深松對(duì)春玉米根系分布及氮素積累與利用的影響

張瑞富，楊恒山，張玉芹，范秀艷，劉 晶，柳寶林，薛新偉，李丹丹

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程中心，內(nèi)蒙古 通遼 028042；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟科爾沁右翼前旗農(nóng)牧業(yè)局農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 興安盟 137423)

西遼河平原灌區(qū)地處世界玉米生產(chǎn)黃金帶，光熱資源充足，井灌條件好，具有實(shí)現(xiàn)大面積高產(chǎn)的潛力和優(yōu)勢(shì)，是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的商品玉米生產(chǎn)基地。由于長(zhǎng)期采用旋耕滅茬作業(yè)，導(dǎo)致耕層變淺、犁底層加厚，嚴(yán)重限制了玉米產(chǎn)量潛力的發(fā)揮，因此高量施氮成為玉米生產(chǎn)上提高產(chǎn)量的主要措施，這不僅導(dǎo)致高產(chǎn)與高效的矛盾日漸突出，也進(jìn)一步加大了生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。耕作措施通過(guò)改變土壤微環(huán)境而影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收與利用[1-3]，深松可以疏松土壤，打破犁底層，增加土壤孔隙度，蓄水保墑，有利于土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化利用，可為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好土體環(huán)境，進(jìn)而增強(qiáng)根系對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收能力，提高肥料吸收利用效率和產(chǎn)量[4-7]。劉明等[8]研究表明，壟間隔行深松可以構(gòu)建良好的耕層結(jié)構(gòu)，有利于根系的固定和下扎，使根系更好地吸收水分和養(yǎng)分，倒伏率降低，玉米籽粒產(chǎn)量較旋耕處理提高4.72%；趙亞麗等[9]研究深松方式對(duì)砂姜黑土耕層特性、作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響時(shí)指出，深松能夠顯著降低土壤緊實(shí)度，且降低了土壤三相比與適宜狀態(tài)下土壤三相比在空間距離上的差值(R值)，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，提高了作物產(chǎn)量和水分利用效率，與秋季旋耕相比，秋季深松土壤緊實(shí)度降低20.90%，土壤三相比R值降低12.90%，冬小麥、夏玉米周年總產(chǎn)量增加15.20%，周年水分利用效率增加4.00%，經(jīng)濟(jì)效益增加19.80%。研究深松對(duì)玉米氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控作用，可更好地協(xié)調(diào)土壤氮素供給與玉米生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氮肥需求之間的關(guān)系，增加產(chǎn)量，提高氮肥吸收利用效率，有利于實(shí)現(xiàn)玉米栽培減氮增效和環(huán)境友好。前人關(guān)于深松的研究多集中在深松方式對(duì)土壤理化性狀的改良[10-11]、作物根系特征的改善[12-13]以及深松與氮肥的互作效應(yīng)[14-15]上，有關(guān)深松對(duì)玉米氮素吸收調(diào)控的研究不多，尤其是不同玉米品種進(jìn)行比較研究的報(bào)道相對(duì)較少。本研究采用定位試驗(yàn)，分析深松措施下春玉米根系時(shí)空分布及其氮素積累特征，以期為研究地區(qū)春玉米高產(chǎn)高效栽培提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)自然概況

試驗(yàn)于2015—2016年在內(nèi)蒙古通遼市開(kāi)魯縣蔡家堡村(121°09′E， 43°35′N(xiāo)，海拔178 m)進(jìn)行；試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榈湫痛箨懶约撅L(fēng)氣候，土壤為灰色草甸黑土，是當(dāng)?shù)刂饕寥李?lèi)型。播前試驗(yàn)地耕層(0～20 cm)土壤養(yǎng)分2015年為有機(jī)質(zhì)19.30 g·kg-1、全氮0.66 g·kg-1、堿解氮48.71 mg·kg-1、速效磷5.81 mg·kg-1、速效鉀79.18 mg·kg-1；2016年為有機(jī)質(zhì)20.69 g·kg-1、全氮0.71 g·kg-1、堿解氮38.28 mg·kg-1、速效磷7.02 mg·kg-1、速效鉀66.88 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以耕作方式為主區(qū)，分別設(shè)深松+旋耕(S+R)處理和旋耕(R)處理，其中旋耕處理作業(yè)深度為15 cm，深松+旋耕處理采用深松旋耕聯(lián)合整地機(jī)實(shí)施，深松處理作業(yè)深度為35 cm，深松+旋耕和旋耕作業(yè)分別在2015年4月12日和2016年4月20日進(jìn)行；以品種為副區(qū)，分別為先玉335(XY335)和鄭單958(ZD958)，3次重復(fù)，小區(qū)面積360 m2(3.6 m×100 m)，種植密度為7.5×104株·hm-2；各小區(qū)基施尿素(N)15 kg·hm-2、硫酸鉀(K2O)45 kg·hm-2、過(guò)磷酸鈣(P2O5)125 kg·hm-2；追施尿素(N)356 kg·hm-2，分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期按3∶6∶1比例追施；生育期間澆水4次，每次灌溉量約為900 m3·hm-2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 收獲時(shí)各小區(qū)選取48 m2(2.4 m×20 m)測(cè)產(chǎn)區(qū)，測(cè)量各測(cè)產(chǎn)區(qū)內(nèi)有效穗數(shù)，取樣測(cè)定籽粒含水率，并折算成含水率為14%的產(chǎn)量。各小區(qū)分別取有代表性樣穗10穗，進(jìn)行穗部性狀調(diào)查及考種。

1.3.2 生物量及地上部氮素積累量 在春玉米大口期、吐絲期和完熟期，各小區(qū)選擇3個(gè)不同位置，作為3次重復(fù)，每個(gè)位置選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的玉米連續(xù)3株，地上部按器官分離(莖、葉、籽粒)，用清水沖凈，在干燥箱內(nèi)105℃殺青30 min，繼續(xù)在80℃烘至恒重后，測(cè)定干物質(zhì)重，烘干后樣品用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)60目篩，H2SO4-H2O2消煮后，使用凱氏定氮儀測(cè)定全氮含量，并折算地上部氮素積累量。

1.3.3 根系生物量、根幅及根條數(shù) 吐絲期和完熟期地上部取完后，同株根系取樣采用挖掘法，以第1株1/2株距處到第3株1/2株距處為長(zhǎng)，以1/2行距為寬，挖長(zhǎng)方形樣方分層取根，每層20 cm，大喇叭口期取根深度為60 cm，其他生育時(shí)期取根深度均為100 cm。洗凈并剔除雜質(zhì)，撿出死根后于105℃殺青30 min，在80℃下烘干至恒重，稱(chēng)其干質(zhì)量。吐絲期將根挖出后，置于貼有坐標(biāo)紙的平板上，觀測(cè)植株根系，以齊地面處為起點(diǎn)，查10、20 cm和30 cm處單株根條數(shù)測(cè)定根幅(植株根系水平分布最大直徑)。

1.4 相關(guān)參數(shù)計(jì)算[16-18]

地上部氮素積累量(kg·hm-2)=器官氮含量(%)×器官干重(kg)×種植密度(株·hm-2)；

單位根干重氮素吸收量(mg·g-1)=單株氮素積累量(mg)/單株根干重(g)；

植株氮素吸收效率(kg·kg-1，NUPE)=地上部氮素積累量(kg·hm-2)/施純氮量(kg·hm-2)；

植株氮肥偏生產(chǎn)力(kg·kg-1，NPFP)=籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)/施純氮量(kg·hm-2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并作圖表，SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，LSD法檢驗(yàn)處理間差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 深松對(duì)春玉米根系特征的影響

2.1.1 對(duì)根系垂直分布的影響 根系是玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，根干重在一定程度上能夠反映根系的生長(zhǎng)狀況。由表1可見(jiàn)，2個(gè)品種春玉米0～20 cm土層根干重處理之間變化規(guī)律不明顯，除鄭單958在完熟期處理間差異達(dá)到顯著水平，其他處理之間差異均不顯著，20～40 cm土層不同處理之間均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，除鄭單958在吐絲期處理間差異不顯著外，其他處理之間的差異均達(dá)到了顯著水平；從根系總干重來(lái)看，不同處理間均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，其中吐絲期處理間差異均不顯著，而完熟期先玉335和鄭單958深松+旋耕處理分別較旋耕處理提高了7.35%和9.25%，處理間差異均達(dá)到了顯著水平，說(shuō)明深松對(duì)春玉米根系的影響主要表現(xiàn)在吐絲后，且隨生育期的推移處理間差異逐漸增大，這主要是由于深松改善了土壤生態(tài)條件，有利于根系生理活性的保持，衰老延緩，從而使吐絲后的根干重較單獨(dú)旋耕處理優(yōu)勢(shì)明顯。從2個(gè)品種春玉米不同土層根干重占根系總干重的比例來(lái)看(表2)，0～20 cm土層不同處理之間均表現(xiàn)為深松+旋耕低于旋耕處理，20～40 cm土層則表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，這也說(shuō)明，深松促進(jìn)了春玉米根系下扎，深松措施下春玉米根系重心下移。

表1 2016年深松對(duì)春玉米不同土層根干重的影響/(g·株-1)

表2 2016年深松對(duì)春玉米不同土層根干重占總根干重比例的影響/%

2.1.2 對(duì)根條數(shù)、根幅的影響 由圖1可見(jiàn)，2個(gè)品種春玉米根條數(shù)在10 cm土層處不同處理之間的變化規(guī)律不明顯，處理間差異也不顯著，20、30 cm土層處均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，其中20 cm土層處不同處理之間的差異不顯著，30 cm土層處的差異均達(dá)到了顯著水平，這也說(shuō)明深松能夠促進(jìn)根系發(fā)生，且在深層根系上表現(xiàn)最為明顯。從2個(gè)品種春玉米根幅來(lái)看，10、20 cm土層處不同處理間變化規(guī)律不明顯，而30 cm土層處2個(gè)品種春玉米均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，其中先玉335處理間差異不顯著，鄭單958處理間差異達(dá)到了顯著水平，這也說(shuō)明深松有利于提高鄭單958深層根系的分布面積，對(duì)于其截獲更多的營(yíng)養(yǎng)元素非常有利。

2.2 深松對(duì)春玉米單位根重氮素吸收量的影響

單位根重氮素吸收量能夠反映根系對(duì)氮素的吸收能力。由圖2可見(jiàn)，2個(gè)品種春玉米單位根重氮素吸收量均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，其中吐絲前先玉335和鄭單958深松+旋耕處理較旋耕處理分別提高了11.22%和12.03%，處理間差異均達(dá)到了顯著水平；吐絲后先玉335深松+旋耕處理較旋耕處理提高了4.49%，處理間差異不顯著，而鄭單958深松+旋耕處理較旋耕處理提高了8.05%，處理間差異達(dá)到了顯著水平，這也說(shuō)明，深松能夠提高春玉米根系的吸收能力，其中尤以吐絲前為甚，品種間鄭單958表現(xiàn)更為明顯。

2.3 深松對(duì)春玉米地上部氮素積累量的影響

由表3可見(jiàn)，不同耕作措施下2個(gè)品種春玉米氮素積累量均隨生育進(jìn)程的推移逐漸升高，不同處理間均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，其中大口期處理間差異均不顯著，吐絲期僅2015年鄭單958處理間差異達(dá)到顯著水平，而完熟期2015年先玉335和鄭單958深松+旋耕處理較旋耕處理分別提高33.73 kg·hm-2和27.85 kg·hm-2，處理間差異均達(dá)到了顯著水平，2016年鄭單958深松+旋耕處理較旋耕處理提高36.61 kg·hm-2，處理間差異亦達(dá)到顯著水平，先玉335處理間差異不顯著。

圖2 深松對(duì)春玉米單位根重氮素吸收量的影響(2016年，吐絲期)Fig.2 Effect of subsoiling on root number and root widthof spring maize (2016,Silking stage)

2.4 深松對(duì)春玉米籽粒產(chǎn)量的影響

由表4可見(jiàn)，2個(gè)品種春玉米2 a的籽粒產(chǎn)量不同處理間變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，其中先玉335在2015年處理間差異不顯著，2016年達(dá)到了顯著水平，鄭單958處理間差異在2 a間均達(dá)到了顯著水平；有效穗數(shù)均表現(xiàn)為旋耕處理高于深松+旋耕處理，處理間差異均不顯著；穗粒數(shù)除先玉335在2015年旋耕處理略高于深松+旋耕處理外，其他處理均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，處理間差異均不顯著；從千粒重的變化規(guī)律來(lái)看，不同處理間均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，除了先玉335在2015年處理間差異不顯著外，其他處理之間的差異均達(dá)到了顯著水平。

2.5 深松對(duì)春玉米氮素吸收效率的影響

由圖3可見(jiàn)，不同耕作措施下2個(gè)品種春玉米氮素吸收效率2 a均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，其中2015年和2016年先玉335深松+旋耕處理較旋耕處理分別提高了6.40 kg·kg-1和6.11 kg·kg-1，處理間差異達(dá)到了顯著水平；而鄭單958深松+旋耕處理較旋耕處理分別提高了7.51 kg·kg-1和7.17 kg·kg-1，處理間差異亦達(dá)到了顯著水平，說(shuō)明深松有利于春玉米對(duì)氮素的吸收，品種間以鄭單958表現(xiàn)的尤為明顯。2個(gè)品種春玉米氮肥偏生產(chǎn)力不同處理間均表現(xiàn)為深松+旋耕處理高于旋耕處理，2015年鄭單958深松+旋耕處理較旋耕處理提高5.40 kg·kg-1，處理間差異達(dá)到了顯著水平，先玉335處理間差異不顯著；2016年2個(gè)品種春玉米處理間差異均達(dá)到了顯著水平。

3 討 論

作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收主要靠根系的直接接觸而獲得，因此，根系的形態(tài)特征對(duì)作物的營(yíng)養(yǎng)元素吸收利用效率會(huì)產(chǎn)生明顯影響，進(jìn)而影響到產(chǎn)量。王敬鋒等[19]研究不同基因型玉米根系特性與氮素吸收利用的差異時(shí)指出，氮高效玉米品種整個(gè)生育期具有較大的根系干重、根冠比，且土壤深層根系的分布相對(duì)較多，后期根系活力強(qiáng)，有效地延長(zhǎng)了根系功能期，因而其氮素吸收利用效率高于氮低效品種；米國(guó)華等[20-21]認(rèn)為，增加30 cm以下土層中的根量，可以顯著降低硝酸鹽向深層的淋失損失，通過(guò)增加深層根系量，使玉米在生長(zhǎng)中后期截獲不斷下移的硝酸鹽，是進(jìn)一步提高玉米氮素吸收利用效率的重要機(jī)制。關(guān)于玉米根系特征與氮素吸收利用效率的關(guān)系，前人的研究結(jié)論已經(jīng)比較明確，深層根系總量多、根系表面積大、根條數(shù)多，是玉米氮素高效吸收利用的主要原因。有研究表明，深松可以打破犁底層，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，疏松土壤，從而減小根系穿透阻力，利于根系下扎，提高土壤中下層根系的生物量，增加玉米的總根長(zhǎng)和總根表面積[22]。植株的生長(zhǎng)發(fā)育是地上和地下部協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果，地上部可為根系提供充足的光合產(chǎn)物，有利于根系良好形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能的建成，合理的根系分布可以獲得較高肥料吸收效率和生物產(chǎn)量[19,23]。本研究結(jié)果表明，鄭單958和先玉335在深松+旋耕措施下，深層根系分布比例增加，30 cm土層處根幅增加、根條數(shù)增多。根系形態(tài)特征的改善，促進(jìn)了地上部的生長(zhǎng)，增加了根系與氮素的接觸機(jī)會(huì)，有利于截獲不斷下移的硝酸鹽，從而提高了2個(gè)品種春玉米的氮素吸收效率和籽粒產(chǎn)量。由于不同玉米品種對(duì)深松的響應(yīng)不同，深松措施下鄭單958根系的空間分布更為合理，活力更強(qiáng)，因而較先玉335表現(xiàn)出更高的氮素吸收效率。

表3 深松對(duì)春玉米地上部氮素積累量的影響/(kg·hm-2)

表4 深松對(duì)春玉米籽粒產(chǎn)量的影響

圖3 深松對(duì)春玉米氮素吸收利用的影響Fig.3 Effect of subsoiling on N absorption and wtilization of spring maize

不同玉米品種對(duì)深松的響應(yīng)不同，肥料施用深度也會(huì)影響到作物對(duì)肥料的吸收利用效率。本研究?jī)H探討了在常規(guī)施氮深度下深松對(duì)2個(gè)品種春玉米根系形態(tài)特征以及氮素吸收效率的影響，進(jìn)一步明確深松措施下氮肥分布與根系空間分布的匹配關(guān)系，對(duì)于進(jìn)一步提高玉米氮素吸收利用效率具有重要意義。

4 結(jié) 論

深松提高了2個(gè)品種春玉米籽粒產(chǎn)量，深松措施下鄭單958和先玉335分別較旋耕措施提高了8.36%～9.13%和2.39%～7.63%；深松提高了春玉米根系的縱深分布，使根系空間分布更加合理，促進(jìn)了春玉米對(duì)氮素的吸收，提高了植株氮素積累量，使春玉米氮素吸收效率得以提高。深松是提高春玉米籽粒產(chǎn)量和氮效率的有效措施，由于鄭單958和先玉335對(duì)深松的響應(yīng)不同，因此表現(xiàn)出不同氮素吸收效率，其中鄭單958深松措施較旋耕措施提高了7.17～7.51 kg·kg-1，先玉335提高了6.11～6.40 kg·kg-1。