不同氮肥施用方式下春玉米根系時空分布特征

展文潔，陳一昊，曾子豪，張 暢，張水梅，程 松，梁 堯，袁靜超，任 軍，劉劍釗*，蔡紅光

（1.吉林省農業科學院/農業農村部東北植物營養與農業環境重點實驗室，吉林 長春 130033；2.南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇 南京 210095）

玉米是重要的糧食作物之一，不僅可直接供人類食用，也是保障國家糧食安全的重要途徑［1-2］，同時在飼料、醫藥學及生物質能源等方面具有重要地位。東北是我國最大的春玉米生產區［3］，玉米種植面積占全國的40.4%，產量占全國的43.3%［4］。玉米的有效供給是持續的需求［5］，但通過擴大種植面積來提高玉米產量來實現有效供給是不現實的。依靠施肥技術上的改進來提高玉米產量，是促進玉米生產發展的有效途徑之一。

氮肥對玉米的產量和品質起著重要作用，合理施用氮肥對于提高春玉米產量和氮肥利用率、減緩環境壓力具有重要意義［6-8］。近年來，為了降低勞動力成本，玉米簡化施肥或一次性施肥成為一種趨勢［9-10］，高強等［11］研究表明吉林省玉米一次性施肥面積占全省玉米總面積的62.5%。氮肥一次性基施會造成土壤殘留硝態氮淋失，降低肥料利用率，加重環境負擔［12-14］。近年來，有學者提出了氮肥后移技術［15］，即分次施用氮肥，以更好地起到養分供應與作物吸收同步的作用［16］。關于一次性施肥與分次施肥的比較，前人研究得出的結論不一［17］。葛均筑等［18］研究表明，玉米氮肥一次性基施相對于氮肥分次施用，在降水充足的年份產量并無差異，在干旱年份其產量有所降低，氮肥一次性基施會顯著降低玉米生育前期養分積累量［19-20］。氮肥分次施用，能顯著減少氮肥的田間表觀損失［21］，更加適應玉米的養分吸收需求。在已發表的研究中，多圍繞玉米產量［13，16-17］、氮肥利用效率［13，18］、碳氮代謝［15］等方面，而關于氮肥一次性基施對春玉米根系生長的影響鮮有報道。作為植株吸收養分和水分的重要器官，根系形態在土層中的分布對肥料的響應至關重要。本研究基于多年田間定位試驗，對不同氮肥施用方式下春玉米根系生長動態及空間分布進行了剖析，以期為東北春玉米區氮肥的合理施用提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗起始于2011年，在吉林省公主嶺市吉林省農業科學院試驗田（43°29′55″N，124°48′43″E）進行。試驗田為玉米連作區，玉米生育期間平均氣溫19.6℃左右，無霜期125～140 d，有效積溫2600～3000℃，總日照時數1220 h左右。供試土壤為黑土，0～20 cm耕層土壤主要性狀為：有機質2.1%，堿解氮111.8 mg/kg、有效磷31.5 mg/kg、速 效 鉀185.9 mg/kg、pH值6.0。2013和2014年玉米生育期內降水量分別為642.9、422.5 mm（圖1）。

圖1 2013和2014年公主嶺市玉米生育期內降水量

1.2 試驗設計

試驗設3個處理，分別為不施氮對照（N0）、氮肥一次性基施（N1）、氮肥分次施用（N2），每個處理重復3次，隨機區組排列，小區面積為50 m2。氮肥為尿素（N 46%）。具體氮肥用量及施肥時期見表1。磷肥為過磷酸鈣（P2O512%）和磷酸二銨（N 18%，P2O546%），用量均為75 kg/hm2（P2O5）；鉀肥為氯化鉀（K2O 60%），用量均為82.5 kg/hm2（K2O）。基肥和追肥均采用溝施，其中基肥施肥深度為10 cm，追肥施肥深度為7 cm。種植品種為先玉335，播種密度為5.0萬株/hm2。其它管理方式均同一般大田。

表1 不同施肥模式下的氮肥用量 （kg/hm2）

1.3 測定項目與方法

在玉米播種前采集0～20 cm耕層土壤樣品，采用常規方法測定土壤養分。分別于2013和2014年在玉米12展葉（V12）、開花期（VT）、花后20 d（VT+20）、花后40 d（VT+40）、生理成熟期（R6）5個生育時期對植株地上部和根系取樣，每個處理選取有代表性的植株3株，分別將植株葉、莖（鞘）、籽粒、穗軸器官分開，烘干，粉碎，采用凱氏定氮法測定植株全氮。

根系樣品采用土壤剖面挖掘法，具體如下：垂直于壟的方向，每個小區以植株為中心挖掘1/2行距（30 cm）×1/2株距（10 cm）范圍內深度為60 cm土體（V6時期根系樣品采集深度為40 cm土體）的根系2株，每10 cm為1層，由取根刀切斷。每層土體中的所有可見根系由人工挑出，將根系上附著的土和雜質去除，用清水沖洗干凈。用掃描儀（Epson V700）掃描后獲得根系圖片，利用WinRhizoPro 5.0（Pro2004b，Canada）分 析 獲得根長、根表面積、根系平均直徑等指標，將根系烘干后采用稱重法測定根系干重。從VT期開始，在采集根系樣品的同時取相應土層土壤樣品，放入冰盒，帶回實驗室用0.01 mol/L CaCl2浸提，TRACCS2000型連續流動分析儀測定土壤硝態氮。

成熟期收獲中間2行玉米，裝入尼龍網袋，曬干脫粒稱重，以含水量14%的重量折算小區產量。

1.4 數據分析

采用Excel 2007對數據進行處理和作圖，采用SAS 8.0進行方差分析和多重比較（LSD法）。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥施用方式對產量、生物量、吸氮量和根冠比的影響

由于本試驗始于2011年，隨著地力的消耗，增施氮肥后對產量的增產效果顯著提高。由表2可以看出，施用氮肥后大幅提高了春玉米的產量、生物量和吸氮量（P＜0.05）。從單株籽粒產量來看，2013年，N1和N2處理分別比N0處理增產175.5%和177.9%；2014年，N1和N2處理分別比N0處理增產122.0%和154.9%。從單株生物量來看，2013年，N1和N2處理分別比N0處理增加125.4%和127.8%，2014年，N1和N2分別比N0處理增加76.3%和95.1%，其處理間差異達顯著水平（P＜0.05）。從吸氮量來看，2013年，N1和N2處理分別比N0處理增加242.6%和272.4%，2014年，N1和N2處理分別比N0處理增加191.0%和210.1%。從根冠比來看，兩年均表現為N0處理顯著高于N1和N2處理（P＜0.05），2013年，N0處理比N1和N2處理分別增加62.5%和79.3%；2014年，N0處理比N1和N2處理分別增加75.8%和75.8%。由此可見，施氮處理顯著增加了春玉米的產量、生物量和吸氮量（P＜0.05），其中以N2處理最優。可見，增施氮肥后，地上部的生長比根系的生長減小更多，致使根冠比增加，而適當地增加根冠比更有利于后期產量的形成。

表2 不同氮肥施用方式下的籽粒產量、生物量、吸氮量及根冠比

2.2 不同氮肥施用方式下根系時間分布特征

不同氮肥施用方式下玉米根系干重的生育期動態變化如圖2A所示。隨著生育進程的推進，玉米的根系干重呈先增加后降低的變化趨勢，在VT期或花后20 d達到最大值。不同處理方式對各生育期玉米的根系干重有顯著影響。2013年，N1和N2處理各生育時期根系干重均高于N0處理，其中N1處理在花后40 d和成熟期分別比N0處理增加了35.0%和15.2%（P＜0.05），N2處理在花后20 d、花后40 d和成熟期增幅顯著（P＜0.05），增幅為25.8%～27.7%；2014年，N1處理的根系干重在開花期之后均低于N0處理，降幅為2.9%～14.2%，而N2處理在各生育時期的根系干重均屬最高，在開花期和花后20 d分別比N0處理增加了52.2%和34.2%（P＜0.05）。進一步分析發現氮肥一次性基施受年際間的影響較大，而氮肥分次施用處理在年際間表現相對穩定，尤其在花后20 d和成熟期等關鍵生育時期，其根系干重增幅顯著（P＜0.05）。

隨著生育進程的推進，玉米的根長和根表面積均呈先增后降的單峰曲線變化，根系平均直徑整體變化趨勢不明顯（P＞0.05）。從各根系指標的年際間差異來看，2014年的根長和根表面積均高于2013年，同一處理間的根長在年際間增加46.2%以上，同一處理間的根表面積在年際間增加47.0%以上。2013年，各處理的根長和根表面積均在開花期達到最大值，與N0處理相比，N1處理降低了12展葉期和開花期的根長和根表面積，降幅為3.5%～29.1%；N2處理均增加了各生育時期的根長和根表面積，在開花期、花后20 d和成熟期增幅為18.6%～30.3%。2014年，N1處理在多個生育時期的根長和根表面積高于N0處理（P＞0.05），但在成熟期，N1處理略低于N0處理，降幅分別為0.6%和6.7%。N2處理促進了多個生育時期的根長和根表面積，其中在開花期和花后20 d增加顯著（P＜0.05），增幅為27.4%～37.3%。從根系平均直徑來看，在成熟期，無氮區比施肥處理平均增加11.94%。研究表明，相對于氮肥一次性基施，氮肥分次施用更有利于根系形態的建成，顯著增加了開花期和花后20 d的根長和根表面積（P＜0.05）。

2.3 不同氮肥施用方式下根系空間分布特征

2013年，從玉米根系干重來看，隨著土層深度的增加，根系干重呈下降趨勢（圖2A）。與N0處理相比，N1處理在各生育期0～10 cm土層的根系干重均增加明顯，平均增幅為6.7%～38.6%，而在開花期20～60 cm土層、花后20 d 20～40 cm土層、花后40 d 10～20 cm土層的根系干重均低于N0處理，降幅為2.0%～73.0%，其他土層均高于N0處理。N2處理在12展葉期0～10、30～40和50～60 cm土層，開花期、花后20 d和成熟期0～10 cm土層，花后40 d 0～20 、30～50 cm土層的根系干重均明顯高于N0處理，增幅為10.2%～59.9%，而在開花期20～60 cm土層的根系干重均低于N0處理，減少了15.1%～43.7%。這表明不施氮肥促進了植株在開花期的根系干物質積累。

圖2 不同氮肥施用方式下玉米根系形態特征的空間分布（2013年）

圖2B、3C顯示，不同氮肥施用方式對各生育時期玉米根系的垂直分布有顯著影響。從N1處理的根長和根表面積來看，與N0處理相比，其在12展葉期0～10和30～50 cm土層、開花期30～40 cm土層、花后20 d 40～50 cm土層、花后40 d 10～40 cm土層均有所降低，降幅為2.8%～37.8%；而N1處理增加了花后20 d 10～40 cm土層和成熟期0～10、20～30和40～50 cm土層的根長和根表面積，增幅為3.6%～99.8%；從N2處理的根長和根表面積來看，其在12展葉期、開花期和成熟期0～10 cm土層、花后20 d 10～40 cm土層均高于N0處理，增幅為24.7%～173.8%，而在花后40 d 10～20、30～40和50～60 cm土層和成熟期10～20和30～40 cm土層的根長和根表面積均有所降低，降幅為9.7%～54.7%。綜合分析表明，N2處理促進了根系在表層土壤中的生長，但隨著土壤層次的加深，其根長和根表面積則顯著低于N0處理，這與根干重的反應相一致。

2014年各處理下根系形態與2013年稍有不同。N1處理增加了12展葉期0～30 cm土層和開花期0～10 cm土層的根系干重，增幅為8.0%～48.8%，但在各生育期的其它土層，N1處理均低于N0處理，降幅為1.3%～47.6%；N2處理與N1處理不同，N2處理增加了12展葉期、花后20 d和成熟期0～10 cm土層的根系干重，增幅為19.4%～57.2%，開花期0～40 cm土層、花后40 d 0～20和30～40 cm土層的根系干重增加明顯，增幅為2.2%～75.1%。同時，在12展葉期的20～60 cm土層、花后20 d 10～30 cm土層、花后40 d 20～30 cm土層和成熟期10～20 cm土層的根系干重均有所降低，降幅為8.4%～30.8%。這表明在12展葉期，氮肥一次性基施處理對根系的生長產生了抑制作用（圖3A）。

圖3 不同氮肥施用方式下玉米根系形態特征的空間分布（2014年）

從根長和根表面積來看（圖3B，4C），與N0處理相比，N1處理在各生育時期土壤表層的根長和根表面積均有所增加，在12展葉期和花后20 d 10～30 cm土層增加了9.8%～98.0%，在開花期0～20 cm土層、花后40 d 10～40 cm土層、成熟期10～20 cm土層增加了11.6%～110.2%。N2處理提高了各生育時期土壤表層的根長和根表面積，增幅為1.8%～56.3%。不同處理下的根系平均直徑在成熟期10～50 cm土層有較大差異（圖3D），表現為N0處理高于N1和N2處理，增幅為4.5%～11.2%。綜上表明，施氮處理均有利于表層土壤的根系建成，但氮肥一次性基施處理對玉米成熟期0～10和20～30 cm土層的根系建成產生了抑制作用。

2.4 不同氮肥施用方式對土壤硝態氮的影響

如圖4所示，2013年降水較為豐沛，施肥處理下0～60 cm土層硝態氮總含量均顯著高于無氮區（P＜0.05）。隨生育進程的推進，在開花后期，N2處理硝態氮總含量顯著高于N1處理，增幅為110.9%，其它生育時期無明顯差異。從土層剖面硝態氮含量來看，N1處理在開花期40～60 cm土層、花后20 d 30～50 cm土層、成熟期0～30 cm土層的土壤硝態氮含量均高于N0和N2處理，尤其在開花期40～50 cm土層，N1處理的平均硝態氮含量為14.3 mg/kg，而N0處理的平均土壤硝態氮含量為0.5 mg/kg，差異達顯著水平（P＜0.05）。

圖4 不同氮肥施用方式對土壤硝態氮含量的影響（2013年）

如圖5所示，2014年降水較正常，施肥處理在不同生育時期下的硝態氮總量均顯著高于無氮區（P＜0.05）。在花后20 d，N2處理硝態氮總含量顯著高于N1處理，增幅為92.6%，而在其他生育時期，N1處理硝態氮總含量均高于N2處理。從土層剖面硝態氮含量來看，N1處理在開花期20～60 cm、花后20 d和40 d 10～60 cm土層、成熟期0～60 cm土層明顯高于N2處理，增幅在28.0%以上。N2處理在開花期、花后20 d和40 d 0～10 cm土層、成熟期10～20 cm土層的硝態氮含量高于N1處理，增幅為8.6%～530.2%。綜合分析表明，N1處理在開花之后土壤中下層的硝態氮含量顯著增加，這可能與其前期氮肥一次性施入有關。

圖5 不同氮肥施用方式對土壤硝態氮含量的影響（2014年）

3 討論

3.1 不同氮肥施用方式對玉米根系生長的影響

良好的根系構建與發育是獲得高產的關鍵因素［22］。劉培利等［23］研究表明，發育良好的根系表現為根系干重、根長、根表面積較大，且根系的發育動態更加合理，根系更易下扎，深層土壤的根量較多。寇太記等［24］研究表明，拔節期至乳熟期玉米根系的根長和根表面積均隨生育進程的推進呈單峰曲線變化，在抽雄吐絲期達最大值。本研究中，隨著生育進程的推進，玉米的根系干重、根長和根表面積均呈先增加后降低的變化趨勢，在開花期或花后20 d達到最大值。氮肥一次性基施受年際間的影響較大，而氮肥分次施用處理在年際間表現相對穩定，相對于氮肥一次性基施，氮肥分次施用處理在花后20 d和成熟期，其總根系干重、總根長和總根表面積增幅顯著。從不同剖面的根系形態來看，N1處理在12展葉期便對根系生長產生了抑制作用，而N2處理促進了根系在表層土壤的生長，但隨著土層深度的增加，其根系干重、根長和根表面積低于N0處理。低氮促進根系生長，低氮條件下碳同化產物向根系分配比例明顯增加，使地上部更多的碳向根系運輸，根冠比變大［25］；本研究中，從根冠比來看，兩年均表現為N0處理顯著高于N1和N2處理（P＜0.05）；從根系平均直徑來看，在成熟期，無氮區比施氮處理平均增加11.94%。可能是無氮區一直受到養分脅迫，再加上根部比地上部有著更有效的養分吸收作用，促進根系平均直徑增大，造成過多的碳水化合物用于根系的生長，使根的絕對重量增加［26］。

3.2 玉米根系對氮肥一次性施用和分次施用的響應

養分對根系生長的促進作用與生育期有關［27］，因此確定最佳施肥時期至關重要。在唐拴虎等［28］的研究中，一次性施用肥料較常規分次施肥明顯提高根系活力，而較高的根系活力能吸收深層土壤養分吸收并帶到上層土壤中，且分次施肥的養分與作物生育需求較吻合［29］，可以提供持續的養分供應［30］。在不同試驗年份，氮肥分次施用處理在各生育時期的根系形態均優于氮肥一次性基施處理，其在各生育時期的總根系干重、總根長和總根表面積比氮肥一次性基施處理平均增加了17.1%。本研究中，與氮肥分次施用處理相比，在各生育時期，氮肥一次性基施處理在土層0～40 cm的根系生長均受到抑制，其中在花后20 d和成熟期，0～40 cm土層的根系干重、根長和根表面積分別減少15.3%、7.9%和8.2%。結合袁靜超等［31］的研究，氮肥一次性基施使苗期施肥過量，且不能滿足玉米后期氮素養分的需求，根系的生長量因此降低，從而減弱根系向深層土壤下扎的能力。氮肥施入方式對根系的影響受年際間變化影響顯著。在雨量豐沛的年份，氮肥一次性投入后，氮肥一次性基施處理抑制了12展葉期和開花期的總根長和總根表面積，從不同土層剖面來看，主要是降低了12展葉期30～50 cm土層和開花期30～40 cm土層的根長和根表面積，降幅為9.5%～30.1%；在降雨正常的年份，氮肥一次性基施處理從花期開始，對玉米根系干重的積累產生了抑制作用，各土層的根系干重均低于無氮區，降幅為1.3%～47.6%。氮肥一次性基施處理抑制了成熟期的總根長和總根表面積，具體表現為在成熟期0～30 cm土層，降幅為3.8%～12.3%。與氮肥分次施用處理相比，氮肥一次性基施處理受年際間變化影響較大，氮肥分次施用在年際間相對穩定，均改善了根系總干重、總根長和總根表面積，利于根系建成。

4 結論

增施氮肥顯著提高玉米產量、干物質累積量和吸氮量。2013和2014年，施肥處理下的產量增幅為122.0%～177.9%，生物量增幅為76.3%～127.8%，吸氮量增幅為191.0%～272.4%。低氮促進了過多碳水化合物用于根系的生長，使根冠比增大；隨著生育進程的推進，氮肥一次性基施對根系生長產生抑制作用，但年際間差異顯著，降雨豐沛年份，在12展葉期根系生長即出現抑制情況。氮肥分次施用處理下根系在各生育期的空間分布上均顯著優于氮肥一次性基施。綜合分析表明，氮肥分次施用年際間表現穩定，促進根系的縱深分布，更有利于養分的吸收，進而實現玉米高產穩產。