0 引言
【研究意义】玉米是中国重要的粮食作物、饲料作物和工业原料作物,在保障国家粮食安全方面作用巨大。根系是主要的吸收器官,其生长发育、在土壤中的分布动态关系着作物吸收水肥的能力[1-2],而根系分布动态与土壤养分、水分分布动态的吻合程度决定着作物水肥的吸收利用。水分和氮肥是影响作物生长发育、产量形成的基本环境因子,适宜的水氮供给关系着作物高产高效。硝态氮是作物重要的氮素营养形态。因此,研究夏玉米根系与土壤硝态氮空间分布吻合度及其对水氮处理的响应,对于指导夏玉米水氮管理具有重要意义。【前人研究进展】前人研究表明随着土层加深玉米根长和根干重递减[3],随着玉米生育进程,上层土壤玉米根系分布比例下降而下层土壤根系比例增加[4]。施肥方式可以调控玉米根系生长与分布。漆栋良等[5]研究表明在玉米行两侧均匀施氮可增加玉米根量,使根系水平分布更均匀,提高0—40 cm土层玉米根长密度,而在玉米行一侧固定施肥增加60—100 cm土层玉米根长密度。宋日等[6]研究表明垄沟追肥促使玉米根系向纵深发展,增加中、深层根干重,且施肥越深玉米中、深层根干重增加幅度越大。同时,肥料种类和施用量也影响着玉米根系分布。易镇邪等[7]研究得出复合肥对夏玉米生育前期根系生长下扎有较大抑制作用。而接触施用控释肥提高了玉米植株周围10 cm范围内的根长密度[8]。低氮水平有利于根系下扎而高氮水平促进根系横向伸展[9],追施氮肥可以提高0—40 cm土层根重,且吐丝期追施氮肥效果较好[10]。土壤硝态氮是作物重要的氮素来源,同时也是主要的农业面源污染物,其含量及在土壤剖面上的分布受到广泛关注[11-14]。前人开展了大量关于施氮量[15-17]、耕作方式[18]、栽培模式[19]、水氮耦合[20-21]等措施对农田土壤硝态氮分布和淋溶影响的研究。【本研究切入点】作物根系与土壤矿质营养在土壤中分布的空间吻合程度关系到作物对肥料的吸收利用以及作物产量的形成。前人虽然在水氮管理对玉米根系生长分布、土壤硝态氮分布和运移等方面做了大量研究,但关于水氮管理对玉米根系与土壤硝态氮空间吻合度方面的研究还鲜见报道。本文提出空间吻合度的概念,作为表示玉米根系与土壤硝态氮在空间分布上吻合程度的量化指标,来探讨水氮处理对根系与土壤硝态氮空间吻合度的影响。【拟解决的关键问题】本研究在大田条件下,研究6种水肥处理对夏玉米根系生长分布、根系与土壤硝态氮空间吻合度的影响,明确根系与土壤硝态氮空间吻合度指标在研究作物吸收利用营养元素方面的有效性,以期为玉米氮素高效利用提供理论指导。1 材料与方法
1.1 试验设计
于2011—2015年玉米生长季,在河南省温县祥云镇国家粮丰工程试验基地进行了水氮试验处理。采用裂区试验设计,水分管理为主区,氮肥管理为副区。足墒播种条件下,水分因素设2个水平：不灌水（W0）,大喇叭口期灌水750 m3·hm-2（W1）。前期的研究得出试验区中产田推荐施氮量为300—400 kg·hm-2[22],因此本研究中氮肥因素设3个水平：不施氮（N0）,施氮300 kg·hm-2（N1）,施氮360 kg·hm-2（N2）。其中30%于拔节期沟施,70%于大喇叭口期沟施。试验共计6个处理,3次重复,小区面积73.2 m2（12 m×6.1 m）。供试品种为郑单958,60 cm等行距种植,株距22.22 cm,密度75 000株/hm2。拔节期各处理沟施硫酸钾及重过磷酸钙,施用量分别为K2O 200 kg·hm-2和P2O5 125 kg·hm-2,其他管理措施同一般高产田。试验田土壤基础状况见表1。在连续5年定位试验的基础上,于2015年玉米生长季采样调查夏玉米根系与土壤硝态氮空间吻合度。6—9月试验区常年平均降水量346.6 mm,2015年同期降水330.4 mm（图1）,与常年平均较接近。Table 1
表1
表1试验田土壤容重、pH及基础肥力状况
Table 1Soil bulk density, pH values and the basic index
| 土层深度 Soil depth (cm) | 土壤容重 Soil bulk density (g·cm-3) | pH | 土壤有机质 Organic matter (g·kg-1) | 速效氮 Available N (mg·kg-1) | 速效磷 Available P (mg·kg-1) | 速效钾 Available K (mg·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0-10 | 1.32 | 8.02 | 15.90 | 117.23 | 24.31 | 222.07 |
| 10-20 | 1.39 | 8.16 | 13.31 | 102.14 | 20.60 | 197.88 |
| 20-30 | 1.52 | 8.27 | 10.87 | 88.97 | 8.21 | 152.29 |
| 30-40 | 1.62 | 8.19 | 9.43 | 60.45 | 6.23 | 120.37 |
| 40-50 | 1.67 | 8.30 | 6.82 | 36.76 | 6.05 | 87.45 |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1试验期间降水量
-->Fig. 1Precipitation during maize season (2015)
-->
1.2 测定项目与方法
2015年玉米生长季,分别于拔节期、大喇叭口期、吐丝期、吐丝后20 d和成熟期按照0—10、10—20、20—30、30—40和40—50 cm分层挖取土体。先挖取种植行土体：以玉米植株为中心,水平方向上垂直于玉米种植行土体宽20 cm,平行于玉米种植行土体长22.22 cm。然后挖取行间土体：垂直于玉米种植行向行间挖取,长宽与种植行土体相同。采样位置如图2所示,每小区设置3个采样点。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2采样位置示意图
黑点表示玉米种植位置。A和B分别表示种植行和行间。下同
-->Fig. 2Schematic diagram of sampling locations
Black spot means maize planting site. A and B mean location at the maize planting row and between the maize planting row, respectively. The same as below
-->
1.2.1 根长密度和根干重密度 每个土体经过田间分捡后,将根样装入尼龙网,在水中浸泡30 min,而后用水冲洗干净,挑出杂质和杂根后人工测量 根长,然后烘干后称重。计算根长密度和根干重密度。
1.2.2 土壤硝态氮 将每个土体土壤混匀后采集土壤样品,称取12 g新鲜土壤样品于250 mL的塑料瓶中,加入100 mL 0.01 mol·L-1的CaC12溶液,振荡1 h,过滤,采用连续流动分析仪（BRAN+ LUEBBE）测定土壤硝态氮含量。若不能当天测定,在4℃冰箱中保存。
1.2.3 空间吻合度计算 本文以根密度与土壤硝态氮含量的乘积来计算空间吻合度,具体如下：
种植行根长密度与土壤硝态氮空间吻合度（RLD1- N）=种植行根长密度×土壤硝态氮含量;
行间根长密度与土壤硝态氮空间吻合度（RLD2- N）=行间根长密度×土壤硝态氮含量;
种植行根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度（RWD1-N）=种植行根干重密度×土壤硝态氮含量;
行间根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度（RWD2-N）=行间根干重密度×土壤硝态氮含量。
1稿件中籽粒产量的测定出现了重复。所以进行了修改,并调整了顺序。.2.4 籽粒产量 于成熟期在每个小区中心收获18 m2（6 m×3 m）玉米,果穗风干、脱粒、称质量,得到籽粒产量。
1.2.5 氮素利用效率 于成熟期进行采样,将叶、茎鞘、苞叶、穗轴与籽粒等器官分别装袋,于105℃字体有问题。下杀青1 h,然后在80℃字体有问题。下烘至恒重。用凯氏定氮法测定各器官含氮量[23],计算玉米植株氮积累量。
氮素利用效率（NUE）=籽粒产量/植株氮积累量。
1.3 试验数据处理
试验数据用SPSS16.0进行统计分析,置信水平为α=0.05。2 结果
2.1 水氮处理下夏玉米根系空间分布
2.1.1 夏玉米根长密度 随着生育进程,各处理下种植行和行间0—50 cm土壤剖面夏玉米根长密度均呈先增加后降低的变化趋势,峰值出现在吐丝后20 d（图3）。在0—360 kg·hm-2的范围内,随着施氮量的增加,夏玉米根长密度总体呈现增加趋势。与不施氮相比,N1和N2处理下种植行夏玉米根长密度分别比N0处理提高了7.36%和9.38%,行间夏玉米根长密度分别提高了8.13%和8.81%。同时,在吐丝后20 d和成熟期,N2处理下种植行和行间夏玉米根长密度显著高于N0处理,表明与不施氮相比,施用360 kg·hm-2的氮肥可以显著提高夏玉米生育后期根长密度。灌溉可以提高夏玉米种植行和行间根长密度,分别提高了10.70%和9.87%。除了成熟期N1和N2处理下行间根长密度外,在吐丝后20 d和成熟期,各施氮水平灌溉处理下的根长密度均显著高于不灌溉处理,表明进行大喇叭口期灌溉可以增加夏玉米生育后期根长密度。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3水氮处理下0—50 cm土壤剖面夏玉米根长密度
JS、MTS、补充不同小写字母的图注。已补充SS、20AS和MS分别表示拔节期、大喇叭口期、吐丝期、吐丝后20 d和成熟期。同生育时期不同小写字母表示在0.05水平差异显著。A和B分别表示种植行和行间。下同
-->Fig. 3Maize root length density in 0-50 cm soil profile under different water and nitrogen treatments
JS, MTS, SS, 20AS, and MS mean jointing stage, male tetrad stage, silking stage, 20 days after silking stage, and maturity stage, respectively. Different lowercase letters in same growth period mean significant difference at the 0.05 level. A and B mean location at the maize planting row and between the maize planting row, respectively. The same as below
-->
2.1.2 夏玉米根干重密度 从图4可以看出,随着生育进程,各处理下种植行和行间0—50 cm土壤剖面夏玉米根干重密度均呈先增加后降低的变化趋势,峰值出现在吐丝后20 d。与不施氮相比,N1和N2处理下种植行夏玉米根干重密度分别比N0处理提高了8.10%和6.58%,行间夏玉米根干重密度分别提高了7.50%和5.96%,表明施用氮肥可以提高夏玉米根干重密度,但施氮量超过300 kg·hm-2时根干重密度有降低趋势。灌溉可以提高夏玉米种植行和行间根干重密度,分别提高了9.89%和10.59%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4水氮处理下0—50 cm土壤剖面夏玉米根干重密度
-->Fig. 4Maize root dry weight density in 0-50 cm soil profile under different water and nitrogen treatments
-->
2.2 水氮处理下土壤硝态氮空间分布
从图5可以看出,随着玉米生育进程,各处理下夏玉米种植行和行间0—50 cm土壤剖面硝态氮含量均表现出先升高后降低变化趋势,峰值出现在大喇叭口期。在0—360 kg·hm-2范围内,随着施氮量的增加,吐丝期之前土壤硝态氮含量呈增加趋势,而吐丝后20 d和成熟期土壤硝态氮含量呈先增加后降低趋势,峰值出现在300 kg·hm-2施氮量处理。总体上,与不施氮相比,N1和N2处理下种植行土壤硝态氮含量分别比N0处理提高了16.68%和15.64%,行间土壤硝态氮含量分别提高了15.47%和14.45%。同时,灌溉处理下土壤硝态氮含量低于不灌溉处理,夏玉米种植行土壤硝态氮含量平均降低6.23%,行间土壤硝态氮含量平均降低6.63%,但施氮量相同时,不同灌溉水平间差异不显著。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5水氮处理下0—50 cm土壤剖面硝态氮含量
-->Fig. 5The soil nitrate content in 0-50 cm soil profile under different water and nitrogen treatments
-->
2.3 夏玉米根系与土壤硝态氮空间分布吻合度
2.3.1 种植行根长密度与土壤硝态氮空间吻合度 在0—50 cm土壤剖面中,种植行夏玉米根长密度与土壤硝态氮空间吻合度（RLD1-N）随着土层加深总体呈降低趋势（表2）。随着夏玉米生育进程,各土层RLD1-N总体呈先升高后降低变化趋势,但各土层峰值出现时期不同。0—10 cm峰值出现在吐丝期,10—20 cm不施肥处理峰值出现在吐丝期,施肥处理峰值出现在吐丝后20 d,20—30 cm N0和N1处理峰值出现在大喇叭口期,N2处理峰值出现在吐丝后20 d,30—40 cm和40—50 cm土层峰值出现在大喇叭口期至吐丝期。Table 2
表2
表2种植行夏玉米根长密度与土壤硝态氮空间吻合度
Table 2The spatial concordance index between the density of maize root length and soil nitrate content in the maize planting row
| 生育时期 Growth period | 土层深度 Soil depth (cm) | 处理Treatment | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| W0N0 | W0N1 | W0N2 | W1N0 | W1N1 | W1N2 | ||
| 拔节期 Jointing stage | 0-10 | 4.226c | 6.948a | 5.705b | 4.227c | 7.354a | 5.763b |
| 10-20 | 4.105c | 6.790a | 4.945b | 4.126c | 6.678a | 5.104b | |
| 20-30 | 1.310c | 3.171b | 4.059a | 1.466c | 3.184b | 3.925a | |
| 30-40 | 2.485bc | 2.777b | 3.993a | 2.271c | 2.706b | 3.861a | |
| 40-50 | 0.634b | 1.081a | 1.014a | 0.584b | 1.036a | 0.980a | |
| 大喇叭口期 Male tetrad stage | 0-10 | 8.484b | 20.564a | 23.717a | 8.066b | 22.641a | 24.188a |
| 10-20 | 6.456c | 24.634a | 17.458b | 6.813c | 26.314a | 18.115b | |
| 20-30 | 5.264c | 15.219a | 6.817b | 5.806bc | 15.244a | 6.511b | |
| 30-40 | 5.425c | 5.475c | 11.43b | 5.307c | 5.503c | 12.558a | |
| 40-50 | 3.562b | 5.132a | 2.932c | 3.546b | 4.995a | 3.306bc | |
| 吐丝期 Silking stage | 0-10 | 16.049b | 32.184a | 29.263a | 16.092b | 32.326a | 29.482a |
| 10-20 | 10.350d | 14.661c | 16.225ab | 11.017d | 14.844bc | 17.139a | |
| 20-30 | 4.702c | 6.846a | 6.396a | 5.388b | 6.403a | 6.158a | |
| 30-40 | 2.520c | 7.168a | 4.545b | 2.578c | 7.073a | 4.844b | |
| 40-50 | 2.012c | 6.117a | 3.029b | 2.036c | 5.934a | 3.348b | |
| 吐丝后20 d 20 days after silking stage | 0-10 | 15.871d | 28.235c | 31.325b | 15.404d | 29.337bc | 34.820a |
| 10-20 | 9.203b | 23.718a | 24.739a | 9.513b | 23.725a | 25.620a | |
| 20-30 | 5.765c | 4.348d | 7.595a | 6.649b | 4.184d | 7.446a | |
| 30-40 | 2.360d | 4.274c | 5.091b | 2.020d | 4.333c | 5.797a | |
| 40-50 | 4.745a | 3.395bc | 3.130c | 4.727a | 3.559b | 3.736b | |
| 成熟期 Maturity stage | 0-10 | 8.061c | 9.348ab | 9.788a | 8.486bc | 9.943a | 10.015a |
| 10-20 | 2.655d | 11.907b | 9.536c | 2.821d | 12.939a | 10.237c | |
| 20-30 | 4.850b | 2.575d | 4.264c | 5.371a | 2.757d | 4.279c | |
| 30-40 | 1.483c | 2.002b | 2.290a | 1.505c | 1.983b | 2.402a | |
| 40-50 | 0.844c | 1.130b | 1.375a | 0.890c | 1.167b | 1.371a | |
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除了吐丝后20 d的20—30、40—50 cm和成熟期20—30 cm土层外,与N0相比,N1和N2处理显著提高了RLD1-N,分别提高87.27%和82.01%。在拔节至吐丝期,总体上N1处理RLD1-N高于N2处理,而在吐丝后20 d和成熟期则低于N2处理。大喇叭口期灌溉对RLD1-N影响不明显。
2.3.2 行间根长密度与土壤硝态氮空间吻合度 从表3可以看出,在0—50 cm土壤剖面中,行间夏玉米根长密度与土壤硝态氮空间吻合度（RLD2-N）随着土层加深总体呈先增加后降低趋势,峰值出现在10至30 cm土层。随着夏玉米生育进程,0—40 cm各土层RLD2-N总体呈先升高后降低变化趋势,峰值出现在大喇叭口期。而40—50 cm土层则呈波浪形变化,N0和N2处理峰值出现在吐丝后20 d,N1处理峰值出现在吐丝期。
Table 3
表3
表3行间夏玉米根长密度与土壤硝态氮空间吻合度
Table 3The spatial concordance index between the density of maize root length and soil nitrate content among the maize planting rows
| 生育时期 Growth period | 土层深度 Soil depth (cm) | 处理Treatment | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| W0N0 | W0N1 | W0N2 | W1N0 | W1N1 | W1N2 | ||
| 拔节期 Jointing stage | 0-10 | 1.121c | 2.204a | 1.765b | 1.122c | 2.273a | 1.653b |
| 10-20 | 2.620c | 4.660a | 3.436b | 2.683c | 4.552a | 3.458b | |
| 20-30 | 1.557c | 3.399b | 4.326a | 1.546c | 3.258b | 4.203a | |
| 30-40 | 0.822c | 1.241b | 1.592a | 1.003c | 1.107b | 1.562a | |
| 40-50 | 0.419b | 0.711a | 0.673a | 0.390b | 0.697a | 0.656a | |
| 大喇叭口期 Male tetrad stage | 0-10 | 2.239d | 7.227a | 5.864c | 2.370d | 6.797ab | 6.340bc |
| 10-20 | 4.205d | 15.184a | 9.702c | 4.185d | 15.638a | 11.135b | |
| 20-30 | 6.504b | 18.201a | 7.281b | 7.111b | 17.807a | 7.641b | |
| 30-40 | 4.294c | 5.097b | 10.684a | 5.071b | 4.876bc | 11.174a | |
| 40-50 | 1.602cd | 1.874b | 1.226e | 1.472d | 2.454a | 1.688bc | |
| 吐丝期 Silking stage | 0-10 | 1.357d | 3.023a | 2.505c | 1.336d | 2.801ab | 2.722bc |
| 10-20 | 2.898d | 4.729ab | 3.878c | 2.748d | 5.125a | 4.282bc | |
| 20-30 | 2.649b | 3.180a | 3.364a | 2.776b | 3.209a | 3.291a | |
| 30-40 | 1.443c | 3.667a | 2.553b | 1.421c | 3.879a | 2.773b | |
| 40-50 | 1.255c | 3.076a | 1.582b | 1.132c | 3.128a | 1.693b | |
| 吐丝后20 d 20 days after silking stage | 0-10 | 1.820d | 3.932b | 3.488c | 1.860d | 4.319a | 3.709bc |
| 10-20 | 2.951b | 7.836a | 7.885a | 2.933b | 8.048a | 8.060a | |
| 20-30 | 3.540c | 2.370d | 4.380a | 3.935b | 2.404d | 4.129ab | |
| 30-40 | 1.790c | 3.368b | 3.964a | 1.545c | 3.289b | 4.194a | |
| 40-50 | 4.466a | 2.876b | 2.940b | 4.429a | 2.979b | 3.315b | |
| 成熟期 Maturity stage | 0-10 | 0.826b | 0.949a | 0.840b | 0.822b | 0.977a | 0.960a |
| 10-20 | 1.249c | 5.562a | 4.122b | 1.289c | 5.785a | 4.359b | |
| 20-30 | 2.549ab | 1.486d | 2.352bc | 2.663a | 1.364d | 2.204c | |
| 30-40 | 1.037c | 1.341b | 1.554a | 1.037c | 1.362b | 1.676a | |
| 40-50 | 0.717d | 0.970c | 1.090b | 0.662d | 1.002c | 1.256a | |
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除了吐丝后20 d的40—50 cm和成熟期20—30 cm土层外,与N0相比,N1和N2处理显著提高了RLD2-N,分别提高87.47%和72.22%。在0—30 cm各土层,除了吐丝后20 d的10—30 cm土层,N1处理下RLD2-N均显著高于N2处理,提高了19.01%。而N2处理提高了40—50 cm土层RLD2-N,与N1相比,提高了18.07%。大喇叭口期灌溉对RLD2-N影响不明显。
2.3.3 种植行根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度 从表4可以看出,在0—50 cm土壤剖面中,种植行夏玉米根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度（RWD1-N）随着土层加深总体呈迅速降低趋势。随着夏玉米生育进程,各土层RWD1-N总体呈先升高后降低变化趋势,但各土层峰值出现时期不同。0—10、20—30和30—40 cm土层的峰值出现在吐丝期,10—20 cm不施肥处理峰值出现在吐丝期,施肥处理峰值出现在吐丝后20 d,而40—50 cm不施肥处理峰值出现在吐丝后20 d,施肥处理峰值出现在吐丝期。
Table 4
表4
表4种植行夏玉米根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度
Table 4The spatial concordance index between the density of maize root dry weight and soil nitrate content in maize planting rows
| 生育时期 Growth period | 土层深度 Soil depth (cm) | 处理Treatment | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| W0N0 | W0N1 | W0N2 | W1N0 | W1N1 | W1N2 | ||
| 拔节期 Jointing stage | 0-10 | 13.921d | 23.876b | 20.615c | 14.390d | 26.815a | 21.258c |
| 10-20 | 4.569d | 7.113b | 6.184c | 4.882d | 7.851a | 6.239c | |
| 20-30 | 2.092c | 4.458b | 6.133a | 2.185c | 4.251b | 6.236a | |
| 30-40 | 1.388cd | 1.516c | 2.019b | 1.283d | 1.941b | 2.722a | |
| 40-50 | 0.847c | 1.443b | 1.344b | 0.775c | 1.712a | 1.643a | |
| 大喇叭口期 Male tetrad stage | 0-10 | 73.825b | 181.458a | 179.196a | 69.440b | 193.451a | 189.095a |
| 10-20 | 6.280c | 24.998a | 16.902b | 6.576c | 25.490a | 18.072b | |
| 20-30 | 5.450c | 14.653a | 6.593b | 5.313c | 14.145a | 6.165bc | |
| 30-40 | 3.989cd | 3.778d | 7.831b | 4.493c | 4.375c | 8.926a | |
| 40-50 | 1.628cd | 1.902b | 1.728bc | 1.482d | 2.475a | 1.687bcd | |
| 吐丝期 Silking stage | 0-10 | 82.516b | 168.990a | 155.536a | 85.741b | 166.509a | 157.671a |
| 10-20 | 14.503c | 24.801a | 21.735b | 15.277c | 25.275a | 23.126ab | |
| 20-30 | 4.501b | 6.064a | 6.579a | 5.023b | 6.151a | 6.217a | |
| 30-40 | 2.708d | 7.416a | 4.593c | 2.675d | 7.560a | 5.394b | |
| 40-50 | 1.142c | 3.298a | 1.989b | 1.224c | 3.472a | 1.964b | |
| 吐丝后20 d 20 days after silking stage | 0-10 | 69.392b | 136.709a | 145.452a | 72.973b | 135.283a | 146.216a |
| 10-20 | 9.191c | 24.487a | 22.752b | 9.194c | 24.330a | 25.667a | |
| 20-30 | 4.049c | 3.039d | 5.634a | 4.826b | 3.132d | 5.544a | |
| 30-40 | 1.523c | 3.287b | 3.975a | 1.412c | 3.092b | 4.086a | |
| 40-50 | 1.848a | 1.292b | 1.351b | 1.748a | 1.405b | 1.287b | |
| 成熟期 Maturity stage | 0-10 | 41.376ab | 44.670ab | 44.615ab | 41.258b | 46.735a | 46.458ab |
| 10-20 | 4.414c | 20.131a | 14.239b | 4.525c | 19.975a | 15.355b | |
| 20-30 | 0.461a | 0.248c | 0.398b | 0.470a | 0.218c | 0.451a | |
| 30-40 | 0.714d | 0.915c | 1.111b | 0.688d | 0.947c | 1.266a | |
| 40-50 | 0.418c | 0.522b | 0.631a | 0.398c | 0.544b | 0.621a | |
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除了吐丝后20 d的40—50 cm和成熟期0—10、20—30 cm土层外,与N0相比,N1和N2处理显著提高了RWD1-N,分别提高100.62%和96.11%。与N2相比,N1处理提高了0—20 cm土层RWD1-N,但降低了20—50 cm土层RWD1-N。大喇叭口期灌溉对RWD1-N影响不明显。
2.3.4 行间根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度 在0—50 cm土壤剖面中,行间夏玉米根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度（RWD2-N）随着土层加深总体呈先增加后降低趋势,峰值出现在10—30 cm土层（表5）。随着夏玉米生育进程,0—40 cm各土层RWD2-N总体呈先升高后降低变化趋势,峰值出现在大喇叭口期。而40—50 cm土层,N0处理峰值出现在吐丝后20 d,N1和N2处理峰值出现在吐丝期。
Table 5
表5
表5行间夏玉米根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度
Table 5The spatial concordance index between the density of maize root dry weight and soil nitrate content among maize planting rows
| 生育时期 Growth period | 土层深度 Soil depth (cm) | 处理Treatment | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| W0N0 | W0N1 | W0N2 | W1N0 | W1N1 | W1N2 | ||
| 拔节期 Jointing stage | 0-10 | 1.005d | 1.678b | 1.294c | 0.912d | 1.948a | 1.245c |
| 10-20 | 3.804b | 6.185a | 4.055b | 3.942b | 5.801a | 4.051b | |
| 20-30 | 2.397e | 5.405c | 6.990a | 3.006d | 4.904c | 6.144b | |
| 30-40 | 0.549bc | 0.611b | 0.804a | 0.513c | 0.547bc | 0.790a | |
| 40-50 | 0.000a | 0.000a | 0.000a | 0.000a | 0.000a | 0.000a | |
| 大喇叭口期 Male tetrad stage | 0-10 | 2.106c | 6.294ab | 5.851b | 2.406c | 6.459a | 6.232ab |
| 10-20 | 3.878c | 11.266a | 7.754b | 2.978c | 11.541a | 8.104b | |
| 20-30 | 5.882c | 17.14a | 8.006b | 6.236c | 16.471a | 7.997b | |
| 30-40 | 4.031c | 4.460c | 7.784b | 4.357c | 4.010c | 7.747a | |
| 40-50 | 1.257c | 1.858a | 1.608b | 1.181c | 1.770a | 1.498b | |
| 吐丝期 Silking stage | 0-10 | 0.871c | 1.574b | 1.513b | 0.811c | 1.839a | 1.720a |
| 10-20 | 2.877d | 3.844c | 4.621b | 2.970d | 4.483b | 5.191a | |
| 20-30 | 2.614d | 3.473a | 3.243ab | 2.899cd | 3.533ab | 3.112bc | |
| 30-40 | 1.195d | 3.075b | 2.276c | 1.248d | 3.400a | 2.249c | |
| 40-50 | 1.323de | 2.795b | 1.557d | 1.241e | 3.189a | 1.838c | |
| 吐丝后20 d 20 days after silking stage | 0-10 | 0.519d | 1.081c | 1.448a | 0.587d | 1.244b | 1.389a |
| 10-20 | 1.623c | 5.098a | 4.446b | 1.768c | 4.741ab | 4.742ab | |
| 20-30 | 2.263b | 1.700c | 2.767a | 2.489b | 1.575c | 2.930a | |
| 30-40 | 0.805d | 1.450c | 1.673b | 0.696d | 1.471c | 1.869a | |
| 40-50 | 1.873a | 1.216b | 1.255b | 1.746a | 1.261b | 1.292b | |
| 成熟期 Maturity stage | 0-10 | 0.199b | 0.260a | 0.252a | 0.234a | 0.247a | 0.241a |
| 10-20 | 0.595d | 2.178b | 2.034bc | 0.637d | 2.588a | 1.959c | |
| 20-30 | 1.061b | 0.627d | 0.904c | 1.333a | 0.636d | 0.925c | |
| 30-40 | 0.364c | 0.539b | 0.635a | 0.401c | 0.488b | 0.611a | |
| 40-50 | 0.168d | 0.284ab | 0.308a | 0.211c | 0.270b | 0.307a | |
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除了吐丝后20 d的20—30、40—50 cm和成熟期20—30 cm土层外,与N0相比,N1和N2处理显著提高了RWD2-N,分别提高91.32%和68.45%。总体上看,与N1处理相比,N2处理降低了拔节至吐丝期0—20 cm土层RWD2-N,但提高了吐丝后20 d和成熟期RWD2-N。大喇叭口期灌溉对RWD2-N影响不明显。
2.4 相关性分析
为了研究夏玉米根长、根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度指标的有效性,将空间吻合度指标、根长密度、根干重密度与夏玉米产量和氮素利用效率做了相关性分析,结果见表6。Table 6
表6
表6各指标相关性分析
Table 6The correlation coefficients among indexes
| 项目 Item | 产量 Yield | 氮素利用效率 NUE | RLD1-N | RLD2-N | RWD1-N | RWD2-N | RLD1 | RLD2 | RWD1 | RWD2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 产量 Yield | 1 | -0.62** | 0.71** | 0.66** | 0.71** | 0.69** | 0.69** | 0.68** | 0.61** | 0.58* |
| 氮素利用效率 NUE | 1 | -0.86** | -0.83** | -0.86** | -0.79** | -0.58* | -0.55* | -0.55* | -0.51* |
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从表6可以看出,产量及氮素利用效率与各空间吻合度指标和根系空间分布指标之间的相关性表现一致,产量均与之呈现显著正相关关系,氮素利用效率与之均呈现显著负相关关系。同时,氮素利用效率与根系土壤氮空间吻合度指标之间极显著相关,相关系数明显高于其与根系空间分布指标的相关系数。
3 讨论
3.1 根长密度与根干重密度对水氮处理的响应
玉米根系在土壤中的分布受土壤物理特性[24-25]、化学特性[26-27]等诸多因素影响。本研究表明大喇叭口期灌水可以提高夏玉米生育后期根长密度和根干重密度。同时随着施氮量增加,夏玉米根长密度不断增加,但玉米根干重密度先升高后降低,峰值出现在施氮300 kg·hm-2处理。这表明适宜施用氮肥有利于夏玉米根长生长发育,而过量施氮则会影响根系生长。武荣等[28]在小麦上研究也得出类似结论。3.2 土壤硝态氮含量对水氮处理的响应
在非淹水条件下,氮肥进入土壤后经硝化作用转化为硝态氮,同时硝态氮水溶性高易随水迁移,所以水氮处理对土壤硝态氮含量有明显的影响。大量研究表明,土壤剖面硝态氮含量随施氮量增加而增加[20, 29-31]。本研究表明随着施氮量增加,吐丝期之后土壤硝态氮含量先升高后降低。这可能是因为本试验在拔节与大口期施用氮肥,较高的施氮量促进了玉米生长和对土壤硝态氮的吸收利用所致。大喇叭口期灌水一方面可能促进了土壤硝态氮淋溶,另一方面提高了夏玉米根长密度和根干重密度,促进了对氮的吸收,使得夏玉米生育后期土壤硝态氮含量低于不灌水处理,这与前人研究结果一致[20-21]。3.3 夏玉米根系与土壤硝态氮空间吻合度对水氮处理的响应
根系具有一定向水性和向肥性[32],其生长与分布对土壤水分和肥力状况有一定响应,但这种响应也存在一定限度。而作物根系吸收的矿质营养主要来自于根际及其周围的土壤[33],所以根系吸收养分的能力一方面取决于根系的数量和分布,另一方面也取决于根系分布与土壤矿质养分分布的空间吻合程度。施用氮肥能促进作物对氮素的吸收,提高玉米产量[34],但过量的氮肥施用及灌溉会造成部分硝态氮淋溶[35],导致玉米吸氮量降低,无益于产量的提高[31]。其中一个重要原因就在于肥料分布范围超出了作物根系的分布及吸收范围,造成两者空间分布上的不一致。根系与土壤硝态氮空间吻合度可以同时表征这两方面特征,能更好地反映玉米对肥料的吸收能力,该指标与玉米产量及氮素利用效率的相关系数也说明了这一点,其可作为研究夏玉米氮素利用效率的有效指标。本研究中根系与土壤硝态氮空间吻合度对大喇叭口期灌水响应不明显,一方面可能是因为灌水增加了根长密度和根干重密度,但同时降低了土壤硝态氮含量所致。另一方面也可能由于在平水年份,仅大喇叭口期灌水不足以引起根系与土壤硝态氮空间吻合度的大幅度变化。可以在防水棚中进一步试验进行研究。
4 结论
在大田条件下,进行水氮处理明显促进了夏玉米根系生长,可以提高夏玉米根长密度和根干重密度。施用氮肥提高了土壤硝态氮含量以及种植行根长密度与土壤硝态氮空间吻合度（RLD1-N）、行间根长密度与土壤硝态氮空间吻合度（RLD2-N）、种植行根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度（RWD1-N）和行间根干重密度与土壤硝态氮空间吻合度（RWD2-N）。但施氮量超过300 kg·hm-2时,夏玉米根干重密度、吐丝期之前RLD1-N、上部土层的RWD2-N、RLD2-N和RWD1-N会降低,300 kg·hm-2的施氮量更有利于兼顾夏玉米产量和氮素利用效率。大喇叭口期灌水降低了土壤硝态氮含量,但在平水年对RLD1-N、RLD2-N、RWD1-N和RWD2-N作用不明显。根系与土壤硝态氮空间吻合度可以作为研究夏玉米氮素利用效率的有效指标。The authors have declared that no competing interests exist.
