适宜滴灌施肥量促进河西春玉米根系生长提高产量

邹海洋，张富仓，张雨新，陈东峰，陆军胜，郑 静



适宜滴灌施肥量促进河西春玉米根系生长提高产量

邹海洋，张富仓※，张雨新，陈东峰，陆军胜，郑 静

(1. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学旱区节水农业研究院，杨凌 712100)

针对河西地区水资源短缺、作物水肥利用效率低等问题，研究不同滴灌施肥条件下河西地区春玉米根系生长与产量对水肥的响应关系，以期探索提高水肥利用效率的滴灌施肥模式。利用2 a的田间小区试验，以春玉米“强盛51号”为试验材料，设置4个灌水水平，2015年和2016年分别为I60（60%ETc）、I75（75%ETc）、I90（90%ETc）、I105（105%ETc）和I60（60%ETc）、I80（80%ETc）、I100（100%ETc）、I120（120%ETc），ETc为玉米需水量；4个N-P2O5-K2O施肥水平（kg/hm2）：F60（60-30-30）、F120（120-60-60）、F180（180-90-90）和F240（240-120-120），共16个处理。在生育期内对春玉米的根长、根表面积、根质量、根体积、根长密度进行观测，并统计地上部干物质量和产量。结果表明：灌水量为105%ETc（2015年）和100%ETc（2016年）与施肥量180-90-90 kg/hm2组合的处理根长、根表面积、根质量、根体积均较高；相关性分析显示，各生育期根系特征参数与产量和地上部干物质量相关系数按大小排序表现出灌浆期>大喇叭口期>成熟期>小喇叭口期的规律；在河西地区膜下滴灌施肥条件下，综合考虑根系生长、节水节肥及高产等因素，该地区灌水量90%ETc～100%ETc、180-90-90（N-P2O5-K2O）kg/hm2处理为最佳滴灌施肥策略。

灌溉；肥料；根系；春玉米；地上部干物质量；河西地区

0 引 言

甘肃河西内陆河灌区是甘肃省主要产粮区。近年来，由于水资源短缺，地下水过度开采，农田不合理的灌溉和施肥方式使该地区农田水肥损失严重，农田生态环境日益恶化，严重影响了绿洲农业的可持续发展[1]。目前该地区农田灌溉还是传统的地面灌溉，在春玉米生长季节，畦灌和沟灌是主要的灌溉方式，灌水次数多达5～6次、灌水定额高达100 mm左右，灌溉水浪费严重。作物施肥以传统撒施为主，氮肥施用量高达360 kg/hm2（纯氮）[2]。这种灌溉施肥方式不仅造成水肥损失，还会导致肥料的大量淋失和对地下水的污染。因此，改善灌溉施肥方式，提高作物的水肥综合利用效率是解决该地区作物高效生产的关键所在。

近几年，滴灌施肥技术应用于农业生产，在提高作物产量的同时，也大幅度提高作物的水肥利用效率[3]。该技术不仅可实时、精量地控制作物根区水肥状况，还可有效减少棵间蒸发和深层渗漏，已在玉米、棉花和马铃薯等大田作物种植中进行了广泛的研究和应用[4-6]。根系作为作物直接吸收水分和养分的器官，根区的水分和养分分布状况直接影响着根系对水分和养分的吸收和作物的产量，水分和肥料的供应状况对根系的生长及在土壤剖面的分布产生直接的影响[7]。不同灌溉施肥对提高作物水肥利用效率和产量等方面有较多的研究和应用[8-10]，但不同水肥供应对作物各生育期根系的生长、干物质累积和产量的影响机理等还需要进行探索研究，因此，研究滴灌施肥条件下水肥供应对作物不同生育期根系生长和产量的影响对高效水肥管理和生产有重要的理论与实际意义。

许多学者就如何通过水肥供应调节根系生长的分布范围，提高水肥利用效率进行了较多的研究[11-13]。银敏华等[10]研究了雨养条件下不同施氮量对夏玉米灌浆期根系生长的影响，表明随施氮水平的提高夏玉米整根各参数均呈先增加后减小的趋势。漆栋良等[11]研究了沟灌方式和施氮方式对河西地区制种玉米全生育期根系生长和产量的影响，认为交替灌水均匀施氮维持了较大总根长，并使得灌浆期植株不同位置根长、总根量均较大，并最终获得较大的产量。Liu等[14]研究了雨养条件下耕作方法、密度和施氮量对夏玉米全生育期根系生长和产量的影响，结果表明，施氮0～184.5 kg/hm2（纯氮）对玉米根长、根干质量和根吸收表面积有促进作用，当施氮量超过184.5 kg/hm2时，根系生长受阻。Mario等[15]研究了不同灌溉方式、灌水量和施氮量对玉米全生育期根系生长和产量的影响，结果表明，与沟灌相比，滴灌能使16～64 cm土层粗根和细根的根长密度分别增加33%～153%和26%～55%，并提高了玉米产量，而沟灌提高了0～16 cm土层的粗根系达21%～40%。Ning等[16]研究了膜下滴灌条件下不同灌水量、灌溉水含盐量和施肥量对棉花根长密度的影响，建立了水肥盐影响下全生育期根长密度随剖面深度变化的指数函数模型。综上，目前研究较多集中在灌浆期或全生育期根系特征与产量对水肥的响应方面，然而随着作物生育期推进以及水肥供应均会影响根系发育或衰老，找到玉米根系生长状况与产量和干物质量累积关系密切的生育期，进而科学地指导水肥供应研究较少。本研究基于2 a春玉米滴灌施肥试验，分析了不同水肥供应条件下河西地区各生育期春玉米根长、根质量、根表面积、根体积和根长密度在剖面的分布规律及与产量的关系，为春玉米实施精确地滴灌施肥管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015和2016年4—9月在中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站（37°50¢N，102°51¢E）进行，试验站位于甘肃省武威市凉州区，地处腾格里沙漠边缘，海拔1 581 m，为大陆性温带干旱气候，该地区多年平均气温8℃，春玉米生长季（4—9月）年平均降水量约135.4 mm，年均蒸发量2 000 mm。其中2015年与2016年试验区春玉米生长季（播种至收获）降雨量分别为141和115 mm，降雨量分布见图1。

图1 2015年和2016年春玉米生育期降雨量和参考作物蒸发蒸腾量（ET0）

2 a试验在同一地块进行，试验区耕作层（0～40 cm）土壤为壤质黏土，土壤容重为1.63 g/cm3，田间持水量为24.9%（体积含水率），饱和含水率为35.2%（体积含水率），土壤碱解氮质量分数50.3 mg/kg，有效磷质量分数3.82 mg/kg，有机质质量分数8.9 g/kg，pH值约8.22。灌溉水源为矿化度0.71 g/L的地下水，地下水埋深40 m以上。

1.2 试验材料与设计

供试作物为“强盛51号”春玉米。滴灌施肥采用当地农民常用肥，分别为尿素（N-46%）、磷酸二铵（N-18%、P2O5-46%）和硫酸钾（K2O-52%）。地膜为聚乙烯薄膜，宽1.2 m，厚度0.008 mm。滴管施肥设备采用液压比例施肥泵装置，滴灌施肥系统由水源、水泵、比例施肥泵和输配水管道系统等组成。滴灌带为贴片式滴灌带，滴头间距20 cm，滴头流量2.3 L/h，滴头工作压力0.2 MPa。试验设置灌水量和施肥量2因素，灌水量设4个水平，2015年灌水水平为60%ETc（I60）、75%ETc（I75）、90%ETc（I90）、105%ETc（I105），因2015年产量随灌水量增加逐渐增加，故2016年灌水水平增大，分别设为60%ETc（I60）、80%ETc（I80）、100%ETc（I100）、120%ETc（I120），2 a实际灌溉量如表1所示。参考当地推荐玉米滴灌施肥量200-100-100 kg/hm2（N-P2O5-K2O），施肥量设4个水平（N-P2O5-K2O）：60-30-30、120-60-60、180-90-90和240-120-120kg/hm2（即F60、F120、F180、F240），共16个处理，各处理重复3次。ETc为玉米需水量（mm/d），计算公式如下：

ETc=ET0·K（1）

式中K为玉米作物系数，分别取0.7（苗期）、1.2（拔节～灌浆）、0.6（乳熟～成熟）[17]；ET0为参考作物蒸发蒸腾量（mm/d），按照1990年FAO-56推荐使用的Penman-Monteith公式计算，2015年和2016年生育期（播种至收获）的ET0情况如图1。

表1 2015年和2016年春玉米灌溉实施方案

滴灌施肥试验采用膜下滴灌施肥方式。每小区长为6 m，宽为5 m，小区面积为30 m2，采用宽窄行和1条滴灌带控制2行植株种植方式，窄行间距为40 cm，宽行间距为80 cm，滴灌带处于窄行中间，距2行植株距离分别为20 cm。玉米株距为20 cm，每个滴头对应2株玉米，一条滴灌带控制46株玉米，玉米种植密度为76 500株/hm2。按玉米的生长特性，整个生育期共施肥4次，每次施肥量占总施肥量分别为20%（苗期）、30%（小喇叭口期）、30%（抽雄期）和20%（灌浆期）。各处理灌水日期相同，灌水间隔为10 d，遇到降雨灌水日期顺延，每次计算灌水量采用的ETc为灌水当日前10天ETc之和。计算实际灌水量时灌溉水利用系数取0.95[18]。2015年试验地0～120 cm土层平均初始含水率达到0.25 cm3/cm3（>田间持水率），故没有灌出苗水及缓苗水，灌水处理从植株3叶1心开始，收获前15～20 d结束灌水，具体灌溉实施方案见表1。

1.3 测定项目与方法

根系指标：于小喇叭口期（2015年6月4日、2016年6月7日），大喇叭口期（2015年6月8日、2016年6月5日），灌浆期（2015年7月2日、2016年7月9日），成熟期（2015年9月4日、2016年9月9日），采用分层分段土钻法，采集不同横向位置不同层次根系样本，土钻内径为10 cm。每小区随机选取2株，切除植株地上部，于植株基部（图2—点）、基部近离滴灌带侧10 cm处（植株近滴灌带侧，图2—点）和基部远离滴灌带侧10 cm处（植株远滴灌带侧，图2—点），以20 cm为一层，从土壤表层依次取至100 cm土层。去除残根，草根等，捡取植株活根，用冲根器冲净后的根系样本，用扫描仪（Epson Perfection V700 photo，Seiko Epson Crop.，Japan）在500万像素下扫描形成黑白对照的JPG图像文件供分析使用。用WinRHIZO图像分析软件（Regent Instrument Inc.，Canada）进行分析，获得根系的长度、表面积和体积。基于根长，按式（2）折算根长密度（root length density，RLD，cm/cm3）。将扫描后的根系样本在75℃烘干至恒质量，测定根系干质量。

根长密度(RLD，cm/cm3)=根长(cm)/根钻体积(cm3) （2）

注：A、B和C分别代表植株近滴灌带侧、植株基部和植株远滴灌带侧根样采集点位置。

产量（干质量）：在成熟期苞叶完全泛白之后，选取小区中间相邻2条滴灌带控制的2行玉米，将所有穗掰下脱粒，称量粒鲜质量（g/穗）、轴鲜质量（g/穗）和百粒鲜质量（g），百粒鲜样放入烘箱75 ℃烘干至恒质量，计算籽粒含水率（%），将籽粒总鲜质量折算成籽粒总干质量，计算单株籽粒干质量、产量、小区籽粒干质量和产量。

地上部总干物质量：在收获期，每小区随机选取4株植株，从茎基部与地下部分离，去除表面污垢后各器官分离，放入烘箱在105 ℃下杀青1 h，75 ℃下烘至恒质量，干燥器冷却，采用电子天平称量质量。计算每小区4株干物质量平均值，乘以种植密度换算成群体干物质量（kg/hm2）。

收获指数[19]：收获指数(harvest index，HI)=产量(干质量)/地上部总干物质量

1.4 数据处理分析

采用Excel 2010和SPSS 12.0数据软件对数据进行处理、方差分析，并运用SSR法多重比较（=0.05），采用Sigmaplot 10.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 春玉米灌浆期根系特征参数

春玉米根系生长至灌浆期趋于稳定，且表征根系生长普遍采用根长、根质量、根表面积和根体积等参数，不同水肥供应对春玉米灌浆期各根系特征参数影响如表2所示。从表2可知，2 a生长季中，同一灌水水平下，各根系特征参数均随施肥量增加先增加后减少或不变，I60处理下在F120施肥水平取得最大值，I75～I120灌水水平在F180施肥水平取得最大值；同一施肥水平下，2015年各根系特征参数在I105处理取得最大值，2016年各根系特征参数在I100处理取得最大值；2015年，灌水和施肥对根质量、根表面积和根体积均有极显著交互作用（<0.01），但2016年，水肥交互作用只对根质量和根体积有极显著的影响（<0.01）。从水肥交互作用对根系生长的影响来看，2 a生长季各根系特征参数分别在I105F180处理（2015年）和I100F180处理（2016年）取得最大值，2015和2016年的各处理根系特征参数分别相较于当年最大值处理，根长最大降幅为21.9%和23.4%（<0.05），根质量最大降幅为41.9%和36.9%（<0.05）；根表面积最大降幅为32.9%和30.7%（<0.05），根体积最大降幅为39.9%和40.5%（<0.05）。

2.2 春玉米不同生育期根长密度分布

2 a不同水肥供应对春玉米不同生育期0～40和>40～100 cm土层根长密度影响如图3所示。从图3a～图3h可知，不同水肥供应处理春玉米0～40 cm土层根长密度均在灌浆期达到最大；2 a生长季中，同一施肥水平条件下，不同水分处理间根长密度在大喇叭口至灌浆期比小喇叭口至大喇叭口期表现出更大差异，说明大喇叭口至灌浆期是玉米根系生长的一个关键时期，对水肥供应要求较高；2 a生长季中，同一灌水水平下，根长密度随施肥量增加先增加后减少，且I60处理根长密度均在F120施肥水平取得最大，其他灌水处理根长密度均在F180施肥水平取得最大，当施肥量达到F240施肥水平时，根长密度均有不同程度降低；从图3i～图3p可以看出，2 a小喇叭口期至灌浆期，水肥相互作用下，各处理>40～100 cm土层根长密度表现出显著差异，且分别在I90F180（2015年）和I100F180（2016年）处理取得最大值。2 a成熟期，各施肥水平下I60处理>40～100 cm土层根长密度均为0，其余灌水处理随着灌水量的增加而增加。

表2 不同水肥供应条件下春玉米灌浆期根系特征参数

注：*表示达到显著水平（<0.05），**表示达到极显著水平（<0.01），不同字母表示处理间差异显著（<0.05）。下同。

Note：* means significant (<0.05), ** means much significant (<0.01), Different letters indicate significant difference (<0.05). The same as below.

2.3 春玉米各生育期根系空间分布

以中肥（F180）处理为例分析不同水分处理对春玉米各生育期根系空间分布的影响，对各生育期春玉米植株近滴灌带侧、植株基部和植株远滴灌带侧0～100 cm根长测定结果分析表明（表3），2 a生长季4个水分处理随生育期的推进，不同横向位置根长均先增大后减小，且在灌浆期达到最大；在灌浆期，各处理不同位置根长均达到最大值，从不同位置对比来看，2 a特低（I60）灌水水平下植株近滴灌带侧相较于植株远滴灌带侧平均增加了27.7%（<0.05），2016年高（I120）灌水水平下植株近滴灌带侧相较于植株远滴灌带侧降低了26.3%（<0.05）。2 a生长季在低（I75、I80）和中（I90、I100）灌水水平下植株近滴灌带侧和植株远滴灌带侧根长显著低于植株基部，平均降低了31.2%（<0.05）。2016年I60、I80、I100和I120处理在小喇叭口至大喇叭口期总根长相对百分数分别增加了43.0%、41.4%、38.6%和39.2%，在大喇叭口至灌浆期总根长相对百分数分别增加了36.4%、37.6%、40.4%和40.3%，可见，I100和I120处理大喇叭口—灌浆期总根长相较于小喇叭口—大喇叭口期总根长相对质量百分数分别增加了1.8和1.1个百分点，而I60和I80处理却分别减少了6.6和3.8个百分点。

2 a各灌水处理不同生育期春玉米各土层根长所占0～100 cm土层根长比例见表4。从表4可知，小喇叭口期，根系分布于0～80 cm土层；在大喇叭口期，根系主要分布于0～100 cm土层，其中>40～60 cm土层根长比例大于>20～40及>60～80 cm 土层根长比例；>60～100 cm土层根长占总根长比例介于18.89%～22.91%（2015年）和17.66%～21.51%（2016年）；在灌浆期，2016年各处理0～20 cm土层根长占总根长比例与大喇叭口期相比均有所增加，且I60F180和I120F180处理高于I80F180和I100F180处理。在成熟期，2015年和2016年 I60F180处理具有活力根系均集中于0～20 cm土层，其他土层根系已经衰亡，I75F180处理和I80F180处理具有活力根系则分布于0～80 cm土层，大于90% ETc灌水处理根系分布层均有活力根系，且>40～100 cm土层根长所占总根长比例随灌水量的增加而增加。可以看出，植株水分亏缺程度越高，根系衰亡越早，将不利于植株后期对土壤水分和养分的利用。

图3 2015年和2016年0～100 cm土层不同春玉米生育期根长密度（RLD）

2.4 春玉米地上部总干物质量、产量和收获指数

从表5可知，2 a生长季灌水和施肥对产量和收获指数影响均达显著水平（<0.05）；2015年，水肥交互作用对地上部总干物质量达极显著水平（<0.01），对收获指数影响达显著水平（<0.05）；2016年，水肥交互作用对产量影响达显著水平（<0.05）。在2 a生长季中，除2016年I80和I100处理地上部干物质量随施肥量增加而增加，其余灌水处理条件下，随施肥量的增加，地上部总干物质量和产量均表现为先增加后减少的规律，且在F180施肥水平下取得最大值，表明施肥量过大反而阻碍了籽粒干物质累积，影响产量的提高。同一施肥水平下，地上部总干物质量和产量在2015年随灌水量的增加而增加，在2016年随灌水量的增加先增加后减小，2 a生长季分别在I105（2015年）和I100（2016年）处理取得最大值。从水肥交互作用对地上部总干物质量、产量和收获指数影响来看，2015年分别在I105F180、I105F180和I75F120处理取得最大值，为42 087 kg/hm2、16 745 kg/hm2和47.99%；2016年分别在I100F240、I100F180和I80F120处理取得最大值，为38 854 kg/hm2、18 269 kg/hm2和49.60%。2015年I75F120处理较I105F180处理和2016年I80F120处理较I100F180处理收获指数提高了8.2%和2.2%，但产量却降低了22.0%和19.5%，从高产的现实目标考虑，低水低肥处理并不适宜农业生产。综上，100%ETc～105%ETc灌水水平和180-90-90（N- P2O5-K2O）kg/hm2施肥水平组合条件下能够获得更高产量。

表3 不同水肥供应条件下横向位置春玉米根长

表4 不同水肥供应条件下不同生育期春玉米各土层根长所占0～100 cm土层根长比例

2.5 春玉米各生育期根系特征参数与产量和地上部总干物质量的相关关系

根系生长状况直接影响植株对水分和养分的吸收，进而影响干物质量累积和产量的形成，为了研究不同水肥供应条件下春玉米产量和地上部总干物质量与各生育期根系特征参数之间的相关关系，对2 a各处理产量及地上部总干物质量平均值与根长、根质量、根表面积和根体积平均值之间分别进行了线性相关分析（样本数为32），相关系数如表6所示。由表6可知，产量和干物质量与根系特征参数之间相关系数按生育期由大到小排序表现出灌浆期>大喇叭口期>成熟期>小喇叭口期的规律，相关性在大喇叭口期和灌浆期均达极显著水平，说明小喇叭口至大喇叭口期和大喇叭口至灌浆期两阶段根系生长发育好坏直接影响着春玉米产量和干物质量的累积，此生育阶段良好的根系生长环境对春玉米的生长发育尤为重要，而小喇叭口期和成熟期根系特征参数与产量和干物质量相关系数较小。在灌浆期，与其他根系特征参数相比根长与产量相关性更优（=0.893，<0.01），说明根长更能反映不同水肥间膜下滴灌春玉米产量的差异；而根表面积相较于其他根系特征参数与干物质量相关性更优（=0.918，<0.01），说明根表面积与春玉米干物质量累积更为密切。总体来说，各处理大喇叭口期和灌浆期根系特征参数的生长情况能较好地反映植株产量和地上部总干物质量的生长情况。

表5 不同水肥供应条件下春玉米地上部总干物质量、产量和收获指数

表6 春玉米各生育期根系特征参数与产量和地上部总干物质量的相关系数

3 讨 论

3.1 水肥供应对春玉米根系生长的影响

膜下滴灌春玉米各生育期根系生长仍然受诸多外界环境因素影响[20]，生育前期当表层土壤水分和养分适当亏缺时，会增加深层土壤中根系比例，利于深层土壤中的水分和养分的利用[21]。这种根系分布上的优势，决定了适量水分亏缺和养分亏缺处理在根系吸水和吸收养分能力上的优势，是最终取得高产的重要原因。低水势和养分亏缺利于增加深层根系生长，有助于抑制根信号的表达，从而达到提高产量和水分利用效率的目的。许多研究表明，低水势增加了根系向地性[22-23]，同时Nakamoto[24]认为根尖的生长方向受环境水分养分状况的影响。本研究结果表明，水分过高或过低和养分过高或过低都将增加0～20 cm土层中根长占总根长的比例，这对于根系吸收深层土壤水分、养分和抵抗自然灾害（大风、高温）非常不利。在节水栽培上，常通过合理灌溉优化玉米根系分布特性[6]，但不同生育阶段根系生长对水肥供应的反映是不同的。本研究发现，在2016年中肥（F180）处理下，I100和I120处理大喇叭口—灌浆期总根长相较于小喇叭口—大喇叭口期总根长相对质量百分数分别增加了1.8和1.1个百分点，而I60和I80处理却分别减少了6.6和3.8个百分点。可见，合理灌水将促进大喇叭口—灌浆期根系更好的生长。有学者认为，玉米根区水分亏缺部位有利于细根生长使根长增加[25]，这与本研究得出不一样的结论，本研究发现，低灌水（I60）水平下植株远滴灌带侧根长显著低于植株近滴灌带侧（表3），原因可能是植株近滴灌带侧有水分提供的同时还有养分提供，而石羊河流域地下水较深（>40 m），深层土壤含水率较低，此刻根系在亏水条件下而是表现出明显的“向水趋肥”性。考虑到根系生长受土壤水分、养分的空间和时间变化过程较为复杂，这在以后工作中将做进一步研究。

3.2 水肥供应对春玉米地上部总干物质量、产量和收获指数的影响

适宜的水肥耦合条件对作物生长和产量的形成具有明显的正交互作用[26]，作物地上部总干物质量、籽粒产量和收获指数在一定范围内，随灌水量和施肥量增加而增加[4,27]，但水肥供应过多会阻碍作物干物质积累，降低产量[10]。对此，不同学者对于减产解释不同，张礼军等[28]发现高氮处理使土壤溶液中氮浓度过高，引起根系提前衰老，养分吸收效率下降，从而导致籽粒干物质累积下降，进而产量降低；也有学者认为[29]，水肥供应过多会造成叶面积指数较大，群体通气状况不佳，营养生长和生殖生长比例失调，籽粒干物质累积量减少。在本研究中，同一灌水水平条件下，大多处理地上部总干物质量和产量均随施肥量的增加先增加后减少，在F180处理达最大值，这与郭丙玉等[27]得出的新疆春玉米最佳施氮量427.9～467.7 kg/hm2（纯氮）时获得高产（17109～17138 kg/hm2）有很大差别，可能原因是其种植密度是本试验的1.5倍，灌水量为2倍，属于典型的高水高肥高密度种植，高水增加了养分淋失，高密度使玉米植株群体营养生长消耗了更多养分。银敏华等[10]研究表明，夏玉米施用尿素在160 kg/hm2水平获得最高收获指数，本研究与之不同，2 a收获指数均在F120处理处达到最大值，可能是因为其按照基追比2∶3施肥2次，而本试验是按照不同生育期施肥4次，肥料利用率更高。合理灌水量促进根系在深层土壤中的发育，同时保证了成熟阶段良好的土壤水分环境，减缓了根系生长衰退，保证了根系在生殖期的吸水能力，显著提高了玉米产量和水分利用效率[11]，本研究发现，不同施肥水平下，2015年均在I105处理产量最高，2016年均在I100处理产量取得最大值（表5），考虑到不同生育阶段根系生长对水分的敏感情况，灌水量还有降低的潜力。

3.3 水肥供应条件下春玉米各生育期根系特征参数与产量和干物质量的相关关系

玉米植株不同生育阶段根系生长情况不同，对水分和养分要求也存在很大差别，在根系生长对水分和养分最敏感时期保证水肥的合理供应，才能形成更多的经济产量，实现增产高效的目的[9,30-32]。因此，了解某一生育阶段根系生长与产量的相关关系尤为重要。银敏华[10]对不同氮肥运筹条件下夏玉米灌浆期根系分布与产量进行相关性分析，得出灌浆期根长和根表面积与产量均达显著线性关系。但是，Mu等[33]研究不同基因型玉米根系生长和产量认为吐丝期根系增加将提高玉米产量。而在不同种植方式下，周昌明等[34]报道玉米成熟期根系特征参数与产量有较大相关性。本研究结果表明，灌浆期根系特征参数与产量和地上部干物质量相关系数最大，大喇叭口期次之，均达极显著水平（<0.01）；而小喇叭口期和成熟期根系特征参数与产量和干物质量相关系数均较小（表6）。从生育阶段根系生长与产量相关性由大到小依次排序来看，则为大喇叭口—灌浆期>小喇叭口—大喇叭口期>灌浆—成熟期>播种—拔节期，这就从根系生长角度解释了玉米各生育期对缺水的敏感程度与产量关系的问题。可见，从根系生长与产量关系的角度来看，保证大喇叭口至灌浆期合理的水肥供应最为关键，其次是小喇叭口至大喇叭口期，而播种至小喇叭口期和灌浆至成熟期2个生育阶段适当亏水亏肥对产量影响不大，有较大的节水节肥潜力。考虑春玉米根系分布具有高度的可调节性[35]，在节水节肥的背景下，通过水肥调控滴灌春玉米根系更合理的分布是提高产量的有效途径。

4 结 论

在河西地区，通过2 a 膜下滴灌试验，得出：

1）春玉米各生育期根系特征参数与产量和地上部总干物质量均呈显著相关关系，相关系数大小按生育期排序表现出灌浆期>大喇叭口期>成熟期>小喇叭口期规律，灌浆期根系分布与产量和干物质量关系最为密切，其次是大喇叭口期。因此，保证大喇叭口至灌浆期合理的水肥供应最为重要，其次是小喇叭口至大喇叭口期，播种至小喇叭口期和灌浆至成熟期2个生育阶段有较大的节水节肥潜力。

2）施肥量为180-90-90（N-P2O5-K2O）kg/hm2时，灌水量为105%ETc（2015年，Etc为需水量）和100%ETc（2016年）的根长、根质量、根表面积和根体积较高，全生育期灌水量对植株近滴灌带侧、植株基部和植株远滴灌带侧根长影响显著。

3）2015年灌水量90%ETc和施肥量180-90-90 kg/hm2组合获得较高产量，与最高产量差异不显著，但能节约灌溉用水；2016年灌水量100%ETc和施肥量180-90- 90 kg/hm2组合获得最高产量18 269 kg/hm2。考虑根系生长、产量和该地水资源短缺等因素，该地区灌水量90%ETc～100%ETc、施肥量180-90-90（N-P2O5-K2O）kg/hm2为玉米最佳滴灌施肥策略。

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Optimal drip irrigation and fertilization amount enhancing root growth and yield of spring maize in Hexi region of China

Zou Haiyang, Zhang Fucang※, Zhang Yuxin, Chen Dongfeng, Lu Junsheng, Zheng Jing

(1.712100,; 2.712100,)

Water and fertilizer are generally 2 of the most important factors in determining the spring maize productivity and yield.In view of the problems of the shortage of water resources and the low efficiency of water and fertilizer use in Hexi area of China, 2-year experiments (2015 and 2016) were conducted to evaluate effects of different water and fertilizer supplies on root growth and yield of spring maize under fertigation. The test site was Shiyanghe Experimental Station of China Agricultural University located in Wuwei District, Gansu Province, Northwest China (37°52¢N, 102°50¢E; 1 581 m a.s.l.). Using‘Qiangsheng 51’as the test cultivar, the field experiment was subjected to 4 water supply levels, 60%ETc(I60), 75%ETc(I75), 90%ETc(I90) and 105%ETc(I105) in 2015, and 60%ETc(I60), 80%ETc(I80), 100%ETc(I100) and 120%ETc(I120) in 2016, in interaction with 4 fertilization levels that based on different ratios of N-P2O5-K2O, i.e 60-30-30 (F60), 120-60-60(F120), 180-90-90 (F180) and 240-120-120 (F240) kg/hm2. ETcwas the average annual crop evapotranspiration. There were 16 treatments in total. Root growth characteristics such as root length, root surface area, root biomass, root volume, and root length density were measured during the maize growing season. Aboveground biomass, yield and yield components were counted after the final harvest. The results showed that the root length, root surface area, root biomass and root volume under 105%ETc(2015) and 100%ETc(2016) coupled with 180-90-90 kg/hm2treatment were greater compared to the others treatments.The irrigation amount during the whole growth stage had a significant effect on the root growth near the drip tape side, at the plant base and far from the drip tape side. With the growth of plants in the 4 irrigation treatments during the 2 years, the root length density at different locations increased first and then decreased, and reached the maximum at the grain filling stage. The roots were mainly distributed in the 0-80 cm soil layer and the 0-100 cm soil layer at the 6 collars stage and after the 12 collars stage. In the 2016 F180treatment, the total root length during the 12 collars stage to the filling stage compared to the 6 collars to 12 collars stage increased by 1.8 and 1.1 percent points in the I100and I120treatments, respectively. However, the corresponding values in the I60and I80treatments decreased by 6.6 and 3.8 percent points, respectively. The correlation analysis showed that the correlation coefficient between root characteristics with yield and aboveground biomass of each growth stage showed filling stage > 12 collars stage> maturity stage> 6 collars stage. From the perspective of water and fertilizer supply, it is the most important to ensure supply of water and fertilizer from the 12 collars stage to the filling stage, followed by stage from 6 collars to 12 collars, great potential of saving water and fertilizer may be at the stage from seeding to 6 collars stage. I100F180harvested the highest yield (18 269 kg/hm2). I90F180treatment output was not significantly lower than the highest yield, while it saved irrigation water. Considering the water shortage condition in Hexi region of China, and high efficient use of water and fertilizer, 90%ETc-100%ETccombined with 180-90-90 kg/hm2(N-P2O5-K2O) was suggested to be optimal for spring maize production under fertigation.

irrigation; fertilizers; roots; spring maize; aboveground biomass; Hexi region

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.21.017

S513;S275.6;S147.22

A

1002-6819(2017)-21-0145-11

2017-07-11

2017-10-10

国家“十二五”863计划项目课题（2011AA100504）；国家“十二五”科技支撑计划“黄土高原扬黄灌区（宁夏）增粮增效技术研究与示范”（2015BAD22B05）；教育部高等学校创新引智计划项目（B12007）资助。

邹海洋，博士生，江西丰城人，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Email：zouhaiyang@nwsuaf.edu.cn

※通信作者：张富仓，教授，博士生导师，陕西武功人，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Email：zhangfc@nwsuaf.edu.cn