淺埋滴灌下水氮運籌對春玉米根系衰減特性及產(chǎn)量的影響

張玉芹 楊恒山,* 張瑞富 李從鋒 提俊陽 葛選良 楊鏡宏

淺埋滴灌下水氮運籌對春玉米根系衰減特性及產(chǎn)量的影響

張玉芹1,2楊恒山1,2,*張瑞富1李從鋒3提俊陽1葛選良1楊鏡宏1

1內(nèi)蒙古民族大學農(nóng)學院, 內(nèi)蒙古通遼 028042;2內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程技術研究中心, 內(nèi)蒙古通遼 028042;3中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所, 北京 100081

為探明淺埋滴灌下水氮運籌對春玉米產(chǎn)量及吐絲后根系衰減特性的影響, 2017—2020年在通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)牧業(yè)高新科技示范園區(qū), 以傳統(tǒng)畦灌常規(guī)施氮(W: 4000 m3hm–2, N: 300 kg hm–2)為對照(CK), 以滴灌定額為主處理,設傳統(tǒng)畦灌常規(guī)灌量40% (W1: 1600 m3hm–2)、50% (W2: 2000 m3hm–2)、60% (W3: 2400 m3hm–2) 3個水平, 以施氮量為副處理, 設常規(guī)施氮量50% (N1: 150 kg hm–2)、70% (N2: 210 kg hm–2)和常規(guī)施氮量(N3: 300 kg hm–2) 3個水平, 測定不同水氮運籌下春玉米產(chǎn)量的變化, 2019年和2020年采用BTC-100微根監(jiān)測系統(tǒng)對春玉米吐絲后0～50 d時段內(nèi)0～100 cm土層的根系進行定點連續(xù)動態(tài)監(jiān)測。結(jié)果表明, 春玉米產(chǎn)量連續(xù)4年均為W3N3顯著高于CK, 與W3N2、W2N3、W2N2處理差異不顯著, 氮肥農(nóng)學效率連續(xù)4年均為W3N2較高。與CK相比, 淺埋滴灌W3N3 0～60 cm土層根長密度、總根表面積和根系平均直徑增加, 80～100 cm土層根長密度降低, 總根表面積和根系平均直徑差異較小; 吐絲后0～50 d根長密度、總根表面積和根系平均直徑衰減幅度較CK低, 其中20～40 cm土層根長密度吐絲后0～50 d時段W3N3 2年分別降低10.29%和8.83%, CK分別降低了15.04%和14.08%, 平均根系衰減率W3N3較CK降低5.23%和4.43%。淺埋滴灌下, 根長密度、總根表面積和根系平均直徑W3N3、W3N2高于其他處理, 且吐絲后0～50 d時段內(nèi)0～60 cm土層衰減幅度較低, 80～100 cm土層差異較小; 吐絲后0～50 d時段內(nèi)0～100 cm土層平均根系衰減率W3N3與W3N2差異不顯著, W3N2較W2N2和W1N2 2年分別低5.68%、5.44%和9.75%、11.98%, 較W3N1低7.16%和6.77%。方差分析表明, 滴灌量和施氮量對產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學效率均有顯著影響, 滴灌量對吐絲后0～50 d時段內(nèi)0～60 cm土層根長密度、總根表面積和平均根系衰減率影響顯著, 施氮量對吐絲后0～50 d時段內(nèi)0～60 cm土層根長密度、吐絲后0～30 d時段內(nèi)0～60 cm總根表面積和吐絲后0～50 d時段內(nèi)0～40 cm土層平均根系衰減率影響顯著。綜上, 淺埋滴灌下W3N3和W3N2 0～60 cm土層根長密度、總根表面積和根系平均直徑較高, 且吐絲后0～50 d時段內(nèi)降低幅度小, 平均根系衰減率低, 二者產(chǎn)量差異不顯著, 但W3N2氮肥農(nóng)學效率更高, 推薦W3N2為西遼河平原灌區(qū)玉米節(jié)水高產(chǎn)高效栽培適宜的水氮管理模式。

玉米; 淺埋滴灌; 水氮運籌; 根系衰減; 產(chǎn)量

西遼河平原地處世界玉米生產(chǎn)的“黃金帶”, 是我國為數(shù)不多的井灌玉米高產(chǎn)區(qū)之一[1-2], 近些年來, 追求高產(chǎn)而導致的高水高肥田間管理方式十分普遍,由于漫灌生育后期追肥困難, 仍延續(xù)拔節(jié)期一次性追肥, 水肥利用效率低是該區(qū)域玉米生產(chǎn)所面臨的主要問題[3]。滴灌水肥一體化技術解決了傳統(tǒng)灌溉下施肥總量控制和分期調(diào)控的技術難題, 可精確地調(diào)控水分和肥料的施入數(shù)量及時間, 大幅度提高水分和氮素利用效率。杜君等[4]等研究表明, 與傳統(tǒng)灌溉相比, 滴灌技術可增產(chǎn)5.3%～6.1%, 水分利用效率提高36.10%～39.42%, 氮肥利用率提高35.29%～ 37.56%。淺埋滴灌是一種新型滴灌技術, 地表無膜覆蓋、滴灌管淺埋于地表(3～5 cm), 在發(fā)揮滴灌技術優(yōu)勢的同時, 也避免殘膜污染等問題, 在半干旱風沙地區(qū)具有更大應用價值[5], 該技術2021年入選全國農(nóng)業(yè)主推技術(生態(tài)環(huán)境類)。本團隊前期研究結(jié)果表明, 淺埋滴灌下水氮用量可實現(xiàn)較傳統(tǒng)畦灌常規(guī)施氮減水40%、減氮30%[6], 在傳統(tǒng)畦灌70%的灌水量下, 淺埋滴灌與膜下滴灌灌溉水利用效率無顯著差異, 但顯著高于傳統(tǒng)畦灌[7]。

根系是作物吸收土壤養(yǎng)分、水分、固持植株的主要器官, 對于玉米產(chǎn)量和水氮效率的提高起著至關重要的作用[8-9]。根系能否正常發(fā)揮轉(zhuǎn)運養(yǎng)分和水分的作用與根系的形態(tài)變化和生理特性有關, 根系形態(tài)及分布在很大程度上取決于土壤肥力水平和水氮分布[10]。研究表明, 氮肥能促進根系生長, 增加根毛密度, 增強根系生理功能, 適量施氮會顯著增加玉米總根干重、根長、根表面積和根體積, 過量氮肥投入開花期對深層土壤中根系略有促進, 但總量上表現(xiàn)出抑制作用[11]。優(yōu)化水肥管理可增加根系根長、表面積和體積, 從而提高根系活躍吸收面積, 進而提高根系的吸收能力和效率, 且生育后期減緩衰減[12]。高產(chǎn)實踐證明, 生育后期維持較高的根系生物量、根長密度等是增產(chǎn)的主要原因之一, 基肥減施后移一定程度上能促進前期根系下扎[13], “化肥減量配施有機肥”[14]、“氮肥后移”[15]等均可以延緩后期根系衰老而提高產(chǎn)量。淺埋滴灌下, 氮肥后移分次隨水滴施, 優(yōu)化水氮管理, 可實現(xiàn)水氮耦合, 對延緩玉米生育后期根系衰減具有重要作用, 但這方面尚無系統(tǒng)的研究報道。本文以農(nóng)華101為試驗材料, 傳統(tǒng)畦灌常規(guī)施氮為對照, 采用微根管法, 在不破壞玉米根系及其生長環(huán)境的情況下監(jiān)測玉米吐絲后0～50 d時段內(nèi)0～100 cm土層根系變化特征, 研究淺埋滴灌下水氮運籌對玉米生育后期根系衰減特性的影響, 以期揭示淺埋滴灌水氮一體化高產(chǎn)高效的生理機制, 為生產(chǎn)中合理的水氮調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017—2020年在內(nèi)蒙古通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)牧業(yè)高新科技示范園區(qū)進行(43°37′N、122°19′E, 海拔182 m), 為連續(xù)4年的定位試驗。試驗區(qū)4年5月至9月降雨量分別為442.5、372、377.3和545.5 mm; 2017—2020年播前耕層(0～20 cm)土壤養(yǎng)分為: 有機質(zhì)18.52～19.45 g kg–1、堿解氮50.81～52.7 mg kg–1、有效磷11.35～13.21 mg kg–1、速效鉀110.83～118.69 mg kg–1。試驗地土壤類型為灰色草甸中壤土, 為當?shù)刂饕寥李愋汀?/p>

1.2 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計, 并以傳統(tǒng)畦灌常規(guī)施氮為對照(CK), 以滴灌定額為主處理, 施氮量為副處理, 灌量設傳統(tǒng)畦灌量的40%、50%和60%三個水平, 分別用W1、W2、W3表示; 施氮量設常規(guī)施量、常規(guī)施氮量70%、常規(guī)施氮量50% 3個水平, 分別用N3、N2、N1表示, 各小區(qū)均底施磷酸二銨(18-46-0) 195 kg hm–2, 硫酸鉀(0-0-50) 90 kg hm–2, 結(jié)合灌溉分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期按3︰6︰1的比例滴施尿素(N: 46%), 表1為不同生育時期各處理灌水及施氮情況, 同時設不同灌量下不施氮肥空白對照。種植玉米品種為‘農(nóng)華101’, 淺埋滴灌大小壟(小壟行距40 cm, 大壟行距80 cm)種植, 種植密度為7.5萬株 hm–2, 每個小區(qū)長30 m, 寬7.2 m, 3次重復。

表1 不同生育階段灌水和施氮情況

W1: 滴灌, 傳統(tǒng)灌量40%; W2: 滴灌, 傳統(tǒng)灌量50%; W3: 滴灌, 傳統(tǒng)灌量60%; CK: 傳統(tǒng)畦灌。N1: 滴灌, 常規(guī)施氮量50%; N2: 滴灌, 常規(guī)施氮量70%; N3: 滴灌, 常規(guī)施氮量; CK: 畦灌, 常規(guī)施氮。

W1: drip irrigation and traditional border irrigation 40%; W2: drip irrigation and traditional border irrigation 50%; W3: drip irrigation and traditional border irrigation 60%; CK: traditional border irrigation. N1: drip irrigation and conventional nitrogen application 50%; N2: drip irrigation and conventional nitrogen application 70%; N3: drip irrigation and conventional nitrogen application; CK: border irrigation and conventional nitrogen application.

1.3 測定指標及方法

1.3.1 根系測定 于定位試驗第3年、第4年(2019年、2020年)采用BTC-100根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)定點觀測根系, 在不干擾根系生長過程的前提下, 連續(xù)監(jiān)測根系生長的變化過程。該監(jiān)測系統(tǒng)由埋入土壤中的微根管, 高倍電子窺鏡攝像頭, 定位手柄和I-CAP圖像采集系統(tǒng)組成。待玉米生長至三葉期, 每小區(qū)選定玉米長勢良好、具有代表性的位點, 安裝6根微根管, 微根管與玉米種植條帶在同一條直線上。試驗所選用根管每根長1.8 m, 內(nèi)徑50 mm, 微根管與地面傾斜成60°安裝[16]。每根微根管上部留20 cm露出地面以供后期安裝觀測系統(tǒng)的定位手柄, 露出部分用黑色膠布纏好并蓋好防水管蓋, 防止光照透過管壁對根系生長造成影響, 并避免灰塵、水分進入微根管內(nèi)影響攝像頭對微根圖像的采集。微根管地面垂直監(jiān)測深度為139 cm。具體監(jiān)測剖面布置圖見圖1。

圖1 微根管空間布置圖

BTC根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)參照圖像的實際網(wǎng)格數(shù)(每個網(wǎng)格面積為1 mm×1 mm), 得到監(jiān)測系統(tǒng)獲取的每張圖像實際大小為: 18 mm×14 mm (長×寬)。之后保持電子窺鏡攝像頭焦距不變進行根系圖像采集。電子窺鏡攝像頭連接定位手柄在根管內(nèi)每前進一格為1.35 cm, 試驗觀測時, 在玻璃壁自下而上手柄每隔20格進行拍攝, 則攝像頭在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm土層深度下根管內(nèi)的實際土層深度為6.0、29.4、52.8、76.2和99.6 cm共5個點。以第1張圖片為起始點, 每轉(zhuǎn)45°拍攝1張照片, 每個深度共采集8張。于玉米吐絲期開始每隔10 d觀測1次, 共觀測6次。將每個土層深度8張照片進行拼接組合并進行數(shù)據(jù)處理。后期利用WinRHIZOTron MF 2012 (Regent, 加拿大)圖像分析軟件處理根系圖像。

以玉米的根長密度(root length density, RLD)作為基本參數(shù)。RLD表示單位體積土壤內(nèi)的根長(mm cm–3), 可以較為嚴謹?shù)孛枋龈捣植技吧L和死亡的過程。RLD、根系凈生長速率(RLDNGR)在一定程度上可以反映出根系對土壤資源利用能力的強弱。具體計算公式如下[17]:

RLD =× (×× ST)–1(1)

RLDNGR= (RLD– RLD1)×–1(2)

平均根系衰減率(%)= (RLD– RLD1)×RLD–1× 100 (3)

式中,為根總長(cm);為圖片數(shù)量;為每張圖片的觀察范圍(1.4 cm×1.8 cm); ST為微根管能觀測到的土壤厚度(mm), 通過實際測定圖像采集觀察并參考有關文獻[18-19], 本研究中為2 mm; RLDNGR為根系衰減速率(根系凈生長速率的負值), RLD和RLD+1分別為第次和第+1次觀測的根長密度,為相鄰2次觀測間隔時間。

1.3.2 產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學效率 2017—2020年成熟期收獲測產(chǎn), 每小區(qū)測產(chǎn)面積24 m2, 3次重復, 分別計算各測產(chǎn)區(qū)有效穗數(shù), 人工脫粒后測鮮粒質(zhì)量和含水率, 并折算成含水量為14%的產(chǎn)量, 計算氮肥農(nóng)學效率, 氮肥農(nóng)學效率(kg kg–1)=(施氮區(qū)產(chǎn)量–無氮區(qū)產(chǎn)量)施氮量–1。

1.4 數(shù)據(jù)處理運用

利用WinRHIZOTION根系分析軟件對拍攝的根系圖像進行處理分析, 利用Microsoft Excel 2016和Origin 2018軟件進行數(shù)據(jù)計算和作圖, 采用DPS 7.5和SPSS22.0軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗(LSD法,<0.05,<0.01)。

2 結(jié)果與分析

圖2為2020年玉米吐絲期(7月25日)至吐絲后50 d (9月13日) W3N3處理0～20 cm拍攝的具有代表性的玉米根系形態(tài)圖像變化信息, 從圖中直觀地反映出春玉米根長、根系直徑、根系衰老動態(tài)變化, 以下是對不同水氮運籌對各土層根系指標影響的闡述。

圖2 微根管法監(jiān)測吐絲期至吐絲后50 d玉米根系生長示意圖

2.1 淺埋滴灌下水氮運籌對春玉米根長密度的影響

圖3所示, 2種灌溉模式下, 淺埋滴灌(W3N3)根長密度0～60 cm高于傳統(tǒng)畦灌(CK), 尤其0～40 cm土層, 80～100 cm低于畦灌, 說明淺埋滴灌淺層根系發(fā)達而深層根系較少; 吐絲后20～50 d兩種灌溉模式下根長密度均逐漸減小, 20～40 cm土層尤為明顯, 淺埋滴灌下根長密度減少幅度較畦灌低, 吐絲后0～50 d W3N3分別減少了10.29% (2019)和8.83% (2020), CK分別減少了15.04% (2019)和14.08% (2020)。淺埋滴灌下, 同一施氮水平各土層根長密度隨灌溉量的減少而降低, 吐絲后30～50 d時段內(nèi)20～40 cm土層根長密度減少幅度最為明顯, W1> W2>W3; 同一灌量水平下, 各時期各土層根長密度N3、N2明顯高于N1, N3與N2差異不明顯。水氮互作下, W3N3、W3N2各時期各深度根長密度明顯高于其他處理, 且隨生育進程根長密度減少幅度最小。

圖3 不同水肥運籌下春玉米根長密度的時空變化

W1N3: 傳統(tǒng)灌量40% (1600 m3hm–2), 常規(guī)施氮量(300 kg hm–2); W1N2: 傳統(tǒng)灌量40% (1600 m3hm–2), 常規(guī)施氮量70% (210 kg hm–2); W1N1: 傳統(tǒng)灌量40% (1600 m3hm–2), 常規(guī)施氮量50% (150 kg hm–2); W2N3: 傳統(tǒng)灌量50% (2000 m3hm–2), 常規(guī)施氮量(300 kg hm–2); W2N2: 傳統(tǒng)灌量50% (2000 m3hm–2), 常規(guī)施氮量70% (210 kg hm–2); W2N1: 傳統(tǒng)灌量50% (2000 m3hm–2), 常規(guī)施氮量50% (150 kg hm–2); W3N3: 傳統(tǒng)灌量60% (2400 m3hm–2), 常規(guī)施氮量(300 kg hm–2); W3N2: 傳統(tǒng)灌量60% (2400 m3hm–2), 常規(guī)施氮量70% (210 kg hm–2); W3N1: 傳統(tǒng)灌量60% (2400 m3hm–2), 常規(guī)施氮量50% (150 kg hm–2); CK: 傳統(tǒng)灌量 (4000 m3hm–2), 常規(guī)施氮量(300 kg hm–2)。

W1N3: traditional border irrigation 40% (1600 m3hm–2), conventional nitrogen application (300 kg hm–2); W1N2: traditional border irrigation 40% (1600 m3hm–2), conventional nitrogen application 70% (210 kg hm–2); W1N2: traditional border irrigation 40% (1600 m3hm–2), conventional nitrogen application 50% (150 kg hm–2); W2N3: traditional border irrigation 50% (2000 m3hm–2), conventional nitrogen application (300 kg hm–2); W2N2: traditional border irrigation 50% (2000 m3hm–2) , conventional nitrogen application 70% (210 kg hm–2); W2N2: traditional border irrigation 60% (1600 m3hm–2), conventional nitrogen application 50% (150 kg hm–2); W3N3: traditional border irrigation 60% (2400 m3hm–2), conventional nitrogen application (300 kg hm–2); W3N2: traditional border irrigation 60% (2400 m3hm–2), conventional nitrogen application 70% (210 kg hm–2); W3N2: traditional border irrigation 60% (2400 m3hm–2), conventional nitrogen application 50% (150 kg hm–2); CK: traditional border irrigation (4000 m3hm–2), conventional nitrogen application (300 kg hm–2).

以滴灌量為A因素, 施氮量為B因素, 種植年份為C因素, 將根長密度進行方差分析, 由表2可知, 不同滴灌量和施氮量下吐絲后0～50 d 0～60 cm土層根長密度差異極顯著, 不同年份間吐絲后0～10 d 0～20 cm土層根長密度和0～50 d 40～60 cm土層根長密度差異顯著或極顯著。灌量與施氮量交互下, 0～40 cm土層根長密度差異不顯著, 吐絲后30～50 d 40～60 cm深度差異顯著, 三因素交互下均不顯著。說明灌量與施氮量對吐絲后0～50 d 0～60 cm土層根長密度影響較大。

2.2 淺埋滴灌下水氮運籌對春玉米總根表面積的影響

由圖4可知, 吐絲至吐絲后20 d, 各處理各土層總根表面積均為20～40 cm土層最大, 吐絲后30 d至吐絲后50 d W3灌量下20～40 cm土層高于0～20 cm土層, W1灌量下低于0～20 cm土層, 可能是W1灌量下吐絲后30 d 20～40 cm土層根總表面積下降速度大于0～20 cm土層所致。吐絲至吐絲后50 d各土層總根表面積隨水氮的變化趨勢來看, 0～60 cm土層變化較為明顯, 隨水氮的減少而減少, 80～100 cm變化幅度較小, 說明深層根系總表面積受水氮的影響較小。與傳統(tǒng)畦灌(CK)相比, 淺埋滴灌(W3N3)吐絲至吐絲后50 d 0～60 cm 3個土層總根表面積均增加, 衰減幅度降低。淺埋滴灌下, 0～60 cm土層氮水平相同下均表現(xiàn)為W3>W2>W1, 且各處理間差異顯著; 同灌量水平下, W3水平N3、N2差異不顯著, 二者顯著高于N1, W2水平表現(xiàn)為N3>N2>N1, 處理間差異顯著。隨生育進程, 各土層總根表面積均減小, 且隨灌量與施氮量減少其減小幅度增加, 在吐絲后30～50 d 20～60 cm土層減少最為明顯。水氮互作下, 0～60 cm土層總根表面積均為W3N3、W3N2顯著高于其他處理, W3N2隨生育進程推移總根表面積降低幅度最小, 60～100 cm土層處理間無明顯差異。說明生育后期W3N3和W3N2可維持較高的總根表面積。

表2 淺埋滴灌水氮運籌下根長密度方差分析

表中數(shù)值為值;*和**分別表示不同處理< 0.05和< 0.01差異顯著。

The values in the table were-values;*and**indicate significant difference among treatments at< 0.05 and< 0.01, respectively.

如表3所示, 總根表面積方差分析表明, 不同灌量下吐絲后0～50 d 0～100 cm土層總根表面積差異均達顯著或極顯著水平, 不同施氮量下吐絲后0～30 d 0～60 cm土層差異達顯著或極顯著水平, 不同年份間吐絲后0～30 d 0～40 cm土層和吐絲后0～40 d 60～100 cm土層差異顯著。灌量與施氮量交互下吐絲后0～30 d 0～60 cm土層差異極顯著, 三因素交互下除0～30 d 20～40 cm外均不顯著。說明灌量對吐絲后0～50 d 0～100 cm土層總根表面積影響較大, 施氮量對吐絲0～30 d 0～60 cm土層總根表面積影響較大。

圖4 水氮運籌對春玉米總根表面積的影響

處理同圖3。Abbreviations are the same as those given in Fig. 3.

表3 淺埋滴灌水氮運籌下總根表面積方差分析

表中數(shù)值為值;*和**分別表示不同處理< 0.05和< 0.01差異顯著。

The values in the table were-values;*and**indicate significant difference among treatments at< 0.05 and< 0.01, respectively.

2.3 淺埋滴灌下水氮運籌對春玉米根系平均直徑的影響

由圖5可知, 隨土層深度增加各處理根系平均直徑均減小, 0～60 cm土層隨水氮變化明顯, 80～100 cm變化幅度很小。與傳統(tǒng)畦灌(CK)相比, 淺埋滴灌(W3N3)吐絲后0～50 d 0～60 cm 3個土層根系平均直徑均增加, 40～60 cm土層根系下降幅度低于CK。淺埋滴灌下, 同一施氮水平0～60 cm土層各處理均表現(xiàn)為W3>W2>W1, 且各處理間差異顯著; 同一灌量水平下, 0～60 cm土層W3灌量下N3、N2稍高于N1, 各施氮量間差異不顯著。隨生育進程推移, 吐絲至吐絲后10 d各土層根系平均直徑變化甚微, 吐絲后30 d至吐絲后50 d根系直徑降低, W1N3處理20～60 cm土層及W1灌量各處理降低最為明顯。水氮互作下, 0～60 cm土層吐絲期至吐絲后20 d均為W3N3、W3N2根系平均直徑顯著高于其他處理, 吐絲后30 d至吐絲后50 d為W3N2最高, 隨生育進程推移根系平均直徑W3N2降低幅度最小, 其次為W3N3; 60～100 cm土層各處理間無明顯差異。

如表4可知, 不同滴灌量下吐絲后0～50 d各土層的根系平均直徑差異均達顯著或極顯著水平, 不同施氮量下吐絲后0～10 d 0～20 cm土層、吐絲后0～50 d 20～40 cm土層以及吐絲后20～50 d 40～60 cm土層根系平均直徑差異極顯著, 不同年份間吐絲后10～50 d 20～60 cm土層根系平均直徑差異顯著。灌量與施氮量交互下20～50 d 40～60 cm土層深度根系平均直徑差異顯著, 三因素交互下均不顯著。說明滴灌量對0～100 cm土層玉米根系平均直徑影響較大, 施氮量對20～60 cm土層根系平均直徑影響較大。

圖5 水氮運籌對春玉米根系平均直徑的影響

處理同圖3。Abbreviations are the same as those given in Fig. 3.

表4 淺埋滴灌水氮運籌下根系平均直徑方差分析

表中數(shù)值為值;*和**分別表示不同處理< 0.05 和< 0.01。

The values in the table were-values;*and**indicate significant difference among treatments at< 0.05 and< 0.01, respectively.

2.4 淺埋滴灌下水氮運籌對春玉米根系衰減速率的影響

如圖6和圖7所示, 吐絲后0～50 d春玉米各土層根系衰減速率隨時間推移均呈單峰曲線的變化趨勢, 0～60 cm土層根系衰減速率峰值出現(xiàn)在吐絲后10～30 d, 60～100 cm土層出現(xiàn)在吐絲后20～40 d。與傳統(tǒng)畦灌(CK)相比, 淺埋滴灌(W3N3)根系衰減速率除吐絲后20～30 d 20～40 cm土層外, 均低于對照, 吐絲后0～50 d平均根系衰減率2年分別降低5.23%和4.43%。淺埋滴灌下, 同一施氮水平隨灌量的減少平均根系衰減率增加; 同一灌量水平下, 平均根系衰減率W3、W2灌量水平均隨施氮量減少而增加, W1灌量水平下2019年N1和N3差異較小, 均高于N2, 2020年為N1>N3>N2, 可能灌量不足的情況下, 施氮量增加或不足均促進了根系的衰減; 水氮互作下, 吐絲后0～50 d各土層平均根系衰減率均為W3N3和W3N2低于其他處理, W3N2平均根系衰減率2年分別較W2N2低5.68%和5.44%、較W1N2低9.75%和11.98%, 較W3N1低7.16%和6.77%。

(圖6)

處理同圖3。Abbreviations are the same as those given in Fig. 3.

圖7 水氮運籌下春玉米平均根系衰減率變化

處理同圖3。Abbreviations are the same as those given in Fig. 3.

由表5可知, 不同灌量下0～50 d 0～60 cm土層平均根系衰減率差異極顯著, 不同施氮量下0～50 d 0～40 cm土層差異顯著, 不同年份間吐絲后0～50 d各土層間差異均不顯著。灌量和施氮量交互和三因素交互下吐絲后0～50 d各土層均無顯著性差異。說明淺埋滴灌下灌量對春玉米0～60 cm根系衰減率影響較大, 施氮量對0～40 cm土層根系衰減率影響較大。

2.5 淺埋滴灌下水氮運籌對春玉米產(chǎn)量的影響

2.5.1 產(chǎn)量 由圖8可知, 淺埋滴灌(W3N3)產(chǎn)量連續(xù)4年均高于CK, 2017—2020年分別較CK高11.2%、12.0%、12.6%和11.7%。淺埋滴灌下, W1滴灌定額下N2與N3差異不顯著, 但二者均顯著高于N1處理, W2滴灌定額下2017年和2018年各處理間差異不顯著, 2019年和2020年N2與N3顯著高于N1, W3滴灌定額下除2018年外, 均為N2與N3差異不顯著, 但二者均顯著高于N1處理。水氮互作下, 以W3N3處理產(chǎn)量與W3N2、W2N3、W2N2處理差異不顯著, 顯著高于其他處理。

2.5.2 氮肥農(nóng)學效率 由圖9可知, 淺埋滴灌下, W1灌量下2017年和2018年均為N1和N2差異不顯著, 顯著高于N3, 2019年和2020年N1>N2>N3; W2灌量下2017—2019年N1和N2差異不顯著, 2020年N1>N2>N3; W3灌量下2017年N2>N1>N3, 2019年和2020年N1與N2差異不顯著, 均高于N3。水氮互作下, 2017和2018年W3N2與W2N2差異不顯著, 顯著高于其他處理, 2019年和2020年W3N2和W3N1差異不顯著, 顯著高于其他處理。

表中數(shù)值為值;*和**分別表示不同處理< 0.05和< 0.01差異顯著。

The values in the table were-values;*and**indicate significant difference among treatments at< 0.05 and< 0.01, respectively.

圖8 不同水氮運籌對春玉米產(chǎn)量的影響

處理同圖3。同一年份處理間不同小寫字母表示差異顯著< 0.05。

Abbreviations are the same as those given in Fig. 3. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among treatments in the same year.

圖9 不同水氮運籌對春玉米氮肥農(nóng)學效率的影響

處理同圖3。同一年份處理間不同小寫字母表示差異顯著< 0.05。

Abbreviations are the same as those given in Fig. 3. Different lowercase letters indicate significant difference at< 0.05 among treatments in the same year.

由表6可知, 灌量、施氮量以及種植年限對春玉米產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學效率均有極顯著影響, 灌量與施肥量交互和三因素交互對產(chǎn)量的和氮肥農(nóng)學效率均無顯著影響。

表6 淺埋滴灌水氮運籌下產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學效率方差分析

表中數(shù)值為值;*和**分別表示不同處理< 0.05和< 0.01差異顯著。

The values in the table were-values;*and**indicate significant difference among treatments at< 0.05 and< 0.01, respectively.

3 討論

根系是玉米獲取水分和養(yǎng)分的重要器官, 養(yǎng)分吸收利用以及產(chǎn)量形成的關鍵在于其根系分布[20], 良好的根系結(jié)構(gòu)和分布可以促進玉米高效吸收土壤養(yǎng)分、提高玉米產(chǎn)量[21]。滴灌與傳統(tǒng)畦灌一直是我國半干旱地區(qū)玉米主要的灌溉方式, 而淺埋滴灌由于其滴頭給水、灌溉定額以及滴灌施肥等特性使其在玉米生產(chǎn)上具有其獨特的節(jié)水增產(chǎn)效應和根系構(gòu)型[22]。本研究表明, 淺埋滴灌根長密度0～60 cm高于傳統(tǒng)畦灌, 尤其0～40 cm土層, 60～100 cm低于畦灌, 說明淺埋滴灌淺層根系發(fā)達而深層根系較少, 這可能由于淺埋滴灌(W3N3)與傳統(tǒng)畦灌相比, 灌溉時期及時間、灌溉定額、灌溉方式以及施肥方式有所不同, 灌水次數(shù)增加, 單次灌量少, 濕潤土層較淺, 使根系“表聚”, 畦灌灌量大, 濕潤土層較深, 肥隨水走, 所以深層根系較多, 相關研究也表明, 灌溉次數(shù)增加耕層土壤的根系表面積增加[23], 鄒海洋等[24]研究也發(fā)現(xiàn), 滴灌春玉米73.6%的根量主要集中在總扎根度深1/3處。漫灌條件下研究表明, 高產(chǎn)玉米具有深層根系占比較高的特征[25], 本文中淺埋滴灌下深層根系減少, 但連續(xù)4年的測產(chǎn)結(jié)果表明, 淺埋滴灌下(W3N3)產(chǎn)量顯著高于傳統(tǒng)畦灌, 主要原因可能是淺埋滴灌下, 隨生育期推移玉米根系衰減速率低于畦灌, 0～100 cm土層傳統(tǒng)灌量60%常量施氮(W3N3)吐絲后0～50 d平均根系衰減率2年分別降低5.23%和4.43%, 0～60 cm土層根長密度、根系總表面積、根系平均直徑衰減幅度均低于傳統(tǒng)畦灌, 而生育后期0～60 cm土層根系對玉米物質(zhì)和養(yǎng)分積累轉(zhuǎn)運影響較大。王志剛等[26]在玉米斷根研究中發(fā)現(xiàn), 0～20 cm、21～40 cm土層根系是玉米產(chǎn)量的主要貢獻層, 貢獻率可達52%和11%, 王飛飛等[27]研究也表明, 玉米花期根系扎根約0～160 cm, 其中0～20 cm土層根量占總根量的58.8%, 20～40 cm占20.2%, 且0～40 cm土層根系對花后氮素積累和轉(zhuǎn)運量影響最大, 這與生育后期玉米根系保持較高根系生物量和根系功能期是玉米高產(chǎn)的主要原因[2,28]結(jié)論相符。

水與氮作為影響玉米器官和產(chǎn)量形成的重要因素, 灌量及施氮量會顯著影響根系形態(tài)分布和對氮素的吸收利用。適當?shù)目厮黾痈翟谕寥榔拭嬷械姆植? 當土壤水分不足時, 玉米根系的生長受阻, 影響根系分布比例[29]。適當施氮能促進玉米根系生長, 但氮肥過量施用會導致根系生長受到抑制[30]。陸大克等[31]提出, 增加灌溉量的同時要增施一定比例的氮肥才能促進灌溉后根系的生長, 水肥耦合技術可以提高根長和根干重。本文研究表明, 淺埋滴灌下各處理隨水氮用量減少, 根長密度、平均直徑、總根表面積均呈逐漸減小趨勢, 0～60 cm土層傳統(tǒng)灌量60%常規(guī)施氮量(W3N3)、傳統(tǒng)灌量60%常規(guī)施氮量70% (W3N2)處理均高于其他處理。也有研究表明,增施氮肥可以促進前中期根系長度的發(fā)育[32], 施氮期推遲, 上層(0～40 cm)玉米根系活性升高, 40 cm以下土層根系活性不受施氮期影響[33], 灌水量對玉米根系形態(tài)和根系活力等均有影響[34], 增水可以保證后期根系不早衰[35]。本研究表明, 淺埋滴灌下氮肥后移且隨水滴施, W3N3和W3N2能夠有效延緩玉米生育后期根系衰減, 吐絲后0～50 d根長密度、平均直徑、總根表面積的衰減幅度和平均根系衰減率均較低, 維持植株地上部較高的碳氮代謝活性[36], 促進水氮吸收, 提高水氮效率; 淺埋滴灌下傳統(tǒng)灌量60%常規(guī)施氮量50% (W3N1)和傳統(tǒng)灌量60%常規(guī)氮量(W1N3)處理根系各指標隨生育期推移降低幅度大, 且衰減速率較高, 說明高水低氮(W3N1)和低水高氮(W1N3)并不利于根系生長, 淺埋滴灌下氮肥隨水滴施, 水氮耦合效應是促進根系發(fā)育的主要原因, 水分不足增施氮肥加速根系生育后期的衰減速率。本文方差分析表明, 滴灌量對吐絲后0～50 d 0～60 cm土層平均根系衰減率影響顯著, 施氮量對0～40 cm土層根系衰減速率影響顯著, 通過優(yōu)化水氮管理可減緩玉米生育后期根系衰老速率, 增加產(chǎn)量和提高氮肥農(nóng)學效率。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)畦灌相比, 淺埋滴灌春玉米0～60 cm土層根長密度、根系總表面積、根系平均直徑均增加且吐絲后0～50 d衰減幅度較低, 平均根系衰減率2年分別降低5.23%和4.43%。淺埋滴灌下, 灌量對吐絲后0～50 d 0～60 cm土層平均根系衰減率有顯著或極顯著影響, 施氮量對吐絲后0～50 d 0～40 cm平均根系衰減率有顯著或極顯著影響, 傳統(tǒng)灌量60%常規(guī)施氮量70% (W3N2)玉米生育后期0～60 cm土層根長密度、總跟表面積和根系平均直徑降低幅度小, 平均根系衰減率低, 產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學效率連續(xù)4年均較高, 可推薦為西遼河平原灌區(qū)及同類地區(qū)淺埋滴灌下較為適宜的水氮管理模式。

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Effects of water and nitrogen application on root attenuation characteristics and yield of spring maize under shallow buried drip irrigation

ZHANG Yu-Qin1,2, YANG Heng-Shan1,2,*, ZHANG Rui-Fu1, LI Cong-Feng3, TI Jun-Yang1, GE Xuan-Liang1, and YANG Jing-Hong1

1College of Agronomy, Inner Mongolia Minzu University, Tongliao 028042, Inner Mongolia, China;2Engineering Research Center of Forage Crops of Inner Mongolia Autonomous Region, Tongliao 028042, Inner Mongolia, China;3Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

In order toexplore the effects of shallow drip irrigation on the yield and root decay characteristics of spring corn after silking, in the Agricultural and Animal Husbandry High Tech Demonstration Park of Horqin District, Tongliao City from 2017 to 2020, traditional border irrigation conventional nitrogen application (W: 4000 m3hm–2, N: 300 kg hm–2) was used as the control (CK), and drip irrigation quotas were used as the main treatments. Three levels of traditional border irrigation conventional irrigation were set: 40% (W1: 1600 m3hm–2), 50% (W2: 2000 m3hm–2), and 60% (W3: 2400 m3hm–2), Using nitrogen application rate as the secondary treatment, three levels of conventional nitrogen application rate [50% (N1: 150 kg hm–2), 70% (N2: 210 kg hm–2), and conventional nitrogen application rate (N3: 300 kg hm–2)] were set up to determine the changes in spring maize yield under different water and nitrogen treatments. In 2019 and 2020, the BTC-100 micro root monitoring system was used to continuously monitor root system of spring maize in the 0–100 cm soil layer at the 0–50 days stage after silking. The results showed that the yield of spring maize was significantly higher in W3N3 than CK for four consecutive years, and there was not significant difference compared with W3N2, W2N3, and W2N2 treatments. The nitrogen agronomic efficiency of W3N2 was also the highest at the same time. Compared with CK, root length density, the total root surface area, and the average root diameter of W3N3 all increased in 0–60 cm soil layer while root length density, the total root surface area, and the average root diameter were less in 80–100 cm soil layer; the decrease in root length density, the total root surface area, and the average root diameter was lower from 0 d to 50 d after silking in two years, in which the root length density of W3N3 and CK decreased by 10.29% and 8.83%, and 15.04% and 14.08% and the average root decay rate of W3N3 decreased by 5.23% and 4.43% compared with CK. Under the shallow buried drip irrigation, the root length density, the average diameter, and the total root surface area of W3N3 and W3N2 were both higher than those of other treatments, whose decrease extent of average root decay rate were lower in 0–60 cm soil layer and differences were less in 80–100 cm soil layer from 0 day to 50 days after silking; During the 0–50 day stage after silking, the difference of average root decay rate between W3N3 and W3N2 was not significant, and W3N2 decreased by 5.68% and 5.44%, 9.75% and 11.98%, 7.16% and 6.77%, respectively, compared with W3N1, W2N2, and W1N2 in two years. The variance analysis showed that both drip irrigation and nitrogen application had a significant impact on yield and nitrogen fertilizer agronomic efficiency. The drip irrigation amount had a significant impact on the root length density, the total root surface area, and the average root decay rate of the 0–60 cm soil layer at the 0–50 day stage after silking. Nitrogen application amount had a significant impact on root length density of the 0–60 cm soil layers at the 0–50 day stage after silking, the total root surface area of the 0–60 cm soil layers at the 0–30 day stage after silking, and the average root decay rate of the 0–40 cm soil layer at the 0–50 day stage after silking. In summary, the root length density, the total root surface area, and the average root diameter of the 0–60 cm soil layers of W3N3 and W3N2 under shallow burying drip irrigation were relatively higher, and the decrease was lower within the 0–50 day stage after silking, the average root decay rate was low, and the yield difference between the two was not significant, however, W3N2 had higher nitrogen agronomic efficiency, which could be recommended as a suitable water and nitrogen application mode for water-saving, high-yield, and efficient cultivation of corn for the irrigation area of the Xiliaohe plain.

maize; shallow buried drip irrigation; water and nitrogen application; root attenuation; yield

10.3724/SP.J.1006.2023.33009

本研究由國家自然科學基金項目(31960382, 32160509)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31960382, 32160509).

楊恒山, E-mail: yanghengshan2003@aliyun.com

E-mail: zhyq369@126.com

2023-02-16;

2023-05-24;

2023-06-14.

URL: https://kns.cnki.net/kcms2/detail/11.1809.S.20230613.1313.008.html

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