水肥耦合对夏玉米根系形态及产量的影响

隋凯强，赵龙刚，刘树堂，皇甫呈惠，林少雯，陈晶培

(青岛农业大学 资源与环境学院，山东 青岛 266109)

作物生长发育主要受水、肥2个因素的影响，农业生产中面临的最大问题是水资源不足和不合理施肥[1-4]，我国水资源在时间和空间上分布不均匀，干旱地区占我国土地面积的1/2以上，水分亏缺和肥力低下是制约我国北方旱作农田生产力水平提高的两大主要因素[5-8]。

合适的水肥耦合比能够促进作物的生长并提高作物产量，水分缺乏对于作物的生长发育和产量的影响要明显大于其他的环境因素，过度施肥会使肥料中养分流失，导致水体富营养化，破坏生态环境[9-10]。水分能够提高土壤肥料养分的有效性及矿化[11]，促进作物根系对土壤肥料中养分的吸收利用，促进根系吸收的养分向作物籽粒中转移，提高百粒质量，增加玉米的经济产量[12]。土壤养分能够促进作物根系的生长发育，增强根系活力，提高对水分的吸收能力，促进光合作用，增强代谢能力，提高水肥的利用与转化率，促进对水分的吸收利用、提高作物的产量[13-14]。有机肥能改良土壤生理生化性质，保持土壤肥力同时还具有保水功能，能够促进作物对水分的吸收利用。可见，水分和养分二者对作物生长的影响至关重要，在合理范围内能够发挥水分和肥料的最大利用效率，达到节约水肥、保护环境、增加作物产量的目的[15]，如何解决水肥高效利用是我国绿色农业上面临的主要问题，水肥耦合对于提高农作物的品质、产量以及节水节肥具有重要的意义。

关于水肥耦合对玉米产量影响的研究已经有不少学者做出了很多成果，本研究的目的是通过不同的水肥处理，探讨不同处理对玉米根系特征的影响以及产量模型的构建，从而探索出最佳的水肥配比，起到以水促肥、以肥调水的作用，对于北方干旱地区农业生产，如何解决缺水条件下提高作物产量具有重要指导意义。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验设在青岛农业大学莱阳试验站防雨电动棚内，该地区属暖温带半湿润季风气候，年平均气温14 ℃，近年来年降雨量600 mm，土壤类型为棕壤，pH值6.7，全氮量0.77 g/kg，碱解氮44.84 mg/kg，有效磷88.47 mg/kg，速效钾31.3 mg/kg，有机质含量11.19 g/kg。

1.2 试验设计

试验设水、氮、碳3个因素4 个水平，按“3414”最优回归设计方案布置试验，共14个处理，如表1所示。每处理3次重复，随机排列。小区面积为4 m2(2 m×2 m)，深度1.5 m，四周用砖砌水泥层隔离。磷肥(P2O5)90 kg/hm2，钾肥(K2O)90 kg/hm2，作基肥一次性施入；有机肥中有机碳施用量为0，900，1 800，2 700 kg/hm2，作基肥一次施入，氮肥0，75，150，225 kg/hm2，氮肥1/3用作基肥，1/3在玉米拔节期追肥，1/3在玉米孕穗期追肥。试验水处理设置为相对含水量40%，50%，60%，70%。玉米品种为青农11号，行距80 cm，株距25 cm。每小区24株(共3行，每行8株)。田间管理措施相同。

表1 试验处理Tab.1 Experimental design

1.3 测定项目及方法

1.3.1 玉米根系的测定 在玉米成熟期采用土壤剖面挖根法，以玉米植株为中心，取半径20 cm、深度0～50 cm的玉米根系，取出后，将根系土壤用1 mm土壤筛进行筛取细根，然后用STD4800SCANNER根系扫描仪对根系进行扫描，再对扫描后的根系图片用WinRhizo Program 2007进行根系形态的分析。

1.3.2 产量及产量构成 将成熟的玉米棒进行考种，测定产量及各产量构成因素，并记录。

1.4 数据处理

用Excel 2013和Origin Pro 8.6进行数据处理绘制图表，用SPSS 19.0软件进行方差分析显著性检验、相关性分析。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对玉米根系形态的影响

从表2可以看出，在所有处理中，T5的总根长、总根表面积、总根体积都是最大，T1的指标最小，T5的总根长、总根表面积、总根体积分别是T1的2.89，2.41，2.68倍，且都呈显著性差异。

在T4、T6、T7、T8处理(W2C2水平)中，总根长、总根表面积、总根体积在一定的范围内随着施氮量的增加而增加，差异达到显著水平。其中，N1、N2、N3水平的总根长分别比N0水平提高了的5.43%，11.20%，84.87%，N1、N2、N3水平的总根表面积比N0分别提高12.04%，27.28%，99.10%，该4个处理之间的总根体积也呈显著性差异，T8、T4、T7相比T6分别提高了79.65%，24.61%，10.73%。T8的总根长、总根表面积、总根体积分别是T1的2.43，2.36，2.14倍。由此可以看出，水和碳在一定水平条件下，氮对根系形态的影响呈显著性差异。

在T2、T3、T4、T5处理(N2C2水平)中，总根长、总根表面积、总根体积都随着灌水量的增加而增加，W3水平显著高于其他水平，T5的总根长、总根表面积、总根体积在4个处理中都是最大的，T5的总根长、总根表面积、总根体积相比T4分别提高96.33%，60.18%，79.87%，相比T2分别提高了144.5%，122.9%，138.14%，是T1的2.89，2.41，2.68倍。

在T4、T9、T10、T11(W2N2水平)中，T4与T10的根系形态指标差异不明显，总根长、总根表面积、总根体积T11相比T9分别提高了46.08%，46.45%，35.72%，是T1的1.98，1.74，1.75倍。与T1相比，都呈显著性差异，C3水平下的根系指标显著高于其他水平。

处理T12、T13、T14中，T14对总根长、总根表面积、总根体积的影响差异显著，而T12与T13相比，总根长、总根表面积差异不显著，总根体积差异显著。

说明在2个因素水平较低时，灌溉量的影响要大于氮、碳的影响。

表2 水肥耦合对玉米根系形态的影响Tab.2 Effect of coupling water and fertilizer on root morphology of maize

注：同列不同字母表示在0.05 水平上差异显著(P<0.05)。表4同。
Note：Different letters indicate significant differences at P<0.05.The same as Tab.4.

表3 玉米根系形态及作物产量的相关性Tab.3 Correlation betweenroot morphology and yield

注：*、**.在 0.05和0.01水平上差异显著。表5同。
Note：*，**.Significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels. The same as Tab.5.

相关分析结果表明(表3)，根系总长与根系总表面积、根系总体积的相关性达到了极显著正相关，产量与根系总长、根系总表面积、根系总体积达到显著正相关。

2.2 水肥耦合对玉米产量构成因素的影响

从表4可以看出，在各项产量构成要素中，T5的各产量构成因素都是最高的，T1最低，且差异显著。T5在穗行数、行粒数、穗长、百粒质量各项指标中分别是T1的1.31，1.19，1.22，1.62倍，T5的产量相比T1提高了72.39%。

W2C2水平下，T8产量最大。在相同水、碳的条件下，随着施氮量的增加玉米的穗行数、行粒数、穗长及百粒质量都是增加的，N3水平下的穗行数、行粒数及百粒质量指标均显著高于N0水平，N1、N2水平之间的行粒数、穗长及百粒质量差异不显著，在灌水量、有机肥处于W2、C2水平时，施氮能使玉米产量提高6.59%～15.68%。

N2C2水平下，玉米的各项产量构成要素和灌水量是显著相关的，W3和W1、W0的差异性显著，T5相比T2分别提高了24.72%，18.20%，23.66%，41.37%。W2和W3水平间的穗行数、行粒数差异显著，产量达到显著水平，相比T1处理，灌水使玉米产量提高19.78%～48.46%，说明灌水能够提高玉米的产量构成因素，增加产量。

从W2N2水平可以看出，C2、C3水平之间的差异不显著，C3水平的各产量构成要素最大，C0水平的各项指标最小。C1和C2的差异不显著，C0和C3水平之间的穗行数、行粒数、百粒质量差异显著，穗长差异不显著，C3相比C0水平的行数、行粒数、穗长度、百粒质量分别高9.07%，4.68%，2.78%，3.45%。在灌溉量、氮肥分别处于W2、N2水平时，施有机肥能使产量提高4.99%～9.67%。

在T12、T13、T14处理中，与T1相比，产量分别提高了33.32%，36.94%，48.38%。T12与T13的穗行数、行粒数差异不显著，穗长、百粒质量差异显著。T14与T12的各因子都呈显著性差异，说明灌水的影响要大于氮、碳的影响。

相关分析结果表明(表5)，产量与穗行数、行粒数、穗长、百粒质量等产量构成要素之间都达到了极显著正相关。

表4 水肥耦合对产量构成要素的影响Tab.4 Effect of coupling water and fertilizer on yield components

表5 玉米产量要素与产量影响的相关性Tab.5 Correlation between yield components and yield of maize

2.3 水肥耦合对玉米产量的影响

2.3.1 水氮耦合对玉米产量的影响 以T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T12(C2水平)进行拟合可以得出，灌水量和施氮量2个因素产生交互作用的回归方程如下。

(R=0.998 5，F=133.82)

①

式中，X1表示灌水量、X2表示施氮量。经检验，回归方程达显著水平，可反映水氮的交互作用。回归方程系数X1、X2、X1X2是正值，说明灌水量、施氮量、两者耦合对于产量的影响为正效应，比较X1、X2、X1X2系数绝对值的大小，可以得出，三者对于产量的影响顺序为：灌水量>施氮量>水氮耦合。回归方程取最大值11 991.16 kg/hm2时，灌水量、施氮量的编码分别是3和3，此时的土壤相对含水量是70%，施氮量是225 kg/hm2。

水氮的产量效应呈抛物线，从图1可以看出，产量随着水氮的增加而增加，增加到一定程度后趋势平缓，产量增加缓慢。在施氮量一定的条件下，产量会随着灌溉量的增加而增加，水编码值3的处理产量最大。在灌溉量一定的条件下，产量会随着施氮量的增加而增加，增加的趋势先增大后减小，在氮编码值2以后，增加的产量差异不明显，在有机碳编码值为2，灌溉量为3的情况下，施氮量可以适当减小。

图1 不同水、氮水平下夏玉米产量模型Fig.1 Yield model of summer maize yield at different water and nitrogen levels

2.3.2 水碳耦合对玉米产量的影响 根据T2、T3、T4、T5、T9、T10、T11、T13(N2水平)的产量进行拟合得到，水碳因素的产量回归方程如下。

(R=0.998 4，F=129.40)

②

经检验，方程达到显著水平，X1、X2、X1X2的系数为正值，影响为正效应，根据绝对值的大小，对产量的影响顺序为：灌溉量>施碳量>水碳耦合。产量最大为11 837.57 kg/hm2。水的编码值3，碳的编码值3，即相对含水量为70%，有机碳的含量为2 700 kg/hm2。

从图2可以看出，在N2水平下，随着有机碳量的增加，不同灌水量下的产量增加，碳编码值2、3的产量增加不明显。在同一施碳量下，产量随着灌溉量的增大而增加。说明在氮水平一定时，水碳耦合能增加玉米产量，由于有机肥具有保水性，涵养土壤水分，能提高土壤含水量，因此，在灌溉量低时水分能够充分利用，确保植物正常生长并提高产量。

图2 不同水、碳水平下夏玉米产量模型Fig.2 Yield modelm of summer maize yield under different water and carbonlevels

2.3.3 氮碳耦合对玉米产量的影响 根据T4、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T14(W2水平)的产量进行拟合得到，氮碳耦合的产量回归方程如下。

Y=8 831.63+748.98X1+573.-104..21X1X2

(R=0.996 4，F=56.60)

③

经检验，该方程达到了显著水平，施氮量、施碳量、氮碳耦合均为正效应，对产量的影响顺序为施氮量>施碳量>氮碳耦合。产量最大为11 411.64 kg/hm2，氮编码值为3，碳编码值为3。编码值均达到了本试验设定的最大值。

如图3所示，在氮编码值0时，随着有机碳含量的增加，产量增加的趋势变缓，说明在水分一定条件下单施过多有机肥对玉米产量起到增加的效果不明显。在同一碳水平下，产量随着施氮量的增加而增加，N3水平下产量最大。结果表明，单施肥料的效果不明显，氮碳配合施用效果明显，氮碳耦合具有正效应，合适的碳氮比，利于微生物分解，提高土壤的养分，利于根系的生长，提高作物产量。

图3 不同碳、氮水平下夏玉米产量模型Fig.3 Yield model of summer maize yield under different carbon and itrogen levels

根据产量进行三元二次回归分析得到，灌溉量、施氮量、施碳量的回归方程如下。

(R=0.999 2，F=293.37)

④

经检验，方程达到极显著水平，在本试验的设计范围内，对产量的影响因素为灌溉量>施碳量>施氮量。根据回归方程得出，当3个编码值都为3时，最大产量为12 393.69 kg/hm2，水肥用量分别为：相对含水量70%，施氮量225 kg/hm2，施碳量2 700 kg/hm2。

3 结论与讨论

韩希英等[16]研究表明，干旱胁迫会抑制玉米根系生长，减少根系吸收面积，阻碍根系对养分的吸收利用，最终导致玉米减产。葛体达等[17]研究指出，在土壤水分缺乏的条件下，玉米的穗长、穗粒数、行粒数、行数、百粒质量都会显著减少。申丽霞等[18]研究表明，氮素对于玉米的生长发育具有同样重要作用，施氮处理的根长、根表面积、根体积明显高于不施氮的处理，氮素可以促进玉米营养器官的生长，对地上生物量、干物质的积累有较大影响，可以提高玉米穗长、穗粒数、百粒质量等其他产量构成要素，以提高作物产品的品质和产量[19-21]，王艳等[22]研究表明，过量施氮则会抑制根系的生长和其他的生物量。本试验中，水肥耦合对根系形态有显著影响，灌水的影响要大于施氮，这与温立玉等[23]、贺冬梅[24]的研究结果相一致。而杨蕊菊等[25]在水、氮、磷耦合对小麦、玉米产量及构成因素的影响研究中指出，氮肥对产量的贡献最大，水分次之，磷肥最小，路亚等[26]研究显示，在水肥耦合中对产量的影响顺序为水>氮>钾。在本试验中，对产量的影响顺序为水>碳>氮，说明对产量的影响因素顺序会因不同的试验处理方式不一致。可能是由于本试验中施用有机肥进行耦合，有机肥能够促进土壤团粒结构的形成，增强土壤的保肥保水能力，改良土壤条件，提高肥料的利用效率，以利于植物根系生长，达到较好的水肥耦合结果，从而提高产量。

在本施验设计范围内，根据产量得到三元二次方程Y=6 723.94+1 589.98X1+470.79X2+182.50X3-194.23X12-74.70X22-78.66X32+42.12X1X2+98.28X1X3+89.39X2X3，在相对含水量70%，施氮量225 kg/hm2、施碳量2 700 kg/hm2时，得到最大产量为12 393.69 kg/hm2。试验结果表明，水肥耦合对提高玉米产量有显著影响，在保证获得最大产量的情况下，通过合理的水、氮、碳耦合，以发挥出水肥的最大功效，在达到增产的同时减少肥料的投入，对于肥料的零增长具有重要的参考意义。