小麥根長密度和根干重密度對氮肥的響應及其與產量的關系

陳智勇，謝迎新，張陽陽，緱培欣，馬冬云，康國章，王晨陽，郭天財

(河南農業大學/國家小麥工程技術研究中心，河南鄭州 450046)

氮素是小麥生長發育所需的必要營養元素。施用氮肥是小麥生產過程中最重要且容易調控的增產措施，因此農田氮肥施用量長期居高不下[1]。統計表明，2018年世界肥料用量已達1.18×108t，而中國肥料用量高達5.65×107t，其中氮肥用量為2.07×107t[2-3]。目前在我國小麥生產過程中，過量施氮現象普遍存在。這不僅導致經濟效益和氮肥利用率降低[4-5]，也造成土壤、地下水質量下降等環境問題[6-8]。朱兆良等[9]通過對中國782個大田試驗數據總結認為，中國主要作物氮肥利用率僅在35%左右。合理施氮可顯著提高小麥產量[1,8,10]，因而確定合理的氮肥施用量歷來備受科研工作者、種糧大戶及政府主管部門普遍關注。

根系作為小麥吸收營養和水分的主要器官，其生長狀況與小麥產量關系密切。在小麥栽培研究中根系生長發育早已受到科研工作者的重視，但從事小麥根系的研究難度相對較大，導致多年來相關文獻資料相對缺乏。根系生長除與內部遺傳因素有關外，很大程度上還受到如水、肥、熱等外部環境因素的影響[11-13]。施氮可改變小麥根系結構[14-16]，進而引起植株的生長[17]和產量的變化[18]，但不同施氮量下小麥根系生長發育和產量存在差異。輕度缺氮條件下，植株會通過增加根長、根系體積和根冠比改善氮素的供應狀況；嚴重缺氮時植株整體的生長發育都將受到抑制[19-20]。過量施氮可引起小麥植株地上部分過度生長并抑制根系生長及生理活性[21]，進而影響地上部生長和降低氮素利用率[22-23]。然而，在大尺度上施氮對小麥根系生長和產量的影響及其之間關系的研究仍相對較缺乏。基于此，本研究通過查詢近30年來施氮對小麥根系生長和產量影響的文獻資料，試圖總結出適宜于中國主要麥區的合理施氮范圍，揭示氮肥施用與小麥根系生長及產量之間的相互關系，以期為小麥科學施氮提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 數據來源與收集

本研究通過中國知網、維普資訊、萬方數據、谷歌學術、Web of Science等中英文數據庫，采用不同種關鍵詞及其組合(施氮量；小麥根系；氮肥+小麥根系等)對1993-2019年以來我國公開發表的相關文獻進行檢索。文獻篩選原則：(1)排除盆栽、根箱栽培等人工模擬試驗；(2)田間試驗，除施氮量不同外，田間管理與常規農田操作相同；(3)同一施氮試驗發表的多篇文章，僅保留其一；(4)由于在大尺度上分析，除施氮量變化外，忽略不同地區小麥品種、環境等因素的影響。本研究最終獲得施氮處理與中國主要麥區小麥根系生長相關的有效文獻共計53篇，文獻的研究地點分布與我國主要小麥種植區域基本吻合，其肥料種類多為尿素、碳酸氫銨、復合肥，施氮方式為常規基施和追施。

1.2 研究項目

本研究從收集的文獻中獲取的數據包括施氮量、產量、根長密度(root length density，RLD)及根干重密度(root dry weight density，RDWD)。RLD樣本量為1 590組，RDWD樣本量為1 258組，不同施氮量下的產量數據為236組。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2013分別對0～20、 20～40和40～60 cm土層RLD和RDWD數據進行匯總計算和方程擬合，并對不同施氮量下小麥RLD、RDWD與籽粒產量進行相關性分析(Pearson,Two-tailed)，采用ArcGIS 16.0和Sigmaplot 10.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 施氮對小麥根長密度(RLD)的影響

隨著施氮量的增加，在0～60 cm土層，小麥RLD在開花期和成熟期均呈先升后降趨勢，且不同土層的RLD均表現為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，開花期高于成熟期(圖1)。對小麥RLD與施氮量之間進行方程擬合發現， 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和0～60 cm土層的RLD在開花期分別在施氮235、220、220、255 kg·hm-2時達到最大值，在成熟期分別在施氮220、275、225、270 kg·hm-2時達到最大值。

2.2 施氮對小麥根干重密度(RDWD)的影響

與小麥RLD變化規律相似，隨著施氮量的增加，0～60 cm土層小麥RDWD在開花期和成熟期同樣均呈先升后降趨勢，且0～20 cm土層明顯高于20～40和40～60 cm土層，開花期高于成熟期(圖2)。通過方程擬合，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和0～60 cm土層的RDWD在開花期分別在施氮192、208、209和195 kg·hm-2時達到最大值，在成熟期分別在施氮196、212、171和194 kg·hm-2時達到最大值。

2.3 小麥根系生長與產量間的相關性

相關分析(圖3和圖4)表明，在小麥開花期和成熟期，0～60 cm土層的RLD和RDWD與產量間均呈極顯著正相關，而0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層的RLD和RDWD與小麥產量的相關性均不明顯。

通過對中國主要麥區施氮量與小麥籽粒產量關系進行擬合可知，不同地區小麥產量均隨施氮量的增加呈先增后降趨勢，且在施氮量247 kg·hm-2時達到最大值(圖5)，這恰好處于上述小麥根系生長指標達到最大值時的施氮范圍 (171～275 kg·hm-2)。

圖1 不同施氮量下小麥根長密度(RLD)變化特征

圖2 不同施氮量下小麥根干重密度(RDWD)變化特征

3 討 論

植物生長發育所需要的養分和水分主要來源于根系的吸收，但受其根系形態特征(如根重、根長、細根數量等)的影響非常明顯[24-25]，因此植物根系分布特征對土壤水分和養分的吸收起決定作用[26]。通過施氮調節作物根系形態和分布特征、增強小麥根系對養分的吸收能力以及提高小麥籽粒產量的主要技術手段早已在小麥生產中被廣泛應用。其中，根長密度和根干重密度是衡量根系生長狀況的兩個重要指標。增加根長密度可以增大根系表面積，促進根系對營養元素的吸收，而根干重密度是根系生長發育水平的整體表現，反映出了根系發達的不同程度[27-29]。本研究結果顯示，0～60 cm土層小麥根長密度和根干重密度與籽粒產量呈極顯著正相關，表明小麥根長密度和根干重密度與籽粒產量關系密切，土壤中上層根系的良好發育有助于提高小麥籽粒產量，分析其原因可能主要在于土壤上層(0～60 cm)數量龐大的小麥根系可以充分吸收利用土壤中的水分和營養元素，進而促進了小麥增產[30-32]。

氮肥過量施用會造成土壤耕層營養過剩，導致小麥根系就近吸收養分，不利于根系下扎，進而影響培育健壯個體和合理群體，最終影響籽粒產量；而氮肥適量時，土壤的理化狀態達到最佳，有利于促進土壤微生物和土壤酶活化，進而有利于小麥根系健壯生長[14,33-34]。本研究表明，0～60 cm土層小麥根長密度和根干重密度開花期在施氮量分別為220～235和192～209 kg·hm-2成熟期在施氮量分別為220～275和171～212 kg·hm-2時達到最大值，之后再增加施氮量，小麥根長密度和根干重密度均不再增加，甚至下降趨勢，這與前人研究基本一致[14,35-36]。本研究還進一步證實，開花期是小麥對養分和水分需求最大的營養生長與生殖生長關鍵期，該時期根長密度和根干重密度高于成熟期[14,37-39]。此外，本研究也表明，當前的氮肥施用習慣下土壤表層小麥根系能夠獲得較多的氮素供應，進而促使根系快速生長且主要集中0～20 cm耕層[14,39]，而氮肥施用過高則抑制根系向深層土壤生長[40-42]。

圖3 小麥根長密度(RLD)與產量的相關關系

以往研究表明，在一定的范圍內小麥產量隨著施氮量的增加而顯著提高[43]，但當施氮量達到一定量時，繼續增施氮肥后產量反而降低[42]。趙廣才等[44]研究認為，施氮量在0～300 kg·hm-2范圍內，隨著氮肥的增加，產量會逐漸提高。姜麗娜等[45]研究發現，220～240 kg·hm-2施氮量為地上部和地下部協調發展的最適宜施氮量，此時小麥產量達到最高。本研究通過查詢中國主要麥區氮肥施用與產量文獻數據在大尺度上分析中國小麥主要栽培區域的施氮與產量之間的關系認為，中國主要麥區在平均施氮量247 kg·hm-2時小麥產量達到最高。

圖4 小麥根干重密度(RDWD)與產量的相關關系

圖5 施氮量與小麥產量的關系

綜上所述，適宜施氮可促進小麥根系的生長發育，增加土壤上層根系(0～60 cm)分布比例，進而提高根長密度和根干重密度，最終增加小麥產量。本研究認為，從節約氮肥成本角度，結合根系生長指標，施氮171～247 kg·hm-2可作為中國主要小麥種植區域的氮肥合理施用范圍。該研究結果可為小麥高產栽培提供一定的理論參考依據，但仍需在今后的研究中納入更多的根系指標和植株地上部等指標，以期在更廣的維度揭示小麥高產栽培的氮肥施用規律。