溝覆蓋材料對壟溝集雨種植土壤水分和玉米根系分布的影響

李富春，王琦，張登奎，張恩和，劉青林，王鶴齡

（1.甘肅農業大學草業學院，甘肅蘭州730070；2.甘肅農業大學農學院，甘肅蘭州730070；3.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省氣候變化與減災重點（開放）實驗室，甘肅蘭州730020）

溝覆蓋材料對壟溝集雨種植土壤水分和玉米根系分布的影響

李富春1，王琦1，張登奎1，張恩和2，劉青林2，王鶴齡3

（1.甘肅農業大學草業學院，甘肅蘭州730070；2.甘肅農業大學農學院，甘肅蘭州730070；3.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省氣候變化與減災重點（開放）實驗室，甘肅蘭州730020）

為尋求半干旱地區壟溝集雨環保溝覆蓋材料，探究壟溝集雨種植增產機理，在半干旱黃土高原區通過大田試驗，以傳統平作為對照，研究不同溝覆蓋方式（無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋）對土壤含水量、玉米根干重、根長、根表面積和根體積的影響。結果表明：壟溝集雨種植溝中的土壤含水量、玉米根干重、根長、根表面積和根體積明顯大于壟中；與平作相比，無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋耕層溝中作物生育期平均土壤含水量分別增加6.9%、10.6%和9.3%，壟中平均土壤含水量分別降低13.8%、10.9%和5.6%；玉米總根干重（溝中＋壟中）分別降低15.9%、6.1%和16.8%，總根長分別增加37.6%、43.7%和34.8%，總根表面積分別增加10.5%、33.6%和15.0%。無覆蓋和秸稈覆蓋玉米總根體積分別降低34.5%和16.3%，生物可降解地膜覆蓋玉米總根體積增加13.2%。與傳統平作相比，壟溝集雨種植增加土壤水分、玉米根長和根表面積，降低玉米根干重。在不同溝覆蓋方式中，生物可降解地膜覆蓋具有較高土壤含水量、根長、根表面積和根體積。

玉米；壟溝集雨；溝覆蓋材料；土壤水分；根系

甘肅省定西半干旱黃土丘陵區深居內陸腹地，地形多為梁、峁和丘陵溝壑地帶，屬典型雨養農業區［1－2］。該地區降水年際和年內變化較大，有效降水量少，大氣干燥，43 a（1971—2013年）年平均降雨量為388mm，60%～69%的降雨量主要集中在6—9月，且降雨以無效降雨（＜5mm）為主［3－4］。天然降水不足、變化頻率較大和降雨時期與作物需水期錯位使干旱災害頻繁發生和糧食產量低而不穩［5－6］。

為了降低干旱危害和解決糧食安全生產問題，該地區農民應用雨水集流系統進行雨水收集和利用。壟溝集雨種植技術，尤其全膜雙壟溝播種玉米技術，在該地區發展較為完善。壟溝集雨種植技術指平地或緩坡地沿等高線起壟，形成壟溝相間微地形。壟溝集雨覆蓋技術結合保護性耕作和覆蓋技術，在通常情況下，壟覆蓋作為集雨區，溝覆蓋或無覆蓋作為種植區，壟覆膜減少土壤水分蒸發，2個面（壟面和溝面）降雨用于1個面（溝面），壟產生徑流與溝內降雨進行疊加，將無效降雨（＜5 mm）變為有效降雨，促進降水入滲，增加種植區（溝）土壤含水量，從而提高降雨資源利用效率［7－8］。覆蓋材料阻礙表層土壤界面與大氣熱交換，從而減緩了土壤溫度的晝夜變化，對提高作物出苗和減緩春寒具有明顯作用［9－10］。壟溝集雨種植技術設計參數隨降雨量、降雨類型、作物種類、土壤類型、覆蓋材料等變化而變化［11－13］。

植物對土壤水分的利用效率主要取決于土層中根系分布特征值和吸水速率［14］。根系分布特征值主要取決于根系形態和構型，根系吸水速率主要取決于土壤水分、溫度和通氣狀況等［15－16］。植物根系對外界環境變化具有較好自我調節（可塑性）功能［17］。在壟溝集雨種植系統中，溝覆蓋引起溝內土壤溫度和土壤水分等變化，進而改變根系指標和分布規律［18－19］。高玉紅等［20］研究結果表明，壟溝集雨種植玉米根干重主要集中在0～30 cm土層，且溝中的玉米根干重明顯大于壟中。鄒聰明等［21］研究表明，與傳統耕作相比，秸稈覆蓋明顯增加玉米苗期的根干重、根長和根表面積。楊青華等［22］研究結果表明，與無覆蓋相比，普通地膜和液體地膜覆蓋使棉花前期具有較高根系活力和根干重，但不利于棉花根系下扎，使深層根系衰減較快。熊瑛等［23］研究表明，煙草根系活力和根干重排列次序為普通地膜覆蓋＞液體地膜覆蓋＞無覆蓋，普通地膜覆蓋和液體地膜覆蓋促進根系活力和抗逆性，可以延緩作物早期衰老。周昌明等［24］研究結果表明，與無覆蓋相比，平地生物可降解地膜全覆蓋、壟覆生物可降解地膜和溝壟生物可降解地膜全覆蓋的玉米根系密度分別增加9.23%、13.85%和16.92%。

國內外關于壟溝集雨種植技術覆蓋材料多采用普通地膜。普通地膜主要成分是一種人工合成的分子結構非常穩定的聚乙烯、聚氯乙烯等高分子材料，在自然條件下很難降解，不易通過細菌、酶等生物方式降解，難以直接回收［25］。近年來，隨壟溝集雨覆蓋技術的推廣，普通地膜覆蓋產生大量殘留，引起白色污染，殘留地膜不利于農機耕作和作物生長，引起土壤透氣性、土壤動物和微生物數量下降，限制土壤水分和養分運移，阻礙作物根系正常生長，導致土壤質量下降和作物減產，尤其對采食動物健康造成威脅［26－27］，從而限制該地區農牧業可持續發展。利用生物可降解材料（作物秸稈、樹葉、樹皮、干草等有機材料）進行覆蓋和種植，該覆蓋材料具有透氣、透水、集雨保墑、易降解和增產等效果［28－29］。在壟溝集雨種植條件下，本試驗研究不同溝覆蓋生物可降解材料對土壤含水量、玉米根干重、根長、根表面積、根體積等影響，為壟溝集雨種植溝覆蓋材料選擇提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于2013年4月20日—10月15日在中國氣象局蘭州干旱氣象研究所定西干旱氣象與生態環境試驗基地（35°33′N，104°35′E，海拔1 896.7 m）進行。該試驗基地位于甘肅省定西市安定區，屬黃土高原丘陵區和半干旱地區，屬典型的溫帶大陸性季風氣候。光能較多，雨熱同季，氣候干燥。年均≥0℃積溫2 933.5℃，年均≥10℃積溫2 239.1℃。年日照時間為2 433 h，年均氣溫6.7℃，極端最高最低氣溫分別為34.3℃和－27.1℃。空氣相對濕度65.8%，年均降雨量386.1 mm。降水較少，且極不規律，5—10月降雨量占年降雨量的86.9%；蒸發強烈，年蒸發量（1 531mm）是年均降雨量的4.0倍；無霜期為140 d。

試驗地地勢平坦，表層土壤為重壤土，地力相對均勻。田間持水量為25.6%，凋萎系數為6.7%。試驗區土壤肥力狀況見表1。當地耕作制度為1年1熟，主要種植作物有春小麥（Triticumɑestivum）、燕麥（Avenɑsɑtivɑ）、玉米（Zeɑmɑys）、高粱（Sorghum bicolor）、蠶豆（Viciɑfɑbɑ）、馬鈴薯（Solɑnum tuberosum）、谷子（Pɑnicum miliɑceum）和胡麻（Sesɑmum indicum）等。

表1 試驗區土壤肥力狀況Table 1 Soil fertilities of the experimental plots

1.2 試驗設計

試驗以玉米（Zeɑmɑys）為供試作物，品種為沈單16號，采用田間壟溝覆蓋集雨種植技術，壟為集雨區，溝為種植區，小區隨機排列，共設4個處理，包括3種溝覆蓋和平作無覆蓋，重復3次。壟覆蓋材料均為生物可降解地膜，3種溝覆蓋方式分別為無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋。生物可降解地膜為德國BASF化工廠生產（基料為淀粉和生物材料，生物材料來源于玉米秸稈和其他可再利用原材料），厚度為0.008 mm，寬度為1.4 m，將寬度1.4m生物可降解地膜切割為寬0.6、0.8 m，將寬度0.6m生物可降解地膜覆蓋于寬度45 cm壟上，寬度0.8m生物可降解地膜覆蓋于寬度60 cm溝中，在壟角處生物可降解地膜埋入土壤深度為5～10 cm。秸稈覆蓋采用當地燕麥秸稈，粉碎成5～10 cm長的碎段，一次性均勻覆蓋在溝內，覆蓋量為9 000 kg·hm－2，然后撒4 000～5 000 kg·hm－2碎土覆于秸稈上，以免秸稈被風吹走。壟寬為45 cm，溝寬為60 cm，壟高為15～20 cm，壟形為弧形，壟沿等高線修筑。玉米種植示意見圖1。每個試驗小區有3條溝和4條壟，小區面積為36 m2（10 m長×3.6 m寬），小區編號、面積及溝覆蓋材料見表2。

圖1 溝壟集雨種植玉米示意圖Fig.1 Schematic diagram of ridge－furrow rainwater harvesting formaize production

表2 壟溝集雨種植玉米試驗設計Table 2 Experimental design formaize production in ridge-furrow rainwater harvesting system

1.3 種植管理

試驗地前茬連續種植6 a馬鈴薯，2012年馬鈴薯收獲后，翻地和耱地各1次。玉米播種前7 d（2013年4月13日）整地、劃分小區、起壟和覆膜。根據當地施肥經驗，施加420 kg·hm－2過磷酸鈣和220 kg·hm－2尿素作為基肥，播種前（2013年4月19日）將2種肥料混合撒施于溝土壤表面，然后翻入土壤，施肥深度20～30 cm。2013年4月20日穴播播種玉米，播種密度5.25×104株·hm－2，播種深度3～5 cm，每條溝種植2行玉米。玉米播種完成后，為了保護土壤水分，即刻在種植溝內覆蓋生物可降解地膜和秸稈。在2013年5月10日18∶00—20∶00放苗，每個穴留1株健壯玉米。整個玉米生育期不追肥和灌溉，采用人工除草，禁止人為踩踏壟和破壞壟覆蓋材料，人工除草時間分別為2013年5月10日、6月15日和7月23日。2013年10月15日人工收獲玉米后，將生物可降解地膜和秸稈殘留翻耕埋入土壤深度20～30 cm。

1.4 土壤含水量和根系分布特征參數測定

在玉米全生育期，土壤含水量測定間隔為25～30 d，測定深度40 cm，按10 cm分層，采用烘干法（105℃，10 h）測定土壤含水量，每1小區的3條溝隨機選取3個樣點，采樣點居于溝中心和壟弧頂，同一層次3個樣點的土樣均勻混合。

玉米收獲后（10月16日）用挖掘法取根樣，分別在壟上和溝內開挖樣方，壟上開挖樣方的長和寬分別為45 cm（壟寬）和35 cm（株距），溝內開挖樣方的長和寬分別為60 cm（溝寬）和35 cm，壟上和溝內取樣深度40 cm，壟和溝取樣深度以溝面為標準，按10 cm分層。先將挖出的根放入水池中浸泡1 h，然后用沖根器將根系沖洗干凈，在實驗室用掃描儀（Epson Perfection 4990 Photo型）進行掃描，掃描儀的分辨率為300 dpi。用Win－RHIZO根系掃描與分析系統測定根樣有關特征指標，計算不同土層單位土體根長（cm·cm－3）、根表面積（cm2·cm－3）和根體積（cm3·cm－3）等特征參數。將掃描后所有根系脫水，然后放在65℃烘箱烘干至恒重，稱重計算不同土層單位土體的根干重（g·cm－3）。

1.5 數據處理

利用完全隨機模型分析溝覆蓋材料對玉米根系分布特征的影響，將3次重復收集的參數采用SPASS 19.0與Excel 2010軟件進行方差分析和顯著性檢驗；方差分析多重比較用Duncan法（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 玉米生育期降雨量特征

2013年試驗地年降雨量為448.8 mm，與近41年（1972—2012年）年平均降雨量（383.3 mm）相比，2013年是豐水年。由圖2可以看出，在2013年玉米全生育期（04－20—10－15）降雨次數為80次，降雨量為417.2 mm，占年降雨量的93.0%。通過對玉米全生育期降雨量數據統計，＜5 mm、5～10 mm、10～20 mm和＞20 mm的降雨次數分別為55、13、6和6次，占總降雨次數的比例分別為68.8%、16.3%、7.5%和7.5%。＞5 mm降雨定義為有效降雨，無效降雨次數（55次）大于有效降雨次數（25次），但無效降雨對總降雨量貢獻率（23%）明顯小于有效降雨貢獻率（77%），降雨分布不規則，其中4、5、6、7、8、9和10月降雨量分別為12.8、64.1、44.1、145.0、86.0、61.3mm和3.9mm，分別占玉米全生育期降雨量的3.1%、15.4%、10.6%、34.8%、20.6%、14.7%和0.9%。

圖2 2013年玉米生育期降雨量Fig.2 Rainfall duringmaize growing seasons in 2013

2.2 覆蓋材料對0～40 cm土壤含水量的影響

土壤含水量是限制植物地上部和地下部生長的重要因素，土壤水分動態變化受降雨、植物蒸騰、土壤表面蒸發、土壤水分深層滲漏和側向運移等影響（圖3）。從圖3可以看出，土壤含水量隨降雨量增加而增加，隨植物蒸騰和土壤表面蒸發增加而減少。玉米苗期（04－21—05－19）降雨量為62.9 mm，日平均降雨量（2.2 mm·d－1）中等，氣溫較低和植株矮小，蒸散量和蒸發量較小，溝中土壤含水量隨生育期逐漸增加；玉米拔節期（05－20—07－24）降雨量為164.1 mm，日平均降雨量（2.5 mm·d－1）中等，氣溫較高、植株蒸騰和棵間蒸發較大，溝中土壤含水量隨生育期逐漸降低，拔節期～大喇叭口期溝中土壤含水量達到全生育期最低值；玉米大喇叭口～開花期（07－25—09－21）降雨量為180.9 mm，日平均降雨量（3.2mm·d－1）較高，氣溫、植株蒸騰和棵間蒸發達到最大值，溝中土壤含水量隨生育期逐漸提高；玉米成熟期（09－22—10－15）降雨量為9.3 mm，日平均降雨量（0.4 mm·d－1）較低，氣溫降低和植株成熟，蒸散量和蒸發量較小，溝中土壤含水量隨生育期逐漸降低。與溝中土壤含水量相比，壟中土壤含水量隨降雨、植物蒸騰、土壤表面蒸發等變化不明顯，其變化規律滯后于溝中土壤含水量。

在玉米全生育期，各處理溝中土壤含水量明顯大于壟中，不同處理溝中土壤含水量差異明顯大于壟中。玉米全生育期耕作層（0～40 cm）土壤含水量平均值，平作土壤含水量為16.9%，生物可降解地膜覆蓋、秸稈覆蓋和無覆蓋溝中土壤含水量分別為18.9%、18.6%和18.2%，壟中土壤含水量分別為15.2%、16.0%和14.9%。與平作相比，無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋耕作層的溝中平均土壤含水量分別增加6.9%、10.6%和9.3%，壟中平均土壤含水量分別降低13.8%、10.9%和5.6%。

圖3 溝覆蓋材料對溝中和壟中0～40 cm土壤含水量的影響Fig.3 Effects of furrowmulchingmaterials on soilwater content in 0～40 cm soil depth at furrow bottoms and ridge tops

2.3 覆蓋材料對玉米根干重的影響

玉米根系生物量及在土壤中分布規律與其吸收礦質元素和水分的能力密切相關。從表3可以看出，玉米根干重隨土壤深度增加而急劇減少，土壤深度0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm的玉米根干重（溝中＋壟中）占0～40 cm總根干重比例，平作比例分別為57%、22%、14%和7%，無覆蓋比例分別為55%、23%、14%和8%，生物可降解地膜覆蓋比例分別為66%、17%、9%和8%，秸稈覆蓋比例分別為60%、17%、14%和9%。不同溝覆蓋材料不同土壤深度玉米根干重比例分配差異不明顯。溝中玉米根干重明顯大于壟中，溝中玉米根干重與壟中玉米根干重比值隨土層深度增加而減少。土壤深度0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm溝中與壟中比值，無覆蓋比值分別為5.6、2.4、1.5和1.1，生物可降解地膜覆蓋比值分別為4.7、3.1、1.8和1.1，秸稈覆蓋比值分別為10.9、2.1、1.2和0.8。秸稈覆蓋在夏季高溫季節，緩沖高溫效應，為0～10 cm土層根系生長和延緩衰老提供有利條件。0～40 cm土層玉米總根干重（壟中＋溝中）排列次序為平作＞生物可降解地膜覆蓋＞無覆蓋＞秸稈覆蓋，平作的玉米總根干重顯著大于秸稈覆蓋和無覆蓋，生物可降解地膜覆蓋與其它3種處理均差異不顯著。與平作相比，無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的玉米總根干重分別降低15.9%、6.1%和16.8%。

2.4 覆蓋材料對玉米根長的影響

植物根系長度受遺傳特性、土壤水分、土壤養分和溫度等的影響，當遺傳特性一致時，土壤水分是根系生長的主要信號，根系長度決定植物吸水時間和吸水速率，從而影響植物地上部光合能力和同化物分配。壟溝集雨改變植物生長區的水熱狀況，從而影響植物根系生長和分布。從表4可以看出，無覆蓋壟中玉米根長略大于溝中，生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的溝中玉米根長明顯大于壟中，溝中玉米根長與壟中玉米根長比值隨土層深度增加而減少。土壤深度0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm的溝中玉米根長與壟中玉米根長比值，無覆蓋比值分別為0.6、1.7、0.9和0.8，生物可降解地膜覆蓋比值分別為1.2、2.3、1.6和1.2，秸稈覆蓋比值分別為2.2、2.3、0.9和0.8。土層深度0～40 cm玉米總根長（壟中＋溝中），生物可降解地膜覆蓋的玉米總根長顯著大于無覆蓋，無覆蓋的玉米總根長顯著大于秸稈覆蓋，秸稈覆蓋的玉米總根長顯著大于平作，玉米總根長排列次序為生物可降解地膜覆蓋＞無覆蓋＞秸稈覆蓋＞平作。與平作相比，無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋玉米總根長（壟中＋溝中）分別增加37.6%、43.7%和34.8%。如果深層土壤水分較高，植物根系偏重縱向伸展，根系分布較深；如果淺層土壤水分較高，植物根系偏重橫向伸展，根系分布較淺。與傳統平作種植相比，壟溝集雨種植覆蓋材料減少土壤水分蒸發和提高種植區土壤含水量，從而影響根系縱向和橫向分布。壟中較高土壤含水量和疏松土壤有利于根系伸長，使無覆蓋壟中植物根系長度略高于溝中，秸稈覆蓋和生物可降解地膜覆蓋有利于溝中玉米根系縱向和橫向伸長。當土壤溫度較低時，根系伸長生長隨土壤溫度的升高而增加，在大多數玉米生長季節，無覆蓋的土壤溫度明顯高于秸稈覆蓋，無覆蓋的玉米總根長顯著大于秸稈覆蓋。

表3 覆蓋材料對玉米根干重的影響／（×10－3g·cm－3）Table 3 Effects ofmulchingmaterials on root drymatter ofmaize

表4 覆蓋材料對玉米根長的影響／（×10－3cm·cm－3）Table 4 Effects ofmulchingmaterials on root length ofmaize

2.5 覆蓋材料對玉米根表面積的影響

根表面積是植物根系吸附能力的重要標志，根表面積越大，根系活力和吸附能力越強。當植物根系發育空間受限和生長于不良環境時，植物通過增加根表面積和根系活力，抵抗不良外界環境。不同溝覆蓋材料的玉米根表面積隨土壤深度分布規律與根長類似（表5）。溝中玉米根表面積明顯大于壟中，溝中玉米根表面積與壟中玉米根表面積比值隨土層深度增加而減少。土壤深度0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm的溝中玉米根表面積與壟中玉米根表面積比值，無覆蓋分別為0.8、1.9、1.0和0.9，生物可降解地膜覆蓋分別為1.8、3.1、1.6和 1.2，秸稈覆蓋分別為2.9、2.3、1.0和0.9。土壤深度0～40 cm平均值，無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的溝中玉米根表面積與壟中玉米根表面積比值分別為1.1、1.9和1.8。土層深度0～40 cm玉米總根表面積（壟中＋溝中），生物可降解地膜覆蓋的玉米總根表面積顯著大于秸稈覆蓋，秸稈覆蓋的玉米總根表面積顯著大于無覆蓋，無覆蓋的玉米總根表面積顯著大于平作，玉米總根表面積排列次序為生物可降解地膜覆蓋＞秸稈覆蓋＞無覆蓋＞平作。與平作相比，無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的玉米總根表面積分別增加10.5%、33.6%和15.0%。

表5 覆蓋材料對玉米根表面積的影響／（×10－3cm－2·cm－3）Table 5 Effects ofmulchingmaterials on root surface area ofmaize

2.6 覆蓋材料對玉米根體積的影響

根體積是根系數量、長度以及分枝數的綜合體現，是植物與土壤環境之間的綜合反應。從表6可以看出，溝中玉米根體積明顯大于壟中，溝中玉米根體積與壟中玉米根體積比值隨土層深度增加而減少。土壤深度0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm的溝中玉米根體積與壟中玉米根體積比值，無覆蓋分別為1.0、2.2、1.2和1.0，生物可降解地膜覆蓋分別為2.7、3.0、1.6和1.2，秸稈覆蓋分別為3.8、2.3、1.2和1.0。土壤深度0～40 cm平均值，無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的溝中玉米根體積與壟中玉米根體積比值分別為1.3、2.2和2.0。土層深度0～40 cm玉米總根體積（壟中＋溝中），生物可降解地膜覆蓋的玉米總根體積顯著大于平作，平作的玉米總根體積顯著大于秸稈覆蓋，秸稈覆蓋的玉米總根體積顯著大于無覆蓋，玉米總根體積排列次序為生物可降解地膜覆蓋＞平作＞秸稈覆蓋＞無覆蓋。與平作相比，無覆蓋和秸稈覆蓋的玉米總根體積分別降低34.5%和16.3%，生物可降解地膜覆蓋的玉米總根體積增加13.2%。

表6 覆蓋材料對玉米根體積的影響／（×10－3cm－3·cm－3）Table 6 Effects ofmulchingmaterials on root volume ofmaize

3 討論

在壟溝集雨種植系統中，壟覆膜作為集雨區，溝覆蓋或無覆蓋作為種植區，壟上徑流和溝中降雨在溝中產生疊加，從而增加溝中土壤含水量，溝中部分土壤水分側滲到壟下土壤，當遇到干旱時，溝中與壟中土壤水分進行重新分配，供干旱時作物吸收和利用。本研究結果表明，壟溝集雨種植的溝中土壤含水量明顯大于壟中，溝中土壤含水量隨降雨、植物蒸騰、土壤表面蒸發等變化明顯，壟中土壤含水量變化不明顯，壟中土壤含水量變化滯后于溝中土壤含水量。壟溝集雨種植溝中土壤含水量明顯高于傳統平作，但壟中土壤含水量明顯低于傳統平作，覆蓋增加溝中土壤含水量，溝中土壤含水量排列次序為生物可降解地膜覆蓋＞秸稈覆蓋＞無覆蓋，壟中土壤含水量排列次序為秸稈覆蓋＞生物可降解地膜覆蓋＞無覆蓋。

植物地下發育狀況是植物地上部光合和產量形成的反饋過程，健壯植物根系發育促進地上部光合和產量形成，而地上部光合和生長發育為根系的生長提供必需的物質基礎［30］。植物根系指標受遺傳特性和外界環境的共同影響，當植物受到環境脅迫時，根系進行自我調節，降低環境脅迫對自身傷害。植物根系對環境的調節能力與環境狀況、植物類型、植物生育期等有關［31］。壟溝集雨種植改變土壤微地形、土壤水分、土壤溫度和風速等外界環境條件，提高溝中土壤水分和溫度，從而使溝中根干重、根長、根表面積和根體積明顯大于壟中。本研究表明，根干重、根長、根表面積和根體積隨土層深度增加而急劇減少。苗果園等［32］研究表明，作物根干重隨土壤深度增加符合指數遞減方程，須根系作物隨土壤深度增加根干重遞減率較小，直根系作物隨土壤深度增加根干重遞減率較大。

壟溝集雨種植溝中較高土壤含水量有利于根系生長和延伸，但不利于根系干物質積累。與傳統平作無覆蓋相比，無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的玉米總根干重分別降低15.9%、6.1%和16.8%。植物根系生物量及其空間分布規律是植物抗旱能力的重要標志，它影響植物對土壤水分和營養元素吸收，從而影響冠層生長發育和產量形成［33］。與壟溝集雨種植相比，傳統平作土壤水分較低，為了獲得更多水分和養分資源，植物分配到地上部分的同化物較少，冠層生長速度較慢和不旺盛，而具有較高根系生物量。楊青華等［22］研究結果表明，生物可降解液體地膜（噴施量112.5～150 kg·hm－2）明顯提高土壤溫度和土壤含水量，降低土壤水分蒸發和土壤容重，促進棉花根系吸收和合成能力。

當植物遇到干旱脅迫時，根系最早感知干旱脅迫，并將該信號傳給地上部分，使作物莖稈葉生長受到抑制，為了降低干旱脅迫對植株造成生理傷害，植物繼續加大根系生長［34］。朱維琴等［35］研究表明，植物通過加大根表面積而利用深層土壤水分，通過增加深層單位土體內的根系數量抵抗干旱脅迫。本研究表明，與傳統平作無覆蓋相比，溝無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋玉米總根長分別增加37.6%、43.7%和34.8%，玉米總根表面積分別增加10.5%、33.6%和15.0%。當土壤含水量較低時，為了獲得更多土壤水分和較多籽粒產量，植物延伸根系生長，從而增加根長和根表面積，但根直徑降低。

4 結論

本研究結果表明，玉米根干重、根長、根表面積和根體積隨土層深度增加而急劇減少，壟溝集雨種植溝中的土壤含水量、玉米根干重、根長、根表面積和根體積明顯大于壟中。與平作相比，無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋耕作層的溝中平均土壤含水量分別增加6.9%、10.6%和9.3%。平作、無覆蓋、生物可降解地膜覆蓋和秸稈覆蓋的0～40 cm玉米總根干重分別為2.14、1.80、2.01×10－3g·cm－3和1.78×10－3g·cm－3，總根長分別為3 172、5 083、5 630×10－3cm·cm－3和4 868×10－3cm·cm－3，總根表面積分別為579.6、647.7、873.4×10－3cm－2·cm－3和682.1×10－3cm－2·cm－3，總根體積分別為9.04、6.72、10.41×10－3cm－3·cm－3和7.77×10－3cm－3·cm－3。與平作相比，壟溝集雨種植降低根干重，但增加根長和根表面積，尤其生物可降解地膜覆蓋效果更明顯。

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Effects of furrow-mulchingmaterials on soilmoisture and maize root distribution in ridge-furrow rainwater harvesting system

LIFu-chun1，WANG Qi1，ZHANG Deng-kui1，ZHANG En-he2，LIU Qing-lin2，WANG He-ling3
（1.College of Grɑsslɑnd Science，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；2.Agronomy College，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；3.Key（Open）Lɑborɑtory of Arid Climɑtic Chɑngingɑnd Reducing Disɑster of Gɑnsu Province，Institute of Arid Meteorology，ChinɑMeteorologicɑl Administrɑtion，Lɑnzhou，Gɑnsu 730020，Chinɑ）

In order to screening environmental friendlymulchingmaterials and elucidate themechanism of yield increase in ridge-furrow rainwater harvesting system，a field experimentwas conducted to investigate the effects of different furrow mulchingmethods（non-mulching，biodegradable film mulching and strawmulching）on soilmoisture and root dry matter，length，surface area and volume ofmaize in semi-arid areasof the Loess Plateau.The results showed that the soil water content and the values of physiological characteristics（drymatter，length，surface area and volume）ofmaize roots within furrow soil profileswere clearly higher than thatwithin ridge soil profiles.Compared with traditional flat planting withoutmulching，average soil water content within furrow soil profiles increased during maize growing season was 6.9%，10.6%and 9.3%for non-mulching，biodegradable film mulching and straw mulching，respectively，while within ridge soil profiles decreasewas13.8%，10.9%and 5.6%.Total root drymatter（ridge＋furrow）ofmaize decreased by 15.9%，6.1%and 16.8%.Total root length ofmaize increased by 37.6%，43.7%and 34.8%，and total root surface area ofmaize increase was 10.5%，33.6%and 15.0%.Total root volume ofmaize decreased by 34.5%and 16.3%for non-mulching and strawmulching，respectively，but increased by 13.2%for biodegradable film mulching.Root drymatter ofmaize decreased，but soilmoisture，root length and root surface area ofmaize increased inridge-furrow rainwater harvesting system，compared with the traditional flatplantingwithoutmulching.Biodegradable film mulching had a higher soilwater content，root length，surface area and volume ofmaize than other furrowmulchingmethods.

maize；ridge-furrow rainwater harvesting；furrow mulchingmaterial；soilmoisture；root

S513；S152.7

：A

1000-7601（2017）01-0033-08

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.06

2016-01-23

國家自然科學基金（41461062）

李富春（1987—），男，甘肅通渭人，碩士研究生，主要從事半干旱區牧草集雨灌溉和水土保持研究。E-mail：769506499＠qq.com。

王琦（1969—），男，副教授，主要從事干旱區農作物節水研究。E-mail：wangqigsau＠gmail.com。