馮瑞云， 雷夢林， 程 宏， 梅 超， 王慧杰， 石紅衛(wèi)

(1.山西省農業(yè)科學院 作物科學研究所， 山西 太原 030031； 2.山西省農業(yè)科學院 農作物品種資源研究所/農業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質創(chuàng)制重點實驗室，山西 太原 030001； 3.山西省農業(yè)科學院 玉米研究所， 山西 忻州 034003)

根系是玉米吸收土壤水分、養(yǎng)分和進行物質代謝的主要營養(yǎng)器官，也是支撐固定植株的重要器官，在玉米的生長發(fā)育和生物產量形成中起重要作用[1]，良好的根系發(fā)育是玉米獲得高產的首要條件[2]。近年來，太行山雨養(yǎng)生態(tài)區(qū)春玉米種植多采用機械淺旋耕滅茬耕作方式，農田土壤耕層變淺，犁底層增厚，容重增加，加之長期過量施用化肥，造成土壤板結，地力下降，玉米根系下扎困難，易倒伏早衰，嚴重影響玉米產量及土壤質量[3-4]。深松和深翻耕作可改善土壤的物理性狀和打破犁底層，有利于促進玉米根系的生長與分布，從而提高其對水肥的利用效率和促進產量的形成，最終實現增產的目的[5-7]。肖繼兵等[8]研究了半干旱區(qū)中耕深松對土壤水分和作物產量的影響。劉艷昆等[9]研究了濱海地區(qū)不同耕作方式對土壤水分及夏玉米生長發(fā)育的影響。馮曄等[10]研究了不同深松深度對玉米根系活性及產量的影響。齊華等[11]研究了深松方式對土壤物理性狀及玉米根系分布的影響。張瑞富等[12]研究了深松對春玉米根系形態(tài)特征和生理特性的影響。鮮見太行山雨養(yǎng)生態(tài)區(qū)深松和深翻耕作對春玉米根系及產量影響的研究報道。為此，研究深松和深翻耕作對太行山雨養(yǎng)生態(tài)區(qū)春玉米根系的形態(tài)特征及產量變化，以期為當地土壤改良利用及春玉米的高產栽培提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在太行山雨養(yǎng)生態(tài)區(qū)盂縣牛村旱作玉米定點試驗地進行(北緯 37°67′，東經 113°9′)，海拔856.8 m，屬于暖溫帶、溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為8.7℃，年均降雨量500～618 mm，無霜期約150 d，年日照時數2 900 h，降雨多集中在7-8月，年均太陽輻射為532.2 J/cm2；試驗地土壤類型屬壤土，其養(yǎng)分情況見表1。

表1 試驗地土壤養(yǎng)分組成情況

1.2 材料

1.2.1 玉米品種 強業(yè)8號，由山西德育豐農業(yè)科技有限公司選育。

1.2.2 肥料 史丹利復合肥(N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15)，史丹利化肥股份有限公司生產；尿素(N為45%)，山西天澤煤化工集團股份公司生產。

1.2.3 儀器 Epson掃描儀，愛普生(中國)有限公司生產。

1.3 方法

1.3.1 試驗設計 試驗共設 3個耕作處理，分別為常規(guī)旋耕18 cm(CK)、條帶深松30 cm(SS)和整地深翻30 cm(SF)。1) CK。上年玉米收獲后秸稈粉碎拋灑還田，再用旋耕機將秸稈和土壤混旋還田，旋耕深度為18 cm，春季直接用玉米施肥播種一體機播種。2) SS。玉米秋季收獲后將秸稈粉碎拋灑還田，在上年玉米植株行間深松 30 cm，再用旋耕機將秸稈和土壤混旋還田整地，春季直接播種。3) SF。玉米收獲后秸稈粉碎拋灑還田，然后利用翻轉犁開深度為30 cm溝，將秸稈深翻還田，再進行旋耕整地，春季直接播種。

1.3.2 播種與栽培管理 參照當地旱地玉米種植密度57 000株/hm2，播種前基施史丹利復合肥500 kg/hm2，于拔節(jié)期追施尿素225 kg/hm2，3次重復，小區(qū)面積為200 m2(20 m×10 m)，共計9個小區(qū)，行距50 cm，株距35 cm。4月28日播種，9月30日收獲，其他管理與當地大田管理措施相同。

1.3.3 項目測定

1) 土壤容重。在玉米生長期每個小區(qū)2行間的25 cm處選3點，利用環(huán)刀法測定深度分別為0～15 cm和15～30 cm的土壤容重。

2) 植株根系。根系指標測定在玉米乳熟期進行，每小區(qū)設3個采樣點進行取樣，去除植株的地上部分，以植株為中心，向四側延伸25 cm，每 10 cm為1個單位土層，取根深度為 50 cm，利用小立方原位根土取樣器，逐層以體積10 cm3大小的土塊為單位進行取樣，將每個土塊用清水仔細清洗，清洗出的根系放于加有冰塊的自封袋中，帶回實驗室用Epson掃描儀掃描根系，掃描后的根在85℃烘箱內烘干至恒重后稱量，根系的掃描圖片用 Win RHIZO分析根長、根直徑和根表面積等根系參數指標。

3) 根系活力。在玉米吐絲期進行，每小區(qū)同行內取連續(xù)3株，挖取新鮮根系洗凈，放入冰盒內帶回，-80℃冰箱內保存?zhèn)溆?，采用氯化三苯基四氮?TTC)還原法測定[13]。

4) 測產與考種。收獲時調查株數及穗數等，考種時調查穗總重、穗行數、穗粒數、穗行粒數、千粒重、籽粒含水率等，計算籽粒含水率為14%的百粒重和產量。

1.4 數據處理

采用Excel 2013和SPSS 20.0對數據進行統計與分析。

2 結果與分析

2.1 耕作措施對土壤容重的影響

從表2看出，不同處理0～15 cm和15～30 cm耕作前、苗期和拔節(jié)期等各時期土壤容重的變化。耕作前：0～15 cm和15～30 cm不同處理變幅分別為1.37～1.38 g/cm3和1.49～1.50 g/cm3，2個土層深度各處理間差異均不顯著。苗期：0～15 cm和15～30 cm不同處理變幅分別為1.25～1.32 g/cm3和1.39～1.49 g/cm3，0～15 cm的CK和SS顯著高于SF，CK與SS間差異不顯著；15～30 cm的CK顯著高于SS和SF，SS與SF間差異顯著。拔節(jié)期：0～15 cm和15～30 cm不同處理變幅分別為1.22～1.28 g/cm3和1.38～1.43 g/cm3，0～15 cm的SF顯著低于CK和SS，CK與SS間差異不顯著；15～30 cm的CK顯著高于SS和SF，SS與SF間差異不顯著。吐絲期：0～15 cm和15～30 cm不同處理變幅分別為1.32～1.37 g/cm3和1.39～1.50 g/cm3，0～15 cm的CK和SS顯著高于SF，CK與SS間差異不顯著；15～30 cm的CK顯著高于SS和SF，SS與SF間差異顯著。收獲期：0～15 cm和15～30 cm不同處理變幅分別為1.38～1.42 g/cm3和1.43～1.49 g/cm3，0～15 cm各處理間差異均不顯著；15～30 cm的CK顯著高于SS和SF，SS與SF間差異不顯著。

表2 不同耕作措施0～15 cm及15～30 cm各時期的土壤容重

2.2 耕作措施對春玉米根系生長的影響

從圖1看出，不同處理各土層深度春玉米的根系干重、根長密度及根系表面積的變化。

2.2.1 根系干重 不同處理玉米根系主要集中分布在0～10 cm和10～20 cm土層，根系干重均在10～20 cm土層達峰值，之后逐漸降低，各土層深度根系干重依次為10～20 cm>0～10 cm>20～30 cm>30～40 cm>40～50 cm。0～10 cm：不同處理依次為CK>SS>SF，CK和SS分別較SF上升8.88 %和4.10 %；10～20 cm：不同處理依次為CK>SF>SS，CK和SF分別較SS增加22.34%和15.62%；20～30 cm：不同處理依次為SF>SS>CK， SF和SS分別較CK增加13.51%和13.06%；30～40 cm：不同處理依次為SF>SS>CK， SF和SS分別較CK增加8.13%和7.88%；40～50 cm：不同處理依次為SF>SS>CK， SF和SS分別較CK增加21.59%和9.91%。表明，SS和SF均能極顯著地增加20～40 cm土層的根系量，有利于玉米根系向下深扎，促進其根系的生長發(fā)育。

2.2.2 根長密度 不同處理根長密度主要分布在0～10 cm和10～20 cm土層，均在10～20 cm土層達峰值，之后逐漸降低。0～10 cm：不同處理依次為SS>SF>CK，SS較CK和SF分別提高567.78 cm/m3和113.29 cm/m3；10～20 cm：不同處理依次為CK>SS>SF，CK較SS和SF分別提高1 213.02 cm/m3和1 327.03 cm/m3；20～30 cm：不同處理依次為SF>SS>CK，SF較CK和SS分別提高224.33 cm/m3和86.83 cm/m3；30～40 cm：不同處理依次為SF>SS>CK，SF較CK和SS分別提高269.75 cm/m3和45.54 cm/m3；40～50 cm：不同處理依次為SF>SS>CK，SF較CK和SS分別提高348.47 cm/m3和20.16 cm/m3。表明，SF和SS對促進根系向遠端延伸的作用大于CK，有利于根系吸收深層土壤的養(yǎng)分和水分，SF對根系生長效果更好。

2.2.3 根系表面積 根系表面積總體依次為SF>SS>CK，SF較SS和CK分別增加65.44 cm2和158.57 cm2，SF和SS與CK間差異顯著，SF與SS間差異不顯著。在不同處理各土層深度根系表面積的變化中，除0～10 cm不同處理依次為CK>SS>SF外，其余土層深度不同處理均依次為SF>SS>CK。CK在0～10 cm土層時達最高，為1 133.22 cm2，之后呈下降趨勢；SS和SF從0～10 cm開始增加，在10～20 cm根系表面積達峰值，分別為1 155.14 cm2和1252.24 cm2，之后逐漸下降。說明，根系表面積與根系干重和根長密度的分布類似。但差異在于CK根系表面積的峰值出現在0～10 cm，而CK根系干重和根長密度的峰值出現在10～20 cm。表明，CK及10 cm以下根系生長受犁底層的影響，根系徑粗生長受到抑制，而SF和SS由于打破犁底層，下部根系生長較好，根系表面積增大。

2.3 耕作措施對春玉米根系活力的影響

從圖2看出，不同處理的根系活力呈先升后降趨勢，CK在10～20 cm土層根系活力最高，為64.21 μg/(g·h)；SS和SF在20～30 cm土層根系活力最高，分別為64.87 μg/(g·h)和68.21 μg/(g·h)，且SS和SF在0～50 cm土層較CK分別提高3.64%和6.59%，差異極顯著(P<0.01)。表明，深松和深翻種植可使土壤疏松透氣，接納雨水能力增強，促進根系的新陳代謝和水肥有效利用，從而使根系活力增強，根的傷流量增大。

2.4 耕作措施對春玉米產量及其構成因素的影響

從表3可知，不同耕作措施春玉米的產量及其構成因素的變化。穗數：2017年和2018年不同處理的變幅分別為65 655～67 044穗/hm2和63 104～66 482穗/hm2，2年均依次為SF>SS>CK，CK均顯著低于SS和SF，SS與SF間差異不顯著。穗粒數：2017年和2018年不同處理的變幅分別為593～623 粒/穗和582～605 粒/穗，2年均依次為SF>SS>CK，各處理間差異均不顯著。千粒重：2017年和2018年不同處理的變幅分別為37.14～38.91 g和36.29～37.82 g，2年均依次為SF>SS>CK，CK均顯著低于SS和SF，SS與SF間差異不顯著。產量：2017年和2018年不同處理的變幅分別為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較CK增產7.29%和17.54%，8.42%和19.88%，CK均顯著低于SS和SF，SS與SF間差異不顯著。表明，深松和深翻可顯著改善土壤結構，增加玉米對水肥的轉化能力，有利于提高玉米的產量；產量受穗數和千粒重影響較大，與穗粒數關系不大。

3 結論與討論

傳統玉米種植區(qū)由于常年采用常規(guī)淺旋耕方式耕作，使土壤耕層逐漸變淺，犁底層厚且堅硬，只有通過合理耕作措施才能改變土壤結構，打破犁底層[8]，增加土壤蓄水保墑能力[9],降低土壤容重，增加土壤孔隙度[10]，為作物生長發(fā)育提供良好的條件。

研究結果表明，不同耕作措施對玉米不同生育時期土壤容重的影響不同，條帶深松30 cm和整地深翻30 cm可有效降低15～30 cm土層土壤容重，且其效果在全生育期可一直保持。0～15 cm 2個處理間土壤容重變化不大，是由于播種前要進行淺旋耕整地，導致土壤物理性狀基本保持一致。

不同土層土壤的根干質量、根長密度和根系表面積是體現玉米根系時空分布的重要指標[1,11]。研究結果表明，條帶深松30 cm、整地深翻30 cm和常規(guī)旋耕18 cm的玉米根系主要集中于0～20 cm土層，在10～20 cm土層根系干重達峰值，之后逐漸降低。條帶深松30 cm和整地深翻30 cm可顯著增加30～40 cm土層的根系量，說明土壤犁底層得到打破，可促進玉米根系向下生長。常規(guī)旋耕18 cm在0～20 cm土層中的根系干重高于條帶深松30 cm和整地深翻30 cm，主要是由于常年淺旋耕作形成犁底層，導致根系下扎困難，促使根系在淺耕層橫向生長，導致耕層20 cm以上根系分布比例較大[12]。整地深翻30 cm和條帶深松30 cm總的根長密度和20 cm以下根長密度大于常規(guī)旋耕18 cm，說明條帶深松30 cm和整地深翻30 cm對促進根系向遠端延伸的作用大于常規(guī)旋耕18 cm，有利于根系吸收深層土壤的養(yǎng)分和水分。整地深翻30 cm和條帶深松30 cm的根系表面積在10～20 cm達峰值，而常規(guī)旋耕18 cm的根系表面積在0～10 cm達峰值，常規(guī)旋耕18 cm土層 10 cm以下土層的根系生長受犁底層的影響，根系徑粗生長受到抑制。

根系活力是衡量根系吸收功能的重要指標，根系活力大根系對養(yǎng)分的吸收能力強，植株衰老較慢[14-15]。玉米吐絲期常規(guī)旋耕18 cm在10～20 cm土層的根系活力最高,條帶深松30 cm和整地深翻30 cm在20～30 cm土層的根系活力最高，深松和深翻種植可以使土壤疏松透氣，根系生長活力增強，從而使傷流量增大。

通過在太行山雨養(yǎng)生態(tài)區(qū)采取深松和深翻耕作措施，可以顯著降低春玉米田土壤容重，改善玉米根系的空間分布，降低土壤0～20 cm土層的根系量，增加20～50 cm土層的根系密度和數量，可促進根系的生長和向縱深分布，提高春玉米的根系活力，增加玉米的穗行數、行粒數、千粒重及產量。