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盐碱地广泛分布于世界各个地区，面积达 10 亿 hm2[1]。内蒙古河套灌区地处西北干旱、半干旱、半荒漠草原地带，是我国土壤盐渍化发育的典型地区，盐碱化土壤面积占耕地面积的 55%，土地盐碱化是制约该地区农业可持续发展的重要因素[2]。土壤盐渍化易引起土壤理化性质恶化，破坏土壤结构，造成土壤板结，减弱土壤水气通透性和水肥供应能力，造成水土环境退化，对作物生长带来不利影响，导致农田生态环境恶化及作物减产，严重制约着农业发展[3]。玉米是盐碱地种植的主要作物，但其耐盐性较差，容易遭受盐分胁迫而减产[4]。
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我国每年农业生产产生大量秸秆，但秸秆资源并未得到充分利用，造成了极大浪费。秸秆作为一种重要的可供开发利用的生物质资源，含有丰富的氮、磷、钾和有机质，施加到农田中可提高土壤养分含量[5-7]。秸秆还田能够促进农田资源的合理利用[8]，改善土壤水、肥、气、热等状况，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤保水能力以及水分利用效率，增加土壤养分含量，促进作物生长，是农田生态系统中物质循环和再利用的良好形式，在农业生产中已广泛应用[9-14]。但单一秸秆还田因土壤氮素供应不足，引起秸秆腐解与作物生长争氮，导致增产不明显，甚至减产[15]。秸秆还田配施氮肥有利于耕层土壤有机碳和全氮含量的提高，随施氮量的增加，土壤碳氮比降低[16-17]。秸秆还田与氮互作可降低土壤容重，改善土壤结构，提高土壤保水性，有效抑制土壤水分蒸发，改善土壤水热状况，提高土壤酶活性和土壤碳储量[18-20]。侯贤清等[21]研究发现，秸秆还田配施氮肥可改善土壤水肥状况，有效提高玉米产量。吴鹏年等[22]发现秸秆还田配施氮肥可显著增加土壤含水量，具有较好的蓄水保墒效果，显著增产 20%。
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前人关于秸秆还田与氮互作的研究主要集中在作物产量、水肥利用效率、土壤理化结构改变等方面，而关于盐渍化耕地秸秆深埋配施氮对作物根系形态的影响报道较少。本研究以秸秆深埋还田方式配施不同氮水平互作的田间试验为基础，分析玉米根系形态变化、根冠比、产量与施氮水平的关系，旨在探究盐渍化耕地秸秆深埋条件下，不同施氮量对玉米根系形态和产量的影响，以期为秸秆深埋配施氮的种植模式提供理论依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验区概况
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试验于 2017—2018 年每年 5—9 月在河套灌区双河镇农业试验基地（40°42′N，107°24′E，海拔 1040 m）开展。试验区属中温带半干旱大陆性气候，多年平均降水量为 138 mm，降水多集中在夏秋季，2017 和 2018 年玉米生育期内降水量分别为 75.30 和 146.90 mm，平均温度分别为 21.02 和 20.59℃，农业生产主要依赖黄河水灌溉，年均蒸发量为 2332 mm 左右。供试土壤类型为粉砂壤土 （依据美国土壤质地三角图划分，砂粒、粉粒、黏粒质量比为 8∶15∶2）[23]，平均容重为 1.481 g·cm-3。
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1.2 试验设计
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试验供试玉米品种为钧凯 918，每年 5 月初播种，9 月末收获，机械播种，株距和行距分别为 0.35 和 0.45 m。施氮量（以纯 N 计算，均施尿素，施用时需换算成尿素的质量）设置 4 个水平：不施氮（N0）、施氮 135 kg·hm-2（N1）、施氮 180 kg·hm-2（N2）、施氮 225 kg·hm-2（N3），以当地耕作模式为对照 （CK，即无秸秆，常规施氮量：225 kg·hm-2）。采用随机区组排列，3 次重复，小区面积为 72 m2。为避免各小区间因水肥互窜影响试验结果，利用聚乙烯塑料膜将小区隔开，塑料膜埋深约 1.2 m，同时在各小区间设置宽 2 m 的保护带。所有处理底肥为磷酸二铵（P2O5 46%）和氯化钾（K2O 60%），按当地水平一次性施入磷酸二铵 150 kg·hm-2（以 P2O5 计），氯化钾 45 kg·hm-2（以 K2O 计）；50% 氮肥随基肥施入，剩余 50% 在拔节期施入。灌溉水源为黄河水（矿化度为 0.608 g·L-1），灌水量采用当地优化灌水量，全生育期畦灌灌水 3 次。分别在 2016 和 2017 年秋浇前进行秸秆深埋处理，用深翻犁将土地深翻约 35 cm，人工填埋粉碎后的玉米秸秆，厚度为 5 cm，秸秆深埋后形成土壤层依次为耕作层（0～35 cm）、秸秆隔层（35～40 cm）、心土层（秸秆隔层以下土层）。第 2 年种植玉米，田间管理与当地一致（机械浅耙、压实、辊磨覆膜种植玉米），具体见表1。
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1.3 测定项目与方法
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（1）于 2018 年利用根钻对根系进行取样，分别在玉米拔节期、吐丝期和成熟期随机选取长势接近的 3 株代表性植株，对玉米根样品进行采集，取样土体深度为 60 cm，0～20 cm 每 10 cm 为一层， 20～60 cm 每 20 cm 为一层，共分 4 层。取样后将取样土块内所含的根系挑出，用清水清洗后晾干，用根系扫描仪（Epson Perfection 4870）扫描玉米根系，用根系分析系统（Win RHIZO Program）获取玉米根长、根表面积和根体积等数据。
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（2） 将取样植株的地上部分和根系样品在 105℃下杀青，再经 80℃烘干至恒重后称重，获得地上干物质及根系样品的质量。
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（3）在玉米收获期，每小区随机选取 10 株玉米，对穗长、穗粗、百粒重等产量指标进行测量记录，干燥后称重并计算单位面积产量，获得产量数据。
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1.4 数据分析
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试验数据采用 Excel 2016 进行处理；SPSS 23.0 进行方差分析，采用最小显著差异法（LSD）进行显著性检验（α = 0.05）。
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2 结果与分析
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2.1 秸秆深埋下不同施氮量对玉米根系特征的影响
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由图1 可知，拔节期 N2 处理总根长显著高于 N0、N1 和 N3 处理，分别提高 67.41%、60.37% 和 21.53%，CK、N0 和 N1 处理间无显著差异。吐丝期 CK 显著高于 N0 和 N1 处理，N0 和 N1 处理间无显著差异，N2 与 N1 和 N3 处理差异显著。成熟期不同施氮处理间总根长均有显著差异，N2 处理总根长较其他处理增加幅度为 10.68%～66.31%。
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拔节期 CK 和 N0 处理间总根表面积无显著差异，其余处理间差异显著。拔节期不同施氮处理总根表面积较 N0 处理分别提高 54.70%、162.19% 和 73.95%。吐丝期各处理间的总根表面积均存在显著差异，N0 处理总根表面积最小，N2 处理最大。成熟期 N0 和 N1 处理间无显著差异，其他处理间差异显著，N2 处理较其他处理分别提高 45.65%、 50.51% 和 14.77%。
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拔节期 N2 处理总根体积显著高于其他处理， N0、N1 和 N3 处理间无显著差异。吐丝期和成熟期不同施氮处理间总根体积存在显著差异，成熟期施氮处理较不施氮处理总根体积分别提高 15.14%、 52.92% 和 33.28%。
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图1 不同处理土壤剖面 0～60 cm 根系特征参数
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注：不同小写字母表示各处理间在 P<0.05 水平差异显著。
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2.1.1 秸秆深埋下不同施氮量对不同土层根长的影响
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玉米不同处理根长剖面分布如图2 所示。总体玉米根长随土层加深呈递减趋势，表层（0～20 cm）根长占总根长的大部分，各个处理表层根长在拔节期占比分别为 64.77%、71.48%、45.09%、 53.94% 和 33.79%，吐丝期分别为 44.87%、63.79%、 55.94%、51.44% 和 51.35%，成熟期分别为 56.16%、 63.23%、39.45%、63.25% 和 51.05%。同一深度土层，根长随生育期的变化先增后减，增加是因为根系吸收养分不断生长，减少是因为随生育期的进行，部分根系衰老死亡。在玉米全生育期，0～20 和 20～40 cm 土层均为 N2 处理根长最大，且与其他处理差异显著，40～60 cm 土层 N3 处理根长最大。吐丝期 0～20 和 20～40 cm 土层 N0 与 N1 处理差异不显著，与 N2 和 N3 处理差异显著。成熟期 0～20 和 20～40 cm 土层不同施氮处理间差异显著，N2 处理根长最大，较 N0 处理分别显著提高 66.37% 和 53.58%，较 N3 处理分别增加 27.92% 和 12.22%，说明施氮水平对浅层根长的影响效果为适量施氮促进根长增加，过量施氮抑制根长增加。40～60 cm 土层根长随施氮量的增加呈增长趋势，在取样土层并未出现过度施氮抑制作物根系生长的情况，说明过量施氮对根长的影响在不同土层有所差异。在玉米全生育期内，除吐丝期 40～60 cm 土层外，各土层 N3 处理根长均大于 CK，说明相同施氮量下，秸秆深埋处理对各土层根系有促进作用。
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图2 不同土层玉米根长
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2.1.2 秸秆深埋下不同施氮量对不同土层根表面积的影响
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玉米根表面积随土层加深呈递减趋势。拔节期 0～20 cm 土层 N2 与 N1 和 N3 处理差异显著，分别提高 53.19% 和 50.71%，N1 与 N3 处理间差异不显著；20～40 cm 土层 CK 与 N0 和 N3 处理间无显著差异，与 N1 和 N2 处理差异显著，N1 与 N2 处理间也存在显著差异；40～60 cm 土层 N3 处理根表面积与其他处理差异显著。吐丝期 0～20 cm 土层 N3 处理根表面积最大，与其他处理差异显著，较 N2 处理增加 21.97%，N0 处理根表面积最小，显著低于其他处理；20～40 cm 土层各施氮水平间差异显著；40～60 cm 土层 N3 处理相较于 CK 和 N2 处理差异不显著，分别增加 2.33% 和 0.57%，N0、N1 和 N2 处理间差异显著。成熟期 0～20 cm 土层 N1 与 N0 处理间无显著差异，与 N2 和 N3 处理差异显著， N2 与 N3 处理间差异显著。20～40 cm 土层不同施氮处理间差异显著，N2 处理较其他处理分别显著增加 34.43%、84.24% 和 50.86%，说明秸秆深埋下，适量施氮可以促进玉米根系根表面积的增加，过量施氮对浅层根系根表面积表现出抑制作用，而对较深层根系表面积未表现出抑制作用，过量施氮对根表面积的影响在不同土层间的效果不同。将 CK 与 N3 处理各时期不同土层根表面积进行比较，N3 处理根表面积始终大于 CK，说明相同施氮量下，秸秆深埋可以促进根表面积的增加。
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图3 不同土层玉米根表面积
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2.1.3 秸秆深埋下不同施氮量对不同土层根体积的影响
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根体积随土层加深呈递减趋势。拔节期 0～20 cm 土层 N2 处理根体积与其他处理差异显著，N0、 N1 和 N3 处理间无显著差异；20～40 和 40～60 cm 土层各施氮处理间根体积差异显著。吐丝期 0～20 cm 土层 N2 处理较其他处理分别显著增加 28.97%、49.64%、24.10% 和 9.21%，N0 处理根体积最小；20～40 cm 土层 N1 与 N3 处理间无显著差异，N2 与 N1 和 N3 处理存在显著差异；40～60 cm 土层，N3 处理根体积大于 N2，但差异不显著，与其他处理差异显著。成熟期 0～20 和 20～40 cm 土层秸秆深埋下不同处理间差异显著，但均为 N2 处理根体积最大；在 40～60 cm 土层，N2 与 N0 处理差异显著，与 N1 和 N3 处理差异不显著，N3 处理根体积大于 N2。总的来说，在 0～20 和 20～40 cm 土层，N2 处理根体积均为最大值，在 40～60 cm 土层，N3 处理根体积最大，说明玉米不同土层根体积与根长和根表面积一样，适量施氮可促进根系生长、根体积增加，过量施氮对不同土层根体积作用效果有差异，表现为过量施氮抑制浅层 （0～40 cm）根系根体积增加，促进深层（40～60 cm）根系根体积增加。对比 CK 与 N3 处理的根体积，说明秸秆深埋也可以增加根体积。
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图4 不同土层玉米根体积
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2.2 秸秆深埋下不同施氮量对根干质量及根冠比的影响
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由表2 可看出，N2 处理根干质量在玉米全生育期均最大，在 2017 年成熟期和 2018 年吐丝期与其他施氮处理间差异显著，其余生育期存在差异，但未达到显著水平，N0 处理根干质量始终最低，与 N2 处理间差异显著。2017 年拔节期和吐丝期均表现为 N0、N1 和 N2 处理间有显著差异，N2 与 N3 间差异不显著，N2 较 N3 处理分别增加 3.16% 和 4.95%；成熟期 N0 与 N1 处理间差异不显著，与其他处理差异显著，N2 与 N3 处理间差异显著。2018 年拔节期 N0 与 N1 处理间差异不显著，N2 与 N3 处理间差异不显著，吐丝期各处理间差异显著，成熟期 N0、N1 和 N2 处理间差异显著，N2 与 N3 处理间差异不显著。说明当施氮水平较低，未达到 180 kg·hm-2 时，施氮量的改变对根干质量影响较大，可达显著水平，根干质量随施氮量增加而增加；当施氮水平达到 180 kg·hm-2 时，施氮量的改变会影响根干质量，施氮量增加，根干质量增加，但影响不显著。CK 与 N3 处理间，除 2017 年拔节期外，其余生育期根干质量均存在显著差异，说明在相同施氮量下，秸秆深埋可有效促进根干质量提高。
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与 2017 年相比，2018 年 CK、N0、N2 和 N3 处理在拔节期根干质量提高 0.41%～13.09%；吐丝期各处理根干质量提高幅度为 0.88%～18.97%； 成熟期N0、N1、N2 和 N3 处理根干质量提高幅度为 19.52%～57.11%。相较于 2017 年，2018 年拔节期N1 处理和成熟期 CK 处理根干质量并未提高。CK 处理拔节期和吐丝期根干质量提高幅度较小，分别为 0.41% 和 0.88%。说明只施氮但不进行秸秆深埋处理，随年限增加玉米根干质量增长缓慢。
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注：同列数据后不同小写字母表示各处理间在 P<0.05 水平差异显著。下同。
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2017 年成熟期 N2 处理根冠比显著高于其他处理，吐丝期 N1 处理显著高于其他处理；成熟期 N2 处理根冠比N0、N1 和 N3 处理分别高 22.73%、 22.73% 和 28.57%。2017 年玉米各时期根冠比分别为 CK>N2>N1>N3>N0、N1>N0>N2>N3>CK 和 N2>N1= N0>N3>CK。2018 年 N2 处理根冠比在玉米全生育期均最高，成熟期 N2 处理根冠比 N0、N1 和 N3 处理分别高 45.45%、18.52% 和 3.23%。2018 年玉米各时期根冠比分别为N2>CK>N3>N1>N0、N2>N3>N1>N0>CK 和 N2>N3>N1>N0>CK，说明秸秆深埋配施适量氮肥可以提高玉米根冠比，形成良好的根冠关系。
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2.3 秸秆深埋下不同施氮量对玉米穗部形状和产量的影响
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由表3 可知，2017 年穗长在 N1 处理时达到最大值，为 26.85 cm；N0 处理穗长最小，为 21.38 cm，N1 处理穗长较 N0、N2 和 N3 处理分别提高 25.58%、4.15% 和 2.05%；N0 处理穗粗与 N3 处理无显著差异，与 N1 和 N2 处理差异显著，N1 与 N2 和 N3 处理无显著差异，N2 与 N3 处理差异显著；N2 处理穗粗较 N0、N1 和 N3 处理分别提高 19.62%、2.37% 和 10.65%；N2 处理百粒重最大，与 N0 处理差异显著，与 N1 和 N3 无显著差异，分别提高 16.01%、1.78% 和 5.20%；N2 处理产量较N0、N1 和 N3 处理分别提高 36.54%、33.05% 和2.53 %，N2 与 N3 处理差异不显著，与 N0 和 N1 差异显著。2018 年穗长在 N2 处理时为最大值，但较 2017 年减少 4.38%，与 N0 和 N1 处理差异显著； N0 处理百粒重低于其他处理，N2 处理百粒重最大，与 N3 处理差异不显著，与 N0 和 N1 处理差异显著； N2 处理产量最高，较 N0、N1 和 N3 处理分别提高 38.66%、32.06% 和 4.21%，说明秸秆深埋下，施氮可促进玉米生长，N2 处理效果最好，可有效促进玉米穗长、穗粗及百粒重的提高，进而提高产量。N3 处理的穗长及产量均高于 CK，但差异不显著，说明相同施氮水平下秸秆深埋可促进作物生长，但促进作用不明显。相较于 2017 年，2018 年各处理产量均有提升，分别提升 0.78%、0.67%、3.00%、 2.23% 和 0.57%。
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3 讨论
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3.1 秸秆深埋下氮肥施用量对玉米根系生长的影响
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根系是作物吸收养分和合成物质的重要器官，根系形态特征和在土壤中的分布直接影响着地上部分的发育、品质的形成、水分和养分的吸收及籽粒产量[24-25]，且根系构型与施氮水平显著相关[26]。两年田间试验结果表明，秸秆深埋配施适量氮肥显著促进 0～60 cm 剖面玉米根系生长，过量施氮抑制根系生长。秸秆还田可以创造良好的土壤结构、水分和养分条件，有利于玉米根系的生长发育，使作物更容易获取充足的水肥资源[27]。适度施肥使根系形成较大的根表面积和根体积，使得根系与土壤拥有更大的接触面积，有利于促进根系对于水分和养分的吸收[28]，适量施氮（N2 处理）条件下玉米根系表现出良好的生长状况。白伟等[29]研究发现，秸秆还田配施氮肥可以显著增加春玉米的根数、根长、根体积、根干质量和产量等指标，与本研究结果一致。0～20 cm 土层根长占总根长的大部分，秸秆还田配施氮肥对表层根长的影响与对总根长的影响一致。但在本试验中，过量施氮（N3 处理）条件下，40～60 cm 土层并未出现过度施氮抑制作物根系生长的情况，说明过量施氮对根长的影响在不同土层有所差异，可能是因为灌水和降水导致硝酸盐下移，引起土壤深层硝酸盐浓度降低，在一定程度上促进了根系生长[30]。
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3.2 秸秆深埋下氮肥施用量对玉米产量的影响
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玉米根系的大小及在土壤中的分布影响地上部干物质积累和产量形成[31]。秸秆还田与施氮互作可提高土壤养分，为作物生长提供良好的土壤环境，有效促进作物根系发育[32]，配施适量氮肥可显著促进玉米植株的生长，提高氮素利用率，增强水肥吸收能力，达到增产的目的[33-34]。但随施氮量达到一定值时，作物产量不再增加，甚至有下降趋势[35]。本试验表明，在盐渍化耕地适量施氮显著提高玉米穗长、穗粗及百粒重，进而提高了玉米产量，2018 年产量进一步提高；过量施氮较适量施氮产量下降。有研究表明，施入适量氮肥可以显著提高玉米产量[10，36-37]，与本研究结果一致。盐渍化耕地过量投入氮肥不仅会导致氮肥利用率降低，而且可能加重土壤盐渍化程度，破坏生态环境[38-39]。因此，科学合理地施氮除了提高玉米的生产水平外，还可以减少氮肥的损耗及减轻对生态环境的影响，从而实现农业的可持续生产[40]。连续多年全量玉米秸秆还田可显著提高土壤养分，改善耕层土壤的物理性状，促进玉米较深层次根系发育及活力保持，从而对玉米植株生长和最终产量形成创造良好的耕作环境和土壤基础[41]。由于本试验年限较短，无法对盐渍化耕地长期秸秆深埋配施氮肥对作物的影响进行研究。
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4 结论
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本研究初步揭示了河套灌区盐渍化耕地秸秆深埋（秸秆埋深 35 cm，厚度 5 cm）下不同施氮水平对玉米根系生长及产量的影响。在河套灌区，相比传统施氮水平，秸秆深埋配施适宜氮水平（180 kg·hm-2）可显著促进玉米根系生长，形成良好的根冠关系，进而增加玉米产量。在河套灌区的农业生产中，秸秆还田能够为根系提供良好的生长环境，促进根系生长和养分吸收；适量氮肥配施能够更加合理有效地利用肥料。秸秆还田与适量氮肥结合能够为作物提供更好的生长环境，提高对土壤养分的吸收，从而促进玉米植株生长，提高产量。在农业生产中，秸秆还田配施适量氮肥可以实现合理施肥、增加产量的目标，对盐渍化耕地的农业生产具有一定借鉴和指导意义。
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摘要
为探究盐渍化耕地秸秆深埋下不同施氮水平对玉米根系形态和产量的影响，在河套灌区开展了为期两年的田间试验。试验设置对照（CK）、不施氮（N0）、施氮 135 kg·hm-2（N1）、施氮 180 kg·hm-2（N2）、施氮 225 kg·hm-2（N3）5 个处理，分别在拔节期、吐丝期、成熟期采集玉米根系样品。结果表明，盐渍化耕地秸秆深埋下，适量施氮（N2）显著促进玉米根系生长，全生育期总根长、根表面积和根体积，相比 N0 处理分别增加 67.65%、 86.71% 和 62.95%，根干质量两年平均增加 94.63%，根冠比平均增加 16.43%。过量施氮（N3）虽对 40 ～ 60 cm 土层根系有促进作用，但总体上仍表现出抑制作用，相较于 N2 处理，N3 处理生育期总根长、根表面积和根体积分别减少 12.45%、17.48% 和 18.07%，根干质量两年平均减少 11.68%，根冠比平均减少 8.22%。相比 CK 处理，适量施氮（N2）处理两年平均增产 4.96%。因此，建议河套灌区玉米适宜的施氮水平为 180 kg·hm-2，研究成果可为优化盐渍化地区玉米施氮水平及提高秸秆资源化利用提供理论依据。
Abstract
To explored the effects of different nitrogen application levels on the root morphology and maize yield under straw deep burial in salinized arable land，a 2-year field experiment was carried out in Hetao Irrigation District. The experiment included five treatments：CK（control group），N0（no nitrogen application），N1（135 kg·hm-2 ），N2（180 kg·hm-2 ），and N3（225 kg·hm-2 ）. Maize root samples were collected at jointing stage，silking stage and maturity stage. The results showed that under the condition of straw deep burial，in the whole growth period，compared with the treatment without nitrogen application（N0），the total root length，root surface area and root volume increased by 67.65%，86.71% and 62.95%，respectively. The average root dry weight was increased by 94.63% and the average root shoot was increased by 16.43%. Although the overapplication of nitrogen（N3）promoted the root system in the 40-60 cm soil layer，it still inhibited the root system in general. Compared with N2 treatment，the total root length，root surface area and root volume of the growth period were reduced by 12.45%，17.48% and 18.07%，respectively. The average root dry weight was reduced by 11.68% and the average root shoot ratio was reduced by 8.22% in the two years of N3 treatment. Compared with the control treatment， the 2-year average yield of N2 treatment was increased by 4.96%. The optimal nitrogen application level for maize in Hetao Irrigation District was 180 kg·hm-2 . The results can provide a theoretical basis for optimizing the nitrogen application level of maize tillage and improving the utilization of straw resources in salinized arable land.
Keywords
salinized arable land ； straw buried deep ； with nitrogen ； the root system ； yield ； maize