玉米根系生长与土壤性状的关系及调控措施

玉米根系生长与土壤性状的关系及调控措施作者：刘剑钊单美玉蔡红光闫孝贡袁静超张洪喜任军
来源：《农业与技术》2014年第11期
摘要：本文尝试通过土壤质地、土壤紧实度、土壤温度、土壤水分、土壤通透性等土壤
性状对玉米根系生长发育之间的关系及对其影响，来阐述高产玉米根系生长所适宜的土壤结构，并提出调控土壤性状的措施。

关键词：土壤性状;玉米根系;调控措施
中图分类号：S513 文献标识码：A
玉米的根系是从土壤中获取生长必需资源，即水分和养分，并且固定植株直立生长的最重要的器官。

玉米根系的生长状况直接影响资源的吸收及向地上部分运输养分的能力，而土壤的性状又直接影响到根系的发育，从而影响玉米的地上部分生长和生物量，所以土壤质地、土壤紧实度、土壤温度、土壤水分、土壤通透性等土壤性状与玉米根系之间的关系就会影响到植株的生长发育。

1 土壤性状对玉米根系的影响
1.1 土壤质地对玉米根系生长的影响
土壤的成土因素包含母质、气候、生物、地形和时间。

母质的差异，影响土壤形成的速度和土层的厚薄;地形对气候产生影响，使土壤的水分和温度状况发生变化;土壤的特性需要时间来发展，上述3个因素缓慢地、内在地影响土壤本质变化，称为消极因素。

而气候、生物会较急剧地，外在地影响土壤形成，称为积极因素。

由于土壤颗粒形成条件的差异，导致产生的土粒大小和特性不同。

以吉林省为例[20]，中部地区多为黑土和黑钙土，土壤质地为壤质黏土，其特点为土壤上层为粒状与团块状结构，疏松，多根系。

40cm以下土壤颜色较上层淡，黏土，小核块状，结构紧实，多细根须。

东部山区多为暗棕壤及白浆土，10cm左右为粒状团块结构，20cm为白浆层，较紧实，一般呈片状结构，在早期玉米根系生长发育较其他壤质土缓慢，但根的比之于轻壤土中的根系要粗壮些许。

下层粘紧核块状或核柱状结构，须根较少[1]。

西部多为风砂土，
属砂性土壤，颗粒较粗，由于土粒之间孔隙大且松散，使得根系的下扎较为容易，但是不利于土壤保温，早晚温差较大，且保水保肥能力较差。

黏性土壤颗粒细小且较为紧实，但不利于空气流通，对早期根系伸长有明显的抑制作用，但土壤早晚温差不大、保水保肥能力强;壤土介于砂性和黏性之间，兼有沙土和黏土的优点，适合多种作物生长[2]。

李潮海等[1]研究了不同土壤质地对玉米根系生长动态的影响，结果表明：轻壤土颗粒之间的间隙较大，适宜根系发育，根系易于下扎，根系向水平方向扩散幅度小;
轻黏土颗粒之间的间隙小，根系向下生长受到空间抑制，使得根系在下扎时变粗。

不同质地的土壤对不同基因型玉米根系形态和分布的影响是不一样的。

Bengough等人[3]的研究结果也证实了这一点，正是由于在质地不同的土壤中根系所表现出的补偿效应引起根系的分布角度、侧根的发生有了很大的差别，即影响了根系在土壤中穿插和活力的不同，从而表现为根系形态的差异。

国内已有研究也表明[4]，随着下层（20～60cm）土壤容重的增加，玉米根条数、根干重、根长和根系活力都呈现减少的趋势，且容重越大，减少的趋势越显著，且产量下降。

1.2 土壤紧实度对玉米根系生长的影响
土壤的紧实度可通过土壤容重表现出来，不同土壤容重不同，其稳定性也不同。

土壤容重对土壤水、肥、气、热等土壤性状有着直接或间接的影响，从而影响到土壤肥力的反应和作物养分的需求[5]。

玉米根系的生长发育在不同质地土壤中，对根冠养分吸收有着直接的重要影响，提高土壤的自动调节能力可以使土壤肥力水平得以提高并满足玉米对生长因子的持续需求。

玉米根系生长过程中，土壤紧实度对其影响的研究结果较为一致，即土壤容重较高或过于紧实土壤中根系生长受到抑制。

而当土壤孔隙直径与根径相当时，根系在下扎的过程中很容易穿透，如果在根系生长的土层中，土壤容重过大，小于根径的孔隙增多，会使根系的下扎受阻，同时也增加了根系的穿透阻力[18]。

有研究指出[6]，土壤容重较高时，土壤坚硬度也随之增加，根系生长下扎的阻力增大，根系生长速率明显下降，从而导致根系变粗、水平方向的侧生根增多、根系分布在浅土层，主要集中分布在上层土壤。

根直径变粗的可能生理意义是增加克服轴向阻力的能力，但水平分布角度大。

Shierlaw等人认为，当下层土壤容重过大抑制根系向下生长时，会刺激上层根系侧根的发生，表现为根系在不同土层生长具有一定的补偿作用[3]。

郑存德等人[7]的研究表明土壤容重过大，会加速玉米根系在玉米生育后期的衰亡，而土壤紧实度低，颗粒孔隙大的土壤，有利于玉米根系保持较高活性。

1.2～1.3g/cm3的容重范围为事宜玉米根系生长的区间，而1.3～1.4g/cm3的容重范围可能是玉米根系生长最佳容重的上限值。

同时，玉米根系氮磷钾吸收量在一定的土壤质量密度范围内，均随下层土壤质量密度的增加而降低[8]。

Houlbrooke的研究[9]结果表明，随土壤紧实度的增加，植株的根系长度在减小，地上部及根的生物量也在降低，根系全量养分含量也呈降低趋势。

1.3 土壤温度对玉米根系生长的影响
植物对土壤温度的直接反应就是热量的需求。

土壤温度及地表湿热状况对植株的生长、发育和繁殖有较大影响，土壤温度对玉米根系的生长有直接影响，并关系到根系对水分和养分的吸收、运转和贮存，同时对地下的土壤环境有影响。

如土壤呼吸、根系自养呼吸、有机质的分解速度、土壤微生物活动能力等，均受到土壤温度高低的制约[10]。

根系在土壤中生长活动，除与土壤水分和通气条件有关外，土壤温度是起主导作用的。

在一定范围内，根系的伸长生长
随着土壤温度的升高而增加。

在温暖立地条件下生长的植物根系深度大于寒冷立地条件下生长的根系生长深度。

在一定的范围内，根部吸收养分及矿质元素的速度随土壤温度的增高而加快，但当土壤温度过高时（超过40℃），一般根系吸收矿质元素的速率下降。

过高的土壤温度使酶钝化，影响根部代谢。

高温也使细胞透性增大，矿质元素被动外流，根部纯吸收矿质元素量减少。

温度过低，根吸收矿质元素也减少，因为代谢减弱，主动吸收慢，细胞质黏性也增大，离子进入困难[11]。

1.4 土壤水分对玉米根系生长的影响
土壤水分对根系的生长发育，以及根系的分布都有直接的影响，在土壤水分正常的条件下，土壤水分越多，根水势越高，当水分减少时会减少了玉米的次生根数目，但可以增加根毛数量。

以往的研究认为[12]，水分不足时，土壤溶液束缚在土壤胶体之中，土壤水势极低，根系很难吸收到水分，从而使根系到处延伸，追逐水源，反应为主根弱而须根多;反之，当水分过于饱和时，土壤水势较大，土壤通气受到抑制，供氧不足，根系生长发育缓慢，同样不利于根系吸收水分。

玉米根系生长过程中，对不同土壤含水量的土壤剖面的研究表明，由于局部水势的差异，使得不同区域的根系伸长速度相异，造成根系总体的向水性。

宋凤斌等[13]研究表明，根的水平扩散或垂直下扎的生长因土壤水分不同而有所差异。

一般来讲，当土壤水分在冬季得到存储，且达到一定深度，而在玉米生长发育期内雨水不足时，玉米根系会追寻水源伸长向下性更强。

而当土壤水分深层储存不足，多以降雨为主时，土壤水分多集中在浅层土壤中，这时玉米根系倾向于水平方向扩散，根浅且分布广。

玉米根系不同的生长方式，表明玉米根系的趋水性，从而来保证植株水分供应。

这与Nakamoto研究一致[14]，即在未灌溉和早期干旱的土壤中根系比充分灌溉和晚期干旱的土壤中深层根系生长多，土壤水分含量直接影响着根系的生长方向。

吴元芝等[15]研究表明其中根系深度和根系分布形状还影响根系吸水速率与含水率关系曲线的形状，壤黏土、黏壤土和砂壤土的临界含水量平均为0.260、0.233、0.131cm3/cm3，壤黏土>黏壤土>砂壤土，随根系深度和深层根系分布的增加而降低。

Kuchenbuch等[16]的干旱胁迫试验表明，当土壤容积含水量在0.17cm3/cm3左右时，主根的伸长速率最大，随着土壤容积含水量的降低，主根伸长速率降低;当土壤容积含水量下降到0.05cm3/cm3以下时，主根的伸长速率仅为最大值时的20%。

陈家宙等人[17]的试验从玉米拔节中期开始连续干旱会使玉米根系数量、重量和体积都减少，连续干旱时间超过21d之后，根系生长受到明显抑制。

不同干旱持续时间对根系数量之间的差异主要来自土壤上层，干旱对0～10cm表层根系数量减少较多，而对20～30cm根系数量影响不明显。

1.5 土壤通气性对玉米根系生长的影响
土壤空气是土壤的重要组成之一，在土壤形成、土壤肥力培育、植物的生命活动和微生物活动过程中都有十分重要的作用。

土壤通气状况好坏对植物根系的生长具有重要的影响。

土壤
通气性是指土壤空气与大气进行交换的能力，以及土壤内部气体扩散的特性。

土壤通气性能的好坏，直接影响土壤肥力的有效利用，通气不良时，好气性微生物活动受抑制，会降低土壤有机物质的分解和养分的释放;过分通气时，好气性微生物和真菌又会迅速分解有机物质使之矿质化，且养分释放太快而被淋溶，降低土壤肥力。

牛文全等研究[18]，在不同土壤通气状况下，作物根细胞和组织呼吸及养分吸收量不同。

有氧呼吸可以形成较多ATP（三磷酸腺苷），将更多能量贮存起来，为作物生长提供动力，保证作物正常成长。

土壤通气不良，则氧气不足，将抑制作物根系的呼吸作用，进而削弱根系吸收水肥的功能。

植物根系生长发育要求的氧气来自于土壤。

在一定范围内，氧气供应越好，根系吸收矿质元素就越多。

土壤通气良好，除了增加氧气外，还有减少CO2的作用。

CO2过多，必然抑制呼吸，影响盐类吸收和其他生理过程。

玉米对土中空气十分敏感。

玉米是需氧气较多的作物，土壤空气中含氧量10%～15%最适玉米根系生长，如果含氧量低于6%，就影响根系正常呼吸作用，从而影响根系对各种养分的吸收[21]。

当CO2含量大于1%时，根系发育缓慢，至5%～20%，则为致死的含量。

2 玉米高产土壤结构
土壤深层根系数量多、根系活力高，有利于吸收深层土壤中较多的水分和养分。

与土壤接触的有效面积大，对养分吸收转运能力强，有利于根系获得较多的营养物质，促进地上部光合性能的提高，为地上部子粒的充实提供保障。

同时，高产土壤速效养分并不一定都是高的，在水分得以满足前提下，土壤质地疏松、通透性好十分重要。

只有这样的土壤才能为根系发育提供水、肥、气、热协调的良好土壤环境。

所以高产玉米要求土层深厚，疏松通气，结构良好，土体厚度要求在1m以上，活土层厚应在30cm以上，有上虚下实的土体构造，水、肥、气、热协调;团粒结构应占30%～40%，总孔隙度为50%左右，毛管孔隙度为35%～40%，土壤容重为1.0～1.3g/cm3[22]。

据研究，春玉米深耕40cm的总根量比深耕20cm的多22%，根吸收面积增加34%。

在1m深土层均匀施肥的条件下，玉米根系自0～20cm土层吸收的养分占总吸收量的47.4%～59.3%，而自0～40cm 土层吸收的养分占总吸收量的77.6%～88.2%，且玉米生育后期根系吸收养分活跃层下移到30～40cm土层阁。

因此，注意20cm以下深层土壤耕作、培肥对下层根系生长发育及延长功能期十分重要。

3 调控土壤性状的措施
土壤深松，对0～40cm土层进行深松，可保持土壤结构，改善土壤的理化性质，最显著的作用是降低容重，打破连续多年旋耕形成的坚硬的犁底层，形成良好的耕层结构，并且对于蓄水保墒，对于改善土壤的透水、透气性有十分显著的作用。

精耕细作，增施有机肥。

深耕结合施有机肥，则改善土壤通透性，同时提供有机质胶结物，促进结构形成。

经过培肥改良后形成一定程度团粒结构的土壤应避免频繁耕作，宜采用保护性耕作。

适当深施肥能显著增加根系干重，在20～30cm土层施肥优于在10～20cm土层施肥。

在较高的土壤容重下，深层根系生
长所受到的抑制比表层根系大，因此在稍深土层施肥有助于根系生物量的增加，对于引导农业深施肥具有一定的理论依据。

结构改良的最实用措施是施用有机肥等有机物料。

有机物料除能提供植物多种养分外，其分解产物如多糖等及重新合成的腐殖质是土壤颗粒的良好团聚剂。

常用的有机物料有粪肥、秸秆、泥炭、锯末等。

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作者简介：刘剑钊（1982-），男，助研，主要从事土壤培肥研究。