展文潔，陳一昊，曾子豪，張 暢，張水梅，程 松，梁 堯，袁靜超，任 軍，劉劍釗*，蔡紅光

（1.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，吉林 長春 130033；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095）

玉米是重要的糧食作物之一，不僅可直接供人類食用，也是保障國家糧食安全的重要途徑［1-2］，同時在飼料、醫(yī)藥學(xué)及生物質(zhì)能源等方面具有重要地位。東北是我國最大的春玉米生產(chǎn)區(qū)［3］，玉米種植面積占全國的40.4%，產(chǎn)量占全國的43.3%［4］。玉米的有效供給是持續(xù)的需求［5］，但通過擴大種植面積來提高玉米產(chǎn)量來實現(xiàn)有效供給是不現(xiàn)實的。依靠施肥技術(shù)上的改進(jìn)來提高玉米產(chǎn)量，是促進(jìn)玉米生產(chǎn)發(fā)展的有效途徑之一。

氮肥對玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)起著重要作用，合理施用氮肥對于提高春玉米產(chǎn)量和氮肥利用率、減緩環(huán)境壓力具有重要意義［6-8］。近年來，為了降低勞動力成本，玉米簡化施肥或一次性施肥成為一種趨勢［9-10］，高強等［11］研究表明吉林省玉米一次性施肥面積占全省玉米總面積的62.5%。氮肥一次性基施會造成土壤殘留硝態(tài)氮淋失，降低肥料利用率，加重環(huán)境負(fù)擔(dān)［12-14］。近年來，有學(xué)者提出了氮肥后移技術(shù)［15］，即分次施用氮肥，以更好地起到養(yǎng)分供應(yīng)與作物吸收同步的作用［16］。關(guān)于一次性施肥與分次施肥的比較，前人研究得出的結(jié)論不一［17］。葛均筑等［18］研究表明，玉米氮肥一次性基施相對于氮肥分次施用，在降水充足的年份產(chǎn)量并無差異，在干旱年份其產(chǎn)量有所降低，氮肥一次性基施會顯著降低玉米生育前期養(yǎng)分積累量［19-20］。氮肥分次施用，能顯著減少氮肥的田間表觀損失［21］，更加適應(yīng)玉米的養(yǎng)分吸收需求。在已發(fā)表的研究中，多圍繞玉米產(chǎn)量［13，16-17］、氮肥利用效率［13，18］、碳氮代謝［15］等方面，而關(guān)于氮肥一次性基施對春玉米根系生長的影響鮮有報道。作為植株吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，根系形態(tài)在土層中的分布對肥料的響應(yīng)至關(guān)重要。本研究基于多年田間定位試驗，對不同氮肥施用方式下春玉米根系生長動態(tài)及空間分布進(jìn)行了剖析，以期為東北春玉米區(qū)氮肥的合理施用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗起始于2011年，在吉林省公主嶺市吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田（43°29′55″N，124°48′43″E）進(jìn)行。試驗田為玉米連作區(qū)，玉米生育期間平均氣溫19.6℃左右，無霜期125～140 d，有效積溫2600～3000℃，總?cè)照諘r數(shù)1220 h左右。供試土壤為黑土，0～20 cm耕層土壤主要性狀為：有機質(zhì)2.1%，堿解氮111.8 mg/kg、有效磷31.5 mg/kg、速 效 鉀185.9 mg/kg、pH值6.0。2013和2014年玉米生育期內(nèi)降水量分別為642.9、422.5 mm（圖1）。

圖1 2013和2014年公主嶺市玉米生育期內(nèi)降水量

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)3個處理，分別為不施氮對照（N0）、氮肥一次性基施（N1）、氮肥分次施用（N2），每個處理重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為50 m2。氮肥為尿素（N 46%）。具體氮肥用量及施肥時期見表1。磷肥為過磷酸鈣（P2O512%）和磷酸二銨（N 18%，P2O546%），用量均為75 kg/hm2（P2O5）；鉀肥為氯化鉀（K2O 60%），用量均為82.5 kg/hm2（K2O）?；屎妥贩示捎脺鲜?，其中基肥施肥深度為10 cm，追肥施肥深度為7 cm。種植品種為先玉335，播種密度為5.0萬株/hm2。其它管理方式均同一般大田。

表1 不同施肥模式下的氮肥用量 （kg/hm2）

1.3 測定項目與方法

在玉米播種前采集0～20 cm耕層土壤樣品，采用常規(guī)方法測定土壤養(yǎng)分。分別于2013和2014年在玉米12展葉（V12）、開花期（VT）、花后20 d（VT+20）、花后40 d（VT+40）、生理成熟期（R6）5個生育時期對植株地上部和根系取樣，每個處理選取有代表性的植株3株，分別將植株葉、莖（鞘）、籽粒、穗軸器官分開，烘干，粉碎，采用凱氏定氮法測定植株全氮。

根系樣品采用土壤剖面挖掘法，具體如下：垂直于壟的方向，每個小區(qū)以植株為中心挖掘1/2行距（30 cm）×1/2株距（10 cm）范圍內(nèi)深度為60 cm土體（V6時期根系樣品采集深度為40 cm土體）的根系2株，每10 cm為1層，由取根刀切斷。每層土體中的所有可見根系由人工挑出，將根系上附著的土和雜質(zhì)去除，用清水沖洗干凈。用掃描儀（Epson V700）掃描后獲得根系圖片，利用WinRhizoPro 5.0（Pro2004b，Canada）分 析 獲得根長、根表面積、根系平均直徑等指標(biāo)，將根系烘干后采用稱重法測定根系干重。從VT期開始，在采集根系樣品的同時取相應(yīng)土層土壤樣品，放入冰盒，帶回實驗室用0.01 mol/L CaCl2浸提，TRACCS2000型連續(xù)流動分析儀測定土壤硝態(tài)氮。

成熟期收獲中間2行玉米，裝入尼龍網(wǎng)袋，曬干脫粒稱重，以含水量14%的重量折算小區(qū)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，采用SAS 8.0進(jìn)行方差分析和多重比較（LSD法）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥施用方式對產(chǎn)量、生物量、吸氮量和根冠比的影響

由于本試驗始于2011年，隨著地力的消耗，增施氮肥后對產(chǎn)量的增產(chǎn)效果顯著提高。由表2可以看出，施用氮肥后大幅提高了春玉米的產(chǎn)量、生物量和吸氮量（P＜0.05）。從單株籽粒產(chǎn)量來看，2013年，N1和N2處理分別比N0處理增產(chǎn)175.5%和177.9%；2014年，N1和N2處理分別比N0處理增產(chǎn)122.0%和154.9%。從單株生物量來看，2013年，N1和N2處理分別比N0處理增加125.4%和127.8%，2014年，N1和N2分別比N0處理增加76.3%和95.1%，其處理間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。從吸氮量來看，2013年，N1和N2處理分別比N0處理增加242.6%和272.4%，2014年，N1和N2處理分別比N0處理增加191.0%和210.1%。從根冠比來看，兩年均表現(xiàn)為N0處理顯著高于N1和N2處理（P＜0.05），2013年，N0處理比N1和N2處理分別增加62.5%和79.3%；2014年，N0處理比N1和N2處理分別增加75.8%和75.8%。由此可見，施氮處理顯著增加了春玉米的產(chǎn)量、生物量和吸氮量（P＜0.05），其中以N2處理最優(yōu)?？梢?，增施氮肥后，地上部的生長比根系的生長減小更多，致使根冠比增加，而適當(dāng)?shù)卦黾痈诒雀欣诤笃诋a(chǎn)量的形成。

表2 不同氮肥施用方式下的籽粒產(chǎn)量、生物量、吸氮量及根冠比

2.2 不同氮肥施用方式下根系時間分布特征

不同氮肥施用方式下玉米根系干重的生育期動態(tài)變化如圖2A所示。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，玉米的根系干重呈先增加后降低的變化趨勢，在VT期或花后20 d達(dá)到最大值。不同處理方式對各生育期玉米的根系干重有顯著影響。2013年，N1和N2處理各生育時期根系干重均高于N0處理，其中N1處理在花后40 d和成熟期分別比N0處理增加了35.0%和15.2%（P＜0.05），N2處理在花后20 d、花后40 d和成熟期增幅顯著（P＜0.05），增幅為25.8%～27.7%；2014年，N1處理的根系干重在開花期之后均低于N0處理，降幅為2.9%～14.2%，而N2處理在各生育時期的根系干重均屬最高，在開花期和花后20 d分別比N0處理增加了52.2%和34.2%（P＜0.05）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)氮肥一次性基施受年際間的影響較大，而氮肥分次施用處理在年際間表現(xiàn)相對穩(wěn)定，尤其在花后20 d和成熟期等關(guān)鍵生育時期，其根系干重增幅顯著（P＜0.05）。

隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，玉米的根長和根表面積均呈先增后降的單峰曲線變化，根系平均直徑整體變化趨勢不明顯（P＞0.05）。從各根系指標(biāo)的年際間差異來看，2014年的根長和根表面積均高于2013年，同一處理間的根長在年際間增加46.2%以上，同一處理間的根表面積在年際間增加47.0%以上。2013年，各處理的根長和根表面積均在開花期達(dá)到最大值，與N0處理相比，N1處理降低了12展葉期和開花期的根長和根表面積，降幅為3.5%～29.1%；N2處理均增加了各生育時期的根長和根表面積，在開花期、花后20 d和成熟期增幅為18.6%～30.3%。2014年，N1處理在多個生育時期的根長和根表面積高于N0處理（P＞0.05），但在成熟期，N1處理略低于N0處理，降幅分別為0.6%和6.7%。N2處理促進(jìn)了多個生育時期的根長和根表面積，其中在開花期和花后20 d增加顯著（P＜0.05），增幅為27.4%～37.3%。從根系平均直徑來看，在成熟期，無氮區(qū)比施肥處理平均增加11.94%。研究表明，相對于氮肥一次性基施，氮肥分次施用更有利于根系形態(tài)的建成，顯著增加了開花期和花后20 d的根長和根表面積（P＜0.05）。

2.3 不同氮肥施用方式下根系空間分布特征

2013年，從玉米根系干重來看，隨著土層深度的增加，根系干重呈下降趨勢（圖2A）。與N0處理相比，N1處理在各生育期0～10 cm土層的根系干重均增加明顯，平均增幅為6.7%～38.6%，而在開花期20～60 cm土層、花后20 d 20～40 cm土層、花后40 d 10～20 cm土層的根系干重均低于N0處理，降幅為2.0%～73.0%，其他土層均高于N0處理。N2處理在12展葉期0～10、30～40和50～60 cm土層，開花期、花后20 d和成熟期0～10 cm土層，花后40 d 0～20 、30～50 cm土層的根系干重均明顯高于N0處理，增幅為10.2%～59.9%，而在開花期20～60 cm土層的根系干重均低于N0處理，減少了15.1%～43.7%。這表明不施氮肥促進(jìn)了植株在開花期的根系干物質(zhì)積累。

圖2 不同氮肥施用方式下玉米根系形態(tài)特征的空間分布（2013年）

圖2B、3C顯示，不同氮肥施用方式對各生育時期玉米根系的垂直分布有顯著影響。從N1處理的根長和根表面積來看，與N0處理相比，其在12展葉期0～10和30～50 cm土層、開花期30～40 cm土層、花后20 d 40～50 cm土層、花后40 d 10～40 cm土層均有所降低，降幅為2.8%～37.8%；而N1處理增加了花后20 d 10～40 cm土層和成熟期0～10、20～30和40～50 cm土層的根長和根表面積，增幅為3.6%～99.8%；從N2處理的根長和根表面積來看，其在12展葉期、開花期和成熟期0～10 cm土層、花后20 d 10～40 cm土層均高于N0處理，增幅為24.7%～173.8%，而在花后40 d 10～20、30～40和50～60 cm土層和成熟期10～20和30～40 cm土層的根長和根表面積均有所降低，降幅為9.7%～54.7%。綜合分析表明，N2處理促進(jìn)了根系在表層土壤中的生長，但隨著土壤層次的加深，其根長和根表面積則顯著低于N0處理，這與根干重的反應(yīng)相一致。

2014年各處理下根系形態(tài)與2013年稍有不同。N1處理增加了12展葉期0～30 cm土層和開花期0～10 cm土層的根系干重，增幅為8.0%～48.8%，但在各生育期的其它土層，N1處理均低于N0處理，降幅為1.3%～47.6%；N2處理與N1處理不同，N2處理增加了12展葉期、花后20 d和成熟期0～10 cm土層的根系干重，增幅為19.4%～57.2%，開花期0～40 cm土層、花后40 d 0～20和30～40 cm土層的根系干重增加明顯，增幅為2.2%～75.1%。同時，在12展葉期的20～60 cm土層、花后20 d 10～30 cm土層、花后40 d 20～30 cm土層和成熟期10～20 cm土層的根系干重均有所降低，降幅為8.4%～30.8%。這表明在12展葉期，氮肥一次性基施處理對根系的生長產(chǎn)生了抑制作用（圖3A）。

圖3 不同氮肥施用方式下玉米根系形態(tài)特征的空間分布（2014年）

從根長和根表面積來看（圖3B，4C），與N0處理相比，N1處理在各生育時期土壤表層的根長和根表面積均有所增加，在12展葉期和花后20 d 10～30 cm土層增加了9.8%～98.0%，在開花期0～20 cm土層、花后40 d 10～40 cm土層、成熟期10～20 cm土層增加了11.6%～110.2%。N2處理提高了各生育時期土壤表層的根長和根表面積，增幅為1.8%～56.3%。不同處理下的根系平均直徑在成熟期10～50 cm土層有較大差異（圖3D），表現(xiàn)為N0處理高于N1和N2處理，增幅為4.5%～11.2%。綜上表明，施氮處理均有利于表層土壤的根系建成，但氮肥一次性基施處理對玉米成熟期0～10和20～30 cm土層的根系建成產(chǎn)生了抑制作用。

2.4 不同氮肥施用方式對土壤硝態(tài)氮的影響

如圖4所示，2013年降水較為豐沛，施肥處理下0～60 cm土層硝態(tài)氮總含量均顯著高于無氮區(qū)（P＜0.05）。隨生育進(jìn)程的推進(jìn)，在開花后期，N2處理硝態(tài)氮總含量顯著高于N1處理，增幅為110.9%，其它生育時期無明顯差異。從土層剖面硝態(tài)氮含量來看，N1處理在開花期40～60 cm土層、花后20 d 30～50 cm土層、成熟期0～30 cm土層的土壤硝態(tài)氮含量均高于N0和N2處理，尤其在開花期40～50 cm土層，N1處理的平均硝態(tài)氮含量為14.3 mg/kg，而N0處理的平均土壤硝態(tài)氮含量為0.5 mg/kg，差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

圖4 不同氮肥施用方式對土壤硝態(tài)氮含量的影響（2013年）

如圖5所示，2014年降水較正常，施肥處理在不同生育時期下的硝態(tài)氮總量均顯著高于無氮區(qū)（P＜0.05）。在花后20 d，N2處理硝態(tài)氮總含量顯著高于N1處理，增幅為92.6%，而在其他生育時期，N1處理硝態(tài)氮總含量均高于N2處理。從土層剖面硝態(tài)氮含量來看，N1處理在開花期20～60 cm、花后20 d和40 d 10～60 cm土層、成熟期0～60 cm土層明顯高于N2處理，增幅在28.0%以上。N2處理在開花期、花后20 d和40 d 0～10 cm土層、成熟期10～20 cm土層的硝態(tài)氮含量高于N1處理，增幅為8.6%～530.2%。綜合分析表明，N1處理在開花之后土壤中下層的硝態(tài)氮含量顯著增加，這可能與其前期氮肥一次性施入有關(guān)。

圖5 不同氮肥施用方式對土壤硝態(tài)氮含量的影響（2014年）

3 討論

3.1 不同氮肥施用方式對玉米根系生長的影響

良好的根系構(gòu)建與發(fā)育是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵因素［22］。劉培利等［23］研究表明，發(fā)育良好的根系表現(xiàn)為根系干重、根長、根表面積較大，且根系的發(fā)育動態(tài)更加合理，根系更易下扎，深層土壤的根量較多。寇太記等［24］研究表明，拔節(jié)期至乳熟期玉米根系的根長和根表面積均隨生育進(jìn)程的推進(jìn)呈單峰曲線變化，在抽雄吐絲期達(dá)最大值。本研究中，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，玉米的根系干重、根長和根表面積均呈先增加后降低的變化趨勢，在開花期或花后20 d達(dá)到最大值。氮肥一次性基施受年際間的影響較大，而氮肥分次施用處理在年際間表現(xiàn)相對穩(wěn)定，相對于氮肥一次性基施，氮肥分次施用處理在花后20 d和成熟期，其總根系干重、總根長和總根表面積增幅顯著。從不同剖面的根系形態(tài)來看，N1處理在12展葉期便對根系生長產(chǎn)生了抑制作用，而N2處理促進(jìn)了根系在表層土壤的生長，但隨著土層深度的增加，其根系干重、根長和根表面積低于N0處理。低氮促進(jìn)根系生長，低氮條件下碳同化產(chǎn)物向根系分配比例明顯增加，使地上部更多的碳向根系運輸，根冠比變大［25］；本研究中，從根冠比來看，兩年均表現(xiàn)為N0處理顯著高于N1和N2處理（P＜0.05）；從根系平均直徑來看，在成熟期，無氮區(qū)比施氮處理平均增加11.94%?？赡苁菬o氮區(qū)一直受到養(yǎng)分脅迫，再加上根部比地上部有著更有效的養(yǎng)分吸收作用，促進(jìn)根系平均直徑增大，造成過多的碳水化合物用于根系的生長，使根的絕對重量增加［26］。

3.2 玉米根系對氮肥一次性施用和分次施用的響應(yīng)

養(yǎng)分對根系生長的促進(jìn)作用與生育期有關(guān)［27］，因此確定最佳施肥時期至關(guān)重要。在唐拴虎等［28］的研究中，一次性施用肥料較常規(guī)分次施肥明顯提高根系活力，而較高的根系活力能吸收深層土壤養(yǎng)分吸收并帶到上層土壤中，且分次施肥的養(yǎng)分與作物生育需求較吻合［29］，可以提供持續(xù)的養(yǎng)分供應(yīng)［30］。在不同試驗?zāi)攴荩史执问┯锰幚碓诟魃龝r期的根系形態(tài)均優(yōu)于氮肥一次性基施處理，其在各生育時期的總根系干重、總根長和總根表面積比氮肥一次性基施處理平均增加了17.1%。本研究中，與氮肥分次施用處理相比，在各生育時期，氮肥一次性基施處理在土層0～40 cm的根系生長均受到抑制，其中在花后20 d和成熟期，0～40 cm土層的根系干重、根長和根表面積分別減少15.3%、7.9%和8.2%。結(jié)合袁靜超等［31］的研究，氮肥一次性基施使苗期施肥過量，且不能滿足玉米后期氮素養(yǎng)分的需求，根系的生長量因此降低，從而減弱根系向深層土壤下扎的能力。氮肥施入方式對根系的影響受年際間變化影響顯著。在雨量豐沛的年份，氮肥一次性投入后，氮肥一次性基施處理抑制了12展葉期和開花期的總根長和總根表面積，從不同土層剖面來看，主要是降低了12展葉期30～50 cm土層和開花期30～40 cm土層的根長和根表面積，降幅為9.5%～30.1%；在降雨正常的年份，氮肥一次性基施處理從花期開始，對玉米根系干重的積累產(chǎn)生了抑制作用，各土層的根系干重均低于無氮區(qū)，降幅為1.3%～47.6%。氮肥一次性基施處理抑制了成熟期的總根長和總根表面積，具體表現(xiàn)為在成熟期0～30 cm土層，降幅為3.8%～12.3%。與氮肥分次施用處理相比，氮肥一次性基施處理受年際間變化影響較大，氮肥分次施用在年際間相對穩(wěn)定，均改善了根系總干重、總根長和總根表面積，利于根系建成。

4 結(jié)論

增施氮肥顯著提高玉米產(chǎn)量、干物質(zhì)累積量和吸氮量。2013和2014年，施肥處理下的產(chǎn)量增幅為122.0%～177.9%，生物量增幅為76.3%～127.8%，吸氮量增幅為191.0%～272.4%。低氮促進(jìn)了過多碳水化合物用于根系的生長，使根冠比增大；隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，氮肥一次性基施對根系生長產(chǎn)生抑制作用，但年際間差異顯著，降雨豐沛年份，在12展葉期根系生長即出現(xiàn)抑制情況。氮肥分次施用處理下根系在各生育期的空間分布上均顯著優(yōu)于氮肥一次性基施。綜合分析表明，氮肥分次施用年際間表現(xiàn)穩(wěn)定，促進(jìn)根系的縱深分布，更有利于養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而實現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。