小麦根长密度和根干重密度对氮肥的响应及其与产量的关系

陈智勇，谢迎新，张阳阳，缑培欣，马冬云，康国章，王晨阳，郭天财

(河南农业大学/国家小麦工程技术研究中心，河南郑州 450046)

氮素是小麦生长发育所需的必要营养元素。施用氮肥是小麦生产过程中最重要且容易调控的增产措施，因此农田氮肥施用量长期居高不下[1]。统计表明，2018年世界肥料用量已达1.18×108t，而中国肥料用量高达5.65×107t，其中氮肥用量为2.07×107t[2-3]。目前在我国小麦生产过程中，过量施氮现象普遍存在。这不仅导致经济效益和氮肥利用率降低[4-5]，也造成土壤、地下水质量下降等环境问题[6-8]。朱兆良等[9]通过对中国782个大田试验数据总结认为，中国主要作物氮肥利用率仅在35%左右。合理施氮可显著提高小麦产量[1,8,10]，因而确定合理的氮肥施用量历来备受科研工作者、种粮大户及政府主管部门普遍关注。

根系作为小麦吸收营养和水分的主要器官，其生长状况与小麦产量关系密切。在小麦栽培研究中根系生长发育早已受到科研工作者的重视，但从事小麦根系的研究难度相对较大，导致多年来相关文献资料相对缺乏。根系生长除与内部遗传因素有关外，很大程度上还受到如水、肥、热等外部环境因素的影响[11-13]。施氮可改变小麦根系结构[14-16]，进而引起植株的生长[17]和产量的变化[18]，但不同施氮量下小麦根系生长发育和产量存在差异。轻度缺氮条件下，植株会通过增加根长、根系体积和根冠比改善氮素的供应状况；严重缺氮时植株整体的生长发育都将受到抑制[19-20]。过量施氮可引起小麦植株地上部分过度生长并抑制根系生长及生理活性[21]，进而影响地上部生长和降低氮素利用率[22-23]。然而，在大尺度上施氮对小麦根系生长和产量的影响及其之间关系的研究仍相对较缺乏。基于此，本研究通过查询近30年来施氮对小麦根系生长和产量影响的文献资料，试图总结出适宜于中国主要麦区的合理施氮范围，揭示氮肥施用与小麦根系生长及产量之间的相互关系，以期为小麦科学施氮提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源与收集

本研究通过中国知网、维普资讯、万方数据、谷歌学术、Web of Science等中英文数据库，采用不同种关键词及其组合(施氮量；小麦根系；氮肥+小麦根系等)对1993-2019年以来我国公开发表的相关文献进行检索。文献筛选原则：(1)排除盆栽、根箱栽培等人工模拟试验；(2)田间试验，除施氮量不同外，田间管理与常规农田操作相同；(3)同一施氮试验发表的多篇文章，仅保留其一；(4)由于在大尺度上分析，除施氮量变化外，忽略不同地区小麦品种、环境等因素的影响。本研究最终获得施氮处理与中国主要麦区小麦根系生长相关的有效文献共计53篇，文献的研究地点分布与我国主要小麦种植区域基本吻合，其肥料种类多为尿素、碳酸氢铵、复合肥，施氮方式为常规基施和追施。

1.2 研究项目

本研究从收集的文献中获取的数据包括施氮量、产量、根长密度(root length density，RLD)及根干重密度(root dry weight density，RDWD)。RLD样本量为1 590组，RDWD样本量为1 258组，不同施氮量下的产量数据为236组。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2013分别对0～20、 20～40和40～60 cm土层RLD和RDWD数据进行汇总计算和方程拟合，并对不同施氮量下小麦RLD、RDWD与籽粒产量进行相关性分析(Pearson,Two-tailed)，采用ArcGIS 16.0和Sigmaplot 10.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 施氮对小麦根长密度(RLD)的影响

随着施氮量的增加，在0～60 cm土层，小麦RLD在开花期和成熟期均呈先升后降趋势，且不同土层的RLD均表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，开花期高于成熟期(图1)。对小麦RLD与施氮量之间进行方程拟合发现， 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和0～60 cm土层的RLD在开花期分别在施氮235、220、220、255 kg·hm-2时达到最大值，在成熟期分别在施氮220、275、225、270 kg·hm-2时达到最大值。

2.2 施氮对小麦根干重密度(RDWD)的影响

与小麦RLD变化规律相似，随着施氮量的增加，0～60 cm土层小麦RDWD在开花期和成熟期同样均呈先升后降趋势，且0～20 cm土层明显高于20～40和40～60 cm土层，开花期高于成熟期(图2)。通过方程拟合，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和0～60 cm土层的RDWD在开花期分别在施氮192、208、209和195 kg·hm-2时达到最大值，在成熟期分别在施氮196、212、171和194 kg·hm-2时达到最大值。

2.3 小麦根系生长与产量间的相关性

相关分析(图3和图4)表明，在小麦开花期和成熟期，0～60 cm土层的RLD和RDWD与产量间均呈极显著正相关，而0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层的RLD和RDWD与小麦产量的相关性均不明显。

通过对中国主要麦区施氮量与小麦籽粒产量关系进行拟合可知，不同地区小麦产量均随施氮量的增加呈先增后降趋势，且在施氮量247 kg·hm-2时达到最大值(图5)，这恰好处于上述小麦根系生长指标达到最大值时的施氮范围 (171～275 kg·hm-2)。

图1 不同施氮量下小麦根长密度(RLD)变化特征

图2 不同施氮量下小麦根干重密度(RDWD)变化特征

3 讨 论

植物生长发育所需要的养分和水分主要来源于根系的吸收，但受其根系形态特征(如根重、根长、细根数量等)的影响非常明显[24-25]，因此植物根系分布特征对土壤水分和养分的吸收起决定作用[26]。通过施氮调节作物根系形态和分布特征、增强小麦根系对养分的吸收能力以及提高小麦籽粒产量的主要技术手段早已在小麦生产中被广泛应用。其中，根长密度和根干重密度是衡量根系生长状况的两个重要指标。增加根长密度可以增大根系表面积，促进根系对营养元素的吸收，而根干重密度是根系生长发育水平的整体表现，反映出了根系发达的不同程度[27-29]。本研究结果显示，0～60 cm土层小麦根长密度和根干重密度与籽粒产量呈极显著正相关，表明小麦根长密度和根干重密度与籽粒产量关系密切，土壤中上层根系的良好发育有助于提高小麦籽粒产量，分析其原因可能主要在于土壤上层(0～60 cm)数量庞大的小麦根系可以充分吸收利用土壤中的水分和营养元素，进而促进了小麦增产[30-32]。

氮肥过量施用会造成土壤耕层营养过剩，导致小麦根系就近吸收养分，不利于根系下扎，进而影响培育健壮个体和合理群体，最终影响籽粒产量；而氮肥适量时，土壤的理化状态达到最佳，有利于促进土壤微生物和土壤酶活化，进而有利于小麦根系健壮生长[14,33-34]。本研究表明，0～60 cm土层小麦根长密度和根干重密度开花期在施氮量分别为220～235和192～209 kg·hm-2成熟期在施氮量分别为220～275和171～212 kg·hm-2时达到最大值，之后再增加施氮量，小麦根长密度和根干重密度均不再增加，甚至下降趋势，这与前人研究基本一致[14,35-36]。本研究还进一步证实，开花期是小麦对养分和水分需求最大的营养生长与生殖生长关键期，该时期根长密度和根干重密度高于成熟期[14,37-39]。此外，本研究也表明，当前的氮肥施用习惯下土壤表层小麦根系能够获得较多的氮素供应，进而促使根系快速生长且主要集中0～20 cm耕层[14,39]，而氮肥施用过高则抑制根系向深层土壤生长[40-42]。

图3 小麦根长密度(RLD)与产量的相关关系

以往研究表明，在一定的范围内小麦产量随着施氮量的增加而显著提高[43]，但当施氮量达到一定量时，继续增施氮肥后产量反而降低[42]。赵广才等[44]研究认为，施氮量在0～300 kg·hm-2范围内，随着氮肥的增加，产量会逐渐提高。姜丽娜等[45]研究发现，220～240 kg·hm-2施氮量为地上部和地下部协调发展的最适宜施氮量，此时小麦产量达到最高。本研究通过查询中国主要麦区氮肥施用与产量文献数据在大尺度上分析中国小麦主要栽培区域的施氮与产量之间的关系认为，中国主要麦区在平均施氮量247 kg·hm-2时小麦产量达到最高。

图4 小麦根干重密度(RDWD)与产量的相关关系

图5 施氮量与小麦产量的关系

综上所述，适宜施氮可促进小麦根系的生长发育，增加土壤上层根系(0～60 cm)分布比例，进而提高根长密度和根干重密度，最终增加小麦产量。本研究认为，从节约氮肥成本角度，结合根系生长指标，施氮171～247 kg·hm-2可作为中国主要小麦种植区域的氮肥合理施用范围。该研究结果可为小麦高产栽培提供一定的理论参考依据，但仍需在今后的研究中纳入更多的根系指标和植株地上部等指标，以期在更广的维度揭示小麦高产栽培的氮肥施用规律。