水肥耦合對(duì)夏玉米根系形態(tài)及產(chǎn)量的影響

隋凱強(qiáng)，趙龍剛，劉樹(shù)堂，皇甫呈惠，林少雯，陳晶培

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109)

作物生長(zhǎng)發(fā)育主要受水、肥2個(gè)因素的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的最大問(wèn)題是水資源不足和不合理施肥[1-4]，我國(guó)水資源在時(shí)間和空間上分布不均勻，干旱地區(qū)占我國(guó)土地面積的1/2以上，水分虧缺和肥力低下是制約我國(guó)北方旱作農(nóng)田生產(chǎn)力水平提高的兩大主要因素[5-8]。

合適的水肥耦合比能夠促進(jìn)作物的生長(zhǎng)并提高作物產(chǎn)量，水分缺乏對(duì)于作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響要明顯大于其他的環(huán)境因素，過(guò)度施肥會(huì)使肥料中養(yǎng)分流失，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，破壞生態(tài)環(huán)境[9-10]。水分能夠提高土壤肥料養(yǎng)分的有效性及礦化[11]，促進(jìn)作物根系對(duì)土壤肥料中養(yǎng)分的吸收利用，促進(jìn)根系吸收的養(yǎng)分向作物籽粒中轉(zhuǎn)移，提高百粒質(zhì)量，增加玉米的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[12]。土壤養(yǎng)分能夠促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，增強(qiáng)根系活力，提高對(duì)水分的吸收能力，促進(jìn)光合作用，增強(qiáng)代謝能力，提高水肥的利用與轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)對(duì)水分的吸收利用、提高作物的產(chǎn)量[13-14]。有機(jī)肥能改良土壤生理生化性質(zhì)，保持土壤肥力同時(shí)還具有保水功能，能夠促進(jìn)作物對(duì)水分的吸收利用?？梢?jiàn)，水分和養(yǎng)分二者對(duì)作物生長(zhǎng)的影響至關(guān)重要，在合理范圍內(nèi)能夠發(fā)揮水分和肥料的最大利用效率，達(dá)到節(jié)約水肥、保護(hù)環(huán)境、增加作物產(chǎn)量的目的[15]，如何解決水肥高效利用是我國(guó)綠色農(nóng)業(yè)上面臨的主要問(wèn)題，水肥耦合對(duì)于提高農(nóng)作物的品質(zhì)、產(chǎn)量以及節(jié)水節(jié)肥具有重要的意義。

關(guān)于水肥耦合對(duì)玉米產(chǎn)量影響的研究已經(jīng)有不少學(xué)者做出了很多成果，本研究的目的是通過(guò)不同的水肥處理，探討不同處理對(duì)玉米根系特征的影響以及產(chǎn)量模型的構(gòu)建，從而探索出最佳的水肥配比，起到以水促肥、以肥調(diào)水的作用，對(duì)于北方干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如何解決缺水條件下提高作物產(chǎn)量具有重要指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)萊陽(yáng)試驗(yàn)站防雨電動(dòng)棚內(nèi)，該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫14 ℃，近年來(lái)年降雨量600 mm，土壤類型為棕壤，pH值6.7，全氮量0.77 g/kg，堿解氮44.84 mg/kg，有效磷88.47 mg/kg，速效鉀31.3 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量11.19 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)水、氮、碳3個(gè)因素4 個(gè)水平，按“3414”最優(yōu)回歸設(shè)計(jì)方案布置試驗(yàn)，共14個(gè)處理，如表1所示。每處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列。小區(qū)面積為4 m2(2 m×2 m)，深度1.5 m，四周用磚砌水泥層隔離。磷肥(P2O5)90 kg/hm2，鉀肥(K2O)90 kg/hm2，作基肥一次性施入；有機(jī)肥中有機(jī)碳施用量為0，900，1 800，2 700 kg/hm2，作基肥一次施入，氮肥0，75，150，225 kg/hm2，氮肥1/3用作基肥，1/3在玉米拔節(jié)期追肥，1/3在玉米孕穗期追肥。試驗(yàn)水處理設(shè)置為相對(duì)含水量40%，50%，60%，70%。玉米品種為青農(nóng)11號(hào)，行距80 cm，株距25 cm。每小區(qū)24株(共3行，每行8株)。田間管理措施相同。

表1 試驗(yàn)處理Tab.1 Experimental design

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 玉米根系的測(cè)定 在玉米成熟期采用土壤剖面挖根法，以玉米植株為中心，取半徑20 cm、深度0～50 cm的玉米根系，取出后，將根系土壤用1 mm土壤篩進(jìn)行篩取細(xì)根，然后用STD4800SCANNER根系掃描儀對(duì)根系進(jìn)行掃描，再對(duì)掃描后的根系圖片用WinRhizo Program 2007進(jìn)行根系形態(tài)的分析。

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成 將成熟的玉米棒進(jìn)行考種，測(cè)定產(chǎn)量及各產(chǎn)量構(gòu)成因素，并記錄。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2013和Origin Pro 8.6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理繪制圖表，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析顯著性檢驗(yàn)、相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對(duì)玉米根系形態(tài)的影響

從表2可以看出，在所有處理中，T5的總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積都是最大，T1的指標(biāo)最小，T5的總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積分別是T1的2.89，2.41，2.68倍，且都呈顯著性差異。

在T4、T6、T7、T8處理(W2C2水平)中，總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積在一定的范圍內(nèi)隨著施氮量的增加而增加，差異達(dá)到顯著水平。其中，N1、N2、N3水平的總根長(zhǎng)分別比N0水平提高了的5.43%，11.20%，84.87%，N1、N2、N3水平的總根表面積比N0分別提高12.04%，27.28%，99.10%，該4個(gè)處理之間的總根體積也呈顯著性差異，T8、T4、T7相比T6分別提高了79.65%，24.61%，10.73%。T8的總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積分別是T1的2.43，2.36，2.14倍。由此可以看出，水和碳在一定水平條件下，氮對(duì)根系形態(tài)的影響呈顯著性差異。

在T2、T3、T4、T5處理(N2C2水平)中，總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積都隨著灌水量的增加而增加，W3水平顯著高于其他水平，T5的總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積在4個(gè)處理中都是最大的，T5的總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積相比T4分別提高96.33%，60.18%，79.87%，相比T2分別提高了144.5%，122.9%，138.14%，是T1的2.89，2.41，2.68倍。

在T4、T9、T10、T11(W2N2水平)中，T4與T10的根系形態(tài)指標(biāo)差異不明顯，總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積T11相比T9分別提高了46.08%，46.45%，35.72%，是T1的1.98，1.74，1.75倍。與T1相比，都呈顯著性差異，C3水平下的根系指標(biāo)顯著高于其他水平。

處理T12、T13、T14中，T14對(duì)總根長(zhǎng)、總根表面積、總根體積的影響差異顯著，而T12與T13相比，總根長(zhǎng)、總根表面積差異不顯著，總根體積差異顯著。

說(shuō)明在2個(gè)因素水平較低時(shí)，灌溉量的影響要大于氮、碳的影響。

表2 水肥耦合對(duì)玉米根系形態(tài)的影響Tab.2 Effect of coupling water and fertilizer on root morphology of maize

注：同列不同字母表示在0.05 水平上差異顯著(P<0.05)。表4同。
Note：Different letters indicate significant differences at P<0.05.The same as Tab.4.

表3 玉米根系形態(tài)及作物產(chǎn)量的相關(guān)性Tab.3 Correlation betweenroot morphology and yield

注：*、**.在 0.05和0.01水平上差異顯著。表5同。
Note：*，**.Significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels. The same as Tab.5.

相關(guān)分析結(jié)果表明(表3)，根系總長(zhǎng)與根系總表面積、根系總體積的相關(guān)性達(dá)到了極顯著正相關(guān)，產(chǎn)量與根系總長(zhǎng)、根系總表面積、根系總體積達(dá)到顯著正相關(guān)。

2.2 水肥耦合對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表4可以看出，在各項(xiàng)產(chǎn)量構(gòu)成要素中，T5的各產(chǎn)量構(gòu)成因素都是最高的，T1最低，且差異顯著。T5在穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)、百粒質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)中分別是T1的1.31，1.19，1.22，1.62倍，T5的產(chǎn)量相比T1提高了72.39%。

W2C2水平下，T8產(chǎn)量最大。在相同水、碳的條件下，隨著施氮量的增加玉米的穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)及百粒質(zhì)量都是增加的，N3水平下的穗行數(shù)、行粒數(shù)及百粒質(zhì)量指標(biāo)均顯著高于N0水平，N1、N2水平之間的行粒數(shù)、穗長(zhǎng)及百粒質(zhì)量差異不顯著，在灌水量、有機(jī)肥處于W2、C2水平時(shí)，施氮能使玉米產(chǎn)量提高6.59%～15.68%。

N2C2水平下，玉米的各項(xiàng)產(chǎn)量構(gòu)成要素和灌水量是顯著相關(guān)的，W3和W1、W0的差異性顯著，T5相比T2分別提高了24.72%，18.20%，23.66%，41.37%。W2和W3水平間的穗行數(shù)、行粒數(shù)差異顯著，產(chǎn)量達(dá)到顯著水平，相比T1處理，灌水使玉米產(chǎn)量提高19.78%～48.46%，說(shuō)明灌水能夠提高玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因素，增加產(chǎn)量。

從W2N2水平可以看出，C2、C3水平之間的差異不顯著，C3水平的各產(chǎn)量構(gòu)成要素最大，C0水平的各項(xiàng)指標(biāo)最小。C1和C2的差異不顯著，C0和C3水平之間的穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量差異顯著，穗長(zhǎng)差異不顯著，C3相比C0水平的行數(shù)、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)度、百粒質(zhì)量分別高9.07%，4.68%，2.78%，3.45%。在灌溉量、氮肥分別處于W2、N2水平時(shí)，施有機(jī)肥能使產(chǎn)量提高4.99%～9.67%。

在T12、T13、T14處理中，與T1相比，產(chǎn)量分別提高了33.32%，36.94%，48.38%。T12與T13的穗行數(shù)、行粒數(shù)差異不顯著，穗長(zhǎng)、百粒質(zhì)量差異顯著。T14與T12的各因子都呈顯著性差異，說(shuō)明灌水的影響要大于氮、碳的影響。

相關(guān)分析結(jié)果表明(表5)，產(chǎn)量與穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)、百粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成要素之間都達(dá)到了極顯著正相關(guān)。

表4 水肥耦合對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響Tab.4 Effect of coupling water and fertilizer on yield components

表5 玉米產(chǎn)量要素與產(chǎn)量影響的相關(guān)性Tab.5 Correlation between yield components and yield of maize

2.3 水肥耦合對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

2.3.1 水氮耦合對(duì)玉米產(chǎn)量的影響 以T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T12(C2水平)進(jìn)行擬合可以得出，灌水量和施氮量2個(gè)因素產(chǎn)生交互作用的回歸方程如下。

(R=0.998 5，F(xiàn)=133.82)

①

式中，X1表示灌水量、X2表示施氮量。經(jīng)檢驗(yàn)，回歸方程達(dá)顯著水平，可反映水氮的交互作用?；貧w方程系數(shù)X1、X2、X1X2是正值，說(shuō)明灌水量、施氮量、兩者耦合對(duì)于產(chǎn)量的影響為正效應(yīng)，比較X1、X2、X1X2系數(shù)絕對(duì)值的大小，可以得出，三者對(duì)于產(chǎn)量的影響順序?yàn)椋汗嗨?施氮量>水氮耦合?；貧w方程取最大值11 991.16 kg/hm2時(shí)，灌水量、施氮量的編碼分別是3和3，此時(shí)的土壤相對(duì)含水量是70%，施氮量是225 kg/hm2。

水氮的產(chǎn)量效應(yīng)呈拋物線，從圖1可以看出，產(chǎn)量隨著水氮的增加而增加，增加到一定程度后趨勢(shì)平緩，產(chǎn)量增加緩慢。在施氮量一定的條件下，產(chǎn)量會(huì)隨著灌溉量的增加而增加，水編碼值3的處理產(chǎn)量最大。在灌溉量一定的條件下，產(chǎn)量會(huì)隨著施氮量的增加而增加，增加的趨勢(shì)先增大后減小，在氮編碼值2以后，增加的產(chǎn)量差異不明顯，在有機(jī)碳編碼值為2，灌溉量為3的情況下，施氮量可以適當(dāng)減小。

圖1 不同水、氮水平下夏玉米產(chǎn)量模型Fig.1 Yield model of summer maize yield at different water and nitrogen levels

2.3.2 水碳耦合對(duì)玉米產(chǎn)量的影響 根據(jù)T2、T3、T4、T5、T9、T10、T11、T13(N2水平)的產(chǎn)量進(jìn)行擬合得到，水碳因素的產(chǎn)量回歸方程如下。

(R=0.998 4，F(xiàn)=129.40)

②

經(jīng)檢驗(yàn)，方程達(dá)到顯著水平，X1、X2、X1X2的系數(shù)為正值，影響為正效應(yīng)，根據(jù)絕對(duì)值的大小，對(duì)產(chǎn)量的影響順序?yàn)椋汗喔攘?施碳量>水碳耦合。產(chǎn)量最大為11 837.57 kg/hm2。水的編碼值3，碳的編碼值3，即相對(duì)含水量為70%，有機(jī)碳的含量為2 700 kg/hm2。

從圖2可以看出，在N2水平下，隨著有機(jī)碳量的增加，不同灌水量下的產(chǎn)量增加，碳編碼值2、3的產(chǎn)量增加不明顯。在同一施碳量下，產(chǎn)量隨著灌溉量的增大而增加。說(shuō)明在氮水平一定時(shí)，水碳耦合能增加玉米產(chǎn)量，由于有機(jī)肥具有保水性，涵養(yǎng)土壤水分，能提高土壤含水量，因此，在灌溉量低時(shí)水分能夠充分利用，確保植物正常生長(zhǎng)并提高產(chǎn)量。

圖2 不同水、碳水平下夏玉米產(chǎn)量模型Fig.2 Yield modelm of summer maize yield under different water and carbonlevels

2.3.3 氮碳耦合對(duì)玉米產(chǎn)量的影響 根據(jù)T4、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T14(W2水平)的產(chǎn)量進(jìn)行擬合得到，氮碳耦合的產(chǎn)量回歸方程如下。

Y=8 831.63+748.98X1+573.-104..21X1X2

(R=0.996 4，F(xiàn)=56.60)

③

經(jīng)檢驗(yàn)，該方程達(dá)到了顯著水平，施氮量、施碳量、氮碳耦合均為正效應(yīng)，對(duì)產(chǎn)量的影響順序?yàn)槭┑?施碳量>氮碳耦合。產(chǎn)量最大為11 411.64 kg/hm2，氮編碼值為3，碳編碼值為3。編碼值均達(dá)到了本試驗(yàn)設(shè)定的最大值。

如圖3所示，在氮編碼值0時(shí)，隨著有機(jī)碳含量的增加，產(chǎn)量增加的趨勢(shì)變緩，說(shuō)明在水分一定條件下單施過(guò)多有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量起到增加的效果不明顯。在同一碳水平下，產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，N3水平下產(chǎn)量最大。結(jié)果表明，單施肥料的效果不明顯，氮碳配合施用效果明顯，氮碳耦合具有正效應(yīng)，合適的碳氮比，利于微生物分解，提高土壤的養(yǎng)分，利于根系的生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量。

圖3 不同碳、氮水平下夏玉米產(chǎn)量模型Fig.3 Yield model of summer maize yield under different carbon and itrogen levels

根據(jù)產(chǎn)量進(jìn)行三元二次回歸分析得到，灌溉量、施氮量、施碳量的回歸方程如下。

(R=0.999 2，F(xiàn)=293.37)

④

經(jīng)檢驗(yàn)，方程達(dá)到極顯著水平，在本試驗(yàn)的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，對(duì)產(chǎn)量的影響因素為灌溉量>施碳量>施氮量。根據(jù)回歸方程得出，當(dāng)3個(gè)編碼值都為3時(shí)，最大產(chǎn)量為12 393.69 kg/hm2，水肥用量分別為：相對(duì)含水量70%，施氮量225 kg/hm2，施碳量2 700 kg/hm2。

3 結(jié)論與討論

韓希英等[16]研究表明，干旱脅迫會(huì)抑制玉米根系生長(zhǎng)，減少根系吸收面積，阻礙根系對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，最終導(dǎo)致玉米減產(chǎn)。葛體達(dá)等[17]研究指出，在土壤水分缺乏的條件下，玉米的穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、行粒數(shù)、行數(shù)、百粒質(zhì)量都會(huì)顯著減少。申麗霞等[18]研究表明，氮素對(duì)于玉米的生長(zhǎng)發(fā)育具有同樣重要作用，施氮處理的根長(zhǎng)、根表面積、根體積明顯高于不施氮的處理，氮素可以促進(jìn)玉米營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)，對(duì)地上生物量、干物質(zhì)的積累有較大影響，可以提高玉米穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量等其他產(chǎn)量構(gòu)成要素，以提高作物產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量[19-21]，王艷等[22]研究表明，過(guò)量施氮?jiǎng)t會(huì)抑制根系的生長(zhǎng)和其他的生物量。本試驗(yàn)中，水肥耦合對(duì)根系形態(tài)有顯著影響，灌水的影響要大于施氮，這與溫立玉等[23]、賀冬梅[24]的研究結(jié)果相一致。而楊蕊菊等[25]在水、氮、磷耦合對(duì)小麥、玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響研究中指出，氮肥對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大，水分次之，磷肥最小，路亞等[26]研究顯示，在水肥耦合中對(duì)產(chǎn)量的影響順序?yàn)樗?氮>鉀。在本試驗(yàn)中，對(duì)產(chǎn)量的影響順序?yàn)樗?碳>氮，說(shuō)明對(duì)產(chǎn)量的影響因素順序會(huì)因不同的試驗(yàn)處理方式不一致?？赡苁怯捎诒驹囼?yàn)中施用有機(jī)肥進(jìn)行耦合，有機(jī)肥能夠促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增強(qiáng)土壤的保肥保水能力，改良土壤條件，提高肥料的利用效率，以利于植物根系生長(zhǎng)，達(dá)到較好的水肥耦合結(jié)果，從而提高產(chǎn)量。

在本施驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，根據(jù)產(chǎn)量得到三元二次方程Y=6 723.94+1 589.98X1+470.79X2+182.50X3-194.23X12-74.70X22-78.66X32+42.12X1X2+98.28X1X3+89.39X2X3，在相對(duì)含水量70%，施氮量225 kg/hm2、施碳量2 700 kg/hm2時(shí)，得到最大產(chǎn)量為12 393.69 kg/hm2。試驗(yàn)結(jié)果表明，水肥耦合對(duì)提高玉米產(chǎn)量有顯著影響，在保證獲得最大產(chǎn)量的情況下，通過(guò)合理的水、氮、碳耦合，以發(fā)揮出水肥的最大功效，在達(dá)到增產(chǎn)的同時(shí)減少肥料的投入，對(duì)于肥料的零增長(zhǎng)具有重要的參考意義。