滴灌条件下施氮量对冬小麦根系生长及产量的影响

姜丽娜，朱娅林，张雅雯，赵凌霄

(河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453007)

小麦根系不仅是多种激素、氨基酸和有机酸合成的重要场所，还是水分和养分吸收的重要器官，在植株-土壤生态系统中扮演着重要的角色[1-3]。小麦根系的生长和时空分布规律与其地上部的生长发育、籽粒产量以及水肥利用效率等密切相关[4-6]。

适宜的水氮管理方式可以调节小麦根系的生长[7-8]，促进水氮利用效率和籽粒产量的提高，避免造成地下水污染[9-13]。滴灌是先进的节水灌溉技术，它能减少地表径流、棵间蒸发和深层渗漏，最大程度降低农业灌溉水的浪费[14]。除此之外，滴灌最大的优点在于其能在任何时间和任何地点将水分和养分通过地面滴灌系统直接输送到作物的根区附近，形成一个椭圆区域，使水分和养分在土壤中均匀分布，以保证水肥被根系快速吸收[15]。有研究表明，适宜的滴灌量能够积极调控小麦根区的水分状况，使根系合理地生长与分布，最大限度地增加根系的吸收面积，增强根系活力，提高水分利用效率，增加产量[16-17]。施用氮肥是小麦生产中一个最关键的管理措施[18-19]。对于小麦而言，氮素的供应无论是对于地上部植株还是地下部根系的生长发育，都是不可或缺的[20-21]。有研究表明，适宜的施氮量能促进根系在土壤中的延伸和分布，增强根系对水分和养分的吸收[22-23]，而过量施用氮肥会使小麦根系的生长受到严重抑制[24]。

目前，关于施氮量对滴灌种植条件下冬小麦根系生长影响的研究较少[25]。段丽娜等[25]在新疆维吾尔自治区大田条件下研究施氮量对滴灌冬小麦根系生长及产量的影响发现，在一定范围内，随着施氮量的增加，拔节期至成熟期0～60 cm土层根系干质量、根系长度和根系活力均增加。然而在大田种植条件下，小麦根系的生长环境比较特殊，导致对其的研究手段和方法受到诸多因素的限制，所以对小麦根系的研究一直是田间小麦栽培工作中比较薄弱的领域[26]。另外，在大田试验条件下，施入土壤中的水分和养分存在下渗、径流等损失情况[27-28]，而使用根箱对小麦进行种植，不仅能在一定程度上避免水氮的损失，还能为根系的观察和取样提供极大便利[29]。目前，尚未见关于滴灌条件下施氮量对根箱冬小麦生长及产量的影响研究。为此，分析比较了滴灌条件下不同施氮量对根箱种植的冬小麦0～40 cm土层根系生长及产量的影响，以期为豫北地区冬小麦的高产高效栽培提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2017—2018年在中国农业科学院新乡综合试验站(113°45′E、35°09′N)进行，该区为北温带大陆性季风气候，光热资源充足，年降雨量适中。土壤为黏壤质潮土，前茬为夏玉米，收获后秸秆不还田。0～20 cm土壤含有机质31.3 g/kg、速效氮106.8 mg/kg、速效磷4.9 mg/kg、速效钾42 mg/kg。

供试冬小麦品种为矮抗58，由河南科技学院小麦中心提供。

1.2 试验设计

试验采用根箱(长110 cm、宽50 cm、高60 cm)种植，于2017年10月29日根据根箱尺寸纵向6行等行距(20 cm)人工开壕沟播种，冬小麦播种量为225 kg/hm2。滴灌毛管设置为1管2行，两毛管之间的距离为40 cm。氮肥设置5个水平，N0：全生育期不施氮，N1、N2、N3、N4处理分别表示在播前施纯氮120 kg/hm2的基础上，随拔节期滴灌施纯氮0、60、120、180 kg/hm2。各处理随机区组排列，设置3个重复。翻地前基施P2O5150 kg/hm2、K2O 270 kg/hm2，灌底墒水。底墒水、越冬水、拔节水、开花水、灌浆水均采用滴灌，用量均为375 m3/hm2。2018年6月4日收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 根样采集及测定 分别于2018年冬小麦拔节期(3月28日)、抽穗期(4月19日)、灌浆期(5月9日)在滴灌毛管间距1/2处选代表性植株，紧贴着地面剪去根钻底面积(10 cm×10 m)范围内的植株地上部后，将内体积为10 cm×10 m×10 cm(麦行方向×垂直麦行方向×高)的根钻敲打入相应的土层，连同土样取出根钻。土样共取4层，分别为0～10、10～20、20～30、30～40 cm，设2次重复。随后及时将取回的立方土样放于孔径为149 μm的尼龙网中进行清洗，快速分离出根系。用根系扫描仪进行扫描并利用相应软件分析各氮肥处理不同土层的根系长度，之后将根系样品烘干至恒质量，称质量，并计算根长密度与根质量密度。

1.3.2 产量及其构成因素的测定 于成熟期(6月4日)，在未进行根系取样的各氮肥处理根箱内调查冬小麦有效穗数，随后在各处理根箱内取15株冬小麦进行考种，测定穗数、穗粒数、千粒质量等，最后实收根箱内的籽粒计算产量。

1.4 数据整理与分析

试验数据运用Excel 2010统计软件和SPSS 17.0分析软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 滴灌条件下施氮量对冬小麦根长密度的影响

由表1可知，不同处理0～40 cm土层内冬小麦的根长密度均表现为抽穗期>灌浆期>拔节期。随着施氮量增加，冬小麦的根长密度先增加后降低。拔节期，所有施氮处理0～40 cm土层的根长密度均显著高于N0处理，施氮处理之间无显著差异，这可能是由于N0处理无底肥施入，冬小麦的根系无法得到充足的养分，从而限制了根系的生长。抽穗期，各处理的根长密度均较拔节期明显增加，N0处理仍显著低于所有施氮处理，表现为N3>N4>N2>N1>N0，N3与N4处理之间无显著差异，说明拔节期追施适量氮肥可促进冬小麦根系的生长。灌浆期，各处理的根长密度均大幅下降，但仍以N3、N4处理较大，这可能是由于适量增施氮肥可以使冬小麦生育后期维持较高的根量；N0处理根长密度最小。

表1 滴灌条件下施氮量对0～40 cm土层冬小麦根长密度的影响 Tab.1 Effect of nitrogen application amount on root length density of winter wheat in 0～40 cm soil layer under drip irrigation ×103 m/m3

注：同列数据后不同小写字母表示不同处理间的差异达到显著水平(P<0.05),下同。

Note： The different lowercase letters after data of the same column mean significant differences among different treatments(P<0.05),the same below.

2.2 滴灌条件下施氮量对冬小麦根长垂直分布的影响

由图1可知， 施氮量对冬小麦根长的空间分布有明显的调控作用。各生育时期各处理的根长主要分布在0～10 cm土层。随着土壤深度增加，各处理不同生育时期冬小麦的根长密度大多逐渐降低，少数处理30～40 cm土层的根长密度有小幅回升。这可能是由于根箱深度的限制，使得下扎的根系堆积在根箱底层。

图1 滴灌条件下施氮量对不同土层冬小麦根长垂直分布的影响Fig.1 Effect of nitrogen application amount on vertical distribution of root length of winter wheat in different soil layers under drip irrigation

拔节期至灌浆期，所有施氮处理0～40 cm不同土层的根长密度均明显高于N0处理,并均在抽穗期达到最大。抽穗期，N1、N2、N3、N4处理0～10 cm土层的根长密度分别较N0处理增加了17.90%、23.18%、29.89%、28.76%，且各处理20～40 cm土层的根长密度占0～40 cm土层根长密度的比例表现为N3>N4>N1>N2>N0，这表明适量增施氮肥既有利于增加表层又有利于增加深层土壤根系的根长密度。总体来说，适宜施氮量下0～40 cm土层根长密度的增加主要是0～10 cm土层根长密度增加的结果，拔节期至灌浆期均以N3和N4处理的根系较长。

2.3 滴灌条件下施氮量对冬小麦根质量密度的影响

作为衡量冬小麦根系发达程度的重要指标，冬小麦根干质量是根系生长状况的集中反映。由表2可知，与根长密度相同，不同处理0～40 cm土层内冬小麦的根质量密度也表现为抽穗期>灌浆期>拔节期。拔节期，所有施氮处理0～40 cm土层的根质量密度均显著高于N0处理，施氮处理之间无显著差异，这可能是由于N0处理无底肥施入， 抑制了冬小麦根系生物量的增加。抽穗期，各处理的根质量密度表现为N3>N4>N2>N1>N0，其中，N1、N2、N3、N4处理的根质量密度分别较N0处理增加了21.66%、27.89%、35.48%、34.34%，N3与N4处理之间无显著差异。灌浆期，各处理的根质量密度较抽穗期均有所下降，但仍以N3和N4处理较大，其中，N1、N2处理的根质量密度分别下降了26.05%、23.93%，N3、N4处理则分别下降了21.75%、17.17%，这说明适宜的施氮量既可以促进冬小麦根系长度的增加，还可以使冬小麦生育后期保持较高的根系生物量。

表2 滴灌条件下施氮量对0～40 cm土层冬小麦根质量密度的影响

2.4 滴灌条件下施氮量对冬小麦根质量垂直分布的影响

由图2可知，各生育时期各处理的根质量主要分布在0～10 cm土层。与根长密度相同，随着土层深度的增加，各处理不同生育时期冬小麦的根质量密度大多呈逐渐降低的趋势，少数处理30～40 cm土层的根质量密度有小幅回升，这也许是由于根箱深度的限制，使得下扎的根系都堆积在根箱底层。

图2 滴灌条件下施氮量对不同土层冬小麦根质量垂直分布的影响Fig.2 Effect of nitrogen application amount on vertical distribution of root weight of winter wheat in different soil layers under drip irrigation

拔节期至灌浆期，所有施氮肥处理0～40 cm不同土层的根质量密度均明显高于N0处理，并均在抽穗期达到最大值。抽穗期，N1、N2、N3、N4处理0～10 cm土层的根质量密度分别较N0处理增加了32.37%、40.19%、52.30%、50.89%，但各处理 20～40 cm土层的根质量密度占0～40 cm土层根质量密度的比例表现为N0>N1>N2>N4>N3，这表明施加氮肥使根系生物量主要集中在表层土壤。总的来说，适宜施氮量下0～40 cm土层根质量密度的增加主要是0～10 cm土层根质量密度增加的结果，拔节期至灌浆期均以N3和N4处理根质量密度较大。

2.5 滴灌条件下施氮量对冬小麦产量及其构成因素的影响

由表3可知，且随着施氮量增加，冬小麦产量总体显著提高，所有施氮处理均显著高于N0处理，N1、N2、N3、N4处理分别较N0处理提高13.48%、19.02%、24.90%、25.16%，N3与N4处理显著高于其他处理,且两者之间差异不显著。除产量外，穗数和穗粒数也总体随着施氮量的增加而增加，其中，施氮处理穗数均显著高于N0处理，N3、N4处理穗粒数均显著高于N0处理；而千粒质量却随着施氮量的增加先增加后降低，以N2处理最高，各施氮处理均与N0处理无显著差异。综上，增施氮肥可增加冬小麦产量，且产量的增加主要是穗数和穗粒数增加的结果，适宜施氮量为240～300 kg/hm2，在此条件下产量可达9 286.62～9 306.04 kg/hm2。

表3 滴灌条件下施氮量对冬小麦产量及其构成因素的影响Tab.3 Effect of nitrogen application amount on yield and its components of winter wheat under drip irrigation

3 结论与讨论

现有的研究表明，氮肥显著影响冬小麦根系的生长发育[30]。施用氮肥可以促进小麦地上部的生长发育，扩大根群，增加根质量，增强根系功能[31]。常规灌溉条件下，在一定范围内，增加施氮量可以促进冬小麦根系的生长，但过度施用则会严重抑制根系的正常生长发育[21,32-33]。段丽娜等[25]研究表明，随着施氮量(90～270 kg/hm2)的增加，拔节期至花后28 d，0～60 cm土层的冬小麦根长和根干质量以及籽粒产量均增加；施氮量达360 kg/hm2时，根长、干质量与产量不再增加。李双双等[30]比较不同施氮量处理春小麦根系生长情况发现，适宜的施氮量可有效改善春小麦的根系生长状况，促进春小麦根系的生长。马冬云等[3]的研究表明，冬小麦的根质量密度和单株根干质量均随着生育期的推进在抽穗期达到最大值。邱喜阳等[21]研究施氮量对冬小麦根系生长分布的影响发现，各处理冬小麦0～40 cm土层的根质量密度均在抽穗期达到最大。本研究结果表明，各处理0～40 cm土层冬小麦根系的根长密度、根质量密度以及其在各土层的垂直分布均在抽穗期达到最大；随着施氮量(120～240 kg/hm2)增加，抽穗期和灌浆期0～40 cm土层的根长密度、根质量密度以及各土层(20～30 cm土层除外)的根长密度、根质量密度均增加；施氮量达300 kg/hm2时，根长密度和根质量密度以及各土层的根长密度、根质量密度均不再显著增加甚至有所下降，总体上与前人[3,21,30]研究结果一致或相似。

冬小麦的根系主要分布在耕作层(0～20 cm)，增施氮肥不仅可以促进总根量的增加，还可以使根系在土壤中的垂直分布递减率增大，促使表层根系生物量增加，而深层根系生物量减少[34]。在本研究中，各生育时期各处理的根系主要分布在0～10 cm土层，且随着土层深度的增加，根长和根质量大多逐渐降低，少数处理30～40 cm土层的根长和根质量有小幅回升。除此之外，适量施氮既有利于增加表层土壤的根长密度，又有利于增加深层土壤的根长密度，但是却使根系生物量集中在表层土壤，这与前人[34]结果一致。

有研究表明，施氮量对小麦的籽粒产量、穗数、穗粒数及收获指数具有明显的调控效应[35-36]，但对千粒质量的影响却不显著[37]。也有研究表明，适量施氮对冬小麦的穗粒数和千粒质量均影响显著，而穗数在各氮肥处理间的差异则比较小，说明随着产量水平的提高，产量主攻目标也应随之改变[38]。本研究结果表明，施氮可增加冬小麦产量，且产量的增加主要归因于穗数和穗粒数的增加，千粒质量对其影响不大。本研究中，0～40 cm土层冬小麦根系的总根长、总根质量以及其在不同土层的分布均以N3、N4处理较大，产量也以N3、N4处理较高，也就是说各小麦根系生长达到较好状态的施氮量范围与其获得较高产量的施氮量范围是一致的，这充分说明适宜的施氮量可以促进根系的正常生长，从而增加冬小麦对水分和养分的吸收和群体物质生产能力，进而增加有效穗数和穗粒数，最终提高产量。

本试验条件下，在施氮量为240～300 kg/hm2时，冬小麦产量为9 286.62～9 306.04 kg/hm2，是冬小麦地上部与地下部协调发展的最适施氮范围。由此可知，在农业生产上可以优化作物的氮肥供应，积极促进冬小麦根系的合理生长发育，从而更有效地稳定小麦的产量构成因素以达到高产的目的[21]。本研究是在根箱种植条件下进行的，根箱种植能够最大程度上反映田间植株-土壤系统的特性，最明显的优点是具有根系观察的直观性和取样的便捷性[29]。因此，有关滴灌高产的氮肥运筹技术，可以利用根箱种植，结合小麦的基因型、土壤的肥力状况以及环境的优化，进一步探讨氮肥调控对冬小麦根系生长的影响，以最大限度地提高小麦产量。