施氮量對滴灌超高產(chǎn)春玉米根系 時空分布及產(chǎn)量的影響

楚光紅，章建新，高 陽，傅積海，唐長青，王 娜

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.阿克蘇地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 新疆 阿克蘇 843000； 3.伊寧縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 新疆 伊犁 835100)

根系是作物生長的重要器官，與產(chǎn)量形成密切相關(guān)。龐大的根系結(jié)構(gòu)和較高的根系活力往往是作物獲得高產(chǎn)的前提[1-2]。根系對作物的作用不僅取決于其生物總量的多少，還取決于它們的空間分布特征[3-5]。玉米栽培生產(chǎn)中，其根系生長不僅取決于自身品種特性，還受到土壤、氣候、地理位置等生態(tài)因子，以及耕作過程中灌水和施肥等方式的影響[6-8]。前人研究發(fā)現(xiàn)，玉米生產(chǎn)中合理施用氮肥可顯著提高玉米根干重、根長、根系吸收面積，有效延緩根系衰老，延長根系養(yǎng)分吸收活躍期，提高根系對土壤養(yǎng)分和水分的吸收能力，協(xié)調(diào)根系與莖葉籽粒之間的功能平衡，促進葉片進行光合物質(zhì)生產(chǎn)、積累和轉(zhuǎn)運，提高籽粒產(chǎn)量[9-11]。因此，明確氮肥對玉米根系生長的影響規(guī)律對玉米生產(chǎn)意義重大。

近年來，隨著滴灌技術(shù)的快速發(fā)展與推廣，水肥一體化的栽培技術(shù)在玉米生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。與此同時，相關(guān)滴灌模式下的玉米施肥技術(shù)研究得以全面展開。就目前而言，對于玉米滴灌施肥技術(shù)的研究大多著重于地上部分光合生理變化、干物質(zhì)積累轉(zhuǎn)運和產(chǎn)量相關(guān)的研究，而對于玉米根系生長特性的研究相對較少，特別是對滴灌超高產(chǎn)春玉米根系生長的研究相對缺乏。本文以氮肥為試驗因子，分析了不同施氮量對滴灌超高產(chǎn)春玉米根系生長時空分布特征的影響，旨在為滴灌超高產(chǎn)春玉米生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2014年在新疆伊犁哈薩克自治州伊寧縣薩地克于孜鄉(xiāng)進行(半干旱性氣候)。供試土壤為壤土，0～20 cm土層基礎(chǔ)肥力：有機質(zhì)20.3 g·kg-1，堿解氮73.92 mg·kg-1，速效磷11.5 mg·kg-1，速效鉀97 mg·kg-1，pH 8.5。播前隨翻耕施入重過磷酸鈣150 kg·hm-2。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置5個氮素水平(肥料為尿素)詳見表1，隨機區(qū)組排列，3次重復(fù)。小區(qū)面積32 m2，8行，行長8 m，株距20 cm，行距50 cm。供試材料為緊湊型春玉米品種新引KWS 2564。4月24日人工拉線點播，5葉期中耕定苗，理論留苗10×104株·hm-2。灌水方式為滴灌，毛管按“一管兩行”鋪設(shè)在兩行中間，全生育期不覆蓋地膜。生育期內(nèi)共滴水4次(6月17日、7月3日、7月18日和8月3日)，滴水總量為3 075 m3·hm-2。其它管理措施同大田。

表1 氮肥用量設(shè)計

1.3 測定項目與方法

分別于拔節(jié)期(V5)、大喇叭口期(V12)、吐絲期(R1)、乳熟期(R3)、成熟期(R6)進行取樣，每小區(qū)選取有代表性植株3株，將地上部取下后進行根系取樣。地上部分按器官分樣，105℃殺青30 min，80℃烘至恒重并稱重。根系取樣采用土壤剖面法，將土層劃分為0～20、20～40 cm和40～60 cm三個層次，以植株為中心取長0.5 m×0.2 m面積內(nèi)全部土壤，土壤挖出后裝入網(wǎng)袋低壓水槍沖洗根系，剔除雜質(zhì)，迅速吸干根系樣品表面水分，并采用李合生的TTC法測定各層根系活力，同時測定根系長度。將根樣烘干稱重并計算根干重密度和根長密度。成熟時每小區(qū)去除邊行及兩端2 m后，選取中間4行4 m長的玉米果穗全部收獲測定產(chǎn)量，另選連續(xù)20果穗進行考種(籽粒產(chǎn)量按含水率14%折算成實際產(chǎn)量)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2013和DPS 7.05軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，并繪制成圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對春玉米根干重及根干重密度的影響

由圖1可知，春玉米根干重主要集中在0～20 cm土層，其次是20～40 cm土層，40～60 cm土層最少，分別占總根干重的87.37%，10.56%和2.07%。增加施氮量顯著增加春玉米各土層根干重密度。乳熟期時處理間0～20 cm土層根干重密度表現(xiàn)為N300>N150>N0，處理N300根干重密度顯著高于N0和N150，分別高出62.00%和45.58%，而N300，N375和N450間無顯著差異，說明當施氮量超過300 kg·hm-2時對春玉米灌漿期的根系干物質(zhì)積累量增加無顯著效果。

2.2 施氮量對春玉米根長及根長密度的影響

由圖2可知，春玉米各土層根系長度分布規(guī)律同根干重分布規(guī)律基本一致，即0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，分別占到總根長的57.41%、25.44%和17.15%。施氮量不同導致處理間根系長度差異顯著。乳熟期時以處理N375各土層根長密度數(shù)值最大，顯著高于處理N0和N150，0～20、20～40 cm和40～60 cm的根長密度較處理N0分別高出142.37%、121.35%和123.36%，但與處理N300和N450之間無顯著性差異。說明，增加施氮量可以顯著提高春玉米各土層根系長度，當施氮量超過300 kg·hm-2時，氮肥對根系的伸長無顯著促進作用。

圖1 春玉米不同處理不同土層根系干重密度動態(tài)變化

圖2春玉米不同處理不同土層根長密度動態(tài)變化

Fig.2 Change of spring maize root length density among all treatments in different soil layer

2.3 施氮量對春玉米根系活力的影響

由圖3可知，增加施氮量顯著提高春玉米生育期內(nèi)各土層根系活力。乳熟期時0～20 cm土層根系活力以處理N300數(shù)值最高，三個土層根系活力較處理N0分別高532.76%、129.96%和81.91%，且明顯高于處理N375和N450。20～40 cm、40～60 cm土層根系活力均以處理N375數(shù)值最高，顯著高于處理N0和N150，0～20、20～40 cm和40～60 cm 的根系活力較處理N0分別高出52.58%、41.04%和113.71%，但與處理N300和N450之間無顯著性差異。雖然處理N375對20～60 cm土層根系活力的促進作用明顯高于處理N300，但在20～60 cm土層根干重水平相對0～20 cm土層根干重較低情況下，處理N375對整個根系活力的促進作用就不如處理N300那么明顯。說明，施氮量為300 kg·hm-2時更有利于提高春玉米根系對養(yǎng)分和水分的吸收能力。

2.4 施氮量對春玉米總根干重及根冠比的影響

由表2可知，春玉米生育期內(nèi)總根干重呈先升高后降低變化。施氮顯著提高春玉米各時期總根干重，明顯推遲其峰值出現(xiàn)的時間，處理N0和N150總根干重在吐絲期達峰值，處理N300、N375和N450總根干重在乳熟期達峰值。隨施氮量的增加，春玉米總根干重呈遞增變化，當施氮量超過300 kg·hm-2時，增加不再顯著，乳熟期時處理間總根干重表現(xiàn)為N300(N375、N450)>N150>N0。處理N300總根干重顯著高于N0和N150，分別高出55.06%和36.88%。生育期內(nèi)春玉米根冠比值呈下降變化，增加施氮量對春玉米根冠比值無太大影響，同一生育期處理間根冠比值均無顯著差異。說明施氮對春玉米根系和地上的促進作用是同步的，較大的根系生物量和較高的根系活力是地上部旺盛生長的基礎(chǔ)。

2.5 施氮量對春玉米產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響

由表3可知，增加施氮量顯著增加春玉米穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量，且處理N450、N375和N300均顯著高于N150和N0。處理N450、N375和N300穗粒數(shù)分別較N0增加10.2%、9.9%、9.0%，千粒重分別較N0增加13.5%、11.6%、9.8%，產(chǎn)量分別較N0增加39.9%、33.0%、32.2%。但隨著施氮量的增加，氮肥農(nóng)學利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力呈現(xiàn)降低趨勢。當施氮量為300 kg·hm-2時產(chǎn)量為17 000 kg·hm-2，此時農(nóng)學效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用率均較高，分別為13.79 kg·kg-1、56.68 kg·kg-1和50.05%，若繼續(xù)增加施氮量，穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量增加不顯著，且農(nóng)學利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥利用率持續(xù)降低，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

圖3 春玉米不同處理不同土層根系活力動態(tài)變化

注：不同的小寫字母表示在5%水平上差異顯著。下同。

Note: Different lowercase letters meant significant difference at 0.05 level. The same as below.

表3 產(chǎn)量構(gòu)成因素及氮肥利用效率

3 討 論

作物產(chǎn)量與根系生長發(fā)育密切相關(guān)，發(fā)達的根系總是伴隨著地上部的旺盛生長并獲得高產(chǎn)。張玉芹等[12]研究發(fā)現(xiàn)，超高產(chǎn)春玉米深層根系占總根重比例較大，最大根幅明顯下移，下層土壤根條數(shù)增加，且隨土層深度增加與對照的差異增大。齊文增等[13]研究發(fā)現(xiàn)，吐絲期和乳熟期是玉米干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期。因此，通過增加深層土壤中的根系分布有利于玉米干物質(zhì)積累而獲得超高產(chǎn)。本研究結(jié)果表明，滴灌條件下春玉米根干重主要集中在0～20 cm土層，占到總量的80%左右，且隨施氮量的增加總根重呈上升趨勢。同時本研究還表明，吐絲前施氮是構(gòu)建春玉米根系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵時期，而吐絲后施氮對根系的影響不如吐絲前明顯，當施氮量超過300 kg·hm-2時，處理間各土層根干重密度和根長密度均未表現(xiàn)出顯著性差異。

根系活力及其生理活性是衡量作物根系對養(yǎng)分吸收能力的重要指標。根系活力大，生理活性強，意味著根系對養(yǎng)分吸收能力強，特別是在春玉米生育后期有利于地上部分維持正常的生理功能，保證籽粒灌漿充分。然而，不同時期和不同深度的根系活力和活性對籽粒生產(chǎn)的作用不同。王啟現(xiàn)等[14]研究發(fā)現(xiàn)，施氮較不施氮顯著增加春玉米根系活力，且以施氮量和施氮期時期處理效果顯著。追加施氮量對根系活力的影響主要是上層土層的根系(0～40 cm)，而推遲施氮期，粗根系活力降低，但細根活力增加，且上層(0～40 cm)土層根系活力增加，而40 cm以下土層根系活力不受施氮期影響。本研究表明，施氮量300 kg·hm-2作用時，春玉米0～60cm深各土層根系活力均顯著得到提高，吐絲期增施氮肥，底層(40～60 cm)根系活力提高尤為明顯，顯著高于處理N0和N150，說明滴灌模式下適當增加吐絲期施氮量也是實現(xiàn)春玉米超高產(chǎn)的關(guān)鍵[14]。

增加密度和優(yōu)化施氮是實現(xiàn)玉米超高產(chǎn)的2個關(guān)鍵技術(shù)。本試驗為高密(10×104株·hm-2)種植，在不施基肥的情況下，利用滴灌施肥技術(shù)分別于春玉米拔節(jié)期、大喇叭口期和吐絲期追施不等量氮肥，成熟期籽粒產(chǎn)量依然達17 002.65～18 002.71 kg·hm-2。其原因是合理分配氮肥施用時期和用量，保證了春玉米吐絲前建立良好的根系結(jié)構(gòu)，灌漿期0～60 cm根系具有較高的吸收活力，有效延緩了根系過度衰老，增強根系對水分和養(yǎng)分的吸收，維持了地上部正常的光合物質(zhì)生產(chǎn)和轉(zhuǎn)運。并且本研究還發(fā)現(xiàn)，處理N450的根系活力在灌漿期受到抑制作用，尤其是吸收較活躍的20～40 cm土層根系抑制作用尤為明顯，這說明，吐絲期過多的增加氮肥比例并不利于超高產(chǎn)春玉米根系的生長。

4 結(jié) 論

各施氮春玉米根干重密度和根長密度隨生育進程推移表現(xiàn)先增加后降低變化，且根干重主要集中在0～20 cm土層。增加施氮量顯著提高春玉米根干物質(zhì)積累量，拔節(jié)期和大喇叭口期施氮主要促進春玉米構(gòu)建合理的冠層結(jié)構(gòu)和根系結(jié)構(gòu)，而吐絲期施氮顯著提高春玉米灌漿期深層(20～60 cm)根系對養(yǎng)分和水分的吸收能力。當施氮量為300 kg·hm-2左右時春玉米根系長勢最好，農(nóng)學利用率較高為13.8 kg·kg-1，籽粒產(chǎn)量達17 002 kg·hm-2，較不施氮處理增產(chǎn)顯著，平均增產(chǎn)32.10%。如繼續(xù)增加施氮量，各施氮處理間的根干重和根系活力均無顯著性差異，當施氮量增加到450 kg·hm-2時，根系生長表現(xiàn)出抑制作用；且農(nóng)學利用效率及氮肥偏生產(chǎn)效率均明顯下降。因此本試驗地區(qū)滴灌春玉米種植施肥方式可確定為拔節(jié)期結(jié)結(jié)合大喇叭口期配合吐絲期施氮300 kg·hm-2。

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