不同噴灌定額下壟作溝播油葵根系生長及分布特征

丁 林，王文娟，吳 婕，劉文光

（甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州730000）

全膜壟作溝播栽培技術(shù)改善了土壤水、肥、氣、熱等狀況[1]。可使灌溉水和降水集中入滲于作物根部，隨種植膜孔入滲，被作物有效及充分利用[2-5]。實(shí)現(xiàn)了促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量及水分利用效率的目的[6-8]，由于該技術(shù)及其模式優(yōu)點(diǎn)突出，已在我國北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)大量推廣應(yīng)用。壟作溝播噴灌技術(shù)是近年來研究人員結(jié)合壟作溝播栽培技術(shù)與噴灌技術(shù)的特點(diǎn)提出的一項(xiàng)新型節(jié)水栽培技術(shù)，該技術(shù)可改善作物生長環(huán)境與農(nóng)田小氣候，對水分利用有積極影響[9-12]。為了挖掘作物的增產(chǎn)潛力，對不同灌溉條件下根系生長特征開展深入的研究是非常必要的，根系生長發(fā)育狀況可調(diào)節(jié)作物地上部分發(fā)育和實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)量的提高。在作物根系生長方面的研究多集中在耕作方式[13,14]、不同水肥調(diào)控[15-18]、水鹽脅迫[19,20]、復(fù)合經(jīng)營模式[21]、灌水深度[22]等方面對作物根系生長發(fā)育的影響及調(diào)控。就壟作溝播噴灌條件下作物根系生長特征及根系分布的研究較少。本文根據(jù)壟作溝播噴灌技術(shù)的特點(diǎn)，研究壟作溝播噴灌條件下不同灌水定額對油葵根系生長及分布特征，以此分析壟作溝播噴灌條件下油葵根系生長對水分利用及產(chǎn)量形成的影響，在生產(chǎn)實(shí)際中對制定油葵灌溉定額、提高水分高效利用具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年4月-2020年9月連續(xù)兩年在甘肅省水利科學(xué)研究院民勤灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶，屬典型的大陸性荒漠氣候。研究區(qū)氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)量大，風(fēng)沙多。多年平均氣溫7.8 ℃，多年平均降水110 mm，多年平均蒸發(fā)量2 644 mm。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)0~60 cm 為粘壤土，60 cm 以下逐漸由粘壤土變?yōu)樯橙劳粒寥榔骄葜貫?.54 g/cm3，灌溉水為地下水，礦化度0.91 g/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)以油葵（品種為“矮大頭”）為研究作物，以不同灌水定額各設(shè)4個處理，以常規(guī)覆膜噴灌為對照，每個處理重復(fù)3 次，各小區(qū)隨機(jī)布置，共計15 個試驗(yàn)小區(qū)。試驗(yàn)區(qū)壟溝規(guī)格為大小壟，大壟寬70 cm，小壟寬40 cm，溝深15 cm，用雙壟溝播機(jī)完成起壟覆膜，作物種植行距均為大小行，大行距70 cm，小行距40 cm。種子播在壟溝內(nèi)，每穴1~2粒，株距20 cm，每穴留苗1 株，理論保苗7.50~8.25 萬株/hm2（圖1）。田間噴灌工程為半固定式噴灌，噴頭布置方式采用正方形布置，每個小區(qū)面積6.5 m×6.5 m，噴頭噴嘴流量為1.0 m3/h，射程為6.5 m，噴頭工作壓力0.25 MPa。2019年4月19日播種，8月12日收獲，2020年4月24日播種，8月18日收獲。各處理施底肥、追肥均一致。試驗(yàn)灌水定額設(shè)計依據(jù)試驗(yàn)區(qū)土壤及當(dāng)?shù)赜涂喔戎贫冉Y(jié)合壟作溝播特點(diǎn)修正后設(shè)定，其中冬季儲水灌溉定額120 mm，不同處理油葵生育期灌水定額分別為24、30、36、42 mm，對照處理灌水定額42 mm，灌水次數(shù)均為5 次，灌水時間分別為播種后（4月下旬）、現(xiàn)蕾期（6月上旬）、開花期（6月下旬）、灌漿期（7月中旬）、成熟期（7月下旬）。

圖1 雙壟溝播噴灌壟溝模式及栽培示意圖

1.3 測定指標(biāo)與方法

土壤含水率：用HD2 土壤水分測定儀測定土壤體積含水率，測定總深度為100 cm，每20 cm 為一層測定，每個處理分別在距離噴頭4 m處的壟頂和壟溝內(nèi)埋設(shè)測管，每隔8~10 d測定一次，降水及灌水前后加測，重復(fù)3次。

灌水量：采用管道輸水，灌水量由水表精確量測，每個試驗(yàn)小區(qū)用獨(dú)立閘閥及水表控制灌溉。

噴灌系統(tǒng)壓力：采用變頻設(shè)備控制灌水管道系統(tǒng)壓力，采用恒壓供水模式，壓力設(shè)定為0.25 MPa。

作物根系取樣：采用方格法取樣，取樣體積為50 cm×50 cm×50 cm，取樣時沿深度方向（縱向）分為3 層，土層深度0~10 cm 一層，10~20 cm 一層，20~50 cm 一層，每個處理重復(fù)3次。

作物根系鮮重和干重：根系從土壤中挖出洗凈后按分層用吸水紙吸干根系表面水分，用0.01 g電子天平稱取鮮重，然后將不同分層根系標(biāo)記后裝入牛皮紙袋放入烘箱，在80 ℃下烘干，稱取干重。

作物縱向及橫向根長：根系取出后將橫向側(cè)根系拉直利用鋼卷尺按0~10、10~20、20 cm 以下分層測定記錄橫向最長根系長度；縱向?qū)⒅鞲道焙罄娩摼沓吡繙y最長根系。

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，用DPS（v6.05）統(tǒng)計軟件做相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 油葵縱向根長變化規(guī)律

作物根系生長取決于作物種類、發(fā)育階段、土壤條件和大氣蒸發(fā)等，根系生長可根據(jù)土壤水分狀況作出適應(yīng)性反應(yīng)，若土壤干旱而深層仍有可利用水分，根系偏重于垂向伸展，根系分布一般深密，上層水分如充足，根系即向水平方向發(fā)展，根淺而分布廣。由圖2 可知，壟作溝播處理灌溉水集中在溝內(nèi)，沿種植膜孔入滲，垂直入滲較深，而平作噴灌處理水分垂直入滲較淺，表現(xiàn)在根系縱向生長方面就是壟溝處理根系縱向生長長度均高于平作處理。雖然T4 和CK 灌水定額相同，但T4 處理2019年根系縱向生長長度在3 個測定時間較對照處理分別長13.73、14.97 和12.60 cm，2020年分別長9.87、12.00 和10.83 cm，灌水定額最小的T1 處理根系縱向生長長度較對照處理也長3.00 cm 以上。在壟溝處理間，根系縱向生長長度隨灌水定額大小變化，灌水定額大，根系縱向生長較長，如T4 處理兩年根系縱向長度較T1 處理均長于6.00 cm 以上。

圖2 油葵不同生育期縱向根長變化規(guī)律

在油葵生育中前期，根系縱向生長速率較快，到開花-灌漿期根系縱向生長速率達(dá)到最快，其中T4 生長最快，兩年分別為0.61 cm/d 和0.60 cm/d，其次為T3 兩年均為0.6 cm/d，與CK 相比均有極顯著差異。生育后期根系生長速率較為緩慢，在此階段表現(xiàn)為CK和T1高于其他處理，與其他壟溝處理有極顯著差異，其中CK兩年分別為0.31 cm/d和0.24 cm/d。在相同種植條件下，生育中前期灌水量大小直接影響根系縱向生長，灌水量越大縱向生長速率越快，而生育后期灌水量大小對根系縱向生長的影響不明顯（見表1）。

表1 油葵不同生育期縱向根長生長速率 cm/d

2.2 油葵橫向根長生長變化規(guī)律

由圖3~圖5 可知，根系橫向生長隨土層深度增加逐漸減弱，在地下0~10 cm（以膜孔為原點(diǎn)），壟溝處理根系橫向生長隨灌水定額大小變化，灌水定額越大，橫向生長越長；壟溝處理與對照相比，對照處理橫向生長最長，在根系橫向最長時兩年分別為30.81 cm 和29.87 cm，與灌水定額相同的T4處理相比兩年分別長1.09 cm 和4.11 cm。在地下10~20 cm 根系橫向生長與地下0~10 cm 規(guī)律一致，對照處理橫向生長仍然最長，在根系橫向最長時兩年分別為22.35 cm 和19.31 cm，與灌水定額相同的T4處理相比，最大可達(dá)3.00 cm 以上。在地下20 cm 以下壟溝處理根系橫向生長與地下0~10 cm 規(guī)律一致，而對照處理根系橫向生長則明顯變小，在此層根系最長時只高于T1處理，而低于其他壟溝處理，其中較T4處理兩年分別短2.30 cm 和2.22 cm，這與對照處理和壟溝處理灌水入滲特征有關(guān)，對照處理為平作噴灌，入滲面大，在有限灌溉水量條件下入滲較淺，而壟溝處理匯集了壟面水量，順膜孔入滲較深。

圖3 油葵不同生育期地下0~10 cm橫向根長變化

圖5 油葵不同生育期地下20 cm以下橫向根長變化）

2.3 油葵不同土層深度根干重變化規(guī)律

作物根系的大小，直接影響著作物吸收水分及營養(yǎng)的能力，根系越大，各項(xiàng)能力越強(qiáng)。根系干重的表現(xiàn)與作物根系縱橫向生長規(guī)律一致，根系越發(fā)達(dá)根干重越大，根系干重隨作物生長變化，作物生長旺盛期，根系生長也旺盛，到作物生育后期，根系生長相應(yīng)緩慢。由表2~表4 可知，各處理0~10 cm 根系干重占總根干重的比例均較大，在80%以上，其中最大的為CK 處理，兩年在87.98%~90.74%之間，最小的為T4處理，兩年在83.18%~85.06%之間，就根系干重來說，在不同生育期T3、T4、CK 之間無差異，與T1、T2 之間有極顯著差異。各處理10~20 cm 根系干重占比基本保持在8%~13%之間，其中T4 處理根干重與其他處理有極顯著差異，其他處理間顯差不明顯。20 cm 以下各處理根系干重占比與0~10 cm 完全相反，壟溝處理占比明顯高于對照處理，在生育末期壟溝處理占比均在4.5%以上，而對照處理占比則在2.0%以下，壟溝處理根干重與對照處理均有極顯著差異。由上說明對照處理根系多分布于0~20 cm 土層，而壟溝處理根系在20 cm 以下土層也有一定分布，這與兩種耕作方式下水分匯集利用與入滲特征有直接關(guān)系。

表2 油葵不同生育期地下0~10 cm根干重變化特征

表4 油葵不同生育期地下20 cm以下根干重變化特征

圖4 油葵不同生育期地下10~20 cm橫向根長變化

2.4 油葵不同土層深度根重密度變化規(guī)律

隨油葵生育進(jìn)程推進(jìn)，根量與根重密度基本呈小-大-小變化；根系重量密度在垂直土體中呈“T”形分布。由表5 可知，根的生長與地上部分生長規(guī)律一致，油葵不同土層根重密度隨生長不斷增加，在油葵生長旺盛期根系生長也最旺盛，從根重密度大小來說，0~10 cm 根重密度最大，在根重最大的灌漿成熟期根重密度最大可達(dá)到1.252 mg/cm3（2019年7月28日T4），較灌水定額相同的對照處理兩年分別增加0.017 mg/cm3和0.206 mg/cm3，且T4 與其他處理均有極顯著差異。根重密度大小受灌水量大小影響較大，灌水量越大，根系越發(fā)達(dá)，根重密度越大，如生育旺盛期T4較T1兩年分別增加0.512 mg/cm3和0.794 mg/cm3。隨著土層深度增加，根重密度逐漸減小，在10~20 cm 最大可達(dá)到0.141 mg/cm3（2019年7月28日T4），T4仍與其他處理有極顯著差異。到20 cm土層以下各處理根干重密度就不足0.1 mg/cm3了，而此層根重密度最小的CK 處理則不足0.01 mg/cm3，與壟溝處理均有極顯著差異。說明在本試驗(yàn)條件下油葵根系受灌水方式影響大部分分布在0~20 cm 以內(nèi)，尤其CK更為明顯，正是體現(xiàn)了根系隨水生長的特性。

表5 油葵不同生育期根干重密度變化特征 mg/cm3

3 結(jié)論與討論

本文通過研究壟作溝播噴灌條件下油葵的根系生長及分布特征，探討了壟作溝播噴灌對油葵根系生長的影響，對研究油葵水分高效利用及提高產(chǎn)量有一定指導(dǎo)意義。相關(guān)結(jié)論如下：①壟作溝播處理灌溉水集中在溝內(nèi)，垂直入滲較深，而對照處理水分垂直入滲較淺，表現(xiàn)在根系縱向生長方面就是壟溝處理根系縱向生長長度均高于對照處理。②對照處理根系橫向生長集中在地下0~20 cm，其橫向生長長度均長于壟溝處理，但在20 cm 以下根系較少，橫向根系長度低于壟溝處理。③油葵0~10 cm 根系干重占總根干重的比例均較大，其中最大的CK 處理在87.98%~90.74%之間，10~20 cm 基本保持在8%~13%之間，20 cm 以下壟溝處理占比明顯高于對照處理，在生育末期壟溝處理占比均在4.5%以上，而對照處理占比則在2.0%以下。④油葵根系重量密度在垂直土體中呈“T”形分布。根重密度大小受灌水量大小影響較大，灌水量越大，根重密度越大，隨著土層深度增加，根重密度逐漸減小，0~10 cm 根重密度最大，2019年的T4 處理最大可達(dá)到1.25 mg/cm2，壟溝處理到20 cm 以下根重密度可達(dá)0.1 mg/cm2，而CK 處理則不足0.01 mg/cm2。

表3 油葵不同生育期地下10~20 cm根干重變化特征

本研究將旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的壟作溝播集雨技術(shù)與灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)噴灌技術(shù)有機(jī)結(jié)合，利用壟溝集水作用，將噴灌水量疊加后充分利用，與已有研究中減少灌水量、改善作物根系分布區(qū)水分狀況、提高作物產(chǎn)量等方面的研究結(jié)論是一致的[11,12]。在油葵根重密度及根系分布等方面的研究結(jié)論與[23-25]在油葵、棉花、玉米等作物上的研究結(jié)論一致。但由于試驗(yàn)在民勤紅崖山灌區(qū)開展，受氣候及土壤等影響，研究結(jié)論中相關(guān)的指標(biāo)與數(shù)據(jù)不能完全應(yīng)用于類似地區(qū)，但總體結(jié)果及變化趨勢不變，對類似地區(qū)開展相關(guān)技術(shù)推廣應(yīng)用、制定灌水定額及灌水計劃均有一定的指導(dǎo)意義。另外由于根系取樣的局限性，不能將所有根系完全取出，影響了部分?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此在后續(xù)研究中，還應(yīng)采取更為先進(jìn)的方法及設(shè)備對作物根系開展精確量測，而壟作溝播噴灌條件下水分運(yùn)移特征、水肥協(xié)同調(diào)控機(jī)理、作物生理生態(tài)指標(biāo)響應(yīng)等還要根據(jù)作物品種、水土資源狀況及氣候特點(diǎn)開展進(jìn)一步深入研究。