抗重茬菌劑和雙氰胺對華北夏玉米節根特性的影響

李瑞霞 ，霍艷麗，李洪杰，高悅，劉宏元，楊正禮*，張愛平

1. 河北經貿大學旅游學院，河北 石家莊 050061；2. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 10081；3. 河北北方學院，河北 張家口 075000；4. 山東省德州市農業科學院，山東 德州 253015

華北平原是中國重要的糧食產區，該地種植制度以冬小麥Triticum aestivum -夏玉米Zea mays輪作體系為主，在保障中國糧食安全和農業可持續發展中占有重要地位。目前過量或不合理氮肥施用引起的農業面源污染（Zhou et al.，2014）、土壤酸化和土傳病害等問題越來越嚴重，制約了華北平原農業的可持續發展。前人研究表明，抗重茬菌劑是解決病蟲害問題的經濟而有效的方法，在馬鈴薯Solanum tuberosum、草莓Fragaria ananassa、花生Arachis hypogaea和西瓜Citrullus lanatus等作物中得到印證（張春強等，2010；韓濤等，2014；劉洋等，2015；張幸果等，2016），但在大田作物上應用較少。通過適量硝化抑制劑與氮素配施延緩銨態氮向硝態氮轉化，提高氮肥利用效率和作物產量（徐星凱等，2000；陳利軍等，2002；焦曉光等，2004；王雪薇等，2017；Liu et al.，2013；Peng et al.，2017），其對減少硝態氮的淋溶損失，防止氮肥面源污染（楊春霞等，2005；Cui et al.，2011；Peng et al.，2017），以及調節硝酸鹽在植物體內的累積具有良好效果（伍少福等，2006）。其中，雙氰胺是一種應用比較廣泛的硝化抑制劑（Neeteson，1995）。

玉米根是須根系，由胚根和節根組成，其中節根又分為地上節根（氣生根）和地下節根（次生根），由于分枝多、根毛密、根量大、功能期長，須根系是玉米的主要根系（Pellerin et al.，2000），在抗倒伏、水分和營養物質吸收中起著重要作用（Hochholdinger et al.，2009），增加節根數量可以提高作物養分效率或產量（王玉貞等，1999）。也有研究表明，作物產量與根系生長量密切相關（王玉貞等，1999）。以往研究大多關注于硝化抑制劑和抗重茬微生物菌劑在提升作物氮利用效率和作物產量方面的作用，而對作物根系特性的影響鮮見報道。本研究擬通過在田間試驗條件下，探討氮肥配施抗重茬微生物菌劑/雙氰胺對華北平原夏玉米節根生長特性的影響，以期為制定農田面源污染控制和夏玉米高產高效生產措施提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗點位于山東省德州市黃河涯鎮德州市現代農業科技園試驗基地（37°21′14′N，116°20′3′E），本區屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫12.90 ℃，年平均降水量 547.50 mm，多集中在 6—8月份。土壤類型為砂壤土，堿解氮26.56 mg·kg-1，速效磷 34.27 mg·kg-1，速效鉀 106 mg·kg-1，有機質13.17 g·kg-1，pH值8.54，土壤各項理化指標的測定方法參見《土壤農業化學分析方法》（魯如坤，2000）和《分析測試方法》（徐靜安等，2000）。

1.2 田間試驗設計

試驗采用隨機區組設計，共設3個處理：常規施肥（CK），常規施肥+抗重茬微生物菌劑（T1）和常規施肥+雙氰胺（T2），每個處理3次重復。供試玉米品種為魯寧184，種植密度75000 plant·hm-2，行距60 cm。2016年6月27日播種，10月9號收獲。各處理夏玉米季施氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）分別為255、45和60 kg·hm-2，磷肥（過磷酸鈣）和鉀肥（硫酸鉀）于播種前一次性施入，其中氮肥（尿素）按照基肥和拔節期追肥6∶4比例施入，灌溉、除草和噴藥等措施同常規田間管理。

試驗所用硝化抑制劑為雙氰胺，由天津市大茂化學試劑廠生產，用量為10.22 kg·hm-2。抗重茬微生物菌劑為600 kg·hm-2，由北京金禾佳農生物技術有限公司生產，有效成分為防病促生芽胞桿菌、木霉菌等高效微生物，每克菌劑有效活菌數量高于 2億。兩種土壤改良劑于夏玉米播種前撒施于土壤表面，然后翻耕后播種。

1.3 根系取樣和掃描分析

在夏玉米拔節期，在小區中間部位隨機選取 5株長勢均勻一致的玉米植株，采用土壤剖面挖根法，以莖桿為中心，以1/2株距為寬，1/2行距為長，挖取0～20 cm土層根系，用水沖洗干凈，置于-4 ℃冷藏箱保存，按照玉米節根生長部位分為地下節根和地上節根兩類，計算節根條數，并用WinRHIZO（Pro2005c）根系掃描儀進行掃描。結合 Epson Expression10000 XL圖像掃描系統對根系平均直徑、總根長和總表面積等形態指標進行分析。

1.4 根系氮含量測定

根系掃描結束后，用濾紙包好，在 65 ℃下烘干（48 h）至恒重，用電子天平（±0.0001 g）稱重。將烘干后的根系樣品，先用植物粉碎機（老本行多功能粉碎機 400Y）粉碎再經研磨磨碎（以收集足夠量的細根樣品），過篩（孔徑0.15 mm），用于根系碳氮含量的測定。不同類型根系氮含量采用元素分析儀測定（Vario Element，German Ⅲ）。

1.5 數據處理

采用 SPSS 16.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，Version 16.0）進行方差分析（Duncan檢驗法，差異顯著性水平α=0.05）和相關性（Pearson相關系數）分析，SigmaPlot 12.5軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 兩種土壤調理劑對夏玉米節根形態的影響

由表1可知，與對照處理相比，T1和T2處理均顯著降低了地上節根的總根長，分別降低50.39%和30.34%。兩種土壤改良劑顯著提高了地上節根的平均直徑和生物量，其中 T1、T2處理分別增加25.82%、24.39%和 32.42%、57.32%。地上節根的表面積、根體積和分支數與對照處理無顯著性差異。與對照相比，T1處理顯著降低地下節根根體積23.24%，T2處理顯著提高表面積36.75%和分枝數47.24%。地下節根的總根長、平均直徑和生物量與對照處理相比差異不顯著。

2.2 兩種土壤調理劑對夏玉米節根氮含量的影響

根系是作物吸收、轉化和儲藏營養物質的重要器官，玉米根系氮含量直接影響地上部的生長和玉米產量。由圖1可知，與對照相比，T1和T2均增加節根的氮含量，并且T2處理顯著大于T1處理。在地上節根中T1和T2處理氮含量分別增加17.53%和68.29%，其中僅T2處理達到顯著水平；T1和T2處理地下節根氮含量分別顯著增加了30.79%和36.07%。

2.3 兩種土壤調理劑對夏玉米節根條數的影響

前人研究表明，增加節根數量可以提高作物養分效率或產量（李寧等，2008；Cai et al.，2012），其中地上節根對增強抗倒伏能力具有重要作用（李寧等，2008；Hochholdinger et al.，2009）。與對照相比，T1和T2處理分別顯著增加地上節根9和12條（P<0.05）（圖2），增幅分別為75%和100%；卻對地下節根的數量影響不顯著（P>0.05）。這表明，T1和T2處理均促進夏玉米地上節根發育。

表1 不同處理對夏玉米節根形態和生物量的影響Table 1 Effect of different treatments on maize brace root morphology and biomass

圖1 不同處理對節根氮質量分數的影響Fig. 1 Effect of different treatments on brace root nitrogen content不同處理小寫字母表示差異顯著（P<0.05） Means with different small letters are significantly different at the 0.05 level

2.4 兩種土壤改良劑對土壤基本理化性質的影響

圖2 不同處理對節根數量的影響Fig. 2 Effect of different treatments on brace root number不同處理小寫字母表示差異顯著（P<0.05） Means with different small letters are significantly different at the 0.05 level

由表2可知，3個處理中雙氰胺T2處理的土壤銨態氮含量最高（P<0.05），顯著增加了30.73%；T2處理的土壤速效磷含量最低（P<0.05），顯著降低了33.61%。兩處理顯著提高土壤pH值（P<0.05），而對土壤硝態氮、速效鉀和有機質含量影響不顯著（P>0.05）。

2.5 節根形態、條數和氮含量與土壤養分的相關性分析

由表3可知，地上節根表面積與土壤有機質含量呈顯著負相關（P<0.05）。地上節根的平均直徑與土壤pH值呈顯著正相關。地上節根的氮含量與土壤銨態氮和pH值呈顯著正相關（P<0.05），與土壤速效磷呈極顯著負相關（P<0.01）。地上節根數量與土壤pH值呈極顯著正相關（P<0.01）。

表2 不同施肥處理下土壤養分變化Table 2 Changes of soil nutrient under different treatments

表3 節根生長特性與土壤理化性質的相關性Table 3 Corrections between brace root growth characteristics with soil physical and chemical properties

地下節根總根長與土壤 pH值呈顯著負相關（P<0.05）。地下節根表面積與土壤銨態氮含量呈顯著正相關（P<0.05），與土壤速效磷含量呈顯著負相關（P<0.05）。地下節根分支數與土壤銨態氮含量呈顯著正相關（P<0.05）。地下節根氮含量與土壤pH值呈極顯著正相關（P<0.01）。節根的形態、氮含量和數量與土壤硝態氮和速效鉀含量不存在顯著相關性，這與本試驗中得到的土壤硝態氮和速效鉀含量受處理影響較小有關。

2.6 兩種土壤調理劑對夏玉米產量和產量構成指標的影響

由表4可知，T1處理中單穗粒重、秸稈干質量和產量有降低趨勢，但與對照差異均不顯著（P<0.05）。T2處理有效穗數和秸稈產量均顯著高于對照（P<0.05），分別增加 26.58%和 9.72%；而單穗粒重和產量有降低趨勢，但與對照差異均不顯著（P>0.05）。說明施用抗重茬微生物菌劑可能不利于夏玉米產量的增加，而施用雙氰胺通過增加有效穗數和秸稈干質量提高了氮肥利用效率，對產量的作用不大。

2.7 節根形態、條數和氮含量與產量的相關性分析

由表5可知，夏玉米有效穗數與地上節根表面積呈顯著正相關（P<0.05），與氮含量呈極顯著正相關（P<0.01）；秸稈干質量與地上節根表面積和氮含量呈顯著正相關（P<0.05）。夏玉米有效穗數與地下節根表面積呈極顯著正相關（P<0.01），與分枝數呈顯著正相關（P<0.05）；秸稈干質量與地下節根表面積、根體積和分枝數呈顯著正相關（P<0.05）。可見，拔節期地上節根表面積和氮含量以及地下節根表面積和分枝數是影響夏玉米有效穗數和秸稈干質量的主要因素，對后期產量的影響不明顯。

3 討論

3.1 抗重茬微生物菌劑對玉米節根形態、氮含量和數量的影響

抗重茬微生物菌劑含有多種高效活性微生物，能固定于作物根系周圍并大量繁殖，快速吞噬土壤中的有害菌群，增強根系活力和生根能力，促進作物根系延展，加快根系的生長發育，提高作物產量（張幸果等，2016）。程紅玉等（2012）研究發現，6種抗重茬劑對制種玉米植株生長均有一定的促進作用，能夠提高玉米產量。本研究發現，抗重茬微生物菌劑顯著增加夏玉米地上節根條數、平均直徑和生物量，降低了總根長；同時提高了地下節根的氮含量，降低了根體積。可見，兩類節根生長指標對抗重茬微生物菌劑的響應存在差異。

本研究還發現，抗重茬微生物菌劑顯著提高了土壤pH值，但對土壤其他理化性質影響卻不顯著。土壤酸化不僅導致土壤肥力嚴重下降，而且導致土壤微生物群落發生變化，使得真菌處于優勢，并對土壤有益微生物的生長和活動產生抑制，有利于有害微生物的繁殖。樊小林等（2014）研究發現，香蕉枯萎病危害和土壤pH值呈顯著負相關關系，香蕉枯萎病的危害將隨著土壤pH值的升高而減弱。施用堿性肥料，有利于細菌或放線菌等有益微生物的活動和繁殖（王世強等，2011）。Thfwawn et al.（2004）研究認為，施用微生物土壤改良劑能誘導植物對土傳病原物產生抗病性，減輕一些土傳病原真菌和胞囊線蟲、根結線蟲等對植物造成的危害，提高植物的營養水平使植株健壯，增強植物對病原菌的抗性。相關性分析表明，在抗重茬微生物菌劑處理中，節根的形態、氮含量和根條數僅受土壤pH值的影響。

表4 不同處理下夏玉米產量和產量構成因素Table 4 Summer maize yield and its components in different treatments

表5 節根生長特性與產量和產量構成因素的相關性Table 5 Corrections between brace root growth characteristics with yield and and its components

3.2 硝化抑制劑對玉米節根形態、氮含量和數量的影響

與對照相比，雙氰胺顯著增加地上節根的平均直徑、生物量和數量；顯著增加地下節根表面積和分支數。這與王少先等（2003）研究得出的低劑量雙氰胺（7.5 kg·hm-2和15 kg·hm-2）能顯著增加水稻根系體積，改善根系的吸收性能的結論一致。本研究還發現，雙氰胺顯著增加地上和地下節根的含氮量，這與鄧蘭生等（2007）研究得出的雙氰胺顯著提高了玉米地上部和根系的含氮量的結果一致。施用雙氰胺促進玉米節根的生長，有利于植株從土壤中吸收更多的氮素，減少氮素在土壤中的累積和可能的損失。

雙氰胺延緩銨態氮的硝化速率，使施入土壤中的尿素能較長時間地以銨態氮形態存在，銨態氮是作物可以直接吸收利用的氮素主要形態之一，添加雙氰胺能提高土壤供氮能力。土壤中銨態氮含量高于硝態氮含量，銨態氮供作物吸收利用，減少作物對硝態氮的吸收，降低了氮肥以硝態氮形式淋溶而產生的損失（Cui et al.，2011）。本研究中，雙氰胺使得土壤中銨態氮含量升高30.73%，硝態氮含量則降低6.10%，與王煌平等（2013）、楊春霞等（2007）、劉瑜等（2011）和Yin et al.（2016）研究結論類似。至拔節期（33 d后），土壤中硝態氮含量與對照處理差異不大，但銨態氮含量仍然顯著高于對照，說明添加雙氰胺至少將正常的硝化作用延遲了33 d。雙氰胺施用還能減弱施氮造成的pH下降幅度，在一定程度上減緩了土壤的酸化趨勢，對土壤pH值有一定的緩沖作用，這源于雙氰胺使土壤中銨態氮含量顯著提高，而使硝態氮含量顯著降低。相關性分析表明，在雙氰胺 T2處理中節根的形態、含氮量和數量受土壤銨態氮、有效磷和pH值的影響。

抗重茬微生物菌劑和雙氰胺處理能在一定程度上改善夏玉米根系的生長指標，并且兩類節根的增幅明顯不同，說明夏玉米對抗重茬微生物菌劑和雙氰胺反應不同。抗重茬微生物菌劑和雙氰胺效果受土壤溫度、水分、微生物活性等多種因素的影響，本文是在大田環境條件下取得的初步結果，對于全面分析不同優化施肥模式調控夏玉米節根的生長發育機制，尚需進一步田間試驗進行驗證。

4 結論

（1）抗重茬微生物菌劑顯著提高地上節根直徑、生物量和數量以及地下節根氮含量，對地上節根總根長和地下節根體積產生了明顯的抑制作用。雙氰胺顯著提高地上節根直徑、生物量、氮含量和數量以及地下節根根表面積、分枝數和氮含量，卻抑制了地上節根總根長。

（2）抗重茬微生物菌劑僅顯著提高了土壤 pH值；雙氰胺顯著提高土壤銨態氮含量和pH值，顯著降低土壤速效磷含量。地上節根氮含量、地下節根表面積和分支數與土壤銨態氮和速效磷含量的相關性最為顯著，地上節根直徑、氮含量和數量以及地下節根總根長和氮含量與土壤pH值的相關性達到顯著水平，說明兩類節根的生長指標受土壤理化性質變化的影響存在差異。

（3）夏玉米拔節期地上節根表面積和氮含量與地下節根表面積和分枝數是影響夏玉米有效穗數和秸稈干質量的主要因素，但對后期產量的影響不明顯。抗重茬微生物菌劑和雙氰胺調控節根生長特性，提高了節根的吸收功能，其中地上節根反應更為敏感。綜合比較兩種模式，雙氰胺的效果優于抗重茬微生物菌劑，顯著提高了夏玉米有效穗數和秸稈干質量，但兩種模式對后期產量的影響卻不明顯。

CAI H G, CHEN F J, MI G H, et al. 2012. Mapping QTLS for root system architecture of maize (Zea mays L.) in the field at different stages [J].Theoretical and Applied Genetics, 125(6): 1313-1324.

CUI M, SUN X C, HU C X, et al. 2011. Effective mitigation of nitrate leaching and nitrous oxide emissions in intensive vegetable production systems using a nitrification inhibitor, dicyandiamide [J]. Journal of Soils and Sediments, 11(5): 722-730.

HOCHHOLDINGER F, TUBEMSA R. 2009. Genetic and genomic dissection of maize root development and architecture [J]. Current 0pinion in Plant Biology, 12(2): 172-177.

LIU C, WANG K, ZHENG X. 2013. Effects of nitrification inhibitors (DCD and DMPP) on nitrous oxide emission, crop yield and N uptake in a wheat–maize cropping system [J]. Biogeosci Discuss, doi: 10.5194/bgd-10-711-2013.

NEETESON J J. 1995. Nitrogen management for intensively grown arable crops and field vegetables [C]//Bacon P E. Nitrogen Fertilization in the Environment. New York, USA: Marcel Dekker: 295-326, 129-169.

PELLERIN S, MOLLIER A, PLENET D. 2000. Phosphorus deficiency affects the rate of emergence and number of maize adventitious nodal roots [J]. Agronomy Journal, 92(4): 690-697.

PENG Z P, LIU Y A, LI Y C, et al. 2017. Responses of Nitrogen Utilization and Apparent Nitrogen Loss to Different Control Measures in the Wheat and Maize Rotation System [J]. Frontiers in Plant Science, doi:10.3389/fpls.2017.00160.

THFWAWN K, LARSEN J. 2004. Arbuscular mycorrhizal fungi reduce development of pea root-rot caused by aphanomyces euteices using oospores as pathogen inoculurn [J]. European Journal of Plant Pathology, 110(4): 411-419.

ZHOU M H, KLAUS Butterbach-Bahl. 2014. Assessment of nitrate leaching loss on a yield-scaled basis from maize and wheat cropping systems [J]. Plant and Soil, 374(1-2): 977-991.

YIN M H, 同延安, 韓穩社, 等. 2016. 減氮-秸稈還田及雙氰胺施用對旱地雨養區冬小麥產量和氮平衡的影響[J]. 應用生態學報, 27(11):3593-3599.

陳利軍, 武志杰, 姜勇, 等. 2002. 與氮轉化有關的土壤酶活性對抑制劑施用的響應[J]. 應用生態學報, 13(9): 1099-1103.

程紅玉, 肖占文, 秦嘉海, 等. 2012. 幾種抗重茬劑在制種玉米上的應用效果初探[J]. 種子, 31(10): 97-99.

鄧蘭生, 張承林. 2007. 玉米滴灌栽培條件下尿素與氫醌、雙氰胺配施方法及效果[J]. 植物營養與肥料學報, 13(3): 498-503.

樊小林, 李進. 2014. 堿性肥料調節香蕉園土壤酸度及防控香蕉枯萎病的效果[J]. 植物營養與肥料學報, 20(4): 938-946.

韓濤, 章淑艷. 2014. 生物復合草莓抗重茬劑在草莓上的應用效果[J].河北省科學院學報, 31(1): 57-60.

焦曉光, 梁文舉, 陳利軍, 等. 2004. 脲酶/硝化抑制劑對土壤有效態氮、微生物量氮和小麥氮吸收的影響[J] . 應用生態學報, 15(10): 1903-1906.

李寧, 翟志席, 李建民, 等. 2008. 密度對不同株型的玉米農藝、根系性狀及產量的影響[J]. 玉米科學, 16(5): 98-102.

劉瑜, 串麗敏, 安志裝, 等. 2011. 硝化抑制劑雙氰胺對褐土中尿素轉化的影響[J]. 農業環境科學學報, 30(12): 2496-2502.

劉洋, 陳文釗, 焦玉英. 2015. 抗重茬菌劑對西瓜生長的影響[J]. 中國瓜菜, 28(2): 44-46.

魯如坤. 2000. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京: 中國農業科技出版社:146-149, 181-182, 194-195, 308-312.

王煌平, 張青, 翁伯琦, 等. 2013. 雙氰胺單次配施和連續配施的土壤氮素形態和蔬菜硝酸鹽累積變化[J]. 生態學報, 33(15): 4608-4615.

王少先, 彭克勤, 蕭浪濤, 等. 2003. 雙氰胺對水稻根系及光合特性和經濟性狀的影響[J]. 湖南農業大學學報(自然科學版), 29(1): 18-21.

王世強, 胡長玉, 程東華, 等. 2011. 調節茶園土壤 pH對其土著微生物區系及生理群的影響[J]. 土壤, 43(1): 76-80.

王雪薇, 劉濤, 褚貴新. 2017. 三種硝化抑制劑抑制土壤硝化作用比較及用量研究[J]. 植物營養與肥料學報, 23(1): 54-61.

王玉貞, 李維岳, 尹枝瑞. 1999. 玉米根系與產量關系的研究進展[J]. 吉林農業科學, 24(4): 6-8.

伍少福, 吳良歡, 石其偉. 2006. 硝化抑制劑對降低蔬菜硝酸鹽積累的影響及其影響因素的研究進展[J]. 土壤通報, 37(6): 1236-1241.

徐靜安, 潘振玉. 2000. 分析測試方法[M]. 北京: 化學工業出版社:374-376, 379-382, 389-398, 407-409, 413-415, 444-446.

徐星凱, 周禮愷, OSWALD Van Cleemput. 2000. 脲酶抑制劑/硝化抑制劑對土壤中尿素氮轉化及形態分布的影響[J]. 土壤學報, 37(3):339-345.

楊春霞, 李永梅. 2005. 雙氰胺對不同形態氮在紅壤中轉化的影響[J].生態環境, 14(3): 357-360.

楊春霞, 李永梅. 2007. 雙氰胺對不同質地紅壤中碳酸氫銨的硝化抑制作用研究[J]. 植物營養與肥料學報, 13(6): 1035-1039.

張春強, 彭邵峰. 2010. 馬鈴薯田幾種抗重茬劑效果研究[J]. 山東農業科學, (4): 67-69.

張幸果, 王允, 和小燕. 2016. 施復合微生物肥和抗重茬肥對不同花生品種(系)光合特性、酶活性及產量的影響[J]. 河南農業大學學報,50(6): 726-733.