• ISSN 1008-505X
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不同耕作方式对玉米根系特性及养分吸收转运的影响

展文洁 刘剑钊 梁尧 袁静超 张洪喜 刘松涛 蔡红光 任军

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不同耕作方式对玉米根系特性及养分吸收转运的影响

    作者简介: 展文洁 E-mail:17854266737@163.com;
    通讯作者: 蔡红光, E-mail:caihongguang1981@163.com ; 任军, E-mail:renjun557@163.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFD0300602);吉林省科技厅重点研发项目(20180201077NY);国家现代农业产业技术体系(CARS-07-G-6);吉林省农业科技创新工程(CXGC2017ZD001)。

Effect of soil tillage modes on root morphology and nutrient uptake and translocation of maize

    Corresponding author: CAI Hong-guang, E-mail:caihongguang1981@163.com ;REN Jun, E-mail:renjun557@163.com
  • 摘要:   【目的】  耕作方式影响玉米根系的生长发育及养分吸收,比较东北中部雨养区不同耕作制度下玉米根系生长和养分吸收特征,为建立合理的耕作方式提供理论依据和技术支撑。  【方法】  2011―2012年,在吉林省连续进行了2年的田间定位试验,设置4种耕作方式:浅灭茬后直接播种 (对照,T1),苗带深松后镇压 (T2),行间深松且苗带镇压 (T3),苗带行间全部深松 (T4)。在6展叶期、吐丝期和生理成熟期,取0—60 cm土层的植株根系样品,分析玉米产量、养分吸收转运及根系生长发育特征。  【结果】  不同耕作方式下玉米产量差异显著 (P < 0.05),两年平均值表现为T3 > T2 > T1 > T4,T2处理和T3处理的产量分别比T1处理增加8.1%和10.2%。与T1处理相比,T2和T3处理均增加了玉米吐丝后氮磷钾养分累积量,吐丝后累积养分对籽粒的贡献率显著增加 (P < 0.05)。T2和T3处理下的氮、磷、钾累积量对籽粒的贡献率分别比T1处理增加了0.4%~3.6%、16.9%~33.8%、70.5%~82.1%,T3处理增幅高于T2处理。T2和T3处理显著增加了玉米各生育期的总根干重、总根长和总根表面积 (P < 0.05),其中,6展叶期至成熟期,总根干重、总根长、总根表面积的增幅分别为9.8%~22.8%、16.1%~33.1%、19.9%~38.2%。T2和T3处理在各土壤剖面的根系形态均优于T1处理,其中以T2处理最佳,且在20—40 cm土层间差异最为显著 (P < 0.05)。与T1处理相比,T3处理下各生育时期在20—40 cm土层的根干重、根长、根表面积平均增幅为34.1%、48.3%、47.8%,根直径平均增幅为22.1%。  【结论】  与浅灭茬后直接播种相比,苗带行间全部深松不利于根系发育,而行间深松且苗带镇压方式促进了根系的生长发育和纵向延伸,尤其是在20—40 cm土层根系干重、根长和根表面积明显增加,有利于根系对深层土壤养分的吸收利用,进而提高玉米花后累积养分对籽粒的贡献率,增加产量。
  • 图 1  玉米生育期降水量及有效积温分布

    Figure 1.  Precipitation distribution and effective accumulative temperature in growth period of maize

    图 2  不同耕作方式下0—60 cm土层根系干重、总根长、总根表面积和根系平均直径

    Figure 2.  Root dry weight, total root length, total root surface area and root diameter of maize in 0–60 cm soil layer under different tillage modes

    表 1  不同耕作方式下玉米产量及构成因素

    Table 1.  Maize yield and its composition under different tillage modes

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    籽粒产量 (kg/hm2)
    Grain yield
    百粒重 (g)
    100-Kernel weight
    穗粒数
    Kernel per ear
    穗数 (No./hm2)
    Ear number
    2011T110554 b30.4 a476 a66429 a
    T211366 a31.4 a494 a68095 a
    T312112 a30.1 a496 a68571 a
    T4 9917 b30.7 a471 a66667 a
    2012T110808 b 35.1 ab505 b64762 a
    T211719 a35.9 a507 b65952 a
    T311432 a35.6 a525 a68095 a
    T4 9664 c34.0 b483 b60715 b
    注(Note): T1—浅灭茬后直接播种 Seeding following light stubble; T2—苗带深松后镇压 Deep loosening and compaction in seedling belts; T3—行间深松且苗带镇压 Deep loosening between rows and compaction in seedling belts; T4—苗带行间全部深松 Deep loosening in both intra- and inter-seedling rows; 同列数据后不同字母表示同一年处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 5% level in the same year.
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    表 2  不同耕作方式下不同生育期玉米植株体内干物质及养分累积量 (g/plant)

    Table 2.  Amount of dry matter and NPK accumulation in maize plants at different growth stages underdifferent tillage modes

    处理
    Treatment
    干物质Dry matterNPK
    V6V6~VTVT~R6V6V6~VTVT~R6V6V6~VTVT~R6V6V6~VTVT~R6
    T1 8.53 b166.4 b193.1 b0.36 a1.90 b1.54 b0.03 a0.39 a0.25 b0.26 a1.40 b0.14 b
    T2 9.93 b169.7 b 228.5 ab0.39 a2.15 a 1.70 ab0.04 a0.39 a0.31 a0.29 a 1.43 ab0.34 a
    T3 12.40 a190.8 a266.9 a0.41 a2.19 a1.83 a0.04 a0.40 a0.35 a0.31 a1.48 a0.31 a
    T4 7.98 b165.0 b171.1 b0.35 a1.88 b1.51 b0.04 a0.34 b0.27 b0.27 a1.36 b0.15 b
    注(Note):V6—6 展叶期 6-leaf stage; VT—吐丝期 Silking stage; R6—生理成熟期 Maturity stage. T1—浅灭茬后直接播种 Seeding following light stubble; T2—苗带深松后镇压 Deep loosening and compaction in seedling belts; T3—行间深松且苗带镇压 Deep loosening between rows and compaction in seedling belts; T4—苗带行间全部深松 Deep loosening in both intra- and inter-seedling rows; 同列数据后不同字母代表处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in column indicate significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 3  不同耕作方式下植株氮磷钾的转运及其对籽粒的贡献率

    Table 3.  Transport of NPK and contribution rate to grain under different tillage modes

    处理
    Treatment
    转运量
    Translocation amount
    (g/plant)
    转运率
    Translocation efficiency
    (%)
    贡献率 Contribution rate (%)
    吐丝前 Pre-silking吐丝后 Post-silking
    NPKNPKNPKNPK
    T10.96 a0.23 a0.49 a42.40 b53.88 a27.22 a40.02 a50.40 a90.74 a 59.98 ab49.60 c 9.26 c
    T20.96 a0.21 a0.48 a37.86 c48.87 b23.30 b37.88 b42.03 b84.21 b62.12 a 57.97 ab 15.79 ab
    T31.13 a0.24 a0.51 a38.49 c40.58 b24.10 b39.77 b43.57 b83.14 b60.23 a66.35 a16.86 a
    T41.15 a0.21 a0.54 a51.59 a56.31 a29.93 a44.90 a46.70 a 87.35 ab55.10 b56.43 b12.65 b
    注(Note):T1—浅灭茬后直接播种 Seeding following light stubble; T2—苗带深松后镇压 Deep loosening and compaction in seedling belts; T3—行间深松且苗带镇压 Deep loosening between rows and compaction in seedling belts; T4—苗带行间全部深松 Deep loosening in both intra- and inter-seedling rows;同列数据后不同字母代表处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 4  不同耕作方式下玉米不同生育期根系形态特征

    Table 4.  Morphological indices of maize root in different growth periods under different tillage modes

    生育时期
    Growth stage
    处理
    Treatment
    总根干重
    Total dry weigh
    (g/plant)
    总根长
    Total lengh
    (m/plant)
    根系表面积
    Total surface area
    (cm2/plant)
    根系平均直径
    Average root diameter
    (mm)
    V6T12.15 b43.0 b716.0 b0.46 b
    T22.50 a53.6 a864.1 a0.55 a
    T32.53 a55.9 a919.8 a0.58 a
    T4 2.33 ab 51.4 ab 789.6 ab 0.51 ab
    VTT112.20 c 143.2 c 2873 c 0.49 b
    T213.40 ab166.3 ab3638 ab 0.56 a
    T314.70 a 182.4 a 3972 a 0.61 a
    T412.70 c 150.7 b 3477 b 0.55 ab
    R6T18.96 b125.2 c 2081 c 0.52 b
    T210.30 a 157.6 ab2496 ab 0.58 ab
    T311.00 a 166.6 a 2721 a 0.61 a
    T49.48 b141.9 b 2398 b 0.55 ab
    注(Note):V6—6 展叶期 6-leaf stage;VT—吐丝期 Silking stage; R6—生理成熟期 Maturity stage. T1—浅灭茬后直接播种 Seeding following light stubble; T2—苗带深松后镇压 Deep loosening and compaction in seedling belts; T3—行间深松且苗带镇压 Deep loosening between rows and compaction in seedling belts; T4—苗带行间全部深松 Deep loosening in both intra- and inter-seedling rows; 同列数据后不同字母代表同一生育期处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 5% level in the same growth stage.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-14
  • 网络出版日期:  2020-06-16
  • 刊出日期:  2020-05-01

不同耕作方式对玉米根系特性及养分吸收转运的影响

    作者简介:展文洁 E-mail:17854266737@163.com
    通讯作者: 蔡红光, caihongguang1981@163.com
    通讯作者: 任军, renjun557@163.com
  • 1. 吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部东北植物营养与农业环境重点实验室,吉林长春 130033
  • 2. 吉林农业大学,吉林长春 130118
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFD0300602);吉林省科技厅重点研发项目(20180201077NY);国家现代农业产业技术体系(CARS-07-G-6);吉林省农业科技创新工程(CXGC2017ZD001)。
  • 摘要:   【目的】  耕作方式影响玉米根系的生长发育及养分吸收,比较东北中部雨养区不同耕作制度下玉米根系生长和养分吸收特征,为建立合理的耕作方式提供理论依据和技术支撑。  【方法】  2011―2012年,在吉林省连续进行了2年的田间定位试验,设置4种耕作方式:浅灭茬后直接播种 (对照,T1),苗带深松后镇压 (T2),行间深松且苗带镇压 (T3),苗带行间全部深松 (T4)。在6展叶期、吐丝期和生理成熟期,取0—60 cm土层的植株根系样品,分析玉米产量、养分吸收转运及根系生长发育特征。  【结果】  不同耕作方式下玉米产量差异显著 (P < 0.05),两年平均值表现为T3 > T2 > T1 > T4,T2处理和T3处理的产量分别比T1处理增加8.1%和10.2%。与T1处理相比,T2和T3处理均增加了玉米吐丝后氮磷钾养分累积量,吐丝后累积养分对籽粒的贡献率显著增加 (P < 0.05)。T2和T3处理下的氮、磷、钾累积量对籽粒的贡献率分别比T1处理增加了0.4%~3.6%、16.9%~33.8%、70.5%~82.1%,T3处理增幅高于T2处理。T2和T3处理显著增加了玉米各生育期的总根干重、总根长和总根表面积 (P < 0.05),其中,6展叶期至成熟期,总根干重、总根长、总根表面积的增幅分别为9.8%~22.8%、16.1%~33.1%、19.9%~38.2%。T2和T3处理在各土壤剖面的根系形态均优于T1处理,其中以T2处理最佳,且在20—40 cm土层间差异最为显著 (P < 0.05)。与T1处理相比,T3处理下各生育时期在20—40 cm土层的根干重、根长、根表面积平均增幅为34.1%、48.3%、47.8%,根直径平均增幅为22.1%。  【结论】  与浅灭茬后直接播种相比,苗带行间全部深松不利于根系发育,而行间深松且苗带镇压方式促进了根系的生长发育和纵向延伸,尤其是在20—40 cm土层根系干重、根长和根表面积明显增加,有利于根系对深层土壤养分的吸收利用,进而提高玉米花后累积养分对籽粒的贡献率,增加产量。

    English Abstract

    • 耕作方式作为农业生产中的重要角色,对玉米的生长发育有着极为重要的影响[1],是改善耕层土壤质量、提高玉米产量的重要途径。我国东北地区在玉米种植技术上长期采用旋耕作业,导致土壤耕层变浅、犁底层增厚,造成土壤板结和土壤肥力下降等现象的产生,从而影响根系的生长发育,降低植株对养分的吸收能力,玉米产量潜力受到极大限制[2-4]

      耕层构建的核心是土壤耕作,目的是通过合理的耕作措施改善土壤环境。孔德军等[5]、宫秀杰等[6]认为合理的耕作技术如深松作业能通过打破犁底层来恢复土壤结构,提高土壤含水量[7],进而形成适宜农作物生长的土体结构,促进作物根系的生长发育和植株对土壤养分的吸收累积[8-10],保证作物持续高产、稳产[11-13]。前人在耕作方式上做了大量研究,迟仁立等[14]首次提出虚实并存耕层构建的概念,并在养分循环等方面初步阐明了提高产量的机理;王立春等[15]在黑土区提出了松紧兼备的合理耕作方式;白伟等[16]和齐华等[17]研究进一步证明合理的耕作方式可提高作物地上部生物量和产量。

      前人围绕耕作方式开展了关于玉米地上部生长及产量、单一养分吸收和水分利用效率等相关研究,但围绕土壤–根系–作物体系开展较为系统性的研究较少[14-17]。本研究在大田条件下,利用现行的农业生产机具,通过两年田间定位试验,真实模拟不同耕作方式,从产量、根系形态、群体养分吸收与转运等方面进行系统分析,为东北中部雨养农业区选择合理的耕作方式提供理论依据和技术支撑。

      • 试验于2011―2012年在吉林省公主岭市的吉林省农业科学院试验田 (43°52′58″N、124°82′49″E) 进行。试验田为玉米连作,玉米生育期平均气温为19.6℃左右,无霜期125~140天,有效积温2600℃~3000℃,总日照时数1220 h左右。供试土壤为黑土,0—20 cm耕层土壤基础肥力状况:有机质16.2 g/kg、碱解氮180 mg/kg、有效磷20.8 mg/kg、速效钾149 mg/kg、pH5.5。试验区2011和2012年玉米生育期总降水量分别为320.6 和595.5 mm (图1)。

        图  1  玉米生育期降水量及有效积温分布

        Figure 1.  Precipitation distribution and effective accumulative temperature in growth period of maize

      • 依托常规耕作机具,设计4种田间耕作方式,分别为浅灭茬后直接播种 (T1)、苗带深松后镇压 (T2)、行间深松且苗带镇压 (T3)、苗带行间全部深松 (T4)。所有处理均在上一年秋收后统一灭茬,翌年播种前用深松铲进行深松,深松25 cm;采用1YM型苗带镇压器镇压苗带 (镇压强度为600 g/cm2)。4个处理均施氮195 kg/hm2、磷 (P2O5) 75 kg/hm2、钾 (K2O) 82.5 kg/hm2。磷肥为磷酸二铵 (含N 18%、P2O5 46%),钾肥为氯化钾 (含K2O 60%),均一次性基施。氮肥为尿素 (含N 46%),30%基施,70%在玉米6展叶期追施。每个处理3次重复,随机区组排列。小区面积70 m2 (7 m × 10 m),行距70 cm,等行距种植。供试玉米品种为郑单958,种植密度70000株/hm2。其它田间管理同一般大田。

      • 在玉米播种前采集0—20 cm耕层土壤样品测定土壤基础理化性状。2011年在成熟期对植株地上部和根系进行取样;2012年分别在6展叶期 (V6)、吐丝期 (VT)、生理成熟期 (R6) 3个时期对植株地上部和根系取样。每个小区选取有代表性的植株3株,成熟期选取5株。地上部植株按照茎、叶、籽粒、穗轴4部分分开,烘干称重后粉碎,测定各器官氮、磷、钾含量。其中全氮含量采用凯氏定氮法测定,全磷含量采用钼锑抗比色法测定,全钾含量采用火焰光度计法测定。

        通过土壤剖面挖掘获取根系样品,具体如下:沿垂直于垄的方向,每个小区以植株为中心,范围为1/2行距 (30 cm) × 1/2株距 (10 cm),挖掘深度为60 cm土体 (V6时期根系样品采集深度为40 cm土体) 的根系,共2株,每10 cm为一层 (吐丝期40—60 cm为一层),由取根刀切断。每层土体中的所有可见根系由人工挑出,将根系上附着的土和杂质去除,用清水冲洗干净。用扫描仪 (Epson V700) 扫描后获得根系图片,利用WinRhizoPro 5.0软件分析 (Pro2004b,Canada) 获得根长、根表面积、根系平均直径等指标,将根系烘干后测定根系干重。

      • 数据采用Excel和Origin 8.5进行整理分析与绘图制作,采用SAS 8.0软件进行多重比较 (LSD法)。

      • 表1可以看出,与T1处理相比,2011年T2和T3处理产量均显著增加,T4处理没有显著变化;2012年,T2与T3处理产量显著高于T1处理,T4处理则显著低于T1处理。从两年平均值来看,T2和T3处理的产量分别比T1处理增加8.1%和10.2%,从产量构成因素来看,2011年各处理间产量构成因素没有显著差异。而在2012年,T2处理与T1处理没有显著差异,T3处理主要是穗粒数显著高于其他三个处理,苗带行间全部深松处理百粒重和收获穗数均显著低于行间深松且苗带镇压处理 (P < 0.05)。

        表 1  不同耕作方式下玉米产量及构成因素

        Table 1.  Maize yield and its composition under different tillage modes

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        籽粒产量 (kg/hm2)
        Grain yield
        百粒重 (g)
        100-Kernel weight
        穗粒数
        Kernel per ear
        穗数 (No./hm2)
        Ear number
        2011T110554 b30.4 a476 a66429 a
        T211366 a31.4 a494 a68095 a
        T312112 a30.1 a496 a68571 a
        T4 9917 b30.7 a471 a66667 a
        2012T110808 b 35.1 ab505 b64762 a
        T211719 a35.9 a507 b65952 a
        T311432 a35.6 a525 a68095 a
        T4 9664 c34.0 b483 b60715 b
        注(Note): T1—浅灭茬后直接播种 Seeding following light stubble; T2—苗带深松后镇压 Deep loosening and compaction in seedling belts; T3—行间深松且苗带镇压 Deep loosening between rows and compaction in seedling belts; T4—苗带行间全部深松 Deep loosening in both intra- and inter-seedling rows; 同列数据后不同字母表示同一年处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 5% level in the same year.
      • 表2可以看出,6展叶期的玉米干物质量差异显著,与T1相比,T2处理和T3处理增幅为16.4%和45.4%。T2和T3处理在6展叶期至吐丝期的氮磷钾累积量无显著差异;随着生育进程的推进各养分累积量差距增大,吐丝期至成熟期,与T1处理相比,T4处理的养分累积量均无明显变化 (P > 0.05),而T2和T3处理的氮素累积量增幅分别为10.4%和18.8%,磷素累积量增幅分别为24.0%和40.0%,钾素累积量增幅分别为142.9%和121.4%,表明T2和T3处理可使玉米生育后期保持较高的氮、磷、钾累积速率,显著提高吐丝期至成熟期氮、磷、钾累积量 (表2)。

        表 2  不同耕作方式下不同生育期玉米植株体内干物质及养分累积量 (g/plant)

        Table 2.  Amount of dry matter and NPK accumulation in maize plants at different growth stages underdifferent tillage modes

        处理
        Treatment
        干物质Dry matterNPK
        V6V6~VTVT~R6V6V6~VTVT~R6V6V6~VTVT~R6V6V6~VTVT~R6
        T1 8.53 b166.4 b193.1 b0.36 a1.90 b1.54 b0.03 a0.39 a0.25 b0.26 a1.40 b0.14 b
        T2 9.93 b169.7 b 228.5 ab0.39 a2.15 a 1.70 ab0.04 a0.39 a0.31 a0.29 a 1.43 ab0.34 a
        T3 12.40 a190.8 a266.9 a0.41 a2.19 a1.83 a0.04 a0.40 a0.35 a0.31 a1.48 a0.31 a
        T4 7.98 b165.0 b171.1 b0.35 a1.88 b1.51 b0.04 a0.34 b0.27 b0.27 a1.36 b0.15 b
        注(Note):V6—6 展叶期 6-leaf stage; VT—吐丝期 Silking stage; R6—生理成熟期 Maturity stage. T1—浅灭茬后直接播种 Seeding following light stubble; T2—苗带深松后镇压 Deep loosening and compaction in seedling belts; T3—行间深松且苗带镇压 Deep loosening between rows and compaction in seedling belts; T4—苗带行间全部深松 Deep loosening in both intra- and inter-seedling rows; 同列数据后不同字母代表处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in column indicate significant difference among treatments at the 5% level.

        表3可知,不同耕作方式对养分转运率、籽粒贡献率有显著影响 (P < 0.05)。各处理间氮、磷、钾转运量无显著差异,而苗带深松后镇压处理和行间深松且苗带镇压处理的氮、磷、钾转运率均明显低于浅灭茬后直接播种处理和苗带行间全部深松处理 (P < 0.05)。与T1处理相比,T2处理和T3处理的氮、磷、钾转运率平均降幅分别为10.0%、17.0%和12.9%,吐丝前的籽粒贡献率平均降幅分别为3.0%、15.1%和7.8%。与T1处理相比,T2和T3处理吐丝后吸收氮磷钾的籽粒贡献率增幅为0.4%~3.6%、16.9%~33.8%、70.5%~82.1%;T4处理吐丝后氮素对籽粒的贡献率降低了8.1%,而磷和钾对籽粒的贡献率增加13.8%~36.6%。表明T2处理和T3处理主要通过增加植株吐丝后氮、磷、钾累积量来增加籽粒养分累积,但T4处理不利于植株吐丝后籽粒中氮素的累积。

        表 3  不同耕作方式下植株氮磷钾的转运及其对籽粒的贡献率

        Table 3.  Transport of NPK and contribution rate to grain under different tillage modes

        处理
        Treatment
        转运量
        Translocation amount
        (g/plant)
        转运率
        Translocation efficiency
        (%)
        贡献率 Contribution rate (%)
        吐丝前 Pre-silking吐丝后 Post-silking
        NPKNPKNPKNPK
        T10.96 a0.23 a0.49 a42.40 b53.88 a27.22 a40.02 a50.40 a90.74 a 59.98 ab49.60 c 9.26 c
        T20.96 a0.21 a0.48 a37.86 c48.87 b23.30 b37.88 b42.03 b84.21 b62.12 a 57.97 ab 15.79 ab
        T31.13 a0.24 a0.51 a38.49 c40.58 b24.10 b39.77 b43.57 b83.14 b60.23 a66.35 a16.86 a
        T41.15 a0.21 a0.54 a51.59 a56.31 a29.93 a44.90 a46.70 a 87.35 ab55.10 b56.43 b12.65 b
        注(Note):T1—浅灭茬后直接播种 Seeding following light stubble; T2—苗带深松后镇压 Deep loosening and compaction in seedling belts; T3—行间深松且苗带镇压 Deep loosening between rows and compaction in seedling belts; T4—苗带行间全部深松 Deep loosening in both intra- and inter-seedling rows;同列数据后不同字母代表处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 5% level.
      • 表4中可以看出,随着生育进程的推进,玉米的总根干重、总根长和总根表面积均呈先增加后降低的单峰曲线变化,且在开花期达到最大值;根系平均直径总体变化不明显。6展叶期,T2处理和T3处理根系干重显著高于浅灭茬后直接播种处理 (P < 0.05),T2和T3处理分别比T1处理增加16.3%和17.7%,比T4处理增加7.2%和8.6%。在吐丝期,与T1处理相比,T2处理和T3处理增幅分别为9.8%和20.5%,差异显著 (P < 0.05)。在成熟期,T2和T3处理根系干重显著高于T1处理和T4处理 (P < 0.05),分别比T1处理增加15.0%和22.8%,比T4处理增加8.6%和16.0%。其它处理间差异不显著 (P > 0.05)。

        表 4  不同耕作方式下玉米不同生育期根系形态特征

        Table 4.  Morphological indices of maize root in different growth periods under different tillage modes

        生育时期
        Growth stage
        处理
        Treatment
        总根干重
        Total dry weigh
        (g/plant)
        总根长
        Total lengh
        (m/plant)
        根系表面积
        Total surface area
        (cm2/plant)
        根系平均直径
        Average root diameter
        (mm)
        V6T12.15 b43.0 b716.0 b0.46 b
        T22.50 a53.6 a864.1 a0.55 a
        T32.53 a55.9 a919.8 a0.58 a
        T4 2.33 ab 51.4 ab 789.6 ab 0.51 ab
        VTT112.20 c 143.2 c 2873 c 0.49 b
        T213.40 ab166.3 ab3638 ab 0.56 a
        T314.70 a 182.4 a 3972 a 0.61 a
        T412.70 c 150.7 b 3477 b 0.55 ab
        R6T18.96 b125.2 c 2081 c 0.52 b
        T210.30 a 157.6 ab2496 ab 0.58 ab
        T311.00 a 166.6 a 2721 a 0.61 a
        T49.48 b141.9 b 2398 b 0.55 ab
        注(Note):V6—6 展叶期 6-leaf stage;VT—吐丝期 Silking stage; R6—生理成熟期 Maturity stage. T1—浅灭茬后直接播种 Seeding following light stubble; T2—苗带深松后镇压 Deep loosening and compaction in seedling belts; T3—行间深松且苗带镇压 Deep loosening between rows and compaction in seedling belts; T4—苗带行间全部深松 Deep loosening in both intra- and inter-seedling rows; 同列数据后不同字母代表同一生育期处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 5% level in the same growth stage.

        T2处理、T3处理在不同生育期的根长和根表面积显著高于T1处理 (P < 0.05),其中T3处理的增幅最高。在6展叶期,T2处理、T3处理、T4处理的根长和根表面积分别比T1处理增加19.5%~30.0%和10.3%~28.5%;在吐丝期,T2处理和T3处理的根长和根表面积的增幅分别为16.1%~27.4%和26.6%~38.3%。在成熟期,T2、T3、T4处理的根长和根表面积增幅分别为13.3%~33.1%和15.2%~30.8%。与T1处理相比,T2处理增加了6展叶期和吐丝期的根系平均直径,增幅为14.3%~19.6%,T3处理明显增加了各生育期的根系平均直径 (P < 0.05),增幅均 > 17.3%,其它处理间差异不明显 (P > 0.05)。这表明3种深松处理均有利于玉米总根长和总根表面积的增加,但只有行间深松且苗带镇压的耕作方式有利于玉米根系平均直径的增加,其它耕作方式对玉米根系平均直径无显著影响 (表4)。

      • 从玉米根系干重的空间分布来看 (图2),随着土层深度的增加,0—60 cm土层根系干重呈下降趋势。3个生育期不同耕作方式下,0—60 cm土层的根系干重均表现为T3处理 > T2处理 > T4处理 > T1处理。与T1处理相比,6展叶期T2、T3处理均显著增加了20—30、30—40 cm土层的根系干重 (P < 0.05),两个土层苗带深松后镇压处理的增幅分别为12.5%和23.5%,T3处理增幅分别为31.3%和41.2%,T1和T4处理间差异不显著 (P > 0.05);吐丝期T2、T3处理显著增加了10—50 cm土层的根系干重 (P < 0.05),T2处理的增幅为18.9%~35.6%,T3处理增幅为35.1%~46.5%,T4处理显著增加了20—30、30—40 cm土层的根系干重 (P < 0.05),增幅分别为14.5%和25.6%,其它土层间差异不显著;成熟期T2处理在10—40 cm土层的根系干重显著增长了15.2%~37.6%,T3处理在10—60 cm土层的根系干重增幅为19.0%~69.9% (P < 0.05),T4处理在10—20、20—30、50—60 cm土层的根系干重明显高于T1处理,增幅分别为17.7%、19.8%和24.3%。综合来看,苗带深松后镇压处理、行间深松且苗带镇压处理和苗带行间全部深松处理均明显增加了20—40 cm土层的根系干重,这表明深松有利于根系干物质积累。

        图  2  不同耕作方式下0—60 cm土层根系干重、总根长、总根表面积和根系平均直径

        Figure 2.  Root dry weight, total root length, total root surface area and root diameter of maize in 0–60 cm soil layer under different tillage modes

        从不同耕作方式下玉米根系形态的空间分布特征来看 (图2),随着土层深度的增加,玉米根长、根表面积和根系平均直径均呈下降趋势。在不同生育时期,不同耕作方式0—60 cm土层的根长和根表面积均表现为T3处理 > T2处理 > T4处理 > T1处理,根系平均直径表现为T3处理 > T2处理 > T4处理 ≥ T1处理。在6展叶期,T2处理和T3处理在0—40 cm土层的根长、根表面积,0—20 cm的根系平均直径均明显高于T1处理 (P < 0.05),其中T2处理的根长增幅为20.7%~54.1%,根表面积增幅为16.7%~25.0%;T3处理的根长增幅为27.4%~44.8%,根表面积增幅为26.3%~50.3%。6展叶期T2处理和T3处理在0—20 cm土层的根系平均直径明显高于T1处理 (P < 0.05),其中0—10 cm土层增幅为24.6%~35.6%,10—20 cm土层增幅为16.0%~16.3%,其它土层间差异不显著。吐丝期,与T1处理相比,T2处理和T3处理20—50 cm土层的根长和根表面积增幅显著 (P < 0.05),T2处理和T3处理的根长增幅分别为22.0%~35.7%、41.3%~46.6%,根表面积增幅分别为33.6%~46.0%、44.2%~68.6%;T3处理、T4处理、T1处理的各土层根长未达显著性差异 (P > 0.05),而T4处理的根表面积在0—40 cm土层增幅为13.1%~25.2%,差异显著 (P < 0.05)。与T1处理相比,T2处理和T3处理在0—20 cm土层的根系平均直径明显增加 (P < 0.05),T2处理和T3处理在0—10 cm土层增幅为19.4%和30.9%,10—20 cm土层增幅为16.9%和21.9%。其它处理间各土层差异不显著 (P > 0.05)。成熟期,T1处理在0—40 cm土层的根长和根表面积显著低于其它处理 (P < 0.05),T2处理、T3处理、T4处理在0—10、10—20、20—30、30—40 cm土层的根长增幅为8.6%~22.8%、19.2%~30.5%、18.0%~65.4%和7.5%~62.8%,根表面积增幅为12.6%~29.3%、10.3%~25.2%、20.2%~41.7%和24.6%~43.6%。与T1处理相比,T3处理在0—10、10—20和20—30 cm土层根系平均直径差异显著 (P < 0.05),增幅均 > 15.9%,其它处理间的根系平均直径差异不显著 (P > 0.05)。

      • 本研究通过设置4种不同耕作方式,系统研究了耕作方式对玉米养分转运特征及根系形态建成的影响。研究表明,适宜的耕作技术可以改善土壤环境质量[18-19],提高土壤养分的有效性[20],为作物生长创造良好的条件[21],使作物获得较高的产量[7,22]。本研究中,2011和2012年,苗带深松后镇压和行间深松且苗带镇压两种耕作方式均增加了玉米产量和地上部生物量,两年均以行间深松且苗带镇压处理的增幅最高,进一步证明适宜的耕作方式有利于玉米产量的提高。比较吐丝后养分积累量可以看出,苗带深松后镇压和行间深松且苗带镇压两种耕作方式均使春玉米生育后期保持较高的氮、磷、钾累积速率,显著提高吐丝期至成熟期氮、磷、钾累积量。这说明适宜的耕作方式可为作物供应充足的养分,利于春玉米对土壤养分的吸收,进而促进春玉米花后养分的积累,这与王玉雯等[23]和李亭亭[24]的研究结果较为一致。通过合理的耕作方式可以提高磷肥的当季利用效率,显著提高肥料偏生产力[25]。本研究中,行间深松且苗带镇压处理下肥料偏生产力(籽粒产量/施肥量)较浅灭茬后直接播种处理增加10.2%。

        合理的耕作方式可优化土壤生态环境,为根系生长提供有利条件[26]。本研究中,玉米根系干重、根长和根表面积随着生育期的推进表现为先增加后降低的变化趋势,在吐丝期达到最大值,这说明玉米根系在进入生殖生长阶段后即开始进入衰老期[27]。而合理的耕作方式可通过促进根系的生长与下扎来促进其对深层土壤养分的吸收[28-29],继而延缓根系衰老,为作物高产、稳产奠定物质基础[30-31]。相关分析表明,在整个玉米根系建成过程中,根系各形态指标中以根长与产量、生物量和肥料偏生产力等相关性最高。本研究中,苗带深松后镇压和行间深松且苗带镇压两种耕作方式均有利于根系的生长发育。从不同生育时期的根系形态特征来看,两处理均增加了各生育时期的玉米总根干重、总根长和总根表面积,各指标增幅为7.3%~33.1%;从根系形态空间分布特征来看,根干重、根长、根表面积在20—40 cm土层的增加明显,增幅均在8.8%以上。需要指出的是,当苗带和行间全部深松处理 (T4) 后,其根系形态虽然也得到了优化,但产量并未增加,且与浅灭茬后直接播种处理 (T1) 相比较,两年间均有减少趋势。综合分析发现,苗带行间全部深松处理 (T4) 下吐丝后磷和钾对籽粒的贡献率分别增加了13.8%和36.6%,但其氮素对籽粒的贡献率减少8.1%,而吐丝后氮素积累的增加是产量提高的主要原因[32],此外,全松的耕层也易造成玉米植株散粉期过长,授粉不良[15],从而影响产量。这也表明在东北中部春玉米区,播种后重镇压是一项非常重要的栽培技术措施。

      • 与浅灭茬后直接播种相比,行间深松且苗带镇压处理明显增加了各生育期玉米总根干重、总根长、总根表面积和根系平均直径,增幅为17.3%~38.3%,其中以20—40 cm土层的各根系形态指标改善最为显著,平均增幅达38.1%,促进了根系的生长发育和纵向延伸,利于根系对深层土壤养分的吸收利用,进而提高了玉米吐丝后累积养分对籽粒的贡献率,达到增加籽粒产量的效果。综上,建议东北中部雨养区采取行间深松且苗带镇压的耕作方式。

    参考文献 (32)

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