不同氮肥水平下玉米根际土壤特性与产量的关系

张学林，徐 钧，安婷婷，侯小畔，李潮海

（河南农业大学农学院/河南粮食作物协同创新中心/小麦玉米作物学国家重点实验室，郑州 450002）

不同氮肥水平下玉米根际土壤特性与产量的关系

张学林，徐 钧，安婷婷，侯小畔，李潮海

（河南农业大学农学院/河南粮食作物协同创新中心/小麦玉米作物学国家重点实验室，郑州 450002）

【目的】明确不同生育时期根际土壤特性与玉米籽粒产量之间的关系，为生产上合理施肥、提高氮素利用效率和减轻环境污染提供理论依据。【方法】2012年大田设置5个氮肥梯度固定施肥样地（对照、180 kg·hm-2、240 kg·hm-2、300 kg·hm-2和360 kg·hm-2，分别简写为CK、N180、N240、N300和N360），并于2012、2013和2014年连续3年在玉米拔节、吐丝、成熟3个关键生育时期测定玉米根际和非根际土壤铵态氮、硝态氮、脲酶、过氧化氢酶、pH，同时测定玉米根系和地上部生物量及其氮素累积量，重点分析CK、N240和N360 3个处理根际土壤特性以及植株氮素累积量与玉米籽粒产量之间的关系。【结果】与CK相比，4个施肥处理（N180、N240、N300和N360）3年产量的平均值分别增加了23.85%、36.40%、39.87%和34.78%；其地上部不同阶段氮素累积量均显著高于CK（2012年播种—拔节除外），并随施肥量增加呈先增加后降低趋势。与CK相比，4个施肥处理根际土硝态氮含量分别增加 23.38%、57.13%、57.87%和 69.74%，非根际土壤硝态氮分别增加 59.49%、92.01%、132.08%和179.35%。随施氮量的增加根际土铵态氮含量显著增加；与CK相比，4个施肥处理3年的非根际土壤铵态氮含量分别增加4.27%、3.51%、5.04%和26.26%。根际土壤pH和非根际土壤pH均随着氮肥施用量的增加而降低，其中根际土壤和非根际土壤pH的变化范围分别为4.5—6.7和5.5—7.2。与非根际土pH相比，根际土壤pH平均降低5%。根际土壤脲酶活性随氮肥用量的增加呈先增加后降低趋势。与对照相比，4个施氮处理3年非根际土壤脲酶活性平均值分别增加了4.02%、14.73%、24.55%和19.64%。根际土和非根际土过氧化氢酶活性均随氮肥用量的增加而降低，与CK相比，4个施氮处理3年的非根际土壤过氧化氢酶活性平均值分别降低了3.03%、5.09%、8.24% 和12.67%。CK、N240和N360 3个处理不同生育时期玉米根际土壤特性以及植株氮素累积量与籽粒产量之间的相关分析结果表明，拔节期根际土壤硝态氮含量连续3年均与产量呈显著正相关。吐丝期玉米根际和非根际土壤硝态氮、根际土壤铵态氮和非根际土pH均与籽粒产量呈显著正相关；其中2013和2014年根际脲酶活性和根际土壤pH与产量的相关性也达到显著水平。2013和2014年成熟期根际和非根际土硝态氮含量也与玉米产量呈显著相关。主成分分析表明，玉米籽粒产量与拔节期土壤硝态氮含量、根际过氧化氢酶、地上部生物量和氮素累积量相关性较强；与吐丝期根际和非根际土壤硝态氮含量、根际土壤铵态氮含量和土壤pH以及地上部生物量及氮素累积量、根系生物量相关性较强；与成熟期地上部生物量和氮素累积量相关性较强。【结论】根据不同生育时期玉米根际土壤特性与籽粒产量之间的关系，进行合理施肥，能够保证玉米根际养分的有效供应，营造良好的根际土壤环境，提高氮素利用效率、增加玉米籽粒产量。

玉米产量；氮肥；根际土壤特性；相关分析；主成分分析

0　引言

【研究意义】玉米是中国重要的粮食作物，其种植面积已超过水稻，跃居第一位［1］。氮肥对粮食作物产量的贡献率占50%左右［2］，而根际土壤的物理、化学和生物学性质常常影响植物从土壤中吸收营养元素［3］，因此，施用氮肥保证根际土壤养分供应是提高玉米产量的重要措施之一。【前人研究进展】合理施用氮肥、提高玉米产量一直是农业科研人员研究的热点问题，前人就氮肥用量、氮肥类型、施氮时期等对玉米生长发育、产量形成、氮肥利用效率的影响［4-8］以及多年施肥后土壤环境的变化［9］等方面进行了广泛深入的研究。根际土壤是植物吸收养分、并与土壤进行相互作用的重要区域，因此，根际土壤养分的转化、运输和吸收利用在植物生长过程中扮演着重要角色［10］。为提高作物养分利用效率，前人研究提出了根际土壤管理策略，即通过建立根际区域养分供应和作物养分需求同步的综合管理体系，以期实现适量施氮、作物高产［11］。针对这一氮肥管理模式，SAIZ-FERNÁNDEZ等［12］室内研究发现，根际供应过量的硝态氮将会导致玉米单位面积内细胞数量增多，进而影响整个植株的生长。WENG等［13］和ZHANG等［14］在大田条件下研究了根际氮肥用量、时期、方式对根际土壤养分状况、微生物变化以及对产量、品质的影响。云鹏等［15］研究认为在高肥力的冬小麦/夏玉米轮作体系中，适当减施氮肥不会影响玉米根际土壤氮素水平，能够保证玉米稳产，实现减氮增效。雍太文等［16］研究认为小麦/玉米/大豆套作模式通过改善3种作物根际环境，促进了作物地下部根系生长和地上部生物量的增加，从而实现作物增产。【本研究切入点】尽管前人研究认为受作物、根际微生物以及根际微环境交互作用导致的根际土壤特性呈动态变化，表明了根际施肥在作物产量方面的重要性，但是有关不同生育时期这些根际土壤特性与玉米籽粒产量之间的关系并不清楚，而有关这方面的研究还比较缺乏。【拟解决的关键问题】本研究连续3年在河南省方城县进行，对不同氮肥用量条件下玉米不同生育期根际土壤特性的变化及其与玉米产量的关系进行了研究，以期为制定合理的根际氮肥管理措施、实现黄淮海地区玉米高产高效提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验地点

大田试验设置在河南省方城县袁庄村（112°98'E，33°25'N，平均海拔108 m），土壤类型为砂姜黑土。该地区属于北亚热带半湿润区季风型大陆气候，1961 —2006年玉米生长季（6—10月）月平均气温变幅为14.7℃（10月）到29℃（6月），降雨量为600 mm左右，日照时数为720—1 200 h。该区域冬小麦一般在10月上旬播种并在次年6月收获，夏玉米一般在6月中旬播种，9月下旬收获。

1.2试验设计

2012年玉米播种前设置固定氮肥梯度试验样地，5个氮肥处理分别为0 （CK：对照）、180（N180）、240（N240）、300 （N300）和360 kgN·hm-2（N360），试验采取完全随机区组设计，重复4次，小区面积为47.6 m2。2012、2013和2014年连续3年于玉米生育期开展试验。氮肥分别于玉米苗（4叶）期（50%）和大喇叭口期（50%）施入，磷肥（90 kg·hm-2）和钾肥（120 kg·hm-2）于苗（4叶）期一次施入。氮肥采用尿素，磷肥采用过磷酸钙，钾肥采用氯化钾。2次施肥均开沟施入5 cm土层并覆盖。试验所用玉米品种为郑单958，行距60 cm，种植密度为67 500株/hm2。

1.3田间取样

2012—2014年分别于玉米拔节（6叶）、吐丝和成熟3个关键生育期进行取样。在每个小区选取长势均匀的连续3株植株，分别取其地上部和根系生物量，根系生物量的取样体积为30 cm（长）×30 cm（宽）×20 cm（深）；植株地上部和根系生物量用烘箱杀青30 min后，在80℃烘干至恒重并称重。小心挖出玉米根系后，采用抖根法提取根际土壤［17］；用土钻在行距之间取0—20 cm的土壤定义为小区非根际土。籽粒成熟后（乳线消失）收获小区中间三行的连续20株玉米植株进行计产并考种。

1.4测定分析

玉米植株氮素含量采用凯氏定氮法进行测定。采用 SUN等［18］方法测定根际和非根际土土壤酶活性。其中脲酶活性以5 g土壤中加入定量尿素在37℃条件培养24 h后土壤中铵态氮含量来表示。按照ZHOU等［19］方法测定过氧化氢酶（EC 1.11.1.6）活性，称取5 g土壤加入5 mL 0.3% H2O2在30℃培育30 min，并用0.1 mol·L-1KMnO4进行滴定。称取10 g土壤样品，用50 mL 2 mol·L-1KCl浸提，浸提液采用流动分析仪（Scalar SANplus，Netherlands）分析土壤硝态氮和铵态氮含量。称取10 g风干土，加入50 mL去离子水于振荡器上震荡 30 min，用电位法测定土壤 pH（YOKE PHS-3E.Shanghai，China）。

1.5计算

氮肥回收率（Apparent recovery efficiency of nitrogen：REn），采用成熟期不同施肥处理与对照之间玉米地上部氮素累积量（N accumulation: NA）之差进行计算，计算公式如下［20］：

式（1）中，UN是每个处理中氮的吸收量（kg·hm-2），UN0是不施肥处理的CK（kg·hm-2），FN是每个处理施入无机氮的量（kg·hm-2）。式（2）中，Un-1是每个处理某一时期氮素累积量（kg·hm-2），Un是每个处理与Un-1相邻后一时期氮素累积量（kg·hm-2）。

1.6统计分析

采用One way ANOVA分析施肥处理之间籽粒产量和氮素利用效率的差异显著性并采用LSD进行多重比较。采用Pearson Correlation分析玉米籽粒产量与关键生育期根际和非根际脲酶、过氧化氢酶、铵态氮、硝态氮、pH以及地上部、地下部生物量和他们的氮素累积量之间的相关性；同时采用R 3.2.2软件对这些参数进行主成分分析，获取3个施肥处理各生育时期的主成分双信息图。每个样本向量在因子向量上的垂直投影越长，表明该向量在响应样本中的表型值越高，每两个因素的夹角大小表示二者的相关性［21］。所有数据均用Excel 2013进行前期处理，统计分析采用SPSS 19.0统计软件，采用SigmaPlot 12.5和R 3.2.2软件进行作图。

2　结果

2.1玉米籽粒产量、氮肥利用效率和氮素累积量

2012、2013和2014连续3年5个氮肥处理玉米籽粒产量的平均值分别为6 046、7 510、8 271、8 482 和8 173 kg·hm-2。与CK相比，4个施肥处理3年产量的平均值分别增加了 23.85%、36.40%、39.87%和34.78%（图1-a—图1-c）。4个施肥处理之间的氮素利用效率差异达显著水平，其中，N240处理的氮素利用效率值最高（图1-d—图1-f）。

图1　2012、2013和2014年CK、N180、N240、N300和N360处理籽粒产量和氮肥回收率Fig.1 Comparisons of grain yield and REn among five N fertilizer treatments in 2012，2013，2014

2012、2013和2014年连续3年不同生育时期植株地上部氮素累积量呈动态变化（图2），其中拔节-吐丝期和吐丝-成熟期之间氮素累积量均显著高于播种-拔节期；2013和2014年，CK处理玉米生育期氮素累积量呈先增加后降低趋势，而其他4个施氮处理（N180、N240、N300和N360）则呈逐渐增加的趋势。4个施肥处理之间（N180、N240、N300和N360），拔节-吐丝期和吐丝-成熟期 2个阶段的氮素累积量均随施肥量的增加呈先增加后下降趋势。

2.2玉米生育期根际和非根际土壤性质

与CK相比，4个施肥处理3年根际土硝态氮含量平均值分别增加 23.38%、57.13%、57.87%和69.74%（表1），非根际土硝态氮分别增加59.49%、92.01%、132.08%和179.35%。随施氮量的增加根际土壤铵态氮含量显著增加，且5个氮肥处理之间的差异达显著水平（表1）。与CK相比，4个施肥处理3年非根际土铵态氮含量平均值分别增加4.27%、3.51%、5.04%和26.26%。根际和非根际土壤pH（表1）均随着氮肥施用量的增加而降低。根际土壤和非根际土壤 pH的变化范围分别为 4.5—6.7和 5.5—7.2。与非根际土pH相比，5个处理的根际土壤pH值平均降低5 %。与CK相比，4个施氮处理3年的土壤 pH平均值分别降低了 3.9%、5.9%、7.5%和 9.8%。玉米生育期根际和非根际土壤含水量呈动态变化（表2），且 5个施肥处理之间的根际土壤含水量差异不显著；其中2014年根际土和非根际土之间差异达显著水平。与 CK相比，4个施氮处理 3年非根际土壤脲酶活性平均值分别增加了 4.02%、14.73%、24.55%和19.64%（表3）。根际和非根际土壤过氧化氢酶活性随氮肥用量的增加而降低（表3），与CK相比，4个施氮处理3年的非根际土壤过氧化氢酶活性平均值分别降低了3.03%、5.09%、8.24%和12.67%。

2.3玉米籽粒产量与各时期土壤参数的相关分析和主成分分析

由5个处理玉米产量和氮肥回收率（图1）可知，施氮量达到并超过240 kg·hm-2后，玉米籽粒产量不再显著增加、但氮肥回收率显著下降；当施氮量达到360 kg·hm-2时，产量开始有下降的趋势，且氮肥回收率显著下降。为此，选取CK、N240和N360 3个具有代表性的处理进行相关分析和主成分分析。2012、2013 和2014年玉米3个生育期各主要因子与籽粒产量的相关分析，结果（表4）表明，拔节期，玉米根系生物量和根际土壤硝态氮含量连续3年均与产量呈显著正相关。吐丝期，玉米地上部生物量及其氮素累积量、根生物量、根际和非根际土壤硝态氮含量、根际土壤铵态氮含量和非根际土pH均与籽粒产量呈显著正相关；其中2013和2014年根系氮素累积量、根际脲酶活性以及根际土壤pH与产量的相关性均达到显著水平。成熟期，植株地上部生物量及其氮素累积量、根系生物量均与玉米产量呈显著相关。其中2013和2014年与根部氮素累积量、根际土壤硝态氮含量以及非根际土硝态氮含量相关性也达显著水平。

图2　2012、2013和2014年各生育期地上部氮素累积量的比较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个处理土壤特性的比较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变化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年连续3 年3个氮肥处理在玉米关键生育时期均得到了很好的分离（图3—图5）。连续3年，拔节期第一主成分所解释比例分别为37.4%、64.65%和77.61%，第二主成分的解释比例分别25.2%、15.0%和6.91%（图3）。玉米吐丝期，第一主成分将施肥处理（N240和N360）和不施肥处理（CK）分离，第二主成分将CK、N360 与N240分离（图4）。成熟期，对第一主成分的解释主要是产量、地上部和地下部干物质以及氮素累积量，对第二主成分的解释主要是根际和非根际土壤铵态氮含量、土壤pH以及土壤过氧化氢酶活性（图5）。

2012、2013和2014年3个处理玉米产量与拔节期各主要因子的关系表明（图3）：与CK相比，N240 和N360处理在产量（Y）的垂直投影较长，表明产量在N240和N360处理中表型值显著高于CK；而N240 和 N360 2个处理在产量的垂直投影点相近，表明N240和N360 2个处理的产量相近。2013和2014年，产量与拔节期土壤硝态氮含量、根际过氧化氢酶、地上部生物量和氮素累积量夹角较小，相关性较强。依据以上判别方法，与CK相比，N240和N360处理的产量、地上地下生物量和氮素累积量、根际和非根际土壤硝态氮和铵态氮含量均较高，脲酶活性较强；而土壤pH和过氧化氢酶活性较低。这表明氮肥用量不仅影响籽粒产量高低和玉米植株养分积累，同时改变了其所处的土壤微环境和土壤养分状况。与N240相比，N360处理拔节期地上和地下生物量和氮素累积量以及土壤铵态氮含量较低，而土壤硝态氮含量相似，这表明随着氮肥输入量的继续增加，N360处理在拔节期不仅积累了较多的地上和地下部干物质，同时造成土壤中大量的铵态氮积累，并没有转化为硝态氮供应给植株吸收利用。相较于非根际土，N240和N360 2个处理之间根际土壤pH的差值大于非根际土壤，这表明在N240处理基础上继续施用氮肥，根际土壤pH会显著降低。

表3　2012、2013、2014年玉米各生育期脲酶和过氧化氢酶活性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个处理（CK、N240和N360）玉米籽粒产量与3个生育期地上部、根部、土壤特性的相关性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）

图3　2012、2013和2014年拔节期主成分双因素图Fig.3 Principle components analysis at jointing stage in 2012，2013 and 2014

玉米产量与吐丝期各因子的主成分分析（图4），表明籽粒产量和吐丝期地上部生物量及氮素累积量、根系生物量、根际和非根际土壤硝态氮含量、根际土壤铵态氮含量和土壤pH相关性较强。与CK相比，N240和N360处理地上部生物量和氮素累积量以及土壤无机氮含量均较高且土壤脲酶活性较强，而土壤pH较低，土壤过氧化氢酶活性较弱。与N240相比，N360处理虽然非根际土壤中无机氮含量较高，土壤pH和过氧化氢酶活性较低，但2个处理根际土壤硝态氮含量、地上部生物量和氮素累积量投影点相近、没有显著差异。

图4　2012、2013和2014年吐丝期主成分双因素图Fig.4 Principle components analysis at silking stage in 2012，2013 and 2014

成熟期主成分分析（图5），表明2013和2014年玉米籽粒产量与地上部生物量和氮素累积量夹角很小、相关性强。与N240相比，N360处理土壤无机氮含量较高、土壤 pH和过氧化氢酶活性均较低，但 2个处理产量和地上部氮素累积量差异较小。这表明在N240处理基础上继续增施氮肥不仅没有提高产量，而且可能造成成熟期土壤中可利用性氮素过度累积和土壤环境恶化。

3　讨论

3.1玉米不同生育期土壤特性与籽粒产量的关系

玉米籽粒产量与不同生育时期的土壤特性密切相关［22］。相关分析和主成分分析均表明，玉米籽粒产量与拔节、吐丝和成熟期根际土壤硝态氮含量呈显著正相关（表4和图3—图5）。硝态氮是玉米吸收氮素的主要形式［12］，玉米生长发育过程中土壤可利用性氮素的供应，能够促进根系生物量增加，扩大根系养分吸收面积，为地上部生长发育提供养分［11］。ZHANG等［17］研究发现玉米生育期土壤微生物群落结构和酶活性呈动态变化，这些活性变化改善了土壤可利用性氮素的供应，能够促进玉米产量的提高。本研究发现玉米籽粒产量与拔节期和吐丝期土壤 pH均呈显著负相关（表4、图3—图4），这表明在一定范围内适度的土壤酸化可能会促进土壤养分的活化，提高产量［11］。与CK相比，拔节期和吐丝期N240和N360处理非根际土pH降低，可能是因为尿素在土壤中转化为铵态氮进而在微生物的作用下转化为硝态氮的过程中，释放的H+较多使得土壤变酸［10］，而根际土pH降低则可能是玉米根吸收铵态氮过程中为保持电荷平衡释放质子的原因［23］。玉米土壤过氧化氢酶活性与土壤 pH呈正相关（图3—图5），随着pH减小土壤过氧化氢酶活性降低，土壤解毒功能也下降；当pH＜5.0时，过氧化氢酶活性几乎完全丧失［24］。因此，适宜的氮肥用量能够降低拔节期和吐丝期土壤pH，酸化土壤，促进土壤养分活化和供应；而氮肥过量，土壤严重酸化、土壤解毒功能显著降低，反而不利于增加作物籽粒产量。

图5　2012、2013和2014年成熟期主成分双因素图Fig.5 Principle components analysis at maturity stage in 2012，2013 and 2014

玉米籽粒产量与吐丝期植株地上部和地下部生物量以及它们的氮素累积量呈显著正相关，而且与玉米根际和非根际土壤硝态氮含量、根际脲酶活性以及土壤pH显著相关（表4、图4），这表明玉米籽粒产量的增加不仅依赖地上部养分转运再分配和根部养分吸收能力，而且需要根际土壤和非根际土壤提供大量的可利用性养分［25］。王璞等［26］研究认为吐丝期土壤可利用性氮素充足供应，显著提高子粒第二灌浆峰值，促进子粒氮素积累，提高玉米籽粒产量。玉米籽粒产量与成熟期根际硝态氮的相关性表明（表4、图5），后期适宜的可利用性氮素供应，可以维持根系功能，减少细胞中对生物体有害的活性氧产生和积累，防止早衰，避免减产［27］。而产量与成熟期地上部生物量、地上部氮素累积量以及根系生物量的相关性（表4、图5）表明籽粒产量高低更多的与成熟期植株体内物质和养分的转运有关［28-29］。由此看出，拔节期玉米根际土壤可利用性氮素供应是构建根系丰产群体、稳定玉米产量的基础；吐丝期不仅需要根际土壤和非根际土壤提供充足的可利用性养分，而且需要良好的根际微环境以促进根系生长和养分吸收；玉米生育后期根际土壤可利用性氮素的合理供应能够防止玉米根系早衰。

3.2氮肥用量改变土壤特性影响玉米籽粒产量

土壤氮素营养状况是影响玉米生长、发育并决定籽粒产量的主要因素［30］，而不同的氮肥用量显著改变了玉米根际土壤特性，这可能是影响籽粒产量的重要原因之一［31］。与不施肥相比，施肥以后土壤可利用性氮素增加，微生物活性和功能（脲酶、过氧化氢酶）增强，促进玉米根系养分吸收，增加籽粒产量［32］，但是过量施用氮肥则会降低产量。过量施用氮肥一方面改变了玉米根际和非根际土壤特性和微环境，进而影响植株对养分的吸收和利用［33］。刘宏胜等［34］研究认为，不同施肥水平下随着肥料用量的增加，脲酶和过氧化氢酶活性呈现先增加后下降的趋势。本研究发现，与N240相比N360处理土壤pH、脲酶和土壤过氧化氢酶活性均降低（图3—图4），表明进一步增加氮肥用量后土壤变酸，解毒能力降低，土壤微环境变化影响根系生长发育，降低根系对养分的吸收［9，11］，而玉米产量和氮素累积量降低也印证了这一机制（图2）。

另一方面，随氮肥用量的增加，植物体内氮素含量可能作为局部和远程信使调节自身对氮素吸收，而根系的模块化结构使植株在生长过程能够灵敏的感知和捕捉土壤养分的这些变化［12，32］。与 N240相比，继续增施氮肥后尽管增加了拔节期和吐丝期根际土和非根际土铵态氮含量，然而并没有提高地上部生物量和氮素累积量，这表明在N240基础上继续增施氮肥后，为避免地上部植株积累过量氮素，影响植物光合线性电子传递，降低光合作用［12，35-36］，植株体内硝态氮作为直接信号可能对玉米根系的养分吸收产生了反馈［12］，抑制根系生长并降低养分吸收量［37］。拔节期和吐丝期N360处理非根际土壤无机氮和根际铵态氮含量均较高，而根际土壤硝态氮含量没有继续增加，也表明继续增施氮肥后根际土壤铵态氮向硝态氮的微生物转化过程可能受到了抑制［38］。

长期定位试验随着年份的增加，施肥处理之间的土壤特性也会发生变化。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渐增加的趋势（图3—图5），这表明随着处理的进行土壤各指标对施肥处理的解释更全面，且处理之间的分离更明显。与2012年相比，2013—2014年CK处理的pH有上升的趋势，而土壤无机氮含量呈下降的趋势；与 2012年不同，2013和2014年N240和N360 2个处理土壤无机氮含量出现了差别，脲酶和过氧化氢酶活性也随着施氮量增加而下降进而产生差异（表4、图3—图5）。这表明，氮素供应不足会影响玉米群体构建、植株中后期养分吸收严重不足造成早衰，进而减产；而过量施入氮肥不仅会造成土壤环境恶化、氮素转化受阻，而且玉米植株养分吸收和籽粒产量也不再增加，浪费资源，降低经济效益甚至污染环境。

4　结论

施氮肥条件下玉米不同生育时期的根际土壤特性与籽粒产量的高低密切相关。根际作用主要是通过改善作物可利用性氮素的供应影响产量的变化，其中，拔节期根际土壤硝态氮、吐丝期根际和非根际土壤硝态氮以及成熟期土壤硝态氮均与籽粒产量显著相关。根际作用另一方面则是通过改善根系微环境维持较好的土壤解毒能力，保证土壤氮素转化和供应顺利进行，促进根系生长和根系吸收养分吸收，防止根系早衰。生产上应根据玉米不同生育时期的根际特性进行合理施肥，既保障玉米不同生育时期对养分的需求，又营造良好的根际土壤环境，提高氮素利用效率，促进产量增加。

References

［1］ 姜涛. 氮肥运筹对夏玉米产量、品质及植株养分含量的影响. 植物营养与肥料学报，2013，19（3）: 559-565. JIANG T. Effects of nitrogen application on yield，quality and nutrient content of summer maize. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer，2013，19（3）: 559-565. （in Chinese）

［2］ DOBERMANN A，CASSMAN K G. Plant nutrient management for enhanced productivity in intensive grain production systems of the United States and Asia. Plant and Soil，2002，247: 153-175.

［3］ RICHARDSON A E，BAREA J M，MCNEILL A M，PRIGENTCOMBARET C. Acquisition of phosphorus and nitrogen in the rhizosphere and plant growth promotion by microorganisms. Plant and Soil，2009，32: 305-339.

［4］ 王宜伦，李潮海，谭金芳，张许，刘天学. 氮肥后移对超高产夏玉米产量及氮素吸收和利用的影响. 作物学报，2011，37（2）: 339-347. WANG Y L，LI C H，TAN J F，ZHANG X，LIU T X. Effect of nitrogen fertilizer on yield and nitrogen uptake and utilization of super high yield summer maize. Acta Agronomica Sinica，2011，37（2）:339-347. （in Chinese）

［5］ 易镇邪，王璞，申丽霞，张红芳，刘明，戴明宏. 不同类型氮肥对夏玉米氮素累积，转运与氮肥利用的影响. 作物学报，2006，32（5）: 772-778. YI Z X，WANG P，SHEN L X，ZHANG H F，LIU M，DAI M H. Effects of different types of nitrogen fertilizer on nitrogen accumulation，translocation and nitrogen fertilizer utilization in summer maize. Acta Agronomica Sinica，2006，32（5）: 772-778. （in Chinese）

［6］ 王永军，王空军，董树亭，胡昌浩，张吉旺，刘鹏. 氮肥用量，时期对墨西哥玉米产量及饲用营养品质的影响. 中国农业科学，2005，38（3）: 492-497. WANG Y J，WANG K J，DONG S T，HU C H，ZHANG J W，LIU P. Effects of different nitrogen application strategies on yield and forage nutritive quality of Zea Mexicana. Scientia Agricultura Sinica，2005，38（3）: 492-497. （in Chinese）

［7］ 赵营，同延安，赵护兵. 不同供氮水平对夏玉米养分累积，转运及产量的影响. 植物营养与肥料学报，2006，12（5）: 622-627. ZHAO Y，TONG Y A，ZHAO H B. Effects of different N rates on nutrients accumulation，transformation and yield of summer maize. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer，2006，12（5）: 622-627. （in Chinese）

［8］ 吕丽华，陶洪斌，王璞，赵明，赵久然，鲁来清. 施氮量对夏玉米碳氮代谢和氮利用效率的影响. 植物营养与肥料学报，2008，14（4）: 630-637. LÜ L H，TAO H B，WANG P，ZHAO M，ZHAO J R，LU L Q. The effect of nitrogen application rate on carbon and nitrogen metabolism and nitrogen use efficiency of summer maize. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer，2008，14（4）:630-637. （in Chinese）

［9］ GUO J H，LIU X J，ZHANG Y，SHEN J L，HAN W X，ZHANG W F，ZHANG F S. Significant acidification in major Chinese croplands. Science，2010，327（5968）: 1008-1010.

［10］ HINSINGER P，BENGOUGH A G，VETTERLEIN D，YOUNG I M. Rhizosphere: Biophysics，biogeochemistry and ecological relevance. Plant and Soil，2009，321（1/2）: 117-152.

［11］ SHEN J，LI C，MI G，LI L，YUAN L，JIANG R，ZHANG F. Maximizing root/rhizosphere efficiency to improve crop productivity and nutrient use efficiency in intensive agriculture of China. Journal of Experimental Botany，2012，64: 1181-1192.

［12］ SAIZ-FERNÁNDEZ I，DE DIEGO N，SAMPEDRO M C，MENA-PETITE A，ORTIZ-BARREDO A，LACUESTA M. High nitrate supply reduces growth in maize，from cell to whole plant. Journal of Plant Physiology，2015，173: 120-129.

［13］ WENG B，XIE X，YANG J，LIU J，LU H，YAN C. Research on the nitrogen cycle in rhizosphere of Kandelia obovata under ammonium and nitrate addition. Marine Pollution Bulletin，2013，76（1）: 227-240.

［14］ ZHANG X，HUANG G，BIAN X，ZHAO Q. Effects of nitrogen fertilization and root interaction on the agronomic traits of intercropped maize，and the quantity of microorganisms and activity of enzymes in the rhizosphere. Plant and Soil，2013，368（1/2）: 407-417.

［15］ 云鹏，高翔，陈磊，卢昌艾，张金涛，刘荣乐，汪洪，林国林. 冬小麦-夏玉米轮作体系中不同施氮水平对玉米生长及其根际土壤氮的影响. 植物营养与肥料学报，2010，16（3）: 567-574. YUN P，GAO X，CHEN L，LU C A，ZHANG J T，LIU R L，WANG H，LIN G L. Plant nitrogen utilization and soil nitrogen status in rhizosphere of maize as affected by various nitrogen rates in wheatmaize rotation system. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer，2010，16（3）: 567-574. （in Chinese）

［16］ 雍太文，杨文钰，向达兵，陈小容. 不同种植模式对作物根系生长、产量及根际土壤微生物数量的影响. 应用生态学报，2012，23（1）: 125-132. YONG T W，YANG W Y，XIANG D B，CHEN X R. Effect of different cropping modes on crop root growth，yield，and rhizosphere soil microbes number. Chinese Journal of Applied Ecology，2012，23（1）: 125-132. （in Chinese）

［17］ ZHANG X，MA L，GILLIAM F S，WANG Q，LI C. Effects of raised-bed planting for enhanced summer maize yield on rhizosphere soil microbial functional groups and enzyme activity in Henan Province，China. Field Crops Research，2012，130: 28-37.

［18］ SUN J，ZHANG Q，ZHOU J，WEI Q. Pyrosequencing technology reveals the impact of different manure doses on the bacterial community in apple rhizosphere soil. Applied Soil Ecology，2014，78: 28-36.

［19］ ZHOU X，YU G，WU F. Effects of intercropping cucumber with onion or garlic on soil enzyme activities，microbial communities and cucumber yield. European Journal of Soil Biology，2011，47: 279-287.

［20］ YANG X Y，SUN B H，ZHANG S L. Trends of yield and soil fertility in a long-term wheat-maize system. Journal of Integrative Agriculture，2014，13: 402-414.

［21］ ZHANG X，WANG Q，GILLIAM F S，WANG Y，CHA F，LI C H. Spatial variation in carbon and nitrogen in cultivated soils in Henan Province，China: Potential Effect on Crop Yield. PLoS One，2014，9（10）: 0109188.

［22］ 王道中，花可可，郭志彬. 长期施肥对砂姜黑土作物产量及土壤物理性质的影响. 中国农业科学，2015，48（23）: 4781-4789. WANG D Z，HUA K K，GUO Z B. Effects of long term fertilization on crop yield and soil physical properties in black and black soil.Scientia Agricultura Sinica，2015，48（23）: 4781-4789. （in Chinese）

［23］ RICHARDSON A E，BAREA J M，MCNEILL A M，PRIGENTCOMBARET C. Acquisition of phosphorus and nitrogen in the rhizosphere and plant growth promotion by microorganisms. Plant and Soil，2009，321（1/2）: 305-339.

［24］ 和文祥，朱铭莪，张一平. 土壤酶与重金属关系的研究现状. 土壤与环境，2000，9（2）: 139-142. HE W X，ZHU M E，ZHANG Y P. Research status of the relationship between soil enzymes and heavy metals. Soil and Environmental Sciences，2000，9（2）: 139-142. （in Chinese）

［25］ ZHANG X，WANG Q，XU J，GILLIAM F S，TREMBLAY N，LI C. In situ nitrogen mineralization，nitrification，and ammonia volatilization in maize field fertilized with urea in Huanghuaihai Region of Northern China. PLoS One，2015，10（1）: e0115649.

［26］ 王璞，鲁来清. 吐丝期施氮对夏玉米粒重和籽粒粗蛋白的影响. 中国农业大学学报，2002，7（1）: 59-64. WANG P，LU L Q. Silking effect of nitrogen fertilization on summer maize grain weight and grain crude protein. Journal of China Agricultural University，2002，7（1）: 59-64. （in Chinese）

［27］ 刘艳，汪仁，华利民，解占军. 施氮量对玉米生育后期叶片衰老与保护酶系统的影响. 玉米科学，2012，20（2）: 124-127. LIU Y，WANG R，HUA L M，XIE Z J. Effects of nitrogen application rate on leaf senescence and protective enzyme system in maize. Journal of Maize Science，2012，20（2）: 124-127. （in Chinese）

［28］ 吴光磊. 麦季氮肥运筹调控冬小麦—夏玉米两作体系氮素利用及氮肥残效研究［D］ 泰安: 山东农业大学，2013. WU G L. The wheat nitrogen regulation of winter wheat summer maize two system nitrogen utilization research and residual N［D］. Taian: Shandong Agricultural University，2013. （in Chinese）

［29］ 张学林，王群，赵亚丽，杨青华，李潮海. 施氮水平和收获时期对夏玉米产量和籽粒品质的影响. 应用生态学报，2010，10: 2565-2572. ZHANG X L，WANG Q，ZHAO Y L，YANG Q H，LI C H. Effects of nitrogen application level and harvest time on yield and grain quality of summer maize. Chinese Journal of Applied Ecology，2010，10: 2565-2572. （in Chinese）

［30］ MASCLAUX-DAUBRESSE C，DANIEL-VEDELE F，DECHORGNAT J，CHARDON F，GAUFICHON L，SUZUKI A. Nitrogen uptake，assimilation and remobilization in plants: Challenges for sustainable and productive agriculture. Annals of Botany，2010，105（7）: 1141-1157.

［31］ RICHARDSON A E，BAREA J M，MCNEILL A M，PRIGENTCOMBARET C. Acquisition of phosphorus and nitrogen in the rhizosphere and plant growth promotion by microorganisms. Plant and Soil，2009，321（1/2）: 305-339.

［32］ 马晓霞，王莲莲，黎青慧，李花，张树兰，孙本华，杨学云. 长期施肥对玉米生育期土壤微生物量碳氮及酶活性的影响. 生态学报，2010，32（17）: 5502-5511. MA X X，WANG L L，LI Q H，LI H，ZHANG S L，SUN B H，YANG X Y. Effects of long term fertilization on soil microbial biomass carbon and nitrogen and enzyme activities in maize growing period. Acta Ecologica Sinica，2010，32（17）: 5502-5511. （in Chinese）

［33］ JING J，ZHANG F，RENGEL Z，SHEN J. Localized fertilization with P plus N elicits an ammonium-dependent enhancement of maize root growth and nutrient uptake. Field Crops Research，2012，133: 176-185.

［34］ 刘宏胜，徐振峰，闫志利，牛俊义，高玉红，李洋. 不同施肥水平下全膜双垄沟播玉米土壤酶活性及氮磷养分含量的动态变化. 干旱地区农业研究，2013，31（5）: 61-68. LIU H S，XU Z F，YAN Z L，NIU J Y，GAO Y H，LI Y. Dynamics of soil enzyme activity and N and P content under different fertilizer rates in maize field with full plastic-film mulching on double ridges and planting in catchment furrows. Agricultural Research in the Arid Areas，2013，31（5）: 61-68. （in Chinese）

［35］ ZHANG X C，YU X F，MA Y F. Effect of nitrogen application and elevated CO2on photosynthetic gas exchange and electron transport in wheat leaves. Photosynthetica，2013，51（4）: 593-602.

［36］ 陆景陵. 植物营养学. 第二版上册. 北京: 中国农业大学出版社，2003. LU J L. Plant Nutrition. 2nd. Beijing: China Agricultural University Press，2003. （in Chinese）

［37］ TIAN Q Y，CHEN F J，LIU J X，ZHANG F S，MI G H. Inhibition of maize root growth by high nitrate supply is correlated with reduced IAA levels in roots. Journal of Plant Physiology，2008，165: 942-951. ［38］ HU H W，ZHANG L M，DAI Y，DI H J，HE J Z. pH-dependent distribution of soil ammonia oxidizers across a large geographical scale as revealed by high-throughput pyrosequencing. Journal of Soils and Sediments，2013，13（8）: 1439-1449.

（责任编辑 杨鑫浩，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

国家公益性行业（农业）科研专项（201203100）、河南省教育厅科学技术研究重点项目（13A210491）

联系方式：张学林，Tel：13643867669；E-mail：xuelinzhang1998@163.com。通信作者李潮海，Tel：0371-63555629；E-mail：lichaohai2005@163.com