0 引言
【研究意义】玉米是中国第一大粮食作物,在国家粮食安全中具有举足轻重的作用[1]。中国近年来的高产栽培表明,选育耐密型品种,采用高密度栽培是进一步提高玉米产量的主要途径[2-3]。尽管增加种植密度可以显著提高光、温、水、肥等的综合利用率,依靠群体增产潜力获得高产[4-5],然而,高密度种植加剧了玉米生长空间的压力,导致单株生长受到抑制,表现出根系变小、绿叶面积减小,单株产量降低,茎秆基部直径下降,倒伏率显著上升[6-7]。根系是吸收养分与水分的主要器官,其形态与生理特性对养分吸收有显著影响。研究夏玉米品种根系特性对密度响应的基因型差异,探明密植条件下耐密型夏玉米根系特性与氮素吸收、利用的关系,对于耐密型夏玉米品种的根系改良及密植条件下养分与水分管理具有重要意义。【前人研究进展】前人研究指出,植株吸收氮素由根系大小决定,根系越长、根表面积越大,植株吸收的氮素就越多[8-10]。种植密度的改变使玉米各生育阶段所处的环境条件发生变化,不仅影响玉米根系生长发育、数量和质量,而且还影响玉米对氮素的吸收、同化和分配[11-12]。戴俊英等[13]研究表明,单株根重、根长、根数均随种植密度的增加而明显降低;根系达到干重最大值后的下降速度加快,并且密度影响了根系干重在土壤中的垂直分布[14];宋日等[15]研究表明,增加种植密度可抑制玉米根系下扎,导致过多根系在表层土壤聚集,使玉米根系生长受抑制,氮素吸收效率下降。也有研究认为,玉米根系形状与氮素吸收的相关性并不显著[16-17],植物对氮的需求主要受地上部生长调节,植株地上部生物量大、长势好、新组织不断产生,对氮素的需求就大[18-19]。【本研究切入点】尽管关于密度对夏玉米产量及氮素利用的影响已有很多研究,有关玉米基因型[12, 20-22]、施氮量[21-22]、逆境胁迫[23]等对根系特性影响的研究也很多,但关于增密对夏玉米根系特性、氮素吸收与利用效率的影响研究较少。【拟解决的关键问题】本研究选择两种不同耐密型夏玉米品种,通过设置不同种植密度比较分析两品种根系特性对生长空间改变的响应,同时采用15N示踪的方法研究增密后夏玉米氮素吸收利用情况,以期为耐密品种选育及高产、高效玉米栽培提供理论依据。1 材料与方法
1.1 试验材料
选用不同耐密型夏玉米品种郑单958（ZD958,紧凑耐密植品种）与鲁单981（LD981,半紧凑稀植大穗型品种）为供试材料,于2014—2015年在山东农业大学黄淮海玉米科技创新中心（N36°18′,E117°12′）和作物生物学国家重点实验室进行。供试土壤为砂壤土,0—20 cm土层全氮含量0.89 g·kg-1,速效氮、速效磷、速效钾含量分别为84.5、50.65和86.15 mg·kg-1。1.2 试验设计
采用土柱栽培试验,以PVC板卷成直径分别为49.2 cm及39.3 cm（按5.25 及 8.25 plant/m2密度条件下单株所占面积设计土柱直径,分别用D1及D2表示）,高120 cm的圆柱筒,筒柱排放于事先挖好的长15 m、宽2 m、深120 cm 的长方形土坑中,按照田间土壤状况装入土柱,土柱周围用土填实,播种前进行灌水沉实,使土柱与大田状况尽可能一致,每个处理重复30次。各处理氮、磷、钾肥施用量为纯N 180 kg·hm-2,P2O5 120 kg·hm-2,K2O 240 kg·hm-2,即D1处理每个土柱施N 3.43 g,P2O5 2.29 g,K2O 4.57 g,D2处理每个土柱施N 2.18 g,P2O5 1.45 g,K2O 2.91 g。磷、钾肥于播种期一次性施入,氮肥于拔节期及大喇叭口期各施50%,每处理选取5株长势一致的植株,进行15N标记（选用15N尿素,丰度10.21%,15N尿素与普通尿素施用方法一致）。两年试验均于6月17日播种,每个土柱播种3粒,4叶期定苗为1株,10月8日收获。分别于拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）及完熟期（R6）系统取样,取样时每处理选取3株。将地上部取下后,105℃杀青30 min后80℃烘干至恒重,测定地上部生物量积累。根系取样时先将土柱挖出,将土柱中土壤装入网袋冲洗根系,剔除杂质后分析根系形态。收获期将15N标记植株按叶片、茎秆、叶鞘、苞叶、雄穗、籽粒及穗轴分开后烘干、称重、粉碎后备用,将剩余果穗进行考种、测产。
1.3 测定项目与方法
1.3.1根系形态及生理指标 采用亚甲基蓝吸附法测定根系总吸收面积及活跃吸收面积[24];采用HPScanjet 8200 扫描仪扫描根系图片后利用根系扫描仪配套软件（Delta-T Area Meter Type AMB2,Delta-T Devices Cambridge,UK）分析,测定根系长度（cm）,计算根长密度。根长密度（cm·cm-3）=根系长度（cm）/土壤体积（cm3）,即单位土体内根系的长度。扫描完的根系烘干后测定根系生物量。1.3.2 单株叶面积（LA） 于拔节期（V6）、大喇叭口期（V12）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）、蜡熟期（R5）及完熟期（R6）测量单株绿叶面积。
1.3.3 净光合速率（Pn） 采用CIRAS-2光合作用测定系统于抽雄期（VT）、灌浆期（R2）、乳熟期（R3）、蜡熟期（R5）及完熟期（R6）测定穗位叶净光合速率（Pn）。采用配置的LED红白光光源,设对照光强1 600 μmol·m-2·s-1。
1.3.4 植株含氮量测定 采用vario PYRO cube元素分析仪进行测定。
1.3.5 植株15N丰度值测定 采用Isoprime-100型稳定性同位素测定仪测定。
1.4 氮肥利用效率计算
氮素积累量（N accumulation amount,NAA,g/plant）=∑各器官含氮量（%）×干物质积累量（g）;15N原子百分超=15N丰度-0.3665;
植株所积累的氮素中来源于标记氮的比例（N proportion derived from fertilizer,NPDF,%）=植物样品中15N原子百分超/肥料中原子百分超×100;
植株积累的氮素来自肥料氮的量（N amount derived from fertilizer,NADF,g/plant）=植株积累的总氮量（g/plant）×植株积累的氮素来自肥料的比例;
植株积累的氮素来自土壤氮的量（N amount derived from soil,NADS,g/plant）=植株积累的总氮量（g/plant）-植株积累氮素来自肥料氮的量（g/plant）;
肥料氮回收率（N recovery rate,NRR,%）=植株积累的氮素来自肥料氮的量/施氮量×100;
氮肥偏生产力（N partial factor productivity,NPFP,kg·kg-1）=籽粒产量/施氮量;
氮利用效率（N use efficiency,NUE,kg·kg-1）=籽粒产量/植株氮素积累量。
1.5 数据分析
采用SPSS 19.0 软件LSD法进行统计分析,SigmaPlot 10.0 作图。因2014年与2015年各项指标变化趋势基本一致,本文重点以2014年数据进行详细说明。2 结果
2.1 产量及其构成因素
增加种植密度可显著提高夏玉米籽粒产量（表1,P<0.05）,2014年试验中LD981及ZD958分别增产16.1%与29.5%;低密度条件下,尽管两品种穗粒数与千粒重差异显著（P<0.05）,但因两者籽粒库容相近,单株籽粒产量差异不显著;高密度条件下两品种单株籽粒产量显著降低（P<0.05）,且LD981降低幅度较大,2014和2015年分别减产26.1%和27.0%,ZD958两年分别减产17.6%和16.5%,高密度条件下,ZD958单株籽粒产量较高的主要原因是其籽粒库容显著高于LD981。增密后两品种穗粒数及千粒重均显著降低,2014年试验中ZD958穗粒数与千粒重分别降低9.1%及2.0%,LD981分别降低15.4%及9.4%。Table 1
表1
表1不同耐性型夏玉米产量及构成因素
Table 1Grain yield and its components of different density-tolerance varieties of maize
| 年份 Year | 处理 Treatment | 产量 Grain yield （kg·hm-2） | 单株籽粒产量 Grain yield per plant (g/plant) | 单株生物量 Biomass (g/plant) | 穗粒数 Kernels per plant (No./ear) | 千粒重 1000-kernel weight (g) | 籽粒库容（穗粒数×粒重） Seed set (kernels per plant×kernel weight) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2014 | LD981D1 | 10361.9c | 197.37a | 373.04a | 638.05a | 312.45c | 199.35a |
| LD981D2 | 12031.8b | 145.84c | 331.45c | 539.70d | 282.99d | 152.75c | |
| ZD958D1 | 10259.5c | 195.42a | 352.67b | 592.67b | 327.84a | 194.29a | |
| ZD958D2 | 13286.6a | 161.05b | 306.29d | 539.00c | 321.37b | 173.20b | |
| 2015 | LD981D1 | 10149.8c | 193.33a | 366.88a | 636.65a | 311.85c | 198.52a |
| LD981D2 | 11645.7b | 141.16c | 328.28c | 545.65d | 283.71d | 154.80c | |
| ZD958D1 | 10074.7c | 191.90a | 346.35b | 598.00b | 328.93a | 196.71a | |
| ZD958D2 | 13223.1a | 160.28b | 300.40d | 535.50c | 321.80b | 172.32b |
新窗口打开
2.2 根系重量与根冠比变化动态
两品种根系生物量在不同密度处理下表现出显著差异（图1）。两种植密度下,两品种根系生物量均呈单峰曲线变化,D1条件下,两者均在乳熟期达到峰值,而D2条件下则在抽雄期达到峰值,说明增加种植密度能够加速夏玉米根系衰老进程。2014年试验中,低密度下,乳熟期前LD981根系干重均高于ZD958,尤其在抽雄期及乳熟期达到显著水平（P<0.05）,分别高10.3%（VT）及12.4%（R3）,乳熟期后由于LD981衰老速度较快,完熟期其根系生物量较ZD958低7.6%;高密度下,抽雄期两者根系生物量差异不显著,乳熟期及完熟期,LD981根系生物量较ZD958低8.9%（R3）及27.7%（R6）,且均达到显著水平（P<0.05）。由图1可知,两品种根冠质量比均随生育进程下降;不同密度下两品种根冠质量比差异不显著;增加种植密度降低两品种各生育时期根冠质量比,但均未达到显著水平。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1夏玉米根系生物量及根冠生物量变化动态
V6：拔节期;V12：大口期;VT：抽雄期;R3：乳熟期;R6：完熟期。下同
-->Fig. 1Dynamics of root biomass and root/shoot in biomass of summer maize
V6: 6th leaf stage; V12: 12th leaf stage; VT: Tasseling stage; R3: Milk stage; R6: Maturity. The same as below
-->
2.3 根长及根长密度
各处理单株根系长度随生育进程呈先增后降趋势,均在乳熟期达到峰值（图2）。2014年试验中,D1处理下乳熟期LD981及ZD958单株根长分别为333.1 m及309.3 m,乳熟期后两品种单株根长迅速下降,且LD981下降速度较快。增密显著降低两品种除拔节期外各生育时期单株根长,且LD981降低幅度大于ZD958,分别降低23.7%（V12）、24.0%（VT）、24.6%（R3）及24.9%（R6）,ZD958分别降低17.3%（V12）、16.5%（VT）、12.8%（R3）及19.4%（R6）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2夏玉米单株根长及根长密度的动态变化
-->Fig. 2Dynamics of root length per plant and root length density of summer maize
-->
根长密度是用来表示单位土壤体积根量多少的指标,相同密度条件下根长密度变化趋势与根长一致（图2）。增加种植密度,尽管单株根长降低,但由于单株所占土地面积减少,根长密度显著提高,2014年试验中,LD981根长密度在拔节期、大口期、抽雄期、乳熟期及晚熟期分别增加54.3%、18.6%、18.2%、17.1%及16.8%;ZD958分别增加49.5%、28.5%、29.8%、35.6%及25.3%。
2.4 根系表面积及活跃吸收面积
两品种根系表面积均随着生育进程呈先增后降变化趋势,于抽雄期取得最大值（图3）,两年试验结果一致。低密度条件下,抽雄期前LD981表面积大于ZD958,且在抽雄期达到显著水平（P<0.05）;抽雄期后LD981根系表面积下降速度大于ZD958,乳熟期两品种差异不显著,完熟期LD981显著低于ZD958（P<0.05）。增密显著降低两品种除拔节期外各生育时期根系表面积,且对LD981影响较大,2014年大喇叭口期、抽雄期、乳熟期及完熟期LD981分别降低13.3%、14.7%、17.4%及29.0%,ZD958分别降低9.8%、9.7%、13.6%及18.6%。D2处理下,抽雄前两品种根系表面积差异不显著,但在乳熟期及完熟期LD981显著低于ZD958。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3夏玉米根系表面积及活跃吸收面积动态变化
-->Fig. 3Dynamics of root surface and active absorbing area of summer maize
-->
活跃吸收面积表示根系把吸附在根系表面的物质转移到细胞内的情况,可反映养分的吸收与转运能力。两品种根系活跃吸收表面随生育时期及密度的增加变化趋势与表面积一致,但两品种在两密度下差异情况与表面积略有不同（图3）。D1下,LD981活跃吸收面积在抽雄期前大于ZD958,均未达到显著水平;抽雄期后LD981活跃吸收面积下降幅度较大,导致在乳熟期及完熟期显著低于ZD958。D2下,除拔节期外ZD958活跃吸收面积均显著大于LD981。
2.5 单株叶面积及根冠面积比
两品种单株叶面积随生育进程呈单峰曲线变化,均在抽雄期达到最大值（图4）。增密显著降低两品种绿叶面积,2014年LD958与ZD958抽雄期分别降低7.9%及4.0%。与抽雄期单株绿叶面积相比,LD981成熟期D1及D2条件下,降幅分别为64.9%及69.2%,ZD958分别为35.7%及39.4%,说明增加种植密度加速了叶片衰老进程,且对LD981影响较大。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4夏玉米单株叶面积及根冠活性面积比的动态变化
-->Fig. 4Dynamics of leaf area per plant and root/shoot ratio in active area of summer maize
-->
根冠活性面积比为单株根系活跃面积与冠层绿叶面积之比,反应根层与冠层活性的相关性。除拔节期外,两种植密度下,ZD958根冠活性面积比均显著高于LD981（图4）。增密显著降低两品种的根冠活性面积比,2014年试验中,LD981抽雄期与完熟期分别降低16.8%及21.7%,ZD958分别降低13.0%及19.0%,说明随生育进程的推进,根层较冠层衰老速度快,且根层活性受增密影响大于地上部。
2.6 净光合速率
随生育进程推进夏玉米开花后穗位叶净光合速率呈先增后降趋势,在灌浆期（R2）取得最大值,各处理表现趋势一致（图5）。D1条件下,灌浆期前LD981穗位叶净光合速率略高于ZD958;灌浆期后低于ZD958,且在乳熟期与蜡熟期显著低于ZD958（P<0.05）,两年分别较ZD958低7.3%（R3）、31.2%（R5）及8.0%（R3）、29.4%（R5）;完熟期LD981穗位叶完全干枯,不再进行光合作用,而ZD958还保持相对较高的光合速率。增密显著降低两品种净光合速率,灌浆期LD981净光合速率降低9.97%,ZD958降低6.48%。D2下,ZD958各生育时期净光合速率均高于LD981,且在乳熟期后达到显著水平（P<0.05）,说明ZD958花后光合高值持续期较长,衰老缓慢,且受增密影响小。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5增密对夏玉米穗位叶净光合速率的影响
R2：灌浆期;R5：蜡熟期
-->Fig. 5Effects of plant density on the net photosynthetic rate of the ear leaf of summer maize
R2: Filling stage; R5: Dough stage
-->
2.7 氮素吸收与利用效率
由表2可以看出,两密度下,LD981单株氮素积累量均显著高于ZD958（P<0.05）,D1下高5.4%,D2下高3.6%;增密显著降低夏玉米单株氮素积累量,LD981降低13.4%,ZD958降低12.0%。植株氮素积累主要由土壤氮及肥料氮组成,LD958吸收氮素25.8%来自肥料氮,74.2%来自土壤;ZD958 29.6%来自肥料氮,70.4%来自土壤。两品种植株土壤氮及肥料氮积累量均随密度增密而降低,但肥料氮所占比例不受种植密度增大的影响,LD981土壤氮及肥料氮分别降低14.3%及13.1%,ZD958分别降低13.1%及11.5%。Table 2
表2
表2增密对夏玉米氮素吸收与利用效率的影响
Table 2Effects of plant density increase on N accumulation and use efficiency of summer maize
| 年份 Year | 处理 Treatment | 氮素积累量 NAA (g/plant) | 肥料氮 DADF (g/plant) | 土壤氮 NADS (g/plant) | 肥料氮比例 DPDF (%) | 肥料氮回收率 NRR (%) | 氮肥偏生产力 NPFP (kg·kg-1) | 氮利用效率 NUE (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2014 | LD981D1 | 4.32a | 1.12b | 3.20a | 25.87b | 32.59d | 57.54c | 45.69b |
| LD981D2 | 3.74c | 0.96d | 2.78c | 25.78b | 44.23b | 66.90b | 38.99c | |
| ZD958D1 | 4.10b | 1.22a | 2.88b | 29.82a | 35.64c | 56.97c | 47.66a | |
| ZD958D2 | 3.61d | 1.06c | 2.55d | 29.33a | 48.57a | 73.88a | 44.61b | |
| 2015 | LD981D1 | 4.28a | 1.11b | 3.17a | 25.93b | 32.36d | 56.36c | 45.17b |
| LD981D2 | 3.72c | 0.94d | 2.78c | 25.27b | 43.12b | 64.75b | 37.95c | |
| ZD958D1 | 4.06b | 1.20a | 2.86b | 29.56a | 34.99c | 55.95c | 47.27a | |
| ZD958D2 | 3.56d | 1.05c | 2.51d | 29.49a | 48.17a | 73.52a | 45.02b |
新窗口打开
D1条件下,ZD958氮肥回收效率及氮利用效率显著高于LD981（P<0.05）,分别高9.4%及4.3%,氮肥偏生产力两者差异不显著;D2下,ZD958氮肥回收效率、氮利用效率及氮肥偏生产力分别较LD981高9.8%、14.4%及10.4%,且均达到显著水平（P<0.05）;增加种植密度,两品种肥料氮回收率与氮肥偏生产力显著提高,氮利用效率显著降低,LD981肥料氮回收率与氮肥偏生产力分别增加35.7%及16.3%,氮利用效率降低14.7%,ZD958肥料氮回收率与氮肥偏生产力分别增加36.3%及29.7%,氮利用效率降低6.4%（表2）。
3 讨论
提高种植密度是现代农业生产中提高玉米单产的重要措施之一[2]。然而增加密度在提高群体产量的同时往往导致株间对光、肥、水的竞争,使植株冠层及根系生长发育均受到限制,单株产量降低。本试验采用土柱栽培[25-26]形式,充分模拟大田试验单株所占面积,较好地分析根系对养分的吸收情况,结果表明,增加种植密度可显著提高夏玉米群体产量,但两品种单株产量在高密度条件下均显著降低。前人研究[11]指出,不同密度条件下地上部与根系的消长变化趋势相同,各生育时期根冠比没有显著差异;也有研究指出增加种植密度玉米根冠比降低[27]。本研究发现,增加种植密度两品种单株根系与地上部均减小,根冠质量比略有下降,但均未达到显著水平。EQUIZA等[28]认为用根、冠面积关系能更好地表征植物与其环境之间的功能关系,并提出根表面积×根系吸收速率与叶面积×光合速率成正比。对两品种单株根系活跃吸收面积与绿叶面积进行分析发现,增密对根系活跃吸收面积影响显著高于对绿叶面积的影响,造成根冠面积比显著降低,这与王新兵[29]等在大田条件下研究结果一致;同时耐密型品种ZD958根冠面积比在不同种植密度条件下均显著高于LD981。这可能是为了满足高密度条件下植株对水、肥的需求,进而在高密度下仍保持较高产量水平。根系是固定植株并从土壤中吸收和运输水分养分的重要器官[30],其形态[31]和生理特性[32]与植株氮素吸收密切相关。前人研究表明,地上部生物量积累[33]、绿叶面积[34]、氮素积累量[11, 35]与根量成极显著正相关;JACKSON等[36]研究指出,氮素的利用效率取决于根系吸收氮的范围和活性,增加根系与土壤的接触面积、增强花后根的寿命和穿透能力可以增强植物对氮素的吸收能力,提高氮素吸收效率[37-38]。根系活跃吸收面积能在一定程度上客观反映根系活力状况[39]。本研究表明,两品种单株籽粒产量与植株地上部氮素积累量均随种植密度的增加而减小,这与其根重、根长及根系吸收面积的减小有关。对比两品种根系特性不难发现,高密度条件下,ZD958具有根系活性高、根系活力高值持续期长,后期根系衰老速度慢等特点,从而吸收更多的水分与养分,满足籽粒生长期对氮素的需求,获得较高的籽粒产量。
玉米吸收的氮素来源于肥料和环境。王小彬等[40]认为成熟期玉米植株吸收的氮素60%来自土壤,40%来自肥料;而潘晓丽等[41]指出,夏玉米吸收肥料氮与土壤氮的比例接近1:1,随着土壤肥力水平提高玉米吸收肥料氮比例下降。本试验采用15N示踪技术,结果表明植株地上部吸收氮素69.18%—75.43%来自土壤,24.57%—30.82%来自肥料,与前人研究结果略有出入,这可能与土壤肥力及施氮量有关;与低密度相比,增加种植密度并没有显著提高两品种吸收肥料氮所占比例,但显著提高两品种肥料氮回收率,这主要是由于根系吸收土壤氮量受密度影响大于肥料氮,这可能与根系的空间分布对增密响应、调节有关。宋海星等[39]研究表明,当玉米根系生长空间受到限制时,根系会主动调节其生理特性,改变其形态结构与空间分布,而根系空间分布与土壤中氮素的耦合情况又和根系氮素吸收能力密切相关[42]。
植株的生长发育是冠层与根系协调发展的结果,由于两者功能和所处环境不同,在水分和无机及有机营养的供求关系上既互相依赖又互相影响。前人对冠层或根层决定植株氮素吸收的研究指出,在氮素缺乏时根系大小并不是影响氮素吸收的限制因素[11],在供氮充足的条件下,植株吸氮量受地上部生长需求作调节[16, 43]。本研究表明,两种植密度下,ZD958植株氮素积累总量、单株生物量均低于LD981,但在高密度下差异较小,说明耐密型品种高密度下发达的根系有利于减轻种植密度对单株生长发育的影响,保证了作物对氮素的有效吸收,维持较高的单株产量水平,但却不是决定地上部氮素吸收量的关键因素。同时,植株氮素吸收量并不是决定籽粒产量的主要限制因素,本试验中,高密度下,ZD958虽然氮素积累量较低,但其氮利用效率及氮肥偏生产力显著高于LD981,这与其籽粒库容较高,库调节能力较强有关。
4 结论
高密度下,耐密型品种ZD958在整个生育期的根系生物量、根长、根系总面积、根冠活性面积比等显著高于不耐密品种LD981,且后期根系活力强,有效延长了根系功能期,有利于氮素吸收及获得较高的单株籽粒产量;ZD958植株氮素积累量低于LD981,但高密度下因其较高的籽粒库容及较强的库调节能力,其氮利用效率及氮肥偏生产力显著高于LD981。因此,高密度条件下,耐密型品种可以依靠其对高密植条件的适应能力维持相对较高的单株产量,增加群体籽粒产量。The authors have declared that no competing interests exist.
