黃土高原旱塬區(qū)不同覆蓋模式下冬小麥耗水特征及根系生長規(guī)律研究

潘小蓮，李 秀，趙 英，張建國，張阿鳳，馮 浩

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

根系是冬小麥吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，其生長動態(tài)可反映冬小麥的生長發(fā)育狀況，對籽粒產(chǎn)量具有極其重要的影響[1-2]。冬小麥根系的生長主要受遺傳因素和土壤水肥條件影響[3-4]，而農(nóng)田耕作措施如耕翻、覆蓋等通過影響土壤水肥條件而顯著影響根系生長[5-8]。因此，在旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，研究不同覆蓋模式下冬小麥根系生長變化規(guī)律對指導(dǎo)冬小麥生產(chǎn)具有重要意義。由于作物根系隱藏在土壤中，研究根系生長動態(tài)較為困難，傳統(tǒng)的根系生長研究方法往往費力耗時，甚至?xí)茐耐寥?根系系統(tǒng)，不利于獲得準確的根系生長動態(tài)結(jié)果。

目前，對于冬小麥根系的研究主要是利用人工取樣和剖面觀察的方法。馮福學(xué)等[5]利用根鉆法研究認為，免耕秸稈覆蓋會顯著增加冬小麥根系總干重和總根長；蔡永強等[6-7]利用剖面觀察法分析發(fā)現(xiàn)，覆膜會減少土壤深層根量，增加淺層根量；而鄭 飛等[8]研究表明，壟作可以提高小麥發(fā)根潛力，促進根系發(fā)育，從而提高產(chǎn)量。微根管技術(shù)是一種非破壞性的、可原位直接觀察植物細根的研究方法，能系統(tǒng)、便捷地對根系的生長過程進行長期定位監(jiān)測[8-9]。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到施氮水平、耕作制度、不同生育時期和不同品種之間作物根系動態(tài)變化的研究[10-14]。但目前關(guān)于不同覆蓋模式下旱塬區(qū)冬小麥根系生長及耗水特征的研究報道較少。本研究利用微根管法探究不同覆蓋模式下黃土高原旱塬區(qū)冬小麥根系生長動態(tài)、耗水特征及產(chǎn)量，以期為農(nóng)田栽培模式的優(yōu)化提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013年10月-2015年6月在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院灌溉試驗站進行(34°20′N， 108°24′E，海拔521 m)。該站地處渭河三道臺塬地區(qū)，地下水埋藏較深，其向上補給量可以忽略不計。長期監(jiān)測結(jié)果顯示，該地年均氣溫為13.0 ℃。2013-2014和2014-2015兩年度冬小麥生育期內(nèi)降雨分布見圖1，其中兩個年度降雨量分別為303.2和232.7 mm，平均氣溫分別為8.64和9.00 ℃。試驗區(qū)土壤類型土墊旱耕人為土，初始土壤理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗設(shè)置平作不覆蓋、秸稈覆蓋平作(行間均勻覆蓋小麥秸稈，覆蓋量為0.4 kg·m-2)、半膜覆蓋壟作(播前起壟，壟上覆白膜，膜間溝內(nèi)種植2行小麥，先覆膜后種植)和壟覆膜溝覆秸稈(播前起壟，壟上覆白膜，膜間溝內(nèi)先種植2行小麥后覆秸稈，覆蓋量為0.4 kg·m-2)4個處理，分別用T0、T1、T2和T3表示，壟寬30 cm，壟間溝寬30 cm。各個處理均基施純氮120kg·hm-2、P2O5100 kg·hm-2和K2O 50kg·hm-2，返青前追施純氮30 kg·hm-2。采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，每個處理重復(fù)3次，小區(qū)為東西走向，面積10 m2(5 m×2 m )，每個小區(qū)之間有0.5 m寬的保護行。2013年小麥于10月9日播種，次年6月5日收獲；第2年小麥于2014年10月15日播種，次年6月8日收獲。兩年播種量均為187.5 kg·hm-2，每個小區(qū)有6行小麥，行距30 cm，均勻條播，供試冬小麥品種為小偃22。其他田間管理措施如除草、病蟲害防治等按正常田間管理進行。

圖1 試驗期間(2013-2014和2014-2015)冬小麥生育期內(nèi)降雨量分布Fig.1 Distribution of precipitation during the two growing seasons(2013-2014 and 2014-2015) of winter wheat表1 試驗地基本土壤理化性質(zhì)Table 1 Basic physiochemical properties of soil at the experimental site

層次Layer/cm容重Bulk density/(g·cm-3)有機質(zhì)Organic matter/(g·kg-1)有效磷Available phosphorus/(mg·kg-1)速效鉀Available potassium/(mg·kg-1)田間持水量Field water capacity/%砂粒 Sand(2～0.02 mm)/%粉粒 Silt (0.02～0.002 mm)/%粘粒 Clay (<0.002 mm)/%0～201.2728.5120.91174.5922.1730.4641.6327.9120～401.5714.01--26.4357.1526.3616.4940～601.4012.49--26.2465.0221.5713.4160～801.358.89--26.0334.2544.5221.2380～1001.398.8025.1849.2132.1218.67

1.3 觀測項目與方法

1.3.1 微根管的安裝

CI-600根系監(jiān)測系統(tǒng)(CID Bio-Science, Camas，WA， USA)由微根管、微型攝像頭和WinRHIZOTron圖像分析軟件3部分組成，采集圖像尺寸為21.56 cm×19.56 cm。微根管(長200 cm，內(nèi)徑6.4 cm)于2013年11月安裝，在每個處理安裝微根管動態(tài)監(jiān)測根系生長動態(tài)，安裝角度與地面夾角為45°，上部約20 cm露出地面，并用黑色薄膜與膠帶包裹，防止陽光照射進入管內(nèi)，影響微根管附近根系的生長，同時在管口安裝頂蓋防止雨水和灰塵進入管內(nèi)(圖2)。

1.3.2 根系的測定

原位監(jiān)測根系時，將附有滑竿的微型攝像頭與計算機連接，借助CI-600根系監(jiān)測系統(tǒng)配備的掃描軟件于冬小麥的不同生育時期(越冬期、拔節(jié)期、抽穗期與成熟期)獲取0～130 cm土壤根系圖像(滑竿移動深度為10 cm，共13個土層)。將每次獲取的有重疊部分的圖片用Adobe Photoshop CS6軟件拼接成一張完整的根系圖片，然后裁剪成不同深度圖片，再利用MATLAB軟件的輔助圖像處理功能(包括圖像對比增強、圖像二值化、中值濾波、對象標注、特征度量等步驟)，設(shè)計出基于圖像識別和根系參數(shù)計算的處理程序，對所獲取的根系圖像進行分析處理，以獲得根系根長、根面積等根系形態(tài)參數(shù)。

a： 縱切圖;b：平面圖；c：2014年1月9日小麥根系圖;d：2014年3月1日小麥根系圖。

a：Transverse plane image;b：Plane image；c：Roots of winter wheat on January 9, 2014;d：Roots of winter wheat on March 1, 2014.

圖2微根管安裝及不同時間應(yīng)用微根管觀測的小麥根系

Fig.2Diagramofminirhizotroninstallationandrootsofwinterwheatdetectedbyminirhizotronatdifferentperiods

1.3.3 土壤水分測定

試驗期間，運用Trime-TDR每7 d手動監(jiān)測0～140 cm土層土壤體積含水量，每10 cm監(jiān)測一次數(shù)據(jù)，重復(fù)三次。

1.3.4 冬小麥產(chǎn)量的測定

選取1 m2的樣方進行冬小麥實際產(chǎn)量的測定，各處理重復(fù)三次，計算冬小麥的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

1.4.1 根系密度的計算

利用MATLAB軟件對微根管系統(tǒng)獲得的圖片進行處理，并進行根長測定，按已知的圖片面積計算相應(yīng)的根系密度(root length density, RLD)[14]。

RLD=(L-Sin θ)/(S×D)

式中，RLD為單位體積的根長密度(cm·cm-3)；L為根長(cm)；S為掃描圖片面積(cm2)；D為微根管攝像頭掃描可見的土層厚度，一般為0.2～0.3 cm[10]，本試驗選取D=0.2 cm。由于微根管安裝時與地表呈角度θ，需要將計算的結(jié)果轉(zhuǎn)換成垂直方向的單位體積根長密度。

1.4.2 冬小麥耗水量和水分利用效率的計算

ET=R+△W；WUE=Y/ET

式中，ET為冬小麥耗水量(mm)，R為階段生育期內(nèi)降水量(mm)，△W為階段土壤水分消耗量(mm)(初期與末期土壤含水量的差),WUE為水分利用效率(kg·hm-2·mm-1),Y為籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Excel 2007對根系數(shù)據(jù)進行整理，通過SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，采用單因素ANOVA分析法對不同覆蓋模式下作物耗水量進行比較，利用surfer Demo11、OriginPro 9.0對數(shù)據(jù)進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋模式下麥田土壤水分變化特征

麥田土壤水分含量的季節(jié)性動態(tài)變化明顯，且隨土層深度的增加而增大(圖3)。在2013-2014年度，降雨集中在小麥播后120～150 d和171～195 d，分別占到了整個生育期降雨量的12.07%(36.6 mm)和41.56%(126 mm)；降雨過后各處理土壤剖面含水量均有顯著增加，其中T2、T3處理變化較明顯，而T1處理僅在0～40 cm深度內(nèi)增加了土壤含水量。T1處理在整個生育期內(nèi)40 cm以下的土層含水量均小于其他處理。T2處理的整個土壤剖面含水量都較高。T3處理在生育期內(nèi)的表層土壤含水量較T2處理有所下降，深層土壤含水量并無明顯差異。在2014-2015年度，總降雨量為232.7 mm，降雨主要集中在播后155～191 d(139.5 mm);降雨過后，土壤含水量快速上升，此時冬小麥處于返青-拔節(jié)-抽穗期，集中降雨有助于產(chǎn)量的增加。在此期間，兩個壟作處理(T2和T3)的土壤含水量均達到34%，說明半膜壟作集雨效果更好。

小麥耗水量隨生育進程逐漸增大(圖4)。在2013-2014年度，T0、T1、T2處理的抽穗期耗水量均出現(xiàn)下降，而T3處理并沒有下降，說明其水分儲存較強。在2014-2015年度，耗水量變化趨勢大致與2013-2014年度相似。但由于降水量的減少，所有處理的整個生育期耗水量都小于2013-2014年，且T0、T1、T2處理耗水量從抽穗期開始均持續(xù)上升，T3處理略降。

2.2 不同覆蓋模式下冬小麥根長特征

從冬小麥根長密度在土壤剖面中的分布變化(圖5)可以看出，隨著生育時期的推移，根系逐漸下扎，深層根量不斷增加。拔節(jié)期(播種后180 d左右)，各土層根系數(shù)量均達到最大值，且不同處理間根長密度出現(xiàn)明顯差異。在2013-2014年度，T0處理根系主要集中在80～130 cm土層，占總根系的55.45%，其中0～20 cm土層根系占18.05%。T1處理的根系主要集中在10～30 cm土層(21.79%)和100～130 cm土層(26.30%)。

T2處理的小麥根系主要集中0～20 cm土層(28.07%)和50～90 cm土層(45.60%)。T3 處理根系主要集中在10～20 cm和70～100 cm土層，分別占總根系的13.24%和35.14%，說明壟作覆膜促使小麥根系主要在土壤表層富集。T0、T1、T2、T3處理根長密度最大值分別為2.09、1.29、1.84和1.97 cm·cm-3，T0處理具有的根長密度值最大是由于其根系分布較集中。在2014-2015年度，由于降雨較少，各處理在整個生育期的表層根系數(shù)量較少，根系主要集中于60 cm以下的深層土壤，根系最大值出現(xiàn)在播種后160～180 d。T0、T1、T2和T3處理的根系分別主要集中在100～130、90～130、50～90、60～110 cm土層，分別占總根系的51.07%、68.59%、45.90%、60.09%，根長密度最大值分別為0.60、3.48、2.69、2.47 cm·cm-3, 根系分布均較集中。降雨減少時，小麥根系主要富集在60 cm以下土層，而當雨量充沛時，起壟、秸稈和地膜覆蓋等保護性措施還會在0～30 cm土層使根系形成另一個富集區(qū)。從深層土壤來看，冬小麥根系在土壤中集中區(qū)域離地表的深度表現(xiàn)為T2

圖3 不同覆蓋模式下土壤剖面水分時空分布特征Fig.3 Temporal and spatial distribution characteristics of soil moisture under different mulching patterns

圖4 不同覆蓋模式下土冬小麥不同生育期耗水量特征Fig.4 Water consumption of winter wheat under different mulching patterns at different growth stages

2.3 不同覆蓋模式對冬小麥產(chǎn)量與水分利用效率的影響

與T0處理相比，在2013-2014年度，雖然T1和T2處理增加小麥籽粒產(chǎn)量，T1和T3處理增加生物產(chǎn)量，但不同處理間籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量差異均未達到顯著水平。在2014-2015年度，秸稈覆蓋處理的籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量都高于T0處理，其中T1和T3處理的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量增加效果均達到了顯著水平(表2)。T1、T2和T3處理的2年平均籽粒產(chǎn)量分別比T0處理提高了23.10%、12.24%和20.70%，其中T3處理對籽粒產(chǎn)量的影響兩年差異較大。

圖5 不同覆蓋模式下冬小麥根長密度的時空變化Fig.5 Temporal and spatial distribution characteristics of root length density of winter wheat under different mulching patterns

不同處理間小麥總耗水量無顯著差異，2013-2014年度的耗水量高于2014-2015年度。雖然除T3處理在2013-2014年度外，秸稈覆蓋處理的水分利用效率在兩個年度均高于T0處理，但不同處理間在2013-2014年度差異不顯著，在2014-2015年度只有T1處理顯著高于T0處理，提高43.62%; T1、T2和T3處理的兩年平均水分利用效率分別提高25.42%、 9.68%和 20.13%。這表明秸稈覆蓋對旱地小麥水分有效利用有一定的影響，但程度較小。

表2 不同覆蓋模式對小麥地上部分生物量與水分利用效率的影響Table 2 Effect of biomass and root length root under different covering modes

同列數(shù)值后字母不同表示同一年內(nèi)不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Different letters after the values in same columns mean significantly different among the treatments in same year at 0.05 level.

3 討 論

研究旱區(qū)不同覆蓋模式下土壤水分的時空變化對于冬小麥生長具有重要意義[15]。不同覆蓋模式都可以通過改變地表狀況來提高降水利用效率，增加土壤水分含量[16]。秸稈覆蓋平作處理下，由于秸稈覆蓋阻隔蒸發(fā)層與地表之間的聯(lián)系，削弱了水汽對流交換強度，抑制了蒸發(fā)[17]，還可使地表水徑流量降低，增加入滲量[18]。壟作地膜覆蓋將降水匯于溝內(nèi)，并且地膜覆蓋抑制了水分蒸發(fā)，溝內(nèi)覆蓋秸稈更進一步減少了土壤水分蒸發(fā)，起到了蓄水保墑，提升水分利用效率的作用，兩年田間試驗都表明秸稈覆蓋平作能提高水分利用效率，且在第二年達到顯著水平，這與馮 浩等[19]、Sharma等[20]和薛 澄等[21]的研究結(jié)果類似。

水分狀況可以影響根系富集深度、水平分布范圍與垂直深度，還會影響根系呼吸等[22-23]。在相對應(yīng)的土層中，當整體土壤水分含量充足時，小麥根系生長旺盛，表現(xiàn)為根密水大，土壤含水量愈大，根系發(fā)育愈多[24]。而當土壤含水量較低時，根系不斷下扎以吸取深層水分，提高深層水分利用效率，維持作物生長發(fā)育[25-26]。本試驗得到類似結(jié)論：2013-2014年度各處理根系主要集中0～30 cm和60 cm以下土層；2014-2015年各處理主要富集在60 cm以下土層，且根系富集深度表現(xiàn)為T2

覆蓋措施一直是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)林業(yè)提升土壤水分利用效率的主要方法之一。大量研究表明，覆蓋栽培會提升農(nóng)作物產(chǎn)量[27-29]。薛 澄等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在渭北旱塬區(qū)優(yōu)化施氮結(jié)合壟覆膜溝覆秸稈使產(chǎn)量增加達15%～41%，水分利用效率增加10%～30%。黨廷輝等[30]和張向前等[31]表明，覆蓋措施能提升小麥產(chǎn)量，提升水分利用效率。本研究中，不同覆蓋模式下小麥平均籽粒產(chǎn)量較對照增加23.10%、12.24%和20.70%，T3處理增產(chǎn)不穩(wěn)定，可能是由于2013-2014年度降水過多，且T3處理強烈的保水作用，使土壤持久濕冷而導(dǎo)致作物減產(chǎn)[32]。不同土壤水分條件下，秸稈覆蓋效果不同[30]。覆蓋處理提升水分利用效率在第一年不顯著，這是因為降水較為豐富，基本可滿足作物生長，使覆蓋作用相對減小。而在第二年覆蓋處理提升水分利用效率作用加強了，且秸稈平作處理達到了顯著增加。由此可知，覆蓋方式能創(chuàng)造良好的水分條件，提高水分利用效率，增加作物產(chǎn)量，其中秸稈覆蓋平作表現(xiàn)最優(yōu)。

不同覆蓋處理對于冬小麥根系與土壤水分的時空分布的影響具有差異，這種差異能幫助我們進一步開展參數(shù)化根系吸水研究。但是本研究各處理差異較小且年際間結(jié)果有所不同，進行參數(shù)化具有一定難度，有待于更進一步細致分析。

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