试验位于黄土高原中南部陕甘交界处的陕西省长武县洪家镇王东村,北纬35°12',东径107°40',海拔1 200 m。属暖温带半湿润大陆性季风气候,年均降水584 mm,年均气温9.1℃,无霜期171 d,地下水埋深50～80 m,属典型的旱作农业区; 地貌属高原沟壑区,塬面和沟壑两大地貌单元各占35%,65%,地带性土壤为黑垆土,质地均匀疏松。两年试验的生育期降雨和气温如图1所示。

分别于2017年和2018年设置包括不施氮(N₀对照),适量施氮250 kg/hm²(N₂₅₀),过量施氮380 kg/hm²(N₃₈₀)3个处理的田间试验,各处理重复3次,采用随机区组排列(两年试验同一小区施氮量固定)小区面积为56 m²。氮肥分3次施入,其中40%氮肥和磷钾肥一起作为基肥一次性于播种前均匀撒施地表,然后翻耕; 拔节期追肥30%,抽雄期追肥30%,两次追肥均采用点施法追肥。磷肥采用过磷酸钙,施纯磷40 kg/hm²,钾肥采用硫酸钾,施纯钾80 kg/hm²。供试玉米品种为先玉335。两年试验采用全膜双垄沟种植,即大垄宽60 cm,高10 cm,小垄宽40 cm,高15 cm,株距25 cm,周年覆膜,种植密度为80 000株/hm²,每年4月下旬播种,9月下旬收获。

图1 试区生育期内降水和气温

采用3D Monolith(三维空间立体分析)法采取玉米根系,以便准确反映田间实际生长情况^[11]。分别于拔节期和开花期各处理随机选取长势均匀并且位置连续(种植行方向)的2株玉米挖取根系,对各处理3个重复进行取样。取样土体总长50 cm,宽50 cm,深度100 cm。0—40 cm每10 cm一层,40—100 cm每20 cm一层,共分为7层,每层4*5=20个土块进行分块取样,土样取出后挑选每个土块所含的所有根系,用清水冲洗后用扫描仪器(EPSON V800)扫描获得根系图片文件,图片文件用专业根系分析软件(WinRHIZO Pro Vision 5.0)分析获得根系各指标数据,80℃烘至恒重获得各土块根系生物量。

试验数据用Excel 2003,SPSS 18.0软件进行统计分析,用Origin 9.1进行绘图。

两年不同处理根系干重剖面分布见图2。覆膜玉米根系干重随土层加深呈现递减的变化趋势,表层根系占根系干重的绝大部分,其中N₀,N₂₅₀,N₃₈₀处理拔节期耕层(0—20 cm)根重占比两年均值分别为49.3%,58.2%,55.7%,开花期可达58.9%,66.1%,55.2%,N₂₅₀处理耕层根重占比最大。与N₀相比,N₂₅₀在拔节期各土层根干重总体上表现出增加趋势,N₃₈₀处理和N₂₅₀处理相比,整体上表现减少趋势,各处理间差异主要表现在表层。2 a平均结果表明,相比于N₀,N₂₅₀在每个土层根干重全部显著增加,拔节期增加增幅为33.3%～177.1%,开花期为28.4%～130.1%。相比于N₂₅₀,N₃₈₀在拔节期在0—40 cm各土层和80—100 cm土层表现出根干重的显著降低,降低幅度在14.5%～38.2%,在开花期在0—10 cm土层显著降低34.4%,但是在40—100 cm各土层升高18.7%～30.1%。过量施氮在拔节期显著降低表层和深层土壤根干重,然而在开花期过量施氮显著降低表层根重、增加了深层根重,说明过量施氮对根干重的影响在不同生育期有所差异。从年份和生育期平均看,与N₀相比,N₂₅₀处理会显著增加各土层根干重,增加幅度为30.7%～144.9%,而与N₂₅₀相比,N₃₈₀处理对于0—40 cm各土层根干重明显降低14.5%～31.4%,而40—100 cm土层根干重增加6.7%～18.4%。表明适量施氮会显著促进各个生育期各土层根干重,过量施氮导致0—40 cm土层根干重显著下降,40—100 cm土层有所升高。

图2 2017年、2018年不同氮肥水平下不同土层拔节期、开花期根系干重

对于0—100 cm土壤剖面根系总干重,3个氮肥水平之间,拔节期和开花期根总干重差异在2017年和2018年均达到显著水平(表1)。与N₀处理根系总干重相比,适宜施氮(N₂₅₀)拔节期和开花期根系总干重在2017年分别增加75.7%,90.3%,在2018年分别增加110.9%,63.6%,适度施氮表现出对根重的促进作用。与N₂₅₀相比,N₃₈₀处理拔节期和开花期根系总干重在2017年分别减少27.8%,14.1%,在2018年分别减少22.4%,13.9%。综合2 a试验结果,适量施氮显著提高了0—100 cm土壤剖面总根重,相较于适量施氮,过量施氮总根重显著降低。

施氮显著影响总根长,影响程度与总根重类似(表1),N₂₅₀处理会显著促进0—100 cm土壤剖面总根长,与N₀相比,N₂₅₀处理拔节期和开花期总根长在2017年增加39.7%,70.7%,2018年增加27.4%,20.2%,增加幅度显著,表明适度施氮表现出对根长的显著促进作用,与N₂₅₀处理相比,N₃₈₀处理拔节期和开花期总根长在2017年减少35.7%,17.7%,2018年减少31.9%,5.3%,说明过量施氮会抑制根系生长。平均年份和生育期,相较于N₀,N₂₅₀根长增加35.22%,相较于N₂₅₀,N₃₈₀根长降低20.6%,适量施氮显著提高了0—100 cm土壤剖面总根长,相较于适量施氮,过量施氮总根长显著降低。根系长度主要来源于直径≤0.5 mm的根系,拔节期和开花期直径≤0.5 mm根系占总根长的70%以上; 直径在0.5～1 mm的根长占总根长的比例不到20%; 直径在1～2 mm的根长对总根长的贡献不足10%; ≥2 mm的根长最少,占比在2%以下。

由图3可见,根长呈现出随土层深度增加而减小的趋势。和N₀相比,N₂₅₀处理根长总体上表现出增加趋势,N₃₈₀处理与N₂₅₀处理相比,整体上表现减少趋势,各处理间的差异主要表现在耕层。平均两年试验结果,N₀,N₂₅₀,N₃₈₀处理拔节期在耕层(0—20 cm)根长所占比例达47.7%,51.0%,47.5%; 开花期可达50.3%,58.5%,47.4%。从两年试验结果平均看,相比于N₀,除30—30 cm土层外,N₂₅₀在拔节期和开花期每个根长全部显著增加,拔节期增加8.0%～67.0%,开花期增加12.3%～88.1%。相比于N₂₅₀,N₃₈₀在0—100 cm剖面各土层根长显著降低17.8%～43.47%,开花期在0—20 cm各土层显著降低18.2%～31.2%,但在40—80 cm各土层显著升高25.26%～27.75%,其余土层未表现出显著差异,过量施氮在拔节期显著降低每个土层根长,然而在开花期过量施氮显著降低0—20 cm根长、增加了40—80 cm根长,表明过量施氮对根长的影响在不同生育期有所差异。从不同年份和生育期平均看,相比于N₀,N₂₅₀处理除20—30 cm土层根长减少12.8%外,其余土层均会显著增加,增加幅度为12.9%～78.3%,相比于N₂₅₀,N₃₈₀过量施氮会减少根长,各土层减少幅度0.8%～35.9%。表明适量施氮显著促进除20—30 cm土层外各个生育期每个土层根长,过量施氮导致0—30 cm土层根长显著降低11.6%～35.9%,80—100 cm土层根长降低13.8%,其他土层根长无显著差异。

表1 不同氮肥水平下土壤剖面0-100 cm根系特征参数

图3 2017年、2018年不同氮肥水平下不同土层拔节期、开花期根长

施氮对总根表面积也会产生显著影响(表1),N₂₅₀处理显著增加了拔节期和开花期0—100 cm土壤剖面总根表面积,3个氮肥水平在拔节期和开花期根表面积差异均达到显著水平,表现出N₂₅₀>N₃₈₀>N₀,与N₀相比,N₂₅₀拔节期和开花期在2017年增加53.2%,85.0%,在2018年增加66.2%,49.2%,适度施氮表现出对根表面积的显著促进作用,与N₂₅₀相比,N₃₈₀处理拔节期和开花期在2017年减少31.1%,15.4%,在2018年减少23.9%,10.7%,过量施氮表现出对根表面积的显著抑制作用。平均年份和生育期,相较于N₀,N₂₅₀处理根表面积增加62.2%,相较于N₂₅₀,N380处理根表面积降低18.6%,适量施氮显著提高了0—100 cm土壤剖面总根表面积,相较于适量施氮,过量施氮总根表面积显著降低。

各处理根表面积随土层深度加深均呈现出递减趋势(图4),0—10 cm土层均表现出N₂₅₀>N₃₈₀>N₀,3个氮肥处理之间差异达到显著,N₀,N₂₅₀,N₃₈₀在拔节期在耕层(0—20 cm)所占比例分别为43.4%,52.1%,50.2%,开花期在耕层占比分别达到51.0%,60.6%,48.7%。和N₀相比,N₂₅₀处理根表面积总体上表现出增加趋势,N₃₈₀处理与N₂₅₀处理相比,整体上表现为减少趋势,各处理间主要表现在表层的大幅差异,相较于N₀,N₂₅₀处理拔节期根系表面积在各个土层均有不同程度的增加,增幅在3.5%～159.5%,相较于N₂₅₀,N₃₈₀处理拔节期各个土层均有所降低,降幅在9.9%～52.8%,平均两年试验,相比于N₀,N₂₅₀处理在拔节期和开花期每个土层根表面积均增加,拔节期增加3.5%～159.5%,开花期增幅在7.9%～142.6%。相比于N₂₅₀,N₃₈₀处理在拔节期在0—100 cm剖面各土层根表面积均显著降低,下降幅度17.1%～38.7%,在开花期在0—20 cm土层显著降低10.2%～36.9%,但是在60—100 cm各土层显著升高10.3%～29.9%,过量施氮在拔节期显著降低了各个土层的根表面积,然而在开花期过量施氮显著降低0—20 cm根表面积、增加了60—100 cm根表面积,过量施氮对根表面积的影响在不同生育期存在差异(图4)。平均年份和生育期,相比于N₀,N₂₅₀在各个土层根表面积均增加,除30—40 cm土层增加不显著之外,其余各土层根表面积显著增加22.8%～148.5%,相比于N₂₅₀,N₃₈₀处理根表面积在0—30 cm土层显著减少11.2%～35.1%,80—100 cm土层显著减少9.5%,其余各土层无显著差异,这一结果与过量施氮对根长的影响一致。表明适量施氮会显著增加根表面积,而过量施氮会导致0—30 cm土层根表面积显著降低。

图4 2017年、2018年不同氮肥水平下不同土层拔节期、开花期根表面积

施氮显著影响总根体积(表1),N₂₅₀处理会显著促进拔节期和开花期0—100 cm土层总根体积,3个氮肥水平在拔节期和开花期均达到显著差异,表现出N₂₅₀>N₃₈₀>N₀,与N₀相比,N₂₅₀处理拔节期和开花期总根体积在2017年增加71.9%,120.0%,2018年增加128.3%,121.9%,证明适度施氮表现出对根体积的显著促进作用,与N₂₅₀相比,N₃₈₀处理拔节期和开花期总根体积在2017年减少26.9%,11.6%,在2018年减少20.1%,21.9%,说明过量施对总根体积表现出显著的抑制效果。从年份和生育期平均看,相较于N₀,N₂₅₀处理总根体积增加113.1%,相较于N₂₅₀,N₃₈₀处理总根体积降低19.6%,适量施氮显著提高了0—100 cm土壤剖面总根体积。

根体积在各土层之间的变化趋势与表面积基本保持了一致,均表现出随着各土层深度增加呈明显下降趋势(图5),从两年试验平均看,N₀,N₂₅₀,N₃₈₀处理0—20 cm土层根体积在拔节期分别占全土层的41.3%,56.5%,54.9%; 开花期分别占49.1%,64.9%,53.1%。相较于N₀,N₂₅₀处理拔节期根系根体积在各个土层均有不同程度的增加,增量在22.5%～438.4%,相较于N₂₅₀,N₃₈₀处理拔节期各个土层根体积均有所降低,降幅在3.4%～56.4%,但是开花期2017年40—80 cm各土层有略微增加,其余土层减少4.6%～22.5%,总量上表现为减少11.6%,从两年试验结果平均看,相比于N₀,N₂₅₀处理在拔节期和开花期各土层根体积均显著增加,拔节期增加24.1%～286.6%,开花期增幅29.6%～295.8%。相比于N₂₅₀,N₃₈₀处理拔节期在0—100 cm剖面各土层均表现出根体积的显著下降,降低幅度为15.3%～36.6%,在开花期根体积在0—20 cm土层显著降低9.0%～39.2%,但在60—100 cm各土层显著增加12.5%～31.2%,这一结果与根表面积的变化保持了一致。从年份和生育期平均看,相比于N₀,N₂₅₀处理会显著促进各土层根体积,增加幅度达26.9%～292.5%,相比于N₂₅₀,N₃₈₀过量施氮显著减少了表层0—40 cm各土层根体积8.2%～34.2%,其余土层差异并不显著,表明适量施氮能够显著促进各个生育期每个土层根体积,过量施氮导致0—40 cm土层根表面积显著降低。

图5 2017年、2018年不同氮肥水平下不同土层拔节期、开花期根体积