水分調(diào)控對冬小麥根系活力的影響研究

王 兵，馬娟娟，孫西歡,3，郭向紅，狄 楠，黃 潔

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西省水利廳，太原 030002；3.山西水利職業(yè)技術(shù)學院，山西 運城 044004)

0 引 言

土壤水分對作物的生長起著至關重要的作用，它直接或間接影響著作物根系的分布與活力[1]。冬小麥作為我國分布最廣但生長在干旱季節(jié)的主要農(nóng)作物，土壤水分的變化對其根系發(fā)育影響較為敏感[2]。已有研究表明在一定土壤水分范圍內(nèi)，冬小麥根系的生長與土壤水分成正相關[3]，根系分布隨著灌水深度的增加而顯著變化，而影響根系對某一層土壤水分的利用主要是根系活力與土壤水分狀況[4]。如果土壤深層可利用水分充足，有利于根系下扎，延緩根系的衰老，同時深層根系的生長有利于提高作物產(chǎn)量以及土壤水的利用效率[5,6]。

根系活力是植株吸收的綜合性指標[7]，也是根系新陳代謝的指標之一[8]，同時作物高產(chǎn)也與根系活力密切相關[9]。國內(nèi)外學者多結(jié)合灌水量與灌水方式，研究干旱脅迫或漬水條件下冬小麥根系活力的變化情況[10,11]，而對結(jié)合冬小麥根系生長情況進行變化灌水深度下根系活力影響的研究甚少。

本文結(jié)合土壤水分含水率，在冬小麥不同生育期根據(jù)根系生長深度確定灌水深度，探討不同深度灌水對冬小麥全生育期各層根系活力的影響，以期為提高深層水分利用效率，延緩深層根系衰老，提高冬小麥產(chǎn)量，建立深層灌溉理論與推廣提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西水利職業(yè)技術(shù)學院節(jié)水灌溉試驗基地內(nèi)進行。該試驗基地位于運城市鹽湖區(qū)，屬大陸性溫帶季風氣候，年平均氣溫為9～13 ℃，年平均日照時數(shù)為2 350 h，全年無霜期有208 d左右，多年平均降雨量為525 mm，但降雨分布不均勻，70%集中在6-9月。

1.2 試驗材料與設計

供試冬小麥品種為國審良星99，種子精選后于2014年10月12日播種，11月30日定苗至每管3株,收獲期為2015年6月1日，生育期233 d。試驗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，底部為不透水層。本試驗以灌水方式和計劃濕潤深度為控制因子，考慮冬小麥根系生長分布深度隨生育期的不同而不同，不同生育期灌水計劃濕潤深度參考冬小麥該生育期的平均最大根深確定。因此設計四個處理，即處理Ⅰ為地面灌溉、處理Ⅱ為計劃濕潤層取平均最大根深的60%、處理Ⅲ為計劃濕潤層取平均最大根深的75%、處理Ⅳ為計劃濕潤層取平均最大根深的90%，各處理分別設4次重復，全生育期共進行四次灌水，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，灌溉前根據(jù)各處理的平均最大根深計算出設計灌水深度，然后分層打孔灌溉。各處理的總灌水量相同(按當?shù)卮筇锕芾?5 m3/畝換算得到1 833 mL/管)。各生育期不同處理的灌水孔布置及灌水深度見表1。

1.3 測定指標與方法

本試驗主要測定兩個指標，不同處理下土壤體積含水率以及冬小麥的根系活力。土壤含水量采用Diviner2000,間隔為10 cm，測定范圍為0～160 cm。本試驗把每30 cm土層劃分為一組測定根系活力值，采用TTC法測定冬小麥根系活力，測定儀器為分光光度計。

采用Microsoft Excel軟件進行數(shù)據(jù)的處理，用統(tǒng)計分析軟件SPSS 21進行顯著性檢驗(P=0.05水平)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下土壤含水率垂向變化

圖1為冬小麥不同生育期不同處理條件下隨土壤深度變化的平均土壤體積含水率。從圖中可以得出，在冬小麥越冬期和返青期土壤含水率變化趨勢基本一致，由于地表蒸發(fā)強烈，表層0～20 cm土壤含水率較低，隨著深度的增加，土壤蒸發(fā)強度降低，20～120 cm土壤含水率逐漸增大，到160 cm處土壤含水率基本是表層的2倍。

表1 各生育期不同處理灌水孔布置及計劃灌水深度Tab.1 Irrigation hole lay out and irrigation depth of different treatments

在圖1(c)中冬小麥拔節(jié)期在不同深度灌水方式下，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ冬小麥各生育期的根區(qū)土壤含水率分布狀況開始出現(xiàn)差異，在20～70 cm土層，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ灌水到達深度分別為72、90和108 cm，70 cm以上為相同灌水層，含水率值較為接近，在70 cm以下土層中，處理Ⅱ的土壤含水率明顯小于處理Ⅲ、Ⅳ，而在90～110 cm，土壤含水率值由大到小為處理Ⅳ>處理Ⅲ>處理Ⅱ，在120 cm以下土層中，3個處理的土壤含水率值接近。這是由于處理Ⅲ、Ⅳ在90～110 cm進行灌水，整個生育期該層水分含量高于處理Ⅱ，在90～120 cm，處理Ⅳ的含水率最大，120 cm以下各處理均未灌水，所以3個處理含水率差異不顯著。

由圖1(d)和(e)可知，冬小麥抽穗期和灌漿期不同處理土壤含水率差異更為明顯。在0～20 cm土層中，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表層含水率依次下降，這是由于深度灌水方式，隨著冬小麥生育期的推進，根系入土深度逐漸增大，灌水深度增大使得表層灌水量依次減小，導致土壤含水率依次降低。而在0～20 cm以下土層處理Ⅰ整體含水率水平低于深層灌溉處理。同時，由于處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ計劃灌溉深度達到110 cm以下，但灌水總量相同，計劃灌水深度越深，上層總灌水量越小，不同灌水處理在110 cm處土壤含水率出現(xiàn)了較大差異，在20～110 cm處理Ⅱ、Ⅲ含水率高于處理Ⅳ，而在110～160 cm處理Ⅱ、Ⅲ含水率低于處理Ⅳ。

在圖1(f)中冬小麥成熟期各處理均沒有進行灌水，但不同處理含水率仍保持明顯差異。在20～80 cm處由于表層根系衰老加快，土壤含水率差異不大，80 cm以下處理Ⅰ、Ⅱ土壤含水率明顯開始下降，并低于處理Ⅲ、Ⅳ，這可能是由于前期處理Ⅰ、Ⅱ灌水深度較淺，而深層根系吸水導致深層土壤含水率下降較快。

圖1 各生育期不同處理冬小麥根區(qū)土壤體積含水率垂向分布Fig.1 Distribution of soil volumetric moisture content of different treatments with soil depthat different stages for winterwheat

2.2 不同處理下冬小麥根系活力變化情況

圖2為各生育期不同處理冬小麥分層根系活力值。從整體上可以看出，冬小麥上層根系的根系活力值相較深層根系活力值大，隨著生育期的推進拔節(jié)期冬小麥根系活力達到最大值；在越冬期到抽穗期，根系活力隨土層深度的增加表現(xiàn)為從上到下依次遞減；而灌漿期到成熟期，下層根系的根系活力顯著增大。

對于處理Ⅰ來說，在全生育期內(nèi)，表層根系活力值始終最大；而對于處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，在灌漿之后，深層根系活力值顯著增大，甚至超過表層根系活力值，這表明了深層灌水方式改變了地面灌水條件下根系活力值從上到下依次遞減的分布狀況。由于處理Ⅰ是地表灌水，表層土壤中含水量較大，故其表層根系活力值較大，而在深層灌水方式下，總灌水量不變，表層灌水量相對較少，故表層根系活力值較小，下層土壤中水分含量大，根系活力值大，也充分證明了水分對冬小麥的根系活力有很大的影響，土壤含水量大，根系活力值高。

隨著計劃灌水深度的增加，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ冬小麥根系活力最大值在拔節(jié)期至成熟期內(nèi)均逐漸成單峰型向下推進，在土壤表層(0～30 cm)，處理Ⅰ到處理Ⅳ的根系活力值依次減小，但在下層土壤中，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根系活力值均顯著大于處理Ⅰ；處理Ⅱ在30～60 cm的根系活力明顯大于處理Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ，在60～90 cm處理Ⅱ、Ⅲ的根系活力較高且差異不大，隨著處理Ⅳ灌水深度的增加，120 cm以下根系活力均大于處理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

對比不同生育期根系活力值，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ在灌漿期地表的根系活力明顯小于抽穗期的根系活力出現(xiàn)衰老現(xiàn)象，但在120～240 cm處灌漿期的根系活力卻大于抽穗期的根系活力，這表明了深層灌水方式能夠顯著提高下層根系的根系活力值，從而提高整體根系活力值，同時在冬小麥的生育后期有利于延緩深層根系的衰老。處理Ⅳ在各生育期表層根系活力是四個處理中的最小值，這主要是由于隨著生育期推進，冬小麥根系下扎深度增大，導致處理Ⅳ的表層灌水量一直減少，根系活力值相應降低，同時生育后期降低幅度最大。

因此，對于深層灌水方式，應適當選取灌水深度，不宜過大，使得表層根系能保持較高的根系活性，同時又能減緩深層根系的衰老速度。而處理Ⅱ和處理Ⅲ不僅能夠顯著提高冬小麥下層根系的根系活力值，而且也能使上層根系維持較高的根系活性，保證了冬小麥根系在全生育期內(nèi)較大的整體根系活力值。

2.3 不同處理下土壤含水率與冬小麥根系活力之間的關系

在拔節(jié)期，處理Ⅰ的表層根系活力值大于處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，在30～60，60～90，90～120 cm土層中，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根系活力值顯著大于處理Ⅰ，120～150，150～180 cm土層中，四個處理的根系活力值比較接近。這是由于拔節(jié)期處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的計劃濕潤深度分別達到72，90，108 cm，并結(jié)合土壤含水率進行不同深度灌水處理，相應深度土壤中土壤含水量高于處理Ⅰ，導致深層灌水處理深層根系活力值較地表處理增大明顯，同時雖然處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ地表的含水率小于地表灌水方式(處理Ⅰ)，但仍能滿足表層根系的生長發(fā)育，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表層仍維持相對較高的根系活力值，而120 cm以下各處理土壤含水率并無差異，所以4個處理的根系活力值接近。

圖2 各生育期不同處理冬小麥分層根系活力值Fig 2 Root vigor at different layers of different treatment at different growth stages for winterwheat

在抽穗期，由于冬小麥生長中心轉(zhuǎn)移到地上部分，根系活力值出現(xiàn)下降，處理Ⅰ由于表層灌水量最大，土壤含水率較高，表層根系活力仍保持在各處理中最大值。但隨著深度的增加處理Ⅰ的含水率變化相較于深層灌水處理維持在較低水平，其根系活力值亦隨著土層深度增加與處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中根系活力最大值差距增大。

對比圖2中根系活力值，可以發(fā)現(xiàn)冬小麥灌漿期各處理0～30 cm根系活力值均出現(xiàn)大幅度下降，其大小順序為處理Ⅰ>處理Ⅱ>處理Ⅲ>處理Ⅳ，對應的深層灌水處理表層土壤含水率降低幅度較地表處理大，處理Ⅳ的表層含水率最低。在30～90 cm處理Ⅱ、Ⅲ的含水率高于處理Ⅰ、Ⅳ，其根系活力值亦表現(xiàn)出相似的情況。而100 cm以下處理Ⅳ土壤含水率一直保持在最高水平，故處理Ⅳ的根系活力值也幾乎是4個處理中最大值。在成熟期，表層根系活力值大小順序為處理Ⅲ>處理Ⅱ>處理Ⅰ>處理Ⅳ，表現(xiàn)出根系活力較大而土壤含水率較低。

綜上所述，冬小麥根區(qū)土壤水分狀況與其活力狀況相互影響，相互作用。在一定時期的一定土壤范圍內(nèi)，土壤含水率越大，相應土層根系活力越大；但冬小麥根系活力還可能受其他因素的影響。對于深層灌水方式下的下層根系，冬小麥生育后期，土壤含水率維持在較高水平時，會延緩根系的衰老。

3 結(jié) 論

(1)不同處理在各生育期含水率變化總體 趨勢基本一致，即冬小麥根區(qū)0～20cm土壤中的含水率相對較小，20～40cm含水率逐漸增大，40～120cm土壤含水率變化較為緩慢。幼苗期，越冬期，返青期土壤含水率變化趨勢基本一致，處理Ⅱ含水率水平最高；拔節(jié)至成熟期，20cm以下處理Ⅰ土壤含水率明顯低于處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，并隨著生育期的推進差距逐漸增大。同時100cm以下處理Ⅳ含水率明顯大于處理Ⅱ、Ⅲ。

(2)相比地表灌水方式，結(jié)合土壤含水率的深層灌水方式會對冬小麥根系活力的垂向分布產(chǎn)生顯著影響，并且能顯著提高其深層根系的根系活力。處理Ⅰ在表層根系活力最大(成熟期除外)，處理Ⅳ最??；但在冬小麥的生育后期，處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的下層根系活力超過處理Ⅰ且下層根系活力值甚至超過表層的根系活力值，使得冬小麥的整體根系活力增大；處理Ⅱ和處理Ⅲ灌水方式有利于延緩冬小麥根系生育后期的衰老進程，減緩上層根系活力值的下降速度，使其根系整體保持較大的根系活力值。

(3)冬小麥根系活力不僅僅受根區(qū)土壤水分狀況的影響，其影響因素與機理還有待于進一步研究。

□

[1] Li Q, Dong B, Qiao Y, et al. Root growth, available soil water, and water-use efficiency of winter wheat under different irrigation regimes applied at different growth stages in North China[J]. Agricultural Water Management, 2010,97(10):1 676-1 682.

[2] 劉殿英,黃炳茹,董慶裕.土壤水分對冬小麥根系的影響[J].山東農(nóng)業(yè)大學學報:自然科學版,1991，(2):103-110.

[3] Jarvis N J. A simple empirical model of root water uptake[J]. Journal of Hydrology, 1989,107(S1-4):57-72.

[4] 張喜英,袁小良.冬小麥根系吸水與土壤水分條件關系的田間試驗研究[J].華北農(nóng)學報, 1995,10(4):99-104.

[5] 劉坤,陳新平,張福鎖.不同灌溉策略下冬小麥根系的分布與水分養(yǎng)分的空間有效性[J].土壤學報,2003,40(5):697-703.

[6] 周廣生, 梅方竹, 陳艷華. 冬小麥根系活力與產(chǎn)量性狀關系的研究[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學學報, 2001,20(6):531-534.

[7] Muchow R C, Carberry P S. Environmental control of phenology and leaf growth in a tropically adapted maize[J]. Field Crops Research, 1989,20(3):221-236.

[8] 梁銀麗,陳培元.水分脅迫和氮營養(yǎng)對小麥根苗生長及水分利用效率的效應[J].西北植物學報,1994,15(1):21-25.

[9] 肖俊夫,劉戰(zhàn)東,段愛旺,等.不同土壤水分條件下冬小麥根系分布規(guī)律及其耗水特性研究[J].中國農(nóng)村水利水電, 2007,(8):18-21.

[10] 姜向陽.冬小麥花后澇漬脅迫對籽粒產(chǎn)量、品質(zhì)的影響及生理生態(tài)基礎[D]. 濟南：山東農(nóng)業(yè)大學, 2014.

[11] 苗果園,張云亭,尹 鈞,等.黃土高原旱地冬小麥根系生長規(guī)律的研究[J]. 作物學報,1989,(2):104-115.