尹飛，王俊忠，孫笑梅，李洪岐，付國(guó)占，裴瑞杰，焦念元

?

夏玉米根系與土壤硝態(tài)氮空間分布吻合度對(duì)水氮處理的響應(yīng)

尹飛1，王俊忠2，孫笑梅2，李洪岐3，付國(guó)占1，裴瑞杰4，焦念元1

（1河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南洛陽(yáng)471023；2河南省土壤肥料站，鄭州450002；3河南省農(nóng)學(xué)會(huì)，鄭州 450002；4南陽(yáng)農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南南陽(yáng) 473000）

【目的】根系是玉米吸收氮素營(yíng)養(yǎng)的主要器官。在大田條件下，對(duì)夏玉米根系生長(zhǎng)分布、根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度對(duì)不同水氮處理的響應(yīng)，以及根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度指標(biāo)的有效性進(jìn)行研究，用以了解其時(shí)空分布及與土壤氮分布的吻合情況對(duì)玉米氮素吸收利用的影響?！痉椒ā?011—2015年，設(shè)置不灌水+不施氮（W0N0）、不灌水+300 kg N·hm-2（W0N1）、不灌水+360 kg N·hm-2（W0N2）、大喇叭口期灌水+不施氮（W1N0）、大喇叭口期灌水+300 kg N·hm-2（W1N1）、大喇叭口期灌水+360 kg N·hm-2（W1N2）共6個(gè)水氮處理。各施氮處理下拔節(jié)期施氮30%、大喇叭口期施氮70%。大喇叭口期灌水量為750 m3·hm-2。在2015年玉米生長(zhǎng)季，分別于玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、吐絲后20 d和成熟期在玉米種植行和行間采集0—50 cm土體樣品（每10 cm一層），測(cè)定夏玉米根長(zhǎng)密度、根干重密度、土壤硝態(tài)氮含量，并計(jì)算根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度。在成熟期采集植株樣品，分析玉米氮素吸收量?！窘Y(jié)果】隨著玉米生育進(jìn)程，種植行和行間0—50 cm土壤剖面夏玉米根長(zhǎng)密度、根干重密度和硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，根長(zhǎng)密度和根干重密度峰值出現(xiàn)在吐絲后20 d，而土壤硝態(tài)氮含量峰值出現(xiàn)在大喇叭口期。在0—360 kg·hm-2的范圍內(nèi)，夏玉米根長(zhǎng)密度和吐絲期之前土壤硝態(tài)氮含量隨施氮量的增加而增加，但玉米根干重密度和吐絲期之后土壤硝態(tài)氮含量先升高后降低，峰值出現(xiàn)在施氮300 kg·hm-2處理。大喇叭口期灌水可以提高夏玉米生育后期根長(zhǎng)密度和根干重密度，但降低了土壤硝態(tài)氮含量。隨著土層加深，種植行夏玉米根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RLD1-N）以及根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RWD1-N）總體呈降低趨勢(shì)，行間夏玉米根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RLD2-N）以及根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RWD2-N）總體呈先增加后降低趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在10—30 cm土層。隨著玉米生育進(jìn)程，各土層RLD1-N、RWD1-N和RWD2-N以及0—40 cm土層RLD2-N呈先升高后降低變化趨勢(shì)。與不施氮處理相比，施用氮肥提高了RLD1-N、RLD2-N、RWD1-N和RWD2-N。施氮量從300 kg·hm-2增加至360 kg·hm-2時(shí)，降低了0—30 cm土層RLD2-N、0—20 cm土層RWD1-N以及拔節(jié)至吐絲期間RLD1-N和0—20 cm土層RWD2-N，提高了40—50 cm土層RLD2-N、20—50 cm土層RWD1-N以及吐絲期之后的RLD1-N和RWD2-N。夏玉米種植行和行間根長(zhǎng)密度和根干重密度與其硝態(tài)氮含量的吻合度與產(chǎn)量極顯著正相關(guān)，但與氮素利用效率極顯著負(fù)相關(guān)，且其相關(guān)性優(yōu)于根長(zhǎng)密度和根干重密度與產(chǎn)量及氮素利用效率的相關(guān)性?！窘Y(jié)論】在大田條件下，施用氮肥可以提高夏玉米根長(zhǎng)密度、根干重密度、土壤硝態(tài)氮含量以及夏玉米根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度。但施氮量超過(guò)300 kg·hm-2時(shí)會(huì)降低夏玉米生育前期上部土層的夏玉米根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度。根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度可以作為研究夏玉米氮素利用效率的有效指標(biāo)。

玉米；根長(zhǎng)密度；根干重密度；土壤硝態(tài)氮含量；空間吻合度

0 引言

【研究意義】玉米是中國(guó)重要的糧食作物、飼料作物和工業(yè)原料作物，在保障國(guó)家糧食安全方面作用巨大。根系是主要的吸收器官，其生長(zhǎng)發(fā)育、在土壤中的分布動(dòng)態(tài)關(guān)系著作物吸收水肥的能力[1-2]，而根系分布動(dòng)態(tài)與土壤養(yǎng)分、水分分布動(dòng)態(tài)的吻合程度決定著作物水肥的吸收利用。水分和氮肥是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成的基本環(huán)境因子，適宜的水氮供給關(guān)系著作物高產(chǎn)高效。硝態(tài)氮是作物重要的氮素營(yíng)養(yǎng)形態(tài)。因此，研究夏玉米根系與土壤硝態(tài)氮空間分布吻合度及其對(duì)水氮處理的響應(yīng)，對(duì)于指導(dǎo)夏玉米水氮管理具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】前人研究表明隨著土層加深玉米根長(zhǎng)和根干重遞減[3]，隨著玉米生育進(jìn)程，上層土壤玉米根系分布比例下降而下層土壤根系比例增加[4]。施肥方式可以調(diào)控玉米根系生長(zhǎng)與分布。漆棟良等[5]研究表明在玉米行兩側(cè)均勻施氮可增加玉米根量，使根系水平分布更均勻，提高0—40 cm土層玉米根長(zhǎng)密度，而在玉米行一側(cè)固定施肥增加60—100 cm土層玉米根長(zhǎng)密度。宋日等[6]研究表明壟溝追肥促使玉米根系向縱深發(fā)展，增加中、深層根干重，且施肥越深玉米中、深層根干重增加幅度越大。同時(shí)，肥料種類和施用量也影響著玉米根系分布。易鎮(zhèn)邪等[7]研究得出復(fù)合肥對(duì)夏玉米生育前期根系生長(zhǎng)下扎有較大抑制作用。而接觸施用控釋肥提高了玉米植株周?chē)?0 cm范圍內(nèi)的根長(zhǎng)密度[8]。低氮水平有利于根系下扎而高氮水平促進(jìn)根系橫向伸展[9]，追施氮肥可以提高0—40 cm土層根重，且吐絲期追施氮肥效果較好[10]。土壤硝態(tài)氮是作物重要的氮素來(lái)源，同時(shí)也是主要的農(nóng)業(yè)面源污染物，其含量及在土壤剖面上的分布受到廣泛關(guān)注[11-14]。前人開(kāi)展了大量關(guān)于施氮量[15-17]、耕作方式[18]、栽培模式[19]、水氮耦合[20-21]等措施對(duì)農(nóng)田土壤硝態(tài)氮分布和淋溶影響的研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】作物根系與土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)在土壤中分布的空間吻合程度關(guān)系到作物對(duì)肥料的吸收利用以及作物產(chǎn)量的形成。前人雖然在水氮管理對(duì)玉米根系生長(zhǎng)分布、土壤硝態(tài)氮分布和運(yùn)移等方面做了大量研究，但關(guān)于水氮管理對(duì)玉米根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度方面的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。本文提出空間吻合度的概念，作為表示玉米根系與土壤硝態(tài)氮在空間分布上吻合程度的量化指標(biāo)，來(lái)探討水氮處理對(duì)根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究在大田條件下，研究6種水肥處理對(duì)夏玉米根系生長(zhǎng)分布、根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度的影響，明確根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度指標(biāo)在研究作物吸收利用營(yíng)養(yǎng)元素方面的有效性，以期為玉米氮素高效利用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2011—2015年玉米生長(zhǎng)季，在河南省溫縣祥云鎮(zhèn)國(guó)家糧豐工程試驗(yàn)基地進(jìn)行了水氮試驗(yàn)處理。采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，水分管理為主區(qū)，氮肥管理為副區(qū)。足墑播種條件下，水分因素設(shè)2個(gè)水平：不灌水（W0），大喇叭口期灌水750 m3·hm-2（W1）。前期的研究得出試驗(yàn)區(qū)中產(chǎn)田推薦施氮量為300—400 kg·hm-2[22]，因此本研究中氮肥因素設(shè)3個(gè)水平：不施氮（N0），施氮300 kg·hm-2（N1），施氮360 kg·hm-2（N2）。其中30%于拔節(jié)期溝施，70%于大喇叭口期溝施。試驗(yàn)共計(jì)6個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積73.2 m2（12 m×6.1 m）。供試品種為鄭單958，60 cm等行距種植，株距22.22 cm，密度75 000株/hm2。拔節(jié)期各處理溝施硫酸鉀及重過(guò)磷酸鈣，施用量分別為K2O 200 kg·hm-2和P2O5125 kg·hm-2，其他管理措施同一般高產(chǎn)田。試驗(yàn)田土壤基礎(chǔ)狀況見(jiàn)表1。在連續(xù)5年定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于2015年玉米生長(zhǎng)季采樣調(diào)查夏玉米根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度。6—9月試驗(yàn)區(qū)常年平均降水量346.6 mm，2015年同期降水330.4 mm（圖1），與常年平均較接近。

圖1 試驗(yàn)期間降水量

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

2015年玉米生長(zhǎng)季，分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、吐絲后20 d和成熟期按照0—10、10—20、20—30、30—40和40—50 cm分層挖取土體。先挖取種植行土體：以玉米植株為中心，水平方向上垂直于玉米種植行土體寬20 cm，平行于玉米種植行土體長(zhǎng)22.22 cm。然后挖取行間土體：垂直于玉米種植行向行間挖取，長(zhǎng)寬與種植行土體相同。采樣位置如圖2所示，每小區(qū)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)。

表1 試驗(yàn)田土壤容重、pH及基礎(chǔ)肥力狀況

1.2.1 根長(zhǎng)密度和根干重密度 每個(gè)土體經(jīng)過(guò)田間分撿后，將根樣裝入尼龍網(wǎng)，在水中浸泡30 min，而后用水沖洗干凈，挑出雜質(zhì)和雜根后人工測(cè)量 根長(zhǎng)，然后烘干后稱重。計(jì)算根長(zhǎng)密度和根干重密度。

1.2.2 土壤硝態(tài)氮 將每個(gè)土體土壤混勻后采集土壤樣品，稱取12 g新鮮土壤樣品于250 mL的塑料瓶中，加入100 mL 0.01 mol·L-1的CaC12溶液，振蕩1 h，過(guò)濾，采用連續(xù)流動(dòng)分析儀（BRAN+ LUEBBE）測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量。若不能當(dāng)天測(cè)定，在4℃冰箱中保存。

1.2.3 空間吻合度計(jì)算 本文以根密度與土壤硝態(tài)氮含量的乘積來(lái)計(jì)算空間吻合度，具體如下：

種植行根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RLD1- N）=種植行根長(zhǎng)密度×土壤硝態(tài)氮含量；

行間根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RLD2- N）=行間根長(zhǎng)密度×土壤硝態(tài)氮含量；

種植行根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RWD1-N）=種植行根干重密度×土壤硝態(tài)氮含量；

行間根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RWD2-N）=行間根干重密度×土壤硝態(tài)氮含量。

1.2.4 籽粒產(chǎn)量 于成熟期在每個(gè)小區(qū)中心收獲18 m2（6 m×3 m）玉米，果穗風(fēng)干、脫粒、稱質(zhì)量，得到籽粒產(chǎn)量。

1.2.5 氮素利用效率 于成熟期進(jìn)行采樣，將葉、莖鞘、苞葉、穗軸與籽粒等器官分別裝袋，于105℃下殺青1 h，然后在80℃下烘至恒重。用凱氏定氮法測(cè)定各器官含氮量[23]，計(jì)算玉米植株氮積累量。

氮素利用效率（NUE）=籽粒產(chǎn)量/植株氮積累量。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，置信水平為=0.05。

黑點(diǎn)表示玉米種植位置。A和B分別表示種植行和行間。下同

2 結(jié)果

2.1 水氮處理下夏玉米根系空間分布

2.1.1 夏玉米根長(zhǎng)密度 隨著生育進(jìn)程，各處理下種植行和行間0—50 cm土壤剖面夏玉米根長(zhǎng)密度均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在吐絲后20 d（圖3）。在0—360 kg·hm-2的范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，夏玉米根長(zhǎng)密度總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。與不施氮相比，N1和N2處理下種植行夏玉米根長(zhǎng)密度分別比N0處理提高了7.36%和9.38%，行間夏玉米根長(zhǎng)密度分別提高了8.13%和8.81%。同時(shí)，在吐絲后20 d和成熟期，N2處理下種植行和行間夏玉米根長(zhǎng)密度顯著高于N0處理，表明與不施氮相比，施用360 kg·hm-2的氮肥可以顯著提高夏玉米生育后期根長(zhǎng)密度。灌溉可以提高夏玉米種植行和行間根長(zhǎng)密度，分別提高了10.70%和9.87%。除了成熟期N1和N2處理下行間根長(zhǎng)密度外，在吐絲后20 d和成熟期，各施氮水平灌溉處理下的根長(zhǎng)密度均顯著高于不灌溉處理，表明進(jìn)行大喇叭口期灌溉可以增加夏玉米生育后期根長(zhǎng)密度。

JS、MTS、SS、20AS和MS分別表示拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、吐絲后20 d和成熟期。同生育時(shí)期不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平差異顯著。A和B分別表示種植行和行間。下同

2.1.2 夏玉米根干重密度 從圖4可以看出，隨著生育進(jìn)程，各處理下種植行和行間0—50 cm土壤剖面夏玉米根干重密度均呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在吐絲后20 d。與不施氮相比，N1和N2處理下種植行夏玉米根干重密度分別比N0處理提高了8.10%和6.58%，行間夏玉米根干重密度分別提高了7.50%和5.96%，表明施用氮肥可以提高夏玉米根干重密度，但施氮量超過(guò)300 kg·hm-2時(shí)根干重密度有降低趨勢(shì)。灌溉可以提高夏玉米種植行和行間根干重密度，分別提高了9.89%和10.59%。

2.2 水氮處理下土壤硝態(tài)氮空間分布

從圖5可以看出，隨著玉米生育進(jìn)程，各處理下 夏玉米種植行和行間0—50 cm土壤剖面硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)出先升高后降低變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在大喇叭口期。在0—360 kg·hm-2范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，吐絲期之前土壤硝態(tài)氮含量呈增加趨勢(shì)，而吐絲后20 d和成熟期土壤硝態(tài)氮含量呈先增加后降低趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在300 kg·hm-2施氮量處理?？傮w上，與不施氮相比，N1和N2處理下種植行土壤硝態(tài)氮含量分別比N0處理提高了16.68%和15.64%，行間土壤硝態(tài)氮含量分別提高了15.47%和14.45%。同時(shí)，灌溉處理下土壤硝態(tài)氮含量低于不灌溉處理，夏玉米種植行土壤硝態(tài)氮含量平均降低6.23%，行間土壤硝態(tài)氮含量平均降低6.63%，但施氮量相同時(shí)，不同灌溉水平間差異不顯著。

圖4 水氮處理下0—50 cm土壤剖面夏玉米根干重密度

圖5 水氮處理下0—50 cm土壤剖面硝態(tài)氮含量

2.3 夏玉米根系與土壤硝態(tài)氮空間分布吻合度

2.3.1 種植行根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度 在0—50 cm土壤剖面中，種植行夏玉米根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RLD1-N）隨著土層加深總體呈降低趨勢(shì)（表2）。隨著夏玉米生育進(jìn)程，各土層RLD1-N總體呈先升高后降低變化趨勢(shì)，但各土層峰值出現(xiàn)時(shí)期不同。0—10 cm峰值出現(xiàn)在吐絲期，10—20 cm不施肥處理峰值出現(xiàn)在吐絲期，施肥處理峰值出現(xiàn)在吐絲后20 d，20—30 cm N0和N1處理峰值出現(xiàn)在大喇叭口期，N2處理峰值出現(xiàn)在吐絲后20 d，30—40 cm和40—50 cm土層峰值出現(xiàn)在大喇叭口期至吐絲期。

除了吐絲后20 d的20—30、40—50 cm和成熟期20—30 cm土層外，與N0相比，N1和N2處理顯著提高了RLD1-N，分別提高87.27%和82.01%。在拔節(jié)至吐絲期，總體上N1處理RLD1-N高于N2處理，而在吐絲后20 d和成熟期則低于N2處理。大喇叭口期灌溉對(duì)RLD1-N影響不明顯。

2.3.2 行間根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度 從表3可以看出，在0—50 cm土壤剖面中，行間夏玉米根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RLD2-N）隨著土層加深總體呈先增加后降低趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在10至30 cm土層。隨著夏玉米生育進(jìn)程，0—40 cm各土層RLD2-N總體呈先升高后降低變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在大喇叭口期。而40—50 cm土層則呈波浪形變化，N0和N2處理峰值出現(xiàn)在吐絲后20 d，N1處理峰值出現(xiàn)在吐絲期。

表2 種植行夏玉米根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度

同行數(shù)字后不同小寫(xiě)字母表示差異性達(dá)顯著水平（＜0.05）。下同

Different small letters in the same row mean significant differences at the 0.05 level. The same as below

表3 行間夏玉米根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度

除了吐絲后20 d的40—50 cm和成熟期20—30 cm土層外，與N0相比，N1和N2處理顯著提高了RLD2-N，分別提高87.47%和72.22%。在0—30 cm各土層，除了吐絲后20 d的10—30 cm土層，N1處理下RLD2-N均顯著高于N2處理，提高了19.01%。而N2處理提高了40—50 cm土層RLD2-N，與N1相比，提高了18.07%。大喇叭口期灌溉對(duì)RLD2-N影響不明顯。

2.3.3 種植行根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度 從表4可以看出，在0—50 cm土壤剖面中，種植行夏玉米根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RWD1-N）隨著土層加深總體呈迅速降低趨勢(shì)。隨著夏玉米生育進(jìn)程，各土層RWD1-N總體呈先升高后降低變化趨勢(shì)，但各土層峰值出現(xiàn)時(shí)期不同。0—10、20—30和30—40 cm土層的峰值出現(xiàn)在吐絲期，10—20 cm不施肥處理峰值出現(xiàn)在吐絲期，施肥處理峰值出現(xiàn)在吐絲后20 d，而40—50 cm不施肥處理峰值出現(xiàn)在吐絲后20 d，施肥處理峰值出現(xiàn)在吐絲期。

除了吐絲后20 d的40—50 cm和成熟期0—10、20—30 cm土層外，與N0相比，N1和N2處理顯著提高了RWD1-N，分別提高100.62%和96.11%。與N2相比，N1處理提高了0—20 cm土層RWD1-N，但降低了20—50 cm土層RWD1-N。大喇叭口期灌溉對(duì)RWD1-N影響不明顯。

表4 種植行夏玉米根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度

2.3.4 行間根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度 在0—50 cm土壤剖面中，行間夏玉米根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RWD2-N）隨著土層加深總體呈先增加后降低趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在10—30 cm土層（表5）。隨著夏玉米生育進(jìn)程，0—40 cm各土層RWD2-N總體呈先升高后降低變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在大喇叭口期。而40—50 cm土層，N0處理峰值出現(xiàn)在吐絲后20 d，N1和N2處理峰值出現(xiàn)在吐絲期。

除了吐絲后20 d的20—30、40—50 cm和成熟期20—30 cm土層外，與N0相比，N1和N2處理顯著提高了RWD2-N，分別提高91.32%和68.45%?？傮w上看，與N1處理相比，N2處理降低了拔節(jié)至吐絲期0—20 cm土層RWD2-N，但提高了吐絲后20 d和成熟期RWD2-N。大喇叭口期灌溉對(duì)RWD2-N影響不明顯。

2.4 相關(guān)性分析

為了研究夏玉米根長(zhǎng)、根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度指標(biāo)的有效性，將空間吻合度指標(biāo)、根長(zhǎng)密度、根干重密度與夏玉米產(chǎn)量和氮素利用效率做了相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6可以看出，產(chǎn)量及氮素利用效率與各空間吻合度指標(biāo)和根系空間分布指標(biāo)之間的相關(guān)性表現(xiàn)一致，產(chǎn)量均與之呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，氮素利用效率與之均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，氮素利用效率與根系土壤氮空間吻合度指標(biāo)之間極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)明顯高于其與根系空間分布指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)。

表5 行間夏玉米根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度

表6 各指標(biāo)相關(guān)性分析

**表示相關(guān)性在0.01水平顯著；*表示相關(guān)性在0.05水平顯著

**: Correlation is significant at the 0.01 level. *: Correlation is significant at the 0.05 level

3 討論

3.1 根長(zhǎng)密度與根干重密度對(duì)水氮處理的響應(yīng)

玉米根系在土壤中的分布受土壤物理特性[24-25]、化學(xué)特性[26-27]等諸多因素影響。本研究表明大喇叭口期灌水可以提高夏玉米生育后期根長(zhǎng)密度和根干重密度。同時(shí)隨著施氮量增加，夏玉米根長(zhǎng)密度不斷增加，但玉米根干重密度先升高后降低，峰值出現(xiàn)在施氮300 kg·hm-2處理。這表明適宜施用氮肥有利于夏玉米根長(zhǎng)生長(zhǎng)發(fā)育，而過(guò)量施氮?jiǎng)t會(huì)影響根系生長(zhǎng)。武榮等[28]在小麥上研究也得出類似結(jié)論。

3.2 土壤硝態(tài)氮含量對(duì)水氮處理的響應(yīng)

在非淹水條件下，氮肥進(jìn)入土壤后經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，同時(shí)硝態(tài)氮水溶性高易隨水遷移，所以水氮處理對(duì)土壤硝態(tài)氮含量有明顯的影響。大量研究表明，土壤剖面硝態(tài)氮含量隨施氮量增加而增加[20, 29-31]。本研究表明隨著施氮量增加，吐絲期之后土壤硝態(tài)氮含量先升高后降低。這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)在拔節(jié)與大口期施用氮肥，較高的施氮量促進(jìn)了玉米生長(zhǎng)和對(duì)土壤硝態(tài)氮的吸收利用所致。大喇叭口期灌水一方面可能促進(jìn)了土壤硝態(tài)氮淋溶，另一方面提高了夏玉米根長(zhǎng)密度和根干重密度，促進(jìn)了對(duì)氮的吸收，使得夏玉米生育后期土壤硝態(tài)氮含量低于不灌水處理，這與前人研究結(jié)果一致[20-21]。

3.3 夏玉米根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度對(duì)水氮處理的響應(yīng)

根系具有一定向水性和向肥性[32]，其生長(zhǎng)與分布對(duì)土壤水分和肥力狀況有一定響應(yīng)，但這種響應(yīng)也存在一定限度。而作物根系吸收的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)主要來(lái)自于根際及其周?chē)耐寥繹33]，所以根系吸收養(yǎng)分的能力一方面取決于根系的數(shù)量和分布，另一方面也取決于根系分布與土壤礦質(zhì)養(yǎng)分分布的空間吻合程度。施用氮肥能促進(jìn)作物對(duì)氮素的吸收，提高玉米產(chǎn)量[34]，但過(guò)量的氮肥施用及灌溉會(huì)造成部分硝態(tài)氮淋溶[35]，導(dǎo)致玉米吸氮量降低，無(wú)益于產(chǎn)量的提高[31]。其中一個(gè)重要原因就在于肥料分布范圍超出了作物根系的分布及吸收范圍，造成兩者空間分布上的不一致。根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度可以同時(shí)表征這兩方面特征，能更好地反映玉米對(duì)肥料的吸收能力，該指標(biāo)與玉米產(chǎn)量及氮素利用效率的相關(guān)系數(shù)也說(shuō)明了這一點(diǎn)，其可作為研究夏玉米氮素利用效率的有效指標(biāo)。

本研究中根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度對(duì)大喇叭口期灌水響應(yīng)不明顯，一方面可能是因?yàn)楣嗨黾恿烁L(zhǎng)密度和根干重密度，但同時(shí)降低了土壤硝態(tài)氮含量所致。另一方面也可能由于在平水年份，僅大喇叭口期灌水不足以引起根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度的大幅度變化?？梢栽诜浪镏羞M(jìn)一步試驗(yàn)進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

在大田條件下，進(jìn)行水氮處理明顯促進(jìn)了夏玉米根系生長(zhǎng)，可以提高夏玉米根長(zhǎng)密度和根干重密度。施用氮肥提高了土壤硝態(tài)氮含量以及種植行根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RLD1-N）、行間根長(zhǎng)密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RLD2-N）、種植行根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RWD1-N）和行間根干重密度與土壤硝態(tài)氮空間吻合度（RWD2-N）。但施氮量超過(guò)300 kg·hm-2時(shí)，夏玉米根干重密度、吐絲期之前RLD1-N、上部土層的RWD2-N、RLD2-N和RWD1-N會(huì)降低，300 kg·hm-2的施氮量更有利于兼顧夏玉米產(chǎn)量和氮素利用效率。大喇叭口期灌水降低了土壤硝態(tài)氮含量，但在平水年對(duì)RLD1-N、RLD2-N、RWD1-N和RWD2-N作用不明顯。根系與土壤硝態(tài)氮空間吻合度可以作為研究夏玉米氮素利用效率的有效指標(biāo)。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Response of Spatial Concordance Index Between Maize Root and Soil Nitrate Distribution to Water and Nitrogen Treatments

YIN Fei1, WANG JunZhong2, SUN XiaoMei2, LI HongQi3, FU GuoZhan1, Pei RuiJie4, JIAO NianYuan1

(1College of Agronomy, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan;2Soil and Fertilizer Station of Henan Province, Zhengzhou 450002;3Henan Association of Agricultural Science Societies, Zhengzhou 450002;4Nanyang Vocational College of Agriculture, Nanyang 473000, Henan)

【Objective】Root is a major organ of maize for the absorption of soil nitrogen nutrition. The spatial concordance index between maize root and soil nitrogen distribution might have an influence on nitrogen uptake and utilization of maize. The purposes of this study were: (1) to analyze the effects of water and nitrogen treatments on maize root distribution and the spatial concordance index between maize root and soil nitrate content; (2) to determine the effectiveness of spatial concordance index between maize root and soil nitrate content. 【Method】 From 2011 to 2015, the experiment was set in six treatments, including W0N0 (0), W0N1 (0+300 kg N·hm-2), W0N2 (0+360 kg N·hm-2), W1N0 (750 m3·hm-2+0), W1N1 (750 m3·hm-2+ 300 kg N·hm-2), and W1N2 (750 m3·hm-2+ 360 kg N·hm-2), in which irrigation occurred at spike formation stage, and nitrogen applied at jointing stage (30%N) and spike formation stage (70%N). In maize growing season of 2015, soil samples were collected in and between maize planting lines at jointing, spike formation, silking, 20 days after silking, and mature stage. Root length density (RLD) and root dry weight density (RWD), soil nitrate content, spatial concordance index between root and soil nitrate content, and nitrogen absorption were analyzed. 【Result】 With the development of maize growth process, both in and between the lines of maize, RLD, RWD, and soil nitrate content increased first and then decreased. The maximum values of RLD and RWD occurred in 20 days after silking, and the maximum value of soil nitrate content occurred at spike formation stage. In the range of 0-360 kg·hm-2, with the increasing of nitrogen application rate, maize RLD and soil nitrate content before silking stage kept increasing. However, maize RWD and soil nitrate content after silking stage increased first and then decreased, and the maximum value occurred in 300 kg·hm-2nitrogen application treatment. At the late stage of maize growth, irrigation increased RLD and RWD, but decreased soil nitrate content. With the increasing of soil layer depth, RLD1-N (the spatial concordance index between RLD and soil nitrate content at the maize planting line) and RWD1-N (the spatial concordance index between RWD and soil nitrate content at the maize planting line) showed a decreasing trend, RLD2-N and RWD2-N showed a trend of increasing first and then decreasing, the maximum value occurred in 10-30 cm soil layer. With the development of maize growth process, RLD1-N, RWD1-N, and RWD2-N , and RLD2-N in 0-40 cm soil layer showed a trend of increasing first and then decreasing. Compared with no nitrogen treatment, nitrogen applications significantly increased RLD1-N, RLD2-N, RWD1-N and RWD2-N. When increasing nitrogen from 300 kg·hm-2to 360 kg·hm-2, the RLD2-N of 0-30 cm soil layer, the RWD1-N of 0-20 cm soil layer, the RLD1-N from jointing to silking stage, and the RWD2-N of 0-20 cm soil layer were decreased; and the RLD2-N of 40-50 cm soil layer, the RWD1-N of 20-50 cm soil layer, the RLD1-N and RWD2-N after silking stage were increased. RLD1-N, RLD2-N, RWD1-N, RWD2-N had a remarkable correlation with maize yield and nitrogen use efficiency, which the correlation coefficient was higher than between root length density, root weight density and maize yield, nitrogen use efficiency. 【Conclusion】Under field conditions, nitrogen fertilizer application increased RLD, RWD, RLD1-N, RLD2-N, RWD1-N and RWD2-N, but decreased RWD, RLD1-N before silking, RWD2-N, RLD2-N and RWD1-N when nitrogen fertilizer application exceeded 300 kg·hm-2. The spatial concordance index between root and soil nitrate can be a effective index to assess nitrogen use efficiency of maize.

maize; root length density; root dry weight density; soil nitrate content; spatial concordance index

2016-08-05；

2017-02-23

科技部糧食豐產(chǎn)科技工程項(xiàng)目（2013BAD07B07）、河南科技大學(xué)學(xué)科提升振興A計(jì)劃項(xiàng)目（13660002）、河南科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金（09001273）

王俊忠，E-mail：wangjz168@vip.sina.com

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