張學(xué)林，徐 鈞，安婷婷，侯小畔，李潮海

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心/小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002）

不同氮肥水平下玉米根際土壤特性與產(chǎn)量的關(guān)系

張學(xué)林，徐 鈞，安婷婷，侯小畔，李潮海

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心/小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002）

【目的】明確不同生育時(shí)期根際土壤特性與玉米籽粒產(chǎn)量之間的關(guān)系，為生產(chǎn)上合理施肥、提高氮素利用效率和減輕環(huán)境污染提供理論依據(jù)?！痉椒ā?012年大田設(shè)置5個(gè)氮肥梯度固定施肥樣地（對(duì)照、180 kg·hm-2、240 kg·hm-2、300 kg·hm-2和360 kg·hm-2，分別簡(jiǎn)寫為CK、N180、N240、N300和N360），并于2012、2013和2014年連續(xù)3年在玉米拔節(jié)、吐絲、成熟3個(gè)關(guān)鍵生育時(shí)期測(cè)定玉米根際和非根際土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、脲酶、過(guò)氧化氫酶、pH，同時(shí)測(cè)定玉米根系和地上部生物量及其氮素累積量，重點(diǎn)分析CK、N240和N360 3個(gè)處理根際土壤特性以及植株氮素累積量與玉米籽粒產(chǎn)量之間的關(guān)系?！窘Y(jié)果】與CK相比，4個(gè)施肥處理（N180、N240、N300和N360）3年產(chǎn)量的平均值分別增加了23.85%、36.40%、39.87%和34.78%；其地上部不同階段氮素累積量均顯著高于CK（2012年播種—拔節(jié)除外），并隨施肥量增加呈先增加后降低趨勢(shì)。與CK相比，4個(gè)施肥處理根際土硝態(tài)氮含量分別增加 23.38%、57.13%、57.87%和 69.74%，非根際土壤硝態(tài)氮分別增加 59.49%、92.01%、132.08%和179.35%。隨施氮量的增加根際土銨態(tài)氮含量顯著增加；與CK相比，4個(gè)施肥處理3年的非根際土壤銨態(tài)氮含量分別增加4.27%、3.51%、5.04%和26.26%。根際土壤pH和非根際土壤pH均隨著氮肥施用量的增加而降低，其中根際土壤和非根際土壤pH的變化范圍分別為4.5—6.7和5.5—7.2。與非根際土pH相比，根際土壤pH平均降低5%。根際土壤脲酶活性隨氮肥用量的增加呈先增加后降低趨勢(shì)。與對(duì)照相比，4個(gè)施氮處理3年非根際土壤脲酶活性平均值分別增加了4.02%、14.73%、24.55%和19.64%。根際土和非根際土過(guò)氧化氫酶活性均隨氮肥用量的增加而降低，與CK相比，4個(gè)施氮處理3年的非根際土壤過(guò)氧化氫酶活性平均值分別降低了3.03%、5.09%、8.24% 和12.67%。CK、N240和N360 3個(gè)處理不同生育時(shí)期玉米根際土壤特性以及植株氮素累積量與籽粒產(chǎn)量之間的相關(guān)分析結(jié)果表明，拔節(jié)期根際土壤硝態(tài)氮含量連續(xù)3年均與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。吐絲期玉米根際和非根際土壤硝態(tài)氮、根際土壤銨態(tài)氮和非根際土pH均與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；其中2013和2014年根際脲酶活性和根際土壤pH與產(chǎn)量的相關(guān)性也達(dá)到顯著水平。2013和2014年成熟期根際和非根際土硝態(tài)氮含量也與玉米產(chǎn)量呈顯著相關(guān)。主成分分析表明，玉米籽粒產(chǎn)量與拔節(jié)期土壤硝態(tài)氮含量、根際過(guò)氧化氫酶、地上部生物量和氮素累積量相關(guān)性較強(qiáng)；與吐絲期根際和非根際土壤硝態(tài)氮含量、根際土壤銨態(tài)氮含量和土壤pH以及地上部生物量及氮素累積量、根系生物量相關(guān)性較強(qiáng)；與成熟期地上部生物量和氮素累積量相關(guān)性較強(qiáng)?！窘Y(jié)論】根據(jù)不同生育時(shí)期玉米根際土壤特性與籽粒產(chǎn)量之間的關(guān)系，進(jìn)行合理施肥，能夠保證玉米根際養(yǎng)分的有效供應(yīng)，營(yíng)造良好的根際土壤環(huán)境，提高氮素利用效率、增加玉米籽粒產(chǎn)量。

玉米產(chǎn)量；氮肥；根際土壤特性；相關(guān)分析；主成分分析

0　引言

【研究意義】玉米是中國(guó)重要的糧食作物，其種植面積已超過(guò)水稻，躍居第一位［1］。氮肥對(duì)糧食作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率占50%左右［2］，而根際土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)常常影響植物從土壤中吸收營(yíng)養(yǎng)元素［3］，因此，施用氮肥保證根際土壤養(yǎng)分供應(yīng)是提高玉米產(chǎn)量的重要措施之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】合理施用氮肥、提高玉米產(chǎn)量一直是農(nóng)業(yè)科研人員研究的熱點(diǎn)問題，前人就氮肥用量、氮肥類型、施氮時(shí)期等對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成、氮肥利用效率的影響［4-8］以及多年施肥后土壤環(huán)境的變化［9］等方面進(jìn)行了廣泛深入的研究。根際土壤是植物吸收養(yǎng)分、并與土壤進(jìn)行相互作用的重要區(qū)域，因此，根際土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸和吸收利用在植物生長(zhǎng)過(guò)程中扮演著重要角色［10］。為提高作物養(yǎng)分利用效率，前人研究提出了根際土壤管理策略，即通過(guò)建立根際區(qū)域養(yǎng)分供應(yīng)和作物養(yǎng)分需求同步的綜合管理體系，以期實(shí)現(xiàn)適量施氮、作物高產(chǎn)［11］。針對(duì)這一氮肥管理模式，SAIZ-FERNáNDEZ等［12］室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，根際供應(yīng)過(guò)量的硝態(tài)氮將會(huì)導(dǎo)致玉米單位面積內(nèi)細(xì)胞數(shù)量增多，進(jìn)而影響整個(gè)植株的生長(zhǎng)。WENG等［13］和ZHANG等［14］在大田條件下研究了根際氮肥用量、時(shí)期、方式對(duì)根際土壤養(yǎng)分狀況、微生物變化以及對(duì)產(chǎn)量、品質(zhì)的影響。云鵬等［15］研究認(rèn)為在高肥力的冬小麥/夏玉米輪作體系中，適當(dāng)減施氮肥不會(huì)影響玉米根際土壤氮素水平，能夠保證玉米穩(wěn)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)減氮增效。雍太文等［16］研究認(rèn)為小麥/玉米/大豆套作模式通過(guò)改善3種作物根際環(huán)境，促進(jìn)了作物地下部根系生長(zhǎng)和地上部生物量的增加，從而實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】盡管前人研究認(rèn)為受作物、根際微生物以及根際微環(huán)境交互作用導(dǎo)致的根際土壤特性呈動(dòng)態(tài)變化，表明了根際施肥在作物產(chǎn)量方面的重要性，但是有關(guān)不同生育時(shí)期這些根際土壤特性與玉米籽粒產(chǎn)量之間的關(guān)系并不清楚，而有關(guān)這方面的研究還比較缺乏。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究連續(xù)3年在河南省方城縣進(jìn)行，對(duì)不同氮肥用量條件下玉米不同生育期根際土壤特性的變化及其與玉米產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行了研究，以期為制定合理的根際氮肥管理措施、實(shí)現(xiàn)黃淮海地區(qū)玉米高產(chǎn)高效提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)

大田試驗(yàn)設(shè)置在河南省方城縣袁莊村（112°98'E，33°25'N，平均海拔108 m），土壤類型為砂姜黑土。該地區(qū)屬于北亞熱帶半濕潤(rùn)區(qū)季風(fēng)型大陸氣候，1961 —2006年玉米生長(zhǎng)季（6—10月）月平均氣溫變幅為14.7℃（10月）到29℃（6月），降雨量為600 mm左右，日照時(shí)數(shù)為720—1 200 h。該區(qū)域冬小麥一般在10月上旬播種并在次年6月收獲，夏玉米一般在6月中旬播種，9月下旬收獲。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2012年玉米播種前設(shè)置固定氮肥梯度試驗(yàn)樣地，5個(gè)氮肥處理分別為0 （CK：對(duì)照）、180（N180）、240（N240）、300 （N300）和360 kgN·hm-2（N360），試驗(yàn)采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)4次，小區(qū)面積為47.6 m2。2012、2013和2014年連續(xù)3年于玉米生育期開展試驗(yàn)。氮肥分別于玉米苗（4葉）期（50%）和大喇叭口期（50%）施入，磷肥（90 kg·hm-2）和鉀肥（120 kg·hm-2）于苗（4葉）期一次施入。氮肥采用尿素，磷肥采用過(guò)磷酸鈣，鉀肥采用氯化鉀。2次施肥均開溝施入5 cm土層并覆蓋。試驗(yàn)所用玉米品種為鄭單958，行距60 cm，種植密度為67 500株/hm2。

1.3田間取樣

2012—2014年分別于玉米拔節(jié)（6葉）、吐絲和成熟3個(gè)關(guān)鍵生育期進(jìn)行取樣。在每個(gè)小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的連續(xù)3株植株，分別取其地上部和根系生物量，根系生物量的取樣體積為30 cm（長(zhǎng)）×30 cm（寬）×20 cm（深）；植株地上部和根系生物量用烘箱殺青30 min后，在80℃烘干至恒重并稱重。小心挖出玉米根系后，采用抖根法提取根際土壤［17］；用土鉆在行距之間取0—20 cm的土壤定義為小區(qū)非根際土。籽粒成熟后（乳線消失）收獲小區(qū)中間三行的連續(xù)20株玉米植株進(jìn)行計(jì)產(chǎn)并考種。

1.4測(cè)定分析

玉米植株氮素含量采用凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定。采用 SUN等［18］方法測(cè)定根際和非根際土土壤酶活性。其中脲酶活性以5 g土壤中加入定量尿素在37℃條件培養(yǎng)24 h后土壤中銨態(tài)氮含量來(lái)表示。按照Z(yǔ)HOU等［19］方法測(cè)定過(guò)氧化氫酶（EC 1.11.1.6）活性，稱取5 g土壤加入5 mL 0.3% H2O2在30℃培育30 min，并用0.1 mol·L-1KMnO4進(jìn)行滴定。稱取10 g土壤樣品，用50 mL 2 mol·L-1KCl浸提，浸提液采用流動(dòng)分析儀（Scalar SANplus，Netherlands）分析土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。稱取10 g風(fēng)干土，加入50 mL去離子水于振蕩器上震蕩 30 min，用電位法測(cè)定土壤 pH（YOKE PHS-3E.Shanghai，China）。

1.5計(jì)算

氮肥回收率（Apparent recovery efficiency of nitrogen：REn），采用成熟期不同施肥處理與對(duì)照之間玉米地上部氮素累積量（N accumulation: NA）之差進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下［20］：

式（1）中，UN是每個(gè)處理中氮的吸收量（kg·hm-2），UN0是不施肥處理的CK（kg·hm-2），F(xiàn)N是每個(gè)處理施入無(wú)機(jī)氮的量（kg·hm-2）。式（2）中，Un-1是每個(gè)處理某一時(shí)期氮素累積量（kg·hm-2），Un是每個(gè)處理與Un-1相鄰后一時(shí)期氮素累積量（kg·hm-2）。

1.6統(tǒng)計(jì)分析

采用One way ANOVA分析施肥處理之間籽粒產(chǎn)量和氮素利用效率的差異顯著性并采用LSD進(jìn)行多重比較。采用Pearson Correlation分析玉米籽粒產(chǎn)量與關(guān)鍵生育期根際和非根際脲酶、過(guò)氧化氫酶、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、pH以及地上部、地下部生物量和他們的氮素累積量之間的相關(guān)性；同時(shí)采用R 3.2.2軟件對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行主成分分析，獲取3個(gè)施肥處理各生育時(shí)期的主成分雙信息圖。每個(gè)樣本向量在因子向量上的垂直投影越長(zhǎng)，表明該向量在響應(yīng)樣本中的表型值越高，每?jī)蓚€(gè)因素的夾角大小表示二者的相關(guān)性［21］。所有數(shù)據(jù)均用Excel 2013進(jìn)行前期處理，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件，采用SigmaPlot 12.5和R 3.2.2軟件進(jìn)行作圖。

2　結(jié)果

2.1玉米籽粒產(chǎn)量、氮肥利用效率和氮素累積量

2012、2013和2014連續(xù)3年5個(gè)氮肥處理玉米籽粒產(chǎn)量的平均值分別為6 046、7 510、8 271、8 482 和8 173 kg·hm-2。與CK相比，4個(gè)施肥處理3年產(chǎn)量的平均值分別增加了 23.85%、36.40%、39.87%和34.78%（圖1-a—圖1-c）。4個(gè)施肥處理之間的氮素利用效率差異達(dá)顯著水平，其中，N240處理的氮素利用效率值最高（圖1-d—圖1-f）。

圖1　2012、2013和2014年CK、N180、N240、N300和N360處理籽粒產(chǎn)量和氮肥回收率Fig.1 Comparisons of grain yield and REn among five N fertilizer treatments in 2012，2013，2014

2012、2013和2014年連續(xù)3年不同生育時(shí)期植株地上部氮素累積量呈動(dòng)態(tài)變化（圖2），其中拔節(jié)-吐絲期和吐絲-成熟期之間氮素累積量均顯著高于播種-拔節(jié)期；2013和2014年，CK處理玉米生育期氮素累積量呈先增加后降低趨勢(shì)，而其他4個(gè)施氮處理（N180、N240、N300和N360）則呈逐漸增加的趨勢(shì)。4個(gè)施肥處理之間（N180、N240、N300和N360），拔節(jié)-吐絲期和吐絲-成熟期 2個(gè)階段的氮素累積量均隨施肥量的增加呈先增加后下降趨勢(shì)。

2.2玉米生育期根際和非根際土壤性質(zhì)

與CK相比，4個(gè)施肥處理3年根際土硝態(tài)氮含量平均值分別增加 23.38%、57.13%、57.87%和69.74%（表1），非根際土硝態(tài)氮分別增加59.49%、92.01%、132.08%和179.35%。隨施氮量的增加根際土壤銨態(tài)氮含量顯著增加，且5個(gè)氮肥處理之間的差異達(dá)顯著水平（表1）。與CK相比，4個(gè)施肥處理3年非根際土銨態(tài)氮含量平均值分別增加4.27%、3.51%、5.04%和26.26%。根際和非根際土壤pH（表1）均隨著氮肥施用量的增加而降低。根際土壤和非根際土壤 pH的變化范圍分別為 4.5—6.7和 5.5—7.2。與非根際土pH相比，5個(gè)處理的根際土壤pH值平均降低5 %。與CK相比，4個(gè)施氮處理3年的土壤 pH平均值分別降低了 3.9%、5.9%、7.5%和 9.8%。玉米生育期根際和非根際土壤含水量呈動(dòng)態(tài)變化（表2），且 5個(gè)施肥處理之間的根際土壤含水量差異不顯著；其中2014年根際土和非根際土之間差異達(dá)顯著水平。與 CK相比，4個(gè)施氮處理 3年非根際土壤脲酶活性平均值分別增加了 4.02%、14.73%、24.55%和19.64%（表3）。根際和非根際土壤過(guò)氧化氫酶活性隨氮肥用量的增加而降低（表3），與CK相比，4個(gè)施氮處理3年的非根際土壤過(guò)氧化氫酶活性平均值分別降低了3.03%、5.09%、8.24%和12.67%。

2.3玉米籽粒產(chǎn)量與各時(shí)期土壤參數(shù)的相關(guān)分析和主成分分析

由5個(gè)處理玉米產(chǎn)量和氮肥回收率（圖1）可知，施氮量達(dá)到并超過(guò)240 kg·hm-2后，玉米籽粒產(chǎn)量不再顯著增加、但氮肥回收率顯著下降；當(dāng)施氮量達(dá)到360 kg·hm-2時(shí)，產(chǎn)量開始有下降的趨勢(shì)，且氮肥回收率顯著下降。為此，選取CK、N240和N360 3個(gè)具有代表性的處理進(jìn)行相關(guān)分析和主成分分析。2012、2013 和2014年玉米3個(gè)生育期各主要因子與籽粒產(chǎn)量的相關(guān)分析，結(jié)果（表4）表明，拔節(jié)期，玉米根系生物量和根際土壤硝態(tài)氮含量連續(xù)3年均與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。吐絲期，玉米地上部生物量及其氮素累積量、根生物量、根際和非根際土壤硝態(tài)氮含量、根際土壤銨態(tài)氮含量和非根際土pH均與籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；其中2013和2014年根系氮素累積量、根際脲酶活性以及根際土壤pH與產(chǎn)量的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平。成熟期，植株地上部生物量及其氮素累積量、根系生物量均與玉米產(chǎn)量呈顯著相關(guān)。其中2013和2014年與根部氮素累積量、根際土壤硝態(tài)氮含量以及非根際土硝態(tài)氮含量相關(guān)性也達(dá)顯著水平。

圖2　2012、2013和2014年各生育期地上部氮素累積量的比較Fig.2 Temporal variations of aboveground N accumulation during maize growth periods in 2012，2013 and 2014

表1　2012—2014年玉米生育期5個(gè)處理土壤特性的比較Table 1 Comparisons of rhizosphere and bulk soil characteristics among N fertilizer treatments in 2012，2013 and 2014

表2　2012—2014年玉米各生育期土壤含水量變化Table 2 Temporal variations of soil moisture content during maize growth periods in 2012，2013 and 2014

主成分分析表明，2012、2013和2014年連續(xù)3 年3個(gè)氮肥處理在玉米關(guān)鍵生育時(shí)期均得到了很好的分離（圖3—圖5）。連續(xù)3年，拔節(jié)期第一主成分所解釋比例分別為37.4%、64.65%和77.61%，第二主成分的解釋比例分別25.2%、15.0%和6.91%（圖3）。玉米吐絲期，第一主成分將施肥處理（N240和N360）和不施肥處理（CK）分離，第二主成分將CK、N360 與N240分離（圖4）。成熟期，對(duì)第一主成分的解釋主要是產(chǎn)量、地上部和地下部干物質(zhì)以及氮素累積量，對(duì)第二主成分的解釋主要是根際和非根際土壤銨態(tài)氮含量、土壤pH以及土壤過(guò)氧化氫酶活性（圖5）。

2012、2013和2014年3個(gè)處理玉米產(chǎn)量與拔節(jié)期各主要因子的關(guān)系表明（圖3）：與CK相比，N240 和N360處理在產(chǎn)量（Y）的垂直投影較長(zhǎng)，表明產(chǎn)量在N240和N360處理中表型值顯著高于CK；而N240 和 N360 2個(gè)處理在產(chǎn)量的垂直投影點(diǎn)相近，表明N240和N360 2個(gè)處理的產(chǎn)量相近。2013和2014年，產(chǎn)量與拔節(jié)期土壤硝態(tài)氮含量、根際過(guò)氧化氫酶、地上部生物量和氮素累積量夾角較小，相關(guān)性較強(qiáng)。依據(jù)以上判別方法，與CK相比，N240和N360處理的產(chǎn)量、地上地下生物量和氮素累積量、根際和非根際土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均較高，脲酶活性較強(qiáng)；而土壤pH和過(guò)氧化氫酶活性較低。這表明氮肥用量不僅影響籽粒產(chǎn)量高低和玉米植株養(yǎng)分積累，同時(shí)改變了其所處的土壤微環(huán)境和土壤養(yǎng)分狀況。與N240相比，N360處理拔節(jié)期地上和地下生物量和氮素累積量以及土壤銨態(tài)氮含量較低，而土壤硝態(tài)氮含量相似，這表明隨著氮肥輸入量的繼續(xù)增加，N360處理在拔節(jié)期不僅積累了較多的地上和地下部干物質(zhì)，同時(shí)造成土壤中大量的銨態(tài)氮積累，并沒有轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮供應(yīng)給植株吸收利用。相較于非根際土，N240和N360 2個(gè)處理之間根際土壤pH的差值大于非根際土壤，這表明在N240處理基礎(chǔ)上繼續(xù)施用氮肥，根際土壤pH會(huì)顯著降低。

表3　2012、2013、2014年玉米各生育期脲酶和過(guò)氧化氫酶活性Table 3 Temporal variations of rhizosphere and bulk soil urease and catalase activities duringmaize growth periods in 2012，2013，2014

表4　2012　—2014年3個(gè)處理（CK、N240和N360）玉米籽粒產(chǎn)量與3個(gè)生育期地上部、根部、土壤特性的相關(guān)性Table 4 The relationships ofmaize yields with aboveground biomass and their N accumulation，root biomass and root N accumulation，and soil properties in 2012-2014 （n=12）

圖3　2012、2013和2014年拔節(jié)期主成分雙因素圖Fig.3 Principle components analysis at jointing stage in 2012，2013 and 2014

玉米產(chǎn)量與吐絲期各因子的主成分分析（圖4），表明籽粒產(chǎn)量和吐絲期地上部生物量及氮素累積量、根系生物量、根際和非根際土壤硝態(tài)氮含量、根際土壤銨態(tài)氮含量和土壤pH相關(guān)性較強(qiáng)。與CK相比，N240和N360處理地上部生物量和氮素累積量以及土壤無(wú)機(jī)氮含量均較高且土壤脲酶活性較強(qiáng)，而土壤pH較低，土壤過(guò)氧化氫酶活性較弱。與N240相比，N360處理雖然非根際土壤中無(wú)機(jī)氮含量較高，土壤pH和過(guò)氧化氫酶活性較低，但2個(gè)處理根際土壤硝態(tài)氮含量、地上部生物量和氮素累積量投影點(diǎn)相近、沒有顯著差異。

圖4　2012、2013和2014年吐絲期主成分雙因素圖Fig.4 Principle components analysis at silking stage in 2012，2013 and 2014

成熟期主成分分析（圖5），表明2013和2014年玉米籽粒產(chǎn)量與地上部生物量和氮素累積量夾角很小、相關(guān)性強(qiáng)。與N240相比，N360處理土壤無(wú)機(jī)氮含量較高、土壤 pH和過(guò)氧化氫酶活性均較低，但 2個(gè)處理產(chǎn)量和地上部氮素累積量差異較小。這表明在N240處理基礎(chǔ)上繼續(xù)增施氮肥不僅沒有提高產(chǎn)量，而且可能造成成熟期土壤中可利用性氮素過(guò)度累積和土壤環(huán)境惡化。

3　討論

3.1玉米不同生育期土壤特性與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系

玉米籽粒產(chǎn)量與不同生育時(shí)期的土壤特性密切相關(guān)［22］。相關(guān)分析和主成分分析均表明，玉米籽粒產(chǎn)量與拔節(jié)、吐絲和成熟期根際土壤硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)（表4和圖3—圖5）。硝態(tài)氮是玉米吸收氮素的主要形式［12］，玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中土壤可利用性氮素的供應(yīng)，能夠促進(jìn)根系生物量增加，擴(kuò)大根系養(yǎng)分吸收面積，為地上部生長(zhǎng)發(fā)育提供養(yǎng)分［11］。ZHANG等［17］研究發(fā)現(xiàn)玉米生育期土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活性呈動(dòng)態(tài)變化，這些活性變化改善了土壤可利用性氮素的供應(yīng)，能夠促進(jìn)玉米產(chǎn)量的提高。本研究發(fā)現(xiàn)玉米籽粒產(chǎn)量與拔節(jié)期和吐絲期土壤 pH均呈顯著負(fù)相關(guān)（表4、圖3—圖4），這表明在一定范圍內(nèi)適度的土壤酸化可能會(huì)促進(jìn)土壤養(yǎng)分的活化，提高產(chǎn)量［11］。與CK相比，拔節(jié)期和吐絲期N240和N360處理非根際土pH降低，可能是因?yàn)槟蛩卦谕寥乐修D(zhuǎn)化為銨態(tài)氮進(jìn)而在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過(guò)程中，釋放的H+較多使得土壤變酸［10］，而根際土pH降低則可能是玉米根吸收銨態(tài)氮過(guò)程中為保持電荷平衡釋放質(zhì)子的原因［23］。玉米土壤過(guò)氧化氫酶活性與土壤 pH呈正相關(guān)（圖3—圖5），隨著pH減小土壤過(guò)氧化氫酶活性降低，土壤解毒功能也下降；當(dāng)pH＜5.0時(shí)，過(guò)氧化氫酶活性幾乎完全喪失［24］。因此，適宜的氮肥用量能夠降低拔節(jié)期和吐絲期土壤pH，酸化土壤，促進(jìn)土壤養(yǎng)分活化和供應(yīng)；而氮肥過(guò)量，土壤嚴(yán)重酸化、土壤解毒功能顯著降低，反而不利于增加作物籽粒產(chǎn)量。

圖5　2012、2013和2014年成熟期主成分雙因素圖Fig.5 Principle components analysis at maturity stage in 2012，2013 and 2014

玉米籽粒產(chǎn)量與吐絲期植株地上部和地下部生物量以及它們的氮素累積量呈顯著正相關(guān)，而且與玉米根際和非根際土壤硝態(tài)氮含量、根際脲酶活性以及土壤pH顯著相關(guān)（表4、圖4），這表明玉米籽粒產(chǎn)量的增加不僅依賴地上部養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)再分配和根部養(yǎng)分吸收能力，而且需要根際土壤和非根際土壤提供大量的可利用性養(yǎng)分［25］。王璞等［26］研究認(rèn)為吐絲期土壤可利用性氮素充足供應(yīng)，顯著提高子粒第二灌漿峰值，促進(jìn)子粒氮素積累，提高玉米籽粒產(chǎn)量。玉米籽粒產(chǎn)量與成熟期根際硝態(tài)氮的相關(guān)性表明（表4、圖5），后期適宜的可利用性氮素供應(yīng)，可以維持根系功能，減少細(xì)胞中對(duì)生物體有害的活性氧產(chǎn)生和積累，防止早衰，避免減產(chǎn)［27］。而產(chǎn)量與成熟期地上部生物量、地上部氮素累積量以及根系生物量的相關(guān)性（表4、圖5）表明籽粒產(chǎn)量高低更多的與成熟期植株體內(nèi)物質(zhì)和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)［28-29］。由此看出，拔節(jié)期玉米根際土壤可利用性氮素供應(yīng)是構(gòu)建根系豐產(chǎn)群體、穩(wěn)定玉米產(chǎn)量的基礎(chǔ)；吐絲期不僅需要根際土壤和非根際土壤提供充足的可利用性養(yǎng)分，而且需要良好的根際微環(huán)境以促進(jìn)根系生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收；玉米生育后期根際土壤可利用性氮素的合理供應(yīng)能夠防止玉米根系早衰。

3.2氮肥用量改變土壤特性影響玉米籽粒產(chǎn)量

土壤氮素營(yíng)養(yǎng)狀況是影響玉米生長(zhǎng)、發(fā)育并決定籽粒產(chǎn)量的主要因素［30］，而不同的氮肥用量顯著改變了玉米根際土壤特性，這可能是影響籽粒產(chǎn)量的重要原因之一［31］。與不施肥相比，施肥以后土壤可利用性氮素增加，微生物活性和功能（脲酶、過(guò)氧化氫酶）增強(qiáng)，促進(jìn)玉米根系養(yǎng)分吸收，增加籽粒產(chǎn)量［32］，但是過(guò)量施用氮肥則會(huì)降低產(chǎn)量。過(guò)量施用氮肥一方面改變了玉米根際和非根際土壤特性和微環(huán)境，進(jìn)而影響植株對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用［33］。劉宏勝等［34］研究認(rèn)為，不同施肥水平下隨著肥料用量的增加，脲酶和過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。本研究發(fā)現(xiàn)，與N240相比N360處理土壤pH、脲酶和土壤過(guò)氧化氫酶活性均降低（圖3—圖4），表明進(jìn)一步增加氮肥用量后土壤變酸，解毒能力降低，土壤微環(huán)境變化影響根系生長(zhǎng)發(fā)育，降低根系對(duì)養(yǎng)分的吸收［9，11］，而玉米產(chǎn)量和氮素累積量降低也印證了這一機(jī)制（圖2）。

另一方面，隨氮肥用量的增加，植物體內(nèi)氮素含量可能作為局部和遠(yuǎn)程信使調(diào)節(jié)自身對(duì)氮素吸收，而根系的模塊化結(jié)構(gòu)使植株在生長(zhǎng)過(guò)程能夠靈敏的感知和捕捉土壤養(yǎng)分的這些變化［12，32］。與 N240相比，繼續(xù)增施氮肥后盡管增加了拔節(jié)期和吐絲期根際土和非根際土銨態(tài)氮含量，然而并沒有提高地上部生物量和氮素累積量，這表明在N240基礎(chǔ)上繼續(xù)增施氮肥后，為避免地上部植株積累過(guò)量氮素，影響植物光合線性電子傳遞，降低光合作用［12，35-36］，植株體內(nèi)硝態(tài)氮作為直接信號(hào)可能對(duì)玉米根系的養(yǎng)分吸收產(chǎn)生了反饋［12］，抑制根系生長(zhǎng)并降低養(yǎng)分吸收量［37］。拔節(jié)期和吐絲期N360處理非根際土壤無(wú)機(jī)氮和根際銨態(tài)氮含量均較高，而根際土壤硝態(tài)氮含量沒有繼續(xù)增加，也表明繼續(xù)增施氮肥后根際土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程可能受到了抑制［38］。

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)隨著年份的增加，施肥處理之間的土壤特性也會(huì)發(fā)生變化。主成分分析表明，2012—2014年第一主成分和第二主成分之和呈逐漸增加的趨勢(shì)（圖3—圖5），這表明隨著處理的進(jìn)行土壤各指標(biāo)對(duì)施肥處理的解釋更全面，且處理之間的分離更明顯。與2012年相比，2013—2014年CK處理的pH有上升的趨勢(shì)，而土壤無(wú)機(jī)氮含量呈下降的趨勢(shì)；與 2012年不同，2013和2014年N240和N360 2個(gè)處理土壤無(wú)機(jī)氮含量出現(xiàn)了差別，脲酶和過(guò)氧化氫酶活性也隨著施氮量增加而下降進(jìn)而產(chǎn)生差異（表4、圖3—圖5）。這表明，氮素供應(yīng)不足會(huì)影響玉米群體構(gòu)建、植株中后期養(yǎng)分吸收嚴(yán)重不足造成早衰，進(jìn)而減產(chǎn)；而過(guò)量施入氮肥不僅會(huì)造成土壤環(huán)境惡化、氮素轉(zhuǎn)化受阻，而且玉米植株養(yǎng)分吸收和籽粒產(chǎn)量也不再增加，浪費(fèi)資源，降低經(jīng)濟(jì)效益甚至污染環(huán)境。

4　結(jié)論

施氮肥條件下玉米不同生育時(shí)期的根際土壤特性與籽粒產(chǎn)量的高低密切相關(guān)。根際作用主要是通過(guò)改善作物可利用性氮素的供應(yīng)影響產(chǎn)量的變化，其中，拔節(jié)期根際土壤硝態(tài)氮、吐絲期根際和非根際土壤硝態(tài)氮以及成熟期土壤硝態(tài)氮均與籽粒產(chǎn)量顯著相關(guān)。根際作用另一方面則是通過(guò)改善根系微環(huán)境維持較好的土壤解毒能力，保證土壤氮素轉(zhuǎn)化和供應(yīng)順利進(jìn)行，促進(jìn)根系生長(zhǎng)和根系吸收養(yǎng)分吸收，防止根系早衰。生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)玉米不同生育時(shí)期的根際特性進(jìn)行合理施肥，既保障玉米不同生育時(shí)期對(duì)養(yǎng)分的需求，又營(yíng)造良好的根際土壤環(huán)境，提高氮素利用效率，促進(jìn)產(chǎn)量增加。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩，李莉）

Relationship Between Rhizosphere Soil Properties and Yield of Maize at Different Nitrogen Levels

ZHANG Xue-lin，XU Jun，AN Ting-ting，HOU Xiao-pan，LI Chao-hai
（Agronomy College，Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops/State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science，Zhengzhou 450002）

【Objective】Making the relationship between rhizosphere soil properties and maize grain yield clear could help managing nitrogen （N） fertilizer application，improving N use efficiency and reducing environmental pollution. 【Method】A field experiment with three N fertilizer treatments （Control: CK； 180 kg N·hm-2:N180； 240 kg N·hm-2: N240； 300 kg N·hm-2: N300 and 360 kg N·hm-2: N360） was established in 2012，and was carried out during maize growth periods in 2012，2013，and 2014，respectively. Both rhizosphere soil and bulk soil NH4+-N，NO3--N，urease，catalase，pH value，root and aboveground biomass and their N accumulation were measured at critical stages during maize growth periods，and their relationships with maize grain yield were analyzed. 【Result】In comparison with CK，the maize grain yield of four N fertilizer treatments increased by 23.85%，36.40%，39.87% and 34.78% for the three annual average，respectively，and their aboveground N accumulation was significantly higher than that of CK. Rhizosphere soil NO3--N content of four N fertilizer treatments for their three years average increased by 23.38%，57.13%，57.87% and 69.74% in comparison with the CK，and 59.49%，92.01%，132.08% and 179.35% for their bulk soil NO3--N content，respectively. With the N fertilizer rate increasing，the bulk soil NH4+-N content increased by 4.27%，3.51%，5.04% and 26.26%，respectively. Both rhizosphere soil and bulk soil pH decreased with the increasing of N application rate，their ranges were 4.5-6.7 and 5.5-7.2，and the bulk soil pH value was 5% higher than that of rhizosphere soil. Rhizosphere soil urease activity increased with the N fertilizer rate increasing，and bulk soil urease activities of four N treatments for their three years average increased by 4.02%，14.73%，24.55% and 19.64%，respectively，in comparison with the CK. Bulk soil catalase activities decreased with the N fertilizer rate increasing，and reduced by 3.03%，5.09%，8.24% and 12.67% in four N fertilizer treatments in comparison with CK. The rhizosphere soil and bulk soil characteristics of CK，N240 and N360 treatments were used to analyze their relationship with maize yield. Pearson correlation analysis showed that rhizosphere soil NO3--N content at jointing stage； rhizosphere and bulk soil NO3--N，rhizosphere soil NH4+-N and bulk soil pH at silking stage were all significantly and positively correlated with grain yield. Rhizosphere soil urease enzyme activity and pH at silking stage in 2013 and 2014 were significantly correlated with grain yield，and rhizosphere soil and bulk soil NO3--N content at maturity stage in 2013 and 2014 were also significantly correlated with the yield. Principal component analysis indicated that rhizosphere soil NO3--N content，catalase activity，aboveground biomass and their N accumulation at jointing stage； rhizosphere soil and bulk soil NO3--N content，rhizosphere soil NH4+-N，bulk soil pH，aboveground biomass and their N accumulation at silking stage，and aboveground biomass and their N accumulation at maturity stage were all significantly correlated with grain yield.【Conclusion】All of these results indicated that according to the relationship between rhizosphere soil properties at different stages and maize grain yield，a suitable N fertilizer methods should be taken to ensure the soil available N supply，create a favorable rhizosphere soil environment，improve N utilization efficiency，and increase grain yield.

maize yield； nitrogen fertilizer； rhizosphere soil characteristics； correlation analysis； principal component analysis

2015-12-29；接受日期：2016-05-10

國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201203100）、河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（13A210491）

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