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Effect of different nitrogen application modes on root growth,rhizosphere soil characteristics and rice yield under no-tillage

氮肥运筹对免耕水稻根系生长、根际土壤特性及产量的影响



全 文 :广 西 植 物 Guihaia Sept.2014,34(5):681-685           http://journal.gxzw.gxib.cn 
DOI:10.3969/j.issn.1000G3142.2014.05.018
张玉,秦华东,黄敏,等.氮肥运筹对免耕水稻根系生长、根际土壤特性及产量的影响[J].广西植物,2014,34(5):681-685
ZhangY,QinHD,HuangM,etal.Efectofdifferentnitrogenapplicationmodesonrootgrowth,rhizospheresoilcharacteristicsandriceyieldunder
noGtilage[J].Guihaia,2014,34(5):681-685
氮肥运筹对免耕水稻根系生长、根际
土壤特性及产量的影响
张 玉1,2,秦华东1,3,黄 敏1,江立庚1∗,徐世宏4
(1.广西大学 作物栽培学与耕作学重点实验室,南宁530005;2.广西农业科学院 玉米研究所,南宁
530227;3.广西大学 图书馆,南宁530005;4.广西农业技术推广总站,南宁530022)
摘 要:为探索氮肥运筹对免耕条件下水稻根系生长以及对根际土壤特性、产量的影响,以金优253为材料
进行试验.结果表明:平衡施肥显著提高单株根系干重、根长、单株生物量、根半径、单株根表面积、根长密度
及根系活力,实收单产高于重穗肥和重基肥处理,且与重基肥差异达95%的显著水平,主要是有效穗数、结实
率的增加.平衡施肥显著提高0~10cm土层的0~2mm根际土壤有机质、碱解氮含量及脲酶、蔗糖酶活性.
因此平衡施肥能明显促进免耕水稻根系生长和有效穗数的增加,对提高水稻产量具有促进作用.
关键词:氮肥运筹;免耕水稻;根系生长;根际土壤;产量
中图分类号:Q945.12  文献标识码:A  文章编号:1000G3142(2014)05G0681G05
Effectofdifferentnitrogenapplicationmodeson
rootgrowth,rhizospheresoilcharacteristics
andriceyieldundernoGtilage
ZHANGYu1,2,QINHuaGDong1,3,HUANGMin1,
JIANGLiGGeng1∗,XUShiGHong4
(1.KeyLaboratoryofCropCultivationandFarmingSystem,GuangxiUniversity,Nanning530005,China;2.Instituteof
MaizeResearch,GuangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanning530227,China;3.LibraryofGuangxiUniversity,
Nanning530005,China;4.GuangxiAgriculturalTechnologyExtensionGeneralStation,Nanning530022,China)
Abstract:Theefectofnitrogenapplicationmodesonrootgrowth,rhizospheresoilcharacteristicsandriceyieldunder
noGtilageandcasttransplantingricewasstudied.TheresultsshowedthatbalancedfertilizationmadeobviousinfluG
enceonnoGtilageandcasttransplantingricerootgrowth,andphysiology.Thericeshootdryweightandbiomassper
plant,rootnumber,rootdensity,rootactivityofbalancedfertilizationwerehigherthanothertreatments,thediferG
encesweresignificantinricelatergrowth.However,therewerenosignificantdiferencesinrootlength.BalancedferG
tilizationincreasedspikeletsperpanicleandseedset.Balancedfertilizationsignificantlyincreased0-10cmsoillayers
organic,availablenitrogenandureaseactivityof0-2mmrhizospheresoilinricelategrowth.Therefore,itcanbeen
concludedthatbalancedfertilizationacquiredhighergrainyieldbyimprovingrhizospheresoil,promotingrootgrowth
andincreasingefectivepanicles.
Keywords:nitrogenapplicationmodes;noGtilagerice;rootgrowth;rhizospheresoil;yield
收稿日期:2013G10G12  修回日期:2013G12G18
基金项目:国家自然科学基金(30560066);广西自然科学基金(0832008Z,0991010Z,0640020);国家现代农业产业技术体系专项(广西水稻创新团队).
作者简介:张玉(1970G),男,河南信阳人,博士,助理研究员,研究方向为农作物栽培生理研究,(EGmail)175334609@qq.com.
∗通讯作者:江立庚,博士,教授,研究方向为作物生理生态,(EGmail)jiang@gxu.edu.cn.
  水稻根系的发生、生长和生理活性等受施用肥
料的种类、施用量、施用时期和施用方法的影响.不
同肥料或同一种肥料的不同形态对根系生长发育的
作用各不相同.当土壤养分状态发生变化时,水稻
根系的生长发育相应地发生一系列的适应性变化.
分根栽培条件下,供氮一侧能诱导根系生长发育
(Kirchneretal.,1993).根系空间分布受施肥方式
影响,基肥可促进根系分布较深,特别是全层施肥会
使根系分布于整个耕层,追肥次数多,冠根数和表层
根增多,根系二次分枝变多变粗(史正军等,2005).
刘世平等(1995)认为免耕使土壤有机质和氮素向土
壤表层富集,水稻对养分的利用在不同栽培管理条
件下会发生变化,稻田表层土壤的环境状态也会发
生改变.前人对肥料的种类、施用量、施用时期和施
用方法对水稻根系的发生、生长和生理活性影响研
究主要集中在常规耕作,而在免耕方面研究少见报
道(董桂春等,2003;唐拴虎等,2006).免耕抛秧技
术顺应新时期农业“高产、优质、高效、生态、安全”的
发展要求,2004年被农业部确定为水稻生产的主推
技术之一(夏敬源等,2003).因此,本研究利用根袋
法对3种氮肥运筹方式下免耕稻根系生长、根际土
壤特性及产量进行了对比试验,旨在探明免耕条件
下的适宜氮肥运筹方式对根系特性的影响,为免耕
栽培技术的大面积推广应用提供理论依据.
1 材料与方法
试验于2009年早季在广西大学农学院试验基
地进行,材料为三系籼型杂交水稻金优253,由广西
大学支农中心提供试验用种.试验水稻田为连续两
年免耕,土壤基本理化性状为pH6.42,有机质25.8
g􀅰kgG1,全N1.7g􀅰kgG1,速效磷35.1mg􀅰kgG1,速
效钾116.9mg􀅰kgG1.
试验根据氮肥管理设3个处理:(1)平衡施肥,
氮肥按5∶3∶2比例施用基肥、分蘖肥和穗肥;(2)
重施穗肥,氮肥按5∶1∶4比例施用基肥、分蘖肥和
穗肥;(3)重施基蘖肥,氮肥按6∶3∶1比例施用基
肥、分蘖肥和穗肥.每个处理小区面积为12.4m2,
3次重复,随机区组排列.各处理的施肥量均为尿
素418kg􀅰hmG2、过磷酸钙450kg􀅰hmG2、氯化钾
225kg􀅰hmG2.磷肥全部作基肥一次施用,钾肥按
6∶2∶2的比率分别施用基肥、分蘖肥和穗肥.
抛栽前每小区以五点取样法挖取直径15cm、
高30cm的保持免耕状态的原状土柱9个(根袋6
个、土袋3个),装入300目的尼龙网袋,原位埋入小
区.土柱挖取方法:一边开20~30cm侧沟,在侧沟
壁直接挖取连续柱状原样土壤,装入300目尼龙网
袋,回填入原处封埋填好.其中6个根袋中央抛栽
生长一致的秧苗1株,用于根系的取样分析;3个土
袋中不抛栽水稻,在土袋四周抛栽水稻,以保证土袋
外水稻根系密集并与土袋内土壤充分接触,由此认
定土袋内与水稻根系密切接触的土壤为根际土壤.
育秧采用编织布隔层方式,3月9日播种,4月6日
选择3~3.5叶龄的秧苗且长势均匀一致的健壮无
病害的秧苗进行抛秧.小区内抛秧密度每公顷为
67.5万基本苗.
在分蘖高峰期(抛秧后25d)、抽穗期和灌浆盛
期(抽穗后25d)取样,每次每小区取2个根袋和
1个土袋.收集根袋全部根系并用自来水小心冲
洗,调查根系数量、长度,计算根长密度、称取根系干
重.另一袋根系用于根系活力、SOD酶活性的测
定.测定根系活力采用TTC(三苯基氯化四氮唑)
还原法、测定总根长采取交叉截取法(张宪政,
1994),根表面积参照杨长明(2004)的方法测定.土
袋自然晾干后,按土柱形状分别取得0~10mm土
层距根面2、6和10mm的根际土壤.测定土壤碱
解氮、有效磷、速效钾,pH值,有机质,土壤蔗糖酶、
脲酶活性(李酉开,1983;关松荫,1986).
成熟期进行测产,从每个试验小区的中心区随
机收割30蔸,利用脱粒机进行脱粒,随后进行晒干
和风选后称取风干重,烘箱中用烘干法测定样品的
水分含量,根据水分含量计算稻谷的干重,最后按
14%的含水量计算稻谷产量.另外,每小区取选3
蔸代表性植株进行考种样,测定产量构成.
采用Excel2003对数据进行整理,利用SAS
9.0统计软件进行数据分析.
2 结果与分析
2.1氮肥运筹对免耕水稻产量及构成因素的影响
平衡施肥处理实收产量分别比重施穗肥和重施
基蘖肥处理高4.34%和8.40%,与重施基蘖肥处理
差异达5%显著水平(表1).重施穗肥处理与重施
基蘖肥处理产量差异不显著.
286 广 西 植 物                  34卷
表1 氮肥管理对免耕抛秧水稻产量及构成因素的影响
Table1 EffectofNmanagementonnoGtilagecasttransplantingriceyieldandyieldcomponents
氮肥管理
Nmanagement
有效穗数
Effectivepanicle
(104􀅰hmG2)
每穗粒数
Spikelets
perpanicle
结实率
Seedset
(%)
千粒重
1000Ggrainweight
(g)
理论产量
Theoreticyield
(t􀅰hmG2)
实际产量
Harvestyield
(t􀅰hmG2)
BLF 246.52a 163.7ab 84.62a 25.04a 8.55a 6.97a
TLF 241.39ab 166.8a 79.85b 25.17a 8.09a 6.68ab
BSF 232.66b 159.1b 80.16b 23.96b 7.11b 6.43b
 BLF:平衡施肥;TLF:重施穗肥;BSF:重施基蘖肥.数字后小写字母表示差异显著性,同一列数字后无相同小写字母表示差异达5%显著水平.下同.
 BLF:Balancedfertilization;TLF:Tileringfertilization;BSF:Basicfertilization.DifferentlowerlettersafternumberindicatesignificantdifferencesatP<0.05.
Thesamebelow.
  平衡施肥增产主要体现在有效穗数、结实率比
重施穗肥和重施基蘖肥处理高,有效穗数分别高
2.13%、5.96%,结实率分别高5.97%、5.56%,差异
达显著性水平.重施穗肥处理的每穗粒数和千粒重
显著高于重施基蘖肥.
2.2氮肥管理对免耕抛秧水稻根系生长的影响
2.2.1单株根干重、单株生物量 表2显示,重施基
蘖肥处理水稻单株,分蘖高峰期根干重高于平衡施
肥和重施穗肥,差异不显著;平衡施肥处理抽穗期和
灌浆盛期的单株,根干重高于重施穗肥、重施基蘖肥
处理,比重施基蘖肥分别高18.49%和26.01%,差异
达显著性水平.重施穗肥处理抽穗期和灌浆盛期的
单株,根干重略高于重施基蘖肥,差异不显著.表明
平衡施肥对免耕抛秧水稻根系生长促进作用显著.
平衡施肥处理抽穗期和灌浆盛期的单株生物量高于
重施穗肥、重施基蘖肥处理,抽穗期显著高于重施穗
肥,灌浆盛期显著高于重施基蘖肥.重施穗肥、重施
基蘖肥处理单株生物量的差异不大.表明平衡施肥
对免耕抛秧水稻生物产量有显著促进作用.
2.2.2根半径、根表面积 平衡施肥处理抽穗期和灌
表2 氮肥管理对免耕抛秧水稻不同生育期根系生长的影响
Table2 EffectofNmanagementonnoGtilageandcasttransplantingricerootgrowthatdifferentgrowthstages
生育时期
Growthstage
氮肥管理
Nmanagement
单株根干重
Rootdryweight
perplant(g)
单株生物量
Biomassper
plant(g)
根半径
Rootradius
(mm)
根表面积
Rootarea
(cm2)
单株根长
Rootlength
perplant(m)
分蘖高峰期
Maximaltilerstage
BLF 2.81a 23.56a 0.145a 339.1b 37.24b
TLF 2.79a 23.98a 0.147a 360.3b 39.03ab
BSF 3.02a 24.15a 0.151a 394.0a 41.55a
抽穗期
Headingstage
BLF 4.23a 36.77a 0.232a 920.1aA 63.15a
TLF 3.86ab 31.64b 0.206b 774.5cB 59.87b
BSF 3.57b 33.08ab 0.229ab 884.9bA 61.53ab
灌浆盛期
Grainfilingstage
BLF 5.28a 56.99a 0.256a 1243.2aA 77.33a
TLF 4.73ab 51.36ab 0.215b 1007.0bB 74.58ab
BSF 4.19b 49.75b 0.219b 985.0cC 71.62b
生育时期
Growthstage
氮肥管理
Nmanagement
单条根长
Averagerootlength
(cm)
单株总根数 (条)
Rootnumberperplant
(Bar)
根长密度
Rootlengthdensity
(cm􀅰cmG3)
根系活力
Rootactivity
(μg􀅰gG1􀅰hG1)
分蘖高峰期
Maximaltilerstage
BLF 17.14a 217.3ab 0.685b 62.88a
TLF 19.27a 202.5b 0.717ab 63.56a
BSF 18.75a 221.6a 0.764a 67.32a
抽穗期
Headingstage
BLF 17.86a 353.5a 1.16a 47.51aA
TLF 17.78a 336.8b 1.10a 32.68cB
BSF 17.52a 351.2a 1.13a 40.39bAB
灌浆盛期
Grainfilingstage
BLF 15.12a 511.6aA 1.42a 32.15a
TLF 15.47a 482.1bAB 1.37b 25.87b
BSF 15.83a 452.5cB 1.32b 26.32b
浆盛期根半径均高于重施穗肥、重施基蘖肥处理,灌
浆盛期分别高19.07%和16.90%,差异达显著性水
平,抽穗期平衡施肥处理根半径显著高于重施基蘖
肥,重施穗肥、重施基蘖肥处理根半径差异不大.表
明平衡施肥对免耕抛秧水稻根系增粗影响较大.抽
穗期和灌浆盛期单株根表面积以平衡施肥处理最
高,抽穗期极显著高于重施穗肥,灌浆盛期极显著高
于重施基蘖肥.说明平衡施肥对免耕抛秧条件下根
3865期       张玉等:氮肥运筹对免耕水稻根系生长、根际土壤特性及产量的影响
系对养分的吸收更有利,且在水稻生育后期表现更
明显.
2.2.3根长 平衡施肥处理抽穗期和灌浆盛期的单
株根长均高于重施穗肥、重施基蘖肥处理,抽穗期显
著高于重施穗肥,灌浆盛期显著高于重施基蘖肥.
分蘖高峰期重施基蘖肥处理单株根长比平衡施肥高
11.57%,差异达显著性水平.各生育期单株单条根
长处理间差异不明显.
2.2.4总根数、根长密度 重施基蘖肥处理分蘖高峰
期的单株总根数高于平衡施肥、重施穗肥处理,其中
与重施穗肥差异达显著性水平.平衡施肥处理的抽
穗期和灌浆盛期单株总根数高于重施穗肥和重施穗
肥和重施基蘖肥处理,抽穗期显著高于重施穗肥,灌
浆盛期极显著高于重施基蘖肥.重施基蘖肥处理分
蘖高峰期的根长密度高于平衡施肥、重施穗肥处理,
平衡施肥处理灌浆期的根长密度显著高于重施穗肥
和重施基蘖肥处理.
2.2.5根系活力 重施基蘖肥处理分蘖高峰期的根
表3 氮肥管理对免耕抛秧水稻根际土壤特性的影响
Table3 EffectofNmanagementonnoGtilageandcasttransplantingricerhizospheresoilcharacteristics
生育期
Growthstage
氮肥管理
Nmanagement
有机质Organic(g􀅰kgG1)
0~2mm 2~6mm 6~10mm
碱解氮AvailableN(mg􀅰kgG1)
0~2mm 2~6mm 6~10mm
分蘖高峰期
Maximaltilerstage
BLF 27.99b 25.87ab 22.61a 89.55a 83.16a 84.05a
TLF 30.25ab 24.66b 25.17a 91.04a 84.28a 81.27a
BSF 32.67a 28.34a 23.46a 92.73a 81.06a 82.98a
抽穗期
Headingstage
BLF 33.85b 27.52a 20.56ab 95.96a 87.84a 79.33a
TLF 39.49a 24.39a 17.85b 91.37ab 90.18a 83.25a
BSF 37.62ab 25.65a 22.24a 88.25b 86.52a 81.46a
灌浆盛期
Grainfilingstage
BLF 26.74ab 19.35ab 12.37a 91.72b 87.93a 85.77a
TLF 28.33a 22.89a 13.12a 98.53a 80.62b 82.56ab
BSF 23.16b 17.62b 14.76a 88.36b 82.85b 76.49b
生育期
Growthstage
氮肥管理
Nmanagement
脲酶Ureaseactivity(mg􀅰gG1􀅰dG1)
0~2mm 2~6mm 6~10mm
蔗糖酶Invertase(mg􀅰gG1􀅰dG1)
0~2mm 0~2mm 2~6mm
分蘖高峰期
Maximaltilerstage
BLF 1.42b 1.55a 1.06a 61.22a 49.86ab 37.67a
TLF 1.58ab 1.64a 1.17a 60.85a 46.35b 36.25a
BSF 1.93a 1.79a 1.33a 64.16a 51.22a 40.13a
抽穗期
Headingstage
BLF 2.31a 1.82a 1.56a 46.62a 42.83a 34.91a
TLF 2.14ab 1.56ab 1.72a 42.28a 41.05a 31.26ab
BSF 1.87b 1.53b 1.19b 44.97a 43.52a 28.93b
灌浆盛期
Grainfilingstage
BLF 1.65b 1.36a 1.05ab 33.26ab 22.74b 31.55a
TLF 2.03a 1.28ab 1.14a 37.59a 29.66a 27.37ab
BSF 1.43b 1.05b 0.84b 29.57b 23.18b 22.18b
系活力高于平衡施肥、重施穗肥处理,但差异不显
著,平衡施肥处理抽穗期和灌浆盛期的根系活力均
显著高于重施穗肥和重施基蘖肥处理,抽穗期与重
施穗肥差异达极显著性水平.表明平衡施肥对免耕
抛秧水稻根系活力具有明显的促进效果.
2.3氮肥管理对免耕抛秧水稻根际土壤特性的影响
2.3.1有机质含量 氮肥管理对土壤有机质含量及
其在土层的分布有较大的影响.0~10cm土层根
际土壤有机质含量各生育期均以0~2mm最高、2
~6mm次之、6~10mm最低,其中0~2mm与6
~10mm差异较为明显.平衡施肥处理0~10cm
土层0~2mm根际土壤有机质含量在抽穗期、灌浆
盛期高于重施基蘖肥和重施穗肥处理,其中在抽穗
期与重施穗肥差异显著,在灌浆盛期与重施基蘖肥
差异显著.
2.3.2碱解氮含量 0~10cm土层0~2mm根际
土壤碱解氮含量各生育期明显高于2~6mm和6
~10mm,其中与6~10mm差异较大.重施基蘖
肥提高了分蘖高峰期0~10cm土层0~2mm根际
土壤碱解氮含量,而平衡施肥和重施穗肥则提高了
抽穗期、灌浆盛期0~10cm 土层0~2mm、2~6
mm根际土壤碱解氮含量,其中重施穗肥处理0~
10cm土层0~2mm根际土壤碱解氮含量在抽穗
期显著高于重施基蘖肥,平衡施肥处理0~10cm土
层0~2mm根际土壤碱解氮含量在灌浆盛期显著
高于重施基蘖肥和重施穗肥.
486 广 西 植 物                  34卷
2.3.3脲酶活性 除分蘖高峰期平衡施肥、重施穗肥
0~10cm土层0~2mm根际土壤脲酶活性略低于
2~6mm外,0~10cm土层0~2mm根际土壤脲
酶活性各生育期均高于2~6mm和6~10mm,与
6~10mm差异较为明显.重施基蘖肥明显提高了
分蘖高峰期0~10cm土层各根际土壤脲酶活性.
而平衡施肥和重施穗肥则提高了抽穗期、灌浆盛期
0~10cm土层各根际土壤脲酶活性,其中重施穗肥
处理0~10cm土层0~2mm、6~10mm根际土壤
脲酶活性在抽穗期显著高于重施基蘖肥,平衡施肥
处理0~10cm土层0~2mm根际土壤脲酶活性在
灌浆盛期显著高于重施基蘖肥和重施穗肥.
2.3.4蔗糖酶活性 随着水稻的不断生长,根际土壤
蔗糖酶活性有下降的趋势.0~10cm 土层0~2
mm根际土壤蔗糖酶活性均明显高于2~6mm和6
~10mm,2~6mm略高于6~10mm.重施基蘖
肥明显提高了分蘖高峰期0~10cm土层各根际土
壤蔗糖酶活性.重施穗肥则提高了抽穗期0~10
cm土层0~2mm、6~10mm 根际土壤蔗糖酶活
性.平衡施肥提高了灌浆盛期0~10cm土层0~2
mm、2~6mm根际土壤蔗糖酶活性,平衡施肥0~
10cm土层0~2mm根际土壤蔗糖酶活性显著高
于重施基蘖肥,2~6mm根际土壤蔗糖酶活性显著
高于重施基蘖肥和重施穗肥.
3 讨论与结论
氮素对根系形态、生长及其在介质中的分布影
响是所有矿质营养中最大的.根系作为作物养分吸
收和运输的器官,是土壤氮元素及其他养分的直接
利用者和产量的重要贡献者,其功能发挥与根系形
态特征和生理特性密切相关,受基因控制和环境因
素的双重影响(关松荫,1986).国内外对根系发育、
根系获取氮素能力等进行了大量研究,明确了氮素
反应的基因型差异在根系性状中的表现、氮对根系
群体分布的影响、和根系吸氮规律以及氮肥管理对
根系生长的调控等(程建峰等,2002;Needelman,
1999),但对不同氮肥管理的根系形态和生理特性及
根际土壤特性差异缺乏系统研究,尤其是水稻生长
发育的几个关键时期.
本研究表明,在水稻各需肥高峰期分次施用N
肥,免耕水稻根际环境明显改善,原因是平衡施肥可
能有助于降低田面水N素的最高浓度,减少了田间
径流的单次N素损失量,提高了肥料的利用率(王
静等,2010),对免耕抛秧水稻根系的伸长、生长、生
理产生较大影响,促进了根系生长.研究还表明,平
衡施肥处理满足了不同生育时期对水稻 N素的需
求量,促进水稻对 N素的吸收效率,减少田间氮素
的损失,通过促进有效穗数的提高,从而显著提高该
氮肥管理模式方式下水稻的产量.
在农业生产中,应根据不同时期施氮模式来调
控根系的生长,通过适当增加施肥次数,采取平衡施
肥法,少量多次的施肥,也可适当增加穗肥比例,使
前氮后移,促进水稻根际微生态效应,以促进稻株的
快速生长.同时在苗期也应调整不同的水分管理方
式以适应根系的快扎稳长,提高立苗效率(秦华东
等,2011).由于本试验设计的氮肥运筹量处理数有
限,免耕条件下适宜的氮肥运筹量及最适宜的施氮
比例及施氮时期还有待于进一步研究.
本试验只考虑在同等量氮肥施肥水平下对氮肥
不同分配量,并结合氮肥施用量研究免耕稻根系特
性的对比进行了研究,对如何选取适宜氮肥运筹量
以及精确的氮肥运筹时期将是本研究今后的一个重
要讨论方向.
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Effectofdifferentmoisturemanagementmodesonrootgrowth
characteristicsofcasttransplantingriceinseedlingstandingpeG
riodundernoGtilage(不同水分管理模式下免耕抛秧水稻立苗
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5865期       张玉等:氮肥运筹对免耕水稻根系生长、根际土壤特性及产量的影响