水分供應強度與氮素形態對玉米生長的影響

關鍵詞：水分供應；氮素形態；玉米；植株生長；根系特性；水分利用效率

中圖分類號：S513 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2025） 02-0114-07

玉米是全球主要的糧食和飼料作物，2021年，玉米產量占谷類作物總產量的39.41%。我國是玉米生產大國，其產量占全球玉米總產量的22.54%，然而我國當前種植戶的玉米單產僅為6.29t/hm²，遠低于農業發達國家。隨著人口數量的增長和發展中國家人們生活水平的提高，未來對玉米的需求將進一步增加，預計到2050年全球玉米產量需要在2000年的基礎上增加一倍才能滿足需求。當前化肥施用不合理、淡水資源缺乏等問題嚴重制約了玉米單產的提升。因此，研究水分供應強度與氮素形態對玉米生長的影響對保障玉米高效生產具有重要意義。

本試驗通過設置不同水分供應強度和不同氮素形態組合處理，研究玉米株高、葉面積動態、根系生長特性，以及地上部與根系生物量對不同水分供應強度和不同氮素形態響應的變化特征，評價氮素形態對玉米土壤干旱脅迫的適應性，旨在為玉米生產過程中科學合理的灌溉和氮肥施用提供理論支撐。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在青島農業大學智能溫室進行。供試土壤類型為砂姜黑土，耕層土壤有機碳含量為13.9g/kg、堿解氮74.8mg/kg、有效磷16.8mg/kg、速效鉀127.7mg/kg，pH值為7.2（土水比為1：2.5），土壤田間持水量為23.5%。

供試玉米品種為鄭單958，4月3日播種，4月8日出苗，出苗后每盆保留1株。為保證不同水分處理下的土壤含水量，采用優云譜土壤水分檢測儀（YP-WSY）監測、控水。各處理除施氮肥、灌水外，其他管理措施相同。

1.3測定項目及方法

1.3.1玉米株高和葉面積測定 玉米出苗后每7天測一次株高和葉面積。株高用直尺測量根基部到最高生長點的高度。葉面積用直尺測量每片葉的長度和最大寬度，乘以校正系數，得單片葉面積后再求單株葉面積。葉面積=長×寬×K，其中，葉片完全展開時K值取0.75，若未完全展開則K值取0.50。

1.3.2玉米生物量及根系形態指標測定 在玉米大喇叭口期將植株全部取出，地上部分為葉片和莖，鮮樣經過105℃殺青30min后在75℃烘箱中烘至恒重，稱重，計算植株地上部生物量。

根系盡量完全取出，沖凈后用濾紙吸干附著水分，進行各指標的測定。根體積：采用排水法測定，將玉米根全部放人裝滿水的容器中，并保持容器的液面不變，稱量溢出水的重量。根系總吸收面積、活躍吸收面積用亞甲基藍吸附法測定，根據浸泡過根系的甲烯藍溶液中甲烯藍的減少量及1mg甲烯藍呈單分子層時占據面積為1.1m²的已知條件，計算根系總吸收面積和活躍吸收面積。根長：將根徑按照gt;1.0、0.5～1.0、lt;0.5mm分為粗根、中根和細根3個級別，粗根和中根的根長按照常規方法用直尺測量，細根按照直線截獲法測定。根干重，將粗根、中根、細根進行分類后，分別在75℃烘箱中烘至恒重，稱重，計算植株根系生物量，并按照以下公式計算根冠比與水分利用效率：

根冠比=根干重／地上部干重；

水分利用效率（kg／m³）=生物學產量（地上部生物量+根系生物量）／耗水量。

1.4數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2013、SAS和SigmaPlot軟件進行數據整理、統計分析及作圖。試驗數據為平均值±標準差。

2結果與分析

2.1水分供應強度與氮素形態對玉米株高與葉面積的影響

由圖1可知，水分供應強度和氮素形態對玉米株高有顯著影響，各時期均表現為N1W1處理株高最大，N2W3處理株高最小。試驗結束時，各處理玉米株高表現為N1W1gt;N1W2gt;N2W1gt;N1W3gt;N2W2gt;N2W3；N1處理玉米株高平均為98.33cm，較N2處理增加29.48%；W1處理玉米株高平均為100， 70cm，較W2和W3處理分別增加13.49%和39.87%。

由圖2可知，水分與氮素形態對玉米葉面積有顯著影響，各時期均表現為N1W1處理葉面積最大，顯著高于其他處理，N2W3處理葉面積最小。試膨吉束時，各處理玉米葉面積表現為NIWlgt;NIW3gt;N1W2gt;N2W2gt;N2W1gt;N2W3; N1處理單株玉米葉面積平均為575.69cm²，較N2處理增加127.18%；W1處理單株玉米葉面積平均為548.40cm²，較W2和W3處理分別增加52.09%和63.87%。

2.2水分供應強度與氮素形態對玉米根系特征的影響

試驗結束時，水分與氮素形態處理對玉米的根體積、根長、根系總吸收面積和活躍吸收面積的影響均表現為NIW1處理最大，顯著高于其他處理，N2W3處理最小。Nl處理的根體積、根長、根系總吸收面積和活躍吸收面積較N2均顯著增加，增幅分別為144.29%、70.23%、187.93%和171.01%；W1處理的根體積、根長、根系總吸收面積和活躍吸收面積較W2和W3均顯著增加，較W2處理分別增加71.36%、71.86%、64.41%和65.76%，較W3處理分別增加65.33%、50.67%、60.34%和71.72%，W2與W3處理間無顯著差異（表1）。

2.3水分供應強度與氮素形態對玉米生物量的影響

試驗結束時，水分與氮素形態處理對玉米地上部生物量的影響表現為N1W1處理最大，顯著高于其他處理，N2W3處理最小，但與N2W1和N2W2處理無顯著差異。N1處理的地上部生物量較N2顯著增加，增幅為180.82%；W1處理的地上部生物量較W2和W3均顯著增加，增幅分別為58.70%和63.15%，W2與W3處理間無顯著差異。不同處理玉米地上部葉和莖的生物量與地上部總生物量表現出類似的趨勢。水分與氮素形態處理對玉米根系生物量的影響表現為N1W1處理最大，顯著高于其他處理，N2W3處理最小，但與N2W1、N2W2和N1W2處理無顯著差異。N1處理的根系生物量較N2顯著增加，增幅為39.48%；W1處理的根系生物量較W2和W3均顯著增加，增幅分別為32.13%和29.62%，W2與W3處理間無顯著差異。不同處理玉米粗根和細根的生物量與根系總生物量表現出類似的趨勢，但不同處理的中根生物量均無顯著差異（表2）。

由圖3可知，不同處理的玉米根冠比存在差異，以N2W3處理最高，但與N2W1處理無顯著差異，二者均顯著高于其他處理，N1W1處理最低，與N1W3和N1W2處理無顯著差異。N1處理的根冠比較N2顯著降低，降幅為49.14%；W1處理的根冠比較W2和W3有所降低，降幅分別為8.04%和15.24%。

2.4水分供應強度與氮素形態對水分利用效率的影響

由圖4可知，水分與氮素形態處理對玉米水分利用效率的影響表現為N1W1處理最高，顯著高于其他處理，N2W2處理最低，但與N2W3、N2W1和N1W2處理無顯著差異。N1處理的玉米水分利用效率較N2顯著增加，增幅為200.41%；W1處理的玉米水分利用效率較W2和W3增加，增幅分別為129.19%和30.18%。

3討論

植物可以吸收利用的氮素形態主要包括銨態氮、硝態氮以及酰胺態氮3種形式，但是不同作物或同種作物不同時期對氮素的吸收與利用存在差異，因此，氮素形態會在作物的生長發育過程中產生不同程度的影響。本研究發現，銨態氮肥（Nl）較硝態氮肥（N2）能夠顯著提高玉米株高、葉面積和地上部生物量：土壤含水量為田間持水量的80%～85%（W1）處理以上各指標較65%～70%（W2）和50%～55%（W3）處理均顯著增加，這與以往研究結果類似。李志元等研究發現，在相同氮素水平下，作物的株高、生物量隨土壤水分含量的增加呈現不斷增長的趨勢。不同處理下作物地上部生長的差異與根系生長及其對養分的吸收關系密切。有研究發現，不同氮素形態與水分供應強度會影響并改變植物根系形態，進而促進或抑制作物吸收礦質養分以及作物的生長。本研究發現，N1較N2處理能夠顯著提高玉米植株根體積、根長、根系總吸收面積和活躍吸收面積.W1較W2和W3處理以上各指標也均顯著增加。Bloom等研究發現，與施用硝態氮肥相比施用銨態氮肥能夠促進玉米根系生長發育，其原因可能是作物吸收利用銨態氮所需能量較吸收硝態氮少，其根系細胞增加的速度更快，從而促進其生理生化過程，這與本研究結果一致。但是，不同氮素形態對作物根系的影響與不同的土壤環境條件密切相關，李學俊等研究發現，單獨施用銨態氮肥會在一定程度上破壞作物根系膜結構，降低根系對養分的吸收能力，從而影響作物生長發育、降低產量。楊麗琴等研究也發現，施用硝態氮肥條件下，玉米葉片蒸騰速率和光合速率均有不同程度地增加，植株體內細胞活躍程度增強，從而加快代謝活動，增加根系活力，促進玉米養分吸收與生長發育。同時，有研究證實，水分供應強度也會影響作物根系生長發育，Jing等研究發現，水分脅迫條件下玉米不同生育時期的總根長和0～20cm土層根長均明顯降低。此外，不同的氮素形態也會對葉片葉綠素含量、光合速率、暗反應主要酶活性以及光呼吸等過程產生影響，進而直接或間接影響葉片光合作用，這可能也是影響玉米生長的關鍵因素。因此，科學合理施用氮肥與灌溉在刺激作物根系生長，保障養分供應，滿足地上部生長需求，促進作物光合作用等方面具有重要作用。

此外，本研究結果表明，N1較N2處理有利于提高玉米的水分利用效率，這主要得益于玉米生物量的增加。這與張立勤和劉英博等的研究結果類似。Jing等研究表明，玉米根系形態特征與植物水分利用效率間具有顯著或極顯著的相關性，即在根系生物量、總根長和根系表面積相對較小時，作物水分利用效率隨著根系生物量、總根長和根系表面積的增加而增大。

4結論

在水分供應強度相同的情況下，銨態氮較硝態氮能夠顯著增加玉米的株高、葉面積、根長、根體積、根系總吸收面積與活躍吸收面積，以及地上部與根系生物量，提高玉米水分利用效率，降低根冠比。在氮素形態相同的情況下，整體而言，水分供應充足較水分輕度、中度脅迫能夠顯著促進玉米生長發育；但在不同氮素形態下，水分供應強度對玉米生長的影響存在一定的差異，施用銨態氮條件下水分輕度、中度脅迫顯著降低了玉米生物量與水分利用效率，而在施用硝態氮條件下，3種水分供應強度間無顯著差異，換言之，硝態氮施用能夠在一定程度上緩解水分脅迫對玉米生長發育的限制。本研究結果對玉米生產過程中的氮肥與水分管理具有一定的指導意義，但玉米全生育期相關的生理生化機制研究需要進一步開展。