春玉米节根抗拉能力对耕作措施的响应

刘胜群，佟殿文，庄文君，宋凤斌，杨小琴,3，李向楠

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所， 吉林 长春 130102；2.敦化市农业技术推广中心，吉林 敦化 133700； 3.中国科学院大学,北京 100049)

0 引 言

合理的耕作措施可改善土壤结构，协调耕层土壤的水、肥、气及热，创造适宜根系生长发育的土壤环境，从而有利于玉米根系生长发育，进而实现提高作物产量的目的[1-2]。反之，不合理的耕作措施会引起土壤质量下降，抑制根系生长。

作物根系不但对植株起着固持作用，使其保持直立状态，还起着吸收水分、养分，合成多种生理活性物质等的重要功能，对作物的生长至关重要[3-6]。玉米单株生产力较高，其地上部分依赖于根系的强有力支撑。如果这种固持能力失效，玉米则会发生根倒伏[7]。根系力学特征与根系的锚固能力关系密切，并最终影响植株抗倒伏能力[8]。倒伏影响玉米的产量和品质[9-10]。耕作措施影响土壤结构，进而影响根系生长。但耕作措施是否影响根系力学特性，尤其是关于耕作方式对根系抗拉能力影响的研究还较少。本文在吉林省黑土区开展耕作方式对玉米根系抗拉能力影响研究，以期为建立合理的抗逆丰产耕作方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料和实验设计

试验在吉林省长春市中国科学院东北地理与农业生态研究所试验基地(44°12′N，125°34′E)进行。供试土壤为黑土，0～20 cm 耕层土壤有机质含量为26.9 g·kg-1、全氮1.21 g·kg-1、全磷1.06 g·kg-1、 全钾16.87 g·kg-1、 速效氮118.8 mg·kg-1、速效磷18.0 mg·kg-1、速效钾111.0 mg·kg-1，均匀垄种植玉米,垄距65 cm。

试验设置2种方式，即垄作中耕(RP)和平作(FP)。垄作于秋季收获后对农田进行灭茬并旋耕整地，春季播种前对农田进行耕作起垄，垄高20 cm，垄上播种玉米，从播种后至拔节期进行2 次中耕培垄；平作(FP)处理秋收后对农田灭茬并旋耕整地，使土地平整，春季平地播种，整个生育期间不再进行土壤耕作。试验采用大区种植，面积为500 m2。供试玉米品种为先玉335(XY335)和郑单958(ZD958)，种植密度为6.2 万株·hm-2。氮肥施用量为225 kg·hm-2，P2O5施用量为75 kg·hm-2，K2O 施用量为150 kg·hm-2，其中33%的氮肥和全部磷、钾肥作为基肥施入。在垄作中耕处理中，剩余氮肥在玉米拔节期结合中耕培土施入农田；平作处理中的追肥也是在拔节期进行，选择下雨前一天将肥料施于苗带一侧的地表。其他田间管理措施相同，全生育期无灌溉。2013年5月1日播种，9月30日收获。

1.2 测定方法

玉米灌浆期，采用“S”法进行取样。先将所选择的植株两侧表土用镊子轻轻剥离，然后沿着根系的走势，将根系周围的土壤剥离，在根与茎节连接处下方 5～15 cm位置将根系剪下，做好标记，用于进一步分析。所取根系是按照其在基部茎节所在位置加以区分，胚芽鞘上生长的第一轮节根，记为第一层节根，记为“S1”,自下而上，分别为第二层节根，记为“S2”，第三层节根，记为“S3”，以此类推。每株玉米的各层节根各取3条。

测试前，首先将根系上附着的土壤去除，用游标卡尺测量根系直径(D)，用SANS公司的CMT2502型电子万能试验机进行根系力学指标测试，用夹子分别夹在根系的上下两端，而后一端匀速运动，另一端静止，直至根系断裂。记录根系最大拉断力(Fmax)[11]，并按照下面公式计算出根系的抗拉强度(Ts)。

Ts=4Fmax/πD2

1.3 统计分析

根据试验所得到的数据计算平均值和标准误差(SE)。采用Origin 8进行作图，用平均值做柱状图，用标准误差的数值作为误差线。数据用SPSS16.0软件进行方差分析。所有的差异显著性分析均在P<0.05水平上进行检验。

2 结果与分析

2.1 单株根数量

图1为郑单958和先玉335在垄作中耕和平作下的单株玉米节根数量。与平作条件下相比，垄作中耕条件下的单株玉米节根数量显著高于平作(P<0.05，图1)。郑单958垄作中耕较平作条件下高11条·株-1，先玉335垄作中耕较平作条件下高10条·株-1。

2.2 较高茎节的节根数量

图2为垄作中耕和平作条件下郑单958和先玉335的第五轮及其以上的节根数量之和。两品种玉米的较高茎节节根的数量均是垄作中耕条件下的显著高于平作(P<0.05)，郑单958垄作中耕较平作条件下多出15条根·株-1，先玉335在垄作中耕较平作条件下高10条根·株-1。

注：不同的字母表示处理间在P<0.05水平上差异显著，下同。

Note:Different lower letters indicate significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.

图1 垄作中耕和平作下单株玉米节根数量
Fig.1 Number of nodal roots per plant of
maize under ridge tillage or no tillage

图2 垄作中耕和平作下玉米较高茎节上节根数量
Fig.2 Number of nodal roots at higher nodes
per plant of maize under ridge tillage or no tillage

2.3 根系的最大拉力

玉米不同节根的最大拉力见图3。第一轮节根的最大拉力最低，自基部向上，节根最大拉力逐渐增加，第六轮节根的最大拉力最大，而后又降低。

不同耕作方式相比较，除第四轮节根外，其它节根的最大拉力在垄作中耕和平作条件下差异均未达到显著水平。而第四轮节根的最大拉力在垄作中耕和平作条件下差异达显著水平，两品种均为平作条件下的节根最大拉力大于垄作中耕。

注：S1-S7分别代表第一轮节根至第七轮节根。

Note: S1-S7 mean the nodal roots from first wheel to seventh wheel.

图3 垄作中耕和平作下郑单958节根和先玉335节根的最大拉力
Fig.3 Maximal tensile force of nodal roots of ZD 958 and XY 335 under ridge tillage or no tillagee

2.4 根系的抗拉强度

不同类型根的抗拉强度见图4。从图中可以看出，第一轮节根至第三轮节根的抗拉强度较大，而第四轮以上节根的抗拉强度较小。不同耕作方式相比较各节根的抗拉强度在垄作中耕和平作条件下差异均未达到显著水平。

图4 垄作中耕和平作下郑单958节根和先于335节根的抗拉强度
Fig.4 Tensile strength of nodal roots of ZD 958 and XY 335 under ridge tillage or no tillage

3 讨 论

耕作方式可改变土壤状况，进而影响根系生长和功能。宋日等研究认为，增加培土高度可使玉米节根数量增加28.9%[12]。刘朝巍等认为，深松方法能有效缓解土壤的板结问题，打破犁底层，降低土壤容重，增加根分支，促进根系向下生长，增强抗根倒伏能力[13]。宽窄行深松处理有利于玉米根系生长，促进根系向水平和垂直方向的生长，从而增加根系的总量。但丛艳军等研究显示，多次中耕不利于玉米抗倒伏，反而会加重玉米倒伏[14]。根系可以对其所在土壤状况的改变做出反应，调节自身生长发育，从而影响根系构型分布[15]。本研究结果显示，垄作中耕与平作相比较，玉米根系的节根数量存在显著差异，垄作中耕条件下的玉米根系数量高于平作，且这种根系数量的增加主要是由于第五轮以上节根数量的增加。研究显示，玉米根系较高茎节的节根数量多少与根系倒伏抗性有关[7]，较高茎节节根尤其是气生根数量的增加，有利于作物抗根倒伏能力的增强。

作物根系的固定和支撑功能是根系的最重要的功能之一，它可以使植株保持直立状态。玉米高大的地上部依靠根系的强有力支撑，使之保持直立状态，否则植株将发生倾斜，即发生根倒伏[7]。根倒伏影响作物的产量和品质，并给机械收获带来困难[16-17]。因此，抗根倒伏能力对于玉米生产十分重要。研究显示，根倒伏发生经常伴随着疾风骤雨发生。当疾风作用于玉米时，玉米迎风侧的根系因受力而拉伸。因此，玉米根系抗拉伸能力与根倒伏抗性密切相关。研究显示，玉米最大抗拉力和抗拉强度是根系抗拉能力的重要表征，根系重要的力学指标[18]，其最大抗拉力和抗拉强度也是表征玉米根倒伏抗性的一个重要研究内容。

本研究比较了平作和垄作中耕条件下，玉米不同节位节根的抗拉能力，结果显示，第四轮节根的最大拉力在垄作中耕和平作条件下差异达显著水平，两品种均为平作条件下的大于垄作中耕。我们推测，产生这一现象的原因是多方面的。首先，可能与第四轮节根的生长发育特点有关，我们前期研究显示，第四轮节根的水平横向伸展的距离较大[19]，因此，中耕培土机械可能对第四轮节根造成伤害，甚至是断裂，这种伤害可能会影响第四轮节根的力学特征；其次可能与根系的内部结构有关[20-21]，因为，在中耕培土操作时，正值第四轮节根快速生长期间，由于中耕培土对根系所在的土壤产生影响，如土壤的通气性和紧实度发生变化，这种土壤物理性状的改变导致根系做出相应的响应，继而影响根系的生长和形态结构的变化，最终影响根系的力学性状。