尹宝重¹, 甄文超^1,*, 冯悦^2
1河北农业大学植物保护学院 / 河北省作物生长调控重点实验室, 河北保定 071001

²河北省信息工程学校, 河北保定 071001

^* 通讯作者(Corresponding author): 甄文超, E-mail: wenchao@hebau.edu.cn, Tel: 0312-7528158 收稿日期:2015-02-06 基金:本研究由国家“十二五”科技支撑计划项目“粮食丰产科技工程”(2011BAD16B08, 2012BAD04B06, 2013BAD07B05)资助

摘要于2012—2013年在河北省农林科学院旱作农业研究所深州试验站, 以郑单958为供试品种, 设置夏玉米深松播种和免耕播种两个处理, 从玉米出苗开始, 根据生育进程定期观察玉米根系形态、生理指标及微观结构、玉米冠层光合特性和叶面积指数, 成熟期测定产量, 计算水分利用效率和2 m土体水分储蓄情况。结果表明, 0~60 cm土层, 深松播种处理可提高玉米根系干物质积累、表面积、根长和活跃吸收面积比例, 全生育期分别比免耕播种处理提高30.5%、24.6%、29.7%和56.3%。0~60 cm土层, 深松播种处理玉米根系脯氨酸含量、硝酸还原酶活性和根系活力分别比免耕处理高140.0%、37.0%和36.5%。全生育期, 深松播种处理根系伤流液总量比免耕播种处理提高15.2%。0~40 cm土层, 深松播种处理单根和整株根系导水率分别提高15.8%和17.0%。0~40 cm土层, 深松播种处理玉米根系中柱导管直径增大, 中柱鞘细胞壁及中柱内薄壁细胞的细胞壁增厚栓化, 髓细胞数量增多但整体在髓腔横切面积中所占比例偏小, 后生木质部导管直径增大、数量增多, 皮层厚度降低; 0~20 cm土层, 深松播种处理根系皮层中部细胞虽也较大但层数较少, 相当于免耕处理的86.2%。深松播种处理可提高玉米叶面积指数, 全生育期平均比免耕处理高12.5%; 深松播种处理还可提高叶片光合速率和光合势。深松播种处理玉米籽粒灌浆速率全生育期平均比免耕播种处理高5.0%。与免耕处理相比, 深松播种处理2年平均穗粒数、千粒重和产量分别比免耕播种处理提高2.4%、3.9%和8.2%, 耗水量降低9.1%, 产量和水分利用效率分别比免耕处理高8.2%和14.4%, 2 m土体贮水量提高31.7%。

关键词:海河低平原; 深松播种; 夏玉米; 根系; 生理生态; 节水增产效应
Effects of Subsoiling-Seeding on Root Physiological Indices, Water-Saving and Yield-Increasing Behaviors in Summer Maize ( Zea mays L.) in Haihe Lowland Plain of China
YIN Bao-Zhong¹, ZHEN Wen-Chao^1,*, FENG Yue^2
1 College of Plant Protection, Agricultural University of Hebei / Key Laboratory of Crop Growth Regulation of Hebei Province, Baoding 071001, China

² Information Engineering School of Hebei Province, Baoding 071001, China


AbstractThe study was carried out in Shenzhou Experimental Station, Arid Farming Research Institute, Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences in 2012-2013. The maize variety Zhengdan 958 was used in this experiment with two treatments including sub-soiling seeding (SRT) and no-tillage seeding (NT). From seedling emergence to maturity, the root morphology, physiological parameters and microstructure, canopy photosynthetic characteristics, and leaf area index were regularly measured. At maturity, the yields and the water use efficiency and water storage in 2 m soil layer were investigated. The results showed that SRT increased the root dry mass, surface area, length and active absoiling area ratio in 0-60 cm soil layer, with the increase of 30.5%, 24.6%, 29.7%, and 56.3%, respectively, in comparison with NT. In addition, SRT also increased the proline content, nitrate reductase activity and activity of roots compared with NT in this soil layer, with the increase of 140.0%, 37.0%, and 36.5%, respectively. The total root bleeding sap in SRT increased by 15.2% compared with NT in the whole growth stage. In 0-40 cm soil layer, the hydraulic conductivity in single root and the roots per plant around whole growth stage in SRT increased by 15.8% and 17.0% respectively, in comparison with NT. In SRT, the diameter of stele vessel was increased, cell walls of pericycle and stele parenchyma were thickened, and the number of pith cells were increased, but its section area ratio in stale decreased compared with NT. Moreover, the numbers and diameter of xylem vessel in SRT increased, but the cortical thickness in roots decreased. In 0-20 cm soil layer, although the middle cortical cells of root in SRT were larger than those of NT, but there number was only 86.2% of NT. SRT also increased the LAI and photosynthetic rate. The grain-filling rate in SRT treatment was also increased, with 5.0% higher than in NT. In two growth seasons, compared with NT, the spike kernels, 1000-grain weight, and yield in SRT treatment were increased by 2.4%, 3.9%, and 8.2%, respectively, whereas the water consumption was reduced by 9.1%, the water use efficiency was increased by 14.4%, and the water storage amount in 2 m soil layer was increased by 31.7%.

Keyword:Haihe Lowland Plain; Subsoiling-seeding; Summer maize; Root; Physiological ecology; Water-saving and yield-increasing effect
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土壤是作物生长发育的载体, 土壤的水、肥、气、热等因子会影响作物根系对于水分、养分的吸收, 进而影响地上部生长和产量^[1]。因此, 通过耕作措施调控土壤物理结构, 为根系生长提供更有利的环境, 促进作物地下部和地上部协调发展, 已经成为作物高产栽培的重要途径^{[2, 3]}。海河低平原, 又称黑龙港平原, 是海河平原的重要组成部分, 位于太行山山前平原和滨海平原的过渡地带。该区以冬小麦-夏玉米两熟连作为主, 夏玉米播种面积和产量分别为100万公顷和518万吨^[4]。多年来, 由于光热资源有限, 为最大限度利用农时, 海河低平原夏玉米播种采用免耕技术。虽然免耕播种玉米可节约农时和成本, 但连年免耕, 使耕层变浅, 不利于水分入渗和作物根系下扎, 抑制根系生长^{[5, 6, 7]}。邱红波等^[8]研究表明, 免耕栽培玉米根系表面积、根长、体积、根尖数均显著低于翻耕栽培; 梁建斌等^[9]研究也表明免耕栽培玉米根系的生物量、体积等都低于翻耕玉米根系。彭文英^[10]报道, 免耕处理土壤强度和穿透阻力更大, 不仅影响作物出苗, 还使土壤导水性能降低。但Huang等^[5]、Toyakawa等^[11]、Fernandez等^[12]则报道免耕处理可维持土壤结构稳定性, 有利于微生物增殖, 减少土壤水蚀和风蚀, 并有利于水分保蓄。虽然对免耕作用的认识不尽相同, 但目前多数研究倾向于连年免耕弊大于利。因此, 寻求一种既能更有利于根系生长发育, 又能增加土壤对降雨和灌水储蓄, 及保持土壤结构稳定的耕作方式, 势在必行。
“ 深松” 也属于保护性耕作技术, 可有效打破土壤犁底层, 且避免耕层混乱。深松还可降低土壤容重, 增强土壤的保水能力^[13]。目前, 深松技术主要是在小麦、棉花、大豆等作物中应用, 而对玉米深松播种效果、在不同生态类型区的适应性, 以及深松播种对玉米根系时空分布特征、地下部与地上部协调生长、产量形成、土壤水肥储蓄与供应能力的影响等问题还缺乏系统研究。本研究以“ 玉米深松全层施肥精量播种机” 为供试机械, 该机集深松和播种为一体, 可一次性完成深松、施肥、播种、镇压等工序。利用该机具从深松一体化播种对玉米根系时空分布、生理生态指标和微观结构差异, 叶片光合特性、产量和水分利用等角度切入研究, 旨在明确深松一体化播种在海河低平原区夏玉米生产上的适用性及相关作用机理, 为构建本区一年两熟种植模式下玉米高产耕作技术体系提供参考。同时进一步全面评价该型播种机的大田应用效果, 为其进一步改进和推广提供依据。
1 材料与方法1.1 试验设置试验于2012— 2013年在河北省农林科学院旱作农业研究所深州试验站(38.01° N、115.32° E)进行, 该站地处海河低平原区中部。试验设深松播种一体化(SRT)和免耕播种(NT) 2个处理。深松播种采用2BMSQFY-4玉米深松全层施肥精量播种机(河北农哈哈机械集团有限公司生产)。作业为条带深松, 深松沟之间宽度60 cm, 深松沟深度25 cm, 播种深度4 cm; 免耕播种采用2BQF-5系列玉米气吸式精量免耕播种机(唐山永发鸿田农机制造有限公司生产), 播种深度5 cm, 行距60 cm。每处理4次重复, 每重复1个小区, 小区面积13 m× 8 m。前茬作物为冬小麦, 2年均于6月14日播种, 供试玉米品种为郑单958, 种植密度67 500株 hm^-2。2012年玉米播后浇蒙头水525 m³ hm^-2, 其他生育期无灌溉。试验区2012年和2013年玉米季降雨量分别为509.5 mm和510.2 mm。随播种一次性施入腐植酸复合肥(氮、磷、钾比例为16∶ 16∶ 8) 1050 kg hm^-2、钾肥(KCl)150 kg hm^-2。其中, SRT处理为分层施肥, 肥料在距离地面10~25 cm深度范围内均匀分布, 位于播种行内; NT处理肥料施用深度距离地面为10 cm, 位于播种行内。
1.2 试验方法于玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、乳熟期、完熟期, 采用“ 长方形样方分层取样” 法: 选取长势均匀的连续的同行植株3株, 长宽各向外延伸1/2株距长度, 分层(0~20 cm; 20~40 cm; 40~60 cm)取根系。将根系清洗、去杂后, 用WinRHIZO根系分析系统分析根系表面积、根长。将扫描分析后的根系80℃烘干至恒重, 计算干物质积累量。另取采集的根系, 采用甲烯蓝吸附法测定根系吸收面积; 采用容积法收集测定伤流液^[14]。采用TTC还原法测定根系活力, 采用茚三酮显色法测定根系游离脯氨酸含量; 采用磺胺比色法测定根系硝酸还原酶活性^[15]。采用压力室(3005型, 美国SEC公司生产)测定根系水导。Lpr = V× S^-1× P^-1× t^-1, 式中Lpr为根系水导(m s^-1 MPa^-1); V是t (秒)时间内通过测试根段水流总体积(m³); S为测试根段表面积(m²); P为达到出流稳态时的平衡压(即外界所加压力MPa)^[16]。于抽雄期, 取根系制作石蜡切片, 番红-固绿染色, 切片厚度10 µ m, 中性树胶封片, 用Olympus JONEC xs-212- 201型显微镜观察根系组织结构^[17]。
农田耗水量采用水量平衡法^[18]。ET_1-2=Δ S+ M+P₀+K, 式中ET_1-2为阶段耗水量(mm), Δ S为玉米生育期间土壤贮水变化量(mm), 即土壤贮水消耗量, M为时段内的灌水量(mm), P₀为有效降水量(mm), K为时段内的地下水补给量(mm)。当地下水埋深> 2.5 m时, K值可以不计(试验区地下水埋深5 m, K=0)。农田水分利用效率^[19]U_w=Y/ET, 式中ET为单位面积上的蒸散量(即农田耗水量, kg); Y是单位面积上收获的干物质重量(kg)。
分别于苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、乳熟期、完熟期, 测定叶面积指数、光合速率, 结合生育进程计算光合势。从每小区选生长均匀的玉米10株, 挂牌标记。从出苗后第15天开始, 根据生育进程定期测定叶面积。群体叶面积指数(LAI) = 单株叶面积× 单位土地面积内株数/单位土地面积^[20]。群体光合势LAD = (LA₂-LA₁) × (t₂-t₁), 式中LA₁、LA₂分别为时间t₁、t₂时单位土地面积上的叶面积^[21]。成熟期测产, 并计算农田水分利用效率和玉米季土壤储水增量。
1.3 数据统计方法采用DPS V7.05统计分析数据, 采用Tukey法多重比较, 用Microsoft Excel 2010软件作图。采用Cellsens Dimension软件测量并计算根系横截面切片数据。

2 结果与分析2.1 深松播种一体化对夏玉米根系分布的影响由图1可知, 0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层, 全生育期干物质积累深松播种处理分别比免耕播种处理高18.9%、22.0%和50.6% (图1-a, b)。深松播种处理根系表面积显著高于免耕播种处理, 全生育期中, 0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层, 分别高18.6%、19.2%和36.1%, 在生育前期2种处理差异大, 随生育期推进, 差异逐渐缩小, 3个土层表现一致(图1-c, d)。2种处理根系总长度变化趋势与根系表面积相似(图1-g, h)。深松播种处理可改变根系活跃吸收面积比例, 主要差异体现在20 cm以下土层, 生育后期差异更显著。在完熟期40~60 cm土层, 深松播种处理根系活跃吸收面积比免耕播种处理高109.2% (图1-e, f)。由上述结果可见, 深松播种处理使玉米根系表面积、长度显著增大, 为玉米营养生长时期水分和养分吸收奠定了良好基础; 同时, 深松播种处理玉米根系在生育后期保持较高根量和较大的活跃吸收面积, 说明深松播种可延缓玉米根系后期衰老, 这对保障根系高效吸收功能, 维持后期灌浆具有积极意义。
图1
Fig. 1

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	图1 不同处理夏玉米根系时空分布 SRT: 深松播种处理; NT: 免耕播种处理。Fig. 1 Spatial and temporal distribution of the summer maize root under different treatments SRT: subsoiling-seeding treatment; NT: no-tillage seeding treatment.

2.2 深松播种一体化对夏玉米根系抗逆生理指标及硝酸还原酶活性的影响2012年, 0~20 cm土层, 全生育期深松播种处理玉米根系脯氨酸含量均显著高于免耕处理, 平均为免耕播种处理的1.4倍。其中, 在抽雄期2种处理差异最大, 此时深松播种处理脯氨酸含量为108.6 μ g g^-1, 是免耕处理的2.2倍。其次, 在苗期和完熟期, 深松播种处理脯氨酸含量也分别比免耕处理高2.0倍和1.1倍。20~40 cm土层根系脯氨酸含量变化规律与0~20 cm土层相似, 但处理间差异较小(图2-a, b)。2013年, 2种处理根系脯氨酸含量差异主要在苗期和拔节期的0~20 cm土层, 尤其在苗期, 深松播种处理根系脯氨酸含量比免耕播种处理高156.9%。
深松播种处理可显著提高玉米根系活力, 全生育期各层根系活力比免耕播种处理平均提高36.5%, 其中20~40 cm层次, 根系活力提高最为显著, 全生育期平均比免耕播种处理提高98.3%; 不同生育期相比, 0~60 cm土层, 2种处理根系脯氨酸含量在大喇叭口期差异最大, 完熟期其次(图2-c, d)。2种处理根系伤流液总量随着生育期逐渐增加, 吐丝期达最大。此时, 深松播种处理伤流液总量比免耕播种处理高7%。吐丝期后, 2种处理根系伤流液总量逐渐下降, 成熟期最低, 且无显著差异。根系活力和伤流量2年度变化规律相似(图3)。
图2
Fig. 2

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	图2 不同处理玉米脯氨酸含量、根系活力与硝酸还原酶活性 各处理缩写同图1。Fig. 2 Proline contents, root activity, and nitrate reductase activity under different treatments Abbreviations are the same as those given in Figure 1.

硝酸还原酶是反映植物体内氮代谢情况最重要的指标, 对植物体养分吸收能力改善有重要意义。由图2-c和d可知, 深松播种处理可显著提高玉米根系硝酸还原酶活性, 其中苗期0~20 cm土层差异最明显, 且整体变化规律与脯氨酸含量相似(图2-e, f)。这说明, 深松处理可有效促进植株对养分, 尤其是氮素的吸收能力, 对于提高产量有着积极作用。
2.3 深松播种一体化对夏玉米根系微观结构的影响通过表1和图4分析可知, 在0~20 cm和20~40 cm土层, 深松播种处理玉米根系中柱直径分别为1013.5 μ m和447.5 μ m, 比免耕处理分别高15.4%和10.3%, 40~60 cm土层两种处理无显著差异; 0~40 cm土层, 深松播种处理根系中柱鞘细胞壁及中柱内薄壁细胞细胞壁, 增厚栓质化趋势明显, 髓细胞数量增多但整体在髓腔横切面积中所占比例较小, 其髓腔占中柱比例仅相当于免耕处理的85.0%; 在0~40 cm土层, 深松播种处理根系后生木质部导管直径增大, 平均比免耕播种处理高36.5%。深松播种处理根系后生木质部导管数量增多, 相邻导管距离缩小, 排列紧密, 原生木质部细胞发育更快, 这与其导管直径增大紧密相关。40~60 cm土层中, 两种处理根系导管直径无显著差异; 在0~20 cm土层, 免耕播种处理根系皮层细胞较大且疏松, 细胞层数较多。深松播种处理根系细胞层细胞虽也较大但层数较少, 相当于免耕处理的86.2%, 但深松播种处理皮层细胞整齐度较高。免耕处理0~20 cm和20~40 cm土层根系皮层厚度高于深松处理, 在40~ 60 cm土层则是深松播种处理低于免耕播种处理。
图3
Fig. 3

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图3 不同处理玉米根系伤流液总量 SDS: 苗期; JTS: 拔节期; BMS: 大喇叭口期; SKS: 抽雄期; MKS: 乳熟期; MTS: 完熟期。各处理缩写同图1。Fig. 3 Total volume of root bleeding sap under different treatments SDS: seedling stage; JTS: jointing stage; BMS: bell-mouthed stage; SKS: tasseling stage; MKS: milking stage; MTS: maturity stage. SRT: subsoiling-seeding treatment; NT: no-tillage seedling treatment. Abbreviations are the same as those given in Figure 1.

表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 不同处理夏玉米根系微观结构数据 Table 1 Root microstructure of summer maize under different treatments 深度 Depth (cm) 处理 Treatment 皮层细胞层数 Cortex cell number 皮层厚度 Cortex thickness (μ m) 皮层占根系 直径比例 Proportion of cortex diameters to root (%) 中柱直径 Stele diameter (μ m) 髓腔占中柱 横切面积比例 Proportion of pith to the stele section area (%) 导管直径 Conduit diameter (μ m) 2012 0-20 SRT 10.3 b 201 b 27.2 b 1029 a 56.1 b 51.6 a NT 12.0 a 232 a 32.2 a 888 b 63.8 a 43.4 b 20-40 SRT 9.8 a 121 a 35.0 b 425 a 42.2 b 38.9 a NT 10.2 a 102 b 39.5 a 356 b 55.9 a 35.1 b 40-60 SRT 7.6 a 59 a 36.0 a 105 a 51.6 a 19.2 a NT 7.3 a 56 ab 34.8 ab 105 a 53.1 a 20.0 a 2013 0-20 SRT 10.9 b 186 b 15.7 b 998 a 55.2 b 67.6 a NT 12.6 a 194 a 18.3 a 868 b 66.7 a 45.1 b 20-40 SRT 8.7 a 128 a 21.4 b 470 a 48.9 b 32.1 a NT 9.8 a 112 b 22.5 a 455 b 52.3 a 28.9 b 40-60 SRT 6.3 ab 70 a 35.2 a 129 a 56.1 a 20.1 a NT 6.6 a 65 ab 33.9 ab 127 ab 53.8 a 18.6 a Values followed by a different letter within line of the same growing season and same soil layer are significantly different at the 0.05 probability level. Abbreviations are the same as those given in Figure 1. 同一生长季、同一土层中同行不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平。各处理缩写同图1。

表1 不同处理夏玉米根系微观结构数据 Table 1 Root microstructure of summer maize under different treatments

图4
Fig. 4

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图4 不同处理0~20 cm土层夏玉米根系微观结构 A和B: 深松处理根系中柱、导管和髓腔; C和D: 免耕处理根系中柱、导管和髓腔; E和F: 深松处理根系皮层; G和H: 免耕处理根系皮层。a: 导管; b: 髓腔; c: 中柱; d: 皮层。A、C、E和G为2012年数据; B、D、F和H为2013年数据。Fig. 4 Root microstructure of summer maize root grown in 0-20 cm soil layer under different treatments A and B: stele, vessel and pulp cavity of sub-soiling treatment; C and D: stele, vessel and pulp cavity of no-tillage treatment; E and F: root cortex of sub-soiling treatment; G and H: root cortex of no-tillage treatment. a: stele; b: pulp cavity; c: vessel; d: cortex. A, C, E, and G: data in 2012; B, D, F, and H: data in 2013.

2.4 深松播种一体化对夏玉米根系导水率的影响根系是作物吸收水分和养分的主要器官, 其活力变化以及不同环境条件下的形态变化直接影响着地上部分作物群体结构与经济产量的构成。导水率(Lpr)表示根系运输传导水分的能力, 其高低直接影响到根系吸收水分的多少, 是根系感受土壤水分变化的最直接生理指标之一^[22]。表2是不同处理根系导水能力的比较, 在0~40 cm土层, 无论是单根还是整株根系导水率, 深松播种处理均显著高于免耕播种处理。2个生长季0~40 cm土层中, 深松播种处理根系单根导水率平均比免耕播种处理高15.8%, 整株根系导水率比免耕处理高17.0%。在40~60 cm土层, 两种处理的单根和整株根系导水率均无显著差异。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 不同处理夏玉米根系导水率 Table 2 Root hydraulic conductivity of summer maize under different treatments 深度 Depth (cm) 单根导水率 Single root hydraulic conductivity (× 10-7 m s-1 MPa-1) 整株根系导水率 Whole plant roots hydraulic conductivity (× 10-7 m s-1 MPa-1) 深松播种处理SRT 免耕播种处理RT 深松播种处理SRT 免耕播种处理RT 2012 0-20 1.95 a 1.66 b 5.82 a 4.95 b 20-40 2.12 a 1.71 b 6.93 a 5.87 b 40-60 1.44 a 1.43 a 4.85 a 4.62 a 2013 0-20 2.11 a 1.85 b 6.21 a 5.22 b 20-40 2.36 a 2.15 b 7.11 a 6.25 b 40-60 1.72 a 1.68 a 5.19 a 5.14 a Values followed by a different letter within line of the same growing season and same soil layer are significantly different at the 0.05 probability level. Abbreviations are the same as those given in Figure 1. 同一生长季、同一土层中同行不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平。

表2 不同处理夏玉米根系导水率 Table 2 Root hydraulic conductivity of summer maize under different treatments

2.5 深松播种一体化对夏玉米产量形成及农田水分利用的影响深松播种处理有利于植株光合作用。苗期深松播种处理植株光合速率为16.78 μ mol CO₂ m^-2 s^-1, 比免耕处理高32.0%。2种处理吐丝期光合速率均达峰值, 此时深松处理为48.54 μ mol CO₂ m^-2 s^-1, 比旋耕处理高5.5% (图5-a, b)。2种处理叶面积指数(LAI)均随生育进程呈现先增大后减小的趋势。全生育期, 深松播种处理玉米LAI平均比免耕处理高12.5% (图5-c, d)。全生育期, 2种处理群体光合势(LAD)变化趋势与LAI一致, 但LAD峰值出现在乳熟期, 此时深松播种处理LAD为71.35 m² d m^-2, 比免耕播种处理高13.0%。而LAI峰值则在吐丝期。此时, 深松播种处理LAI为4.87, 而免耕播种处理为4.24 (图5-e, f)。深松播种处理玉米籽粒灌浆速率高于免耕播种处理, 全生育期平均灌浆速率为6.3 mg seed^-1 d^-1, 比免耕播种处理高5%。尤其在2012年灌浆初期, 遭遇连续低温寡照时, 深松播种处理籽粒灌浆速率优势更明显, 比免耕处理高9.5% (图6)。深松播种处理玉米穗粒数、千粒重和产量两季平均分别为496.0粒、306.9 g和9055.9 kg hm^-2, 分别比免耕处理提高2.4%、3.9%和8.2% (表3)。此外, 深松播种处理农田耗水量两季平均比免耕降低9.1%, 水分利用效率则提高14.4%。另外, 深松播种处理可明显提高2 m土体贮水量, 两年平均比免耕处理高31.7%。尤其是在2013年, 拔节期至大喇叭口期, 试验区降雨量大且强度高, 深松播种处理降水入渗快, 不仅体现出较好的储水能力, 对防止农田涝害也有一定作用。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 不同处理玉米产量构成及水分利用效率 Table 3 Yield components and water use efficiency of maize in different treatments 处理 Treatment 穗粒数 Kernels per ear 千粒重 1000-grain weight (g) 产量 Yield (kg hm-2) 总耗水量 Total water consumption (mm) 0~200 cm土体贮水量 Soil water storage in 0-200 cm soil layer (mm) 水分利用效率 Water use efficiency (kg hm-2 mm-1) 2012 深松播种处理SRT 491.1 a 313.6 a 9169.5 a 366.1 b 143.4 a 24.39 a 免耕播种处理NT 479.6 a 304.1 b 8543.5 b 405.1 a 104.5 b 21.66 b 2013 深松播种处理SRT 500.8 a 300.1 a 8942.2 a 355.1 b 155.1 a 25.20 a 免耕播种处理NT 488.6 a 286.3 b 8196.9 b 388.0 a 122.2 b 21.69 b Values followed by a different letter within columns of the same growing season are significantly different at the 0.05 probability level. Abbreviations are the same as those given in Figure 1. 同一生长季中同列不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平。

表3 不同处理玉米产量构成及水分利用效率 Table 3 Yield components and water use efficiency of maize in different treatments

图5
Fig. 5

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图5 不同处理夏玉米光合速率、叶面积指数和光合势 缩写同图1和图3。Fig. 5 Photosynthetic rate, leaf area index, and photosynthetic potential of summer maize under different treatments Abbreviations are the same as those shown in Figures 1 and 3.

图6
Fig. 6

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	图6 不同处理夏玉米灌浆速率 各处理缩写同图1。Fig. 6 Grain filling rate of summer maize under different treatments Abbreviations are the same as those given in Figure 1.

3 讨论根系作为作物水分、养分的吸收器官, 与植株地上部相互依赖, 对作物代谢及生理生化功能具有重要作用。而耕作直接作用于土壤, 改变土壤物理结构、水肥储蓄和供应能力, 形成对根系生长不同的机械阻力, 影响根系结构和生理生化特性^[20]。而根系结构和生理特性的改变又会产生大量的信号传递物, 并通过木质部运输到地上部, 使地上部的生长受到影响^[21]。丁昆仑等^[23]报道深松可有效打破犁底层, 提高夏玉米的根系长度、根深及根量。战秀梅等^[24]认为, 深松通过促进较深层根系的发育, 使玉米生长发育后期根系仍保持相对较高的活力, 延缓根系衰老。宋日等^[25]研究表明, 深松措施可改善根系生长的生态条件, 促进根系生长, 使根干重显著增加。本研究发现, 与常规免耕播种相比, 深松播种玉米的根系表面积密度、有效吸收面积、根长密度、干物质积累量均显著提高。这与前人报道一致^{[14, 15, 16, 24, 25]}。深松播种处理还可提高玉米根系活力、脯氨酸含量和硝酸还原酶活性, 尤其是在2012年的玉米苗期和拔节期, 2013年的抽雄期, 试验区遭遇强降雨时, 农田出现不同程度涝害, 深松播种玉米根系脯氨酸含量和硝酸还原酶活性均显著高于免耕处理。说明深松播种处理玉米根系在遇到逆境胁迫时, 可更有效调节, 抵御不利环境。
North等^{[26, 27]}报道, 土壤机械阻力增大可加快根系皮层细胞木质化, 凯氏带加速形成, 降低根系导水性能。这种在根系微观层面的研究结果, 并不能很好地解释深松后根系表观形态的表现。对此, 在前人针对深松对玉米根系生理生态指标影响的基础上, 本研究发现, 在0~20 cm土层, 深松播种可增大玉米根系直径和中柱直径, 降低髓腔占中柱横切面积比例、皮层厚度和皮层细胞层数, 增大导管数量和直径, 并提升单根水导和整株水导能力。这与前人^{[26, 27]}研究并不一致, 推测深松可使导管直径增大, 数量增多, 这应有利于根系中水分和养分的运输。尤其是在两个试验年度降雨量均较大, 农田出现不同程度涝害情况下, 根系微观结构的改变和导水能力的提升更有利于深松播种处理玉米适应短期水分胁迫, 保证正常生长发育。
刘明等^[28]报道, 深松可提高玉米叶面积指数、群体光合势。孙贵臣等^[29]报道, 全生育期中, 深松播种春玉米比免耕播种0~60 cm土层平均蓄水量提高5.7%, 并能促进产量提高。宋日等^[25]报道采用深松措施打破犁底层, 可明显地降低玉米农田土壤紧实度, 增加土壤蓄水保水能力。王秀珍等^[30]采用1HS-1.2型中耕深松机作业后表明, 深松后土壤蓄水量有不同程度增加。本研究表明, 深松播种可提高夏玉米叶面积指数, 叶片光合速率、光合势, 并显著提高玉米灌浆速率、千粒重和总产量。两个生长季, 深松播种处理产量和水分利用效率分别比免耕处理高8.2%和14.4%。另外, 深松播种2 m土体贮水量两年平均提高31.7%, 这些研究结果与前人基本一致^{[28, 30, 31, 32]}。
前人多采用深松耕作后再播种, 而本研究采用土壤深松、施肥和播种一体化的方式, 肥料在土壤中分布与常规免耕播种相比能更均匀地分布于较深的层次, 在实践中很好地解决了精耕细播与缩短农耗之间的矛盾。另外, 在海河低平原区, 夏玉米生育期恰逢雨季, 本研究既保证了夏玉米播种与上茬冬小麦收获的紧密衔接, 又实现了充分储蓄雨季降水, 为下茬冬小麦提供更多底墒。因此, 本研究结果和相应技术, 在海河低平原冬小麦/夏玉米一年两熟产区具有较大的实用价值。同时, 也可为目前国家大力推广的深松耕作技术提供参考。
4 结论在海河低平原小麦/玉米一年两熟连作种植区, 采用深松播种一体化模式可有效促进夏玉米根系生长、发育, 提高根系抗性生理指标含量与活性, 并最终提高产量和水分利用效率, 增加农田土壤对雨季降水的储蓄。在现阶段海河低平原区简化栽培理念, 连年免耕播种玉米, 导致农田犁底层上移, 使土地生产力不同程度退化背景下, 采用“ 玉米深松全层施肥精量播种机” 深松播种一体化作业, 具较好节水增产效果和大面积推广应用前景。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。


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[1]	Erdem G, Yildirim S, Dilmac M, Ece A. The effects of soil tillage on stem development of pepper plant. J Appl Sci, 2007, 7: 342-348[本文引用:1][CJCR: 0.5182]
[2]	Alvarez R, Steinbach H S. A review of the effects of tillage systems on some soil physical properties, water content, nitrate availability and crops yield in the Argentine Pampas. Soil Tillage Res, 2009, 104: 1-15[本文引用:1]
[3]	Mahía J, Martin A, Carballas T, Dlaz-Ravina M. Atrazine degradation and enzyme activity in an agricultural soil under two tillage systems. Sci Total Environ, 2007, 378: 187-194[本文引用:1][JCR: 3.258]
[4]	吕丽华, 王慧军, 贾秀领, 梁双波. 黑龙港平原区冬小麦、夏玉米节水技术模式适应性模糊评价研究. 节水灌溉, 2012, (6): 5-8 Lü L H, Wang H J, Jia X L, Liang S B. Fuzzy evaluation of technique adaptability of water-saving irrigation mode in Heilonggang plain. Water Saving Irrig, 2012, (6): 5-8 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1][CJCR: 0.534]
[5]	Huang S, Sun Y N, Rui W Y, Liu W R, Zhang W J. Long-term effect of no-tillage on soil organic carbon fractions in a continuous maize cropping system of Northeast China. Pedosphere, 2010, 20(3): 285-292[本文引用:2][JCR: 1.232][CJCR: 0.8103]
[6]	Carterm R, Sand erson J B, Ivany J A, White R P. Influence of rotation and tillage on forage maize productivity, weed species, and soil quality of a fine sand y loam in the cool-humid climate of Atlantic Canada. Soil Tillage Res, 2002, 67: 85-98[本文引用:1][JCR: 2.367]
[7]	Wang X B, Cai D X, Hoogmoed W B, Oenema O, Perdok U D. Potential effect of conservation tillage on sustainable land use a review of global long-term studies. Pedosphere, 2006, 16: 587-595[本文引用:1][JCR: 1.232][CJCR: 0.8103]
[8]	邱红波, 何腾兵, 龙友华, 莫庆忠. 免耕栽培对玉米根系性状及其产量的影响. 贵州农业科学, 2011, 39(9): 55-57 Qiu H B, He T B, Long Y H, Mo Q Z. Effect of no-tillage cultivation on maize root characters and yield. Guizhou Agric Sci, 2011, 39(9): 55-57 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[9]	梁建斌, 刘今河, 杨涛. 不同耕作方式对玉米根系生长发育及土壤水分的影响. 安徽农业科学, 2006, 34: 2353-2354 Liang J B, Liu J H, Yang T. Effect of different cultivation ways to growth of maize root system and soil water content. J Anhui Agric Sci, 2006, 34: 2353-2354 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1][CJCR: 0.687]
[10]	彭文英. 免耕措施对土壤水分及利用效率的影响. 土壤通报, 2007, 38: 379-383 Peng W Y. Effect of no-tillage on soil water regime and water use efficiency. Chin J Soil Sci, 2007, 38: 379-383 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1][CJCR: 0.99]
[11]	Toyakawa H, Triplett G B, Dick W A. No-tillage crop production: A revolution in agriculture. Agron J, 2008, 100: 153-165[本文引用:1][JCR: 1.518]
[12]	Fernand ez U O, Virto I, Bescansa P, Imaz M J, Enrique A, Karlen D L. No-tillage improvement of soil physical quality in calcareous, degradation prone semiarid soils. Soil Tillage Res, 2009, 106: 29-35[本文引用:1][JCR: 2.367]
[13]	彭贵喜, 刘刚. 保护性耕作中深松技术的应用研究. 农业科技与装备, 2009, (1): 119-120 Peng G X, Liu G. Application research of subsoiling technology in conservation tillage. Agric Sci & Technol Equip, 2009, (1): 119-120 (in Chinese)[本文引用:1]
[14]	Rosendahl L, Jakobsen I. Rhizobium strain effects on pea: The relation between nitrogen accumulation, phosphoenolpyruvate carboxylase activity in nodules and asparagine in root bleeding sap. Physiol Plant, 2006, 71(3): DOI: DOI:10.1111/j.1399-3054.1987.tb04343.x[本文引用:2][JCR: 6.555]
[15]	高俊凤. 植物生理学实验指导. 北京: 高等教育出版社, 2006. pp 46, 51, 61, 228 Gao J F. Plant Physiology Experiment Instruction. Beijing: High Education Press, 2006. pp 46, 51, 61, 228 (in Chinese)[本文引用:2]
[16]	Miller D M. Studies of root function in Zea mays: I. Apparatus and methods. Can J Bot, 1980, 59: 811-818[本文引用:2][JCR: 1.397]
[17]	王宁, 齐永志, 时荣荣, 张悦, 赵斌, 甄文超. 草莓根系的石蜡切片制作及侧根发育过程的观察. 河北农业大学学报, 2013, 36(3): 34-38 Wang N, Qi Y Z, Shi R R, Zhang Y, Zhao B, Zhen W C. Manufacture of paraffin section on strawberry root and observation on the development of lateral root. J Agric Univ Hebei, 2013, 36(3): 34-38 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1][CJCR: 0.669]
[18]	Kasper M, Buchan G D, Mentler A, Blum W E H. Influence of soil tillage systems on aggregate stability and the distribution of C and N in different aggregate fractions. Soil Tillage Res, 2009, 105: 192-199[本文引用:1][JCR: 2.367]
[19]	Peuke A D. The chemical composition of xylem sap in Vitis vinifera L. cv. Riesling during vegetative vineyard soils and as influenced by nitrogen fertilizer. Am J Enol Vit, 2000, 51: 329-339[本文引用:1]
[20]	孙艳, 王益权, 杨梅, 徐雷. 土壤紧实胁迫对黄瓜根系活力和叶片光合作用的影响. 植物生理与分子生物学学报, 2005, 31: 545-550 Sun Y, Wang Y Q, Yang M, Xu L. Effects of soil compactness stress on root activity and leaf photosynthesis of cucumber. J Plant Physiol Mol Biol, 2005, 31(5): 545-550 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2][CJCR: 1.344]
[21]	Hurley M B, Rowarth J S. Resistance to root growth and changes in the concentration of ABA within the root and xylem sap during root-restriction stress. J Exp Bot, 1999, 335: 799-804[本文引用:2][JCR: 5.242]
[22]	Davies W J, Zhang J. Root signals and the regulation of growth and development of plant in drying soil. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 1991, 42: 55-76[本文引用:1]
[23]	丁昆仑, Hann M J. 深松耕作对土壤水分物理特性及作物生长的影响. 中国农村水利水电, 1997, (11): 13-16 Ding K L. Effect of deep loosen cultivation to soil moisture physical characteristics and crop growing. China Rural Water and Hydropower, 1997, (11): 13-16 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1][CJCR: 0.464]
[24]	战秀梅, 李秀龙, 韩晓日, 李亭亭, 杨劲峰, 刘小虎. 深耕及秸秆还田对春玉米产量、花后碳氮积累及根系特征的影响. 沈阳农业大学学报, 2013, 43: 461-466 Zhan X M, Li X L, Han X R, Li T T, Yang J F, Liu X H. Effects of subsoiling and straw-returning on yield and post-anthesis dry matter and nitrogen accumulation and root characteristics of spring maize. J Shenyang Agric Univ, 2012, 43: 461-466 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2][CJCR: 0.55]
[25]	宋日, 吴春胜, 牟金明, 徐克章. 深松土对玉米根系生长发育的影响. 吉林农业大学学报, 2000, 22(4): 73-75 Song R, Wu C S, Mu J M, Xu K Z. Effect of subsoiling on root growth of maize. J Jilin Agric Univ, 2000, 22(4): 73-75 (in Chinese with English abstract)[本文引用:3][CJCR: 0.525]
[26]	North G B, Nobel P S. Hydraulic conductivity of concentric root tissues of Agave deserti Engelm. Under wet and drying conditions. New Phytol, 1995, 130: 47-57 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2][JCR: 6.736]
[27]	North G B, Nobel P S. Changes in hydraulic conductivity and anatomy caused by drying and rewetting roots of Agavedesertii (Agavaceae). Am J Bot, 1991, 78: 906-915[本文引用:2][JCR: 2.586]
[28]	刘明, 来永才, 李炜, 肖佳雷, 毕影东, 刘淼, 李琬, 齐华. 深松与施氮对玉米群体光合特性的影响, 作物杂志, 2013, (6): 95-99 Liu M, Lai Y C, Li W, Xiao J L, Bi Y D, Liu M, Li W, Qi H. Effects of deep loosening and nitrogen application rate on population photosynthesis in maize. Crops, 2013, (4): 95-99 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2][CJCR: 0.6276]
[29]	孙贵臣, 冯瑞云, 陈凌, 穆志新, 张瑞军, 阎晓涛, 闫贵云. 深松免耕种植对土壤环境及玉米产量的影响, 作物杂志, 2014, (4): 137-140 Sun G C, Feng L Y, Chen L, Mu Z X, Zhang R J, Yan X T, Yan G Y. Effect of deep loosening and zero tillage on soil environment and maize growth. Crops, 2014, (4): 137-140 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1][CJCR: 0.6276]
[30]	王秀珍, 邱立春. 中耕深松对土壤蓄水及玉米根系生长的影响. 沈阳农业大学学报, 2011, 42: 630-633 Wang X Z, Qiu L C. Influence of subsoiling to moisture of soil and root growth of maize. J Shenyang Agric Univ, 2011, 42: 630-633 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2][CJCR: 0.55]
[31]	齐华, 刘明, 张卫建, 张振平, 李雪霏, 宋振伟, 于吉琳, 吴亚男. 深松方式对土壤物理性状及玉米根系分布的影响. 华北农学报, 2012, 27(4): 191-196 Qi H, Liu M, Zhang W J, Zhang Z P, Li X F, Song Z W, Yu J L, Wu Y N. Effect of deep loosening mode on soil physical characteristics and maize root distribution. Acta Agric Boreali-Sin, 2012, 27(4): 191-196 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1][CJCR: 0.951]
[32]	Raper R L, Reeves D W, Shaw J N, van Santen E, Mask P L. Remove from marked records using site-specific subsoiling to minimize draft and optimize corn yields. Trans ASAE, 2005, 48: 2047-2052[本文引用:1]