滴灌條件下施氮量對冬小麥根系生長及產(chǎn)量的影響

姜麗娜，朱婭林，張雅雯，趙凌霄

(河南師范大學 生命科學學院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

小麥根系不僅是多種激素、氨基酸和有機酸合成的重要場所，還是水分和養(yǎng)分吸收的重要器官，在植株-土壤生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色[1-3]。小麥根系的生長和時空分布規(guī)律與其地上部的生長發(fā)育、籽粒產(chǎn)量以及水肥利用效率等密切相關(guān)[4-6]。

適宜的水氮管理方式可以調(diào)節(jié)小麥根系的生長[7-8]，促進水氮利用效率和籽粒產(chǎn)量的提高，避免造成地下水污染[9-13]。滴灌是先進的節(jié)水灌溉技術(shù)，它能減少地表徑流、棵間蒸發(fā)和深層滲漏，最大程度降低農(nóng)業(yè)灌溉水的浪費[14]。除此之外，滴灌最大的優(yōu)點在于其能在任何時間和任何地點將水分和養(yǎng)分通過地面滴灌系統(tǒng)直接輸送到作物的根區(qū)附近，形成一個橢圓區(qū)域，使水分和養(yǎng)分在土壤中均勻分布，以保證水肥被根系快速吸收[15]。有研究表明，適宜的滴灌量能夠積極調(diào)控小麥根區(qū)的水分狀況，使根系合理地生長與分布，最大限度地增加根系的吸收面積，增強根系活力，提高水分利用效率，增加產(chǎn)量[16-17]。施用氮肥是小麥生產(chǎn)中一個最關(guān)鍵的管理措施[18-19]。對于小麥而言，氮素的供應無論是對于地上部植株還是地下部根系的生長發(fā)育，都是不可或缺的[20-21]。有研究表明，適宜的施氮量能促進根系在土壤中的延伸和分布，增強根系對水分和養(yǎng)分的吸收[22-23]，而過量施用氮肥會使小麥根系的生長受到嚴重抑制[24]。

目前，關(guān)于施氮量對滴灌種植條件下冬小麥根系生長影響的研究較少[25]。段麗娜等[25]在新疆維吾爾自治區(qū)大田條件下研究施氮量對滴灌冬小麥根系生長及產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，拔節(jié)期至成熟期0～60 cm土層根系干質(zhì)量、根系長度和根系活力均增加。然而在大田種植條件下，小麥根系的生長環(huán)境比較特殊，導致對其的研究手段和方法受到諸多因素的限制，所以對小麥根系的研究一直是田間小麥栽培工作中比較薄弱的領(lǐng)域[26]。另外，在大田試驗條件下，施入土壤中的水分和養(yǎng)分存在下滲、徑流等損失情況[27-28]，而使用根箱對小麥進行種植，不僅能在一定程度上避免水氮的損失，還能為根系的觀察和取樣提供極大便利[29]。目前，尚未見關(guān)于滴灌條件下施氮量對根箱冬小麥生長及產(chǎn)量的影響研究。為此，分析比較了滴灌條件下不同施氮量對根箱種植的冬小麥0～40 cm土層根系生長及產(chǎn)量的影響，以期為豫北地區(qū)冬小麥的高產(chǎn)高效栽培提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于2017—2018年在中國農(nóng)業(yè)科學院新鄉(xiāng)綜合試驗站(113°45′E、35°09′N)進行，該區(qū)為北溫帶大陸性季風氣候，光熱資源充足，年降雨量適中。土壤為黏壤質(zhì)潮土，前茬為夏玉米，收獲后秸稈不還田。0～20 cm土壤含有機質(zhì)31.3 g/kg、速效氮106.8 mg/kg、速效磷4.9 mg/kg、速效鉀42 mg/kg。

供試冬小麥品種為矮抗58，由河南科技學院小麥中心提供。

1.2 試驗設計

試驗采用根箱(長110 cm、寬50 cm、高60 cm)種植，于2017年10月29日根據(jù)根箱尺寸縱向6行等行距(20 cm)人工開壕溝播種，冬小麥播種量為225 kg/hm2。滴灌毛管設置為1管2行，兩毛管之間的距離為40 cm。氮肥設置5個水平，N0：全生育期不施氮，N1、N2、N3、N4處理分別表示在播前施純氮120 kg/hm2的基礎上，隨拔節(jié)期滴灌施純氮0、60、120、180 kg/hm2。各處理隨機區(qū)組排列，設置3個重復。翻地前基施P2O5150 kg/hm2、K2O 270 kg/hm2，灌底墑水。底墑水、越冬水、拔節(jié)水、開花水、灌漿水均采用滴灌，用量均為375 m3/hm2。2018年6月4日收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 根樣采集及測定 分別于2018年冬小麥拔節(jié)期(3月28日)、抽穗期(4月19日)、灌漿期(5月9日)在滴灌毛管間距1/2處選代表性植株，緊貼著地面剪去根鉆底面積(10 cm×10 m)范圍內(nèi)的植株地上部后，將內(nèi)體積為10 cm×10 m×10 cm(麥行方向×垂直麥行方向×高)的根鉆敲打入相應的土層，連同土樣取出根鉆。土樣共取4層，分別為0～10、10～20、20～30、30～40 cm，設2次重復。隨后及時將取回的立方土樣放于孔徑為149 μm的尼龍網(wǎng)中進行清洗，快速分離出根系。用根系掃描儀進行掃描并利用相應軟件分析各氮肥處理不同土層的根系長度，之后將根系樣品烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量，并計算根長密度與根質(zhì)量密度。

1.3.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的測定 于成熟期(6月4日)，在未進行根系取樣的各氮肥處理根箱內(nèi)調(diào)查冬小麥有效穗數(shù)，隨后在各處理根箱內(nèi)取15株冬小麥進行考種，測定穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等，最后實收根箱內(nèi)的籽粒計算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

試驗數(shù)據(jù)運用Excel 2010統(tǒng)計軟件和SPSS 17.0分析軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌條件下施氮量對冬小麥根長密度的影響

由表1可知，不同處理0～40 cm土層內(nèi)冬小麥的根長密度均表現(xiàn)為抽穗期>灌漿期>拔節(jié)期。隨著施氮量增加，冬小麥的根長密度先增加后降低。拔節(jié)期，所有施氮處理0～40 cm土層的根長密度均顯著高于N0處理，施氮處理之間無顯著差異，這可能是由于N0處理無底肥施入，冬小麥的根系無法得到充足的養(yǎng)分，從而限制了根系的生長。抽穗期，各處理的根長密度均較拔節(jié)期明顯增加，N0處理仍顯著低于所有施氮處理，表現(xiàn)為N3>N4>N2>N1>N0，N3與N4處理之間無顯著差異，說明拔節(jié)期追施適量氮肥可促進冬小麥根系的生長。灌漿期，各處理的根長密度均大幅下降，但仍以N3、N4處理較大，這可能是由于適量增施氮肥可以使冬小麥生育后期維持較高的根量；N0處理根長密度最小。

表1 滴灌條件下施氮量對0～40 cm土層冬小麥根長密度的影響 Tab.1 Effect of nitrogen application amount on root length density of winter wheat in 0～40 cm soil layer under drip irrigation ×103 m/m3

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間的差異達到顯著水平(P<0.05),下同。

Note： The different lowercase letters after data of the same column mean significant differences among different treatments(P<0.05),the same below.

2.2 滴灌條件下施氮量對冬小麥根長垂直分布的影響

由圖1可知， 施氮量對冬小麥根長的空間分布有明顯的調(diào)控作用。各生育時期各處理的根長主要分布在0～10 cm土層。隨著土壤深度增加，各處理不同生育時期冬小麥的根長密度大多逐漸降低，少數(shù)處理30～40 cm土層的根長密度有小幅回升。這可能是由于根箱深度的限制，使得下扎的根系堆積在根箱底層。

圖1 滴灌條件下施氮量對不同土層冬小麥根長垂直分布的影響Fig.1 Effect of nitrogen application amount on vertical distribution of root length of winter wheat in different soil layers under drip irrigation

拔節(jié)期至灌漿期，所有施氮處理0～40 cm不同土層的根長密度均明顯高于N0處理,并均在抽穗期達到最大。抽穗期，N1、N2、N3、N4處理0～10 cm土層的根長密度分別較N0處理增加了17.90%、23.18%、29.89%、28.76%，且各處理20～40 cm土層的根長密度占0～40 cm土層根長密度的比例表現(xiàn)為N3>N4>N1>N2>N0，這表明適量增施氮肥既有利于增加表層又有利于增加深層土壤根系的根長密度?？傮w來說，適宜施氮量下0～40 cm土層根長密度的增加主要是0～10 cm土層根長密度增加的結(jié)果，拔節(jié)期至灌漿期均以N3和N4處理的根系較長。

2.3 滴灌條件下施氮量對冬小麥根質(zhì)量密度的影響

作為衡量冬小麥根系發(fā)達程度的重要指標，冬小麥根干質(zhì)量是根系生長狀況的集中反映。由表2可知，與根長密度相同，不同處理0～40 cm土層內(nèi)冬小麥的根質(zhì)量密度也表現(xiàn)為抽穗期>灌漿期>拔節(jié)期。拔節(jié)期，所有施氮處理0～40 cm土層的根質(zhì)量密度均顯著高于N0處理，施氮處理之間無顯著差異，這可能是由于N0處理無底肥施入， 抑制了冬小麥根系生物量的增加。抽穗期，各處理的根質(zhì)量密度表現(xiàn)為N3>N4>N2>N1>N0，其中，N1、N2、N3、N4處理的根質(zhì)量密度分別較N0處理增加了21.66%、27.89%、35.48%、34.34%，N3與N4處理之間無顯著差異。灌漿期，各處理的根質(zhì)量密度較抽穗期均有所下降，但仍以N3和N4處理較大，其中，N1、N2處理的根質(zhì)量密度分別下降了26.05%、23.93%，N3、N4處理則分別下降了21.75%、17.17%，這說明適宜的施氮量既可以促進冬小麥根系長度的增加，還可以使冬小麥生育后期保持較高的根系生物量。

表2 滴灌條件下施氮量對0～40 cm土層冬小麥根質(zhì)量密度的影響

2.4 滴灌條件下施氮量對冬小麥根質(zhì)量垂直分布的影響

由圖2可知，各生育時期各處理的根質(zhì)量主要分布在0～10 cm土層。與根長密度相同，隨著土層深度的增加，各處理不同生育時期冬小麥的根質(zhì)量密度大多呈逐漸降低的趨勢，少數(shù)處理30～40 cm土層的根質(zhì)量密度有小幅回升，這也許是由于根箱深度的限制，使得下扎的根系都堆積在根箱底層。

圖2 滴灌條件下施氮量對不同土層冬小麥根質(zhì)量垂直分布的影響Fig.2 Effect of nitrogen application amount on vertical distribution of root weight of winter wheat in different soil layers under drip irrigation

拔節(jié)期至灌漿期，所有施氮肥處理0～40 cm不同土層的根質(zhì)量密度均明顯高于N0處理，并均在抽穗期達到最大值。抽穗期，N1、N2、N3、N4處理0～10 cm土層的根質(zhì)量密度分別較N0處理增加了32.37%、40.19%、52.30%、50.89%，但各處理 20～40 cm土層的根質(zhì)量密度占0～40 cm土層根質(zhì)量密度的比例表現(xiàn)為N0>N1>N2>N4>N3，這表明施加氮肥使根系生物量主要集中在表層土壤?？偟膩碚f，適宜施氮量下0～40 cm土層根質(zhì)量密度的增加主要是0～10 cm土層根質(zhì)量密度增加的結(jié)果，拔節(jié)期至灌漿期均以N3和N4處理根質(zhì)量密度較大。

2.5 滴灌條件下施氮量對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表3可知，且隨著施氮量增加，冬小麥產(chǎn)量總體顯著提高，所有施氮處理均顯著高于N0處理，N1、N2、N3、N4處理分別較N0處理提高13.48%、19.02%、24.90%、25.16%，N3與N4處理顯著高于其他處理,且兩者之間差異不顯著。除產(chǎn)量外，穗數(shù)和穗粒數(shù)也總體隨著施氮量的增加而增加，其中，施氮處理穗數(shù)均顯著高于N0處理，N3、N4處理穗粒數(shù)均顯著高于N0處理；而千粒質(zhì)量卻隨著施氮量的增加先增加后降低，以N2處理最高，各施氮處理均與N0處理無顯著差異。綜上，增施氮肥可增加冬小麥產(chǎn)量，且產(chǎn)量的增加主要是穗數(shù)和穗粒數(shù)增加的結(jié)果，適宜施氮量為240～300 kg/hm2，在此條件下產(chǎn)量可達9 286.62～9 306.04 kg/hm2。

表3 滴灌條件下施氮量對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.3 Effect of nitrogen application amount on yield and its components of winter wheat under drip irrigation

3 結(jié)論與討論

現(xiàn)有的研究表明，氮肥顯著影響冬小麥根系的生長發(fā)育[30]。施用氮肥可以促進小麥地上部的生長發(fā)育，擴大根群，增加根質(zhì)量，增強根系功能[31]。常規(guī)灌溉條件下，在一定范圍內(nèi)，增加施氮量可以促進冬小麥根系的生長，但過度施用則會嚴重抑制根系的正常生長發(fā)育[21,32-33]。段麗娜等[25]研究表明，隨著施氮量(90～270 kg/hm2)的增加，拔節(jié)期至花后28 d，0～60 cm土層的冬小麥根長和根干質(zhì)量以及籽粒產(chǎn)量均增加；施氮量達360 kg/hm2時，根長、干質(zhì)量與產(chǎn)量不再增加。李雙雙等[30]比較不同施氮量處理春小麥根系生長情況發(fā)現(xiàn)，適宜的施氮量可有效改善春小麥的根系生長狀況，促進春小麥根系的生長。馬冬云等[3]的研究表明，冬小麥的根質(zhì)量密度和單株根干質(zhì)量均隨著生育期的推進在抽穗期達到最大值。邱喜陽等[21]研究施氮量對冬小麥根系生長分布的影響發(fā)現(xiàn)，各處理冬小麥0～40 cm土層的根質(zhì)量密度均在抽穗期達到最大。本研究結(jié)果表明，各處理0～40 cm土層冬小麥根系的根長密度、根質(zhì)量密度以及其在各土層的垂直分布均在抽穗期達到最大；隨著施氮量(120～240 kg/hm2)增加，抽穗期和灌漿期0～40 cm土層的根長密度、根質(zhì)量密度以及各土層(20～30 cm土層除外)的根長密度、根質(zhì)量密度均增加；施氮量達300 kg/hm2時，根長密度和根質(zhì)量密度以及各土層的根長密度、根質(zhì)量密度均不再顯著增加甚至有所下降，總體上與前人[3,21,30]研究結(jié)果一致或相似。

冬小麥的根系主要分布在耕作層(0～20 cm)，增施氮肥不僅可以促進總根量的增加，還可以使根系在土壤中的垂直分布遞減率增大，促使表層根系生物量增加，而深層根系生物量減少[34]。在本研究中，各生育時期各處理的根系主要分布在0～10 cm土層，且隨著土層深度的增加，根長和根質(zhì)量大多逐漸降低，少數(shù)處理30～40 cm土層的根長和根質(zhì)量有小幅回升。除此之外，適量施氮既有利于增加表層土壤的根長密度，又有利于增加深層土壤的根長密度，但是卻使根系生物量集中在表層土壤，這與前人[34]結(jié)果一致。

有研究表明，施氮量對小麥的籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)及收獲指數(shù)具有明顯的調(diào)控效應[35-36]，但對千粒質(zhì)量的影響卻不顯著[37]。也有研究表明，適量施氮對冬小麥的穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量均影響顯著，而穗數(shù)在各氮肥處理間的差異則比較小，說明隨著產(chǎn)量水平的提高，產(chǎn)量主攻目標也應隨之改變[38]。本研究結(jié)果表明，施氮可增加冬小麥產(chǎn)量，且產(chǎn)量的增加主要歸因于穗數(shù)和穗粒數(shù)的增加，千粒質(zhì)量對其影響不大。本研究中，0～40 cm土層冬小麥根系的總根長、總根質(zhì)量以及其在不同土層的分布均以N3、N4處理較大，產(chǎn)量也以N3、N4處理較高，也就是說各小麥根系生長達到較好狀態(tài)的施氮量范圍與其獲得較高產(chǎn)量的施氮量范圍是一致的，這充分說明適宜的施氮量可以促進根系的正常生長，從而增加冬小麥對水分和養(yǎng)分的吸收和群體物質(zhì)生產(chǎn)能力，進而增加有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，最終提高產(chǎn)量。

本試驗條件下，在施氮量為240～300 kg/hm2時，冬小麥產(chǎn)量為9 286.62～9 306.04 kg/hm2，是冬小麥地上部與地下部協(xié)調(diào)發(fā)展的最適施氮范圍。由此可知，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上可以優(yōu)化作物的氮肥供應，積極促進冬小麥根系的合理生長發(fā)育，從而更有效地穩(wěn)定小麥的產(chǎn)量構(gòu)成因素以達到高產(chǎn)的目的[21]。本研究是在根箱種植條件下進行的，根箱種植能夠最大程度上反映田間植株-土壤系統(tǒng)的特性，最明顯的優(yōu)點是具有根系觀察的直觀性和取樣的便捷性[29]。因此，有關(guān)滴灌高產(chǎn)的氮肥運籌技術(shù)，可以利用根箱種植，結(jié)合小麥的基因型、土壤的肥力狀況以及環(huán)境的優(yōu)化，進一步探討氮肥調(diào)控對冬小麥根系生長的影響，以最大限度地提高小麥產(chǎn)量。