春玉米節(jié)根抗拉能力對耕作措施的響應(yīng)

劉勝群，佟殿文，莊文君，宋鳳斌，楊小琴,3，李向楠

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 吉林 長春 130102；2.敦化市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，吉林 敦化 133700； 3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

合理的耕作措施可改善土壤結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)耕層土壤的水、肥、氣及熱，創(chuàng)造適宜根系生長發(fā)育的土壤環(huán)境，從而有利于玉米根系生長發(fā)育，進(jìn)而實現(xiàn)提高作物產(chǎn)量的目的[1-2]。反之，不合理的耕作措施會引起土壤質(zhì)量下降，抑制根系生長。

作物根系不但對植株起著固持作用，使其保持直立狀態(tài)，還起著吸收水分、養(yǎng)分，合成多種生理活性物質(zhì)等的重要功能，對作物的生長至關(guān)重要[3-6]。玉米單株生產(chǎn)力較高，其地上部分依賴于根系的強有力支撐。如果這種固持能力失效，玉米則會發(fā)生根倒伏[7]。根系力學(xué)特征與根系的錨固能力關(guān)系密切，并最終影響植株抗倒伏能力[8]。倒伏影響玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)[9-10]。耕作措施影響土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響根系生長。但耕作措施是否影響根系力學(xué)特性，尤其是關(guān)于耕作方式對根系抗拉能力影響的研究還較少。本文在吉林省黑土區(qū)開展耕作方式對玉米根系抗拉能力影響研究，以期為建立合理的抗逆豐產(chǎn)耕作方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料和實驗設(shè)計

試驗在吉林省長春市中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所試驗基地(44°12′N，125°34′E)進(jìn)行。供試土壤為黑土，0～20 cm 耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為26.9 g·kg-1、全氮1.21 g·kg-1、全磷1.06 g·kg-1、 全鉀16.87 g·kg-1、 速效氮118.8 mg·kg-1、速效磷18.0 mg·kg-1、速效鉀111.0 mg·kg-1，均勻壟種植玉米,壟距65 cm。

試驗設(shè)置2種方式，即壟作中耕(RP)和平作(FP)。壟作于秋季收獲后對農(nóng)田進(jìn)行滅茬并旋耕整地，春季播種前對農(nóng)田進(jìn)行耕作起壟，壟高20 cm，壟上播種玉米，從播種后至拔節(jié)期進(jìn)行2 次中耕培壟；平作(FP)處理秋收后對農(nóng)田滅茬并旋耕整地，使土地平整，春季平地播種，整個生育期間不再進(jìn)行土壤耕作。試驗采用大區(qū)種植，面積為500 m2。供試玉米品種為先玉335(XY335)和鄭單958(ZD958)，種植密度為6.2 萬株·hm-2。氮肥施用量為225 kg·hm-2，P2O5施用量為75 kg·hm-2，K2O 施用量為150 kg·hm-2，其中33%的氮肥和全部磷、鉀肥作為基肥施入。在壟作中耕處理中，剩余氮肥在玉米拔節(jié)期結(jié)合中耕培土施入農(nóng)田；平作處理中的追肥也是在拔節(jié)期進(jìn)行，選擇下雨前一天將肥料施于苗帶一側(cè)的地表。其他田間管理措施相同，全生育期無灌溉。2013年5月1日播種，9月30日收獲。

1.2 測定方法

玉米灌漿期，采用“S”法進(jìn)行取樣。先將所選擇的植株兩側(cè)表土用鑷子輕輕剝離，然后沿著根系的走勢，將根系周圍的土壤剝離，在根與莖節(jié)連接處下方 5～15 cm位置將根系剪下，做好標(biāo)記，用于進(jìn)一步分析。所取根系是按照其在基部莖節(jié)所在位置加以區(qū)分，胚芽鞘上生長的第一輪節(jié)根，記為第一層節(jié)根，記為“S1”,自下而上，分別為第二層節(jié)根，記為“S2”，第三層節(jié)根，記為“S3”，以此類推。每株玉米的各層節(jié)根各取3條。

測試前，首先將根系上附著的土壤去除，用游標(biāo)卡尺測量根系直徑(D)，用SANS公司的CMT2502型電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行根系力學(xué)指標(biāo)測試，用夾子分別夾在根系的上下兩端，而后一端勻速運動，另一端靜止，直至根系斷裂。記錄根系最大拉斷力(Fmax)[11]，并按照下面公式計算出根系的抗拉強度(Ts)。

Ts=4Fmax/πD2

1.3 統(tǒng)計分析

根據(jù)試驗所得到的數(shù)據(jù)計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差(SE)。采用Origin 8進(jìn)行作圖，用平均值做柱狀圖，用標(biāo)準(zhǔn)誤差的數(shù)值作為誤差線。數(shù)據(jù)用SPSS16.0軟件進(jìn)行方差分析。所有的差異顯著性分析均在P<0.05水平上進(jìn)行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 單株根數(shù)量

圖1為鄭單958和先玉335在壟作中耕和平作下的單株玉米節(jié)根數(shù)量。與平作條件下相比，壟作中耕條件下的單株玉米節(jié)根數(shù)量顯著高于平作(P<0.05，圖1)。鄭單958壟作中耕較平作條件下高11條·株-1，先玉335壟作中耕較平作條件下高10條·株-1。

2.2 較高莖節(jié)的節(jié)根數(shù)量

圖2為壟作中耕和平作條件下鄭單958和先玉335的第五輪及其以上的節(jié)根數(shù)量之和。兩品種玉米的較高莖節(jié)節(jié)根的數(shù)量均是壟作中耕條件下的顯著高于平作(P<0.05)，鄭單958壟作中耕較平作條件下多出15條根·株-1，先玉335在壟作中耕較平作條件下高10條根·株-1。

注：不同的字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著，下同。

Note:Different lower letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.

圖1 壟作中耕和平作下單株玉米節(jié)根數(shù)量
Fig.1 Number of nodal roots per plant of
maize under ridge tillage or no tillage

圖2 壟作中耕和平作下玉米較高莖節(jié)上節(jié)根數(shù)量
Fig.2 Number of nodal roots at higher nodes
per plant of maize under ridge tillage or no tillage

2.3 根系的最大拉力

玉米不同節(jié)根的最大拉力見圖3。第一輪節(jié)根的最大拉力最低，自基部向上，節(jié)根最大拉力逐漸增加，第六輪節(jié)根的最大拉力最大，而后又降低。

不同耕作方式相比較，除第四輪節(jié)根外，其它節(jié)根的最大拉力在壟作中耕和平作條件下差異均未達(dá)到顯著水平。而第四輪節(jié)根的最大拉力在壟作中耕和平作條件下差異達(dá)顯著水平，兩品種均為平作條件下的節(jié)根最大拉力大于壟作中耕。

注：S1-S7分別代表第一輪節(jié)根至第七輪節(jié)根。

Note: S1-S7 mean the nodal roots from first wheel to seventh wheel.

圖3 壟作中耕和平作下鄭單958節(jié)根和先玉335節(jié)根的最大拉力
Fig.3 Maximal tensile force of nodal roots of ZD 958 and XY 335 under ridge tillage or no tillagee

2.4 根系的抗拉強度

不同類型根的抗拉強度見圖4。從圖中可以看出，第一輪節(jié)根至第三輪節(jié)根的抗拉強度較大，而第四輪以上節(jié)根的抗拉強度較小。不同耕作方式相比較各節(jié)根的抗拉強度在壟作中耕和平作條件下差異均未達(dá)到顯著水平。

圖4 壟作中耕和平作下鄭單958節(jié)根和先于335節(jié)根的抗拉強度
Fig.4 Tensile strength of nodal roots of ZD 958 and XY 335 under ridge tillage or no tillage

3 討 論

耕作方式可改變土壤狀況，進(jìn)而影響根系生長和功能。宋日等研究認(rèn)為，增加培土高度可使玉米節(jié)根數(shù)量增加28.9%[12]。劉朝巍等認(rèn)為，深松方法能有效緩解土壤的板結(jié)問題，打破犁底層，降低土壤容重，增加根分支，促進(jìn)根系向下生長，增強抗根倒伏能力[13]。寬窄行深松處理有利于玉米根系生長，促進(jìn)根系向水平和垂直方向的生長，從而增加根系的總量。但叢艷軍等研究顯示，多次中耕不利于玉米抗倒伏，反而會加重玉米倒伏[14]。根系可以對其所在土壤狀況的改變做出反應(yīng)，調(diào)節(jié)自身生長發(fā)育，從而影響根系構(gòu)型分布[15]。本研究結(jié)果顯示，壟作中耕與平作相比較，玉米根系的節(jié)根數(shù)量存在顯著差異，壟作中耕條件下的玉米根系數(shù)量高于平作，且這種根系數(shù)量的增加主要是由于第五輪以上節(jié)根數(shù)量的增加。研究顯示，玉米根系較高莖節(jié)的節(jié)根數(shù)量多少與根系倒伏抗性有關(guān)[7]，較高莖節(jié)節(jié)根尤其是氣生根數(shù)量的增加，有利于作物抗根倒伏能力的增強。

作物根系的固定和支撐功能是根系的最重要的功能之一，它可以使植株保持直立狀態(tài)。玉米高大的地上部依靠根系的強有力支撐，使之保持直立狀態(tài)，否則植株將發(fā)生傾斜，即發(fā)生根倒伏[7]。根倒伏影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，并給機(jī)械收獲帶來困難[16-17]。因此，抗根倒伏能力對于玉米生產(chǎn)十分重要。研究顯示，根倒伏發(fā)生經(jīng)常伴隨著疾風(fēng)驟雨發(fā)生。當(dāng)疾風(fēng)作用于玉米時，玉米迎風(fēng)側(cè)的根系因受力而拉伸。因此，玉米根系抗拉伸能力與根倒伏抗性密切相關(guān)。研究顯示，玉米最大抗拉力和抗拉強度是根系抗拉能力的重要表征，根系重要的力學(xué)指標(biāo)[18]，其最大抗拉力和抗拉強度也是表征玉米根倒伏抗性的一個重要研究內(nèi)容。

本研究比較了平作和壟作中耕條件下，玉米不同節(jié)位節(jié)根的抗拉能力，結(jié)果顯示，第四輪節(jié)根的最大拉力在壟作中耕和平作條件下差異達(dá)顯著水平，兩品種均為平作條件下的大于壟作中耕。我們推測，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是多方面的。首先，可能與第四輪節(jié)根的生長發(fā)育特點有關(guān)，我們前期研究顯示，第四輪節(jié)根的水平橫向伸展的距離較大[19]，因此，中耕培土機(jī)械可能對第四輪節(jié)根造成傷害，甚至是斷裂，這種傷害可能會影響第四輪節(jié)根的力學(xué)特征；其次可能與根系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)[20-21]，因為，在中耕培土操作時，正值第四輪節(jié)根快速生長期間，由于中耕培土對根系所在的土壤產(chǎn)生影響，如土壤的通氣性和緊實度發(fā)生變化，這種土壤物理性狀的改變導(dǎo)致根系做出相應(yīng)的響應(yīng)，繼而影響根系的生長和形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，最終影響根系的力學(xué)性狀。