水氮耦合對固定道壟作栽培春小麥根長密度和產(chǎn)量的影響

馬忠明 陳 娟 劉婷婷 呂曉東甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 甘肅蘭州730070;甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物與啤酒原料研究所, 甘肅蘭州 730070

水氮耦合對固定道壟作栽培春小麥根長密度和產(chǎn)量的影響

馬忠明1,*陳 娟2劉婷婷1呂曉東11甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 甘肅蘭州730070;2甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物與啤酒原料研究所, 甘肅蘭州 730070

固定道壟作(PRB)是在農(nóng)田中設(shè)固定的機械行走道的一種壟作和溝灌栽培模式, 是河西灌區(qū)春小麥取代傳統(tǒng)平作和大水漫灌種植方式的一種新技術(shù)。為了明確PRB種植模式下合理的施氮水平和灌水量, 2014—2015年連續(xù)2年采用二因素裂區(qū)設(shè)計, 以3種灌溉定額(1200、2400和3600 m3hm–2)為主區(qū), 以4種施氮水平(0、90、180和270 kg hm–2)為副區(qū), 研究水氮耦合對小麥不同生育期的根長密度及最終產(chǎn)量的影響。隨灌水量和施氮量的增加, 根長密度呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢, 且灌水量的效應(yīng)大于施氮水平的效應(yīng); 開花、灌漿和成熟期的根長密度與籽粒產(chǎn)量呈正相關(guān)。回歸分析顯示, 根長密度最大值的水氮耦合條件是灌水量約2850 m3hm–2、施氮量196～207 kg hm–2。中等灌水量(2400 m3hm–2)條件下, 小麥主要生育期根長密度顯著增加, 提高了根長密度在40～80 cm土層的分配比例, 增加了水分利用效率和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。綜合評價小麥籽粒產(chǎn)量、水分利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率, 中等灌水量與中氮水平(180 kg hm–2)是所有處理中的最佳水氮耦合模式, 可用于河西灌區(qū)春小麥PRB栽培模式。當(dāng)加大灌水至3600 m3hm–2時, 產(chǎn)量沒有顯著增加, 水分利用效率和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率顯著下降, 其原因可能是高灌水量使小麥主要生育期的根長密度降低, 且根長密度在0～40 cm土層的比例升高, 在40～80 cm土層的比例下降。

水氮耦合; 固定道; 根長密度; 產(chǎn)量; 春小麥

Abstract:Permanent raised-bed (PRB) with fixed traffic lane and furrow irrigation is a new cropping pattern of spring wheat in Hexi Corridor of China, which may substitute the traditional flat-planting and flood irrigation technique in this area. To guild water and Napplication in spring wheat cultivation under PRB condition, we carried out a two-year (2014–2015) field experiment in a split-plot design, with irrigation as the main plot and nitrogen (N) application as the sub-plot. The irrigation amounts were 1200(W1200), 2400 (W2400), and 3600 m3ha-1(W3600), and the Napplication rates were 0 (N), 90 (N90), 180 (N180), and 270 kg ha-1(N270). The effects on wheat root length density (RLD) at different growth stages and final yield were assessed. With increasing the level of irrigation or N application, wheat RLD showed a up–down changing trend, and the irrigation effect was larger than the nitrogen effect. Grain yield was positively correlated with RLD at anthesis, filling and maturity stages. Regression analysis revealed that the highest RLD could be obtained under the combination of 2850 m3ha-1irrigation and 196–207 kg ha-1N.In the moderate irrigation treatment (2400 m3ha-1), the RLD significantly increased at major wheat growth stages. Meanwhile,the RLD proportion in 40–80 cm soil depth raised, leading to increased water use efficient (WUE) and N agronomic efficiency(NUEa) of wheat. The comprehensive consideration of wheat yield, NUEaand WUE indicates that moderate irrigation (2400 m3ha-1) and N application rate (180 kg ha-1) is the best management in PRB cropping wheat in Hexi Corridor. More irrigation to 3600 m3ha-1had no significant effect to increase yield but resulted in significant decreases of WUE and NUEabecause wheat RLD at major growth stages was decreased under luxurious irrigation condition and the RLD proportion in 40–80 cm soil depth was low resulting from the increased RLD proportion in 0–40 cm soil depth.

Keywords:Water and nitrogen coupling; Permanent raised bed; Root length density; Grain yield; Spring wheat

甘肅河西灌區(qū)小麥生產(chǎn)仍以傳統(tǒng)翻耕加大水漫灌為主, 當(dāng)?shù)剞r(nóng)民力求高產(chǎn), 盲目高施氮肥加大灌溉量, 春小麥生育期施氮、灌水量在270 kg hm–2、3600 m3hm–2以上, 不合理的耕作方式、灌溉及施肥導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、水氮利用效率低下、水資源供求矛盾加劇, 水氮滲漏及環(huán)境污染一系列問題, 因此, 發(fā)展節(jié)水性保護性耕作并規(guī)范其水氮管理勢在必行[1-2]。固定道壟作(permanent raised bed, PRB)是在農(nóng)田中設(shè)固定的機械行走道, 以固定壟作和溝灌代替?zhèn)鹘y(tǒng)平作、大水漫灌, 壟上種植作物, 壟溝既是灌水溝, 又是機械行走道, 作物收獲以后, 高留茬秸稈覆蓋免耕。PRB具有高度機械化種植, 改善土壤結(jié)構(gòu)、提高水肥利用效率、減少生產(chǎn)投入(水肥和勞動力)、增加作物產(chǎn)量等優(yōu)點[3-6]。

根系是植物重要的水分和養(yǎng)分吸收器官, 根系大小與分布受水分與養(yǎng)分的制約, 其分布又會影響土壤水分與養(yǎng)分的含量、運移[7]。適量灌水利于優(yōu)化根系特征參數(shù), 促進根系深扎, 增加深土層的根系分布比例, 提高水分利用率及小麥產(chǎn)量[8]。根系發(fā)育狀況及水分供應(yīng)量顯著影響硝態(tài)氮的遷移及分布,最終影響氮肥利用效率及環(huán)境污染程度[9]。研究表明, 灌水過量造成土壤水分含量高, 氧氣虧缺, 抑制小麥根系生長, 導(dǎo)致小麥早衰、低產(chǎn)[10-11]; “控制性交替灌溉+氮肥優(yōu)化運籌”較“淹水灌溉+氮肥優(yōu)化運籌”及“旱種+氮肥優(yōu)化運籌”能促進水稻拔節(jié)至成熟期氮素累積, 提高功能葉谷氨酰胺合成酶活性、光合速率及根系活力, 進而提高稻谷產(chǎn)量及氮肥利用率。施氮方式顯著影響作物根系生長、產(chǎn)量及氮素利用, 均勻施氮較交替施氮及固定施氮利于改善根系分布, 提高作物產(chǎn)量[13]。馬存金等[14]試驗表明,適度降低玉米氮素高效品種花前施氮量、增加花后施氮量, 而適度提高氮低效品種花前施氮量、降低花后施氮量可促進根系發(fā)育, 提高氮素利用效率,改善作物產(chǎn)量?？厮疁p氮能提高作物產(chǎn)量, 充分利用土壤氮素, 節(jié)能增效, 改善水氮利用[15]; 輕度水分虧缺, 適量增施氮肥可增加根系活力, 促進根系快速生長, 過度干旱抑制根系生長[16]。干旱條件下適量減少氮肥可增加小麥產(chǎn)量和氮肥利用率[17]; 氮肥過量會抑制下層春小麥根系分布, 減小小麥對土壤硝態(tài)氮的利用[18]; 中等水、氮供應(yīng)可增加 20～40 cm和40～60 cm土層小麥根干重密度, 增加小麥產(chǎn)量[19]。

由于PRB種植模式可以顯著降低灌水量, 2004年被引進河西地區(qū)。但是, 關(guān)于PRB栽培模式不同水、氮條件下春小麥根系生長的變化特征還鮮有報道, 最佳水氮耦合也需進一步研究。本試驗利用PRB研究了不同水氮耦合下小麥籽粒產(chǎn)量、根系分布及其相關(guān)性, 以期為探明PRB栽培下增加春小麥產(chǎn)量和提高其水氮高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗地位于甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖節(jié)水試驗站(38°56′N, 100°26′E, 海拔 1504 m), 該地年平均蒸發(fā)量2029 mm, 年平均氣溫為7.38°C。大于0°C和10°C的有效積溫分別為 3646°C 和 3149°C, 無霜期170～180 d, 年太陽輻射總量 5988 MJ m–2。降水量由張掖氣象站提供, 2014、2015年小麥生育期降水分別為65.4 mm和77.7 mm (圖1), 其中2015年播種至開花前期降雨較 2014年多19.5 mm。

試驗田土壤為石灰性灌漠土, 表土(0～20 cm)質(zhì)地為輕壤土, 土壤容重為1.37 g cm–3, pH 8.4, 含有機質(zhì) 14.79 g kg–1、全氮 0.95 g kg–1、速效氮 119. 8 mg kg–1、速效磷 12.18 mg kg–1、速效鉀 211.16 mg kg–1。

試驗始于2011年, 固定道壟作栽培壟寬70 cm,壟溝寬30 cm, 壟高20 cm, 壟床采用免耕、高留茬20 cm、秸稈覆蓋, 秸稈覆蓋量為2250 kg hm–2。壟床種植5行春小麥, 采用條播, 行距為15 cm。每年播前只對壟床做少許修整, 固定機械行走道, 壟面無機械壓實。

采用二因素裂區(qū)設(shè)計, 以灌溉定額為主區(qū), 設(shè)3個水平, 即1200 (W1200)、2400 (W2400)和 3600 m3hm–2(W3600), 以施氮量為副區(qū), 設(shè)4個水平, 即0(N0)、90 (N90)、180 (N180)和 270 kg hm–2(N270)。小麥全生育期從苗期開始控水, 于三葉期、挑旗期及灌漿期各灌水一次, 用水表控制水量, 灌水量分別占總量的30%、40%和30%。小區(qū)面積為3.6 m ×6.0 m = 21.6 m2, 為消除小區(qū)之間水分與氮素側(cè)向移動, 小區(qū)間打埂并覆膜。40%氮肥和 P2O5180 kg hm–2作為基肥播前施入, 剩余氮肥于三葉期(30%)和挑旗期(30%)隨灌水施入。供試春小麥品種為寧春29, 2014年3月26日播種, 7月28日收獲, 2015年3月28日播種, 7月26日收獲, 兩年播種量均為375 kg hm–2。三葉期使用 2,4-D丁酯除草, 其他田間管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)相同。

圖1 春小麥生育期2014年和2015年月降水量及1957–2015年平均月降水量Fig. 1 Monthly precipitation in 2014 and 2015 and average monthly precipitation from 1957 to 2015 in the spring wheat growing period

小麥成熟后, 從每小區(qū)隨機取3個1 m2小麥(非邊行小區(qū)且離小區(qū)邊0.5 m以上)測產(chǎn), 并取20株小麥測定千粒重, 晾曬至籽粒含水量為 14%測定籽粒產(chǎn)量。

1.2 根長密度測定方法

于拔節(jié)、開花、灌漿及成熟期用根鉆采集小麥根系, 土鉆內(nèi)徑7 cm, 高度10.0 cm。作物根系分布存在空間異質(zhì)性, 因此在小麥種植帶連續(xù)采集5個點, 其中3點在種植行上, 2點在行間(圖2), 采集深度為80 cm, 每10 cm為一個土層, 按不同土層清洗根系, 去雜后裝袋, -20°C保存。

應(yīng)用EPSON PERFECTION V750 PRO (Epson Inc., Beijing, China)進行根系掃描, 采用Win-RHIZO(Régent Instrument Inc., Québec, Canada)軟件進行根系分析, 獲得每鉆的總根長。根長密度(cm cm–3) =根長(cm)/根鉆體積(cm3)[20]。

圖2 固定道栽培方式與根系采樣方式田間示意圖Fig. 2 Sketch map of root sampling sites, permanent raised bed traffic lanes and spring wheat rows on the bed

1.3 水分和氮素利用效率測定方法

水分利用效率(kg hm–2mm–1) = 春小麥產(chǎn)量(kg hm–2)/農(nóng)田耗水量(mm)

采用水分平衡法, 按公式ET = I+P+U–R–F±ΔW[21]計算農(nóng)田耗水量(ET), 式中 I為小麥生育期灌水量(mm), P為小麥生育期有效降水量(mm), U為地下水通過毛管作用上移補給小麥水量(mm), R為地表徑流量(mm), F為補給地下水量(mm), ΔS為小麥生育期土壤貯水消耗量。試驗地平坦、地下水埋深 4 m以下、降水入滲深度不超過2 m, 可視地表徑流、地下水補給量、深層滲漏為 0, 故 R、U、F值可忽略不計[21]。

氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(kg kg–1) = [施氮處理小麥產(chǎn)量(kg hm–2) – 不施氮處理小麥產(chǎn)量(kg hm–2)]/施氮量(kg hm–2)[22]。

1.4 水氮耦合條件下的根長密度回歸方程及分析

灌水量(x1,m3hm–2)、施氮量(x2, kg hm–2)與根長密度(L, cm cm–3)的關(guān)系可用二元二次方程描述, 兩年度的回歸方程分別是 L2014= 5.22 × 10-4x1+1.86 × 10-3x2- 1.00 × 10-7x12- 4.87 × 10-6x22+ 1.69 ×10-8x1x2+ 0.233 和 L2015= 4.85 × 10-4x1+ 1.16 × 10-3x2- 1.03 × 10-7x12- 6.23 × 10-6x22+ 4.97 × 10-7x1x2+0.377。

采用指數(shù)方程 Y=A×e-Bx[23]擬合 2014、2015年水氮耦合條件下的RLD隨土層變化的規(guī)律, 得到不同水氮條件下的小麥根系在不同土層的分布模型,其中Y為RLD (cm cm–3), x為土壤深度(cm), A、B為擬合系數(shù)。設(shè)C = e-B(0＜B＜1), 得到指數(shù)方程Y = (A×C)x。C值隨B值的增大而減小, 且0＜C＜1。對Y =(A×C)x求一階導(dǎo)數(shù)得到, RLD隨土壤深度變化的擬合模型為ΔY/ΔX = (A×C)x× ln C, 當(dāng)A＞1且0＜C＜1時,C值越大ΔY/ΔX越小, B值越小, 即RLD隨土層深度的增加, 下降速率放緩, 因此, 參數(shù)C表示RLD隨土層深度的變化速率。

應(yīng)用SPSS21.0軟件進行隨機區(qū)組的方差分析及顯著性檢驗, 對小麥根系干重與產(chǎn)量進行回歸分析,采用SURFER v.11.0 (Golden Software Inc., Golden,CO 80401 UNITED STATES)與Origin 9.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對春小麥各生育期根長密度的影響

相同施氮條件下, 隨灌水量的增加, RLD先增后減(W2400＞W(wǎng)3600＞W(wǎng)1200), W2400處理下 RLD最大, 表明輕度干旱可促進春小麥根系生長, 過量灌溉或者過于干旱不利于春小麥根系生長(表1)。相同灌水條件下, RLD對氮肥的響應(yīng)主要取決于灌水水平, W1200、W2400條件下, RLD隨施氮量的增加先增后減, N180處理下, RLD最大, 說明適當(dāng)提高施氮量有利于根系生長, 過量施氮會抑制根系生長;W3600條件下, RLD隨施氮量的增加而增加, N270處理下, RLD最大, 表明增加灌水量可緩解高氮對根系生長的抑制作用, 表現(xiàn)為“以水促肥”, 各生育期RLD對水氮供應(yīng)量響應(yīng)一致。

F檢驗結(jié)果表明, 兩年度二元二次方程的多重判定系數(shù)分別為0.962 (R2=0.979, F=56.29, F0.01(5,6)=8.75)和 0.914 (R2=0.953, F=24.43, F0.01(5,6)=8.75), 均達極顯著水平, 說明模型總體擬合度好。對回歸方程求偏導(dǎo)和解方程, 求根長密度最大值, 結(jié)果 2014年當(dāng)灌溉定額和施肥量分別為 2851.55 m3hm–2和195.91 kg hm–2, 最大根長密度為 1.09 cm cm–3, 2015年當(dāng)灌溉定額和施肥量分別為 2853.59 m3hm–2和206.92 kg hm–2, 最大根長密度為 1.19 cm cm–3(圖 3)。根長密度隨灌水量與施氮量的增加而增加, 但灌水量與施氮量超過一定值時則呈減少趨勢。

對2014年公式中各偏回歸系數(shù)進行t檢驗, 灌溉定額一次項(t1= 11.24, t0.01,3= 5.841)與二次項(t2=10.65, t0.01,3= 5.841)、施氮量一次項(t1= 6.87, t0.01,4=4.604)與二次項(t2= 6.17, t0.01,4= 4.604)均達到極顯著水平, 灌溉定額t值大于施氮量t值, 表明灌水水平對根長密度的影響大于施氮水平。對2015年公式偏回歸系數(shù)的分析也得同樣結(jié)果。

2.2 水氮耦合對小麥開花期根長密度垂直分布的影響

2015年各水氮處理下春小麥開花期根系垂直分布如圖4所示, 2014年開花期RLD分布趨勢與2015年一致。各處理RLD均表現(xiàn)為邊行＞次邊行＞中間行,呈作物特有的根系帶狀分布邊行優(yōu)勢。在垂直分布上, RLD 隨土層深度的增加而減小, 0～40 cm 土層W1200、W2400和W3600處理RLD分別為1.56、1.90和1.93 cm cm-3, 40～60 cm土層分別為0.30、0.43和0.35 cm cm-3, 而60～80 cm土層僅為0.15、0.20和0.18 cm cm-3。比較相同施氮條件下不同灌水處理的 RLD, 0～40 cm 土層為 W3600＞W(wǎng)2400＞W(wǎng)1200,40～80 cm 土層為 W2400＞W(wǎng)3600＞W(wǎng)1200。比較相同灌水條件下不同施氮處理的 RLD, 0～40 cm土層表現(xiàn)為 N270＞N180＞N90＞N0, 40～80 cm 土層為N180＞N90＞N0＞N270?？梢? 0～40 cm 土層 RLD 隨灌水量、施氮量的增加而增加, 40～80 cm土層RLD隨灌水量、施氮量的增加呈先增后減趨勢, 說明一定程度的水分和氮素脅迫導(dǎo)致小麥根系向土壤深處延伸, 吸取土壤下層水分和養(yǎng)分來滿足自身生長的需求, 而高水高氮條件會使小麥淺根化分布。

表1 不同水氮條件下的各生育期0～80 cm小麥根長密度Table 1 Root length density (0–80 cm) of spring wheat under different water and nitrogen levels

圖3 水氮耦合與根長密度的關(guān)系Fig. 3 Relationship between water–nitrogen interaction and root length density

不同水氮處理下的根系分布模型C值各異, C值越大, 表明 RLD隨土層深度加深減緩速率越慢, 深層根系所占的比例增加(表2)。相同施氮條件下, C值隨灌水量的增加先增后減, W2400處理下, C值最大,說明適度水分脅迫能迫使根系深扎, 這是根系彈性生長對水分脅迫的抗逆性表現(xiàn); W1200處理下, C值最小, 說明重度水分脅迫抑制小麥根系生長及下扎。W3600處理下, C值較小, 表明土壤含水量較高時, 根系向水性促使根系不再深扎, 根系分布較淺; 相同灌水條件下, 隨施氮量的增加 C值逐漸減小, N270處理下C值最小, 表明土壤氮素較高抑制根系深扎, 說明Y = A×e-Bx指數(shù)函數(shù)模型能模擬不同水氮處理下春小麥根系在土層中的分布情況。

圖4 2015年不同水氮條件下小麥根長密度的垂直分布Fig. 4 Effects of irrigation and nitrogen application regimes on root distribution in 2015

表2 不同水氮耦合處理下小麥根系分布模型Table 2 Effects of water and nitrogen coupling on root distribution model of spring wheat

2.3 水氮耦合對春小麥產(chǎn)量及水氮利用率的影響

相同施氮條件下, 春小麥株高、生物產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加, W3600處理的株高、生物產(chǎn)量顯著大于W2400、W1200處理, 但W3600處理的千粒重、籽粒產(chǎn)量及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(NUEa)則與W2400處理無顯著差異, 而水分利用效率(WUE)則表現(xiàn)為W2400處理最高, W3600處理最低(表3)。說明當(dāng)灌水量達到2400 m3hm–2時再增加灌水量不能顯著增加春小麥千粒重、籽粒產(chǎn)量及NUEa。

相同灌水處理下, 生物產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加(N270＞N180＞N90＞N0), 而千粒重、籽粒產(chǎn)量及WUE在N270和N180之間無顯著差異(表4), 說明在180 kg hm-2基礎(chǔ)上再增加施氮量不能顯著增加春小麥千粒重、籽粒產(chǎn)量及 WUE, 同時 NUEa隨施氮量的增加而減小(N270＞N180＞N90)。

2.4 水氮耦合春小麥產(chǎn)量與春小麥各生育時期根長密度的相關(guān)性

2014年和2015年春小麥4個生育時期 RLD與產(chǎn)量具有顯著的相關(guān)性(表4), 其中開花期產(chǎn)量與RLD相關(guān)性最高, RLD更能反映春小麥產(chǎn)量的變化, 此期適宜的水氮供應(yīng)是高產(chǎn)的重要條件。

3 討論

3.1 水氮耦合對春小麥根系生長的影響

根系是作物吸收水、氮的重要器官, 合理的灌水與施氮可改善根系生長與分布, 促進根系對土壤中水、氮的吸收與利用, 進而提高作物產(chǎn)量, 節(jié)水節(jié)肥, 減少環(huán)境污染[13-14]。Wang等[19]研究表明灌水量與施氮量在一定范圍內(nèi)與小麥根系生長呈正相關(guān)關(guān)系, 水氮過多或過少都改變根系的大小、分布, 從而影響地上部生長及產(chǎn)量。劉世全等[23]研究證明適宜的灌水與施氮量也可促進小南瓜的根系生長及產(chǎn)量的提高。

本研究表明, 2014、2015年根長密度(RLD)隨灌水量的增加先增后減, 與劉世全等[23]和 Wang等[19]研究結(jié)果一致, 究其原因可能是在 W2400處理下,土壤通透性得以改善, 根系氧濃度增加, 進而促進根系向下層土壤生長, 改善根系吸收及同化養(yǎng)分的能力。而根系生長對氮肥的響應(yīng)取決于土壤含水量,在 1200 m3hm–2和 2400 m3hm–2條件下, 增施氮肥,RLD隨施氮的增加先增后降, 說明在土壤水分有限條件下增施氮肥會使作物水分脅迫加重, 抑制“以肥調(diào)水”的作用, 這與 Cabangon等[24]研究結(jié)果一致。在3600 m3hm–2處理下, RLD隨施氮的增加而增大,表明根系的可塑性生長可以根據(jù)環(huán)境的變化而變化,同時說明增施氮肥可以減少土壤水分過多對小麥根系生長的抑制作用, 是“以水定肥”的具體體現(xiàn)。本研究證明對 RLD的作用為灌溉定額＞施氮量, 可能是甘肅河西灌區(qū), 夏季氣溫高干旱少雨, 蒸發(fā)量大,土壤水分虧乏, 且水分不足限制氮肥在作物生長中的有效性, 以致灌水量對作用RLD大于施氮量。

表3 不同水氮耦合處理對小麥產(chǎn)量、水分利用效率及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的影響Table 3 Effects of water and nitrogen coupling between grain yield, water use efficiency and nitrogen agronomic efficiency

表4 春小麥產(chǎn)量與各生育期根長密度的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between grain yield and root length density at different stages

水氮調(diào)控根系分布, 進而提高水氮利用率[15,26]。PRB為免耕、高留茬秸稈覆蓋, 春小麥根系分布較傳統(tǒng)耕作方式淺[27], 如何增加犁底層根系分布是本研究的一個重點。根系在土壤中的分布與土壤性質(zhì)變化存在著動態(tài)適應(yīng)機制, 根系具有根據(jù)土壤水肥變化的調(diào)整能力, 即根系的趨水向肥再分配機制[28]。本研究表明, PRB栽培模式下, 85%以上的根系分布于0～40 cm土層, RLD隨土層深度的增加呈指數(shù)遞減, 這與王淑芬等[25]的研究結(jié)論一致。本研究表明, 灌溉定額 2400 m3hm–2和施氮量 180 kg hm–2可以促進小麥根系在 40～80 cm 土層分布,實現(xiàn)春小麥群體對水分氮肥的高效利用, 減少水氮深層漏滲, 其原因是當(dāng)土壤水分、氮素相對較少的情況下, 根系會向下生長, 以吸收更多的水分養(yǎng)分。朱德峰等[28]研究發(fā)現(xiàn)谷類作物根長密度、根干重密度垂直分布符合以 e為底的指數(shù)遞減分布規(guī)律。本研究采用模型 Y = A×e-Bx模擬春小麥根系總長在垂直方向上的分布規(guī)律, 模型決定系數(shù) R2達到 0.9以上, 該指數(shù)函數(shù)也證明灌水量2400 m3hm–2與施氮量 180 kg hm–2的耦合條件有利于小麥根系深扎,但灌水和施氮量過高時, 根系分布較淺。由此可見“以肥調(diào)水”功能的發(fā)揮與土壤含水量、土壤養(yǎng)分密切相關(guān)。

3.2 水氮耦合對春小麥籽粒產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

在保證作物不減產(chǎn)和增加水氮利用率的同時,減少環(huán)境污染是當(dāng)前節(jié)水節(jié)肥高效的主要目標(biāo)[29]。本研究表明, 灌溉定額和施氮量分別為 2400 m3hm–2和180 kg hm–2可顯著增加春小麥產(chǎn)量及水氮利用效率, 而灌溉定額和施氮量增至3600 m3hm–2和270 kg hm–2并未顯著增加春小麥產(chǎn)量, 水氮利用效率不增反降, 表明合理水氮管理利于春小麥根系生長發(fā)育, 進而提高籽粒產(chǎn)量和水氮利用率; 當(dāng)灌溉定額和施氮量為 3600 m3hm–2和 270 kg hm–2時, 春小麥生物產(chǎn)量顯著增加, 主要是由于過量灌溉及施氮使小麥營養(yǎng)生長大于生殖生長, 貪青晚熟, 葉片蒸騰旺盛, 大量奢侈消耗水分和氮素, 且不利于小麥根系生長, 造成水氮漏滲, 水分利用效率和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率降低[30-32]。因此應(yīng)綜合考慮RLD、籽粒產(chǎn)量、水分利用效率及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率等多個指標(biāo)來確定作物生長的最佳灌水施氮組合方案, 優(yōu)化根系特征及分布, 協(xié)調(diào)地上與地下部的生長, 來提高春小麥產(chǎn)量。

4 結(jié)論

春小麥85%以上的根系集中分布在0～40 cm土層, 隨土層深度的增加遵循指數(shù)遞減分布規(guī)律。灌溉定額、施氮量與根長密度呈極顯著的二元二次非線性關(guān)系, 且灌溉定額的作用大于施氮量。灌水2400 m3hm–2、施氮180 kg hm–2處理可顯著促進小麥根系生長, 增加40～80 cm土層根系分布, 提高籽粒產(chǎn)量, 改善水氮利用效率, 是本試驗生態(tài)條件下,春小麥固定道栽培方式的最佳水氮組合。

[1]魏勝文, 馬忠, 牛俊義. 基于地區(qū)投入產(chǎn)出模型的干旱區(qū)水資源效益評價——以黑河流域甘肅張掖市為例. 中國沙漠, 2011,31: 799?803 Wei S W, Ma Z, Niu J Y. Evaluation of water benefit in arid area based on regional input-output model: a case of Zhangye city in Gansu province, China. J Desert Res, 2011, 31: 799?803 (in Chinese with English abstract)

[2]楊林章, 馮彥房, 施衛(wèi)明, 薛利紅, 王慎強, 宋祥甫, 常志州.我國農(nóng)業(yè)面源污染治理技術(shù)研究進展. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2013, 21: 96?101 Yang L Z, Feng Y F, Shi W M, Xue L H, Wang S Q, Song X F,Chang Z Z. Review of the advances and development trends in agricultural non-point source pollution control in China. Chin J Eco-Agric, 2013, 21: 96?101 (in Chinese with English abstract)

[3]Govaerts B, Sayre K D, Lichter K, Dendooven L, Deckers J.Influence of permanent raised bed planting and residue management on physical and chemical soil quality in rain fed maize/wheat system. Plant Soil, 2007, 291: 39–54

[4]呂曉東, 馬忠明. 不同耕作方式對春小麥田土壤水分過程的影響. 核農(nóng)學(xué)報, 2015, 29: 2184?2191 Lyu X D, Ma Z M. Effects of different tillages on the soil water of spring wheat. J Nucl Agric Sci, 2015, 29: 2184?2191 (in Chinese with English abstract)

[5]Ma Z M, Chen J, Lv X D, Liu L L, Siddique K. Distribution of soil carbon and grain yield of spring wheat under a permanent raised bed planting system in an arid area of northwest China.Soil Tillage Res, 2016, 163: 274?281

[6]Wang F H, Wang X Q, Sayre K. Comparison of conventional,flood irrigated, flat planting with furrow irrigated, raised bed planting for winter wheat in China. Field Crops Res, 2004, 87:35?42

[7]Lv G H, Kang Y H, Li L, Wan S Q. Effect of irrigation methods on root development and profile soil water uptake in winter wheat. Irrig Sci, 2010, 28: 387?398

[8]薛麗華, 段俊杰, 王志敏, 郭志偉, 魯來清. 不同水分條件對冬小麥根系時空分布、土壤水利用和產(chǎn)量的影響. 生態(tài)學(xué)報,2010, 30: 5296?5305 Xue L H, Duan J J, Wang Z M, Guo Z W, Lu L Q. Effects of different irrigation regimes on spatial-temporal distribution of roots,soil water use and yield in winter wheat. Acta Ecol Sin, 2010, 30:5296?5305 (in Chinese with English abstract)

[9]宋海星, 李生秀. 水、氮供應(yīng)和土壤空間所引起的根系生理特性變化. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2004, 10: 6?11 Song H X, Li S X. Changes of root physiological characteristics resulting from supply of water, nitrogen and root-growing space in soil. Plant Nutr Fert Sci, 2004, 10: 6?11 (in Chinese with English abstract)

[10]Araki H, Hamada A, Hossain M A, Takahashi T. Waterlogging at jointing and/or after anthesis in wheat induces early leaf senescence and impairs grain filling. Field Crops Res, 2012, 137: 27?36

[11]Colmer T, Voesenek L. Flooding tolerance: suites of plant traits in variable environments. Funct Plant Biol, 2009, 36: 665–681

[12]孫永健, 孫園園, 徐徽, 李玥, 嚴(yán)奉君, 蔣明金, 馬均. 水氮管理模式對不同氮效率水稻氮素利用特性及產(chǎn)量的影響. 作物學(xué)報, 2014, 40: 1639?1649 Sun Y J, Sun Y Y, Xu H, Li Y, Yan P J, Jiang M J, Ma J. Effects of water-nitrogen management patterns on nitrogen utilization characteristics and yield in rice cultivars with different nitrogen use efficiencies. Acta Agron Sin, 2014, 40: 1639?1649 (in Chinese with English abstract)

[13]漆棟良, 吳雪, 胡田田. 施氮方式對玉米根系生長、產(chǎn)量和氮素利用的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47: 2804?2813 Qi D L, Wu X, Hu T T. Effects of nitrogen supply methods on root growth, yield and nitrogen use of maize. Sci Agric Sin, 2014,47: 2804?2813 (in Chinese with English abstract)

[14]馬存金, 劉鵬, 趙秉強, 張善平, 馮海娟, 趙杰, 楊今勝, 董樹亭, 張吉旺, 趙斌. 施氮量對不同氮效率玉米品種根系時空分布及氮素吸收的調(diào)控. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2014, 20:845?859 Ma C J, Liu P, Zhao B Q, Zhang S P, Feng H J, Zhao J, Yang J S,Dong S T, Zhang J W, Zhao B. Regulation of nitrogen applicationrate on temporal and spatial distribution of roots and nitrogen uptake in different N use efficiency maize cultivars. J Plant Nutr Fert, 2014, 20: 845?859 (in Chinese with English abstract)

[15]彭亞靜, 汪新穎, 張麗娟, 郝曉然, 喬繼杰, 王瑋, 吉艷芝. 根層調(diào)控對小麥–玉米種植體系氮素利用及土壤硝態(tài)氮殘留的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48: 2187?2198 Peng Y J, Wang X Y, Zhang L J, Hao X R, Qiao J J, Wang W, Ji Y Z. Effects of root layer regulation on nitrogen utilization and soil NO3--N residue of wheat–maize system. Sci Agric Sin, 2015, 48:2187?2198

[16]張鳳翔, 周明耀, 周春林, 錢曉晴. 水肥耦合對水稻根系形態(tài)與活力的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2006, 22(5): 197?200 Zhang F X, Zhou M Y, Zhou C L, Qian X Q. Effects of water and fertilizer coupling on root morphological characteristics and activities of rice. Trans CSAE, 2006, 22(5): 197?200 (in Chinese with English abstract)

[17]Luis L B, Rafael J, Ramon R. Nitrogen efficiency in wheat under rainfed Mediterranean conditions as affected by split nitrogen application. Field Crops Res, 2005, 94: 86–97

[18]Comfort S, Malzer G, Busch R. Nitrogen fertilization of spring wheat genotypes: influence on root growth and soil water depletion. Agron J, 1988, 80: 114–120

[19]Wang C Y, Liu W X, Li Q X, Ma D Y, Lu H F, Feng W, Xie Y X,Zhu Y J, Guo T C. Effects of different irrigation and nitrogen regimes on root growth and its correlation with above-ground plant parts in high-yielding wheat under field conditions. Field Crops Res, 2014, 165: 138–149

[20]Bohm W. Methods of Studying Root System. Berlin: Springer Verlag, 1979

[21]He J, Li H, McHugh A D, Ma Z, Cao X, Wang Q, Zhang X,Zhang X. Spring wheat performance and water use efficiency on permanent raised beds in arid northwest China. Aust J Soil Res,2008, 46: 659?666

[22]陳娟, 馬忠明, 呂曉東, 劉婷婷. 水氮互作對固定道壟作栽培春小麥根系生長及產(chǎn)量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2016, 27:1511?1520 Chen J, Ma Z M, Lyu X D, Liu T T. Influence of different levels of irrigation and nitrogen application on the root growth and yield of spring wheat under permanent raised bed. Chin J Appl Ecol,2016, 27: 1511?1520

[23]劉世全, 曹紅霞, 張建青, 胡笑濤. 不同水氮供應(yīng)對小南瓜根系生長、產(chǎn)量和水氮利用效率的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47:1362?1371 Liu S Q, Cao H X, Zhang J Q, Hu X T. Effects of different water and nitrogen supplies on root growth, yield and water and nitrogen use efficiency of small pumpkin. Sci Agric Sin, 2014, 47:1362?1371 (in Chinese with English abstract)

[24]Cabangon R J, Tuong T P, Castillo E G, Bao L X, Lu G A, Wang G H, Cui Y L, Bouman B A, Li Y H, Chen C D. Effect of irrigation method and N-fertilizer management on rice yield, water productivity and nutrient-use efficiencies in typical lowland rice conditions in China. Paddy Water Environ, 2004, 2: 195–206

[25]王淑芬, 張喜英, 裴冬. 不同供水條件對冬小麥根系分布、產(chǎn)量及水分利用效率的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2006, 22(2): 27?32 Wang S F, Zhang X V, Pei D. Impacts of different water supplied conditions on root distribution, yield and water utilization efficiency of winter wheat. Trans CSAE, 2006, 22(2): 27?32 (in Chinese with English abstract)

[26]吉艷芝, 劉辰琛, 巨曉棠, 張麗娟, 馮萬忠, 劉樹慶. 根層調(diào)控對填閑作物消減設(shè)施蔬菜土壤累積硝態(tài)氮的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 43: 5063?5072 Ji Y Z, Liu C C, Ju X T, Zhang L J, Feng W Z, Liu S Q. Effects of root layer regulation on reducing soil nitrate accumulation by catch crops in greenhouse vegetable production system. Sci Agric Sin, 2010, 43: 5063?5072 (in Chinese with English abstract)

[27]Wulfsohn D, Gu Y, Wulfsohn A, Mojlaj E. Statistical analysis of wheat root growth patterns under conventional and no-till systems. Soil Tillage Res, 1996, 38: 1?16

[28]李話, 張大勇. 半干旱地區(qū)春小麥根系形態(tài)特征與生長冗余的初步研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 1999, 10: 26?30 Li H, Zhang D Y. Morphological characteristics and growth redundancy of spring wheat root system in semi-arid regions. Chin J Appl Ecol, 1999, 10: 26?30 (in Chinese with English abstract)

[29]朱德峰, 林賢青, 曹衛(wèi)星. 超高產(chǎn)水稻品種的根系分布特點.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2000, 23(4): 5?8 Zhu D F, Lin X Q, Cao W X. Characteristics of root distribution of super high-yielding rice varieties. J Nanjing Agric Univ, 2000,23(4): 5?8 (in Chinese with English abstract)

[30]Wang Q, Li F R, Zhao L, Zhang E H, Shi S L, Zhao W Z, Song W X, Vance M. Effects of irrigation and nitrogen application rates on nitrate nitrogen distribution and fertilizer nitrogen loss,wheat yield and nitrogen uptake on a recently reclaimed sandy farmland. Plant Soil, 2010, 337: 325–339

[31]Zhou X L, Wang H, Chen Q G, Ren J. Coupling effects of depth of film-bottomed tillage and amount of irrigation and nitrogen fertilizer on spring wheat yield. Soil Tillage Res, 2007, 94: 251?261

[32]Karam F, Kabalan R, Breidi J, Oweis T. Yield and water-production functions of two durum wheat cultivars grown under different irrigation and nitrogen regimes. Agric Water Manag, 2009, 96:603?615

Effects of Water and Nitrogen Coupling on Root Length Density and Yield of Spring Wheat in Permanent Raised-bed Cropping System

MA Zhong-Ming1,*, CHEN Juan2, LIU Ting-Ting1, and LYU Xiao-Dong11Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China;2Institute of Economic Crops and Malting Barley Material, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China

10.3724/SP.J.1006.2017.01705

本研究由國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503125-02)資助。

This study was supported by the China Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201503125-02).*

馬忠明, E-mail: mazhming@163.com

): 2016-11-02; Accepted(接受日期): 2017-07-23; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2017-08-03.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170803.1045.002.html