耕作措施对太行山雨养生态区春玉米根系生长及产量的影响

冯瑞云， 雷梦林， 程 宏， 梅 超， 王慧杰， 石红卫

(1.山西省农业科学院 作物科学研究所， 山西 太原 030031； 2.山西省农业科学院 农作物品种资源研究所/农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室，山西 太原 030001； 3.山西省农业科学院 玉米研究所， 山西 忻州 034003)

根系是玉米吸收土壤水分、养分和进行物质代谢的主要营养器官，也是支撑固定植株的重要器官，在玉米的生长发育和生物产量形成中起重要作用[1]，良好的根系发育是玉米获得高产的首要条件[2]。近年来，太行山雨养生态区春玉米种植多采用机械浅旋耕灭茬耕作方式，农田土壤耕层变浅，犁底层增厚，容重增加，加之长期过量施用化肥，造成土壤板结，地力下降，玉米根系下扎困难，易倒伏早衰，严重影响玉米产量及土壤质量[3-4]。深松和深翻耕作可改善土壤的物理性状和打破犁底层，有利于促进玉米根系的生长与分布，从而提高其对水肥的利用效率和促进产量的形成，最终实现增产的目的[5-7]。肖继兵等[8]研究了半干旱区中耕深松对土壤水分和作物产量的影响。刘艳昆等[9]研究了滨海地区不同耕作方式对土壤水分及夏玉米生长发育的影响。冯晔等[10]研究了不同深松深度对玉米根系活性及产量的影响。齐华等[11]研究了深松方式对土壤物理性状及玉米根系分布的影响。张瑞富等[12]研究了深松对春玉米根系形态特征和生理特性的影响。鲜见太行山雨养生态区深松和深翻耕作对春玉米根系及产量影响的研究报道。为此，研究深松和深翻耕作对太行山雨养生态区春玉米根系的形态特征及产量变化，以期为当地土壤改良利用及春玉米的高产栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在太行山雨养生态区盂县牛村旱作玉米定点试验地进行(北纬 37°67′，东经 113°9′)，海拔856.8 m，属于暖温带、温带大陆性气候，年平均气温为8.7℃，年均降雨量500～618 mm，无霜期约150 d，年日照时数2 900 h，降雨多集中在7-8月，年均太阳辐射为532.2 J/cm2；试验地土壤类型属壤土，其养分情况见表1。

表1 试验地土壤养分组成情况

1.2 材料

1.2.1 玉米品种 强业8号，由山西德育丰农业科技有限公司选育。

1.2.2 肥料 史丹利复合肥(N∶P2O5∶K2O为15∶15∶15)，史丹利化肥股份有限公司生产；尿素(N为45%)，山西天泽煤化工集团股份公司生产。

1.2.3 仪器 Epson扫描仪，爱普生(中国)有限公司生产。

1.3 方法

1.3.1 试验设计 试验共设 3个耕作处理，分别为常规旋耕18 cm(CK)、条带深松30 cm(SS)和整地深翻30 cm(SF)。1) CK。上年玉米收获后秸秆粉碎抛洒还田，再用旋耕机将秸秆和土壤混旋还田，旋耕深度为18 cm，春季直接用玉米施肥播种一体机播种。2) SS。玉米秋季收获后将秸秆粉碎抛洒还田，在上年玉米植株行间深松 30 cm，再用旋耕机将秸秆和土壤混旋还田整地，春季直接播种。3) SF。玉米收获后秸秆粉碎抛洒还田，然后利用翻转犁开深度为30 cm沟，将秸秆深翻还田，再进行旋耕整地，春季直接播种。

1.3.2 播种与栽培管理 参照当地旱地玉米种植密度57 000株/hm2，播种前基施史丹利复合肥500 kg/hm2，于拔节期追施尿素225 kg/hm2，3次重复，小区面积为200 m2(20 m×10 m)，共计9个小区，行距50 cm，株距35 cm。4月28日播种，9月30日收获，其他管理与当地大田管理措施相同。

1.3.3 项目测定

1) 土壤容重。在玉米生长期每个小区2行间的25 cm处选3点，利用环刀法测定深度分别为0～15 cm和15～30 cm的土壤容重。

2) 植株根系。根系指标测定在玉米乳熟期进行，每小区设3个采样点进行取样，去除植株的地上部分，以植株为中心，向四侧延伸25 cm，每 10 cm为1个单位土层，取根深度为 50 cm，利用小立方原位根土取样器，逐层以体积10 cm3大小的土块为单位进行取样，将每个土块用清水仔细清洗，清洗出的根系放于加有冰块的自封袋中，带回实验室用Epson扫描仪扫描根系，扫描后的根在85℃烘箱内烘干至恒重后称量，根系的扫描图片用 Win RHIZO分析根长、根直径和根表面积等根系参数指标。

3) 根系活力。在玉米吐丝期进行，每小区同行内取连续3株，挖取新鲜根系洗净，放入冰盒内带回，-80℃冰箱内保存备用，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法测定[13]。

4) 测产与考种。收获时调查株数及穗数等，考种时调查穗总重、穗行数、穗粒数、穗行粒数、千粒重、籽粒含水率等，计算籽粒含水率为14%的百粒重和产量。

1.4 数据处理

采用Excel 2013和SPSS 20.0对数据进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 耕作措施对土壤容重的影响

从表2看出，不同处理0～15 cm和15～30 cm耕作前、苗期和拔节期等各时期土壤容重的变化。耕作前：0～15 cm和15～30 cm不同处理变幅分别为1.37～1.38 g/cm3和1.49～1.50 g/cm3，2个土层深度各处理间差异均不显著。苗期：0～15 cm和15～30 cm不同处理变幅分别为1.25～1.32 g/cm3和1.39～1.49 g/cm3，0～15 cm的CK和SS显著高于SF，CK与SS间差异不显著；15～30 cm的CK显著高于SS和SF，SS与SF间差异显著。拔节期：0～15 cm和15～30 cm不同处理变幅分别为1.22～1.28 g/cm3和1.38～1.43 g/cm3，0～15 cm的SF显著低于CK和SS，CK与SS间差异不显著；15～30 cm的CK显著高于SS和SF，SS与SF间差异不显著。吐丝期：0～15 cm和15～30 cm不同处理变幅分别为1.32～1.37 g/cm3和1.39～1.50 g/cm3，0～15 cm的CK和SS显著高于SF，CK与SS间差异不显著；15～30 cm的CK显著高于SS和SF，SS与SF间差异显著。收获期：0～15 cm和15～30 cm不同处理变幅分别为1.38～1.42 g/cm3和1.43～1.49 g/cm3，0～15 cm各处理间差异均不显著；15～30 cm的CK显著高于SS和SF，SS与SF间差异不显著。

表2 不同耕作措施0～15 cm及15～30 cm各时期的土壤容重

2.2 耕作措施对春玉米根系生长的影响

从图1看出，不同处理各土层深度春玉米的根系干重、根长密度及根系表面积的变化。

2.2.1 根系干重 不同处理玉米根系主要集中分布在0～10 cm和10～20 cm土层，根系干重均在10～20 cm土层达峰值，之后逐渐降低，各土层深度根系干重依次为10～20 cm>0～10 cm>20～30 cm>30～40 cm>40～50 cm。0～10 cm：不同处理依次为CK>SS>SF，CK和SS分别较SF上升8.88 %和4.10 %；10～20 cm：不同处理依次为CK>SF>SS，CK和SF分别较SS增加22.34%和15.62%；20～30 cm：不同处理依次为SF>SS>CK， SF和SS分别较CK增加13.51%和13.06%；30～40 cm：不同处理依次为SF>SS>CK， SF和SS分别较CK增加8.13%和7.88%；40～50 cm：不同处理依次为SF>SS>CK， SF和SS分别较CK增加21.59%和9.91%。表明，SS和SF均能极显著地增加20～40 cm土层的根系量，有利于玉米根系向下深扎，促进其根系的生长发育。

2.2.2 根长密度 不同处理根长密度主要分布在0～10 cm和10～20 cm土层，均在10～20 cm土层达峰值，之后逐渐降低。0～10 cm：不同处理依次为SS>SF>CK，SS较CK和SF分别提高567.78 cm/m3和113.29 cm/m3；10～20 cm：不同处理依次为CK>SS>SF，CK较SS和SF分别提高1 213.02 cm/m3和1 327.03 cm/m3；20～30 cm：不同处理依次为SF>SS>CK，SF较CK和SS分别提高224.33 cm/m3和86.83 cm/m3；30～40 cm：不同处理依次为SF>SS>CK，SF较CK和SS分别提高269.75 cm/m3和45.54 cm/m3；40～50 cm：不同处理依次为SF>SS>CK，SF较CK和SS分别提高348.47 cm/m3和20.16 cm/m3。表明，SF和SS对促进根系向远端延伸的作用大于CK，有利于根系吸收深层土壤的养分和水分，SF对根系生长效果更好。

2.2.3 根系表面积 根系表面积总体依次为SF>SS>CK，SF较SS和CK分别增加65.44 cm2和158.57 cm2，SF和SS与CK间差异显著，SF与SS间差异不显著。在不同处理各土层深度根系表面积的变化中，除0～10 cm不同处理依次为CK>SS>SF外，其余土层深度不同处理均依次为SF>SS>CK。CK在0～10 cm土层时达最高，为1 133.22 cm2，之后呈下降趋势；SS和SF从0～10 cm开始增加，在10～20 cm根系表面积达峰值，分别为1 155.14 cm2和1252.24 cm2，之后逐渐下降。说明，根系表面积与根系干重和根长密度的分布类似。但差异在于CK根系表面积的峰值出现在0～10 cm，而CK根系干重和根长密度的峰值出现在10～20 cm。表明，CK及10 cm以下根系生长受犁底层的影响，根系径粗生长受到抑制，而SF和SS由于打破犁底层，下部根系生长较好，根系表面积增大。

2.3 耕作措施对春玉米根系活力的影响

从图2看出，不同处理的根系活力呈先升后降趋势，CK在10～20 cm土层根系活力最高，为64.21 μg/(g·h)；SS和SF在20～30 cm土层根系活力最高，分别为64.87 μg/(g·h)和68.21 μg/(g·h)，且SS和SF在0～50 cm土层较CK分别提高3.64%和6.59%，差异极显著(P<0.01)。表明，深松和深翻种植可使土壤疏松透气，接纳雨水能力增强，促进根系的新陈代谢和水肥有效利用，从而使根系活力增强，根的伤流量增大。

2.4 耕作措施对春玉米产量及其构成因素的影响

从表3可知，不同耕作措施春玉米的产量及其构成因素的变化。穗数：2017年和2018年不同处理的变幅分别为65 655～67 044穗/hm2和63 104～66 482穗/hm2，2年均依次为SF>SS>CK，CK均显著低于SS和SF，SS与SF间差异不显著。穗粒数：2017年和2018年不同处理的变幅分别为593～623 粒/穗和582～605 粒/穗，2年均依次为SF>SS>CK，各处理间差异均不显著。千粒重：2017年和2018年不同处理的变幅分别为37.14～38.91 g和36.29～37.82 g，2年均依次为SF>SS>CK，CK均显著低于SS和SF，SS与SF间差异不显著。产量：2017年和2018年不同处理的变幅分别为12 035.87～13 049.54 kg/hm2和10 791.60～12 937.48 kg/hm2，2017年和2018年SS和SF较CK增产7.29%和17.54%，8.42%和19.88%，CK均显著低于SS和SF，SS与SF间差异不显著。表明，深松和深翻可显著改善土壤结构，增加玉米对水肥的转化能力，有利于提高玉米的产量；产量受穗数和千粒重影响较大，与穗粒数关系不大。

3 结论与讨论

传统玉米种植区由于常年采用常规浅旋耕方式耕作，使土壤耕层逐渐变浅，犁底层厚且坚硬，只有通过合理耕作措施才能改变土壤结构，打破犁底层[8]，增加土壤蓄水保墒能力[9],降低土壤容重，增加土壤孔隙度[10]，为作物生长发育提供良好的条件。

研究结果表明，不同耕作措施对玉米不同生育时期土壤容重的影响不同，条带深松30 cm和整地深翻30 cm可有效降低15～30 cm土层土壤容重，且其效果在全生育期可一直保持。0～15 cm 2个处理间土壤容重变化不大，是由于播种前要进行浅旋耕整地，导致土壤物理性状基本保持一致。

不同土层土壤的根干质量、根长密度和根系表面积是体现玉米根系时空分布的重要指标[1,11]。研究结果表明，条带深松30 cm、整地深翻30 cm和常规旋耕18 cm的玉米根系主要集中于0～20 cm土层，在10～20 cm土层根系干重达峰值，之后逐渐降低。条带深松30 cm和整地深翻30 cm可显著增加30～40 cm土层的根系量，说明土壤犁底层得到打破，可促进玉米根系向下生长。常规旋耕18 cm在0～20 cm土层中的根系干重高于条带深松30 cm和整地深翻30 cm，主要是由于常年浅旋耕作形成犁底层，导致根系下扎困难，促使根系在浅耕层横向生长，导致耕层20 cm以上根系分布比例较大[12]。整地深翻30 cm和条带深松30 cm总的根长密度和20 cm以下根长密度大于常规旋耕18 cm，说明条带深松30 cm和整地深翻30 cm对促进根系向远端延伸的作用大于常规旋耕18 cm，有利于根系吸收深层土壤的养分和水分。整地深翻30 cm和条带深松30 cm的根系表面积在10～20 cm达峰值，而常规旋耕18 cm的根系表面积在0～10 cm达峰值，常规旋耕18 cm土层 10 cm以下土层的根系生长受犁底层的影响，根系径粗生长受到抑制。

根系活力是衡量根系吸收功能的重要指标，根系活力大根系对养分的吸收能力强，植株衰老较慢[14-15]。玉米吐丝期常规旋耕18 cm在10～20 cm土层的根系活力最高,条带深松30 cm和整地深翻30 cm在20～30 cm土层的根系活力最高，深松和深翻种植可以使土壤疏松透气，根系生长活力增强，从而使伤流量增大。

通过在太行山雨养生态区采取深松和深翻耕作措施，可以显著降低春玉米田土壤容重，改善玉米根系的空间分布，降低土壤0～20 cm土层的根系量，增加20～50 cm土层的根系密度和数量，可促进根系的生长和向纵深分布，提高春玉米的根系活力，增加玉米的穗行数、行粒数、千粒重及产量。