全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(9): 1650−1655　 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 国家自然科学基金项目(30571098); 国家“十一五”科技支撑计划项目(2007BAD31B04); 教育部新世纪优秀人才支持计划项目
(NCET-05-0603)
作者简介: 姜文顺(1983−), 男, 山东肥城人, 硕士研究生, 主要从事作物生理生态研究。E-mail: dajiang5814@163.com
*
通讯作者(Corresponding author): 王空军(1968–2008)。
Received(收稿日期): 2007-11-22; Accepted(接受日期): 2008-03-26.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.01650
夏玉米杂交种登海 3719根系分布与竞争力
姜文顺 王空军* 吴秋平 王永军 董树亭 刘 鹏 张吉旺
(作物生物学国家重点实验室 / 山东农业大学农学院, 山东泰安 271018)
摘 要: 在大田箱式土柱栽培条件下, 比较了高产玉米品种登海 3719 和金海 5 号的根系特征, 并以混播时地上部生
物产量变化为依据, 分析了根系特征与竞争能力的关系。结果表明, 在氮肥供应充足条件下, 登海 3719单株根系生物
量低于金海 5号, 根冠比无明显差异, 其 0~20 cm根系分配比率大、活力高, 在与金海 5号根系竞争中地上部氮素积
累量增加 6%、生物量提高 8%。不施氮时, 登海 3719的根冠比增加 4%, 金海 5号增加 21%, 登海 3719的根冠比、
0~20 cm根系分配比率及活力均低于金海 5号, 在根系竞争中氮素积累量减少 8%, 生物量下降 2%。与金海 5号相比,
登海 3719 在氮素供应不足时, 根系竞争力弱, 适应低氮条件的能力较差, 但在氮肥充足条件下表现吸氮能力高, 竞
争力强。
关键词: 夏玉米; 根系分布; 根系竞争; 根冠比
Root Distribution and Competitive Ability of Summer Corn Denghai 3719
JIANG Wen-Shun, WANG Kong-Jun*, WU Qiu-Ping, WANG Yong-Jun, DONG Shu-Ting, LIU Peng,
and ZHANG Ji-Wang
(State Key Laboratory of Crop Biology / Agronomy College, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, China)
Abstract: Corn (Zea mays L.) plant density is known as a major factor determining the degree of competition between plants.
Modern corn hybrids have several responses to light decline at large densities, such as keeping a erectophile plant type and elon-
gating the maintenance of green leaves. Some researchers have pointed out that modern hybrids showed high levels in root vigor,
ATPase activity, and soluble protein contents as well as the deep-vertical but narrow-horizontal distribution of roots in soils.
However, the root competitive ability among cultivars that released in different years is little known. Denghai 3719 created a yield
record of 21 t ha−1 in 2005. To understand the root spatial distribution and competitive ability of Denghai 3719, an experiment was
conducted in rectangle tanks for comparing the roots characteristics and the biomass of aboveground part between Denghai 3719
and Jinhai 5 (a hybrid widely cultivated in China as control). The cultivars were planted in two models, i.e., two plants per tank
with the same cultivar and with each plant from both cultivars. Each model treated with two nitrogen levels (0 and 7.5 g N plant−1).
Under the nitrogen application condition, the two cultivars had a distinct biomass accumulation, but their root/shoot ratios were
similar. Denghai 3719 took on superiority over Jinhai 5 both in the proportion and root vigor of shallow (0–20 cm) roots, as a
result of an increase of nitrogen accumulation by 6% and biomass by 8% under competition, respectively. Under nitrogen defi-
ciency, root/shoot ratio increased in both hybrids than that under nitrogen application, with Denghai 3719 and Jinhai 5 increased
by 4% and 21%, respectively. Owing to the inferiority of Denghai 3719 over Jinhai 5 in respects of root/shoot ratio, and the pro-
portion and root vigor of shallow (0–20 cm) roots under nitrogen deficiency, Denghai 3719 had a decrease in nitrogen accumula-
tion by 8% and in biomass by 2% under competition, respectively. The results indicate that Denghai 3719 is more adapted to ni-
trogen-efficient environment in view of root distribution and root vigor.
Keywords: Summer corn; Root distribution; Root competition; Root/shoot ratio
第 9期 姜文顺等: 夏玉米杂交种登海 3719根系分布与竞争力 1651


增加种植密度是玉米产量提高的重要途径[1-2]。
当代品种冠层多趋于紧凑, 叶片少而直, 花后保绿
性增强 [3], 密度增加使植株对光照竞争更加激烈 ,
同时也使植株对土壤养分和水分的竞争加剧[4]。对
我国 20世纪 50、70和 90年代玉米品种更替、产量
提高过程中根系生理特性演进规律的研究表明, 当
代品种根系中可溶性蛋白含量、ATPase活性递增[5],
根系活力显著增强, 且具有更强的活性氧清除能力,
后期膜质过氧化较轻 [6-7], 其空间分布呈现“横向紧
缩, 纵向延伸”的特点[8]。然而针对当前超高产玉米
品种根系特征及其竞争能力的报道相对较少。根系
作为重要的营养吸收器官, 实际生产中也多通过其
改良来促进作物生长[9]。
品种杂交种登海 3719的株高为 230 cm左右, 株
高/穗位比值较大, 穗上节间相对伸长; 下部叶片相
对松散, 上部叶片紧凑, 2005年创造了 727 m2全田
收获产量 21 t hm−2的夏玉米高产纪录, 实现了品种
高产潜力的重大突破[10], 2006和 2007年在相同面积
的小区产量均超过 18 t hm−2(数据未发表)。因此, 有
必要全面地认识该品种的根系发育、根群分布、不
同生育期根系吸收水分养分活力, 以及不同供氮条
件下的根系变化[11], 以探讨其高产机制。本研究在
施氮和不施氮条件下, 测定了登海 3719的根系生物
量、时空分布、根系活力, 并以竞争能力为评价指
标, 研究高产品种的根系特征及其与氮素吸收利用
和物质生产特性的关系, 以期为超级玉米品种选育
及高产栽培提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料与试验设计
试验于 2006—2007 年在黄淮海区域山东玉米
技术创新中心和作物生物学国家重点实验室进行。
供试材料为耐密性强的登海 3719和适应性较强、生
产上大面积应用的夏玉米品种金海 5号(对照)。
采用箱式土柱栽培, 土柱为 54 cm × 27 cm ×
100 cm, 由 PVC板制成, 下封底且其一侧面可拆卸。
土柱用土为 40 cm 表土层, 土壤混匀过筛, 并与干
净河沙按 3∶1 (体积 )混匀 , 混后土壤含有机质
0.71%、速效氮 44.56 mg kg−1、速效磷 46.32 mg kg−1、
速效钾 59.01 mg kg−1。土柱置于事先挖好深 1 m的
方形土坑内, 内外装土后浇水充分沉实, 每排 6 个
处理, 行间距 1 m, 土坑周围设置保护行。为避免花
粉直感, 开花后进行人工授粉。
每个土柱播种 2 株, 设登海 3719、金海 5 号单
播与混播处理, 并设 N0 (不施氮)、N1 (施氮处理纯氮
量为 7.5 g N plant−1) 2个施肥水平, 共 6个处理, 每处
理种植 15个土柱。所有处理基施磷、钾肥, 每株用
量为 2.5 g (P2O5)和 6.25 g (K2O)。氮肥分苗期、大口
期和花粒期, 按总氮量的 20%、50%和 30%追施。
1.2 根系活力与根冠比测定
自授粉之日起, 每 14 d取样一次, 重复 2次, 地
上部分分为叶片、籽粒、茎秆(除叶片、籽粒的剩余
部分)3 部分, 根系由土表向下按 0~20 cm、20~40
cm、40~70 cm、70 cm以下分 4层取样并用水冲洗干
净。去杂后将各层根系混匀, 选取部分细根, 0℃下暂
时贮存, 于当天采用 TTC还原法测定根系活力[12]。成
熟期将剩余植株的地上部分全部收获, 计算单株平
均生物量及其分配。
剩余根系及地上部样品均于 105℃杀青 30 min,
75℃下烘至恒重后称其干重。将烘干样品粉碎后 ,
采用 H2SO4-H2O2消煮, 按 GB2905-1982半微量凯氏
定氮法测定各部分氮素含量[13]。
根冠比＝根系生物量(不计地中茎)/地上部生物
量[14]。
1.3 统计分析
采用 Microsoft Excel 2003 进行数据计算, 用
DPS 5.12统计软件进行方差分析, 用 SigmaPlot 10.0
软件作图。
2 结果与分析
2.1 地上部干物质积累量
由图 1可看出, 施氮条件下地上部干物质积累量,
混播较单播平均增加 4.2%, 登海 3719 和金海 5 号分
别增加 7.5% (P<0.05)和 1.6%; 不施氮条件下, 登海
3719 混播较单播下地上部生物量下降 2.1%, 金海 5
号则增加 3.4% (P<0.05)。说明, 登海 3719在施氮条件
下根系竞争能力强, 不施氮条件下, 根系竞争能力
低于金海 5号。
2.2 地上部氮素积累量
施氮条件下, 混播处理与单播相比地上部氮素
积累量平均增加 3.7%(图 2), 登海 3719和金海 5号分
别增加 6.2% (P<0.05)和 1.5%; 不施氮肥条件下, 登
海 3719 在混播处理中的氮素积累量减少 8.2%
(P<0.05), 金海 5号增加 2.3%。说明登海 3719在施
氮条件下根系吸氮能力强, 不施氮条件下根系吸氮
能力下降。
1652 作 物 学 报 第 34卷


图 1 成熟期金海 5号和 DH3719地上部干物质积累量
Fig. 1 Dry matter accumulations in shoots of Jinhai 5 and Denghai 3719 at maturity stage
The same letter above the columns denotes no significant difference between the 2 planting methods.
N0: no nitrogen fertilizer applied; N1: nigtrogen 7.5 g N plant−1.

图 2 成熟期金海 5号和登海 3719地上部氮素积累量
Fig. 2 Nitrogen accumulations in shoots of Jinhai 5 and Denghai 3719 at maturity stage
The same letter above the columns denotes no significant difference between the 2 planting methods.
N0: no nitrogen fertilizer applied; N1: nigtrogen 7.5 g N plant−1.

2.3 根系重量与根冠比的变化动态
由图 3可看出, 登海 3719的根系重量明显低于
金海 5 号, 二者授粉后根系重量均呈先上升后下降
趋势, 施氮条件下, 授粉后 28 d 接近最大值, 不施
氮条件下, 授粉后 14 d接近最大值。根冠比方面, 不
施氮处理高于施氮处理(平均值), 登海 3719高 4.1%,

图 3 花后根系重量(a)和根冠比(b)动态
Fig. 3 Dynamics of root weight (a) and root/shoot raito (b) after pollination
N0: no nitrogen fertilizer applied; N1: nigtrogen 7.5 g N plant−1.
第 9期 姜文顺等: 夏玉米杂交种登海 3719根系分布与竞争力 1653


金海 5号高 21.4%。登海 3719的根冠比在施氮条件
下与金海 5 号差异不明显, 不施氮条件下明显低于
金海 5号。说明登海 3719与金海 5号相比, 氮肥亏
缺时根系可塑性差, 根冠比小。
2.4 根系干重时空分布
图 4表明, 0~20 cm土层根系占根系总重的 70%
以上, 其生物量与根系总重的动态趋势接近。施氮
条件下, 各层根系生物量呈先上后降的趋势, 在花
后约 28 d接近峰值; 根系比率, 0~20 cm表现先降后
升, 花后 28 d接近最低值, 20~40 cm和 40~70 cm分
别在花后 28 d和 14 d达到最大值, 而 70~100 cm自
开花后呈逐渐下降趋势。不施氮条件下, 0~20 cm和
20~40 cm根系重量在花后约 14 d达到峰值, 以下各
层根系生物量一直呈下降趋势 ; 根系比率方面 ,
0~20 cm 呈明显上升趋势, 70~100 cm 则大幅下降,
20~40 cm和 40~70 cm两层变化不大。
登海 3719各层根系的生物量均低于金海 5号, 但
施氮条件下 0~20 cm根层根系比率高于金海 5号, 其
余各层根系比率均低于后者; 不施氮条件下的根系比
率, 登海 3719在 20~40 cm和 40~70 cm高于金海 5号,
但在 0~20 cm显著低于后者, 70~100 cm差异较小。可
见, 登海 3719的 0~20 cm根系在施氮条件下比率较
高, 而不施氮条件下低于金海 5号。
2.5 根系活力的变化
根系活力是反映根系吸收性能的重要质量指标,
增施氮肥使之显著提高(图 5)。登海 3719在施氮条件
下 0~20 cm的根系活力高于金海 5号, 20~100 cm则
低于金海 5号; 不施肥条件下, 0~20 cm根系活力低
于金海 5号, 20~100 cm根系活力差异不大。说明登
海 3719的 0~20 cm根系活力在施氮条件下高于金海
5号, 不施氮条件下则低于后者。

图 4 花后各层根系生物量及所占比率的动态
Fig. 4 Dynamics of root biomass and root distribution in dif-
ferent soil layers
N0: no nitrogen fertilizer applied; N1: nigtrogen 7.5 g N plant−1.

图 5 花后 0~20 cm 和 20~100 cm土层根系活力动态
Fig. 5 Dynamics of root vigor in 0–20 cm and 20–100 cm soil layers after pollination
N0: no nitrogen fertilizer applied; N1: nigtrogen 7.5 g N plant−1.

1654 作 物 学 报 第 34卷

3 讨论
高产田对我国粮食总产的贡献率为 54.09%[15],
发展超高产是提高单产和实现未来中国粮食安全的
基本技术途径[16]。玉米新品种在最适宜的栽培条件
下产量增长最多, 对高肥力条件具有较高的适应性[9]。
根系作为作物重要的吸收器官, 在很多条件下控制
和影响整个植株的生长发育 [14], 而根系的空间分
布、活力及随环境变化的能力均影响其吸收性能[11]。
氮素供应不足时, 作物主要通过增加根系吸收面
积来吸收更多的氮素[17], 同时根冠比增加[18-19]。一定
范围内, 根系的吸收能力与生物量正相关[20-21]。因此,
根系相对重量的增加利于个体竞争能力的增强, 是
对不利环境的一种生态适应[22]。本试验表明, 登海
3719和金海 5号不施氮处理的根冠比均高于施肥处
理, 但登海3719仅增加4%, 而金海5号提高 21%, 登
海 3719的 0~20 cm根系比率和活力均低于金海 5号,
在与金海 5 号的混播中其氮素积累量减少 8.0%, 生
物量下降 2.1%, 而金海 5 号的氮素和生物量则分别
增加 2.0%和 3.4%。胡延吉[23]、Calderini和 Slafer[24]
等发现小麦随着产量水平的提高, 品种的适应性呈
下降趋势。现代小麦品种的高产特性是通过降低竞
争能力实现的, 品种的竞争能力与生产性能之间存
在着负相关关系[25]。刘琳等[26]也指出小麦新品种籽
粒产量的提高是与根系的减少和对水资源竞争能力
的下降相伴随的。创造我国夏玉米高产纪录的登海
3719 与金海 5 号相比, 在不施氮条件下根系竞争力
较弱, 适应低氮的能力较差。
施氮条件下, 登海 3719与金海 5号相比根冠比差
异较小, 但 0~20 cm根层的根系比率和活力均较高,
在竞争中获胜 , 氮素和生物量分别增加 6.00%和
7.53%, 陈杨等[27]关于“苗期蚕豆竞争力高于大豆主
要得益于土壤上层根系比率较大”的观点也支持我
们的结论。Rubio等[28]也发现当磷肥集中在土壤表层
时, 浅根型的大豆产量高于深根型大豆, 且竞争条
件下表现更明显。肥料施入土壤表层后, 由于土壤
表层透气性良好, 使其营养性能明显优于下层。因
此 , 浅层根系在吸收营养方面较深层根系更具优
势。而一般认为深层根系在干旱条件下对产量的贡
献较大[29-30], 抗旱品种的中层和下层根系数量和长
度明显高于不抗旱品种[31]。因此, 在排除水分限制
时, 土壤表层施氮利于浅层根系比率较大的品种登
海3719, 其根系分布与土壤资源耦合较好, 表现强吸
氮能力, 在根系竞争中占优势。
4 结论
我国夏玉米高产纪录杂交种登海 3719与金海 5号
相比 , 在不施氮条件下 , 根冠比较小 , 根系竞争力
及适应逆境的能力弱, 在根系竞争中氮素及干物质
积累量均下降。但在施氮条件下, 登海 3719根系分
布与土壤资源的空间分布耦合好, 其浅层根系比率
和活力高, 吸氮能力强, 在根系竞争中占优势。因此,
在肥水条件较好的地区, 选用浅层根系比例大、活
力高的品种, 培育竞争力强的根系, 有助于氮素吸
收积累和物质生产, 发挥高产潜力。
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