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摘要：根箱种植条件下，探讨不同水氮施用量对冬小麦根系生长及产量的影响。结果表明，根质量密度在拔节期表现為N2最高，较N0、N1处理分别提高37.95%、5.74%；在抽穗期表现为N1>N0>N2；灌浆期根质量密度表现为充分灌水处理（W1）大于水分亏缺处理（W0），其中充分灌水处理下，N1处理根质量密度显著高于N0、N2。根质量密度主要分布在0～10 cm的土壤中。随着土壤深度的增加，根质量密度逐渐降低，根箱条件下，部分处理在30～40 cm有小幅回升。随着生育时期的推进，根冠比逐渐下降，并在灌浆期达到最低。根冠比随着施氮量的增加而降低。灌浆期N1、N2处理下，充分灌水（W1）根冠比较水分亏缺（W0）分别增加1.62%、13.87%。在同一水分处理下，随着施氮量的增加，产量呈现出先升高后降低的趋势，且充分灌水（W1）高于水分亏缺（W0），以N1W1处理的产量最高。因此，适量的增施氮肥以及充分的灌水能够增加冬小麦的根质量密度，增加地上部的光合产物，从而提高产量。
关键词：冬小麦；水氮施用；根质量密度；根冠比
中图分类号： S512.106文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）14-0042-04
植物根系的主要作用是吸收水分和肥料，与植株地上部生长密切相关，并在植物-土壤生态系统中扮演重要角色[1-2]。根系的空间分布决定其对水分和肥料的吸收能力[3]。适宜的水氮运筹措施可以调节根系生长[4-5]，促进产量和水氮利用效率的提高，还可避免造成地下水污染[6-7]。灌水影响土壤水分含量，进而影响根的生长。研究表明，适当的土壤水分能显著增加植株根的长度和密度[8]，干旱条件下根系N、P积累量减少[9-11]，根系总生物量减少，但是深层土壤中根系量增加，有利于吸收深层土壤中的水分和养分[12]。适量施肥促进了根系在土壤中的延伸和分布，有利于其对水分和养分的吸收[13-14]。干旱条件下施肥能够促进小麦植株早期生长，使根系迅速下扎，有利于植株在早期吸收深层土壤水分；但是过量养分施入抑制根系下扎，减少了其对硝态氮的吸收[15-16]。适宜的根冠比，能够保证作物正常生长。根冠比较低会限制作物生长，而根冠比过高会导致过多的同化物在根[CM（25]部被消耗，从而影响产量[17]。田间试验条件下，施入土壤中的水分和氮肥存在下渗及径流等损失。以根箱进行小麦种植，既能够避免水氮的损失，也为根系的观察和取样提供了方便。本研究在根箱种植条件下，设置不同的水分和氮肥施用量处理，研究其对小麦根系分布以及根系与地上部之间关系的影响，以期为小麦高产高效水氮运筹提供理论参考。
[BT1#]1材料与方法
1.1试验设计
试验于2014—2015年在中国农业科学院新乡综合试验基地（113°45′E、35°09′N）进行。供试品种为矮抗58（由河南科技学院小麦中心提供）。
试验采用根箱（内径110 cm×50 cm×60 cm）种植，随机区组试验设计，水分处理为充分供水（W1）和水分调亏（W0），灌水时间及灌水量见表1。氮肥处理为3个水平，在底施氮肥0、150、240 kg/hm2的基础上，随拔节期灌水追施氮肥 90 kg/hm2，分别以N0、N1、N2表示。2014年10月23日播种，根据根箱尺寸，纵向6行等行距（20 cm）播种，播量以基本苗450万/hm2计，每个处理重复4次。冬小麦播种前底墒充足，田间管理按照高产田标准进行。2015年6月2日收获。
1.2样品采集
分别于拔节期（2015年3月30日）、抽穗期（2015年4月16日）和灌浆期（2015年5月12日）进行地上部取样和根钻取土（0～40 cm）。将土壤样品置入100目尼龙网中进行清洗，分离出根系。地上部样品和根系样品分别烘干后称质量。
1.3数据分析
运用SPSS 17.0对数据进行统计分析。采用Duncans法进行多重比较。
2结果与分析
2.1根质量密度
冬小麦的根系干质量是根系生长状况的集中体现，是衡量冬小麦根系发达程度的重要指标。由表2可以看出，小麦根质量密度表现为抽穗期>拔节期>灌浆期。拔节期，N1、N2处理根质量密度显著高于N0，其中N2最高，较N0、N1处理分别提高37.95%和5.74%。抽穗期，各处理根质量密度表现为N1>N0>N2，N1处理较N0、N2处理高8.70%、1819%，表明拔节期追氮有利于根系生长，但高的氮肥水平对根系生长产生了抑制。灌浆期，根质量密度表现为W1高于W0，表明充足的水分能够促进冬小麦根系的生长。其中W1处理下，N1显著高于N0和N2，表明在水分充足的条件下，适量氮肥供应可以使冬小麦在生育后期有较高水平的根系生物量。
由图1可知，3个时期小麦根质量密度主要分布在0～10 cm 的土壤中。随着土壤深度的增加，根质量密度逐渐降低，与20～30 cm土层相比，部分处理底层30～40 cm根质量密度有小幅回升，这主要是由于根箱深度的限制，使得下扎的根系堆积在根箱的底层而致。
[FK（W11][TPJLN1.tif][FK）]
[FL（2K2]根质量密度的空间分布随生育时期的推进，其变化不完全一致。拔节期，N0处理0～10 cm土壤中的根质量密度占57.70%，低于N1、N2处理，这与N0处理无底氮施入，表现为抑制根系生长有关。进入抽穗期后，0～10 cm土层根质量密度较拔节期有所提高，其中N0处理0～10 cm土层的根质量密度由于拔节期追氮表现为迅速增加，超越了过量施氮的N2处理；此期，0～10 cm土层的根质量密度以N1处理最高，达到1 416.6 g/m3，所占比例达到67.06%。灌浆期，0～10 cm土层中根质量密度迅速下降。其中N1处理0～10 cm土层根质量密度比例最低，仅为44.42%。从灌水处理来看，0～10 cm 土层根质量密度表现出充分灌水处理（W1）大于水分亏缺处理（W0）。 随着生育时期的推进，10～20 cm土层根质量密度的变化趋势与0～10 cm土层基本一致，均先增加后降低，于抽穗期达到最高。在拔节期，10～20 cm土层根质量密度表现为N2>N1>N0；进入抽穗期后，10～20 cm土层根质量密度表现为N1处理根质量密度低于N0、N2；灌浆期10～20 cm土层的根质量密度均迅速下降，各处理间表现为N1W1处理根质量密度最高。20～30 cm与30～40 cm土层根质量密度变化趋势基本一致。拔节期到抽穗期，深层土壤（20～40 cm）根质量密度占整个土层的比例均以N0处理表现最高，说明施加氮肥使根系主要集中在上层；灌浆期20～40 cm土层的根质量密度所占比例表现为N0W0>N0W1，而N1、N2处理下不同水分处理间差异较小。
2.2根冠比
由表3可知，随着生育时期的推进，地下部根系和地上部的比值逐渐下降，并在灌浆期达到最小。随着冬小麦的生长和发展，地下部根系和地上部冠层的干物质分配呈现出相反的结果，即分配到地下部根系的干物质比例逐渐降低，地上部干物质占总干质量的比例逐渐增加。拔节期干物质在根系的分配比例为27.11%～30.13%，之后光合产物向根系的分配比例明显降低，均不足15%，而地上部干物质的比例则明显增加。这说明拔节期以后是以地上部干物质的积累为主。
水氮处理影响冬小麦的根冠比例。在拔节期和抽穗期，根冠比随着施氮量的增加而降低。与N0处理相比，拔节期和抽穗期N1、N2处理的根冠比分别降低13.75%、13.43%和25.29%、40.41%。这说明增施氮肥有利于中后期光合产物向地上部转运。灌浆期相同水分处理下，根冠比同样随着施氮量的增加而降低；水分亏缺条件下，相较于N0处理，N1、N2的根冠比分别降低17.05%、28.16%；充分灌水条件下根冠比降低缓慢，分别降低了4.14%、6.97%。灌浆期N1、N2处理下，充分灌水（W1）处理的根冠比较水分亏缺（W0）分别增加了1.62%和13.87%。由此可以看出，充分灌水以及降低施氮量能够增大根冠比，这说明植株地上部的生长受到水氮的影响要大于根系。
由表4可知，水氮调控对小麦穗粒数的影响较小。N2W1处理下穗粒数最多，而N0W1处理最少。其中，N0W1、N1W0处理的穗粒数显著低于N2W1处理，其他各处理间无显著差异。充分供水条件下，随着施氮量的增加，穗粒数呈现递增趋势，说明增施氮肥能够增加单穗粒数，有利于提高产量。在同一施氮量下，除N0外，均表现为W0 由表4可知，千粒质量以N0W1最高，N1W0最低。在同一水分处理下，随着施氮量的增加，各处理的千粒质量呈现先降低后增加的趋势，且差异显著。在同一施氮量下，充分灌水（W1）千粒质量显著高于水分亏缺（W0），说明适量的灌水亦能够增加小麦的千粒质量。
在同一水分处理下，随着施氮量的增加，产量呈现先增加后降低的趋势，充分灌水（W1）均高于水分亏缺（W0），其中N1W1处理产量最高。在同一水分处理下，产量表现为N2 3讨论
目前，已有研究表明施氮能够显著影响冬小麦根系的生长和发展。武荣等研究表明，当灌水量相同时，适当增加施氮量（150 kg/hm2）能促进冬小麦根系生长，但施氮量过高时（300 kg/hm2）又会抑制冬小麦根系生长[17]。Wang等研究表明，在两水灌溉下，180 kg/hm2的施氮量能显著促进根系生长并获得最大的根质量密度；与无水条件比较，灌两水处理下根质量密度较无水条件显著增加[18]。本研究在根箱种植条件下进行，研究结果表明抽穗期和灌浆期充分灌水处理下，根质量密度均表现N1>N0>N2，其中N1分别较N0、N2处理高8.70%、18.19%（抽穗期）和9.11%、14.07%（灌浆期），且充分灌水处理（W1）大于水分亏缺处理（W0）。
根系在不同土层分布差异较大，且随土层增加而减少，根系主要分布在耕作层（0～20 cm），增施氮肥促进总根量增加，并使根系垂直分布递减率增大，表层根量增加，深层根量减少[19]。本研究中，与20～30 cm土层相比，部分处理30～40 cm土层中根质量密度略有回升，可能与根箱深度的限制有关。有研究表明，水分亏缺导致了根系向深层土壤生长或土壤表层侧根数量的增加以吸收更多的水[11]。本研究中，灌浆期10～30 cm土层中根质量密度所占比例表现为 N0W0>N0W1，N1、N2处理下不同的水分处理间差异较小。这说明水氮互作对小麦根系的生长起到了互补效果，氮肥的施用可以平衡水分亏缺的不利影响。土壤中的N、P含量高时，对根系生长是有利的，但对比地上部的生长来说还是很慢，这也降低了根冠比（R/S）[20]。本研究结果表明，不同处理间的根冠比随着施氮量的增加而降低，充分灌水处理（除N0处理外）的根冠比高于水分亏缺处理。这可能是由于水分促使庞大根系的建成，从而消耗较多的同化物，使根质量增加，冠质量降低。
水分和养分是作物增產的决定性因素[21-23]，水分供应不足是小麦产量的主要限制因子，而养分特别是氮素供应不足又在很大程度上限制了水分作用的发挥[24-26]。适量补水和施肥可以增加土壤贮水量，提高小麦抗旱能力和产量。本研究结果表明，在同一水分处理条件下，随着施氮量的增加，产量呈现先上升后下降的趋势，充分灌水处理产量显著高于水分亏缺处理，以N1W1处理产量最高。因此，适当增施氮肥以及充分灌水能够促进冬小麦的根系生长，有利于根系对水分和肥料的吸收，增加地上部的光合产物，从而提高产量。在农业生产上，可以优化水氮供应，协调冬小麦地上部和地下部的生长，以获得高的产量。本研究是在根箱条件下进行的，根箱种植能够尽量真实地反映田间种植植株-土壤的特性，并具有根系观察的直观性和取样的便捷性，可利用根箱种植结合田间试验，进一步研究水氮调控对小麦根系生长的影响。 参考文献：
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关键词：冬小麦；水氮施用；根质量密度；根冠比
中图分类号： S512.106文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）14-0042-04
植物根系的主要作用是吸收水分和肥料，与植株地上部生长密切相关，并在植物-土壤生态系统中扮演重要角色[1-2]。根系的空间分布决定其对水分和肥料的吸收能力[3]。适宜的水氮运筹措施可以调节根系生长[4-5]，促进产量和水氮利用效率的提高，还可避免造成地下水污染[6-7]。灌水影响土壤水分含量，进而影响根的生长。研究表明，适当的土壤水分能显著增加植株根的长度和密度[8]，干旱条件下根系N、P积累量减少[9-11]，根系总生物量减少，但是深层土壤中根系量增加，有利于吸收深层土壤中的水分和养分[12]。适量施肥促进了根系在土壤中的延伸和分布，有利于其对水分和养分的吸收[13-14]。干旱条件下施肥能够促进小麦植株早期生长，使根系迅速下扎，有利于植株在早期吸收深层土壤水分；但是过量养分施入抑制根系下扎，减少了其对硝态氮的吸收[15-16]。适宜的根冠比，能够保证作物正常生长。根冠比较低会限制作物生长，而根冠比过高会导致过多的同化物在根[CM（25]部被消耗，从而影响产量[17]。田间试验条件下，施入土壤中的水分和氮肥存在下渗及径流等损失。以根箱进行小麦种植，既能够避免水氮的损失，也为根系的观察和取样提供了方便。本研究在根箱种植条件下，设置不同的水分和氮肥施用量处理，研究其对小麦根系分布以及根系与地上部之间关系的影响，以期为小麦高产高效水氮运筹提供理论参考。
[BT1#]1材料与方法
1.1试验设计
试验于2014—2015年在中国农业科学院新乡综合试验基地（113°45′E、35°09′N）进行。供试品种为矮抗58（由河南科技学院小麦中心提供）。
试验采用根箱（内径110 cm×50 cm×60 cm）种植，随机区组试验设计，水分处理为充分供水（W1）和水分调亏（W0），灌水时间及灌水量见表1。氮肥处理为3个水平，在底施氮肥0、150、240 kg/hm2的基础上，随拔节期灌水追施氮肥 90 kg/hm2，分别以N0、N1、N2表示。2014年10月23日播种，根据根箱尺寸，纵向6行等行距（20 cm）播种，播量以基本苗450万/hm2计，每个处理重复4次。冬小麦播种前底墒充足，田间管理按照高产田标准进行。2015年6月2日收获。
1.2样品采集
分别于拔节期（2015年3月30日）、抽穗期（2015年4月16日）和灌浆期（2015年5月12日）进行地上部取样和根钻取土（0～40 cm）。将土壤样品置入100目尼龙网中进行清洗，分离出根系。地上部样品和根系样品分别烘干后称质量。
1.3数据分析
运用SPSS 17.0对数据进行统计分析。采用Duncans法进行多重比较。
2结果与分析
2.1根质量密度
冬小麦的根系干质量是根系生长状况的集中体现，是衡量冬小麦根系发达程度的重要指标。由表2可以看出，小麦根质量密度表现为抽穗期>拔节期>灌浆期。拔节期，N1、N2处理根质量密度显著高于N0，其中N2最高，较N0、N1处理分别提高37.95%和5.74%。抽穗期，各处理根质量密度表现为N1>N0>N2，N1处理较N0、N2处理高8.70%、1819%，表明拔节期追氮有利于根系生长，但高的氮肥水平对根系生长产生了抑制。灌浆期，根质量密度表现为W1高于W0，表明充足的水分能够促进冬小麦根系的生长。其中W1处理下，N1显著高于N0和N2，表明在水分充足的条件下，适量氮肥供应可以使冬小麦在生育后期有较高水平的根系生物量。
由图1可知，3个时期小麦根质量密度主要分布在0～10 cm 的土壤中。随着土壤深度的增加，根质量密度逐渐降低，与20～30 cm土层相比，部分处理底层30～40 cm根质量密度有小幅回升，这主要是由于根箱深度的限制，使得下扎的根系堆积在根箱的底层而致。
[FK（W11][TPJLN1.tif][FK）]
[FL（2K2]根质量密度的空间分布随生育时期的推进，其变化不完全一致。拔节期，N0处理0～10 cm土壤中的根质量密度占57.70%，低于N1、N2处理，这与N0处理无底氮施入，表现为抑制根系生长有关。进入抽穗期后，0～10 cm土层根质量密度较拔节期有所提高，其中N0处理0～10 cm土层的根质量密度由于拔节期追氮表现为迅速增加，超越了过量施氮的N2处理；此期，0～10 cm土层的根质量密度以N1处理最高，达到1 416.6 g/m3，所占比例达到67.06%。灌浆期，0～10 cm土层中根质量密度迅速下降。其中N1处理0～10 cm土层根质量密度比例最低，仅为44.42%。从灌水处理来看，0～10 cm 土层根质量密度表现出充分灌水处理（W1）大于水分亏缺处理（W0）。 随着生育时期的推进，10～20 cm土层根质量密度的变化趋势与0～10 cm土层基本一致，均先增加后降低，于抽穗期达到最高。在拔节期，10～20 cm土层根质量密度表现为N2>N1>N0；进入抽穗期后，10～20 cm土层根质量密度表现为N1处理根质量密度低于N0、N2；灌浆期10～20 cm土层的根质量密度均迅速下降，各处理间表现为N1W1处理根质量密度最高。20～30 cm与30～40 cm土层根质量密度变化趋势基本一致。拔节期到抽穗期，深层土壤（20～40 cm）根质量密度占整个土层的比例均以N0处理表现最高，说明施加氮肥使根系主要集中在上层；灌浆期20～40 cm土层的根质量密度所占比例表现为N0W0>N0W1，而N1、N2处理下不同水分处理间差异较小。
2.2根冠比
由表3可知，随着生育时期的推进，地下部根系和地上部的比值逐渐下降，并在灌浆期达到最小。随着冬小麦的生长和发展，地下部根系和地上部冠层的干物质分配呈现出相反的结果，即分配到地下部根系的干物质比例逐渐降低，地上部干物质占总干质量的比例逐渐增加。拔节期干物质在根系的分配比例为27.11%～30.13%，之后光合产物向根系的分配比例明显降低，均不足15%，而地上部干物质的比例则明显增加。这说明拔节期以后是以地上部干物质的积累为主。
水氮处理影响冬小麦的根冠比例。在拔节期和抽穗期，根冠比随着施氮量的增加而降低。与N0处理相比，拔节期和抽穗期N1、N2处理的根冠比分别降低13.75%、13.43%和25.29%、40.41%。这说明增施氮肥有利于中后期光合产物向地上部转运。灌浆期相同水分处理下，根冠比同样随着施氮量的增加而降低；水分亏缺条件下，相较于N0处理，N1、N2的根冠比分别降低17.05%、28.16%；充分灌水条件下根冠比降低缓慢，分别降低了4.14%、6.97%。灌浆期N1、N2处理下，充分灌水（W1）处理的根冠比较水分亏缺（W0）分别增加了1.62%和13.87%。由此可以看出，充分灌水以及降低施氮量能够增大根冠比，这说明植株地上部的生长受到水氮的影响要大于根系。
由表4可知，水氮调控对小麦穗粒数的影响较小。N2W1处理下穗粒数最多，而N0W1处理最少。其中，N0W1、N1W0处理的穗粒数显著低于N2W1处理，其他各处理间无显著差异。充分供水条件下，随着施氮量的增加，穗粒数呈现递增趋势，说明增施氮肥能够增加单穗粒数，有利于提高产量。在同一施氮量下，除N0外，均表现为W0
在同一水分处理下，随着施氮量的增加，产量呈现先增加后降低的趋势，充分灌水（W1）均高于水分亏缺（W0），其中N1W1处理产量最高。在同一水分处理下，产量表现为N2
目前，已有研究表明施氮能够显著影响冬小麦根系的生长和发展。武荣等研究表明，当灌水量相同时，适当增加施氮量（150 kg/hm2）能促进冬小麦根系生长，但施氮量过高时（300 kg/hm2）又会抑制冬小麦根系生长[17]。Wang等研究表明，在两水灌溉下，180 kg/hm2的施氮量能显著促进根系生长并获得最大的根质量密度；与无水条件比较，灌两水处理下根质量密度较无水条件显著增加[18]。本研究在根箱种植条件下进行，研究结果表明抽穗期和灌浆期充分灌水处理下，根质量密度均表现N1>N0>N2，其中N1分别较N0、N2处理高8.70%、18.19%（抽穗期）和9.11%、14.07%（灌浆期），且充分灌水处理（W1）大于水分亏缺处理（W0）。
根系在不同土层分布差异较大，且随土层增加而减少，根系主要分布在耕作层（0～20 cm），增施氮肥促进总根量增加，并使根系垂直分布递减率增大，表层根量增加，深层根量减少[19]。本研究中，与20～30 cm土层相比，部分处理30～40 cm土层中根质量密度略有回升，可能与根箱深度的限制有关。有研究表明，水分亏缺导致了根系向深层土壤生长或土壤表层侧根数量的增加以吸收更多的水[11]。本研究中，灌浆期10～30 cm土层中根质量密度所占比例表现为 N0W0>N0W1，N1、N2处理下不同的水分处理间差异较小。这说明水氮互作对小麦根系的生长起到了互补效果，氮肥的施用可以平衡水分亏缺的不利影响。土壤中的N、P含量高时，对根系生长是有利的，但对比地上部的生长来说还是很慢，这也降低了根冠比（R/S）[20]。本研究结果表明，不同处理间的根冠比随着施氮量的增加而降低，充分灌水处理（除N0处理外）的根冠比高于水分亏缺处理。这可能是由于水分促使庞大根系的建成，从而消耗较多的同化物，使根质量增加，冠质量降低。
水分和养分是作物增產的决定性因素[21-23]，水分供应不足是小麦产量的主要限制因子，而养分特别是氮素供应不足又在很大程度上限制了水分作用的发挥[24-26]。适量补水和施肥可以增加土壤贮水量，提高小麦抗旱能力和产量。本研究结果表明，在同一水分处理条件下，随着施氮量的增加，产量呈现先上升后下降的趋势，充分灌水处理产量显著高于水分亏缺处理，以N1W1处理产量最高。因此，适当增施氮肥以及充分灌水能够促进冬小麦的根系生长，有利于根系对水分和肥料的吸收，增加地上部的光合产物，从而提高产量。在农业生产上，可以优化水氮供应，协调冬小麦地上部和地下部的生长，以获得高的产量。本研究是在根箱条件下进行的，根箱种植能够尽量真实地反映田间种植植株-土壤的特性，并具有根系观察的直观性和取样的便捷性，可利用根箱种植结合田间试验，进一步研究水氮调控对小麦根系生长的影响。 参考文献：
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