覆膜滴灌條件下灌水量對(duì)玉米根系分布特征的影響

白有帥，賈生海，雒天峰(.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，蘭州 730070；.甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州 730000)

覆膜滴灌的增溫、保墑及增產(chǎn)效果，已經(jīng)被眾多學(xué)者認(rèn)同[1-3]。同時(shí)，覆膜滴灌條件下根系生長(zhǎng)及其分布狀況也引起了許多學(xué)者的關(guān)注[4-6]。根系是玉米生長(zhǎng)的重要器官之一，作為SPAC系統(tǒng)中水分傳輸?shù)谋亟?jīng)通道，其在土壤剖面中的分布決定了其吸收養(yǎng)分和水分的能力，同時(shí)也是準(zhǔn)確量化植被與氣候間相互作用不可缺少的參數(shù)[7]。土壤水分變化對(duì)作物生長(zhǎng)及其根系分布產(chǎn)生重要的影響[8-11]。研究表明，玉米根長(zhǎng)、根干重均隨土壤深度的增加基本呈遞減類型，玉米成熟期根深可達(dá)160 cm[7,12]。

目前，覆膜滴灌條件下對(duì)作物地上部生物量、水分利用效率及產(chǎn)量方面的研究較多[13,14]，且多集中在在棉花、小麥等淺根作物方面，對(duì)覆膜滴灌條件下玉米根系的研究報(bào)道相對(duì)較少，且報(bào)道一般局限于盆栽[15,16]、土箱栽培[17,18]。試驗(yàn)通過混凝土箱，在大田氣候條件下設(shè)置不同灌水量來研究玉米在不同土層的根重百分比、根徑及其土層分布狀況，旨在為覆膜滴灌條件下合理的設(shè)計(jì)灌溉制度提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年4-10月在甘肅省水利科學(xué)研究院民勤灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶，屬典型的大陸性荒漠氣候，地理位置東經(jīng)130°05′10″，北緯38°37′18″。降雨稀少，蒸發(fā)量大，風(fēng)沙多。多年平均氣溫7.8 ℃，極端最高氣溫為39.5 ℃，極端最低氣溫為-27.3 ℃，多年平均降雨量110 mm，蒸發(fā)量2 644 mm，日照時(shí)效3 028 h，大于等于10 ℃積溫為3 145 ℃，大于0 ℃積溫為3 550 ℃，無霜期達(dá)150 d，最大凍土深115 cm，降雨年內(nèi)分布不均衡，90%的降雨主要集中在7-9月，屬典型的內(nèi)陸干旱季風(fēng)氣候。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為均質(zhì)黏壤土，平均田間持水量和密度分別為22.9%和1.59 g/cm3。

1.2 研究材料及方法

研究玉米品種為先玉335，種植在長(zhǎng)、寬分別為180和120 cm的混凝土箱中，行距為40 cm，株距為30 cm，滴管帶鋪設(shè)在兩行玉米之間，共鋪設(shè)兩條滴管帶，水頭壓力為3 m。在玉米各生育期每個(gè)處理挖掘三株玉米，面積為40 cm×30 cm，每20 cm 為一個(gè)土層，共挖深100 cm。將挖出的玉米根通過水洗后采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量其長(zhǎng)度、直徑，并用精度為0.01 g的電子秤稱重。玉米生長(zhǎng)的苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期、灌漿期分別灌水定額為450、525、600、900 m3/hm2，設(shè)置處理對(duì)應(yīng)為A、B、C、CK(大田漫灌)。

采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行繪圖、數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 全生育期灌水量對(duì)玉米根重及其分布的影響規(guī)律

圖1反映了玉米不同生育期各處理土層深度和根重之間的變化關(guān)系。由圖1可知，土層深度不同，各處理根重有明顯變化，尤其以土層深度為20 cm的根重最為明顯；在0～100 cm土層，根重較大比例主要分布在0～20 cm土層范圍。由圖1(a)可知，在玉米拔節(jié)期，各處理根重隨著土層的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)出G20>G60>G40>G80>G100(其中G20、G40、G60、G80、G100分別代表各土層根的干重)，隨著灌水量的不同，同一土層剖面，根重差異明顯：土層為20 cm時(shí)，以處理C的根重為最大，CK及處理B次之，處理A的最小，這與灌水量相互對(duì)應(yīng)。由圖1(b)可知，0～20 cm 土層質(zhì)量明顯大于其他土層，且分布依次隨土層增加而遞減；G20最大，G100最小，且在0～20 cm土層表現(xiàn)出處理C的根重最大，處理B、A次之，CK最小。圖1(c)反映的是大喇叭口期各處理根重隨土層深度的變化規(guī)律。在該生育期，0～20 cm土層根重依然最大，且CK較其他處理大，處理C、B次之，A最小。圖1(d)反映的是灌漿期各處理根重隨土層深度的變化規(guī)律，在0～20 cm土層，根重大小依次為CK、B、C、A。

圖1 不同生育期玉米土層深度與根重之間的變化關(guān)系

從根重的百分比可以看出：拔節(jié)期，處理A、B、C、CK在0～20 cm土層所占的重量百分比分別為66.47%、 62.99%、78.87%、79.74%，在0～40 cm土層所占的重量百分比分別為77.65%、 78.49%、85.47%、86.73%；在大喇叭口期，各處理A、B、C、CK在0～20 cm土層所占的重量百分比分別為66.47%、 62.99%、78.87%、79.74%，在0～40 cm土層所占的重量百分比分別為63.23%、 69.90%、89.14%、82.46%；在開花期，處理A、B、C、CK在0～20 cm土層所占的重量百分比分別為78.33%、 88.81%、88.73%、71.91%，在0～40 cm土層所占的重量百分比分別為83.74%、 92.94%、93.55%、80.83%；在灌漿期，處理A、B、C、CK在0～20 cm土層所占的重量百分比分別為69.07%、 74.65%、80.51%、77.91%，在0～40 cm土層所占的重量百分比分別為82.96%、 88.30%、85.99%、86.97%。由數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，不同生育期，各處理在0～20 cm根重百分比均在60%以上，而各處理在0～40 cm根重百分比高達(dá)80%以上，只有在拔節(jié)期處理A、B，及大喇叭口期處理A根重百分比在70%～80%之間。這就說明，玉米根系主要分布在0～40 cm的土壤中。

2.2 全生育期灌水量對(duì)玉米平均根徑的影響規(guī)律

圖2反映了不同生育期不同灌水量條件下土層深度與玉米平均根徑之間的變化關(guān)系。由圖2(a)可知，在拔節(jié)期，各處理隨著土層深度的增加，平均根徑表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，0～20 cm 平均根徑最大，在80～100 cm處平均根徑最?。辉?～20 cm土層，處理A的平均根徑最小，依次為處理B、C，CK最大。這就說明灌水方式和灌水量均對(duì)玉米根徑大小產(chǎn)生影響，灌水量越大平均根徑越大，漫灌有利于作物拔節(jié)期根徑的快速增長(zhǎng)。由圖2(b)可知，在大喇叭口期，同樣表現(xiàn)出隨著土層深度的增加，平均根徑逐漸減小的趨勢(shì)，尤其在0～40 cm土層減少最明顯，在40～100 cm根徑變化幅度不大；在0～20 cm土層，處理A的平均根徑最小，依次為處理B、C，CK最大，與拔節(jié)期0～20 cm土層根徑變化一致。由圖2(c)可知，在開花期，隨著土層深度的增加，處理A、B與對(duì)照CK變化規(guī)律一致，均為依土層深度增加而減小，處理A在0～60 cm隨土層深度增加，平均根徑減小，在60～80 cm平均根徑反而大于40～60 cm土層，這與上部水分虧缺，吸收地下土壤水分，導(dǎo)致根系發(fā)達(dá)有關(guān)；在0～20 cm土層，處理A的平均根徑最大，CK、C次之，B處理最??；而A灌水量最小，平均根徑最大與其較深土壤干燥，作物必須通過吸收較淺土層水分而致使根系發(fā)達(dá)有關(guān)。由圖2(d)可知，在灌漿期，處理A、B、C變化規(guī)律一致，均是隨著土層深度的加深，平均根徑逐漸減小的趨勢(shì)，而CK表現(xiàn)出在40～60 cm根徑大于20～40 cm根徑，分析其原因，認(rèn)為這與灌水方式密切相關(guān)。

2.3 全生育期灌水量對(duì)玉米根長(zhǎng)的影響規(guī)律

圖3反映了拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期及灌漿期不同灌水量條件下土層深度與玉米根長(zhǎng)之間的變化關(guān)系。由圖3可知，不同的土層及灌水量均對(duì)根長(zhǎng)產(chǎn)生了較大影響。由圖3(a)可知，根的長(zhǎng)度總和在0～20 cm土層比其他土層均多，20～40、40～60 cm土層次之，80～100 cm 根長(zhǎng)最小；0～40 cm土層，處理C、D、CK的根長(zhǎng)較大，40～80 cm處理C的根長(zhǎng)最大，80～100 cm對(duì)照CK的根長(zhǎng)最大。由圖3(b)可知，在大喇叭口期，根長(zhǎng)度隨著土層的加深逐漸減小的趨勢(shì)，根長(zhǎng)主要分布在0～40 cm土層；0～20 cm土層D處理根長(zhǎng)最大，20～40 cm土層對(duì)照CK根長(zhǎng)最大，其余土層A處理最大。由圖3(c)可知，開花期根長(zhǎng)主要分布在0～40 cm土層；0～20 cm土層C處理根長(zhǎng)最大，20～40 cm土層對(duì)照根長(zhǎng)最大，40～60 cm土層，處理A根長(zhǎng)最大，60～80 cm土層處理B的根長(zhǎng)最大，而在80～100 cm土層對(duì)照的根長(zhǎng)最大。由圖3(d)可知，灌漿期根長(zhǎng)主要分布在0～60 cm土層；0～40 cm，最大根長(zhǎng)為處理C，40～80 cm土層，處理B根長(zhǎng)最大，80～100 cm土層，對(duì)照CK根長(zhǎng)最大。

圖2 不同生育期玉米土層深度與根徑之間的變化關(guān)系

圖3 不同處理土層深度與玉米根長(zhǎng)之間的變化關(guān)系

3 結(jié) 語

同一生育時(shí)期，灌水量不同，各處理不同土層根重變化較大，但其變化規(guī)律基本一致，均隨著土層深度的增加，根重逐漸減小，這與劉晶淼[7]研究通過玉米根系在土壤剖面中的分布結(jié)果一致。在0～100 cm土層，根重較大比例主要分布在0～20 cm土層范圍。從根重的百分比可以看出，各處理，不同生育期，處理A、B、C、CK在0～20 cm土層所占的重量百分比均在60.0%以上，0～40 cm土層所占的重量百分比均在60%～90%之間，可見玉米根系主要分布在0～40 cm土層中。該結(jié)論與張喜英[8]在研究太行山山前平原夏玉米根系生長(zhǎng)發(fā)育狀況， 指出夏玉米最大根深為1.2 m，80%以上的根系集中在0～40 cm土層中的結(jié)論相似。從土層深度與玉米平均根徑之間的變化關(guān)系，可以看出0～40平均根徑較大，這與0～40 cm根徑所占的百分比較大相呼應(yīng)。從各生育期不同土層的根長(zhǎng)可以看出，根長(zhǎng)最大值主要分布在0～40 cm土層，這與根重及根徑的土層分布規(guī)律相似；在覆膜滴灌條件下，0～40 cm土層，灌水量增加其根長(zhǎng)隨著增加，在40～100 cm土層，灌水量變化對(duì)其根長(zhǎng)的影響規(guī)律性不明顯，這可能與各處理土壤質(zhì)地及土壤初始含水量等有關(guān)。

[1] 劉 洋，栗巖峰，李久生,等.東北半濕潤(rùn)區(qū)膜下滴灌對(duì)農(nóng)田水熱和玉米產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015,(10):93-104,135.

[2] 姬景紅，李玉影，劉雙全,等.覆膜滴灌對(duì)玉米光合特性、物質(zhì)積累及水分利用效率的影響[J].玉米科學(xué)，2015,(1):128-133.

[3] 呂國梁.玉米滴灌條件下不同覆膜方式的節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[4] 齊廣平，張恩和，張步翀,等.不同含鹽基質(zhì)對(duì)膜下滴灌玉米根系生長(zhǎng)及根區(qū)水鹽含量的影響[J].中國沙漠，2007,(6):1 007-1 011.

[5] 徐寶山，賈生海，雒天峰,等.膜下滴灌不同灌水定額對(duì)玉米根系生長(zhǎng)的影響[J].水土保持研究，2014,(5):272-276,284.

[6] 王允喜，李明思，藍(lán)明菊.膜下滴灌土壤濕潤(rùn)區(qū)對(duì)田間棉花根系分布及植株生長(zhǎng)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011,(8):31-38.

[7] 劉晶淼，安順清，廖榮偉,等.玉米根系在土壤剖面中的分布研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2009,(3):517-521.

[8] 張喜英.作物根系與土壤水分利用[M].北京:氣象出版社，1999:44-45,171-186.

[9] 張俊鵬，劉祖貴，孫景生,等.不同水分和覆蓋處理對(duì)土壤水熱和夏玉米生長(zhǎng)的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2015，(2):25-28,60.

[10] 袁江杰，李光永，袁子程.地下滴灌帶類型對(duì)玉米根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2015,(12):14-18.

[11] 李紫燕. 旱作春玉米生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)及根系時(shí)空分布對(duì)不同水分管理模式的響應(yīng)[D].陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

[12] 李少昆，涂華玉，張旺峰.玉米健壯素對(duì)玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，1991,(6):243-246.

[13] 張魯魯，蔡煥杰，王 健. 膜下滴灌對(duì)溫室甜瓜水分利用效率及品質(zhì)影響[J].節(jié)水灌溉，2011,(4):7-10.

[14] 李國佳. 赤峰市丘陵山區(qū)玉米膜下滴灌增產(chǎn)增效效果分析[J].節(jié)水灌溉，2014,(10):15-17,21.

[15] 齊 偉，張吉旺，王空軍，等.干旱脅迫對(duì)不同耐旱性玉米雜交種產(chǎn)量和根系生理特性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010,(1):48-52.

[16] 劉培利，林 琪，隋方功，等.緊湊型玉米根系高產(chǎn)特性的研究[J].玉米科學(xué),1994,(1):59-63.

[17] 姜文順，王空軍，吳秋平，等.夏玉米雜交種登海3719根系分布與競(jìng)爭(zhēng)力[J].作物學(xué)報(bào)，2008,34(9):1 650-1 655.

[18] 李從鋒，劉 鵬，王空軍，等.玉米雄性不育系及其同型可育系根系的時(shí)空變化[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008,19(10):2 209-2 214.