陳智勇，謝迎新，張陽陽，緱培欣，馬冬云，康國章，王晨陽，郭天財(cái)

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)/國家小麥工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450046)

氮素是小麥生長發(fā)育所需的必要營養(yǎng)元素。施用氮肥是小麥生產(chǎn)過程中最重要且容易調(diào)控的增產(chǎn)措施，因此農(nóng)田氮肥施用量長期居高不下[1]。統(tǒng)計(jì)表明，2018年世界肥料用量已達(dá)1.18×108t，而中國肥料用量高達(dá)5.65×107t，其中氮肥用量為2.07×107t[2-3]。目前在我國小麥生產(chǎn)過程中，過量施氮現(xiàn)象普遍存在。這不僅導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益和氮肥利用率降低[4-5]，也造成土壤、地下水質(zhì)量下降等環(huán)境問題[6-8]。朱兆良等[9]通過對中國782個大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)認(rèn)為，中國主要作物氮肥利用率僅在35%左右。合理施氮可顯著提高小麥產(chǎn)量[1,8,10]，因而確定合理的氮肥施用量歷來備受科研工作者、種糧大戶及政府主管部門普遍關(guān)注。

根系作為小麥吸收營養(yǎng)和水分的主要器官，其生長狀況與小麥產(chǎn)量關(guān)系密切。在小麥栽培研究中根系生長發(fā)育早已受到科研工作者的重視，但從事小麥根系的研究難度相對較大，導(dǎo)致多年來相關(guān)文獻(xiàn)資料相對缺乏。根系生長除與內(nèi)部遺傳因素有關(guān)外，很大程度上還受到如水、肥、熱等外部環(huán)境因素的影響[11-13]。施氮可改變小麥根系結(jié)構(gòu)[14-16]，進(jìn)而引起植株的生長[17]和產(chǎn)量的變化[18]，但不同施氮量下小麥根系生長發(fā)育和產(chǎn)量存在差異。輕度缺氮條件下，植株會通過增加根長、根系體積和根冠比改善氮素的供應(yīng)狀況；嚴(yán)重缺氮時植株整體的生長發(fā)育都將受到抑制[19-20]。過量施氮可引起小麥植株地上部分過度生長并抑制根系生長及生理活性[21]，進(jìn)而影響地上部生長和降低氮素利用率[22-23]。然而，在大尺度上施氮對小麥根系生長和產(chǎn)量的影響及其之間關(guān)系的研究仍相對較缺乏?；诖耍狙芯客ㄟ^查詢近30年來施氮對小麥根系生長和產(chǎn)量影響的文獻(xiàn)資料，試圖總結(jié)出適宜于中國主要麥區(qū)的合理施氮范圍，揭示氮肥施用與小麥根系生長及產(chǎn)量之間的相互關(guān)系，以期為小麥科學(xué)施氮提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與收集

本研究通過中國知網(wǎng)、維普資訊、萬方數(shù)據(jù)、谷歌學(xué)術(shù)、Web of Science等中英文數(shù)據(jù)庫，采用不同種關(guān)鍵詞及其組合(施氮量；小麥根系；氮肥+小麥根系等)對1993-2019年以來我國公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索。文獻(xiàn)篩選原則：(1)排除盆栽、根箱栽培等人工模擬試驗(yàn)；(2)田間試驗(yàn)，除施氮量不同外，田間管理與常規(guī)農(nóng)田操作相同；(3)同一施氮試驗(yàn)發(fā)表的多篇文章，僅保留其一；(4)由于在大尺度上分析，除施氮量變化外，忽略不同地區(qū)小麥品種、環(huán)境等因素的影響。本研究最終獲得施氮處理與中國主要麥區(qū)小麥根系生長相關(guān)的有效文獻(xiàn)共計(jì)53篇，文獻(xiàn)的研究地點(diǎn)分布與我國主要小麥種植區(qū)域基本吻合，其肥料種類多為尿素、碳酸氫銨、復(fù)合肥，施氮方式為常規(guī)基施和追施。

1.2 研究項(xiàng)目

本研究從收集的文獻(xiàn)中獲取的數(shù)據(jù)包括施氮量、產(chǎn)量、根長密度(root length density，RLD)及根干重密度(root dry weight density，RDWD)。RLD樣本量為1 590組，RDWD樣本量為1 258組，不同施氮量下的產(chǎn)量數(shù)據(jù)為236組。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013分別對0～20、 20～40和40～60 cm土層RLD和RDWD數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計(jì)算和方程擬合，并對不同施氮量下小麥RLD、RDWD與籽粒產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析(Pearson,Two-tailed)，采用ArcGIS 16.0和Sigmaplot 10.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對小麥根長密度(RLD)的影響

隨著施氮量的增加，在0～60 cm土層，小麥RLD在開花期和成熟期均呈先升后降趨勢，且不同土層的RLD均表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，開花期高于成熟期(圖1)。對小麥RLD與施氮量之間進(jìn)行方程擬合發(fā)現(xiàn)， 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和0～60 cm土層的RLD在開花期分別在施氮235、220、220、255 kg·hm-2時達(dá)到最大值，在成熟期分別在施氮220、275、225、270 kg·hm-2時達(dá)到最大值。

2.2 施氮對小麥根干重密度(RDWD)的影響

與小麥RLD變化規(guī)律相似，隨著施氮量的增加，0～60 cm土層小麥RDWD在開花期和成熟期同樣均呈先升后降趨勢，且0～20 cm土層明顯高于20～40和40～60 cm土層，開花期高于成熟期(圖2)。通過方程擬合，0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和0～60 cm土層的RDWD在開花期分別在施氮192、208、209和195 kg·hm-2時達(dá)到最大值，在成熟期分別在施氮196、212、171和194 kg·hm-2時達(dá)到最大值。

2.3 小麥根系生長與產(chǎn)量間的相關(guān)性

相關(guān)分析(圖3和圖4)表明，在小麥開花期和成熟期，0～60 cm土層的RLD和RDWD與產(chǎn)量間均呈極顯著正相關(guān)，而0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層的RLD和RDWD與小麥產(chǎn)量的相關(guān)性均不明顯。

通過對中國主要麥區(qū)施氮量與小麥籽粒產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行擬合可知，不同地區(qū)小麥產(chǎn)量均隨施氮量的增加呈先增后降趨勢，且在施氮量247 kg·hm-2時達(dá)到最大值(圖5)，這恰好處于上述小麥根系生長指標(biāo)達(dá)到最大值時的施氮范圍 (171～275 kg·hm-2)。

圖1 不同施氮量下小麥根長密度(RLD)變化特征

圖2 不同施氮量下小麥根干重密度(RDWD)變化特征

3 討 論

植物生長發(fā)育所需要的養(yǎng)分和水分主要來源于根系的吸收，但受其根系形態(tài)特征(如根重、根長、細(xì)根數(shù)量等)的影響非常明顯[24-25]，因此植物根系分布特征對土壤水分和養(yǎng)分的吸收起決定作用[26]。通過施氮調(diào)節(jié)作物根系形態(tài)和分布特征、增強(qiáng)小麥根系對養(yǎng)分的吸收能力以及提高小麥籽粒產(chǎn)量的主要技術(shù)手段早已在小麥生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。其中，根長密度和根干重密度是衡量根系生長狀況的兩個重要指標(biāo)。增加根長密度可以增大根系表面積，促進(jìn)根系對營養(yǎng)元素的吸收，而根干重密度是根系生長發(fā)育水平的整體表現(xiàn)，反映出了根系發(fā)達(dá)的不同程度[27-29]。本研究結(jié)果顯示，0～60 cm土層小麥根長密度和根干重密度與籽粒產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，表明小麥根長密度和根干重密度與籽粒產(chǎn)量關(guān)系密切，土壤中上層根系的良好發(fā)育有助于提高小麥籽粒產(chǎn)量，分析其原因可能主要在于土壤上層(0～60 cm)數(shù)量龐大的小麥根系可以充分吸收利用土壤中的水分和營養(yǎng)元素，進(jìn)而促進(jìn)了小麥增產(chǎn)[30-32]。

氮肥過量施用會造成土壤耕層營養(yǎng)過剩，導(dǎo)致小麥根系就近吸收養(yǎng)分，不利于根系下扎，進(jìn)而影響培育健壯個體和合理群體，最終影響籽粒產(chǎn)量；而氮肥適量時，土壤的理化狀態(tài)達(dá)到最佳，有利于促進(jìn)土壤微生物和土壤酶活化，進(jìn)而有利于小麥根系健壯生長[14,33-34]。本研究表明，0～60 cm土層小麥根長密度和根干重密度開花期在施氮量分別為220～235和192～209 kg·hm-2成熟期在施氮量分別為220～275和171～212 kg·hm-2時達(dá)到最大值，之后再增加施氮量，小麥根長密度和根干重密度均不再增加，甚至下降趨勢，這與前人研究基本一致[14,35-36]。本研究還進(jìn)一步證實(shí)，開花期是小麥對養(yǎng)分和水分需求最大的營養(yǎng)生長與生殖生長關(guān)鍵期，該時期根長密度和根干重密度高于成熟期[14,37-39]。此外，本研究也表明，當(dāng)前的氮肥施用習(xí)慣下土壤表層小麥根系能夠獲得較多的氮素供應(yīng)，進(jìn)而促使根系快速生長且主要集中0～20 cm耕層[14,39]，而氮肥施用過高則抑制根系向深層土壤生長[40-42]。

圖3 小麥根長密度(RLD)與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

以往研究表明，在一定的范圍內(nèi)小麥產(chǎn)量隨著施氮量的增加而顯著提高[43]，但當(dāng)施氮量達(dá)到一定量時，繼續(xù)增施氮肥后產(chǎn)量反而降低[42]。趙廣才等[44]研究認(rèn)為，施氮量在0～300 kg·hm-2范圍內(nèi)，隨著氮肥的增加，產(chǎn)量會逐漸提高。姜麗娜等[45]研究發(fā)現(xiàn)，220～240 kg·hm-2施氮量為地上部和地下部協(xié)調(diào)發(fā)展的最適宜施氮量，此時小麥產(chǎn)量達(dá)到最高。本研究通過查詢中國主要麥區(qū)氮肥施用與產(chǎn)量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)在大尺度上分析中國小麥主要栽培區(qū)域的施氮與產(chǎn)量之間的關(guān)系認(rèn)為，中國主要麥區(qū)在平均施氮量247 kg·hm-2時小麥產(chǎn)量達(dá)到最高。

圖4 小麥根干重密度(RDWD)與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

圖5 施氮量與小麥產(chǎn)量的關(guān)系

綜上所述，適宜施氮可促進(jìn)小麥根系的生長發(fā)育，增加土壤上層根系(0～60 cm)分布比例，進(jìn)而提高根長密度和根干重密度，最終增加小麥產(chǎn)量。本研究認(rèn)為，從節(jié)約氮肥成本角度，結(jié)合根系生長指標(biāo)，施氮171～247 kg·hm-2可作為中國主要小麥種植區(qū)域的氮肥合理施用范圍。該研究結(jié)果可為小麥高產(chǎn)栽培提供一定的理論參考依據(jù)，但仍需在今后的研究中納入更多的根系指標(biāo)和植株地上部等指標(biāo)，以期在更廣的維度揭示小麥高產(chǎn)栽培的氮肥施用規(guī)律。