玉米根系發(fā)育與抗旱栽培的研究

摘要：東北、華北是我國玉米的主要種植區(qū)域，干旱是限制玉米產(chǎn)量的主要因素之一，而根系作為水分的直接感應(yīng)器官，起到向玉米地上部供應(yīng)水分和養(yǎng)分的作用，因此，根系發(fā)展狀況直接影響了玉米產(chǎn)量。本文旨在討論干旱環(huán)境下，通過栽培方式穩(wěn)定玉米根系在土壤中的活力和生長條件，減小干旱對玉米根系的損傷，為穩(wěn)定玉米產(chǎn)量提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：玉米;根系;抗旱;研究

中圖分類號： S513? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：? A ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI編號：? ?10.14025/j.cnki.jlny.2019.22.018

根系是玉米吸收土壤水分最主要的器官，根系的生長狀態(tài)直接決定作物的長勢及產(chǎn)量。我國玉米種植區(qū)域廣泛的華北、東北部普遍存在苗期干旱，生育周期內(nèi)水分供給不足的現(xiàn)象，可以對玉米根系在干旱脅迫下變化的外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部生理性狀加以利用，從栽培手段方面促進玉米根系的發(fā)育及強其對水分脅迫的抗性，對提高玉米產(chǎn)量具有重要意義。

1 干旱對玉米根系發(fā)育狀況的影響

1.1干旱對玉米根系生長狀況的影響

干旱是限制玉米產(chǎn)量發(fā)展的重要因素之一。玉米作為氣生根的代表型植物，其根系在強化支撐植株的同時，更重要的是向地上部分轉(zhuǎn)運土壤中的水分及營養(yǎng)物質(zhì)，其根系的發(fā)育情況與玉米產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。玉米對水分反應(yīng)敏感，在水分供給不足時，玉米根生長速度放慢、生物量下降、根冠比增加，地下部生長速度高于地上部生長速度，這是由于在干旱環(huán)境內(nèi)，玉米會再分配水分和營養(yǎng)物質(zhì)，優(yōu)先供給地下部根系，確保根系的正常生長，為后期干旱情況緩解而迅速恢復(fù)生長奠定基礎(chǔ)。玉米在前期生長較為緩慢，尤其是在水分不足的情況下，玉米根重、根體積與土壤干旱程度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在輕中度干旱環(huán)境內(nèi)，玉米的發(fā)育會以地下部根系生長為中心，一方面需要加強根系的固定吸收能力，另一方面要鍛煉脅迫條件下的應(yīng)激能力，以減少玉米后期生長遇到的干旱災(zāi)害，從而為玉米發(fā)育創(chuàng)造相對良好的環(huán)境基礎(chǔ)。在干旱條件下，玉米拔節(jié)期、抽雄期和開花期的根冠比及根系活躍吸收面積都有所增加，在一定程度上提高了玉米抵抗干旱的能力。因此，玉米生育期內(nèi)所遇到的干旱脅迫，會通過改變其根系結(jié)構(gòu)和生理功能進行調(diào)節(jié)，以最大程度的適應(yīng)干旱環(huán)境，加強脅迫后作物生長的恢復(fù)能力，降低水分缺失造成的影響。

1.2 干旱對玉米根系生理生化的影響

玉米根系在干旱環(huán)境下，會發(fā)生根部性狀生理生化上的變化，其自身會分泌一些物質(zhì)以平衡水分缺失條件下根部的滲透壓，增加滲透物是植物體對干旱的應(yīng)激機制，從而抵御傷害，維護植物體正常的生長環(huán)境。水分脅迫下玉米根系所分泌的滲透物質(zhì)主要有無機離子以及具有調(diào)節(jié)功能的有機物兩類，如鉀離子、鈣離子、脯氨酸和活性氧等。干旱環(huán)境內(nèi)，玉米根系中積累了大量的活性氧，降低了根系活力，造成玉米根系結(jié)構(gòu)損傷，如活性氧過度在根系中積累且不及時清除，會產(chǎn)生變性蛋白、膜質(zhì)類物質(zhì)過氧化，使根部功能喪失，降低產(chǎn)量甚至會導(dǎo)致植株死亡。研究表明，玉米根系在干旱脅迫下大量積累丙二醛，使膜質(zhì)類相關(guān)蛋白發(fā)生過氧化反應(yīng)，加大了膜與膜之間的間隙，進一步增加了細胞膜的透性，直接導(dǎo)致了玉米根系受損。

2 提高玉米根系抗旱性的方式

2.1 利用深松耕作和分層施肥促進玉米根系發(fā)育

玉米根系發(fā)達并集中分布于距地表50厘米內(nèi)的耕層中，傳統(tǒng)的淺旋耕作方式，使犁底層越來越厚并逐漸上移，使得可利用的土壤耕作層越來越少，尤其在干旱環(huán)境下，土壤透氣性差，保水能力下降。堅硬的犁底層更嚴重地限制了玉米根系從土壤中吸收水分，阻礙了玉米根系穩(wěn)定扎根并向下生長;干旱土壤中氮素以硝態(tài)氮的形式最易被玉米根系吸收，但會隨水分的缺失而下沉出根層之下。因此，采取深松分層施肥的方式相比于淺耕一體化施肥，能夠顯著提高玉米根系指標。深松深度約為25～30厘米，氮、磷、鉀肥分兩層施入，上層肥料深度為5～15厘米，下層肥料深度為15～25厘米。深松耕作能夠提高深層土壤中的含水量，顯著降低地表層的土壤容重，大大地降低了土壤板結(jié)率，增加了土壤透氣透水性，最大程度地提高了干旱環(huán)境下玉米根系對水分的吸收率，而肥料深施更能為玉米根系創(chuàng)造一個集生物、物理、化學優(yōu)勢三維生長空間，促進玉米根系向地下部生長，提高玉米根系在土壤中的扎根能力，增加根長、根部生物量，進一步增強在干旱環(huán)境下光合作用產(chǎn)物向地上部的轉(zhuǎn)移，極大地緩解了土壤干旱對玉米根系的損傷，為穩(wěn)定玉米產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

2.2 利用新型納米材料促進玉米根系發(fā)育

納米材料指的是在三維空間中大于等于一維處于1～100納米范圍內(nèi)的材料，共可以分四個維級，其中，碳納米材料的研究應(yīng)用最為廣泛，碳納米是有一維及以上分散相尺度，并且小于100納米的碳材料，具有十分獨特的理化性質(zhì)。很多生物學家在研究中發(fā)現(xiàn)碳納米材料富勒烯能夠促進植物根系延長，增加根部生物量。在干旱環(huán)境內(nèi)，活性氧大量在玉米根尖產(chǎn)生，并作為逆境信號參與根系的發(fā)展，富勒烯提高玉米根系抗旱性的作用機制是，有效地清除了在水分脅迫條件下玉米根部的活性氧，從而為根部創(chuàng)造一個良好的生長環(huán)境，進而提高抗旱性。用一定濃度浸泡后的玉米種子，具有快速萌發(fā)的現(xiàn)象。在水分脅迫對比試驗中，利用富勒烯處理后的玉米根長、根重等指標顯著高于對照組，富勒烯處理后的玉米幼苗根系發(fā)育狀況顯著優(yōu)于對照組。因此，將碳納米材料富勒烯應(yīng)用于玉米苗期抗旱工作中，可有效清除玉米根系在缺水條件下的活性氧，激發(fā)玉米應(yīng)激反應(yīng)，維持根部的生長環(huán)境，保證玉米產(chǎn)量。

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作者簡介：劉勵蔚，碩士，初級農(nóng)藝師，研究方向：玉米育種。