袁靜超,劉劍釗,閆孝貢,張洪喜,梁 堯,蔡紅光,任 軍
(吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部東北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春 130033)
2015年中國玉米種植面積為0.38億hm2,產(chǎn)量達(dá)2246億kg,是我國種植面積最大的糧食作物。其中,東北三省玉米種植面積占全國的28.1%,產(chǎn)量占全國的34.5%,是我國玉米重要的生產(chǎn)和加工基地[1-2]。近年來,為提高玉米單產(chǎn),化肥用量持續(xù)增加,造成肥料利用率下降,氮素冗余,農(nóng)田環(huán)境污染問題嚴(yán)重[3-4];連年耕作,使肥沃土壤表層風(fēng)蝕嚴(yán)重,土壤板結(jié),降低了土壤的抗逆性能,制約了玉米根系的生長,增產(chǎn)不增收現(xiàn)象日益突顯[5],如何協(xié)調(diào)作物與環(huán)境之間的關(guān)系也越來越受到較多人關(guān)注[6]。適宜的土壤物理環(huán)境和合理的養(yǎng)分供應(yīng)是作物高產(chǎn)高效的基本保證[7]。靳立斌等[8]對不同綜合農(nóng)藝管理下夏玉米氮效率進(jìn)行了研究,表明高產(chǎn)高效處理在提高產(chǎn)量和氮效率的同時(shí),減少了土壤硝態(tài)氮積累量。張宏等[9]研究表明硝態(tài)氮的淋失不僅與土壤的施氮量
有關(guān),而且與影響土壤水分狀況的栽培模式也有密切的關(guān)系,且在不同農(nóng)學(xué)管理方式下土壤物理性狀和作物根系生長發(fā)育情況顯著不同,大量研究表明農(nóng)學(xué)管理方式可影響土壤理化性狀,以及根系的生長、分布和功能,是引起玉米產(chǎn)量增長或減損的一個重要因素[10-12]。張玉芹等[13]研究表明超高產(chǎn)栽培方式使玉米根系抗衰老能力逐漸增強(qiáng),為保證籽粒灌漿提供了有利條件,根系具有可塑性[14],在其生長過程中可以感知土壤養(yǎng)分狀況的變化[15],土壤容重較大時(shí),根系生長范圍受到限制,根系表面積、根系總體積和總根長也顯著降低[16]。解析農(nóng)學(xué)管理方式對土壤物理性狀的影響以及土壤物理性狀和根系生長、養(yǎng)分相互關(guān)系對高效利用水肥資源具有重要意義[17]。因此如何通過不同農(nóng)學(xué)管理方式調(diào)控土壤物理性狀,挖掘根系生物學(xué)潛力,提高作物根系對養(yǎng)分的吸收亦越來越受到關(guān)注。但以往對于農(nóng)學(xué)管理方式下春玉米土壤物理性狀及根系的研究多集中在單一的栽培因子處理[18],單一的產(chǎn)量增加[19-20]或土壤性狀[21-22]、養(yǎng)分利用效率[23-24]及根系性狀[25-26]等層面上,綜合評價(jià)不同農(nóng)學(xué)管理方式下春玉米土壤物理性狀特征研究報(bào)道較少,也缺乏根系動態(tài)變化對不同農(nóng)學(xué)管理方式響應(yīng)的研究。本研究從土壤-作物互作體系協(xié)調(diào)管理的角度,研究綜合農(nóng)學(xué)管理方式對作物根系建成、土壤理化性狀及土壤養(yǎng)分的影響,旨在為春玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論支撐。
試驗(yàn)設(shè)在吉林省公主嶺市吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田 (124°48′43″E、43°29′55″N),海拔 221 m。試驗(yàn)田為玉米連作區(qū),始于2009年,玉米生育期間平均氣溫為19.6℃左右,無霜期125~140 d,有效積溫2600~3000℃,總?cè)照諘r(shí)數(shù)約1220 h。2009年、2010年和2011年降雨量分別為254.8 mm、628.2 mm和320.6 mm (圖1)。供試土壤為黑土,0—20 cm耕層土壤主要性狀:有機(jī)質(zhì)26.4 g/kg、堿解氮244.0 mg/kg、有效磷35.9 mg/kg、速效鉀140 mg/kg、pH值6.59。2009年播前0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量分別為7.47、4.82、6.35 mg/kg 和 5.03、5.12、4.08 mg/kg。
圖1 2009—2011年試驗(yàn)區(qū)玉米生育期降雨量Fig. 1 Precipitation in the experiment field during maize growth stages from 2009 to 2011
以先玉335為供試品種,試驗(yàn)設(shè)4種綜合農(nóng)學(xué)管理模式:1) 按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣,種植密度5.0萬株/hm2,一次性施化肥N 225、P2O582.5、K2O 67.5 kg/hm2,滅茬旋耕 (CK);2) 種植增密至6.0萬株/hm2,化肥用量為N 195、P2O575、K2O 82.5 kg/hm2,氮肥分兩次施用,播前和拔節(jié)期分別施78和117 kg/hm2,基施有機(jī)肥15000 kg/hm2及中微肥60 kg/hm2,滅茬旋耕 (Opt-1);3) 施化肥量為N 300、P2O5120、K2O 120 kg/hm2,氮肥分三次施用,播前、拔節(jié)和抽雄期分別施用120、120、60 kg/hm2,磷肥和鉀肥分兩次施用,播前和拔節(jié)期分別施用96和24 kg/hm2,基施有機(jī)肥15000 kg/hm2及中微肥150 kg/hm2,種植密度 7.0 萬株/hm2,深松 (Opt-2);4) 施化肥N 225、P2O590、K2O 90 kg/hm2,氮肥分三次施用,播前、拔節(jié)和抽雄期分別施用90、90、45 kg/hm2,磷肥和鉀肥分兩次施用,播前和拔節(jié)期分別施用72和18 kg/hm2,有機(jī)肥、中微肥和種植密度同Opt-2 (Opt-3)。微肥為鋅、錳、硼復(fù)混肥,比例為2∶1∶1;有機(jī)肥中全氮、全磷、全鉀的含量分別為16.6 g/kg、5.9 g/kg、20.6 g/kg。每個處理重復(fù)4次,小區(qū)面積144 m2,隨機(jī)區(qū)組排列。4種模式的其它田間管理方式一致。
玉米根系取樣采用剖面挖取法 (2011年)。分別于6展葉期 (V6)、12展葉期 (V12)、吐絲期 (R1)、乳熟期 (R3)、成熟期 (R6) 挖取根系樣品;每個小區(qū)選取長相均勻的植株2株,以每株所占土地面積為界,0—40 cm每10 cm一層,40—60 cm一層 (其中V6期至40 cm深)。每層土體中的所有可見根系由人工挑出,用水沖洗干凈,根系上附著的水用吸干紙吸干后放入封口袋,-20℃冰箱中保存。每層根系分別用掃描儀 (Epson V700) 掃描后獲得根系圖片,利用WinRhizoPro5.0軟件分析 (Pro2004b,Canada) 獲得根長、根表面積等指標(biāo),然后烘干稱重。挖取根系的同時(shí)取相應(yīng)土層土壤樣品,放入冰盒,帶回實(shí)驗(yàn)室用0.01 mol/LCaCl2浸提,TRACCS2000型連續(xù)流動分析儀測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮。固液氣三相比例采用日產(chǎn)土壤三相測量儀 (DIK-1130) 測定,0—40 cm每10 cm一層,40—60 cm一層。同時(shí)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、穗軸等器官分開,烘干,粉碎,采用凱氏定氮法測定氮含量。成熟期收獲中間2行玉米,裝入尼龍網(wǎng)袋,曬干脫粒稱重,用PM-8188-A型谷物水分測定儀測定水分含量,以含水量14%的重量折算小區(qū)產(chǎn)量。
所有處理下根系形態(tài)指標(biāo)均折算成單位體積的,以便于準(zhǔn)確評價(jià)處理間差異。所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010 軟件處理后,用Origin 9.0作圖,用SAS 8.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。
CK、Opt-1、Opt-2、Opt-3 4種模式下各處理三年平均產(chǎn)量分別為8852、9922、10203和10084 kg/hm2。由圖2可知,試驗(yàn)的第一年 (2009年) 4個處理的產(chǎn)量差異不顯著,第二年 (2010年)、第三年(2011年),Opt-1、Opt-2、Opt-3處理較CK平均分別增產(chǎn)12.1%、15.3% 和13.9%,增產(chǎn)均達(dá)到顯著水平,但三個處理間差異不顯著。
圖2 2009—2011年不同農(nóng)學(xué)管理模式下春玉米產(chǎn)量Fig. 2 Grain yields under different agronomic managements from 2009 to 2011
從氮素吸收量看,2009年Opt-1、Opt-2、Opt-3處理植株吸氮量均顯著高于CK,2010年Opt-2處理顯著高于其他三個處理,2011年各處理間差異均不顯著 (圖3)。2010年Opt-2處理植株吸氮量顯著高于其他三個處理,主要是因?yàn)镺pt-2處理氮肥用量高達(dá)300 kg/hm2,分三次施用,且磷鉀充足,加之2010年降雨量較大,玉米生育期內(nèi)超過600 mm,促進(jìn)了植株對氮素的吸收,但吸收的氮素更多集中于莖葉中,其莖葉吸氮量占整株的34.7%,籽粒吸氮量占整株的65.2%,Opt-1處理莖葉吸氮量僅為29.4%,籽粒吸氮量占整株68.6%??梢?,Opt-2處理轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì) (籽粒) 產(chǎn)量的效率仍然相對較低,造成植株對氮素的奢侈吸收。
土壤固相、液相和氣相三相比能夠有效表征土壤結(jié)構(gòu)的變化。4種模式下0—60 cm土層土壤均以固相為主,范圍在43.9%~69.7%,液相和氣相范圍分別為16.9%~35.6%、3.5%~35.5% (圖4)。理想的土壤三相比為固相50%,液相和氣相各25%[27],本研究中各處理僅液相比例接近理想值,固相所占比例較大,氣相比例較低,各處理三相比為CK處理6∶3∶1,Opt-1處理 5∶2∶1,Opt-2處理 4∶2∶1,Opt-3處理3∶1.4∶1,僅Opt-3處理與理想狀態(tài)相近。隨著生育進(jìn)程的不斷推進(jìn),固相、液相比例逐漸減少,氣相比例逐漸增加,Opt-1、Opt-2、Opt-3處理下更趨明顯。與CK相比,Opt-2、Opt-3處理在拔節(jié)期深松后,吐絲期和乳熟期固相比例有所下降,尤以乳熟期較為顯著。在此過程中,液相和氣相比例在不同程度上有所增加,深松作業(yè)后的土壤三相比更加接近于理想狀態(tài)。在乳熟期,各處理總體趨勢為液相所占比例高于氣相。在0—10 cm土層,Opt-1和Opt-3處理的氣相比例高于液相比例,進(jìn)一步說明了這兩個處理的土壤通氣性要好于其他兩個處理,這可能與施肥量及施肥方式有關(guān)。至成熟期,各農(nóng)學(xué)管理方式在土壤表層即0—10 cm土層液相比例低于氣相比例,10—60 cm土層均為固相 >液相 > 氣相,且Opt-3處理固相比例低于其他模式。
圖3 2009—2011年不同農(nóng)學(xué)管理模式下春玉米吸氮量Fig. 3 N uptakes under different agronomic managements from 2009 to 2011
2.3.1 根系干重的時(shí)空分布特征 隨著生育期的不斷推進(jìn),4種模式下0—60 cm土層根系總干重均在吐絲期達(dá)到峰值,而后下降,呈單峰曲線變化 (圖5)。在6展葉期,各處理間0—60 cm土層根系干重?zé)o顯著性差異,與0—10 cm土層趨勢一致,僅CK處理略高于其他處理,隨著土層的不斷加深,各處理根系干重呈遞減趨勢;在12展葉期,0—60 cm土層根系干重除CK處理外,均大幅上升,且Opt-3和Opt-1處理顯著高于Opt-2處理;在吐絲期,0—60 cm土層根系干重大小順序?yàn)?Opt-2 > Opt-1 > Opt-3 > CK,且處理間差異顯著 (P < 0.05),各處理均以0—10 cm土層的根系干重比例最大 (66.4%~83.6%);至成熟期,各處理0—60 cm土層根系干重均呈下降趨勢,Opt-2處理仍高于其他處理。在整個生育期,各處理在0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm土層均與0—60 cm土層根系干重趨勢一致,但隨著土層深度的不斷加深,峰值拐點(diǎn)逐漸從吐絲期提前至12展葉期,直至40—60 cm土層 (CK處理除外),Opt-1、Opt-2和Opt-3處理均在12展葉期根系干重達(dá)到最大值,隨后趨于平緩。
圖4 不同農(nóng)學(xué)管理模式下春玉米不同生育期土壤氣相、液相和固相組成Fig. 4 Percentage of the gaseous, liquid and soild in soils under different agronomic managements
在生育初期,CK、Opt-1處理根系總干重高于Opt-2和Opt-3,這可能與植株的種植密度有關(guān)。但吐絲期后,Opt-2和Opt-3處理根系總干重大于CK和Opt-1處理,這可能是由于12展葉期Opt-2和Opt-3處理進(jìn)行了深松追施氮肥,使得養(yǎng)分供給更加充分,深松后更加有利于擴(kuò)充其可利用的肥水供應(yīng)。2.3.2 根長密度的時(shí)空分布特征 四種模式下根長密度隨生育期推進(jìn),均在吐絲期達(dá)到最高值,而后呈單峰曲線下降趨勢 (圖6),這與根系總干重表現(xiàn)一致。Opt-1、Opt-2、Opt-3三種模式下整個生育期的根長密度顯著高于CK,各土層的根長密度隨生育期也均呈單峰曲線變化。CK、Opt-1、Opt-2、Opt-3處理均以0—10 cm土層中的根長比例最大 (52.9%~76.2%),隨著土層深度的不斷加深,其比值呈逐漸遞減趨勢。在6展葉期,各處理0—60 cm土層根長密度以O(shè)pt-1處理最高;在12展葉期,0—60 cm土層根長密度除CK處理外,均大幅上升,這與根系干重變化趨勢一致;在吐絲期,0—60 cm土層根長密度仍以O(shè)pt-2處理最高,Opt-2處理和Opt-3處理在30—40 cm及40—60 cm根長較CK處理顯著增加(P < 0.05),這說明深松后促進(jìn)了植株根系的生長發(fā)育,增加了其在深層土壤中根系分布的比例;至成熟期,各處理0—60 cm土層根長密度均呈下降趨勢,Opt-2處理下降幅度最大為39.7%。
圖5 不同農(nóng)學(xué)管理模式下春玉米生育期不同土層根系干重的變化Fig. 5 Changes of the root dry weight in different soil depths during different growth periods of maize under different agronomic managements
2.3.3 根表面積的時(shí)空分布特征 不同模式的根表面積與總根系干重和總根長密度趨勢大致相同,均于吐絲期達(dá)最大值 (圖7),之后迅速下降,在乳熟期趨于平緩。Opt-2和Opt-3處理根系總表面積顯著高于CK處理和Opt-1處理,各土層的根系吸收面積隨生育期推進(jìn)均呈單峰曲線變化。CK、Opt-1、Opt-2、Opt-3處理均以0—10 cm土層中的根表面積比例最大 (41.7%~75.8%)。在6展葉期,0—60 cm土層根表面積以O(shè)pt-1處理最高;至12展葉期,0—60 cm土層根表面積除CK處理外,均大幅上升,其中Opt-2處理根表面積高于其他處理,這種優(yōu)勢一直持續(xù)至乳熟期,直到成熟期Opt-3處理0—60 cm土層根表面積才略高于Opt-2處理。Opt-2和Opt-3處理在30—40 cm及40—60 cm根表面積比CK處理顯著增加 (P < 0.05),這與根長密度表現(xiàn)一致。
由圖8可知,四種模式在0—10 cm土層硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為12展葉期 > 吐絲期 > 乳熟期,而其他三個生育期因管理方式不同,土壤表層硝態(tài)氮含量大小順序也略有不同,但從整體來看四種農(nóng)學(xué)管理方式下的硝態(tài)氮含量均隨著土層的加深,而呈不斷下降趨勢,并在30—40 cm和40—60 cm土層深度趨于平緩。與CK處理相比,Opt-1、Opt-2、Opt-3
處理在玉米吐絲期0—60 cm土壤硝態(tài)含量分別降低45.7%、31.0%、23.2% (P < 0.05),在乳熟期和成熟期0—60 cm土壤硝態(tài)氮含量分別降低43.7%、37.8%、27.2% 和 35.5%、37.7%、25.0% (P < 0.05)。與CK處理相比,Opt-1、Opt-2、Opt-3處理硝態(tài)氮淋失量顯著降低。結(jié)合根干重、根長密度和根表面積表現(xiàn),可知Opt-2和Opt-3處理根系向下縱深生長,且較為發(fā)達(dá),吸收氮素較多。即優(yōu)化后的施氮處理可減少硝態(tài)氮在土壤中的殘留,避免氮素的奢侈吸收,促進(jìn)根系下扎和吸收土壤養(yǎng)分。
圖6 不同農(nóng)學(xué)管理模式下不同土層深度春玉米根長密度隨生育期的變化Fig. 6 Changes of root length density in different soil depths along with growth periods of maize under different managements
圖7 不同農(nóng)學(xué)管理模式下不同土層深度春玉米根系吸收面積隨生育期的變化Fig. 7 Changes of the total root surface in different soil depths along with growth periods of maize under different managements
圖8 不同農(nóng)學(xué)管理模式下0—60 cm土層硝態(tài)氮動態(tài)變化Fig. 8 Changes of NO3--N in 0-60 cm soil layer during different growth periods of maize under different managements
與之相比,在6展葉期,CK處理0—10 cm土層硝態(tài)氮含量顯著高于其他處理,這與根系干重、根表面積表現(xiàn)一致,這可能與其采用一次性施肥方法有關(guān),前期氮素較高在一定程度上促進(jìn)了根系的發(fā)育,但隨著生育期的不斷推進(jìn),受水分條件及種植密度等多因素影響,氮素對根系生長的促生作用減弱。
有研究指出,東北地區(qū)近20年玉米總產(chǎn)量增加主要靠種植面積的增加[28]。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和效率的協(xié)同提升,本研究在增加種植密度的基礎(chǔ)上,增加養(yǎng)分運(yùn)籌和深松作業(yè)措施,并以此三項(xiàng)技術(shù)作為核心,系統(tǒng)研究了綜合農(nóng)學(xué)管理對春玉米產(chǎn)量、土壤物理性狀及根系構(gòu)成和養(yǎng)分吸收的影響。研究結(jié)果表明,Opt-2處理吸氮量為248 kg/hm2,與Opt-1和Opt-3處理相比,其氮肥用量分別增加58%和33%,吸氮量僅增加9.5%和6.9%,但產(chǎn)量無顯著差異。說明Opt-2處理一方面促進(jìn)了植株對氮素的吸收,另一方面轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì) (籽粒) 產(chǎn)量的效率卻較低。近年來,農(nóng)民種植玉米時(shí)一般采用一次性施肥,也叫“一炮轟”,施氮過量使?fàn)I養(yǎng)體氮素代謝過量,導(dǎo)致玉米前期燒苗,后期脫肥,加之未進(jìn)行合理的深松作業(yè),化肥用量的增加并沒有顯著提高玉米單產(chǎn),施肥效益沒有增加,造成了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的雙重?fù)p失。
傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的不合理耕作導(dǎo)致土壤耕層變薄,土壤犁底層增厚,作物根系深扎阻力不斷增大,阻礙了土壤上、下水氣的貫通和天然降水的貯存,使得土壤干旱現(xiàn)象逐年加劇[29]。張麗[30]發(fā)現(xiàn)深松和培肥可打破土壤犁底層,顯著降低粘土和壤土10—30 cm土層范圍內(nèi)的土壤容重,改善粘土和壤土20—30 cm土層土壤固、氣、液三相狀況。研究表明,固相容積較大土層其相應(yīng)土壤容重也較大,土壤容重過大,會影響土壤水肥氣熱等,進(jìn)而影響作物根系在土壤中的穿插,對作物生長造成一定的影響[31]。Li等[32]研究表明,黑土的土壤容重在耕作后會隨著玉米生育進(jìn)程逐漸向初始狀態(tài)恢復(fù)。通過深松、深追肥和增施有機(jī)肥可有效減緩其恢復(fù)速率[33]。本研究中,與CK相比,Opt-2、Opt-3處理在拔節(jié)期深松后,固相比例有所下降,尤以乳熟期較為顯著,各土層平均分別降低了8.8%和7.4%。說明深松可有效增加土壤氣相,減少土壤固相所占比例,進(jìn)而增加土壤的通透性,減緩黑土自身容量的恢復(fù)速率,促進(jìn)了根系的有效下扎。
根系是作物氮素吸收的主要器官,在很多條件下控制和影響整個植株的生長發(fā)育,氮素吸收依賴于兩個方面,一是根系大小,二是根系吸收性能[34]。為了保證作物能夠?qū)崿F(xiàn)高產(chǎn)高效,不但需要土壤有充足的養(yǎng)分供給,適宜的土壤條件也尤為重要[35]。前人研究表明在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加種植密度、分次合理施氮和適期收獲等綜合農(nóng)藝措施優(yōu)化可提高深層根系分布比例,增加根系干重、根表面積,提升根系吸收肥水的能力[36],這與本文研究結(jié)果相一致。Opt-1、Opt-2、Opt-3處理下的根長、根重和根表面積均高于CK。吐絲期Opt-2、Opt-3處理在30—40 cm土層根長密度和根表面積較CK處理顯著增加,根長和根表面積比CK處理分別增加36.6%、44.6%和34.9%、37.1%,且在吐絲期后根系總干重均顯著大于CK和Opt-1處理,這說明深松促進(jìn)了植株根系的生長發(fā)育,增加了其根系在30—60 cm的分布比例。深層根系發(fā)達(dá)是超高產(chǎn)春玉米根系分布的主要特征,深層土壤根系比例的增加,更有利于玉米對土壤水分和養(yǎng)分的吸收,且深層土壤中根系環(huán)境相對穩(wěn)定,有助于增強(qiáng)植株對土壤不良環(huán)境的緩沖能力,提高抗逆性,延長根系活力,延緩生育后期根系衰老,保持根系對地上部營養(yǎng)和水分的供應(yīng)能力[31]。
本研究中最優(yōu)處理Opt-3產(chǎn)量和吸氮量較CK處理增幅分別達(dá)13.9%和9.5%。Opt-3處理下土壤液相和氣相比例顯著高于其他處理,為根系建成提供了良好的環(huán)境,在12展葉期即完成了深層 (30—60 cm) 根系的構(gòu)建,且至成熟期根長密度和根表面積仍顯著高于CK,有效地延長了根系對水分和養(yǎng)分的吸收時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)春玉米產(chǎn)量和效率的協(xié)同提高。
參 考 文 獻(xiàn):
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