水分調(diào)控對(duì)冬小麥根系生長(zhǎng)及抗旱性的影響

王 兵，馬娟娟，孫西歡,3，郭向紅，狄 楠，黃 潔

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省水利廳，太原 030002；3.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004)

冬小麥?zhǔn)俏覈?guó)華北地區(qū)的重要糧食作物之一，在冬小麥生育期內(nèi)常常干旱少雨，直接影響其產(chǎn)量的形成，因此發(fā)展節(jié)水灌溉具有重要意義[1]。根系是冬小麥吸收土壤水分和養(yǎng)分的重要器官[2]，根系的生長(zhǎng)分布狀況直接關(guān)系著冬小麥抗旱能力的強(qiáng)弱和產(chǎn)量的形成。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為根系發(fā)達(dá)，分布廣泛，根冠比大的品種抗旱，把大根系作為抗旱性的評(píng)選指標(biāo)。近年來(lái)，有學(xué)者認(rèn)為，根系過(guò)大易引起根系冗余，反而不利于作物高產(chǎn)[3-6]。苗果園[7]指出，冬小麥高產(chǎn)的根系分布呈“寬深型”。山侖等[8]研究認(rèn)為，作物根系的下扎深度是衡量其抗旱性的重要指標(biāo)之一，小麥根系下扎較深有利于其抵御干旱逆境，也有利于防止后期倒伏?；糁诬奫9]研究表明在干旱半干旱地區(qū)根系干重過(guò)大且分布在表土層的比例過(guò)高不利于冬小麥高產(chǎn)。王淑芬等[10]研究認(rèn)為在小麥生育后期根系對(duì)深層土壤水分的吸收對(duì)作物產(chǎn)量的形成非常重要。綜上分析，生產(chǎn)實(shí)踐中，采取合理的節(jié)水灌溉措施，促進(jìn)冬小麥根系下扎和深層根系的生長(zhǎng)分布，對(duì)于提高冬小麥的抗旱能力和產(chǎn)量具有十分重要的意義。目前，我國(guó)冬小麥采用的節(jié)水技術(shù)仍以地面灌溉為主，探討通過(guò)改變灌溉方式，提高土壤剖面下層土壤水分含量，誘導(dǎo)根系下扎，從而提高冬小麥抗旱能力和產(chǎn)量的水分調(diào)控研究報(bào)道甚少。本文考慮到冬小麥根系生長(zhǎng)隨生育進(jìn)程的變化，將計(jì)劃濕潤(rùn)層與冬小麥根系分布深度緊密聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)改變灌溉方式，比較分析深層灌溉與地面灌溉對(duì)冬小麥根系下扎深度、根總干重、冠層生長(zhǎng)及抗旱能力的影響，尋求冬小麥高產(chǎn)合理的水分調(diào)控方案，為冬小麥灌溉管理提供理論依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2014年10月-2015年6月，在山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院節(jié)水灌溉試驗(yàn)基地(北緯 34°48′27″, 東經(jīng) 110°41′23″，海拔370 m)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)全年日照時(shí)數(shù)2 350 h，年平均溫度9～13 ℃，無(wú)霜期180～250 d，多年平均降雨量525 mm。土壤質(zhì)地為中壤土，0～3 m土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用地埋PVC管土柱法進(jìn)行冬小麥生長(zhǎng)試驗(yàn)。PVC管長(zhǎng)3 m，管內(nèi)徑18.6 cm。在試驗(yàn)地塊先分層挖取0～3 m土壤并分層放置，以保證土柱裝土的順序和緊實(shí)度與原狀土一致。試驗(yàn)以灌水方式和計(jì)劃濕潤(rùn)深度為控制因子，設(shè)計(jì)4個(gè)處理，即處理Ⅰ為地面灌溉、處理Ⅱ?yàn)橛?jì)劃濕潤(rùn)層取根系分布深度的60%、處理Ⅲ為計(jì)劃濕潤(rùn)層取根系分布深度的75%、處理Ⅳ為計(jì)劃濕潤(rùn)層取根系分布深度的90%。在冬小麥生育期內(nèi)(越冬期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期)共進(jìn)行4次灌水，其中越冬期均采用地面灌溉；后3次灌溉，各處理的總灌水量仍相同。灌溉時(shí)，先通過(guò)取根得到各處理平均最大根長(zhǎng)來(lái)確定設(shè)計(jì)灌水深度，之后將地表以下30 cm至設(shè)計(jì)灌水深度之間的土層分層，在土柱側(cè)壁打孔，實(shí)施灌溉使土壤含水量達(dá)到田持的一定百分?jǐn)?shù)，再將剩余水量灌入地表；按當(dāng)?shù)囟←溙镩g管理675 m3/hm2換算，得到每根管的總灌水量為1 833 mL。在每個(gè)處理中隨機(jī)選取土柱，裝土前在土柱中心安裝水分測(cè)管，以測(cè)定不同處理下土壤含水量的變化。

1.3 試驗(yàn)材料

供試冬小麥品種為國(guó)審良星99。于2014年10月12日播種，待出苗后每根土柱定植3株，2015年6月1日收獲。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

(1)根長(zhǎng)及根系干重。試驗(yàn)設(shè)計(jì)在冬小麥的越冬期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期共取5次根，每10 cm一層，每次各處理重復(fù)4次。取樣后，沖洗、掃描，采用根系分析軟件(WinRHIZO version 5.0)進(jìn)行分析，得到根長(zhǎng)等根系的形態(tài)指標(biāo)參數(shù)。將掃描后的冬小麥根系采用烘干法至恒重，得到冬小麥分層根系干重及總根干重。

(2)地上部分干重及產(chǎn)量。在冬小麥各生育期，將地上部分從莖基部剪下,擦掉表面的泥土，采用烘干法至恒重，即可得到地上部分干重。冬小麥成熟期時(shí)，收獲整個(gè)土柱中的冬小麥，并在75 ℃下將籽粒烘干至恒重，稱量得到單管產(chǎn)量。

(3)根冠比。根冠比=根系干重/地上部分干重。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水分調(diào)控對(duì)冬小麥根系生長(zhǎng)和深扎的影響

根系具有向水性，土壤剖面水分分布不同必將影響根系的生長(zhǎng)與分布。作物根系的下扎深度是衡量其抗旱性的指標(biāo)之一[1]。與處理Ⅰ相比，考慮根系分布深度的深層灌溉對(duì)冬小麥拔節(jié)期后根系的下扎深度的影響見(jiàn)表2。

表2 與處理Ⅰ相比深層灌溉下冬小麥的平均最大根長(zhǎng)增量 cm

注：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。

從表2可知，拔節(jié)期后，由于不同程度的深層灌溉，使得處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根系下扎深度均明顯大于處理Ⅰ，隨著冬小麥的生育進(jìn)程，與處理Ⅰ相比深層灌溉下冬小麥的平均最大根長(zhǎng)增量不斷增加，至成熟期，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根長(zhǎng)比處理Ⅰ長(zhǎng)27～37 cm?？梢?jiàn)考慮根系分布深度的深層灌溉方式能促進(jìn)根系向下生長(zhǎng)，誘導(dǎo)根系下扎。對(duì)于深層灌溉下的處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ之間，同一時(shí)期根系下扎深度順序?yàn)樘幚恝?處理Ⅲ<處理Ⅳ，表明試驗(yàn)灌水到達(dá)深度越大，冬小麥根系的下扎深度越大。與處理Ⅰ相比，處理Ⅱ的平均最大根長(zhǎng)增量在冬小麥的抽穗期達(dá)最大，在灌漿期和成熟期兩者的差值減??；處理Ⅲ的平均最大根長(zhǎng)增量自冬小麥抽穗期后基本穩(wěn)定；處理Ⅳ的平均最大根長(zhǎng)增量在冬小麥的灌漿期達(dá)最大，這說(shuō)明在冬小麥抽穗期和灌漿期，深層灌溉明顯促進(jìn)了根系的下扎深度，有利于根系吸收深層土壤水分。

表3為與處理Ⅰ相比深層灌溉下冬小麥各生育期根系干重相對(duì)增量的變化情況。處理Ⅱ、Ⅲ至成熟期總根干重相對(duì)增量均在10%以上，而處理Ⅳ相比處理Ⅰ相對(duì)增量較小，抽穗期增量最大為5%左右，之后增量減小。這表明適度深層灌溉能夠明顯增加總根干重，有利于冬小麥生育后期深層根系的生長(zhǎng)。

表3 與處理Ⅰ相比深層灌溉下冬小麥各生育期總根干重相對(duì)增量 %

2.2 水分調(diào)控對(duì)冬小麥根冠比的影響

根冠比可反映作物地上部分與地下部分生長(zhǎng)的協(xié)調(diào)程度。適宜的根冠比有利于作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。與處理Ⅰ相比，考慮根系分布深度的深層灌溉對(duì)冬小麥各生育期地上部分干重相對(duì)增量見(jiàn)表4，冬小麥不同生育期的根冠比見(jiàn)表5。

表4 與處理Ⅰ相比深層灌溉下冬小麥各生育期地上部分干重相對(duì)增量變化 %

表5 不同處理冬小麥各生育期根冠比

由表4可知，與處理Ⅰ相比深層灌溉下各處理地上部分干重相對(duì)增量變化，在拔節(jié)期—抽穗期，其大小順序?yàn)樘幚恝?處理Ⅲ<處理Ⅳ，而在灌漿期—成熟期，其相對(duì)增量大小順序?yàn)樘幚恝?處理Ⅱ<處理Ⅲ，這說(shuō)明不同程度的深層灌溉直接影響冬小麥冠層大小。由表5可知，各處理下的根冠比在返青期達(dá)最大，隨著冬小麥的生育進(jìn)程，均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。這是由于拔節(jié)期前，冬小麥生長(zhǎng)主要以營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)為主，此階段地下根系的生長(zhǎng)比地上部分植株體生長(zhǎng)的快。拔節(jié)期冬小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)，地上部分植株體生長(zhǎng)速度加快，根系生長(zhǎng)速度相對(duì)減緩，因此根冠比快速減小，之后冬小麥進(jìn)入生殖生長(zhǎng)為主階段，植物體以地上部分生長(zhǎng)為主，使得根冠比進(jìn)一步減小。與處理Ⅰ相比，拔節(jié)—成熟期深層灌溉下處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根冠比均較小，其大小順序?yàn)樘幚恝?處理Ⅲ<處理Ⅱ。

2.3 水分調(diào)控對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

表6為不同處理冬小麥的單管產(chǎn)量，從表6可以看出，水分調(diào)控對(duì)冬小麥的單管產(chǎn)量的影響為處理Ⅲ>處理Ⅱ>處理Ⅳ>處理Ⅰ，表明考慮計(jì)劃濕潤(rùn)層的深層灌溉相比地表灌溉方式，能夠顯著提高冬小麥產(chǎn)量，其增產(chǎn)率分別為34.7%，28.2%及12.8%。這說(shuō)明灌水量相同時(shí)，通過(guò)改變灌溉方式，考慮計(jì)劃濕潤(rùn)層的深層灌溉能提高水的利用率和利用效率。

表6 不同處理冬小麥的單管產(chǎn)量

2.4 水分調(diào)控對(duì)冬小麥抗旱性影響分析

大量研究表明，抗旱作物的基本特征為根系較大、較深、較密。試驗(yàn)條件下，在灌水總量一定時(shí)，相比地表灌溉，深層灌溉下冬小麥的平均最大根長(zhǎng)增量隨其生育進(jìn)程不斷增加，至成熟期，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根長(zhǎng)比處理Ⅰ長(zhǎng)27～37 cm。且至成熟期，處理Ⅱ、Ⅲ總根干重增量均比處理Ⅰ多10%以上，處理Ⅳ相比處理Ⅰ也有一定的增量。這些表明考慮計(jì)劃濕潤(rùn)層的深層灌溉有利于提高冬小麥的抗旱能力。

從各處理對(duì)冬小麥根冠比及產(chǎn)量的影響來(lái)看，處理Ⅰ冬小麥的根冠比最大，但產(chǎn)量最小，處理Ⅱ、Ⅲ冬小麥根冠比較小，但產(chǎn)量較高，表明了冬小麥的產(chǎn)量并不是與根冠比成正比。相比地面灌溉，考慮計(jì)劃濕潤(rùn)層的深層灌溉能更好地協(xié)調(diào)冬小麥地上部分與地下部分之間生長(zhǎng)關(guān)系，適當(dāng)?shù)母诒饶艹浞值乩蒙顚油寥乐械乃?，有利于緩解冬小麥生育后期的表層干旱現(xiàn)象，從而提高冬小麥的產(chǎn)量。

這對(duì)于我國(guó)華北干旱半干旱地區(qū)，冬小麥生育期內(nèi)干旱少雨，通過(guò)改變灌溉方式，促進(jìn)小麥根系深扎，形成適宜的根冠比，提高冬小麥的抗旱性，提高產(chǎn)量具有重要的意義。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)與地面灌溉相比，深層灌溉明顯促進(jìn)了根系的下扎深度， 提高了根系總干重，但根冠比卻減小，主要是因?yàn)樯顚庸喔饶芨玫貐f(xié)調(diào)冬小麥地上部分與地下部分之間生長(zhǎng)關(guān)系，深層灌溉導(dǎo)致的土壤剖面深層含水量較高，在冬小麥生育后期更好地促進(jìn)了地上部分植株體的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的形成，從而提高了冬小麥的抗旱能力。

(2)試驗(yàn)條件下，考慮計(jì)劃濕潤(rùn)層的深層灌溉處理Ⅱ和處理Ⅲ的冬小麥根系整體生長(zhǎng)發(fā)育較好，根冠比適當(dāng)，形成的冬小麥產(chǎn)量較高，植物體抗旱能力較強(qiáng)，因此，是較適宜的灌溉方案，可為我國(guó)華北地區(qū)冬小麥節(jié)水灌溉提供參考。

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