根區土壤水分垂向調控對春小麥水分利用的影響研究

周始威，胡笑濤，王文娥，張亞軍 (西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

通過灌溉方法可以人為控制土壤水分剖面分布，以此調節根系生長分布，根系空間分布與土體水量分布狀況極為一致[1-3]。根系在土壤中的分布狀況, 在很大程度上決定著作物對不同土層水分的吸收，也會影響到根區土壤水分的分布[4-6]。作物的根系分布及所處的土壤水分環境與作物的水分利用效率有著直接的關系[7]。可見，通過調控根區土壤水分來提高作物的水分利用效率是可行的。

以往的研究中多以灌水量為控制指標來調控土壤水分分布，研究內容也多是圍繞灌水量展開的討論[1,4-6]。本文以武威地區春小麥為研究對象，通過控制不同生育期計劃濕潤層深度來實現根區土壤水分的垂向調節，具體分析了根區土壤水分垂向調控措施對春小麥根系生長及分布、土壤水分分布及作物生物量、產量、水分利用的調控效果，旨在獲得能夠提高當地春小麥水分利用效率的最優根區土壤水分垂向調控方案，為緩解干旱區水資源短缺提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2014年3月-7月在甘肅武威市中國農業大學石羊河流域節水試驗站進行。試驗地概況見文獻[8]。試驗選用春小麥為研究對象，共設置3個處理。根據春小麥不同生育期的生長特性及需水狀況，在其不同生育階段設不同計劃濕潤層深度。在苗期，春小麥根系短、需水量較少，計劃濕潤層深度設30 cm(T1)、40 cm(T2)、50 cm(T3)3個水平。在拔節期，春小麥根系增長、需水量增大，計劃濕潤層深度設40 cm(T1)、50 cm(T2)、60 cm(T3)3個水平。在抽穗至成熟期春小麥根系與需水量均較大，計劃濕潤層深度設50 cm(T1)、60 cm(T2)、70 cm(T3)3個水平。上述處理均以田間持水量為灌水上限，以65%田間持水量為充分灌溉灌水下限，灌水方式采用地面畦灌。每個處理設置3個重復，共計9試驗小區，小區面積為16 m2(4 m×4 m)，采用隨機區組排列并設有保護行。春小麥于3月24號播種，播種密度為300萬株/hm2，行距為15 cm，7月25號收獲。播種前施入尿素180 kg/hm2，整個生育期內不施肥。當各處理的平均含水率達到土壤含水率下限時進行灌水。

1.2 測定項目和方法

(1)土壤水分測定：用烘干法測定土壤含水率，每周六1次，灌水前后加測1次。

(2)生物量及產量：待收獲時，取春小麥地上部分，先以高溫殺青，再恒溫下烘干，然后稱重得到生物量。選1 m2小麥進行脫粒，風干后測定小麥籽粒產量，將同處理數據求平均值得出實際產量。

(3)根系指標：于乳熟期(7月13日)取春小麥根系樣本，以樣本植株為中心，取長30 cm、寬20 cm長方形，沿四周垂直下挖，每10 cm取一土樣。將土樣用水浸泡、清洗、去除死根，得到干凈根系樣品。用CI-400型根系圖像分析系統分析計算根系長度。

1.3 數據處理

根長密度：計算公式為[9]：

(1)

式中：ρL為根長密度，cm/cm3；S為取得的含有根系的土體體積，cm3；L為土體中的總根長，cm。

作物耗水量：采用水量平衡法，計算公式為[10]：

ET=P+I+ΔW

(2)

式中：ET為作物耗水量，mm；P為生育期內降水量，mm；I為生育期內的灌溉量，mm；ΔW為土壤水分消耗量(初期土壤含水量與末期土壤含水量的差值)，mm。

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數據處理和作圖，采用SPSS17.0軟件進行單因素方差分析，LSD(least significant difference)法進行差異顯著性比較(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 根區土壤水分垂向調控措施對春小麥根系生長及分布的影響

春小麥乳熟期不同深度土層根長密度見表1。各處理的根長密度隨著土層深度的增加而減少。0～20 cm是根長密度主要分布區域。3個處理在各土層的根長密度存在差異，差異主要凸顯于上部土層(0～60 cm)；在0～20 cm，T1的根長密度顯著小于另外兩處理(P<0.05)，T2略小于T3。在20～40 cm土層，T3的根長密度顯著小于T1及T2，T1與T2的根長密度相差不大。在40～60 cm土層，3個處理之間的根長密度差異顯著(P<0.05)，根長密度表現為T1>T2>T3。在60～80及80～100 cm土層，3個處理之間的根長密度差異不顯著(P>0.05)；在60～80 cm土層中三處理的根長密度表現為T1>T2>T3，而在80～100 cm土層，3個處理之間的根長密度表現為T3>T2>T1。T1、T2及T3在0～100 cm土層中的平均根長密度分別為1.964、2.267、2.338 cm/cm3，T3的平均根長密度最大，較T1增加19.04%。

表1 春小麥乳熟期不同深度土層根長密度及分布

注：括號內為與總根長的比，%；不同的小寫字母(縱向比較)表示處理在0.05水平下差異顯著，下同。

根區土壤水分垂向調控措施也有效的調控了根長密度在土層中的垂直分布，3個處理在0～20 cm土層的根長占比(該土層內根長與總根長的比值)均大于41%，處理間根長占比表現為：T3>T2>T1，T1較其余處理有大的減少；在20～40，40～60及60～80 cm土層，3個處理的根長占比均表現為T1>T2>T3，T1的根長占比較其他處理有較大的增加，其中，在40～60 cm土層，三處理相互間根長占比差異明顯。而在80～100 cm土層，三處理根長占比很小，且處理間差異不大。

研究結果表明，根區土壤水分垂向調控中使用小的計劃濕潤層深度(T1)會減小表層(0～20 cm)土壤中的根長密度及整個根區(0～100 cm)的根長密度，而在較深土層(20～60 cm)中的根長密度較其他處理有較大的增加，在深土層(60～80 cm)中的根長密度與其他處理相比，變化不大。在40～60 cm土層，根區土壤水分垂向調控的效果最顯著，處理間的根長密度差異互為顯著。根區土壤水分垂向調控對根系分布的影響表現為：根區土壤水分垂向調控中使用大的計劃濕潤層深度能夠增加表層(0～20 cm)土壤中的根長占比；而使用小的計劃濕潤層深度有助于增加深層(20～80 cm)土壤中的根系分布比例，使根系在豎直方向上分布的差異減小；其中，40～60 cm土層仍為調控效果最顯著的土層，三處理間根長占比差異較大。

2.2 根區土壤水分垂向調控下土壤水分的變化特征

不同處理農田不同土層土壤平均含水量見表2。3個處理在0～20、20～40、40～60及60～80 cm土層的平均含水量均表現為T3>T2>T1，T1顯著小于另外兩處理(P<0.05)，T2與T3在整體上相差不大；而在40～60 cm土層，三處理間的平均含水量差異互為顯著。在80～100 cm土層，3個處理的平均含水量表現為T3>T1>T2，處理間無顯著差異(P>0.05)。T1土層平均含水量隨土層深度的增加而增大，而T2與T3在60～80 cm土層的平均含水量較下層土壤偏大。結合小麥的根系分布(表1)，T1在60～80 cm土層的根長密度大于其他處理，對該層土壤水分的吸收較多，致使該層含水量下降，含水量在豎直方向上的分布與其他處理不同。

試驗結果表明，調控方案的不同對土壤水分分布造成的差異主要體現上部土層(0～80 cm)；其中，40～60 cm土層仍為調控效果最顯著的土層，三處理間平均含水量互為差異顯著。三處理在0～100 cm土層的平均含水量表現為T3>T2>T1，處理間差異較大，可見使用大的計劃濕潤層可以有效增加生育期內根區土壤含水量。

表2 不同處理農田不同土層土壤平均含水量分布

2.3 根區土壤水分垂向調控對春小麥生物量、產量及水分利用效率的影響

耗水量由灌溉水量、降雨量及土壤水儲量變化量組成。為了節約農業用水，應當盡可能多的利用降水及土壤水，減少灌溉水量。由表3可以看出，不同處理下春小麥所需灌水量及耗水量有較大的差異。3個處理耗水量及灌溉水量均為T3>T1>T2，T1的灌水次數多于T2及T3。

不同土層土壤水儲量變化情況見圖1，T1、T2及T3消耗的土壤水儲量分別為119.8 mm、105.0 mm、98.2 mm。隨著土層深度的增加，3個處理的土壤水消耗量均變大，T1在各土層的土壤水消耗量均大于其他處理。三處理消耗土壤水的差異主要體現在20～60 cm。在20～40 cm土層，T2顯著小于其他處理。在40～60 cm土層，T3顯著小于另外兩處理。

3個處理間的產量差異很小，產量表現為T1>T3>T2，T1較T2僅相差147 kg/hm2；處理間生物量差異較大，表現為T1>T2>T3，T1較T3增加1 038 kg/hm2。參照3個處理間耗水量及灌溉水量的關系，可以發現耗水量的增加并不一定會增加產量及生物量，生物量與產量的相關關系不明顯。雖然處理間產量差異很小，但所需灌溉水量卻有較大差異，T3較T1增加39.7 mm，存在節水空間，通過垂向調控根區土壤水分可以實現節水目的。

衡量一種灌水制度的優劣，既看其對產量的影響，又要看是否節約灌溉水量[11]。因此本研究以灌溉水利用效率為衡量指標，來評價各處理節水效果。灌溉水利用效率為T2>T1>T3，T2灌溉水利用效率與T1相差不大，但較T3增加0.37 kg/m3，產量為最高值，灌溉水量與T3處理相比減少50.6 mm。

試驗結果表明，在根區土壤水分垂向調控中使用小的計劃濕潤層深度可以更充分的利用土壤水分，其中，下部土層(40～100 cm)土壤水儲量下降幅度更大；20～60 cm土層為調控效果最顯著的土層，處理間土壤水消耗量有較大差異；過大或過小的計劃濕潤層深度都有可能減小灌溉水利用效率，使用大的計劃濕潤層深度會增加灌溉水量，使用小的計劃濕潤層深度會減少單次灌水量，但會增加灌水次數，并沒有減小達到節約灌溉水的目的。有研究表明小定額多次灌水可以增加作物產量[12]，本研究也證實使用小的計劃濕潤層深度可以增加春小麥產量，但增加幅度很小，有可能降低灌溉水利用效率；T2在3個處理中的節水效果最好。

表3 不同處理春小麥產量、生物量、收獲指數、耗水量和灌溉水利用效率

圖1 不同處理下春小麥消耗土壤水垂直分布

3 結果與討論

已有研究表明，適宜的土壤水分有利于根系的生長，在某種程度上表現出水大根大，即根長密度隨土壤水分的增加而增加[7]。土壤水分較高的種植區(表層0～20 cm)根量較大，下部土層根量較少[13]。干旱可以導致土壤表層根量減少，而中下層根量所占比例增大[14]，對深層土壤水分的利用增大[4]。無灌溉或灌溉量少時，冬小麥對土壤水的利用增加，且有利于深層土壤水的吸收利用[15]。本研究表明，通過控制不同生育期計劃濕潤層深度可以實現對根區土壤水分分布及作物根系分布的調控；在根區土壤水分垂向調控中使用大的計劃濕潤層深度可以提高生育期內根區土壤含水量，增加表層土壤中的根長密度及根系分布比例，也可以增加整個根區的根長密度；而使用小的計劃濕潤層深度使得生育期內根區土壤含水量較小，但深層(20～80 cm)土壤中的根系分布比例增大，根系在豎直方向上分布的差異減小，有利于對土壤水的吸收，對深層土壤水的利用更加充分；與前人的研究結果基本一致。 度夏玉米產量較前兩年產量較高，一方面可能是氣候適宜，或許控失肥的施用同時也改善了土壤理化特性，使得夏玉米產量較高，需要進一步進行開展控失肥對土壤養分的影響研究。

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[1] 李振聲，歐陽竹，劉小京，等.建設“渤海糧倉”的科學依據——需求、潛力和途徑[J].中國科學院院刊，2011,(4)：371-374.

[2] 陳素英，張喜英，邵立威，等. 微咸水非充分灌溉對冬小麥生長發育及夏玉米產量的影響[J]. 中國生態農業學報，2011，(3)：579-585.

[3] 張喜英. 夏玉米節水模式與栽培技術[N]. 河北科技報，2014-06-05B04.

[4] 荊小船. 控失型復混肥的控失機理與特點[J]. 磷肥與復肥，2009,(3)：57-58.

[5] 吳躍進，楊惠成，余增亮．控失化肥示范應用結果及機理研究綜述[J].安徽農學通報，2007，13(24)：22-24．

[6] 丁仕奇，吳躍進，馬友華，等. 控失性復混肥料全養分控失技術研究及應用[J].中國農技推廣，2013，29(10)：45-46.

[7] 劉 強，顧相蕊. 化肥控失技術在農業面源污染治理中的應用[J].現代農村科技，2012，(19)：69-70.

[8] 閆新萍.新型控失復合肥對夏玉米產量的影響[J].安徽農業科學，2013，31：12 291-12 292.

[9] 吳萍萍，劉金劍，周 毅，等. 長期不同施肥制度對紅壤稻田肥料利用率的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2008,(2)：277-283.

[10] 陳 聞，吳家森，姜培坤，等. 不同施肥對雷竹林土壤肥力及肥料利用率的影響[J]. 土壤學報，2011,(5)：1 021-1 028.

[11] 王偉妮，魯劍巍，李銀水，等. 當前生產條件下不同作物施肥效果和肥料貢獻率研究[J]. 中國農業科學，2010,(19)：3 997-4 007.

[12] 張福鎖，王激清，張衛峰，等. 中國主要糧食作物肥料利用率現狀與提高途徑[J]. 土壤學報，2008,(5)：915-924.

[13] 王占彪，王 猛，尹小剛，等. 氣候變化背景下華北平原夏玉米各生育期水熱時空變化特征[J]. 中國生態農業學報，2015，(4)：473-481.