灌水定額對(duì)覆膜滴灌玉米根系分布和籽粒產(chǎn)量的影響

馬金平，王衛(wèi)鋒，朱寶才，王雙喜

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，030801，山西太谷；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，030801，山西太谷)

干旱缺水是限制我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)的主要環(huán)境因子。覆膜和滴灌技術(shù)作為重要水土保持耕作措施，具有節(jié)水、增產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，目前在西北干旱區(qū)研究已十分成熟[1]。張曉偉等[2]在1999年發(fā)現(xiàn)滴灌比畦灌更能提高農(nóng)田水分利用效率并增加玉米產(chǎn)量。劉戰(zhàn)東等[3]研究認(rèn)為覆膜滴灌措施下，玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量隨滴灌量增加而增加。但以上研究?jī)?nèi)容主要集中在西北干旱區(qū)，山西地處黃土高原東緣，氣候干冷，覆膜和滴灌技術(shù)對(duì)該地區(qū)玉米種植的增產(chǎn)和生態(tài)效應(yīng)研究還相對(duì)缺乏；以上研究只考慮了覆膜滴灌技術(shù)對(duì)作物地上部分產(chǎn)量的影響，缺乏對(duì)作物其他部位生理結(jié)構(gòu)的影響研究。

根系作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的最先感應(yīng)器官，直接影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量[4]，其分布特征隨土壤水分和環(huán)境時(shí)刻發(fā)生變化[5]。研究[6-7]表明：滴灌條件下，滴頭下方作物根系密度會(huì)變大，灌水量越少和灌水次數(shù)越多，土壤濕潤(rùn)越淺，作物根系扎的越淺。然而也有試驗(yàn)[8]認(rèn)為在干旱區(qū)，覆膜阻擋降雨入滲和空氣流通，不利于玉米根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量增加。方怡向等[9]研究得出膜下滴灌條件下不同滴灌量棉花根系的分布特征，直徑>1 mm的粗根只分布在40 cm以上的土層，但隨著滴灌量減少，土壤深層根系生物量有增加趨勢(shì)。覆膜滴灌措施對(duì)玉米根系特征及產(chǎn)量的影響還有待于深入研究。

由于黃土高原水資源有限，對(duì)該地區(qū)農(nóng)作物實(shí)施精準(zhǔn)灌溉十分必要。筆者在典型黃土高原農(nóng)業(yè)區(qū)山西省太谷縣，研究在覆膜滴灌條件下不同灌水定額對(duì)春玉米根系分布特征及籽粒產(chǎn)量的影響，為合理制定春玉米膜下滴灌制度提供科學(xué)依據(jù)，為大田覆膜滴灌玉米的生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年和2017年4—9月在地處山西太谷的山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。該基地位于E 112.57°，N 37.43°，屬暖溫帶大陸性氣候；1960—2009年全年平均氣溫10 ℃，4—9月份平均氣溫20.0 ℃；1960—2009年平均降水量約458 mm，4—9 月份平均降水量約400 mm，占全年降水量的73%，2016年和2017年4—9月降雨量分別達(dá)531.5 mm和419.9 mm。根據(jù)卡慶斯基制土壤質(zhì)地分類法[10]，試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為壤土，其基本物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本物理性質(zhì)Tab.1 Soil physical properties in study site

1.2 田間區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)及處理

選用山西廣泛種植的春玉米品種龍生16(ZeamaysL. cv. Longsheng 16)，播種前對(duì)試驗(yàn)地塊進(jìn)行整地、覆膜和滴灌帶鋪設(shè)。筆者共設(shè)計(jì)6個(gè)處理，CK(當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)旱作模式)：不覆膜+灌水定額0 mm；D1：覆膜+灌水定額0 mm；D2：覆膜+灌水定額8 mm；D3：覆膜+灌水定額12 mm；D4：覆膜+灌水定額16 mm；D5：覆膜+灌水定額20 mm。每種處理3個(gè)重復(fù)，共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，隨機(jī)布置于實(shí)驗(yàn)大田中。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積3 m×4 m，區(qū)內(nèi)種植6行植株，各小區(qū)間種植2行作為保護(hù)行。小區(qū)間以PVC板進(jìn)行隔水處理。播種前澆底水，4月25日人工穴播玉米，播深5 cm左右，單株種植(穴播2粒，5葉期定苗)，播種量45 kg/hm2。地膜采用幅寬為60 cm，厚為0.008 mm的薄膜。滴灌帶選用內(nèi)鑲片式滴灌帶(北京綠源公司，中國)，0.1 MPa下滴頭標(biāo)稱流量2.0 L/h，滴頭間距30 cm。寬窄行種植，寬行60 cm，窄行40 cm，窄行進(jìn)行覆膜處理，為1膜2管2行玉米，滴灌帶鋪設(shè)于膜下每行玉米內(nèi)側(cè)，株距30 cm，種植密度6.5萬株/hm2。播后玉米的灌溉制度，由埋置在D2處理的TDR土壤水分時(shí)域反射儀控制，苗期至抽雄期以10 cm土壤深度，抽雄期至完熟期以20 cm土壤深度的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，當(dāng)土壤體積含水量介于18%～19%時(shí)，各處理按各自的灌水定額同時(shí)開始補(bǔ)充滴灌。2016年和2017年分別補(bǔ)充滴灌6次和8次。9月24日收獲植株，全生育期153 d。播前未施基肥；追肥于抽穗期時(shí)隨滴灌系統(tǒng)施入尿素120 kg/hm2，其中D1和CK處理采用小鏟埋入植株附近的方式進(jìn)行追肥。其他管理措施按大田栽培模式進(jìn)行。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及灌水定額Tab.2 Experimental design and irrigation quota

Notes: CK refers to local traditional dry farming mode, irrigation quota 0 mm per time without plastic mulch. D1 refers to irrigation quota 0 mm per time with plastic mulch. D2 refers to irrigation quota 8 mm per time with plastic mulch. D3 refers to irrigation quota 12 mm per time with plastic mulch. D4 refers to irrigation quota 16 mm per time with plastic mulch. D5 refers to irrigation quota 20 mm per time with plastic mulch.

1.3 根系取樣及分析方法

春玉米收獲籽粒后，對(duì)長(zhǎng)勢(shì)一致并且位置連續(xù)( 種植行方向) 的3株玉米根系取樣。整體根系分析采用整體根系法開挖至100 cm，保持根系的完整性。垂直根系采用分層取樣法，以植株為中心，面積為20 cm×20 cm的土塊為取樣單位，取樣深度為0～10、10～20、20～40、40～70和70～100 cm。用沖洗法把根系表面清洗干凈，用根系分析系統(tǒng)(WinRHIZO，加拿大)分析根長(zhǎng)、平均根直徑、根表面積、根體積、根尖數(shù)等根系形態(tài)特征參數(shù)。掃描后的根系樣品在105 ℃殺青30 min，80 ℃下烘干至恒量，稱其質(zhì)量。

考種及測(cè)產(chǎn)是收獲前每個(gè)小區(qū)收獲中間2行，全部脫粒、晾干后測(cè)定籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 軟件處理數(shù)據(jù)和邊際效益分析，SPSS 20.0軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(Duncan 法，P<0.05)和Pearson相關(guān)性分析，SigmaPlot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米整體根系特征參數(shù)

2016年各根系參數(shù)均高于2017年。隨著灌水定額的增加，各根系形態(tài)特征參數(shù)呈遞增趨勢(shì)。根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)和根干質(zhì)量在對(duì)照和中等灌水定額(D2、D3和D4)時(shí)差異性較大，而在只覆膜處理D1和最大灌水定額處理D5時(shí)差異不明顯。根直徑在所有處理的差異均不明顯。2016年根長(zhǎng)、根體積、根尖數(shù)和根干質(zhì)量分為4級(jí)，根直徑為1級(jí)，根表面積分為3級(jí)。2017年根長(zhǎng)分為5級(jí)，根直徑為3級(jí)，根表面積、根體積、根尖數(shù)和根干質(zhì)量分為4級(jí)。不同年份補(bǔ)充灌水定額對(duì)根長(zhǎng)、根體積、根尖數(shù)和根干質(zhì)量影響較大，對(duì)根表面積和根直徑影響較小。其中CK和D1 均為a級(jí)，表明覆膜對(duì)各根系形態(tài)特征參數(shù)的影響不明顯。

結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來表示。不同大寫字母表示同一處理不同年份之間的顯著差異(P<0.05)，不同小寫字母表示同一年份不同處理之間的顯著差異 (P<0.05)。The results are expressed as the mean ± standard error. Different uppercase letters indicate significant difference among different years (P<0.05), and different lowercase letters indicate significant difference among different treatments (P<0.05). 圖1 2016和2017年春玉米根系各特征參數(shù)Fig.1 Different root parameters of spring corn in 2016 and 2017

2.2 根系垂直分布特性

1)根長(zhǎng)。根據(jù)2016年和2017年的根長(zhǎng)垂直分布圖2(a)和(b)可知：各處理的根長(zhǎng)在垂直方向上均呈現(xiàn)“介”型分布，其中10～20 cm土層深度根長(zhǎng)比例最大，2016年和2017年分別占總根長(zhǎng)的47.29%～60.28%和48.29%～62.30%。不同土層深度根長(zhǎng)隨灌水定額的增加而增加，表現(xiàn)為D5>D4>D3>D2>D1>CK，0～40 cm土層內(nèi)各組處理下的根長(zhǎng)差異較為明顯，40 cm以下各組根長(zhǎng)差異隨著土層深度增加而逐漸減小。2016年與2017年相比，同一土層深度、同種處理?xiàng)l件下，當(dāng)灌水定額較小(CK，D1，D2和D3)時(shí)，2016年作物根長(zhǎng)>2017年作物根長(zhǎng)，并且差異顯著，而在灌水定額較大(D4和D5)時(shí)，2016年與2017年作物根長(zhǎng)差異不顯著。

圖2 春玉米不同深度土層的根長(zhǎng)Fig.2 Root length of spring corn at different depths

2)根干質(zhì)量。根據(jù)2016年和2017年的根干質(zhì)量垂直分布圖3(a)和(b)可知，各處理的根干質(zhì)量隨土層的加深均呈現(xiàn)“T”型分布，以 0～20 cm土層內(nèi)根干質(zhì)量最大，2016年占總根質(zhì)量的72.03%～85.48%，2017年占總根質(zhì)量的71.50%～84.97%，20 cm土層以下隨根系下延，根干質(zhì)量明顯減小。根干質(zhì)量均隨著灌水定額的增加而增大，均表現(xiàn)為D5>D4>D3>D2>D1>CK。值得注意的是2016年D1與CK在不同土層深度的根干質(zhì)量幾乎相等，但在2017年D1稍大于CK，說明覆膜對(duì)于根系的影響，在豐水年時(shí)無明顯差異，在平水年時(shí)有利于根系生長(zhǎng)。

圖3 春玉米不同深度土層的根干質(zhì)量Fig.3 Root dry mass of spring corn at different depths

2.3 春玉米籽粒產(chǎn)量

由圖4可知，2016年和2017年玉米籽粒產(chǎn)量隨灌水定額的增加而增大。2016年各組處理下玉米籽粒產(chǎn)量從小到大為D1

2.4 相關(guān)分析和邊際效益分析

將各根系特征參數(shù)和籽粒產(chǎn)量與覆膜滴灌處理進(jìn)行Pearson雙尾相關(guān)性分析，如表3所示，各根系參數(shù)和籽粒產(chǎn)量與覆膜滴灌處理呈極顯著正相關(guān)，隨著灌水定額增大而明顯增長(zhǎng)。

春玉米產(chǎn)量用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示。不同小寫字母表示同一年份不同處理之間的顯著差異(P<0.05). Spring corn yield is expressed as the mean ± standard error. Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments (P<0.05).圖4 灌水定額對(duì)春玉米籽粒產(chǎn)量的影響Fig.4 Effect of irrigation quota on the grain yield of spring corn

表3 根系參數(shù)和籽粒產(chǎn)量與覆膜滴灌的Pearson相關(guān)性(雙尾檢驗(yàn))Tab.3 Pearson correlation analyses between root parameters + yield and drip irrigation quota with plastic mulching (Double tail test)

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)(雙尾)。Notes: ** indicates very significant correlations (double tail) at the 0.01 level.

D1、D2、D3、D4和D5的籽粒產(chǎn)量邊際效益，2016年分別為20.88、30.29、13.42和0.97；2017年分別為20.52、46.39、21.65和4.19。籽粒產(chǎn)量邊際效益隨著灌水定額增加逐漸減小，2016年D5處理的籽粒邊際效益小于1，2017年略大于1，即灌水定額大于16 mm后，籽粒增長(zhǎng)倍數(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)減緩趨勢(shì)，故本試驗(yàn)推薦大田膜下滴灌玉米灌水定額為16 mm。

3 討論

3.1 春玉米根系分布

玉米整體根系特征參數(shù)隨灌水定額增加，并且根長(zhǎng)、根尖數(shù)和根干質(zhì)量差異較大，對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)極為敏感，滴灌將水分直接作用于根系，可高效利用土壤水分，從而達(dá)到節(jié)水并增產(chǎn)的目的。這與徐寶山等[4]和白有帥等[11]的研究結(jié)論一致。

灌水定額對(duì)在0～100 cm深度土層玉米根系垂直分布的影響表現(xiàn)為D5>D4>D3>D2>D1>CK，均隨著滴灌定額的增加而增大，在降雨量少的2017年，差異更為顯著。這樣既有利于增加植株的抗倒性，也有利于吸收不同土層中的水分和養(yǎng)分。這也從另一個(gè)方面反應(yīng)出適度缺水后，滴灌量增大，能夠改善土壤水分，促進(jìn)根系的分枝生長(zhǎng)，這與李鳳英等[12]和胡田田等[13]的觀點(diǎn)一致。他們認(rèn)為有限缺水效應(yīng)可促進(jìn)細(xì)根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)和數(shù)量增加，是玉米對(duì)水分虧缺的一種適應(yīng)和補(bǔ)償機(jī)制。

覆膜滴灌所有處理的春玉米根長(zhǎng)和根干質(zhì)量垂直分布均符合“介”型和“T”型分布：10～20 cm土層的根長(zhǎng)比例最大，達(dá)47.29%～62.30%；0～20 cm土層深根干重比例最大，達(dá)71.50%～85.48%。Li等[14]研究得出滴灌條件下，根長(zhǎng)在0～30 cm土層中占全部根系的60%～70%，質(zhì)量密度在0～30 cm土層中較高，在30～100 cm土層中較低的結(jié)論，這與本研究結(jié)論基本一致。才卓[15]研究得出普通灌溉方式下，玉米根干物質(zhì)重有85%以上分布在0～40 cm深的土層，0～20 cm土層中占總根重的60%，明顯低于本研究中滴灌條件下0～20 cm土層內(nèi)根干重比例。由此可見覆膜滴灌這種局部灌溉方式，會(huì)增加表層的根長(zhǎng)和根干質(zhì)量比例。

3.2 春玉米籽粒產(chǎn)量

覆膜滴灌的春玉米產(chǎn)量，也隨著灌水定額的增加而增大，2016年和2017年玉米產(chǎn)量從大到小為D5>D4>D3>D2>D1。值得注意的是，2016年降雨量明顯多于2017年，但2016年玉米產(chǎn)量D1CK。其原因可能在于降雨與產(chǎn)量具有顯著的正相關(guān)性，而覆膜對(duì)產(chǎn)量的影響與降雨相反。2016年降雨量多，覆膜阻擋了降雨的入滲，反而造成土壤含水量的減少，引起籽粒產(chǎn)量減少；2017年降雨少，覆膜在一定程度阻擋了土壤水分的蒸發(fā)，故而2017年覆膜處理的籽粒產(chǎn)量稍高于對(duì)照。劉洋等[16]在東北地區(qū)3年的試驗(yàn)研究得出覆膜滴灌分別比無覆膜滴灌和地面灌處理提高11%和21%，與本研究結(jié)果有不同之處，可能是因?yàn)榈赜蚣澳昶骄邓坎煌斐傻摹?/p>

4 結(jié)論

1)覆膜滴灌春玉米整體根系特征參數(shù)均隨灌水定額增大而增大。覆膜滴灌措施明顯增加了玉米根系在土壤表層的根長(zhǎng)及根干質(zhì)量比例。

2)覆膜在平水年時(shí)可提高根系特征參數(shù)和作物產(chǎn)量，但豐水年不利于提高根系特征參數(shù)和作物產(chǎn)量。

3)根據(jù)不同灌水定額的根系參數(shù)和產(chǎn)量相關(guān)分析結(jié)果及玉米籽粒產(chǎn)量邊際效益分析結(jié)果，篩選出膜下滴灌16 mm為適用于山西大田玉米種植的最佳覆膜滴灌方案。