灌水深度對冬小麥根系形態(tài)的影響研究

狄 楠，馬娟娟，孫西歡,2，郭向紅，黃 潔(.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004)

北方地區(qū)降水時間分布不均勻，在冬小麥生育期間降雨量較少，因此，灌溉對冬小麥生長發(fā)育有著至關(guān)重要的作用[1,2]，同時，應(yīng)該選擇合理的節(jié)水灌溉方式，這對于解決我國的農(nóng)業(yè)缺水問題具有重要意義[3]。多年來，為了提高冬小麥的水分利用效率及產(chǎn)量，許多學(xué)者對冬小麥根系的水分調(diào)控方面進(jìn)行了大量研究，取得了很大的進(jìn)展。大量研究表明，在一定的土壤水分范圍內(nèi)，冬小麥根系的生長發(fā)育與土壤水分狀況之間有正相關(guān)關(guān)系[4,5]，土壤水分不足或過多都會影響冬小麥根系的數(shù)量、分布及其功能的發(fā)揮[6]。劉殿英等[1]通過大田和盆栽試驗(yàn)研究表明，土壤水分為田持的70%左右時，最有利于冬小麥根系的生長發(fā)育；王淑芬等[7]通過田間灌水試驗(yàn)提出了在華北冬小麥灌區(qū)的最佳灌溉方式是：豐水年灌0水、平水年灌1水(拔節(jié)水)、枯水年灌2水(拔節(jié)水和抽穗水)，次灌水量為60～75 mm，具有明顯的節(jié)水增產(chǎn)效益；馮廣龍等[8]分析表明，如果土壤深層有可被作物利用的水分，選擇少量多次灌溉較好，有利于促進(jìn)作物根系下扎，利用深層的土壤水分，同時，盡量安排在作物需水敏感時期進(jìn)行灌溉，有利于充分利用有限水量；馬瑞昆等[9]通過管栽試驗(yàn)研究供水深度與冬小麥根系生長發(fā)育的關(guān)系，結(jié)果表明，在20～40 cm土層供水，冬小麥根系發(fā)育較好且產(chǎn)量最高，但在40 cm及其以下供水，對上層根系有一定的抑制作用。

在以往的節(jié)水灌溉措施中，多集中于灌水量及灌水時期對根系生長發(fā)育的影響，而對于結(jié)合土壤含水量的整體深度灌溉方式的研究尚少。本試驗(yàn)采用結(jié)合根系分布和土壤水分情況的深度灌水方式調(diào)控冬小麥根系生長發(fā)育，重點(diǎn)分析灌水深度調(diào)控對冬小麥根系形態(tài)的影響，為建立冬小麥良好根系構(gòu)型，提高其抗旱能力及水分利用效率提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本性質(zhì)及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014年10月至2015年6月在山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院節(jié)水灌溉技術(shù)實(shí)訓(xùn)場與示范園內(nèi)進(jìn)行。供試土壤屬于中壤土，研究至3 m，垂直劃分為0～20、20～50、50～90、90～130、130～210、210～300 cm 6層；田間持水量分別為19.85%、17.17%、17.93%、18.64%、22.10%、20.96%；密度分別為1.486 2、1.612 1、1.624 2、1.630 0、1.537 2、1.514 5 g/cm3；播種前在耕層施入底肥，后測得耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為20.20 g/kg，全氮含量1.150 g/kg，有效鉀含量206.5 mg/kg，有效磷含量45.79 mg/kg。供試冬小麥品種為國審良星99。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計與測定方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用塑料管土柱法研究冬小麥根系，PVC管外徑20 cm，內(nèi)徑18.6 cm，長3 m，于播種前按土層對應(yīng)的密度及初始含水率對土柱進(jìn)行分層裝土，且在部分土柱中安裝水分測管以定期測定土壤含水量分布狀況。

試驗(yàn)以灌水深度為控制因子，設(shè)計4個深度，即處理Ⅰ為地表灌水、處理Ⅱ?yàn)楦捣植忌疃鹊?0%、處理Ⅲ為根系分布深度的75%、處理Ⅳ為根系分布深度的90%。各處理根據(jù)冬小麥不同生育期分別設(shè)4次重復(fù)。在田間共設(shè)有80根土柱，排成3列，同時在行與行、列與列之間均種植冬小麥作為保護(hù)行(列)。全生育期共進(jìn)行4次灌水，分別為越冬水、拔節(jié)水、抽穗水和灌漿水。越冬期全按地表灌溉處理，后3次灌溉，各處理的總灌水量相同(按當(dāng)?shù)卮筇锕芾頁Q算得到1 833 mL/管)，灌溉前根據(jù)各處理的平均最大根深計算出設(shè)計灌水深度，然后分層打孔，用自制灌水器進(jìn)行分層灌水。各生育期各處理灌水孔布置及灌水深度見表1。每個灌水深度的灌水量M由以下公式(山侖等，2004)計算得到：

M=10ρbH(βi-βj)

式中：H為土壤計劃濕潤層的深度，cm；ρb為計劃濕潤土層的土壤容重，g/cm3；βi為目標(biāo)含水量；βj為自然含水量，即灌溉前土壤含水量。

表1 各生育期不同處理灌水時間及灌水深度Tab.1 Irrigation time and irrigation depth of different treatments at different growth stages

1.2.2測定指標(biāo)及方法

試驗(yàn)于10月12日播種冬小麥，每根土柱種8株，于三葉期定苗至3株；分別于冬前(12月3日)、返青期末(3月4日)、拔節(jié)期末(4月11日)、抽穗期末(4月28日)、灌漿期末(5月8日)和成熟期(6月1日)取根，各生育期各處理4次重復(fù)。取根樣時先將地上部分離，再打開塑料管，露出土柱，按10 cm一層將土柱分層切開，置于篩網(wǎng)中沖洗，用鑷子挑出根系后進(jìn)行各項指標(biāo)測定。 土壤含水量采用Diviner 2000便攜式土壤水分速測儀每周測定；根系形態(tài)參數(shù)用掃描儀(Epson J131A)進(jìn)行根系掃描，再采用根系分析軟件WinRHIZO version 5.0對得到的圖片進(jìn)行分析；根系干重采用烘干法測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在眾多作物根系形態(tài)指標(biāo)中，本試驗(yàn)從冬小麥根系的最大根深、總根長、總根重、根長密度及根重密度這幾個方面進(jìn)行分析。

2.1 不同處理對冬小麥根系入土深度的影響

表2為不同生育期，各處理冬小麥根系的入土深度。從表2中可以看出，自拔節(jié)期灌水處理以后，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根系入土深度均明顯大于處理Ⅰ，至成熟期，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根深比處理Ⅰ長30 cm左右。由于處理Ⅰ是地表灌水方式，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ是深度灌水方式，以上結(jié)果表明了深度灌水方式有利于促進(jìn)根系向下伸長，誘導(dǎo)根系下扎。從表2中還可以看出，對于深度灌水方式下的處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ之間，根系入土深度依次增大；在抽穗期和灌漿期末，處理Ⅳ的根深明顯長于處理Ⅱ、Ⅲ，但處理Ⅱ、Ⅲ之間差異并不明顯；在成熟期，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ根系入土深度依次增大且差異明顯，這說明了試驗(yàn)灌水到達(dá)深度越大，冬小麥根系的入土深度越大。

表2 不同生育期各處理冬小麥的最大根深Tab.2 Maximum depth stretched in soil of root at different growth stages for winter wheat

注：表內(nèi)數(shù)據(jù)為平均值；每行數(shù)據(jù)右側(cè)字母相同者表示差異未達(dá)極顯著水平(P>0.01)；字母不同者表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)；下表同。

2.2 不同處理對冬小麥總根長及總根重的影響

總根長、總根重是衡量冬小麥根量的重要指標(biāo)，總根長及總根重越大，表明根量越大，根系越發(fā)達(dá)。

表3和表4分別為各生育期不同處理冬小麥的總根長及總根重。從表3、表4中可以看出，在各生育期，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的總根長及總根重均大于處理Ⅰ，且呈顯著性，表明了相比地表灌水方式，灌水總量不變，結(jié)合含水率的深度灌水方式能夠顯著提高冬小麥整體根量，總根長和總根重；隨著生育期的推后，總根長和總根重增量不斷增加；總根重增幅不如總根長明顯，這主要是由于灌水深度調(diào)控主要影響的是深層根系。研究表明，深層根除了一部分下伸的次生根外，主要是由初生根組成[10]，而初生根較細(xì)，根干重很小，所以根干重變化幅度不如根長明顯。

對表3和表4中處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ之間的總根量差異進(jìn)行分析，可以看出總根長與總根重的變化規(guī)律類似，由于總根長變化幅度較大，選擇分析總根長。在拔節(jié)期末和抽穗期末，總根長處理Ⅳ>處理Ⅲ>處理Ⅱ，表明灌水深度越大，總根長越大；而在灌漿期末和成熟期為處理Ⅲ>處理Ⅱ>處理Ⅳ ，處理Ⅳ總根長不再是最大，出現(xiàn)了降低，表明在冬小麥生育后期，并不是灌水深度越大，根系生長越好，灌水深度過大反而會對根系的生長產(chǎn)生不利影響，使得總根量降低。

表3 各生育期不同處理冬小麥的總根長Tab.3 Total root length of different irrigation treatments at different growth stages for winter wheat

注： 增幅表示處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ相對于處理Ⅰ的總根長增量；下表同。

表4 各生育期不同處理冬小麥的總根重Tab.4 Total root weight of different irrigation treatment at different growth stages for winter wheat

為了進(jìn)一步分析，表5列出了拔節(jié)、抽穗、灌漿和成熟期各處理冬小麥的上層(0～30 cm)、下層(30 cm以下)土壤中根長總和占總根長的百分比。從表5中可以看出，深度灌水方式下的處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ冬小麥表層根系(0～30 cm)的根長總和所占比例均小于處理Ⅰ的，而下層根系所占比例均高于處理Ⅰ，結(jié)合其總根長規(guī)律，即處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的總根長大于處理Ⅰ，表明了深度灌水方式是通過促進(jìn)下層根系的生長發(fā)育，提高下層根系所占的比例，從而提高整體根量。

表5 各生育期分層根長總和的百分比Tab.5 Root length distribution rate in different layers at different stages

從表5中還可以看出，由于處理Ⅰ是地表灌溉，表層根系(0～30 cm)發(fā)育較好，即使隨著生育期的推后，下層根系所占比例逐漸增大，但其表層根系所占比例始終保持在55%以上。對于深度灌水方式下的處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，在拔節(jié)期末和抽穗期末，表層根系所占比例也基本在50%以上，上層根系發(fā)育較好；但在灌漿期末和成熟期，處理Ⅳ表層根系所占比例分別為41.46%和37.94%，下降比較明顯，上層根系生長發(fā)育較差。結(jié)合表3，總根長也出現(xiàn)了大幅度下降。分析其原因，可能是由于對于試驗(yàn)所設(shè)計的深度灌水方式，灌水總量不變，一方面，隨著生育期的推后，根深逐漸增大，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的設(shè)計灌水到達(dá)深度逐漸增大，表層灌水量逐漸減少；另一方面，處理Ⅱ到Ⅳ，隨著設(shè)計灌水深度的增大，表層灌水量也逐漸減少。這就使得在冬小麥生育后期，處理Ⅳ的表層灌水量較少，而且生育后期溫度升高，棵間蒸發(fā)增大，根系對水分反應(yīng)較敏感，抗旱能力變差，最終導(dǎo)致處理Ⅳ表層根系生長發(fā)育受到抑制，總根量減少。所以對于深度灌水方式，應(yīng)當(dāng)選取適當(dāng)?shù)墓嗨疃?，不宜過大；或在生育后期，要加大表層灌水量，滿足表層根系的生長發(fā)育。

處理Ⅱ和處理Ⅲ冬小麥上層根系生長發(fā)育較好，下層根量明顯提高，總根量增大，表明了適當(dāng)?shù)纳疃裙嗨绞?，可以在上層根系發(fā)育較好的基礎(chǔ)上，促進(jìn)下層根系的生長發(fā)育，通過提高深層根量，來使得總根量(總根長、總根重)增加。

2.3 不同處理對冬小麥根長及根重密度的影響

根長及根重密度體現(xiàn)了根系在土壤垂直剖面中的分布狀況，是研究根系形態(tài)的重要指標(biāo)。

2.3.1不同處理對冬小麥根長密度的影響

圖1為各生育期不同處理冬小麥根長密度隨深度的分布情況。從圖1中可以看出，各處理冬小麥根長密度隨土層深度的變化趨勢相同，即隨著土層深度的增加根長密度呈逐漸減小的趨勢，表明了本試驗(yàn)的深度灌水方式并沒有改變根長密度隨深度變化的總趨勢。也可以看出，隨著生育期的推后，下層土壤中的根長密度不斷增大。

從圖1中可以明顯看出，雖然4個處理的根長密度隨深度變化的總趨勢相同，但分布明顯存在差異，表明了不同灌水深度對冬小麥根長密度的空間分布有一定的影響；從整體上可以看出，處理Ⅰ的表層土壤中冬小麥的根長密度均為最大，但在下層土壤中，根長密度一直處于最小，說明了相比地表灌水方式，深度灌水方式使得冬小麥上層根系的根長密度有所減少，但卻能顯著提高下層土壤中的根長密度，也進(jìn)一步證明了深層灌水方式能夠顯著促進(jìn)深層根系的生長發(fā)育，增大下層土壤中的根量；處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ下層土壤中根長密度分布曲線與處理Ⅰ相比，較為平緩，根長密度隨深度降低的幅度變小，趨于相對均勻，表明了深度灌水方式下，冬小麥根長密度在下層土壤中的分布趨于相對均勻；從處理Ⅰ到處理Ⅳ減小幅度變小，表明了灌水到達(dá)深度越大，冬小麥深層根系越趨于相對均勻分布。

圖1 各生育期不同處理冬小麥根長密度隨深度的分布Fig.1 Distribution of root length density of different treatment with soil depth at different growth stages for winter wheat

2.3.2不同處理對冬小麥根重密度的影響

灌水深度調(diào)控對冬小麥根重密度的垂直分布也有一定影響，且垂直分布規(guī)律與根長密度相似，不作具體說明。相比地表灌水方式，深度灌水方式能提高冬小麥下層土壤中的根重密度，但不如根長密度變化明顯，這是由于冬小麥上層根系占主要部分且根徑較大，而深層根系根量較少且根徑較小，干重小，導(dǎo)致處理之間根重密度差異不如根長密度明顯。

本試驗(yàn)中，處理Ⅱ和處理Ⅲ冬小麥根系入土較深，下層根系密度和整體根量有顯著提高，根系整體生長發(fā)育較好。因此，灌水深度為根系分布深度的60%和75%是本試驗(yàn)條件下節(jié)水的適宜補(bǔ)灌深度，可為華北地區(qū)冬小麥節(jié)水灌溉提供參考。

在華北地區(qū)，雨季主要集中在種麥前的7、8、9月，而在冬小麥生育期內(nèi)降雨量較少，有較多的水分貯存在深層土壤中。張喜英等[11]研究表明，旱作冬小麥在收獲時，由于其深層根系密度過小，80 cm以下土層中有相當(dāng)一部分土壤貯水不能被根系利用。本試驗(yàn)的深度灌水方式能夠顯著提高冬小麥深層根系密度，使其能夠充分吸收深層貯水，從而提高根系吸收能力及水分利用效率，達(dá)到節(jié)水的目的。另一方面，深層根量密度越大，其抗旱能力越強(qiáng)[12]，深度灌水方式也能夠提高冬小麥在生育后期的抗旱能力。

3 結(jié) 語

(1)相比地表灌溉，灌水總量不變，結(jié)合含水率的深度灌水方式是通過誘導(dǎo)冬小麥根系下扎，促進(jìn)下層土壤(30 cm以下)中根系的生長發(fā)育，提高其所占的比例，從而使得整體根量顯著提高；至成熟期，根系的入土深度比地面灌溉條件下增大30 cm左右，總根長增加20%左右，總根重增加10%左右。

(2)深度灌水方式?jīng)]有改變根長及根重密度隨深度遞減的總趨勢，但對其垂直分布有明顯的影響。深度灌水條件下，表層(0～30 cm)根長及根重密度有所減少，但能顯著提高下層(30 cm以下)土壤中的根長及根重密度，根系在深層土壤中的分布趨于相對均勻；且灌水深度越大，對深層根系的根長及根重密度的影響范圍(深度)越大，冬小麥深層根系越趨于相對均勻分布。

(3)相比處理Ⅰ(地面灌溉)，處理Ⅱ(根系分布深度的60%)和處理Ⅲ(根系分布深度的75%)的冬小麥根系整體生長發(fā)育較好；但對于處理Ⅳ(根系分布深度的90%)，在生育后期，由于灌水深度過大對表層根系生長發(fā)育產(chǎn)生一定抑制作用，使得總根量下降。因此，灌水深度為根系分布深度的60%和75%是本試驗(yàn)條件下節(jié)水的適宜補(bǔ)灌深度，可為華北地區(qū)冬小麥節(jié)水灌溉提供參考。

(4)深度灌水方式能夠在冬小麥上層根系發(fā)育較好的基礎(chǔ)上，誘導(dǎo)根系深扎，顯著提高深層根系密度和整體根量，從而提高冬小麥根系對土壤水分的吸收能力及水分利用效率，達(dá)到節(jié)水的目的，同時也能夠提高冬小麥對干旱的適應(yīng)能力。

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