不同栽培模式对夏玉米根系性能及产量和氮素利用的影响

任昊，程乙，刘鹏，董树亭，赵杰，张吉旺，赵斌

（山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018）

不同栽培模式对夏玉米根系性能及产量和氮素利用的影响

任昊，程乙，刘鹏，董树亭，赵杰，张吉旺，赵斌

（山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018）

【目的】研究不同栽培模式对夏玉米根系性能、籽粒产量形成以及氮素吸收利用的影响，探明不同栽培模式下玉米根系形态特征与产量形成、氮素吸收能力的关系，为促进玉米根系生长发育、增强根系吸收性能、优化施肥量，促进玉米高产高效生产提供理论依据。【方法】在定位试验条件下，选用郑单958为试验材料，在两种地力条件下，以不施氮肥处理为对照（CK），设置超高产玉米栽培模式（SH）、高产高效栽培管理模式（HH）、农民习惯栽培管理（FP）3种栽培模式，比较分析不同栽培模式夏玉米根系特性对产量形成和氮素吸收利用的调控效应。【结果】不同栽培模式间夏玉米产量存在显著差异，与HH、FP和CK模式相比较，高地力和低地力田块SH模式的两年平均产量分别提高3.54%、17.50%、30.12%和3.16%、18.45%、27.72%，统计分析表明地力和栽培模式均对夏玉米产量有极显著影响，两种因素综合影响因年份变化有所差异。两种地力条件下，夏玉米各时期群体生物量均表现为SH＞HH＞FP＞CK。在抽雄期（VT）和完熟期（R6），SH处理的植株氮素积累总量显著高于其他处理，氮肥利用效率和氮肥农学利用效率均高于FP模式，HH模式的氮肥农学利用效率、氮肥利用效率和氮收获指数均最高，氮肥偏生产力低于FP模式，但仍高于SH模式。在不同地力基础上夏玉米不同栽培模式的根系指标变化趋势基本一致，在大喇叭口期（V12）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）的根系干重密度、根长密度和根表面积密度均为SH＞HH＞FP＞CK，从V12到VT期，SH和HH模式的根长密度、根干重密度和根表面积密度增幅均显著高于FP模式，从VT到R3期，降幅均显著低于FP模式，SH和HH模式VT期根系活跃吸收面积比例显著高于FP模式。不同栽培模式各时期根长密度、根表面积密度和根干重密度与产量和氮肥利用效率均呈显著正相关。【结论】高产高效栽培模式可以有效地促进根系发育、延缓根系衰老、提高氮肥利用效率，有助于实现夏玉米高产高效的目标。

夏玉米；栽培模式；根系特性；产量形成；氮肥利用效率

0 引言

【研究意义】玉米在谷物生产中占有重要地位，是保障中国粮食安全的主要作物之一。据统计，2006—2010年中国共涌现出159块15 000 kg·hm-2以上的超高产田，多数超高产田种植密度处于67 500—97 500株/hm2，平均施氮量达到485.3 kg·hm-2，超高产纪录多在高密和高氮投入条件下获得的[1]。适度密植和增施肥料是当前玉米高产的主要途径[2-3]，但过高水肥投入增加生产成本，降低生产效益，并造成环境污染[4-5]。根系作为玉米吸收、合成、固定和支持的重要器官[6-7]，其生长发育状况决定着玉米对水分和养分的吸收利用能力，进而影响植株干物质生产与籽粒产量形成[8-10]。通过调控玉米根系的生长，促进其对水、肥的吸收利用，是目前玉米产量与资源利用效率协同提高的一个重要途径[11]。【前人研究进展】前人分别在种植密度和氮肥运筹等方面对提高氮肥高效利用做了大量研究。研究表明，增加种植密度可显著增加植株吸氮量，提高氮肥利用效率[12]，适宜的种植密度既保持了植株较高的碳氮积累量，又使碳氮转运率不至于过高，避免生育后期叶片早衰，是产量和氮肥效率协同提高的基础[13]。氮肥后移有效地提高了夏玉米产量和氮肥利用效率[14]，氮肥运筹可以有效地调控根系生长和作物对氮素的吸收[15]。栽培模式对旱地春玉米产量及养分利用效率有显著影响[16]，通过优化栽培模式或者综合农艺措施，可以显著提高作物产量和资源利用效率[17]。【本研究切入点】水肥均是通过改变根系分布及组成，进而调控地下养分吸收与利用、地上光合性能与籽粒产量形成。关于不同栽培模式下玉米根系发育、吸收性能及其与产量形成、氮素吸收利用的研究相对较少，制约了玉米产量与资源利用效率的提升。【拟解决的关键问题】本试验在广泛调研黄淮海夏玉米种植区当前农民种植习惯的基础上，在两种地力条件下，以增加密度和优化氮肥为主要调控途径，在不同地力条件下设置不同栽培模式，比较研究了夏玉米不同处理的根系生理特性、氮素吸收利用及产量差异，旨在从根系生长与吸收能力角度分析不同栽培模式对夏玉米氮素吸收利用和产量形成的影响，为黄淮海玉米区高产高效栽培提供理论依据与技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验时间地点

本研究田间试验于2014—2015年在泰安市岱岳区大汶口镇（35°58′10 N，117°03′30 E）进行，该试验点地处温带大陆性季风气候区，作物种植体系为冬小麦/夏玉米一年两熟。试验田土壤为壤土，试验期间高、低地力两种地力条件下0—20 cm土层土壤理化性质见表1。于小麦收获后深耕（25 cm）灭茬，耙耱整平，播种。室内试验在山东农业大学作物生物学国家重点实验室进行。

1.2 试验设计

供试品种为郑单958，试验共设4个栽培模式：当地农民习惯栽培（FP），高产高效栽培（HH），超高产栽培（SH），在高产高效基础上不施氮肥的模式（CK）。试验采用随机区组排列，4次重复，小区面积为216 m2，各小区设立1.5 m的缓冲区，氮、磷、钾肥分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）、氯化钾（含K2O 60%），有机肥料为沃生物科技有限公司生产的腐熟鸡粪（含有机碳（干基）315 g·kg-1、P2O532.3 g·kg-1、K2O 30.4 g·kg-1、C/N为11.3）。试验期间根据田间土壤水分状况采用小区漫灌方式统一灌溉，按正常田间管理进行良好的病虫害防治。试验具体种植密度和肥料运筹见表2。

表1 耕层土壤基本化学性状Table 1 Soil basic chemical properties in tillage layer (0-20 cm)

表2 不同栽培管理模式的种植密度和肥料运筹Table 2 Plant population and fertilizer application of different cultivation and management patterns

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株干物质 分别于玉米拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）、蜡熟期（R5）和完熟期（R6）在各小区中取6株长势均匀一致的植株。将植株按照叶片（含苞叶）、茎秆（含雄穗、叶鞘、穗轴和地下茎）、籽粒分开，105 ℃杀青30 min后80℃烘干至恒重，测定各器官干物重，粉碎过筛后保存用于植株养分分析。

1.3.2 根系指标 在V12、VT和R3期进行根系取样，以植株为中心将长60 cm×宽（株距，按密度计算）×深40 cm的土体挖出，装入40目网袋。低压水冲洗根系，剔除杂质，迅速吸干根系样品表面水分用于后续分析。采用亚甲基蓝吸附法测定根系活跃吸收面积[19]，采用Epson Perfection TM V700 Photo彩色图像扫描仪扫描图像，然后用 Win RHIZO根系分析系统分析根系长度、根系表面积等指标。扫描完成后将根系烘干测定根系干重。

1.3.3 收获考种 各处理于完熟期收获测产，每小区选取9 m2有代表性的玉米带全部收获后晒干，用于测定产量及产量构成因素。

产量（kg·hm-2）=有效公顷穗数×穗粒数×千粒重/1000×（1-含水量）/（1-14%）。

1.3.4 植株全氮含量 植株干样粉碎过筛后用浓H2SO4-H2O2消煮，采用BRAN＋LUEBBE AA3型连续流动分析仪测定全氮含量。

1.4 数据处理与统计方法

氮肥农学利用率（AE，kg·kg-1）=（施氮区产量-氮空白区产量）/施氮量;

氮肥利用效率（NUE，kg·kg-1）=（施氮区植株吸氮量- 氮空白区植株吸氮量）/施纯氮量；

氮收获指数（NHI，%）=籽粒吸氮量/植株吸氮量×100%；

氮肥偏生产力（PFP，kg·kg-1）=籽粒产量/施纯氮量；

根长密度（RLD，cm·cm-3）=所取土体内根系长度/所取土体体积

根表面积密度（RSAD，cm2·cm-3）=所取土体内根系表面积/所取土体体积

根干重密度（RDWD，g·dm-3）=所取土体内根干重/所取土体体积。

采用 Microsoft Excel 2003 和 DPS 15.10统计软件进行数据方差分析，用SigmaPlot 10.0 绘图。

2 结果

2.1 不同栽培模式夏玉米的产量与收益

由表3可知，SH、HH和CK模式因种植密度较高，其空秆率增加后导致收获穗数低于设计密度，而FP模式因种植密度低，双穗率增加，其收获穗数高于设计密度；两地力条件下各处理产量均存在一定差异，SH模式产量略高于HH模式，但二者无显著差异，以上两处理的籽粒产量与FP和CK模式间均存在显著差异。高地力条件下，SH、HH、FP、CK模式两年的平均产量为11 904.78、11 497.97、10 131.46和9 149.09 kg·hm-2，SH和HH两年平均产量较FP模式分别高出17.50%和13.49%，较CK高出30.12%和25.67%。低地力条件下，SH、HH、FP、CK模式两年平均产量为11 322.74、10 975.27、9 558.31和8 865.22kg·hm-2。SH、HH模式两年平均产量分别较FP高出18.45%和14.82%，较CK高出27.72%和23.80%。单位面积有效穗数的显著增加是产量增加的主要原因。高地力条件下，SH、HH模式公顷穗数分别较FP模式高出32.06%和20.20%，低地力条件下，SH、HH模式公顷穗数分别较FP模式高出43.25%和31.81%（表3）。CK穗粒数显著低于其他模式，可能是其产量最低的主要原因。

通过多因素分析可以看出，地力和栽培模式均对产量有极显著影响（0.001水平），但两种因素综合影响在两个年份有所差异。地力和栽培模式均对穗粒数有较为显著的影响，但两年差异显著程度不同。栽培模式对千粒重有极显著影响。

由表4可以看出，本试验条件下SH模式虽然产量最高，但肥料及人工投入过多，效益最差，而HH模式较SH模式优化肥料施用，在保证产出的同时大幅降低了田间总投入，净收益分别高出SH、FP和CK模式73.66%、7.34%和22.62%。SH模式投入高主要是因为投入了大量的有机肥，虽然其成本较高、但对土壤生产能力持续提升具有显著效果，今后应考虑扩大有机肥源、降低有机肥投入。

2.2 不同栽培模式下夏玉米群体生物量积累变化

由图1可知，两种地力条件下，各生育时期群体生物量均表现为SH＞HH＞FP＞CK，2014年各处理间群体生物量差异显著，2015年，SH和HH模式间群体生物量差异不显著，成熟期CK和FP模式群体生物量无显著差异。

2.3 不同栽培模式的夏玉米氮肥利用效率

由表5可知，两种地力条件下，抽雄期和完熟期氮素积累量均为SH＞HH＞FP＞CK。氮素收获指数SH和HH模式间无显著差异，其他模式之间随年份变化有所差异；氮肥偏生产力，氮肥利用效率和氮肥农学利用率均表现为HH＞SH＞FP＞CK。

高地力条件下，HH模式两年平均氮素偏生产力、氮肥利用效率及氮素农学利用率较SH和FP模式分别高出20.73%、15.88%、4.87%和1.67%、41.07%、112.04%。与SH模式和FP模式相比，低地力条件下HH模式两年平均氮素偏生产力、氮肥利用效率和氮素农学利用率分别高出21.16%、16.35%、6.67%和2.85%、45.50%、159.26%。说明在两种地力条件下，通过降低氮肥投入量、优化氮肥施用时间均可以提高氮肥利用效率。

表3 不同栽培模式对夏玉米籽粒产量及产量构成因素的影响Table 3 Grain yield and its components under different cultivation patterns

表4 2014年高肥力田不同栽培模式夏玉米田间投入及产出效益Table 4 Input and output under different cultivation patterns of HSF in 2014 (yuan/hm2）

2.4 不同栽培模式夏玉米根系特性

由表6可知两种地力条件下，夏玉米根长密度、根干重密度、根表面积密度均为SH和HH模式较高，FP和CK模式较低。根长密度、根干重密度和根表面积密度均呈先增高后降低的趋势，均在VT期达到峰值。

高地力条件下，从V12至VT期，SH、HH、FP和CK模式的根长密度两年平均提高了42.86%、46.32%、35.17%和56.73%，根表面积密度两年平均增加了46.69%、44.87%、35.42%和27.29%，根干重密度VT比V12两年平均增长了26.60%、22.06%、18.95%和31.76%。从VT至R3期，根长密度平均降低了7.93%、7.78%、9.02%和14.99%，根表面积密度平均降低了4.31%、4.90%、7.60%和9.26%，根干重密度平均降低了5.71%、5.99%、7.45%和10.40%。

表5 不同栽培模式夏玉米的氮素积累量、氮素收获指数与氮肥利用效率Table 5 N uptake, N harvest index and N use efficiency under different cultivation patterns in summer maize

表6 不同栽培模式夏玉米各生育时期根系特征参数Table 6 Characteristic parameters of summer maize root under different cultivation patterns

图1 不同栽培模式下夏玉米群体生物量积累变化Fig. 1 Biomass accumulation in different cultivation patterns

低地力条件下，从V12至VT期，SH、HH、FP和CK模式的根长密度两年平均增长了41.65%、45.47%、32.85%和54.26%，根表面积密度两年平均增长了42.14%、36.11%、31.50%和20.65%，根干重密度两年平均增长了18.51%、21.32%、16.47%和38.82%。从VT至R3期，根长密度平均降低了11.33%、11.00%、12.54%和21.33%。根表面积密度平均降低了6.62%、8.51%、10.53%和12.99%。根干重密度平均降低了9.08%、8.53%、10.34%和7.98%。

由上述分析可知，两个种植季同一地力条件下，从V12至VT期，SH和HH模式的根长密度、根表面积密度和根干重密度两年平均提高幅度均显著高于FP模式，而从VT至R3期，降低幅度则显著低于FP模式。SH、HH和FP模式根系相关指标VT期高地力条件下增幅显著高于低地力条件，从VT至R3期高地力条件下降幅显著低于低地力田块下的降幅。由此可知，高地力及SH和HH模式有效促进根系发育，延缓根系衰老。

由图2可知，同一地力条件下，SH和HH模式群体根系总吸收面积和活跃吸收面积均显著高于FP和CK模式，SH、HH和CK模式的活跃吸收面积占总吸收面积的比例显著高于FP模式。

2.5 不同栽培模式夏玉米产量和氮肥利用效率与根系特征参数的相关性分析

由图3可知，不同生育时期根系相关指标与产量及氮肥利用效率均呈正相关关系，符合一元线性方程，但不同生育时期，其斜率变化趋势存在差异。根长密度与产量和氮肥利用效率及根表面积密度与产量的一元线性方程斜率均随生育时期推进而逐渐升高。根干重密度与产量和氮肥利用效率的一元线性方程则斜率随生育时期推进呈现先升高后稳定的趋势；根表面积密度与氮肥利用效率的一元线性方程斜率随生育时期推进呈现先降低后稳定的趋势。

图2 不同栽培模式夏玉米抽雄期根系总吸收面积和活跃吸收面积的差异Fig. 2 Difference of total roots absorbing area and actively absorbing area at VT stage of summer maize under different cultivation patterns

3 讨论

作物根系的大小与作物产量有密切的联系，健壮的根系可为玉米生长发育提供充足的养分和水分，有利于充分发挥作物的高产潜力[19]，玉米生产中主要农艺措施都是首先影响到根系的生长、分布和功能，从而影响地上部发育，进而影响产量形成[20]。李少昆等[21]认为，玉米获得高产的前提是在吐丝期前建立起强大的根系，易镇邪等[22]研究发现，作物的根系干重、根系长度、根系表面积等指标与产量呈现显著的正相关关系。刘胜群等[23]研究也发现，根系干重与绿叶面积、地上部干重和籽粒产量之间呈显著正相关。同时，作物根系吸收能力的强弱显著影响作物养分的吸收和利用[24]，刘正等[25]研究也发现提高夏玉米群体根系质量可以增强根系对水肥的吸收能力。本研究发现，两种地力条件下，夏玉米不同生育时期根系特性与氮肥利用效率及产量均呈显著的正相关关系。因此，调控作物根系的生长是协同提高夏玉米氮肥利用效率和产量的有效途径。

夏玉米根系生长随土壤环境和栽培措施的变化而发生相应改变，耕作方式、播种深度、种植密度、肥料运筹等都会对根系生长产生显著影响[26-30]。研究发现，氮肥运筹对玉米根系的数量、长度、面积和体积均有显著影响[30]。种植密度对根系的生长发育有显著影响，随着密度的增加，玉米根系生长空间减少[30]，其单株根干重、根表面积、根系长度均有所减少，但根长密度和根干重密度则显著增加，根系吸收性能有所降低[31]。根系的生长和空间分布对作物营养元素和水分的吸收能力，以及作物生长和最终产量均有显著影响[32]。本研究结果显示，两种地力条件下，SH和HH模式根长密度、根干重密度和根表面积密度均显著高于其他两个处理。SH和HH模式V12到VT期3个指标的增幅显著大于FP模式，VT到R3期，FP模式根长密度、根干重密度和根表面积密度降幅显著高于SH和HH模式，说明SH和HH模式有效促进了夏玉米根系生长发育，降低了根系衰老速率。两种地力条件进行比较，较高的地力同样也有促进根系发育和延缓衰老的作用（表6）。SH和HH模式群体根系总吸收面积和活跃吸收面积及根系活跃吸收面积比例显著高于FP模式（图2），表明SH和HH模式能有效提高根系的吸收性能。

图3 夏玉米产量和氮肥利用效率与根系特征参数的相关性分析Fig. 3 Relationships of yield and N utilization efficiencies with characteristic parameters of summer maize root

根系作为玉米水分和养分吸收的主要器官，对玉米营养生长和生殖生长有重要影响[33]，同时，根系大小和吸收性能又显著影响其对氮素的吸收[34]。本研究结果表明，通过对种植密度和肥料运筹的调控和优化，能有效促进根系生长和发育，从而提高夏玉米对氮素的吸收利用和产量水平。SH模式将种植密度提高到了9万株/hm2，在播前、拔节期、大喇叭口期、抽雄期和抽雄后一周分次施氮，有效提高了根长、根干重及根表面积密度，促进了根系发育，延缓了根系衰老，进而提高夏玉米花后氮素积累量和籽粒产量，但是SH模式氮肥利用效率却显著低于HH模式，且肥料和劳动力投入高，经济效益降低。与SH模式相比，HH模式在SH模式基础上适当降低种植密度，优化施肥时期和施肥量，从而调控根系发育和分布，使根长密度、根干重密度和根表面积密度略低于SH模式，但是无显著差异。此外，HH模式单株生产力较高，产量降低不显著，且有效提高了氮肥吸收利用效率和经济效益，兼顾了产量与肥料利用效率。因此，在当前农业土地刚性减少情况下，继续优化种植密度与氮肥运筹将是下一步研究的重点。

4 结论

不同栽培模式通过综合种植密度和氮肥运筹调控根系的生长发育，从而影响夏玉米产量和氮肥利用效率。两种基础地力条件下不同栽培模式根系特性表现基本一致，高地力优于低地力。增加密度是提高夏玉米单产的重要途径，在增密的同时调控氮肥运筹，可以促进夏玉米花前根系生长发育，延缓花后根系衰老，提高氮肥利用效率。与超高产栽培（SH）模式相比，高产高效栽培（HH）模式抽雄期不再施用氮肥，并且优化了各生育时期施肥比例，有效促进根系发育和延缓根系衰老，显著降低肥料及劳动力投入，提高氮肥利用效率，是资源环境代价低、经济效益高的生产模式。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Effects of Different Cultivation Patterns on Root Characteristics, Yield Formation and Nitrogen Utilization of Summer Maize

REN Hao, CHENG Yi, LIU Peng, DONG ShuTing, ZHAO Jie, ZHANG JiWang, ZHAO Bin
(College of Agronomy, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology, Taian 271018, Shandong)

【Objective】The objective of this study was to promote the growth of maize roots, enhance root absorption performance, and then reduce the amount of fertilizer, and then provide a theoretical basis for promoting the production of high yield and high efficiency by investigating the effects of different cultivation patterns on the root performance, grain yield formation and nitrogen uptake and utilization of summer maize, and exploring the relationship between root morphological characteristics and nitrogen uptake capacity of maize under different cultivation patterns. 【Method】Under two soil fertilities, with no nitrogen treatment as control (CK), three cultivation patterns including super high-yielding cultivation pattern (SH), high-yielding and high efficiency cultivation pattern (HH) and local farmer's practice(FP) in the long-term experiments by using ZD958 as testing varieties. Theregulation of root characteristics on yield formation and nitrogen utilization in summer maize under different cultivation patterns were measured in fixed field experiment. 【Result】The yields of summer maize was significantly different among different cultivation patterns, compared with the HH, FP and CK patterns, the average yield of SH pattern in two years both in high soil fertility (HSF) and low soil fertility (LSF) were increased by 3.54%, 17.50%, 30.12% and 3.16%, 18.45%, 27.72% respectively. Multivariate analysis showed that both soil fertility and cultivation patterns had significant effects on summer maize yield, and comprehensive effect of double factors varied by years. The population biomass in high and low soil fertilities was SH ＞ HH ＞ FP ＞CK during the whole growing season. The total nitrogen accumulation in SH pattern was significantly higher than those in other patterns at the VT and R6 stages, and the N use efficiency and agronomic N use efficiency were higher than that of FP. HH pattern had the highest agronomic N use efficiency, nutrient use efficiency and nitrogen harvest index. Its nitrogen partial factor productivity was lower than FP, but still higher than the SH pattern. The results showed that summer maize root growth was greatly affected by different cultivation patterns. Root dry weight density, root length density and root surface area density were all expressed as SH ＞HH ＞ FP ＞ CK. From V12 to VT stage, increases in root length, root dry weight and root surface density of SH and HH patterns were higher than that of FP pattern, and decreases in that of FP pattern were highest from VT to R3 stage. The proportion of active absorption area of SH and HH patterns at VT stage was significantly higher than that in FP pattern. The root length density, root surface area density, root dry weight density were very significantly and positively correlated with yield and nitrogen use efficiency.【Conclusion】HH pattern effectively promoted root development, delayed the senescence of root, improved the nitrogen use efficiency, achieved the high yield and high efficiency of summer maize.

summer maize; cultivation pattern; root characteristics; yield formation; nitrogen use efficiency

2016-12-27；接受日期：2017-04-26

国家重点研发计划（2016YFD0300106）、国家自然科学基金（31071358，31301274）、国家科技支撑计划（2013BAD07B06-2）、山东省现代农业产业技术体系项目（SDAIT02-08）、国家现代农业产业技术体系建设项目（CARS-02-20）、山东农业大学泉林黄腐酸肥料工程实验室开放研发基金

联系方式：任昊，Tel：0538-8241485；E-mail：renhaosadu@126.com。通信作者刘鹏，Tel：0538-8241485；E-mail：liupengsdau@126.com。通信作者董树亭，Tel：0538-8245838；E-mail：stdong@sdau.edu.cn