夏玉米根系與土壤硝態氮空間分布吻合度對水氮處理的響應

尹飛，王俊忠，孫笑梅，李洪岐，付國占，裴瑞杰，焦念元

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夏玉米根系與土壤硝態氮空間分布吻合度對水氮處理的響應

尹飛1，王俊忠2，孫笑梅2，李洪岐3，付國占1，裴瑞杰4，焦念元1

（1河南科技大學農學院，河南洛陽471023；2河南省土壤肥料站，鄭州450002；3河南省農學會，鄭州 450002；4南陽農業職業學院，河南南陽 473000）

【目的】根系是玉米吸收氮素營養的主要器官。在大田條件下，對夏玉米根系生長分布、根系與土壤硝態氮空間吻合度對不同水氮處理的響應，以及根系與土壤硝態氮空間吻合度指標的有效性進行研究，用以了解其時空分布及與土壤氮分布的吻合情況對玉米氮素吸收利用的影響。【方法】2011—2015年，設置不灌水+不施氮（W0N0）、不灌水+300 kg N·hm-2（W0N1）、不灌水+360 kg N·hm-2（W0N2）、大喇叭口期灌水+不施氮（W1N0）、大喇叭口期灌水+300 kg N·hm-2（W1N1）、大喇叭口期灌水+360 kg N·hm-2（W1N2）共6個水氮處理。各施氮處理下拔節期施氮30%、大喇叭口期施氮70%。大喇叭口期灌水量為750 m3·hm-2。在2015年玉米生長季，分別于玉米拔節期、大喇叭口期、吐絲期、吐絲后20 d和成熟期在玉米種植行和行間采集0—50 cm土體樣品（每10 cm一層），測定夏玉米根長密度、根干重密度、土壤硝態氮含量，并計算根系與土壤硝態氮空間吻合度。在成熟期采集植株樣品，分析玉米氮素吸收量。【結果】隨著玉米生育進程，種植行和行間0—50 cm土壤剖面夏玉米根長密度、根干重密度和硝態氮含量均表現出先升高后降低的趨勢，根長密度和根干重密度峰值出現在吐絲后20 d，而土壤硝態氮含量峰值出現在大喇叭口期。在0—360 kg·hm-2的范圍內，夏玉米根長密度和吐絲期之前土壤硝態氮含量隨施氮量的增加而增加，但玉米根干重密度和吐絲期之后土壤硝態氮含量先升高后降低，峰值出現在施氮300 kg·hm-2處理。大喇叭口期灌水可以提高夏玉米生育后期根長密度和根干重密度，但降低了土壤硝態氮含量。隨著土層加深，種植行夏玉米根長密度與土壤硝態氮空間吻合度（RLD1-N）以及根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度（RWD1-N）總體呈降低趨勢，行間夏玉米根長密度與土壤硝態氮空間吻合度（RLD2-N）以及根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度（RWD2-N）總體呈先增加后降低趨勢，峰值出現在10—30 cm土層。隨著玉米生育進程，各土層RLD1-N、RWD1-N和RWD2-N以及0—40 cm土層RLD2-N呈先升高后降低變化趨勢。與不施氮處理相比，施用氮肥提高了RLD1-N、RLD2-N、RWD1-N和RWD2-N。施氮量從300 kg·hm-2增加至360 kg·hm-2時，降低了0—30 cm土層RLD2-N、0—20 cm土層RWD1-N以及拔節至吐絲期間RLD1-N和0—20 cm土層RWD2-N，提高了40—50 cm土層RLD2-N、20—50 cm土層RWD1-N以及吐絲期之后的RLD1-N和RWD2-N。夏玉米種植行和行間根長密度和根干重密度與其硝態氮含量的吻合度與產量極顯著正相關，但與氮素利用效率極顯著負相關，且其相關性優于根長密度和根干重密度與產量及氮素利用效率的相關性。【結論】在大田條件下，施用氮肥可以提高夏玉米根長密度、根干重密度、土壤硝態氮含量以及夏玉米根系與土壤硝態氮空間吻合度。但施氮量超過300 kg·hm-2時會降低夏玉米生育前期上部土層的夏玉米根系與土壤硝態氮空間吻合度。根系與土壤硝態氮空間吻合度可以作為研究夏玉米氮素利用效率的有效指標。

玉米；根長密度；根干重密度；土壤硝態氮含量；空間吻合度

0 引言

【研究意義】玉米是中國重要的糧食作物、飼料作物和工業原料作物，在保障國家糧食安全方面作用巨大。根系是主要的吸收器官，其生長發育、在土壤中的分布動態關系著作物吸收水肥的能力[1-2]，而根系分布動態與土壤養分、水分分布動態的吻合程度決定著作物水肥的吸收利用。水分和氮肥是影響作物生長發育、產量形成的基本環境因子，適宜的水氮供給關系著作物高產高效。硝態氮是作物重要的氮素營養形態。因此，研究夏玉米根系與土壤硝態氮空間分布吻合度及其對水氮處理的響應，對于指導夏玉米水氮管理具有重要意義。【前人研究進展】前人研究表明隨著土層加深玉米根長和根干重遞減[3]，隨著玉米生育進程，上層土壤玉米根系分布比例下降而下層土壤根系比例增加[4]。施肥方式可以調控玉米根系生長與分布。漆棟良等[5]研究表明在玉米行兩側均勻施氮可增加玉米根量，使根系水平分布更均勻，提高0—40 cm土層玉米根長密度，而在玉米行一側固定施肥增加60—100 cm土層玉米根長密度。宋日等[6]研究表明壟溝追肥促使玉米根系向縱深發展，增加中、深層根干重，且施肥越深玉米中、深層根干重增加幅度越大。同時，肥料種類和施用量也影響著玉米根系分布。易鎮邪等[7]研究得出復合肥對夏玉米生育前期根系生長下扎有較大抑制作用。而接觸施用控釋肥提高了玉米植株周圍10 cm范圍內的根長密度[8]。低氮水平有利于根系下扎而高氮水平促進根系橫向伸展[9]，追施氮肥可以提高0—40 cm土層根重，且吐絲期追施氮肥效果較好[10]。土壤硝態氮是作物重要的氮素來源，同時也是主要的農業面源污染物，其含量及在土壤剖面上的分布受到廣泛關注[11-14]。前人開展了大量關于施氮量[15-17]、耕作方式[18]、栽培模式[19]、水氮耦合[20-21]等措施對農田土壤硝態氮分布和淋溶影響的研究。【本研究切入點】作物根系與土壤礦質營養在土壤中分布的空間吻合程度關系到作物對肥料的吸收利用以及作物產量的形成。前人雖然在水氮管理對玉米根系生長分布、土壤硝態氮分布和運移等方面做了大量研究，但關于水氮管理對玉米根系與土壤硝態氮空間吻合度方面的研究還鮮見報道。本文提出空間吻合度的概念，作為表示玉米根系與土壤硝態氮在空間分布上吻合程度的量化指標，來探討水氮處理對根系與土壤硝態氮空間吻合度的影響。【擬解決的關鍵問題】本研究在大田條件下，研究6種水肥處理對夏玉米根系生長分布、根系與土壤硝態氮空間吻合度的影響，明確根系與土壤硝態氮空間吻合度指標在研究作物吸收利用營養元素方面的有效性，以期為玉米氮素高效利用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

于2011—2015年玉米生長季，在河南省溫縣祥云鎮國家糧豐工程試驗基地進行了水氮試驗處理。采用裂區試驗設計，水分管理為主區，氮肥管理為副區。足墑播種條件下，水分因素設2個水平：不灌水（W0），大喇叭口期灌水750 m3·hm-2（W1）。前期的研究得出試驗區中產田推薦施氮量為300—400 kg·hm-2[22]，因此本研究中氮肥因素設3個水平：不施氮（N0），施氮300 kg·hm-2（N1），施氮360 kg·hm-2（N2）。其中30%于拔節期溝施，70%于大喇叭口期溝施。試驗共計6個處理，3次重復，小區面積73.2 m2（12 m×6.1 m）。供試品種為鄭單958，60 cm等行距種植，株距22.22 cm，密度75 000株/hm2。拔節期各處理溝施硫酸鉀及重過磷酸鈣，施用量分別為K2O 200 kg·hm-2和P2O5125 kg·hm-2，其他管理措施同一般高產田。試驗田土壤基礎狀況見表1。在連續5年定位試驗的基礎上，于2015年玉米生長季采樣調查夏玉米根系與土壤硝態氮空間吻合度。6—9月試驗區常年平均降水量346.6 mm，2015年同期降水330.4 mm（圖1），與常年平均較接近。

圖1 試驗期間降水量

1.2 測定項目與方法

2015年玉米生長季，分別于拔節期、大喇叭口期、吐絲期、吐絲后20 d和成熟期按照0—10、10—20、20—30、30—40和40—50 cm分層挖取土體。先挖取種植行土體：以玉米植株為中心，水平方向上垂直于玉米種植行土體寬20 cm，平行于玉米種植行土體長22.22 cm。然后挖取行間土體：垂直于玉米種植行向行間挖取，長寬與種植行土體相同。采樣位置如圖2所示，每小區設置3個采樣點。

表1 試驗田土壤容重、pH及基礎肥力狀況

1.2.1 根長密度和根干重密度 每個土體經過田間分撿后，將根樣裝入尼龍網，在水中浸泡30 min，而后用水沖洗干凈，挑出雜質和雜根后人工測量 根長，然后烘干后稱重。計算根長密度和根干重密度。

1.2.2 土壤硝態氮 將每個土體土壤混勻后采集土壤樣品，稱取12 g新鮮土壤樣品于250 mL的塑料瓶中，加入100 mL 0.01 mol·L-1的CaC12溶液，振蕩1 h，過濾，采用連續流動分析儀（BRAN+ LUEBBE）測定土壤硝態氮含量。若不能當天測定，在4℃冰箱中保存。

1.2.3 空間吻合度計算 本文以根密度與土壤硝態氮含量的乘積來計算空間吻合度，具體如下：

種植行根長密度與土壤硝態氮空間吻合度（RLD1- N）=種植行根長密度×土壤硝態氮含量；

行間根長密度與土壤硝態氮空間吻合度（RLD2- N）=行間根長密度×土壤硝態氮含量；

種植行根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度（RWD1-N）=種植行根干重密度×土壤硝態氮含量；

行間根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度（RWD2-N）=行間根干重密度×土壤硝態氮含量。

1.2.4 籽粒產量 于成熟期在每個小區中心收獲18 m2（6 m×3 m）玉米，果穗風干、脫粒、稱質量，得到籽粒產量。

1.2.5 氮素利用效率 于成熟期進行采樣，將葉、莖鞘、苞葉、穗軸與籽粒等器官分別裝袋，于105℃下殺青1 h，然后在80℃下烘至恒重。用凱氏定氮法測定各器官含氮量[23]，計算玉米植株氮積累量。

氮素利用效率（NUE）=籽粒產量/植株氮積累量。

1.3 試驗數據處理

試驗數據用SPSS16.0進行統計分析，置信水平為=0.05。

黑點表示玉米種植位置。A和B分別表示種植行和行間。下同

2 結果

2.1 水氮處理下夏玉米根系空間分布

2.1.1 夏玉米根長密度 隨著生育進程，各處理下種植行和行間0—50 cm土壤剖面夏玉米根長密度均呈先增加后降低的變化趨勢，峰值出現在吐絲后20 d（圖3）。在0—360 kg·hm-2的范圍內，隨著施氮量的增加，夏玉米根長密度總體呈現增加趨勢。與不施氮相比，N1和N2處理下種植行夏玉米根長密度分別比N0處理提高了7.36%和9.38%，行間夏玉米根長密度分別提高了8.13%和8.81%。同時，在吐絲后20 d和成熟期，N2處理下種植行和行間夏玉米根長密度顯著高于N0處理，表明與不施氮相比，施用360 kg·hm-2的氮肥可以顯著提高夏玉米生育后期根長密度。灌溉可以提高夏玉米種植行和行間根長密度，分別提高了10.70%和9.87%。除了成熟期N1和N2處理下行間根長密度外，在吐絲后20 d和成熟期，各施氮水平灌溉處理下的根長密度均顯著高于不灌溉處理，表明進行大喇叭口期灌溉可以增加夏玉米生育后期根長密度。

JS、MTS、SS、20AS和MS分別表示拔節期、大喇叭口期、吐絲期、吐絲后20 d和成熟期。同生育時期不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。A和B分別表示種植行和行間。下同

2.1.2 夏玉米根干重密度 從圖4可以看出，隨著生育進程，各處理下種植行和行間0—50 cm土壤剖面夏玉米根干重密度均呈先增加后降低的變化趨勢，峰值出現在吐絲后20 d。與不施氮相比，N1和N2處理下種植行夏玉米根干重密度分別比N0處理提高了8.10%和6.58%，行間夏玉米根干重密度分別提高了7.50%和5.96%，表明施用氮肥可以提高夏玉米根干重密度，但施氮量超過300 kg·hm-2時根干重密度有降低趨勢。灌溉可以提高夏玉米種植行和行間根干重密度，分別提高了9.89%和10.59%。

2.2 水氮處理下土壤硝態氮空間分布

從圖5可以看出，隨著玉米生育進程，各處理下 夏玉米種植行和行間0—50 cm土壤剖面硝態氮含量均表現出先升高后降低變化趨勢，峰值出現在大喇叭口期。在0—360 kg·hm-2范圍內，隨著施氮量的增加，吐絲期之前土壤硝態氮含量呈增加趨勢，而吐絲后20 d和成熟期土壤硝態氮含量呈先增加后降低趨勢，峰值出現在300 kg·hm-2施氮量處理。總體上，與不施氮相比，N1和N2處理下種植行土壤硝態氮含量分別比N0處理提高了16.68%和15.64%，行間土壤硝態氮含量分別提高了15.47%和14.45%。同時，灌溉處理下土壤硝態氮含量低于不灌溉處理，夏玉米種植行土壤硝態氮含量平均降低6.23%，行間土壤硝態氮含量平均降低6.63%，但施氮量相同時，不同灌溉水平間差異不顯著。

圖4 水氮處理下0—50 cm土壤剖面夏玉米根干重密度

圖5 水氮處理下0—50 cm土壤剖面硝態氮含量

2.3 夏玉米根系與土壤硝態氮空間分布吻合度

2.3.1 種植行根長密度與土壤硝態氮空間吻合度 在0—50 cm土壤剖面中，種植行夏玉米根長密度與土壤硝態氮空間吻合度（RLD1-N）隨著土層加深總體呈降低趨勢（表2）。隨著夏玉米生育進程，各土層RLD1-N總體呈先升高后降低變化趨勢，但各土層峰值出現時期不同。0—10 cm峰值出現在吐絲期，10—20 cm不施肥處理峰值出現在吐絲期，施肥處理峰值出現在吐絲后20 d，20—30 cm N0和N1處理峰值出現在大喇叭口期，N2處理峰值出現在吐絲后20 d，30—40 cm和40—50 cm土層峰值出現在大喇叭口期至吐絲期。

除了吐絲后20 d的20—30、40—50 cm和成熟期20—30 cm土層外，與N0相比，N1和N2處理顯著提高了RLD1-N，分別提高87.27%和82.01%。在拔節至吐絲期，總體上N1處理RLD1-N高于N2處理，而在吐絲后20 d和成熟期則低于N2處理。大喇叭口期灌溉對RLD1-N影響不明顯。

2.3.2 行間根長密度與土壤硝態氮空間吻合度 從表3可以看出，在0—50 cm土壤剖面中，行間夏玉米根長密度與土壤硝態氮空間吻合度（RLD2-N）隨著土層加深總體呈先增加后降低趨勢，峰值出現在10至30 cm土層。隨著夏玉米生育進程，0—40 cm各土層RLD2-N總體呈先升高后降低變化趨勢，峰值出現在大喇叭口期。而40—50 cm土層則呈波浪形變化，N0和N2處理峰值出現在吐絲后20 d，N1處理峰值出現在吐絲期。

表2 種植行夏玉米根長密度與土壤硝態氮空間吻合度

同行數字后不同小寫字母表示差異性達顯著水平（＜0.05）。下同

Different small letters in the same row mean significant differences at the 0.05 level. The same as below

表3 行間夏玉米根長密度與土壤硝態氮空間吻合度

除了吐絲后20 d的40—50 cm和成熟期20—30 cm土層外，與N0相比，N1和N2處理顯著提高了RLD2-N，分別提高87.47%和72.22%。在0—30 cm各土層，除了吐絲后20 d的10—30 cm土層，N1處理下RLD2-N均顯著高于N2處理，提高了19.01%。而N2處理提高了40—50 cm土層RLD2-N，與N1相比，提高了18.07%。大喇叭口期灌溉對RLD2-N影響不明顯。

2.3.3 種植行根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度 從表4可以看出，在0—50 cm土壤剖面中，種植行夏玉米根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度（RWD1-N）隨著土層加深總體呈迅速降低趨勢。隨著夏玉米生育進程，各土層RWD1-N總體呈先升高后降低變化趨勢，但各土層峰值出現時期不同。0—10、20—30和30—40 cm土層的峰值出現在吐絲期，10—20 cm不施肥處理峰值出現在吐絲期，施肥處理峰值出現在吐絲后20 d，而40—50 cm不施肥處理峰值出現在吐絲后20 d，施肥處理峰值出現在吐絲期。

除了吐絲后20 d的40—50 cm和成熟期0—10、20—30 cm土層外，與N0相比，N1和N2處理顯著提高了RWD1-N，分別提高100.62%和96.11%。與N2相比，N1處理提高了0—20 cm土層RWD1-N，但降低了20—50 cm土層RWD1-N。大喇叭口期灌溉對RWD1-N影響不明顯。

表4 種植行夏玉米根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度

2.3.4 行間根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度 在0—50 cm土壤剖面中，行間夏玉米根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度（RWD2-N）隨著土層加深總體呈先增加后降低趨勢，峰值出現在10—30 cm土層（表5）。隨著夏玉米生育進程，0—40 cm各土層RWD2-N總體呈先升高后降低變化趨勢，峰值出現在大喇叭口期。而40—50 cm土層，N0處理峰值出現在吐絲后20 d，N1和N2處理峰值出現在吐絲期。

除了吐絲后20 d的20—30、40—50 cm和成熟期20—30 cm土層外，與N0相比，N1和N2處理顯著提高了RWD2-N，分別提高91.32%和68.45%。總體上看，與N1處理相比，N2處理降低了拔節至吐絲期0—20 cm土層RWD2-N，但提高了吐絲后20 d和成熟期RWD2-N。大喇叭口期灌溉對RWD2-N影響不明顯。

2.4 相關性分析

為了研究夏玉米根長、根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度指標的有效性，將空間吻合度指標、根長密度、根干重密度與夏玉米產量和氮素利用效率做了相關性分析，結果見表6。

從表6可以看出，產量及氮素利用效率與各空間吻合度指標和根系空間分布指標之間的相關性表現一致，產量均與之呈現顯著正相關關系，氮素利用效率與之均呈現顯著負相關關系。同時，氮素利用效率與根系土壤氮空間吻合度指標之間極顯著相關，相關系數明顯高于其與根系空間分布指標的相關系數。

表5 行間夏玉米根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度

表6 各指標相關性分析

**表示相關性在0.01水平顯著；*表示相關性在0.05水平顯著

**: Correlation is significant at the 0.01 level. *: Correlation is significant at the 0.05 level

3 討論

3.1 根長密度與根干重密度對水氮處理的響應

玉米根系在土壤中的分布受土壤物理特性[24-25]、化學特性[26-27]等諸多因素影響。本研究表明大喇叭口期灌水可以提高夏玉米生育后期根長密度和根干重密度。同時隨著施氮量增加，夏玉米根長密度不斷增加，但玉米根干重密度先升高后降低，峰值出現在施氮300 kg·hm-2處理。這表明適宜施用氮肥有利于夏玉米根長生長發育，而過量施氮則會影響根系生長。武榮等[28]在小麥上研究也得出類似結論。

3.2 土壤硝態氮含量對水氮處理的響應

在非淹水條件下，氮肥進入土壤后經硝化作用轉化為硝態氮，同時硝態氮水溶性高易隨水遷移，所以水氮處理對土壤硝態氮含量有明顯的影響。大量研究表明，土壤剖面硝態氮含量隨施氮量增加而增加[20, 29-31]。本研究表明隨著施氮量增加，吐絲期之后土壤硝態氮含量先升高后降低。這可能是因為本試驗在拔節與大口期施用氮肥，較高的施氮量促進了玉米生長和對土壤硝態氮的吸收利用所致。大喇叭口期灌水一方面可能促進了土壤硝態氮淋溶，另一方面提高了夏玉米根長密度和根干重密度，促進了對氮的吸收，使得夏玉米生育后期土壤硝態氮含量低于不灌水處理，這與前人研究結果一致[20-21]。

3.3 夏玉米根系與土壤硝態氮空間吻合度對水氮處理的響應

根系具有一定向水性和向肥性[32]，其生長與分布對土壤水分和肥力狀況有一定響應，但這種響應也存在一定限度。而作物根系吸收的礦質營養主要來自于根際及其周圍的土壤[33]，所以根系吸收養分的能力一方面取決于根系的數量和分布，另一方面也取決于根系分布與土壤礦質養分分布的空間吻合程度。施用氮肥能促進作物對氮素的吸收，提高玉米產量[34]，但過量的氮肥施用及灌溉會造成部分硝態氮淋溶[35]，導致玉米吸氮量降低，無益于產量的提高[31]。其中一個重要原因就在于肥料分布范圍超出了作物根系的分布及吸收范圍，造成兩者空間分布上的不一致。根系與土壤硝態氮空間吻合度可以同時表征這兩方面特征，能更好地反映玉米對肥料的吸收能力，該指標與玉米產量及氮素利用效率的相關系數也說明了這一點，其可作為研究夏玉米氮素利用效率的有效指標。

本研究中根系與土壤硝態氮空間吻合度對大喇叭口期灌水響應不明顯，一方面可能是因為灌水增加了根長密度和根干重密度，但同時降低了土壤硝態氮含量所致。另一方面也可能由于在平水年份，僅大喇叭口期灌水不足以引起根系與土壤硝態氮空間吻合度的大幅度變化。可以在防水棚中進一步試驗進行研究。

4 結論

在大田條件下，進行水氮處理明顯促進了夏玉米根系生長，可以提高夏玉米根長密度和根干重密度。施用氮肥提高了土壤硝態氮含量以及種植行根長密度與土壤硝態氮空間吻合度（RLD1-N）、行間根長密度與土壤硝態氮空間吻合度（RLD2-N）、種植行根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度（RWD1-N）和行間根干重密度與土壤硝態氮空間吻合度（RWD2-N）。但施氮量超過300 kg·hm-2時，夏玉米根干重密度、吐絲期之前RLD1-N、上部土層的RWD2-N、RLD2-N和RWD1-N會降低，300 kg·hm-2的施氮量更有利于兼顧夏玉米產量和氮素利用效率。大喇叭口期灌水降低了土壤硝態氮含量，但在平水年對RLD1-N、RLD2-N、RWD1-N和RWD2-N作用不明顯。根系與土壤硝態氮空間吻合度可以作為研究夏玉米氮素利用效率的有效指標。

[1] 慕自新, 張歲岐, 郝文芳, 梁愛華, 梁宗鎖. 玉米根系形態和空間分布對水分利用效率的調控. 生態學報, 2005, 25(11): 2895-2900.

Mu Z X, Zhang S Q, Hao W F, Liang A H, Liang Z S. The effect of root morphological traits and spatial distribution on WUE in maize., 2005, 25(11): 2895-2900. (in Chinese)

[2] Ehdaie B, Merhaunt D J, Ahmadian S. Root system size influences water-nutrient uptake and nitrate leaching potential in wheat., 2010, 196(6): 455-466.

[3] 劉晶淼, 安順清, 廖榮偉, 任三學, 梁宏. 玉米根系在土壤剖面中的分布研究. 中國生態農業學報, 2009, 17(3): 517-521.

Liu J M, An S Q, Liao R W, Ren S X, Liang H. Temporal variation and spatial distribution of the root system of corn in a soil profile., 2009, 17(3): 517-521. (in Chinese)

[4] 張禮軍, 張恩和, 郭麗琢, 黃高寶. 水肥耦合對小麥/玉米系統根系分布及吸收活力的調控. 草業學報, 2005, 14(2): 102-108.

Zhang L J, Zhang E H, Guo L Z, Huang G B. Regulation of water-fertilizer coupling on root distribution and absorbing ability inintercrop system., 2005, 14(2): 102-108. (in Chinese)

[5] 漆棟良, 吳雪, 胡田田. 施氮方式對玉米根系生長、產量和氮素利用的影響. 中國農業科學, 2014, 47(14): 2804-2813.

Qi D L, Wu X, Hu T T. Effects of nitrogen supply methods on root growth, yield and nitrogen use of maize., 2014, 47(14): 2804-2813. (in Chinese)

[6] 宋日, 吳春勝, 趙立華, 吳桂淑. 施肥方式對玉米根系分布及產量的影響. 玉米科學, 2001, 9(4): 75-76.

Song R, Wu C S, Zhao L H, Wu G S. Effect of fertilizer application methods on root system distribution and yield in maize., 2001, 9(4): 75-76. (in Chinese)

[7] 易鎮邪, 王璞, 屠乃美. 夏播玉米根系分布與含氮量對氮肥類型與施氮量的響應. 植物營養與肥料學報, 2009, 15(1): 91-98.

Yi Z X, Wang P, Tu N M. Responses of roots distribution and nitrogen content of summer maize to nitrogen fertilization types and amounts., 2009, 15(1): 91-98. (in Chinese)

[8] 楊俊剛, 倪小會, 徐凱, 許俊香, 曹兵, 劉寶存. 接觸施用包膜控釋肥對玉米產量、根系分布和土壤殘留無機氮的影響. 植物營養與肥料學報, 2010, 16(4): 924-930.

Yang J G, Ni X H, Xu K, Xu J X, Cao B, Liu B C. Effects of co-situs application of polymer-coated fertilizers on grain yield, root distribution and soil residual Nminin summer maize., 2010, 16(4): 924-930. (in Chinese)

[9] 王艷, 米國華, 張福鎖. 氮對不同基因型玉米根系形態變化的影響研究. 中國生態農業學報, 2003, 11(3): 69-71.

Wang Y, Mi G H, Zhang F S. Effect of nitrate levels on dynamic changes of root morphology in different maize inbred lines., 2003, 11(3): 69-71. (in Chinese)

[10] 王啟現, 王璞, 楊相勇, 翟志席, 王秀玲, 申麗霞. 不同施氮時期對玉米根系分布及其活性的影響. 中國農業科學, 2003, 36(12): 1469-1475.

Wang Q X, Wang P, Yang X Y, Zhai Z X, Wang X L, Shen L X. Effects of nitrogen application time on root distribution and its activity in maize (L)., 2003, 36(12): 1469-1475. (in Chinese)

[11] Henning H J, Bea N, Stig M T. Productivity and quality, competition and facilitation of chicory in ryegrass/legume-based pastures under various nitrogen supply levels., 2006, 24(3): 247-256.

[12] Read J J, Reddy K R, Jenkins J N. Yield and fiber quality of upland cotton as influenced by nitrogen and potassium nutrition., 2006, 24(3): 282-290.

[13] Mishra S, Deeds N, Ruskauff G. Global sensitivity analysis techniques for probabilistic ground water modeling., 2009, 47(5): 730-747.

[14] Spalding R F, waltts D G, Schepers J S, Burbach M E, Exner M E, Poreda R J, Manin G E. Controlling nitrate leaching in irrigated agriculture., 2001, 30(4): 1184-1194.

[15] 劉瑞, 周建斌, 崔亞勝, 王天泰. 不同施氮量下夏玉米田土壤剖面硝態氮累積及其與土壤氮素平衡的關系. 西北農林科技大學學報(自然科學版), 2014, 42(2): 193-198.

Liu R, Zhou J B, Cui Y S, Wang T T. Accumulation of NO3--N in soil profile and its relationship with nitrogen balance in summer maize field with different nitrogen application rates., 2014, 42(2): 193-198. (in Chinese)

[16] 茹淑華, 耿暖, 張國印, 王凌, 孫世友. 施用氮肥對太行山前平原區作物產量和土壤硝態氮殘留量的影響. 華北農學報, 2015, 30(5): 161-166.

Ru S H, Geng N, Zhang G Y, Wang L, Sun S Y. Effect of nitrogen application rate on crop yield and the soil nitrate nitrogen content in Taihang piedmont area., 2015, 30(5): 161-166. (in Chinese)

[17] 馮波, 孔令安, 張賓, 司紀升, 李升東, 王法宏. 施氮量對壟作小麥氮肥利用率和土壤硝態氮含量的影響. 作物學報, 2012, 38(6): 1107-1114.

Feng B, Kong L A, Zhang B, Si J S, Li S D, Wang F H. Effect of nitrogen application level on nitrogen use efficiency in wheat and soil nitrate-N content under bed planting condition., 2012, 38(6): 1107-1114. (in Chinese)

[18] 王激清, 韓寶文, 劉社平. 施氮量和耕作方式對春玉米產量和土體硝態氮累積的影響. 干旱地區農業研究, 2011, 29(2): 129-135.

Wang J Q, Han B W, Liu S P. Effects of nitrogen application rates and soil tillage modes on yield of spring maize and NO3--N accumulation in soil profile., 2011, 29(2): 129-135. (in Chinese)

[19] 張宏, 周建斌, 王春陽, 董放, 李鳳娟. 不同栽培模式及施氮對玉米-小麥輪作體系土壤肥力及硝態氮累積的影響. 中國生態農業學報, 2010, 18(4): 693-697.

Zhang H, Zhou J B, Wang C Y, Dong F, Li F J. Effect of cultivation pattern and nitrogen application rate on soil fertility and nitrate accumulation under maize-wheat rotation system., 2010, 18(4): 693-697. (in Chinese)

[20] 薛亮, 馬忠明, 杜少平. 水氮耦合對綠洲灌區土壤硝態氮運移及甜瓜氮素吸收的影響. 植物營養與肥料學報, 2014, 20(1): 139-147

Xue L, Ma Z M, Du S P. Effect of water and nitrogen coupling on soil nitrate movement and nitrogen uptake of muskmelon., 2014, 20(1): 139-147. (in Chinese)

[21] 杜軍, 楊培嶺, 李云開, 任樹梅, 王永忠, 李仙岳, 杜靜, 張建國, 賀新. 灌溉、施肥和淺水埋深對小麥產量和硝態氮淋溶損失的影響. 農業工程學報, 2011, 27(2):57-64.

Du J, Yang P L, Li Y K, Ren S M, Wang Y Z, Li X Y, Du J, Zhang J G, He X. Influence of the irrigation, fertilization and groundwater depth on wheat yield and nitrate nitrogen leaching., 2011, 27(2): 57-64. (in Chinese)

[22] 王俊忠, 黃高寶, 張超男, 楊亞軍, 趙會杰, 朱曉燕, 馬培芳. 施氮量對不同肥力水平下夏玉米碳氮代謝及氮素利用率的影響. 生態學報, 2009, 29(4): 2045-2052.

Wang J Z, Huang G B, Zhang C N, Yang Y J, Zhao H J, Zhu X Y, Ma P F. Influence of nitrogen fertilizer rate on carbon-nitrogen metabolism and nitrogen use efficiency of summer maize under high and medium yield levels., 2009, 29(4): 2045-2052. (in Chinese)

[23] 鮑士旦. 土壤農化分析(第三版). 北京:中國農業出版社, 2000: 264-268.

Bao S D.. Beijing: Chinese Agriculture Press, 2000: 264-268. (in Chinese)

[24] 李潮海, 李勝利, 王群, 侯松, 荊棘. 不同質地土壤對玉米根系生長動態的影響. 中國農業科學, 2004, 37(9): 1334-1340.

Li C H, Li S L, Wang Q, Hou S, Jing J. Effect of different textural soils on root dynamic growth in corn., 2004, 37(9): 1334-1340. (in Chinese)

[25] Grant J C, Nichols J D, Yao R L, Smith R G B, Brennan P D, Vanclay J K. Depth distribution of roots ofandsubsp.in different soil conditions., 2012, 269(2): 249-258

[26] Vamerali T, Saccomani M, Bona S, Mosca G, Guarise M, Ganis A. A comparison of root characteristics in relation to nutrient and water stress in two maize hybrids., 2003, 255(1): 157-167.

[27] 李秧秧, 劉文兆. 土壤水分與氮肥對玉米根系生長的影響. 中國生態農業學報, 2001, 9(1): 13-15.

Li Y Y, Liu W Z. Effects of soil moisture and nitrogen fertilizer on root growth of corn., 2001, 9(1): 13-15. (in Chinese)

[28] 武榮, 李援農. 水氮耦合對冬小麥根系分布和根冠比及產量的影響. 南方農業學報, 2013, 44(6): 963-967.

Wu R, Li Y N. Effect of water and nitrogen fertilizer coupling on root distribution, root/shoot ratio and yield of winter wheat., 2013, 44(6): 963-967. (in Chinese)

[29] 楊蕊菊, 柴守璽, 馬忠明. 施氮量對小麥/玉米帶田土壤水分及硝態氮的影響. 生態學報, 2012, 32(24): 7905-7912．

Yang R J, Chai S X, Ma Z M. Dynamic changes of soil moisture and nitrate nitrogen in wheat and maize intercropping field under different nitrogen supply., 2012, 32(24): 7905-7912. (in Chinese)

[30] 高亞軍, 李生秀, 李世清, 田霄鴻, 王朝輝, 鄭險峰, 杜建軍. 施肥與灌水對硝態氮在土壤中殘留的影響. 水土保持學報, 2005, 19(6): 61-64.

Gao Y J, Li S X, Li S Q, Tian X H, Wang Z H, Zheng X F, Du J J. Effect of fertilization and irrigation on residual nitrate N in soil., 2005, 19(6): 61-64. (in Chinese)

[31] 栗麗, 洪堅平, 王宏庭, 謝英荷, 張璐, 鄧樹元, 單杰, 李云剛. 施氮與灌水對夏玉米土壤硝態氮積累、氮素平衡及其利用率的影響. 植物營養與肥料學報, 2010, 16(6): 1358-1365.

Li L, Hong J P, Wang H T, Xie Y H, Zhang L, Deng S Y, Shan J, Li Y G. Effects of nitrogen application and irrigation on soil nitrate accumulation, nitrogen balance and use deficiency in summer maize., 2010, 16(6): 1358-1365. (in Chinese)

[32] Liang B M, Sharp R E, Baskin T I. Regulation of growth anisotropy in well-watered and water-stressed maize roots. I. Spatial distribution of longitudinal, radial, and tangential expansion rates., 1997, 115(1): 101-111.

[33] 楊建昌. 水稻根系形態生理與產量、品質形成及養分吸收利用的關系. 中國農業科學, 2011, 44(1): 36-46.

Yang J C. Relationships of rice root morphology and physiology with the formation of grain yield and quality and the nutrient absorption and utilization., 2011, 44(1): 36-46. (in Chinese)

[34] 楊榮, 蘇永中. 水氮配合對綠洲沙地農田玉米產量-土壤硝態氮和氮平衡的影響. 生態學報, 2003, 29(30): 1459-1469.

Yang R, Su Y Z. Effects of nitrogen fertilization and irrigation rate on grain yield, nitrate accumulation and nitrogen balance on sandy farmland in the marginal oasis in middle of Heihe River Basin., 2003, 29(30): 1459-1469. (in Chinese)

[35] Dai J, Wang Z H, Li M H, He G, Li Q, Cao H B, Wang S, Gao Y J, Hui X L. Winter wheat grain yield and summer nitrate leaching: Long-term effects of nitrogen and phosphorus rates on the Loess Plateau of China., 2016, 196: 180-190.

（責任編輯 楊鑫浩）

Response of Spatial Concordance Index Between Maize Root and Soil Nitrate Distribution to Water and Nitrogen Treatments

YIN Fei1, WANG JunZhong2, SUN XiaoMei2, LI HongQi3, FU GuoZhan1, Pei RuiJie4, JIAO NianYuan1

(1College of Agronomy, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan;2Soil and Fertilizer Station of Henan Province, Zhengzhou 450002;3Henan Association of Agricultural Science Societies, Zhengzhou 450002;4Nanyang Vocational College of Agriculture, Nanyang 473000, Henan)

【Objective】Root is a major organ of maize for the absorption of soil nitrogen nutrition. The spatial concordance index between maize root and soil nitrogen distribution might have an influence on nitrogen uptake and utilization of maize. The purposes of this study were: (1) to analyze the effects of water and nitrogen treatments on maize root distribution and the spatial concordance index between maize root and soil nitrate content; (2) to determine the effectiveness of spatial concordance index between maize root and soil nitrate content. 【Method】 From 2011 to 2015, the experiment was set in six treatments, including W0N0 (0), W0N1 (0+300 kg N·hm-2), W0N2 (0+360 kg N·hm-2), W1N0 (750 m3·hm-2+0), W1N1 (750 m3·hm-2+ 300 kg N·hm-2), and W1N2 (750 m3·hm-2+ 360 kg N·hm-2), in which irrigation occurred at spike formation stage, and nitrogen applied at jointing stage (30%N) and spike formation stage (70%N). In maize growing season of 2015, soil samples were collected in and between maize planting lines at jointing, spike formation, silking, 20 days after silking, and mature stage. Root length density (RLD) and root dry weight density (RWD), soil nitrate content, spatial concordance index between root and soil nitrate content, and nitrogen absorption were analyzed. 【Result】 With the development of maize growth process, both in and between the lines of maize, RLD, RWD, and soil nitrate content increased first and then decreased. The maximum values of RLD and RWD occurred in 20 days after silking, and the maximum value of soil nitrate content occurred at spike formation stage. In the range of 0-360 kg·hm-2, with the increasing of nitrogen application rate, maize RLD and soil nitrate content before silking stage kept increasing. However, maize RWD and soil nitrate content after silking stage increased first and then decreased, and the maximum value occurred in 300 kg·hm-2nitrogen application treatment. At the late stage of maize growth, irrigation increased RLD and RWD, but decreased soil nitrate content. With the increasing of soil layer depth, RLD1-N (the spatial concordance index between RLD and soil nitrate content at the maize planting line) and RWD1-N (the spatial concordance index between RWD and soil nitrate content at the maize planting line) showed a decreasing trend, RLD2-N and RWD2-N showed a trend of increasing first and then decreasing, the maximum value occurred in 10-30 cm soil layer. With the development of maize growth process, RLD1-N, RWD1-N, and RWD2-N , and RLD2-N in 0-40 cm soil layer showed a trend of increasing first and then decreasing. Compared with no nitrogen treatment, nitrogen applications significantly increased RLD1-N, RLD2-N, RWD1-N and RWD2-N. When increasing nitrogen from 300 kg·hm-2to 360 kg·hm-2, the RLD2-N of 0-30 cm soil layer, the RWD1-N of 0-20 cm soil layer, the RLD1-N from jointing to silking stage, and the RWD2-N of 0-20 cm soil layer were decreased; and the RLD2-N of 40-50 cm soil layer, the RWD1-N of 20-50 cm soil layer, the RLD1-N and RWD2-N after silking stage were increased. RLD1-N, RLD2-N, RWD1-N, RWD2-N had a remarkable correlation with maize yield and nitrogen use efficiency, which the correlation coefficient was higher than between root length density, root weight density and maize yield, nitrogen use efficiency. 【Conclusion】Under field conditions, nitrogen fertilizer application increased RLD, RWD, RLD1-N, RLD2-N, RWD1-N and RWD2-N, but decreased RWD, RLD1-N before silking, RWD2-N, RLD2-N and RWD1-N when nitrogen fertilizer application exceeded 300 kg·hm-2. The spatial concordance index between root and soil nitrate can be a effective index to assess nitrogen use efficiency of maize.

maize; root length density; root dry weight density; soil nitrate content; spatial concordance index

2016-08-05；

2017-02-23

科技部糧食豐產科技工程項目（2013BAD07B07）、河南科技大學學科提升振興A計劃項目（13660002）、河南科技大學博士科研啟動基金（09001273）

王俊忠，E-mail：wangjz168@vip.sina.com

聯系方式：尹飛，E-mail：feiyin@yeah.net。