不同氮肥水平下玉米根际土壤特性与产量的关系

删除或更新信息，请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

本站小编 Free考研考试/2021-12-26

张学林, 徐钧, 安婷婷, 侯小畔, 李潮海. 不同氮肥水平下玉米根际土壤特性与产量的关系[J]. , 2016, 49(14): 2687-2699 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.14.004
ZHANG Xue-lin, XU Jun, AN Ting-ting, HOU Xiao-pan, LI Chao-hai. Relationship Between Rhizosphere Soil Properties and Yield of Maize at Different Nitrogen Levels[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2016, 49(14): 2687-2699 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.14.004

0 引言

【研究意义】玉米是中国重要的粮食作物,其种植面积已超过水稻,跃居第一位^[1]。氮肥对粮食作物产量的贡献率占50%左右^[2],而根际土壤的物理、化学和生物学性质常常影响植物从土壤中吸收营养元素^[3],因此,施用氮肥保证根际土壤养分供应是提高玉米产量的重要措施之一。【前人研究进展】合理施用氮肥、提高玉米产量一直是农业科研人员研究的热点问题,前人就氮肥用量、氮肥类型、施氮时期等对玉米生长发育、产量形成、氮肥利用效率的影响^[4-8]以及多年施肥后土壤环境的变化^[9]等方面进行了广泛深入的研究。根际土壤是植物吸收养分、并与土壤进行相互作用的重要区域,因此,根际土壤养分的转化、运输和吸收利用在植物生长过程中扮演着重要角色^[10]。为提高作物养分利用效率,前人研究提出了根际土壤管理策略,即通过建立根际区域养分供应和作物养分需求同步的综合管理体系,以期实现适量施氮、作物高产^[11]。针对这一氮肥管理模式,SAIZ-FERNÁNDEZ等^[12]室内研究发现,根际供应过量的硝态氮将会导致玉米单位面积内细胞数量增多,进而影响整个植株的生长。WENG等^[13]和ZHANG等^[14]在大田条件下研究了根际氮肥用量、时期、方式对根际土壤养分状况、微生物变化以及对产量、品质的影响。云鹏等^[15]研究认为在高肥力的冬小麦/夏玉米轮作体系中,适当减施氮肥不会影响玉米根际土壤氮素水平,能够保证玉米稳产,实现减氮增效。雍太文等^[16]研究认为小麦/玉米/大豆套作模式通过改善3种作物根际环境,促进了作物地下部根系生长和地上部生物量的增加,从而实现作物增产。【本研究切入点】尽管前人研究认为受作物、根际微生物以及根际微环境交互作用导致的根际土壤特性呈动态变化,表明了根际施肥在作物产量方面的重要性,但是有关不同生育时期这些根际土壤特性与玉米籽粒产量之间的关系并不清楚,而有关这方面的研究还比较缺乏。【拟解决的关键问题】本研究连续3年在河南省方城县进行,对不同氮肥用量条件下玉米不同生育期根际土壤特性的变化及其与玉米产量的关系进行了研究,以期为制定合理的根际氮肥管理措施、实现黄淮海地区玉米高产高效提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

大田试验设置在河南省方城县袁庄村（112°98'E,33°25'N,平均海拔108 m）,土壤类型为砂姜黑土。该地区属于北亚热带半湿润区季风型大陆气候,1961—2006年玉米生长季（6—10月）月平均气温变幅为14.7℃（10月）到29℃（6月）,降雨量为600 mm左右,日照时数为720—1 200 h。该区域冬小麦一般在10月上旬播种并在次年6月收获,夏玉米一般在6月中旬播种,9月下旬收获。

1.2 试验设计

2012年玉米播种前设置固定氮肥梯度试验样地,5个氮肥处理分别为0 （CK：对照）、180（N180）、240（N240）、300 （N300）和360 kgN·hm^-2（N360）,试验采取完全随机区组设计,重复4次,小区面积为47.6 m²。2012、2013和2014年连续3年于玉米生育期开展试验。氮肥分别于玉米苗（4叶）期（50%）和大喇叭口期（50%）施入,磷肥（90 kg·hm^-2）和钾肥（120 kg·hm^-2）于苗（4叶）期一次施入。氮肥采用尿素,磷肥采用过磷酸钙,钾肥采用氯化钾。2次施肥均开沟施入5 cm土层并覆盖。试验所用玉米品种为郑单958,行距60 cm,种植密度为67 500株/hm²。

1.3 田间取样

2012—2014年分别于玉米拔节（6叶）、吐丝和成熟3个关键生育期进行取样。在每个小区选取长势均匀的连续3株植株,分别取其地上部和根系生物量,根系生物量的取样体积为30 cm（长）×30 cm（宽）×20 cm（深）;植株地上部和根系生物量用烘箱杀青30 min后,在80℃烘干至恒重并称重。小心挖出玉米根系后,采用抖根法提取根际土壤^[17];用土钻在行距之间取0—20 cm的土壤定义为小区非根际土。籽粒成熟后（乳线消失）收获小区中间三行的连续20株玉米植株进行计产并考种。

1.4 测定分析

玉米植株氮素含量采用凯氏定氮法进行测定。采用SUN等^[18]方法测定根际和非根际土土壤酶活性。其中脲酶活性以5 g土壤中加入定量尿素在37℃条件培养24 h后土壤中铵态氮含量来表示。按照ZHOU等^[19]方法测定过氧化氢酶（EC 1.11.1.6）活性,称取5 g土壤加入5 mL 0.3% H₂O₂在30℃培育30 min,并用0.1 mol·L^-1KMnO₄进行滴定。称取10 g土壤样品,用50 mL 2 mol·L^-1 KCl浸提,浸提液采用流动分析仪（Scalar SAN^plus, Netherlands）分析土壤硝态氮和铵态氮含量。称取10 g风干土,加入50 mL去离子水于振荡器上震荡30 min,用电位法测定土壤pH（YOKE PHS-3E.Shanghai,China）。

1.5 计算

氮肥回收率（Apparent recovery efficiency of nitrogen：REn）,采用成熟期不同施肥处理与对照之间玉米地上部氮素累积量（N accumulation: NA）之差进行计算,计算公式如下^[20]：
RE (%) = (UN-UN0)/FN×100 （1）
NA (kg N·hm^-2) = U_n-U_n-1 （2）
式（1）中,UN是每个处理中氮的吸收量（kg·hm^-2）,UN0是不施肥处理的CK（kg·hm^-2）,FN是每个处理施入无机氮的量（kg·hm^-2）。式（2）中,U_n-1是每个处理某一时期氮素累积量（kg·hm^-2）,U_n是每个处理与U_n-1相邻后一时期氮素累积量（kg·hm^-2）。

1.6 统计分析

采用One way ANOVA分析施肥处理之间籽粒产量和氮素利用效率的差异显著性并采用LSD进行多重比较。采用Pearson Correlation分析玉米籽粒产量与关键生育期根际和非根际脲酶、过氧化氢酶、铵态氮、硝态氮、pH以及地上部、地下部生物量和他们的氮素累积量之间的相关性;同时采用R 3.2.2软件对这些参数进行主成分分析,获取3个施肥处理各生育时期的主成分双信息图。每个样本向量在因子向量上的垂直投影越长,表明该向量在响应样本中的表型值越高,每两个因素的夹角大小表示二者的相关性^[21]。所有数据均用Excel 2013进行前期处理,统计分析采用SPSS 19.0统计软件,采用SigmaPlot 12.5和R 3.2.2软件进行作图。

2 结果

2.1 玉米籽粒产量、氮肥利用效率和氮素累积量

2012、2013和2014连续3年5个氮肥处理玉米籽粒产量的平均值分别为6 046、7 510、8 271、8 482和8 173 kg·hm^-2。与CK相比,4个施肥处理3年产量的平均值分别增加了23.85%、36.40%、39.87%和34.78%（图1-a—图1-c）。4个施肥处理之间的氮素利用效率差异达显著水平,其中,N240处理的氮素
利用效率值最高（图1-d—图1-f）。
2012、2013和2014年连续3年不同生育时期植株地上部氮素累积量呈动态变化（图2）,其中拔节-吐丝期和吐丝-成熟期之间氮素累积量均显著高于播种-拔节期;2013和2014年,CK处理玉米生育期氮素累积量呈先增加后降低趋势,而其他4个施氮处理（N180、N240、N300和N360）则呈逐渐增加的趋势。4个施肥处理之间（N180、N240、N300和N360）,拔节-吐丝期和吐丝-成熟期2个阶段的氮素累积量均随施肥量的增加呈先增加后下降趋势。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图12012、2013和2014年CK、N180、N240、N300和N360处理籽粒产量和氮肥回收率
-->Fig. 1Comparisons of grain yield and REn among five N fertilizer treatments in 2012, 2013, 2014
-->

2.2 玉米生育期根际和非根际土壤性质

与CK相比,4个施肥处理3年根际土硝态氮含量平均值分别增加23.38%、57.13%、57.87%和69.74%（表1）,非根际土硝态氮分别增加59.49%、92.01%、132.08%和179.35%。随施氮量的增加根际土壤铵态氮含量显著增加,且5个氮肥处理之间的差异达显著水平（表1）。与CK相比,4个施肥处理3年非根际土铵态氮含量平均值分别增加4.27%、3.51%、5.04%和26.26%。根际和非根际土壤pH（表1）均随着氮肥施用量的增加而降低。根际土壤和非根际土壤pH的变化范围分别为4.5—6.7和5.5—7.2。与非根际土pH相比,5个处理的根际土壤pH值平均降低5 %。与CK相比,4个施氮处理3年的土壤pH平均值分别降低了3.9%、5.9%、7.5%和9.8%。玉米生育期根际和非根际土壤含水量呈动态变化（表2）,且5个施肥处理之间的根际土壤含水量差异不显著;其中2014年根际土和非根际土之间差异达显著水平。与CK相比,4个施氮处理3年非根际土壤脲酶活性平均值分别增加了4.02%、14.73%、24.55%和19.64%（表3）。根际和非根际土壤过氧化氢酶活性随氮肥用量的增加而降低（表3）,与CK相比,4个施氮处理3年的非根际土壤过氧化氢酶活性平均值分别降低了3.03%、5.09%、8.24%和12.67%。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图22012、2013和2014年各生育期地上部氮素累积量的比较
-->Fig. 2Temporal variations of aboveground N accumulation during maize growth periods in 2012, 2013 and 2014
-->

Table 1
表1
表12012—2014年玉米生育期5个处理土壤特性的比较
Table 1Comparisons of rhizosphere and bulk soil characteristics among N fertilizer treatments in 2012, 2013 and 2014

年份 Year	处理Treatment	根际土 Rhizosphere soil			非根际土 Bulk soil
年份 Year	处理Treatment	硝态氮R-NO₃^-(mg·kg^-1)	铵态氮R-NH₄⁺(mg·kg^-1)	pH RpH	硝态氮 B-NO₃^-(mg·kg^-1)	铵态氮B-NH₄⁺(mg·kg^-1)	pH BpH
2012	CK	17.73±0.89a	64.31±2.35a	5.99±0.05a	11.71±0.64a	59.36±0.05a	6.28±0.01b
	N180	19.46±1.56ab	68.47±2.86ab	5.92±0.09a	16.23±1.34b	65.38±4.66ab	6.02±0.14a
	N240	21.73±0.25b	71.36±0.67b	5.96±0.05a	17.63±0.49b	61.70±4.09ab	6.00±0.17a
	N300	22.17±2.09bc	69.74±7.48ab	5.94±0.09a	25.78±2.64c	61.23±2.78ab	5.97±0.11a
	N360	24.47±0.56c	72.9±3.69b	5.91±0.03a	26.65±1.28c	70.12±5.05b	6.04±0.03a
2013	CK	13.62±0.47a	21.97±0.33a	6.33±0.06c	10.26±0.19a	15.24±0.19b	6.68±0.06d
	N180	17.75±1.46b	18.89±4.96a	6.07±0.09b	19.09±1.81b	13.18±1.40a	6.39±0.05c
	N240	23.04±0.30c	25.07±0.97b	5.86±0.09b	21.11±0.51bc	15.27±0.97b	6.27±0.03c
	N300	23.78±1.83c	24.00±3.20ab	5.84±0.14ab	22.71±3.24c	16.63±0.96b	6.07±0.13b
	N360	24.72±0.58c	29.37±1.26c	5.61±0.06a	30.56±0.36d	20.32±0.84c	5.80±0.09a
2014	CK	7.84±0.45a	9.2±0.51a	5.96±0.03c	7.33±0.45a	23.70±1.02a	6.41±0.03c
	N180	11.13±0.62b	15.99±6.36b	5.72±0.11bc	11.41±1.34ab	23.94±7.82a	6.03±0.14b
	N240	16.81±0.47c	14.38±0.39b	5.51±0.09b	17.52±0.47bc	24.78±2.82a	5.90±0.03b
	N300	15.92±0.69c	19.25±3.77b	5.23±0.17a	19.51±2.09cd	25.39±1.94a	5.76±0.33ab
	N360	17.33±0.23c	24.38±0.74c	5.11±0.19a	24.64±0.40d	33.67±2.91b	5.68±0.04a

R-NO₃: Rhizosphere NO₃^-N; R-NH₄⁺:Rhizosphere NH₄^+-N; RpH: Rhizosphere pH; B-NO₃: Bulk NO₃^-N; B-NH₄⁺: Bulk NH₄^+-N; BpH: Bulk pH. Different letters in the same line indicated the significant difference at 5% level. The same as belowR-NO₃：根际土硝态氮;R-NH₄⁺：根际土铵态氮;RpH：根际pH;B-NO₃：非根际土硝态氮;B-NH₄⁺：非根际土铵态氮;BpH：非根际土pH。同一列中不同小写字母表示处理间5%水平上的差异显著性。下同

新窗口打开
Table 2
表2
表22012—2014年玉米各生育期土壤含水量变化
Table 2Temporal variations of soil moisture content during maize growth periods in 2012, 2013 and 2014

年份 Year	处理 Treatment	拔节期 Jointing		吐丝期 Silking		成熟期 Maturity
年份 Year	处理 Treatment	根际 Rhizosphere (%)	非根际 Bulk (%)	根际 Rhizosphere (%)	非根际 Bulk (%)	根际 Rhizosphere (%)	非根际 Bulk (%)
2012	CK	20.64ab	22.06a	16.31a	13.38a	19.59a	18.99a
	N180	21.37b	20.56a	16.14a	13.41a	21.24a	19.84a
	N240	20.78ab	21.03a	15.64a	13.74a	21.67a	20.68a
	N300	19.16a	20.47a	15.58a	12.98a	20.32a	21.69a
	N360	20.45ab	19.93a	14.90a	12.91a	21.52a	21.95a
	T-test	NS		**		NS
2013	CK	14.68b	14.68b	16.60a	13.09a	16.90a	16.11a
	N180	14.74a	14.74b	15.02a	12.66a	18.13a	14.89a
	N240	14.33ab	14.33ab	14.45a	13.40a	16.98a	15.93a
	N300	14.04ab	14.04ab	15.61a	14.73a	17.14a	16.09a
	N360	13.33a	13.33a	15.45a	14.49a	17.42a	16.95a
	T-test	NS		NS		NS
2014	CK	10.98ab	15.14abc	19.36a	15.90a	16.61b	15.66a
	N180	10.86ab	15.47bc	17.69a	15.21a	14.45ab	16.94a
	N240	11.95b	15.77c	18.99a	13.69a	14.46ab	16.75a
	N300	10.89ab	14.16ab	18.65a	15.61a	13.84a	16.32a
	N360	9.99a	13.96a	18.81a	14.61a	15.41ab	17.21a
	T-test	**		**		**

* and ** indicate significance at 0.05 and 0.01 levels, respectively, NS means that the difference was not significant*、**分别表示在0.05、0.01水平差异显著,NS表示二者差异未达显著水平

新窗口打开
Table 3
表3
表32012、2013、2014 年玉米各生育期脲酶和过氧化氢酶活性
Table 3Temporal variations of rhizosphere and bulk soil urease and catalase activities during maize growth periods in 2012, 2013, 2014

年份 Year	处理 Treatment	脲酶活性 Urease (mg·g^-1·d^-1)						过氧化氢酶活性 Catalase (mL(0.02 mol·L^-1 KMnO₄)·g^-1)
		根际土 Rhizosphere soil			非根际土 Bulk soil			根际土 Rhizosphere soil			非根际土 Bulk soil
		拔节期 Jointing	吐丝期 Silking	成熟期 Maturity	拔节期 Jointing	吐丝期 Silking	成熟期 Maturity	拔节期 Jointing	吐丝期 Silking	成熟期 Maturity	拔节期 Jointing	吐丝期 Silking	成熟期 Maturity
2012	CK	0.45±0.01a	0.27±0.02b	0.33±0.05a	0.31±0.07a	0.16±0.02a	0.26±0.07a	2.32±0.01a	2.22±0.02b	1.38±0.08a	2.14±0.10a	1.88±0.09a	1.29±0.08b
	N180	0.47±0.04a	0.22±0.05ab	0.31±0.10a	0.37±0.08a	0.15±0.06a	0.21±0.04a	2.42±0.15a	1.95±0.14ab	1.51±0.02a	2.09±0.14a	1.79±0.24a	1.26±0.06ab
	N240	0.51±0.02b	0.22±0.03ab	0.33±0.02a	0.39±0.06a	0.15±0.03a	0.25±0.01a	2.40±0.11a	1.86±0.25ab	1.50±0.06a	2.06±0.02a	1.79±0.24a	1.23±0.12ab
	N300	0.48±0.02ab	0.23±0.03ab	0.33±0.01a	0.50±0.06b	0.17±0.05a	0.22±0.01a	2.33±0.15a	1.67±0.05a	1.29±0.27a	1.89±0.14a	1.62±0.18a	1.53±0.11c
	N360	0.44±0.02a	0.19±0.01a	0.32±0.03a	0.41±0.05a	0.17±0.01a	0.25±0.03a	2.38±0.09a	1.73±0.41ab	1.47±0.1a	2.09±0.14a	1.60±0.10a	1.06±0.07a
2013	CK	0.34±0.07a	0.47±0.02a	0.15±0.01a	0.12±0.03a	0.62±0.08a	0.18±0.01ab	1.75±0.23b	1.54±0.14b	1.13±0.03ab	2.05±0.14a	1.56±0.03b	1.15±0.01ab
	N180	0.36±0.09a	0.45±0.05a	0.17±0.03ab	0.13±0.02a	0.60±0.08a	0.19±0.03ab	1.57±0.15ab	1.35±0.18a	1.22±0.17b	2.01±0.11a	1.46±0.09b	1.19±0.11ab
	N240	0.39±0.03a	0.39±0.01a	0.19±0.02bc	0.14±0.02a	0.71±0.06ab	0.18±0.01a	1.50±0.07a	1.31±0.21ab	0.93±0.07a	1.97±0.12a	1.45±0.14b	1.20±0.06ab
	N300	0.32±0.04a	0.41±0.05a	0.19±0.01bc	0.14±0.03a	0.79±0.12b	0.21±0.01b	1.44±0.14a	1.28±0.17ab	0.93±0.07a	2.01±0.15a	1.08±0.09ab	1.29±0.11b
	N360	0.28±0.01a	0.38±0.04a	0.20±0.02c	0.13±0.01a	0.73±0.06b	0.18±0.01ab	1.41±0.03a	1.03±0.04a	0.88±0.09a	1.92±0.03a	1.09±0.18a	0.99±0.04a
2014	CK	0.25±0.01a	0.17±0.02a	0.21±0.02a	0.25±0.03a	0.20±0.01a	0.14±0.01a	2.42±0.09a	2.24±0.27a	1.72±0.12a	2.40±0.11b	2.34±0.11a	1.69±0.02b
	N180	0.29±0.04a	0.16±0.01a	0.22±0.02a	0.28±0.02a	0.27±0.01b	0.13±0.03a	2.39±0.04a	2.22±0.02a	1.70±0.03a	2.33±0.13ab	2.25±0.02a	1.62±0.03b
	N240	0.29±0.01a	0.23±0.02b	0.24±0.02a	0.37±0.03b	0.27±0.01b	0.15±0.02a	2.31±0.09a	2.17±0.08a	1.62±0.10a	2.35±0.03ab	2.28±0.15a	1.33±0.04a
	N300	0.28±0.06a	0.21±0.06b	0.24±0.06a	0.33±0.03ab	0.26±0.03b	0.17±0.02b	2.29±0.05a	2.17±0.03a	1.60±0.05a	2.30±0.05a	2.18±0.11a	1.24±0.02a
	N360	0.29±0.03a	0.18±0.03ab	0.19±0.02a	0.39±0.06b	0.26±0.02b	0.16±0.03a	2.23±0.11a	1.94±0.19a	1.59±0.04a	2.29±0.05a	2.06±0.23a	1.31±0.01a

新窗口打开

2.3 玉米籽粒产量与各时期土壤参数的相关分析和主成分分析

由5个处理玉米产量和氮肥回收率（图1）可知,施氮量达到并超过240 kg·hm^-2后,玉米籽粒产量不再显著增加、但氮肥回收率显著下降;当施氮量达到360 kg·hm^-2时,产量开始有下降的趋势,且氮肥回收率显著下降。为此,选取CK、N240和N360 3个具有代表性的处理进行相关分析和主成分分析。2012、2013和2014年玉米3个生育期各主要因子与籽粒产量的相关分析,结果（表4）表明,拔节期,玉米根系生物量和根际土壤硝态氮含量连续3年均与产量呈显著正相关。吐丝期,玉米地上部生物量及其氮素累积量、根生物量、根际和非根际土壤硝态氮含量、根际土壤铵态氮含量和非根际土pH均与籽粒产量呈显著正相关;其中2013和2014年根系氮素累积量、根际脲酶活性以及根际土壤pH与产量的相关性均达到显著水平。成熟期,植株地上部生物量及其氮素累积量、根系生物量均与玉米产量呈显著相关。其中2013和2014年与根部氮素累积量、根际土壤硝态氮含量以及非根际土硝态氮含量相关性也达显著水平。
主成分分析表明,2012、2013和2014年连续3年3个氮肥处理在玉米关键生育时期均得到了很好的分离（图3—图5）。连续3年,拔节期第一主成分所解释比例分别为37.4%、64.65%和77.61%,第二主成分的解释比例分别25.2%、15.0%和6.91%（图3）。玉米吐丝期,第一主成分将施肥处理（N240和N360）和不施肥处理（CK）分离,第二主成分将CK、N360与N240分离（图4）。成熟期,对第一主成分的解释主要是产量、地上部和地下部干物质以及氮素累积量,对第二主成分的解释主要是根际和非根际土壤铵态氮含量、土壤pH以及土壤过氧化氢酶活性（图5）。
2012、2013和2014年3个处理玉米产量与拔节期各主要因子的关系表明（图3）：与CK相比,N240和N360处理在产量（Y）的垂直投影较长,表明产量在N240和N360处理中表型值显著高于CK;而N240和N360 2个处理在产量的垂直投影点相近,表明N240和N360 2个处理的产量相近。2013和2014年,产量与拔节期土壤硝态氮含量、根际过氧化氢酶、地上部生物量和氮素累积量夹角较小,相关性较强。依据以上判别方法,与CK相比,N240和N360处理的产量、地上地下生物量和氮素累积量、根际和非根际土壤硝态氮和铵态氮含量均较高,脲酶活性较强;而土壤pH和过氧化氢酶活性较低。这表明氮肥用量不仅影响籽粒产量高低和玉米植株养分积累,同时改变了其所处的土壤微环境和土壤养分状况。与N240相比,N360处理拔节期地上和地下生物量和氮素累积量以及土壤铵态氮含量较低,而土壤硝态氮含量相似,这表明随着氮肥输入量的继续增加,N360处理在拔节期不仅积累了较多的地上和地下部干物质,同时造成土壤中大量的铵态氮积累,并没有转化为硝态氮供应给植株吸收利用。相较于非根际土,N240和N360 2个处理之间根际土壤pH的差值大于非根际土壤,这表明在N240处理基础上继续施用氮肥,根际土壤pH会显著降低。
Table 4
表4
表42012—2014年3个处理（CK、N240和N360）玉米籽粒产量与3个生育期地上部、根部、土壤特性的相关性
Table 4The relationships of maize yields with aboveground biomass and their N accumulation, root biomass and root N accumulation, and soil properties in 2012-2014 (n=12)

年份 Year	时期 Stage	地上部氮素累积量 Aboveground N accumulation	地上部生物量 Aboveground biomass	根部氮素累积量 Root N accumulation	根系生物量 Root biomass	根际土 Rhizosphere soil					非根际土 Bulk soil
年份 Year	时期 Stage	地上部氮素累积量 Aboveground N accumulation	地上部生物量 Aboveground biomass	根部氮素累积量 Root N accumulation	根系生物量 Root biomass	硝态氮 NO₃^--N (mg·kg^-1)	铵态氮 NH₄^+-N (mg·kg^-1)	脲酶 Urease (mg·g^-1d^-1)	过氧化氢酶 Catalase (mL(0.02mol·L^-1 KMnO₄)·g^-1)	pH	硝态氮 NO₃^--N^-(mg·kg^-1)	铵态氮 NH₄^+-N (mg·kg^-1)	脲酶 Urease (mg·g^-1 d^-1)	过氧化氢酶 Catalase (mL(0.02mol·L^-1 KMnO₄)·g^-1)	pH
2012	拔节期 Jointing	-0.391	-0.438	-0.53	0.752**	0.546*	0.043	0.367	0.265	0.162	0.338	0.495	0.427	-0.089	-0.505
	吐丝期 Silking	0.738**	0.613*	0.422	0.74**	0.785**	0.711*	-0.566*	0.283	0.086	0.638*	0.083	-0.279	-0.116	-0.556*
	成熟期 Maturity	0.833**	0.569*	0.469	0.788**	-0.266	0.563*	-0.114	0.552*	-0.43	0.534	-0.236	-0.007	-0.428	-0.743**
2013	拔节期 Jointing	0.687*	0.793**	0.485	0.559*	0.816**	-0.31	-0.847**	-0.774**	-0.608*	-0.724**	-0.16	0.517	0.068	-0.803**
	吐丝期 Silking	0.815**	0.75**	0.742**	0.725**	0.88**	0.713**	-0.551*	-0.483	-0.758**	0.737**	0.608*	0.123	-0.38	-0.68*
	成熟期 Maturity	0.844**	0.727**	0.641*	0.861**	0.628*	0.131	0.459	0.205	-0.644*	0.648*	0.276	0.023	-0.166	-0.232
2014	拔节期 Jointing	0.788**	0.703*	0.712**	0.585*	0.992**	0.481	0.619*	-0.544	-0.528	0.915**	-0.449	0.837**	-0.566*	-0.87**
	吐丝期 Silking	0.875**	0.928**	0.872**	0.864**	0.973**	0.856**	0.416	-0.385	-0.818**	0.809**	0.467	0.461	-0.358	-0.925**
	成熟期 Maturity	0.948**	0.964**	0.928**	0.923**	0.764**	0.246	-0.421	-0.48	-0.531	0.76**	0.352	0.383	-0.58*	0.497

新窗口打开

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图32012、2013和2014年拔节期主成分双因素图
-->Fig. 3Principle components analysis at jointing stage in 2012, 2013 and 2014
-->

玉米产量与吐丝期各因子的主成分分析（图4）,表明籽粒产量和吐丝期地上部生物量及氮素累积量、根系生物量、根际和非根际土壤硝态氮含量、根际土壤铵态氮含量和土壤pH相关性较强。与CK相比,N240和N360处理地上部生物量和氮素累积量以及土壤无机氮含量均较高且土壤脲酶活性较强,而土壤pH较低,土壤过氧化氢酶活性较弱。与N240相比,N360处理虽然非根际土壤中无机氮含量较高,土壤pH和过氧化氢酶活性较低,但2个处理根际土壤硝态氮含量、地上部生物量和氮素累积量投影点相近、没有显著差异。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图42012、2013和2014年吐丝期主成分双因素图
-->Fig. 4Principle components analysis at silking stage in 2012, 2013 and 2014
-->

成熟期主成分分析（图5）,表明2013和2014年玉米籽粒产量与地上部生物量和氮素累积量夹角很小、相关性强。与N240相比,N360处理土壤无机氮含量较高、土壤pH和过氧化氢酶活性均较低,但2个处理产量和地上部氮素累积量差异较小。这表明在N240处理基础上继续增施氮肥不仅没有提高产量,而且可能造成成熟期土壤中可利用性氮素过度累积和土壤环境恶化。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图52012、2013和2014年成熟期主成分双因素图
-->Fig. 5Principle components analysis at maturity stage in 2012, 2013 and 2014
-->

3 讨论

3.1 玉米不同生育期土壤特性与籽粒产量的关系

玉米籽粒产量与不同生育时期的土壤特性密切相
关^[22]。相关分析和主成分分析均表明,玉米籽粒产量与拔节、吐丝和成熟期根际土壤硝态氮含量呈显著正相关（表4和图3—图5）。硝态氮是玉米吸收氮素的主要形式^[12],玉米生长发育过程中土壤可利用性氮素的供应,能够促进根系生物量增加,扩大根系养分吸收面积,为地上部生长发育提供养分^[11]。ZHANG等^[17]研究发现玉米生育期土壤微生物群落结构和酶活性呈动态变化,这些活性变化改善了土壤可利用性氮素的供应,能够促进玉米产量的提高。本研究发现玉米籽粒产量与拔节期和吐丝期土壤pH均呈显著负相关（表4、图3—图4）,这表明在一定范围内适度的土壤酸化可能会促进土壤养分的活化,提高产量^[11]。与CK相比,拔节期和吐丝期N240和N360处理非根际土pH降低,可能是因为尿素在土壤中转化为铵态氮进而在微生物的作用下转化为硝态氮的过程中,释放的H⁺较多使得土壤变酸^[10],而根际土pH降低则可能是玉米根吸收铵态氮过程中为保持电荷平衡释放质子的原因^[23]。玉米土壤过氧化氢酶活性与土壤pH呈正相关（图3—图5）,随着pH减小土壤过氧化氢酶活性降低,土壤解毒功能也下降;当pH<5.0时,过氧化氢酶活性几乎完全丧失^[24]。因此,适宜的氮肥用量能够降低拔节期和吐丝期土壤pH,酸化土壤,促进土壤养分活化和供应;而氮肥过量,土壤严重酸化、土壤解毒功能显著降低,反而不利于增加作物籽粒产量。
玉米籽粒产量与吐丝期植株地上部和地下部生物量以及它们的氮素累积量呈显著正相关,而且与玉米根际和非根际土壤硝态氮含量、根际脲酶活性以及土壤pH显著相关（表4、图4）,这表明玉米籽粒产量的增加不仅依赖地上部养分转运再分配和根部养分吸收能力,而且需要根际土壤和非根际土壤提供大量的可利用性养分^[25]。王璞等^[26]研究认为吐丝期土壤可利用性氮素充足供应,显著提高子粒第二灌浆峰值,促进子粒氮素积累,提高玉米籽粒产量。玉米籽粒产量与成熟期根际硝态氮的相关性表明（表4、图5）,后期适宜的可利用性氮素供应,可以维持根系功能,减少细胞中对生物体有害的活性氧产生和积累,防止早衰,避免减产^[27]。而产量与成熟期地上部生物量、地上部氮素累积量以及根系生物量的相关性（表4、图5）表明籽粒产量高低更多的与成熟期植株体内物质和养分的转运有关^[28-29]。由此看出,拔节期玉米根际土壤可利用性氮素供应是构建根系丰产群体、稳定玉米产量的基础;吐丝期不仅需要根际土壤和非根际土壤提供充足的可利用性养分,而且需要良好的根际微环境以促进根系生长和养分吸收;玉米生育后期根际土壤可利用性氮素的合理供应能够防止玉米根系早衰。

3.2 氮肥用量改变土壤特性影响玉米籽粒产量

土壤氮素营养状况是影响玉米生长、发育并决定籽粒产量的主要因素^[30],而不同的氮肥用量显著改变了玉米根际土壤特性,这可能是影响籽粒产量的重要原因之一^[31]。与不施肥相比,施肥以后土壤可利用性氮素增加,微生物活性和功能（脲酶、过氧化氢酶）增强,促进玉米根系养分吸收,增加籽粒产量^[32],但是过量施用氮肥则会降低产量。过量施用氮肥一方面改变了玉米根际和非根际土壤特性和微环境,进而影响植株对养分的吸收和利用^[33]。刘宏胜等^[34]研究认为,不同施肥水平下随着肥料用量的增加,脲酶和过氧化氢酶活性呈现先增加后下降的趋势。本研究发现,与N240相比N360处理土壤pH、脲酶和土壤过氧化氢酶活性均降低（图3—图4）,表明进一步增加氮肥用量后土壤变酸,解毒能力降低,土壤微环境变化影响根系生长发育,降低根系对养分的吸收^[9,11],而玉米产量和氮素累积量降低也印证了这一机制（图2）。
另一方面,随氮肥用量的增加,植物体内氮素含量可能作为局部和远程信使调节自身对氮素吸收,而根系的模块化结构使植株在生长过程能够灵敏的感知和捕捉土壤养分的这些变化^[12,32]。与N240相比,继续增施氮肥后尽管增加了拔节期和吐丝期根际土和非根际土铵态氮含量,然而并没有提高地上部生物量和氮素累积量,这表明在N240基础上继续增施氮肥后,为避免地上部植株积累过量氮素,影响植物光合线性电子传递,降低光合作用^[12,35-36],植株体内硝态氮作为直接信号可能对玉米根系的养分吸收产生了反馈^[12],抑制根系生长并降低养分吸收量^[37]。拔节期和吐丝期N360处理非根际土壤无机氮和根际铵态氮含量均较高,而根际土壤硝态氮含量没有继续增加,也表明继续增施氮肥后根际土壤铵态氮向硝态氮的微生物转化过程可能受到了抑制^[38]。
长期定位试验随着年份的增加,施肥处理之间的土壤特性也会发生变化。主成分分析表明,2012—2014年第一主成分和第二主成分之和呈逐渐增加的趋势（图3—图5）,这表明随着处理的进行土壤各指标对施肥处理的解释更全面,且处理之间的分离更明显。与2012年相比,2013—2014年CK处理的pH有上升的趋势,而土壤无机氮含量呈下降的趋势;与2012年不同,2013和2014年N240和N360 2个处理土壤无机氮含量出现了差别,脲酶和过氧化氢酶活性也随着施氮量增加而下降进而产生差异（表4、图3—图5）。这表明,氮素供应不足会影响玉米群体构建、植株中后期养分吸收严重不足造成早衰,进而减产;而过量施入氮肥不仅会造成土壤环境恶化、氮素转化受阻,而且玉米植株养分吸收和籽粒产量也不再增加,浪费资源,降低经济效益甚至污染环境。

4 结论

施氮肥条件下玉米不同生育时期的根际土壤特性与籽粒产量的高低密切相关。根际作用主要是通过改善作物可利用性氮素的供应影响产量的变化,其中,拔节期根际土壤硝态氮、吐丝期根际和非根际土壤硝态氮以及成熟期土壤硝态氮均与籽粒产量显著相关。根际作用另一方面则是通过改善根系微环境维持较好的土壤解毒能力,保证土壤氮素转化和供应顺利进行,促进根系生长和根系吸收养分吸收,防止根系早衰。生产上应根据玉米不同生育时期的根际特性进行合理施肥,既保障玉米不同生育时期对养分的需求,又营造良好的根际土壤环境,提高氮素利用效率,促进产量增加。
The authors have declared that no competing interests exist.