水分與玉米秸稈還田對小麥根系生長和水分利用效率的影響

張素瑜，王和洲，楊明達(dá)，王靜麗，賀德先

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水分與玉米秸稈還田對小麥根系生長和水分利用效率的影響

張素瑜1，王和洲2，楊明達(dá)1，王靜麗1，賀德先1

（1河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心/小麥玉米作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所， 河南新鄉(xiāng)453003）

【目的】通過兩年的防雨棚微區(qū)控水試驗(yàn)，探索秸稈還田和水分調(diào)控對小麥根系生長、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，為提高秸稈還田效果及推廣應(yīng)用秸稈還田技術(shù)提供參考。【方法】試驗(yàn)設(shè)玉米秸稈粉碎翻壓還田（RS）和秸稈不還田（CK）處理；3種土壤水分處理，分別為田間持水量的50%—55%（干旱處理，D）、60%—65%（輕旱處理，SD）和70%—75%（適宜水分處理，N）。測量土壤水分含量、根干重、根干重密度、根系活力、籽粒產(chǎn)量和水分利用效率等指標(biāo)?！窘Y(jié)果】干旱條件下小麥成熟期的次生根數(shù)顯著降低，與輕旱和適宜水分處理相比，不同生育時期小麥根系活力均顯著降低，0—25 cm土層中的根干重密度在不同的生育時期也基本表現(xiàn)為降低趨勢，產(chǎn)量下降幅度分別為4.34%—38.30%和14.30%—36.63%，但土壤貯水消耗量分別顯著增加7.92%—25.56%和31.34%—90.72%，水分利用效率分別顯著增加12.69%—30.09%和11.83%—32.88%。干旱條件下，與CK處理相比，RS處理在返青期和成熟期的單株次生根數(shù)分別提高了17.17%—29.41%和5.60%—27.86%，不同生育時期0—25 cm土層中根干重密度降低，花后根系活力及25—50 cm土層中根干重密度的下降幅度增大，產(chǎn)量和水分利用效率分別顯著降低了15.02%—19.52%和7.51%—14.56%。輕旱和適宜水分條件下，與CK處理相比，RS處理提高了不同生育時期的單株次生根數(shù)，減緩了小麥花后的根系活力及25—50 cm土層中的根干重密度下降幅度，并且增加土壤貯水消耗量，降低灌溉量及總耗水量，除2013—2014年小麥生長季適宜水分條件下不同還田方式間產(chǎn)量和水分利用效率差異未達(dá)顯著水平外，秸稈還田處理的產(chǎn)量和水分利用效率分別顯著提高了6.09%—9.18%和6.77%—11.13%。另外，秸稈還田方式與水分調(diào)控的交互作用顯著影響小麥產(chǎn)量和水分利用效率?！窘Y(jié)論】在較好的土壤水分條件下（輕旱和適宜水分），秸稈還田對小麥根系生長具有正效應(yīng)，有利于延緩根系衰老，增加土壤貯水消耗量、產(chǎn)量及水分利用效率，減少灌溉量；而在土壤水分條件較差時進(jìn)行秸稈還田，小麥產(chǎn)量和水分利用效率顯著降低。

小麥；玉米秸稈還田；土壤水分；根系生長；根系活性；水分利用效率

0 引言

【研究意義】中國是農(nóng)作物秸稈資源大國。黃淮平原作為中國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，秸稈資源豐富，2012年黃淮海主要糧食產(chǎn)區(qū)（3省2市）農(nóng)作物秸稈理論資源量約為2.4×108t，秸稈利用率為76%，其中，肥料化利用（直接還田）所占比重最大，占秸稈利用總量的49%[1]。秸稈還田作為當(dāng)前黃淮平原作物生產(chǎn)中的主要耕作技術(shù)，可以預(yù)測今后仍有增加的空間。此外，焚燒秸稈嚴(yán)重污染環(huán)境，加劇溫室效應(yīng)，嚴(yán)重威脅生態(tài)平衡，秸稈還田藏碳于土是減少溫室氣體排放的重要途徑[2]；同時，作物高產(chǎn)勢必消耗更多的土壤養(yǎng)分，而秸稈還田則可作為一項(xiàng)重要的培肥改土措施?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】秸稈還田一方面能增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤物理、化學(xué)特性，提高土壤生物活性，起到培肥改土的作用[3-4]；另一方面還可以降低土壤蒸發(fā)，提高土壤供水和保墑能力，有利于作物產(chǎn)量和水分利用效率提高[5-7]。目前，秸稈還田方式以覆蓋還田和粉碎翻壓還田為主。研究表明，與秸稈覆蓋還田相比，粉碎翻壓還田的秸稈在土壤中的腐解速度更快，在提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性等方面的作用更為顯著[8]。但也有研究表明，秸稈腐解前期微生物與作物爭奪氮源，引起作物缺氮[9]；秸稈腐解過程中產(chǎn)生有機(jī)酸等化感物質(zhì)，對作物根系及幼苗生長造成不利影響[10]等。以上秸稈還田的正負(fù)效應(yīng)均與秸稈腐解密切相關(guān)，水分是秸稈腐解的主要影響因素。牛芬菊等[11]研究指出，玉米秸稈還田后，玉米生育前期表現(xiàn)出秸稈與作物爭奪水分，后期則增強(qiáng)土壤保水性。左玉萍等[12]研究認(rèn)為，土壤絕對含水量在15%—20%時，旱地土壤中秸稈分解速率最快，低于15%時秸稈幾乎不分解。南雄雄等[13]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后，在32 d的培養(yǎng)期內(nèi)，土壤相對含水量為60%的土壤CO2釋放速率始終低于土壤含水量為80%的處理。因此，土壤水分對秸稈還田效果起著至關(guān)重要的作用。【本研究切入點(diǎn)】以往的研究多集中在秸稈還田的方式方法及不考慮土壤水分條件下探討秸稈還田的效應(yīng)[3-7]，而將不同土壤水分與秸稈粉碎翻壓還田相結(jié)合的研究則不多見。另外，關(guān)于秸稈還田對下茬作物根系生長發(fā)育和功能的影響也尚未見系統(tǒng)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究旨在探討不同土壤水分條件下玉米秸稈粉碎翻壓還田對小麥根系生長、功能、產(chǎn)量及水分利用效率的影響，以期為提高秸稈還田效果提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013年9月至2015年6月在河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（115°33′E，34°34′N）移動式防雨棚下進(jìn)行。棚下單個測坑面積為2 m×3.3 m，深2 m。測坑四周用鐵皮焊接以防側(cè)滲，坑中土壤為潮土，容重為1.34 g·cm-3，田間持水量（field moisture capacity，F(xiàn)MC）為30%，有機(jī)質(zhì)含量為10.5 g·kg-1，全氮含量為0.95 g·kg-1，速效氮和有效磷含量分別為53.8和27.5 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試材料為黃淮麥區(qū)大面積推廣應(yīng)用的小麥品種百農(nóng)AK58（國審麥2005008）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理為玉米秸稈還田措施，設(shè)2個水平：秸稈粉碎翻壓還田（RS）和秸稈不還田（CK）。連續(xù)2年的秸稈還田處理均在同一試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，還田量約為9 000 kg·hm-2，其中全氮含量為0.65%；副處理為土壤相對含水量，設(shè)3個水平：分別為田間持水量的50%—55%（D，干旱）、60%—65%（SD，輕旱）和70%—75%（N，適宜土壤含水量）。共6個處理組合，每個處理重復(fù)4次，共計(jì)24個試驗(yàn)小區(qū)。

秸稈還田處理：將玉米秸稈用機(jī)器粉碎（長度約5 cm），人工翻埋入土，深度為20 cm。

土壤水分控制：根據(jù)時域反射儀（time domain reflectometry，TDR （TRIME-PICOIPH，Germany））定期測定的土壤水分含量，確定灌水量。灌水量（mm）計(jì)算公式為：

Q=0.1×∑hd(w-w)

式中，h為第層土壤厚度（cm），d為第層土壤容重（g·cm-3），w和w分別為第層土壤設(shè)定的目標(biāo)含水量和灌溉前的實(shí)際土壤含水量（%）。當(dāng)土壤水分含水量低于灌水下限時進(jìn)行灌溉，灌至灌水上限。

在保證苗齊的條件下全生育期控水。其中，2013—2014年從分蘗期開始灌水；2014—2015年播種時底墑充足，返青期以后開始灌水。灌水計(jì)劃濕潤層深度：返青期以前為0.4 m，返青至拔節(jié)期為0.6 m，拔節(jié)至抽穗期為0.8 m，抽穗后為1.0 m。用水表控制灌水總量。返青前，通過直徑為3 cm的塑料軟管進(jìn)行漫灌，邊灌水邊拖動軟水管，盡量保證灌水均勻；拔節(jié)以后，為防止拖動軟管造成莖蘗折斷，將軟管出水口對接一根長2 m的PVC管，將PVC管伸進(jìn)小區(qū)，放在小麥行間，通過調(diào)節(jié)PVC管的位置，保證灌溉均勻。

試驗(yàn)分別于2013年10月15日和2014年10月20日播種，采用人工開溝條播，行距23 cm，9行區(qū)，測坑平行行區(qū)的兩側(cè)各留8 cm，以防止生育后期鐵皮溫度過高灼傷植株。播種量150 kg·hm-2，于三葉一心時定苗，基本苗數(shù)約2.9×106株/hm2。施240 kg N·hm-2、100 kg P2O5·hm-2和100 kg K2O·hm-2，其中總氮量的50%和全部磷肥、鉀肥作基肥，于播前整地時施入，總氮量的另50%于拔節(jié)期隨澆水施入。其他田間管理同一般高產(chǎn)田。分別于2014年6月2日和2015年6月3日收獲。

1.4 測定項(xiàng)目和方法

1.4.1 土壤水分含量 通過時域反射儀TDR測定土壤含水量。小麥生育前期每隔15 d測定一次，生育后期每隔7—10 d測定一次，并以此為依據(jù)計(jì)算灌水量。灌水后待土壤水分平衡時再次測定土壤含水量。

1.4.2 根干重與根干重密度 依次于拔節(jié)期（2014年3月20日和2015年3月25日）、開花期（2014年4月20日和2015年4月23日）和灌漿期（2014年5月11日和2015年5月16日），每處理選取代表性樣點(diǎn)，用直徑為6.5 cm的根鉆按照BOLINDER等[14]方法取樣，每處理取3鉆，分別在行上、行間距1/2處及與行相切處，3鉆合一，為1個土壤—根系樣品。每一個樣點(diǎn)分兩層取樣：0—25 cm和25—50 cm。將每個樣點(diǎn)不同土層的2個土壤—根系樣品，分別裝入100目的尼龍網(wǎng)袋浸泡1 h，然后用水緩慢沖洗，并用鑷子仔細(xì)挑除雜質(zhì)，最后將收集起來的根系置于80℃烘箱中烘至恒重，稱重（g）并計(jì)算根干重密度（root weight density，RWD）。

=/

式中，為根重密度（g·m-3），為根干重（g），為土壤體積（m3）。

1.4.3 根系活力 分別于拔節(jié)期、開花期和灌漿中期，采用TTC比色法測定0—25 cm土層的根系活力。

1.4.4 籽粒產(chǎn)量及考種 成熟期每副區(qū)選取1 m2有代表性的樣點(diǎn)，收割、脫粒、計(jì)產(chǎn)，并換算為每公頃產(chǎn)量。每副區(qū)另隨機(jī)選取30株進(jìn)行考種，并統(tǒng)計(jì)單株次生根數(shù)等。

1.4.5 水分利用效率 水分利用效率（water use efficiency，WUE，kg·hm-2·mm-1）=籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）/總耗水量（mm）

總耗水量（total water consumption，TWC）=。其中：為小麥生育期內(nèi)有效降水量（mm），為灌水量（mm），為土壤貯水消耗量（mm）。測坑上方設(shè)有移動式防雨棚，因此，為0。

（mm）= 播前土壤貯水量（mm）-收獲后土壤貯水量（mm）

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用Office 2010和Surfer 10.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與作圖，用SAS V8.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 小麥全生育期不同處理的土壤水分含量時空變化動態(tài)

2013—2014年小麥出苗—灌漿期間土壤相對含水量的控制結(jié)果分別為48.7%—55.5% FMC（D）、58.1%—64.3% FMC（SD）和67.5%—72.1% FMC（N），重復(fù)間相對誤差分別為0.78%—1.91%（D）、0.47%—2.49%（SD）和0.36%—2.30%（N）。2014—2015年土壤相對含水量分別為47.7%—55.8% FMC（D）、54.2%—66.2% FMC（SD）和67.9%—72.7% FMC（N），重復(fù)間相對誤差分別為0.59%—1.38%（D）、0.07%—2.54%（SD）、0.08%—1.61%（N）。結(jié)果表明，不同梯度土壤水分處理控制結(jié)果符合原初的試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

進(jìn)一步的分析指出，盡管控水水平一致，但相同土壤水分條件下，RS處理與CK處理的土壤水分變化趨勢不盡相同（圖1）。對于干旱處理，播種后0—120 d，RS處理的土壤水分含量表現(xiàn)為明顯的減小趨勢，且較CK低；對于輕旱和適宜水分處理，播種后0—40 d，RS處理0—40 cm土層中的土壤水分有減小趨勢，可能是由于秸稈腐解消耗了土壤水分；但在播種后0—160 d，40 cm以下土層的土壤水分含量變化較CK平穩(wěn)，且2013—2014年（圖1-a）RS處理的土壤水分含量明顯高于CK，而CK處理土壤上層及下層的含水量則低于中部土層，土壤水分含量波動較大，說明秸稈還田有利于蓄水保墑，減少土壤蒸散量。在播種后200 d，不同處理不同土層中的水分含量急劇降低，這可能與彼時氣溫較高，作物耗水量大，農(nóng)田總耗水量大有關(guān)。

a：2013—2014年不同處理的土壤相對含水量時空變化動態(tài)

a: Spatiotemporal dynamics of soil relative moisture content during the growing period of wheat in 2013-2014 (%)

b：2014—2015年不同處理的土壤相對含水量時空變化動態(tài)

b: Spatiotemporal dynamics of soil relative moisture content during the growing period of wheat in 2014-2015 (%)

RS：秸稈還田；CK：秸稈不還田；D：干旱，50%—55% FMC；SD：輕旱，60%—65% FMC；N：適宜水分，70%—75% FMC

RS: Returningcorn stalks to field; CK: Non-corn stalks returning; D: Drought, 50%-55% FMC; SD: Slight drought, 60%-65% FMC; N: Normal water supply, 70%-75% FMC

圖1 小麥全生育期不同處理的土壤相對含水量時空變化動態(tài)

Fig. 1 Spatiotemporal dynamics of soil relative moisture content during the growing period of wheat

2.2 不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥根系生長與生理功能的影響

2.2.1 對不同生育時期單株次生根數(shù)的影響 由表1可知，秸稈還田對小麥不同生育時期單株次生根數(shù)的影響均達(dá)極顯著水平，不同土壤水分含量僅對成熟期單株次生根數(shù)的影響達(dá)極顯著水平，兩者的交互作用對成熟期單株次生根數(shù)的影響也達(dá)顯著水平。相同還田方式下，隨著土壤水分含量的增加，不同生育時期單株次生根數(shù)基本表現(xiàn)為增加趨勢，即：D＜SD＜N。相同土壤水分條件下，返青期，不同水分條件下（D、SD和N），RS處理的單株次生根數(shù)較CK分別高出17.17%—29.41%、11.34%—21.84%和24.14%—24.27%；拔節(jié)期，對于干旱處理，RS處理較CK單株次生根數(shù)降低6.18%—6.31%；對于輕旱和適宜水分處理，RS處理的單株次生根數(shù)較CK則分別高出-5.90%—9.38%和3.59%—37.96%；成熟期，不同水分條件下RS處理的單株次生根數(shù)較CK分別高出5.60%—27.86%、7.58%—34.88%和27.46%—37.44%。說明秸稈還田有利于小麥單株次生根系發(fā)生，在輕旱和適宜水分條件下表現(xiàn)更為明顯。

表1 不同處理對不同生育時期小麥單株次生根數(shù)的影響

PRS：還田方式；SMC：水分調(diào)控；IA：交互作用。同列數(shù)據(jù)后標(biāo)有不同小寫字母表示處理間的差異達(dá)顯著水平（＜0.05），*表示＜0.05，**表示＜0.01。下同

PRS: Patterns of corn stalks returning; SMC: Soil moisture control; IA: Interaction. Data with different small letters within the same column mean the difference among the data is significant (＜0.05), with * meaning＜0.05 and ** meaning＜0.01. The same as below

2.2.2 對不同土層中根干重密度的影響 不同土層中小麥的根干重密度均在花期達(dá)最大值，隨著生育時期的推進(jìn)，根干重密度降低（圖2）。在0—25 cm土層，相同還田方式下，不同生育時期根干重密度的變化趨勢基本表現(xiàn)為隨土壤水分含量的增加而增加，即：D＜SD＜N。對于干旱處理，不同生育時期RS處理的根干重密度均小于CK；對于輕旱處理，RS處理在拔節(jié)期和花期的根干重密度與CK間差異未達(dá)顯著水平；適宜水分處理2013—2014年在拔節(jié)期和花期的根干重密度與CK間差異未達(dá)顯著水平，灌漿期則顯著高于CK；2014—2015年在拔節(jié)—開花期的根干重密度顯著高于CK，灌漿期差異則未達(dá)顯著水平。在25—50 cm土層，相同還田方式下，不同土壤水分處理的根干重密度在花期和灌漿期的變化趨勢基本表現(xiàn)為SD＞N＞D，且干旱處理的根干重密度在灌漿期顯著低于輕旱和適宜水分處理?？梢?，輕度干旱提高了小麥生育后期25—50 cm土層中的根干重密度。相同土壤水分條件下，對于干旱處理，開花—灌漿期RS處理的根干重密度均低于CK，在灌漿期則達(dá)顯著水平。RS條件下，不同水分處理25—50 cm土層根干重密度的下降幅度分別為45.92%—56.78%，31.33%—38.53%和27.54%—28.95%；CK條件下，不同水分處理下25—50 cm土層根干重密度的下降幅度分別為44.97%—45.12%，38.25%—43.02%和31.42%—33.63%。干旱條件下，RS處理根干重密度的下降幅度顯著高于CK；而輕旱和適宜水分條件下，則顯著低于CK。

柱形圖上不同小寫字母表示處理間的差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。下同

2.2.3 對不同土層中根系活力的影響 小麥根系活力從拔節(jié)期到灌漿期逐漸降低，不同處理間根系活力的變化趨勢是：相同還田方式下，干旱處理的根系活力顯著低于輕旱和適宜水分處理（圖3）。相同土壤水分條件下，拔節(jié)期RS處理的根系活力分別較CK高出26.23%—26.93%、8.63%—15.65%和10.38%—25.84%；花期—灌漿期，干旱條件下，RS處理的根系活力顯著低于CK；輕旱和適宜水分條件下，RS處理與CK間根系活力的差異未達(dá)顯著水平。從開花至灌漿期間，不同水分條件下RS處理根系活力的下降幅度分別為44.91%—53.43%、28.92%—35.23%和27.66%—33.86%；CK處理根系活力的下降幅度分別為37.52%—49.10%、33.16%—39.04%和33.06%—36.84%。其中，水分調(diào)控對根系活力下降幅度的影響達(dá)極顯著水平。分析認(rèn)為，干旱脅迫下，小麥生育后期的根系活力急劇降低，因而改善小麥生育后期的土壤水分狀況可提高根系活力，有利于延緩根系衰老。

圖3 不同處理對小麥不同生育時期根系活力的影響

2.3 不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表2可知，相同還田方式下，不同土壤水分含量對小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量的影響達(dá)顯著水平；相同土壤水分條件下，秸稈還田增加小麥穗數(shù)，降低千粒重。兩者的交互作用對產(chǎn)量的影響達(dá)極顯著水平。

相同還田方式下，小麥穗數(shù)和產(chǎn)量隨土壤水分含量的增加而增加，即：D＜SD＜N，與輕旱和適宜水分處理相比，干旱處理的減產(chǎn)幅度分別為4.34%—38.30%和14.30%—36.63%。相同土壤水分條件下，干旱時RS處理的產(chǎn)量較CK顯著降低15.02%—19.52%；對于輕旱處理，RS處理的產(chǎn)量較CK則顯著增加6.09%—9.18%；在適宜水分條件下，2014—2015年RS處理的產(chǎn)量較CK顯著提高6.96%。另外，從兩年的平均產(chǎn)量來看，RS處理的產(chǎn)量較CK增加。

表2 不同處理對小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

SN：穗數(shù)；GS：穗粒數(shù)；GW：千粒重； GY：產(chǎn)量

SN: Spike number; GS: Grains per spike; GW: 1000-grain weight; GY: Grain yield

2.4 不同土壤水分條件下秸稈還田對小麥耗水量及水分利用效率的影響

由表3可知，秸稈還田方式對土壤貯水消耗量的影響達(dá)顯著水平，水分調(diào)控對小麥生長季灌水量、土壤貯水消耗量、總耗水量及水分利用效率的影響均達(dá)極顯著水平，兩者的交互作用對水分利用效率的影響也達(dá)顯著水平。

相同還田方式下，不同土壤水分處理的灌水量和總耗水量隨控水梯度的增加顯著增加，即：D＜SD＜N，而土壤貯水消耗量和水分利用效率則表現(xiàn)為隨控水梯度的增加而降低，即：D＞SD＞N，說明隨著土壤干旱程度的加劇，土壤貯水消耗量增加，作物水分利用效率提高。干旱條件下，CK處理的灌水量、土壤貯水消耗量和總耗水量與RS處理間的差異未達(dá)顯著水平，但CK的水分利用效率顯著提高8.13%—17.04%。輕旱和適宜水分條件下，與CK處理相比，RS處理的灌水量分別減小5.05%—5.26%和5.04%—5.88%，土壤貯水消耗量分別顯著增加8.30%—13.50%和17.40%—25.93%，除2014—2015的適宜水分外，RS處理的水分利用效率提高6.77%—11.13%和7.95%。說明干旱條件下，秸稈還田顯著降低水分利用效率；而輕旱和適宜水分條件下，秸稈還田降低灌水量，顯著提高水分利用效率。此外，對比兩年的數(shù)據(jù)可以看出，2014—2015年各處理的土壤貯水消耗量明顯高于2013—2014年，這與2014—2015年小麥播種時底墑水充足有關(guān)。

表3 不同處理對小麥耗水量和水分利用效率的影響

TIA：灌水量；CSWS：土壤貯水消耗量；TWC：總耗水量；WUE：水分利用效率

TIA: Total irrigation amount; CSWS: Consumption of soil water storage; TWC: Total water consumption; WUE: Water use efficiency

3 討論

3.1 秸稈還田和土壤水分處理對土壤時空分布的影響

秸稈腐解是非常復(fù)雜且漫長的化學(xué)過程，它不僅需要合適的C/N[9]，而且腐解過程中消耗土壤水分[11]。當(dāng)土壤水分狀況較差時，秸稈腐解會造成與植株?duì)帄Z水分，加劇土壤水分的脅迫程度。本研究中在干旱條件下，RS處理的土壤水分較CK差，對于輕旱和適宜水分處理，RS處理中下層土壤水分變化平穩(wěn)，波動較小，起到了貯水保墑的作用，給根系的生長營造較好的生長環(huán)境，同時保證返青—拔節(jié)期良好的水分供應(yīng)。呂美蓉等[15]的研究也表明，秸稈還田有利于提高土壤水分充足期（土壤相對濕度不低于80%）的土壤含水率（0—100 cm），但降低土壤水分虧缺（土壤相對濕度不高于60%）時的土壤含水率（0—50 cm）。

3.2 秸稈還田和土壤水分對小麥次生根系生長及根系活力的影響

水分條件對小麥單株次生根數(shù)、根系分布與功能的影響顯著[16]，干旱條件下小麥單株次生根數(shù)、總根長、總吸收面積、活性吸收面積及根系活力均明顯降低。適當(dāng)控水可激發(fā)根系生理活性[17]，小麥并能促進(jìn)根系向中下層延伸和生長[18]。本研究印證了上述觀點(diǎn)。干旱條件下，小麥單株次生根數(shù)和根系活力顯著降低，花后根系活力及根干重密度下降幅度較大，根系衰老較快；輕旱處理則有利于促進(jìn)次生根的發(fā)生，提高根系活力及25—50 cm土層的根干重密度。前人研究指出，拔節(jié)以后根系主要集中在0—60 cm土層，其中0—30 cm土層的根系占80%以上[19]，0—40 cm土層是根干重的主要分布區(qū)域[20]。土壤淺層根系極易受到干旱脅迫，其衰退消亡的速率較快[21]，而較深層根系由于受大氣干熱變化影響較小，微環(huán)境較穩(wěn)定，衰亡速度較為緩慢[20]，相對于淺層根系，花后深層土壤中根系的數(shù)量和質(zhì)量對小麥生長發(fā)育更為重要[22]。邱新強(qiáng)[23]等研究表明，小麥根系的生長重心隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)逐漸向深層轉(zhuǎn)移，灌漿期，僅20—50 cm土層中的根長表現(xiàn)為正生長，其他土層均表現(xiàn)為負(fù)生長。本研究中，秸稈還田有利于次生根的發(fā)生，在輕旱和適宜水分條件下表現(xiàn)更為明顯；并且在輕旱和適宜水分條件下，RS處理提高拔節(jié)期的根系活力，延緩花后根系衰老及25—50 cm土層中根干重密度的下降幅度，有效利用深層水分及養(yǎng)分。而在干旱條件下，RS處理花后根系活力及0—50 cm土層中根干重密度顯著降低，根系衰老加速。

3.3 秸稈還田和土壤水分對小麥產(chǎn)量與水分利用效率的影響

秸稈還田顯著提高作物產(chǎn)量，并且存在累積效應(yīng)，連續(xù)秸稈還田后增產(chǎn)效果更為明顯[6,24]。秸稈還田條件下小麥的增產(chǎn)原因，大部分研究認(rèn)為是提高了千粒重或穗粒數(shù)，但穗數(shù)有所降低[25-26]。也有不同的觀點(diǎn)，韓賓等[27]的研究指出，相同耕作方式下（耙耕和深松），與不還田處理相比，玉米秸稈還田處理小麥穗數(shù)增加2.57%—6.76%，產(chǎn)量增加2.35%—4.67%。黃婷苗等[28]研究認(rèn)為，穗數(shù)變化是影響秸稈還田條件下小麥產(chǎn)量的直接原因，當(dāng)施氮量增加到某一閾值時，秸稈還田表現(xiàn)為增產(chǎn)。這是因?yàn)榈爻渥銜r，不僅滿足了微生物分解秸稈的需要，也保障了小麥正常生長，穗數(shù)增加。本試驗(yàn)中，小麥整個生育期的施氮量較高（純氮為240 kg·hm-2），輕旱和適宜水分條件下，RS處理小麥的穗數(shù)增加。另有研究指出，秸稈覆蓋后增產(chǎn)與否, 與降水多少即水分年型關(guān)系密切，干旱年份往往增產(chǎn)顯著，而濕潤年份不增產(chǎn)甚至減產(chǎn)[29-30]。本研究結(jié)果顯示，秸稈還田的增產(chǎn)效應(yīng)很大程度上取決于土壤水分狀況，在土壤水分較好的情況下（輕旱和適宜水分處理），秸稈還田處理的產(chǎn)量分別增加了7.69%和1.65%，在干旱條件下則表現(xiàn)為秸稈還田顯著降低產(chǎn)量。結(jié)合前人的研究可以看出，秸稈還田效果不僅受土壤水分狀況的制約，而且與秸稈還田方式密切相關(guān)。呂美蓉等[15]研究表明，當(dāng)土壤水分充足時，秸稈還田有利于下茬提高作物產(chǎn)量，本研究結(jié)果與之相似。

在一定范圍內(nèi)，干旱促進(jìn)根系向深層生長，增加土壤水分消耗，有利于對深層土壤水的利用。秸稈還田提高水分利用效率的原因可能是增加了土壤礦質(zhì)營養(yǎng)，作物所需營養(yǎng)元素得到補(bǔ)充后從而促進(jìn)植株地上部生長，從而改善了對土壤水的有效利用[31]。本研究中，干旱處理顯著提高土壤貯水消耗量及水分利用效率，但產(chǎn)量顯著降低；輕旱和適宜水分條件下，RS處理則提高水分利用效率，原因可能是秸稈還田改善了小麥生育期的土壤水分狀況，延緩深層根系（25—50 cm土層）衰老，提高土壤貯水消耗量，降低總耗水量。該研究結(jié)果與高飛等[32]、趙亞麗等[7]的研究結(jié)果較為相似。

3.4 土壤水分時空分布、小麥根系生長及產(chǎn)量形成、水分利用效率三者的關(guān)系

作物根系與土壤水分既相互聯(lián)系又相互制約，一方面，根系本身的生長發(fā)育及生理變化很大程度上受制于土壤水分狀況[33]，另一方面，根系的生長又促進(jìn)作物對深層土壤水分的吸收利用，縮短水分到達(dá)根表的距離[34]。秸稈還田影響土壤水分的時空分布，進(jìn)而影響根系的生長與分布。輕旱和適宜水分條件下，RS處理改善了小麥生育期間的土壤水分狀況，促進(jìn)根系生長，提高拔節(jié)期根系活力，降低花后根系活力及根干重密度的下降幅度，進(jìn)而增強(qiáng)根系對水分及養(yǎng)分的吸收利用。研究表明，小麥根量和根系活力對肥水吸收與是否早衰具有決定性影響[35]，根重密度與作物產(chǎn)量密切相關(guān)[36]。因此，在輕旱和適宜水分條件下RS處理的增產(chǎn)原因，一方面是因?yàn)榻斩掃€田改善了土壤水分狀況，起到蓄水保墑的作用，利于植株生長；另一方面則是因?yàn)榻斩掃€田促進(jìn)根系生長并延緩了根系衰老。水分利用效率由作物產(chǎn)量和總耗水量決定。本研究中，RS處理在輕旱和適宜水分條件下提高小麥產(chǎn)量，增強(qiáng)蓄水保墑作用，增加土壤貯水消耗量，降低總耗水量，最終提高水分利用效率。而在干旱條件下，秸稈腐解造成微生物與植株競爭水分，導(dǎo)致土壤水分狀況變劣，影響根系及植株生長，雖然總耗水量降低，但產(chǎn)量降低幅度更大，因此，水分利用效率下降。

4 結(jié)論

秸稈還田效應(yīng)受土壤水分狀況的制約。輕旱和適宜土壤水分條件下，秸稈粉碎翻壓還田可以改善土壤水分狀況，增加土壤貯水量，促進(jìn)小麥次生根的發(fā)生，有效延緩根系衰老，最終表現(xiàn)為產(chǎn)量和水分利用效率的提高；干旱條件下，秸稈還田處理不同生育時期土壤水分狀況較差，小麥生育后期根系衰老加速，產(chǎn)量及水分利用效率顯著降低。因此，玉米秸稈粉碎翻壓還田時應(yīng)保證較好的土壤水分條件，而土壤水分較差時則不宜進(jìn)行秸稈還田。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩，李莉）

Influence of Returning Corn Stalks to Field under Different Soil Moisture Contents on Root Growth and Water Use Efficiency of Wheat (L.)

ZHANG Su-yu1, WANG He-zhou2, YANG Ming-da1, WANG Jing-li1, HE De-xian1

(1College of Agronomy, Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crop/National Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Sciences, Zhengzhou 450002;2Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453003, Henan)

【Objective】To evaluate the influence of soil moisture and corn stalks returning practice on wheat root growth, grain yield and water use efficiency,a 2-year micro-plot experiment was conducted under rain-proof shelter condition, aiming at provide reference for improving effect and application of stalks returning to field. 【Method】Prior to wheat sowing，corn stalks were cut and incorporated into soil by plowing (stalks returning, RS), with non-stalks returning as control (CK). Both RS and CK were subjected to 50%-55% (Drought, D), 60%-65% (Slight Drought, SD) and 70%-75% (Normal, N) of field moisture capacity, respectively.【Result】The results showed that nodal roots per plant at maturity, root activity, root dry weight density within 0-25 cm soil layer of winter wheat in D treatments at different growing stages were dramatically decreased compared with those in either SD or N treatments, grain yield was decreased by 4.34%-38.30% and 14.30%-36.63%, respectively, though consumption of soil water storage and water use efficiency in D treatments increased by 7.92%-25.56% and 31.34%-90.72%, 12.69%-30.09% and 11.83%-32.88%, respectively. In D treatment, nodal roots per plant were 17.17%-29.41% and 5.60%-27.86% higher than those in CK at re-growing and maturity stages, but root dry weight density within 0-25 cm soil layer at different growing stages was lower in RS ??treatments than that in CK. The decrement in both root vigor and root dry weight density within 25-50 cm soil layer after flowering was significantly higher than those in CK, grain yield and water use efficiency in RS were significantly decreased by 15.02%-19.52% and 7.51%-14.56% compared with that in CK. In SD and N treatment, nodal roots per plant were higher at different growing stages and the decrement in both root vigor and root dry weight density within 25-50 cm soil layer were lower in RS treatments, while irrigation amount and total water consumption were all decreased. Consumption of soil water storage was significantly increased, except for the N treatment in 2013-2014, grain yield and water use efficiency were dramatically increased by 6.09%-9.18% and 6.77%-11.13% compared with those in CK treatments. In addition, the present study also showed a significant interaction both of grain yield and water use efficiency between corn stalks returning and soil moisture conditions.【Conclusion】Corn stalks returning practice reduced irrigation amount, improved grain yield and water use efficiency by conserving soil water storage and improving root physiological function during the whole growing period under normal soil water and even slight drought conditions, but decreased grain yield and water use efficiency under drought condition.

wheat (L.); returning corn stalks to field; soil moisture content; root growth; root vigor; water use efficiency (WUE)

2015-11-10；接受日期：2016-05-17

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃（2013BAD07B07-4）、河南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（132300413207）

張素瑜，E-mail：729401747@qq.com。通信作者賀德先，Tel：0371-63579616；E-mail：hedexian@126.com