學報，2012，21（1）：53-58.

[20]王艷哲，劉秀位，孫宏勇，等. 水氮調控對冬小麥根冠比和水分利用效率的影響研究[J]. 中國生態農業學報，2013，21（3）：282-289.

[21]朱偉，沙正芹，郭靜，等. 拔節孕穗肥對冬小麥產量相關性狀及不同粒位的影響[J]. 江蘇農業科學，2015，43（10）：99-102.

[22]尹寶重，李海燕，馬燕會，等. 黑龍港區春季減灌對不同小麥品種產量和水肥利用的影響[J]. 江蘇農業科學，2015，43（3）：63-65.

[23]張卓亞，王曉琳，許曉明，等. 腐殖酸對小麥揚花期水分利用效率及灌漿進程的影響[J]. 江蘇農業學報，2015，31（4）：725-731.

[24]Garabet S，Ryan J，Wood M. Nitrogen and water effects on wheat yield in a Mediterranean-type climate. Ⅱ. Fertilizer-use efficiency with labelled nitrogen[J]. Field Crops Research，1998，58（3）：213-221.

[25]郭天財，馮偉，趙會杰，等. 水氮運籌對干旱年型冬小麥旗葉生理性狀及產量的交互效應[J]. 應用生態學報，2004，15（3）：453-457.

[26]葛道闊，曹宏鑫，馬曉群，等. 基于作物生長模型的小麥旱澇敏感性分析與損失評估[J]. 江蘇農業學報，2016，32（6）：1302-1309.