不同滴頭間距和毛管間距對勻播冬小麥土壤水分空間分布、根系形態(tài)及產(chǎn)量的影響

羅四維,賈永紅,張金汕,王 凱,李丹丹,王潤琪,董艷雪,石書兵

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學院奇臺麥類試驗站,新疆奇臺 831800)

0 引 言

【研究意義】2020年我國小麥播種面積占全國糧食總播種面積的20.32%;占全國糧食總產(chǎn)量的20.05%[1]。新疆地處我國西北干旱半干旱地區(qū),氣候干燥、降雨量少、蒸發(fā)量大,其農(nóng)業(yè)用水占總用水量的96.64%[2]。滴灌技術(shù)是一種農(nóng)業(yè)用水上先進的節(jié)水灌溉技術(shù),其節(jié)水效果優(yōu)于漫灌、溝灌和噴灌等灌溉方式,減少地表水分蒸發(fā)和深層滲漏,從而提高水分、養(yǎng)分利用效率和產(chǎn)量[3-4]?！厩叭搜芯窟M展】滴灌通過管網(wǎng)和毛管中的滴頭,低壓將水緩慢滴入土壤中,使得滴灌的水分能夠穩(wěn)定集中在根系的四周,促進小麥根系生長。滴灌量一定時,滴頭間距和毛管間距對土壤水分的垂直與水平分布均會造成顯著影響[5-6]。靠近毛管處土壤保持較高的土壤含水量,反之則越低,表現(xiàn)為(15 cm處>30 cm處>45 cm處),土壤水分含量在水平方向上以0～20 cm土層變化最為劇烈,20～40 cm土層整體趨于平緩,40～60 cm土層距離毛管遠近的不同,土壤含水量變化不明顯[7]。滴頭間距越大時,滴頭正下方,沙土濕潤度不隨滴頭間距而變化,而滴頭連線方向和交匯區(qū)的土壤濕潤均勻度減小[8]。小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量構(gòu)成與小麥根系形態(tài)、空間分布密切相關(guān)[9-10]。冬小麥根系的生長受土壤水分的影響較敏感,土壤含水量過高或過低時,冬小麥根系生長均會受阻,適宜的水分供應(yīng),能夠使土壤中保持適宜的土壤含水量,擴大冬小麥初生根群,促進根系向下生長,使深層土壤的根系分布豐度增加,且增強冬小麥對深層土壤水分的吸收與利用,進而促進小麥地下部根系與地上部生長及產(chǎn)量的形成[11-12]?！颈狙芯壳腥朦c】立體勻播方式使麥種等株距分布在土壤中,充分利用有效土地面積和空間[13]。目前,不同滴灌配置在小麥條播種植方式上研究土壤的水分時空分布和根系形態(tài)較多,而在冬小麥立體勻播種植方式下鮮有研究。需研究不同滴頭間距和毛管間距對勻播冬小麥土壤水分空間分布、根系形態(tài)及產(chǎn)量的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以新疆北疆地區(qū)條播滴灌冬小麥滴頭間距20 cm毛管間距50 cm布置方式為參考,研究不同滴頭間距和毛管間距對勻播冬小麥土壤水分時空分布、根系形態(tài)、產(chǎn)量及水分利用效率之間的關(guān)系。設(shè)置2種滴頭間距和5種毛管間距配置方式,為新疆勻播冬小麥高產(chǎn)栽培中合理滴灌配置和節(jié)本增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2020～2021年在新疆農(nóng)業(yè)科學院奇臺麥類試驗站(E 89°13' ～91°22',N 42°45'～45°29')進行,屬溫帶大陸性氣候,全年平均氣溫5.5℃,無霜期153 d,前茬作物為玉米,土壤為沙壤土,pH 8.25,供試土壤基本理化性質(zhì)全氮2.236 g/kg,全磷1.281 g/kg,全鉀18.077 g/kg,有機質(zhì)含量42.88 g/kg,堿解氮128.7 mg/kg,有效磷11.4 mg/kg,速效鉀417 mg/kg。表1

表1 冬小麥生長季平均氣溫與降雨量

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

以新冬22號為供試品種,采用二因素裂區(qū)試驗設(shè)計,主區(qū)為滴頭間距,設(shè)置為20 cm(T1)和30 cm(T2)2個處理,副區(qū)為毛管間距,設(shè)置為30 cm(D1)、40 cm(D2)、50 cm(D3)、60 cm(D4)和70 cm(D5)5個水平。2種毛管類型均為單翼迷宮式滴灌帶,規(guī)格16 mm,壁厚0.18 mm,滴頭流量均為2.4 L/h,工作壓力≤100 kPa。2020年9月30日播種,2021年6月28日收獲,小區(qū)麥種的株距均為一致,株間距為6.67 cm(每株間距均相等)。采用人工勻播,各小區(qū)面積2 m×5 m=10 m2,3次重復?；久鐢?shù)量為225×104株/hm2,全生育灌水定額為4 650 m3/hm2,冬前滴水900 m3/hm2,春季后滴施8次,間隔10 d。各處理設(shè)置水表控水,滴水量均相等。試驗地四周設(shè)置保護行。播前整地,深施尿素225 kg/hm2,磷酸二銨300 kg/hm2,其他田間管理措施同大田。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 土壤含水量

于冬小麥拔節(jié)期(JP)、孕穗期(BP)、開花期(FP)滴水前后、灌漿期(GP)、成熟期(MP),采用烘干稱重法測定土壤含水量,取樣位置分別為毛管帶間距處正下方(0)、(R/4)和(R/2)處,R代表兩毛管之間的距離。取樣土層深度分為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm,重復3次,將不同土層土壤迅速裝入鋁盒稱重,將其放入烘箱80℃烘干至恒重,土壤含水量為(%)=(濕土重-干土重)/干土重×100%。

1.2.2.2 根系形態(tài)

于灌漿中期,采用根鉆法,根鉆鉆頭直徑為5 cm,長20 cm,取樣土層分為0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm,取樣位置同1.2.2.1。按要求取出根系裝入取樣袋后在水中浸泡60 min,去除雜質(zhì)和雜根,帶回實驗室,經(jīng)根系掃描儀掃描并以圖形文件格式,采用(萬深LA-S系列)植物圖像分析儀系統(tǒng)測定不同土層根長、根表面積和根體積密度,然后將根系分別裝入信封袋,105℃下殺青30 min,80℃下烘干至恒重,測定各土層根干重取均值。

1.2.2.3 農(nóng)田耗水與水分利用率

小麥生育期間農(nóng)田水分平衡方程式[14]:

ETa=I+P-ΔW.

式中,I為灌水量(mm),ETa為作物生育期農(nóng)田耗水量(mm),包括植株蒸騰量和植株間蒸散量,P為小麥播種到收獲階段產(chǎn)生的降雨量值(mm),ΔW為土壤貯水消耗量(mm)。

土壤貯水量計算公式[15]:

W=r×v×h× 10.

式中,W為不同土層深度土壤貯水量(mm),r為該土層土壤相對含水量(%),v為土壤容重(g/cm3),h為土層厚度(cm)。

灌溉水利用效率(IWUE)=小麥籽粒產(chǎn)量/I.

水分利用效率(WUE)=小麥籽粒產(chǎn)量/ETa.

1.2.2.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

收獲前,每小區(qū)選有代表性的1 m2測定單位面積有效穗數(shù),取樣位置同1.2.2.1,分別連續(xù)挖取15株小麥進行室內(nèi)考種,測定穗粒數(shù)、千粒重;每小區(qū)實收測產(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2013和SPSS21.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴頭間距和毛管間距對開花期冬小麥滴水前后土壤水分時空分布的影響

研究表明,在不同滴頭間距和毛管間距下,隨著土壤深度的增加,滴水前后均呈先降后升的趨勢。滴水后土壤含水量在土壤深度0～40 cm高于滴水前。在T1下,毛管間距布置方式T1D1、T1D2和T1D3處理土壤各測點差異較小,而T1D4、T1D5處理距毛管越遠,滴水后土壤含水量越小;在T2下,毛管間距布置方式土壤含水量T2D1和T2D2處理土壤各測點差異較小,T2D3、T2D4、T2D5處理隨著毛管間距的增大,距毛管越遠,滴水后土壤各測點土壤含水量越小。在相同毛管間距下,0～40 cm土層內(nèi),T1滴水后土壤含水量均高于T2,而在40～60 cm土層內(nèi)恰好相反,T2D4和T2D5處理距毛管正下方均高于T1D4和T1D5處理。滴頭間距和毛管間距越大,水分在土壤中的水平方向運移越小,而垂向運移較大,不利于土壤水分分布。表2

表2 開花期不同處理灌水前后土壤水分時空分布變化特征

2.2 不同土層滴頭間距和毛管間距對各生育時期冬小麥土壤水分含量的影響

研究表明,不同滴頭間距和毛管間距對勻播冬小麥土壤含水量在不同土壤深度差異顯著。隨著生育時期的推進,不同土層中,各處理土壤含水量均呈“W”字形的變化趨勢,且在孕穗期和灌漿期出現(xiàn)“谷”值。在同一滴頭間距下,隨著毛管間距的擴大,T1與T2在水平方向土壤含水量表現(xiàn)為毛管間距0>R/4>R/2,尤其是在水平方向毛管間距R/2處表現(xiàn)最低,其中,T1D1、T1D2和T2D1、T2D2分別與T1D4、T1D5和T2D4、T2D5處理差異顯著。在同一毛管間距下,T1在距毛管間距0和R/4處土壤含水量較高于T2。在垂直方向土壤含水量差異主要集中在0～40 cm土層,隨著毛管間距的增大,冬小麥在灌漿期開始消耗深層(40～80 cm土層)和毛管間距較遠處的土壤貯水,在T1D4、T1D5和T2D4、T2D5處理距毛管間距R/2處表現(xiàn)較低。適宜的滴頭間距和毛管間距能使勻播冬小麥土層深度(0～40 cm)內(nèi)保持較高和均勻的土壤含水量,有利于根系的水分吸收和促進植株生長發(fā)育。圖1

2.3 不同滴頭間距和毛管間距對勻播冬小麥水分利用效率的影響

研究表明,不同滴頭間距和毛管間距對勻播冬小麥水分利用效率差異顯著。灌水量相同,在同一滴頭間距下,隨著毛管間距的增大,土壤水分分布不均,0～80 cm土層貯水消耗量也隨之增加,土壤耗水量和總耗水量呈逐漸升高的趨勢,均在T1D5和T2D5處理達到最高;灌水利用效率和水分利用效率呈先升后降的趨勢,在同一毛管間距下,T1處理下各處理下灌水利用效率和水分利用效率均較高于T2處理。T1處理下,灌水利用效率和水分利用效率均以T1D2處理達到最高,較其他處理分別高1.38%～13.80%和2.27%～22.55%,且與T1D4、T1D5和T2D4、T2D5處理相比達顯著水平。適宜的滴頭間距和毛管間距能夠提高勻播冬小麥的灌水利用效率和水分利用效率。表3

表3 不同處理下冬小麥水分利用效率變化

2.4 不同滴頭間距和毛管間距對勻播冬小麥根系干重密度的影響

研究表明,灌漿期土層冬小麥根干重密度表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm,且根干重密度主要分布在0～20 cm土層,占0～60 cm總根干重密度的81.02%。在同一滴頭間距下,隨著毛管間距的增大,T1處理下,0～20 cm土層根干重密度呈先升后降的趨勢,以T1D2的92.65 g/m3表現(xiàn)最高,分別較其他處理高4.40%～17.11%,且與T1D4和T1D5處理相比達顯著水平;T2處理下,根干重密度呈逐漸降低的趨勢,以T2D1的89.91 g/m3表現(xiàn)最高,分別較其他處理高0.68%～21.53%,且顯著高于T2D3、T2D4和T2D5處理。適宜的滴頭間距和毛管間距有利于冬小麥根干重密度的均勻分布。圖2

圖2 不同土層毛管間距和滴頭間距下灌漿期冬小麥根干重密度變化

2.5 不同滴頭間距和毛管間距對勻播冬小麥根系形態(tài)的影響

研究表明,不同毛管間距和滴頭間距下灌漿期小麥根長、根表面積和根體積密度均表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm,且主要分布在0～20 cm土層,在0～60 cm土層中分別占65.99%、78.87%和76.67%。隨著毛管間距的增大,T1處理下,0～60 cm土層根長、根表面積和根體積密度呈先升后降的趨勢,以T1D2處理表現(xiàn)最高,根長、根表面積和根體積密度分別是4.15×103m/m3、5.94 m2/m3和358.90 cm3/m3;T2下,根長、根表面積和根體積密度呈逐漸降低的趨勢,以T2D1處理表現(xiàn)最高,根長、根表面積和根體積密度分別是4.09×103m/m3、5.73 m2/m3和353.72 cm3/m3。適宜的毛管間距有利于勻播冬小麥根長、根表面積和根體積密度的均勻分布,促進群體冬小麥的水分及養(yǎng)分吸收。表4

表4 不同處理下冬小麥根系形態(tài)變化

2.6 不同滴頭間距和毛管間距對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

研究表明,在相同滴頭間距下,隨著毛管間距增大,T1下冬小麥單位面積穗數(shù)隨著毛管間距的增大呈先升后降趨勢,其中,以T1D2處理最大,較其他處理分別高0.61%～12.28%,且與T1D4和T1D5處理相比差異顯著;T2表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢,其中,T2D1處理達到最大,較其他處理分別高1.04%～5.52%,且與T2D3、T2D4、T2D5處理相比差異顯著。T1下產(chǎn)量以T1D2處理最高,其值為9 247.95 kg/hm2,分別較其他處理高2.36%～13.80%,且與T1D4和T1D5處理相比差異顯著;T2下產(chǎn)量以T2D2處理最高,其值為9 140.87 kg/hm2,較其他處理分別高2.45%～14.30%,且與T2D3、T2D4和T2D5處理相比差異顯著。在相同滴頭間距下,適宜縮短毛管間距來增加穗數(shù),達到小麥高產(chǎn),而穗粒數(shù)和千粒重無顯著影響。在立體勻播方式下,適宜的毛管間距可增加穗數(shù),從而達到小麥高產(chǎn)的目的。T1D3處理經(jīng)濟效益為18 502.10 元/hm2達到最高,分別高于他處理1 538.21、155.21、1 261.76和2 144.7 元/hm2,T1D3處理較T1D1和T2D2分別減少1 300和500 m/hm2,盡管T1D3處理產(chǎn)量低于T1D1和T1D2處理,但其在實現(xiàn)節(jié)水和減少滴灌帶用量的同時,達到了最高經(jīng)濟效益。冬小麥滴頭間距和毛管間距以T1D3處理的滴管配置表現(xiàn)最優(yōu)。表5

表5 不同處理下冬小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟效益變化

3 討 論

3.1不同的滴頭間距和毛管間距對小麥的耗水特性、根系生長和產(chǎn)量有直接影響。張娜等[16]研究指出1管4行行間差異小,生長均勻,分別較1管5行和1管6行增產(chǎn)10.97%和37.71%,但1管5行在其產(chǎn)出和投入最具經(jīng)濟效益價值。研究表明,在毛管間距和滴頭間距T1D1、T1D2、T1D3和T2D1、T2D2處理下產(chǎn)量保持較高水平,結(jié)果與前人研究的結(jié)果相似。

3.2受限于滴灌量和土壤中水分運移規(guī)律的影響,滴灌條件下土壤中水分分布存在明顯的時空分布[17],。降雨量、灌溉水量和土壤供水量構(gòu)成了麥田耗水量。土壤含水量對作物生長、產(chǎn)量形成及耗水特性影響顯著[18]。隨著毛管間距的增大,距毛管越遠,土壤含水量越低;0～20 cm土層的土壤水分含量水平方向波動較為劇烈,20～40 cm土層次之,40～60 cm土層含水量水平移動較小[7]。研究結(jié)果表明,開花期滴水后,縮短毛管間距和滴頭間距的供水距離,滴水時間過快且分布較均勻,0～20 cm土層T1D1、T1D2、T1D3和T2D1、T2D2處理能夠保持較高的土壤含水量、灌水利用效率、水分利用效率和產(chǎn)量,隨著毛管間距和滴頭間距的增大,0～40 cm土層內(nèi),T1土壤含水量均高于T2,而在40～60 cm土層內(nèi)恰好相反,T2D4和T2D5距毛管正下方土壤含水量均高于T1D4和T1D5。可能是因為毛管間距間和滴頭間距過小,水分分布迅速,地表水分蒸發(fā)較快,水分利用效率降低,反之過大,滴水時間延長,水分在土壤中的水平方向運移較小,垂向運移較大,不利于土壤水分均勻分布,生長后期更深層土壤水分被過大消耗,不利于遠離滴灌小麥的生長發(fā)育和籽粒的形成,出現(xiàn)長勢差,導致冬小麥穗數(shù)降低,水分利用率降低,進而影響產(chǎn)量,與前人研究結(jié)果相似[5,19]。

3.3根系是作物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官,土壤含水量的高低會直接影響作物根系生長的深度和側(cè)根的廣度,進而影響作物地上部的生長發(fā)育和籽粒的形成,作物對土壤水分的利用狀況與不同土層中的根系分布、吸水效率及土壤有效含水量有著密切的關(guān)系[20]。冬小麥根系的生長受土壤水分較為敏感,土壤水分過高或過低都會影響小麥根生物量和根系形態(tài),土壤含水量過大,土壤通氣性差,抑制根系生長,土壤水分嚴重虧缺時,會抑制小麥根系正常生長,而適宜的土壤水分或輕度水分虧缺會有利于根系深層的生長,有利于對深層土壤水分的吸收[12,21]。研究結(jié)果表明,縮短滴頭間距和毛管間距的供水距離,主要增加毛管正下方0～40 cm土層含水量,根干重、根長、根表面積和根體積密度表現(xiàn)較高,而在毛管間距過大處T1D5和T2D5處理表現(xiàn)較低,可能是因為距毛管R/2處,0～40 cm土層含水量增幅遠小于毛管處,土壤濕潤范圍減小,土壤水分過低且嚴重虧缺,并使40～60 cm土層和更深層貯水消耗量增加,抑制根系深層的生長,地上部分麥株營養(yǎng)吸收不均,進而影響產(chǎn)量,與前人研究結(jié)果一致[5,22]。

4 結(jié) 論

4.1土壤水分含量的高低是影響產(chǎn)量的重要因素之一。滴頭間距和毛管間距增大,不利于土壤中水分向距毛管間距R/2處運移,滴頭間距越大,滴水時間越長,土壤中水分在水平方向運移越小,而垂向運移越大,不利于土壤中的水分均勻分布,會導致均布土壤中水分虧缺,土壤含水量、水分利用效率和灌水利用效率表現(xiàn)降低。

4.2T1D1、T1D2、T1D3和T2D1、T2D2處理根干質(zhì)量、根系形態(tài)和產(chǎn)量均保持較高水平,而毛管間距過大處T1D5和T2D5處理表現(xiàn)較低,由于土壤水分分布不均,距毛管較遠處土壤含水量嚴重虧缺,抑制根系的生長。

4.3盡管T1D3處理較T1D2減產(chǎn)126.30 kg/hm2,但綜合其產(chǎn)投比,在其毛管帶用量T1D3處理獲利表現(xiàn)最優(yōu),毛管配置方式更具應(yīng)用價值。T1D3(滴頭間距20 cm,毛管間距50 cm)在相同灌水定額(全生育期4 650 m3/hm2)是最佳的滴灌配置方式。