黃土高原旱塬區不同覆蓋模式下冬小麥耗水特征及根系生長規律研究

潘小蓮，李 秀，趙 英，張建國，張阿鳳，馮 浩

(1.西北農林科技大學資源環境學院/農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

根系是冬小麥吸收水分和養分的重要器官，其生長動態可反映冬小麥的生長發育狀況，對籽粒產量具有極其重要的影響[1-2]。冬小麥根系的生長主要受遺傳因素和土壤水肥條件影響[3-4]，而農田耕作措施如耕翻、覆蓋等通過影響土壤水肥條件而顯著影響根系生長[5-8]。因此，在旱作農業生產區，研究不同覆蓋模式下冬小麥根系生長變化規律對指導冬小麥生產具有重要意義。由于作物根系隱藏在土壤中，研究根系生長動態較為困難，傳統的根系生長研究方法往往費力耗時，甚至會破壞土壤-根系系統，不利于獲得準確的根系生長動態結果。

目前，對于冬小麥根系的研究主要是利用人工取樣和剖面觀察的方法。馮福學等[5]利用根鉆法研究認為，免耕秸稈覆蓋會顯著增加冬小麥根系總干重和總根長；蔡永強等[6-7]利用剖面觀察法分析發現，覆膜會減少土壤深層根量，增加淺層根量；而鄭 飛等[8]研究表明，壟作可以提高小麥發根潛力，促進根系發育，從而提高產量。微根管技術是一種非破壞性的、可原位直接觀察植物細根的研究方法，能系統、便捷地對根系的生長過程進行長期定位監測[8-9]。該技術已經廣泛應用到施氮水平、耕作制度、不同生育時期和不同品種之間作物根系動態變化的研究[10-14]。但目前關于不同覆蓋模式下旱塬區冬小麥根系生長及耗水特征的研究報道較少。本研究利用微根管法探究不同覆蓋模式下黃土高原旱塬區冬小麥根系生長動態、耗水特征及產量，以期為農田栽培模式的優化提供理論依據及技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2013年10月-2015年6月在西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院灌溉試驗站進行(34°20′N， 108°24′E，海拔521 m)。該站地處渭河三道臺塬地區，地下水埋藏較深，其向上補給量可以忽略不計。長期監測結果顯示，該地年均氣溫為13.0 ℃。2013-2014和2014-2015兩年度冬小麥生育期內降雨分布見圖1，其中兩個年度降雨量分別為303.2和232.7 mm，平均氣溫分別為8.64和9.00 ℃。試驗區土壤類型土墊旱耕人為土，初始土壤理化性質見表1。

1.2 試驗設計

田間試驗設置平作不覆蓋、秸稈覆蓋平作(行間均勻覆蓋小麥秸稈，覆蓋量為0.4 kg·m-2)、半膜覆蓋壟作(播前起壟，壟上覆白膜，膜間溝內種植2行小麥，先覆膜后種植)和壟覆膜溝覆秸稈(播前起壟，壟上覆白膜，膜間溝內先種植2行小麥后覆秸稈，覆蓋量為0.4 kg·m-2)4個處理，分別用T0、T1、T2和T3表示，壟寬30 cm，壟間溝寬30 cm。各個處理均基施純氮120kg·hm-2、P2O5100 kg·hm-2和K2O 50kg·hm-2，返青前追施純氮30 kg·hm-2。采用隨機區組試驗設計，每個處理重復3次，小區為東西走向，面積10 m2(5 m×2 m )，每個小區之間有0.5 m寬的保護行。2013年小麥于10月9日播種，次年6月5日收獲；第2年小麥于2014年10月15日播種，次年6月8日收獲。兩年播種量均為187.5 kg·hm-2，每個小區有6行小麥，行距30 cm，均勻條播，供試冬小麥品種為小偃22。其他田間管理措施如除草、病蟲害防治等按正常田間管理進行。

圖1 試驗期間(2013-2014和2014-2015)冬小麥生育期內降雨量分布Fig.1 Distribution of precipitation during the two growing seasons(2013-2014 and 2014-2015) of winter wheat表1 試驗地基本土壤理化性質Table 1 Basic physiochemical properties of soil at the experimental site

層次Layer/cm容重Bulk density/(g·cm-3)有機質Organic matter/(g·kg-1)有效磷Available phosphorus/(mg·kg-1)速效鉀Available potassium/(mg·kg-1)田間持水量Field water capacity/%砂粒 Sand(2～0.02 mm)/%粉粒 Silt (0.02～0.002 mm)/%粘粒 Clay (<0.002 mm)/%0～201.2728.5120.91174.5922.1730.4641.6327.9120～401.5714.01--26.4357.1526.3616.4940～601.4012.49--26.2465.0221.5713.4160～801.358.89--26.0334.2544.5221.2380～1001.398.8025.1849.2132.1218.67

1.3 觀測項目與方法

1.3.1 微根管的安裝

CI-600根系監測系統(CID Bio-Science, Camas，WA， USA)由微根管、微型攝像頭和WinRHIZOTron圖像分析軟件3部分組成，采集圖像尺寸為21.56 cm×19.56 cm。微根管(長200 cm，內徑6.4 cm)于2013年11月安裝，在每個處理安裝微根管動態監測根系生長動態，安裝角度與地面夾角為45°，上部約20 cm露出地面，并用黑色薄膜與膠帶包裹，防止陽光照射進入管內，影響微根管附近根系的生長，同時在管口安裝頂蓋防止雨水和灰塵進入管內(圖2)。

1.3.2 根系的測定

原位監測根系時，將附有滑竿的微型攝像頭與計算機連接，借助CI-600根系監測系統配備的掃描軟件于冬小麥的不同生育時期(越冬期、拔節期、抽穗期與成熟期)獲取0～130 cm土壤根系圖像(滑竿移動深度為10 cm，共13個土層)。將每次獲取的有重疊部分的圖片用Adobe Photoshop CS6軟件拼接成一張完整的根系圖片，然后裁剪成不同深度圖片，再利用MATLAB軟件的輔助圖像處理功能(包括圖像對比增強、圖像二值化、中值濾波、對象標注、特征度量等步驟)，設計出基于圖像識別和根系參數計算的處理程序，對所獲取的根系圖像進行分析處理，以獲得根系根長、根面積等根系形態參數。

a： 縱切圖;b：平面圖；c：2014年1月9日小麥根系圖;d：2014年3月1日小麥根系圖。

a：Transverse plane image;b：Plane image；c：Roots of winter wheat on January 9, 2014;d：Roots of winter wheat on March 1, 2014.

圖2微根管安裝及不同時間應用微根管觀測的小麥根系

Fig.2Diagramofminirhizotroninstallationandrootsofwinterwheatdetectedbyminirhizotronatdifferentperiods

1.3.3 土壤水分測定

試驗期間，運用Trime-TDR每7 d手動監測0～140 cm土層土壤體積含水量，每10 cm監測一次數據，重復三次。

1.3.4 冬小麥產量的測定

選取1 m2的樣方進行冬小麥實際產量的測定，各處理重復三次，計算冬小麥的籽粒產量和生物產量。

1.4 數據統計分析

1.4.1 根系密度的計算

利用MATLAB軟件對微根管系統獲得的圖片進行處理，并進行根長測定，按已知的圖片面積計算相應的根系密度(root length density, RLD)[14]。

RLD=(L-Sin θ)/(S×D)

式中，RLD為單位體積的根長密度(cm·cm-3)；L為根長(cm)；S為掃描圖片面積(cm2)；D為微根管攝像頭掃描可見的土層厚度，一般為0.2～0.3 cm[10]，本試驗選取D=0.2 cm。由于微根管安裝時與地表呈角度θ，需要將計算的結果轉換成垂直方向的單位體積根長密度。

1.4.2 冬小麥耗水量和水分利用效率的計算

ET=R+△W；WUE=Y/ET

式中，ET為冬小麥耗水量(mm)，R為階段生育期內降水量(mm)，△W為階段土壤水分消耗量(mm)(初期與末期土壤含水量的差),WUE為水分利用效率(kg·hm-2·mm-1),Y為籽粒產量(kg·hm-2)。

1.5 數據處理

運用Microsoft Excel 2007對根系數據進行整理，通過SPSS軟件進行統計分析，采用單因素ANOVA分析法對不同覆蓋模式下作物耗水量進行比較，利用surfer Demo11、OriginPro 9.0對數據進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋模式下麥田土壤水分變化特征

麥田土壤水分含量的季節性動態變化明顯，且隨土層深度的增加而增大(圖3)。在2013-2014年度，降雨集中在小麥播后120～150 d和171～195 d，分別占到了整個生育期降雨量的12.07%(36.6 mm)和41.56%(126 mm)；降雨過后各處理土壤剖面含水量均有顯著增加，其中T2、T3處理變化較明顯，而T1處理僅在0～40 cm深度內增加了土壤含水量。T1處理在整個生育期內40 cm以下的土層含水量均小于其他處理。T2處理的整個土壤剖面含水量都較高。T3處理在生育期內的表層土壤含水量較T2處理有所下降，深層土壤含水量并無明顯差異。在2014-2015年度，總降雨量為232.7 mm，降雨主要集中在播后155～191 d(139.5 mm);降雨過后，土壤含水量快速上升，此時冬小麥處于返青-拔節-抽穗期，集中降雨有助于產量的增加。在此期間，兩個壟作處理(T2和T3)的土壤含水量均達到34%，說明半膜壟作集雨效果更好。

小麥耗水量隨生育進程逐漸增大(圖4)。在2013-2014年度，T0、T1、T2處理的抽穗期耗水量均出現下降，而T3處理并沒有下降，說明其水分儲存較強。在2014-2015年度，耗水量變化趨勢大致與2013-2014年度相似。但由于降水量的減少，所有處理的整個生育期耗水量都小于2013-2014年，且T0、T1、T2處理耗水量從抽穗期開始均持續上升，T3處理略降。

2.2 不同覆蓋模式下冬小麥根長特征

從冬小麥根長密度在土壤剖面中的分布變化(圖5)可以看出，隨著生育時期的推移，根系逐漸下扎，深層根量不斷增加。拔節期(播種后180 d左右)，各土層根系數量均達到最大值，且不同處理間根長密度出現明顯差異。在2013-2014年度，T0處理根系主要集中在80～130 cm土層，占總根系的55.45%，其中0～20 cm土層根系占18.05%。T1處理的根系主要集中在10～30 cm土層(21.79%)和100～130 cm土層(26.30%)。

T2處理的小麥根系主要集中0～20 cm土層(28.07%)和50～90 cm土層(45.60%)。T3 處理根系主要集中在10～20 cm和70～100 cm土層，分別占總根系的13.24%和35.14%，說明壟作覆膜促使小麥根系主要在土壤表層富集。T0、T1、T2、T3處理根長密度最大值分別為2.09、1.29、1.84和1.97 cm·cm-3，T0處理具有的根長密度值最大是由于其根系分布較集中。在2014-2015年度，由于降雨較少，各處理在整個生育期的表層根系數量較少，根系主要集中于60 cm以下的深層土壤，根系最大值出現在播種后160～180 d。T0、T1、T2和T3處理的根系分別主要集中在100～130、90～130、50～90、60～110 cm土層，分別占總根系的51.07%、68.59%、45.90%、60.09%，根長密度最大值分別為0.60、3.48、2.69、2.47 cm·cm-3, 根系分布均較集中。降雨減少時，小麥根系主要富集在60 cm以下土層，而當雨量充沛時，起壟、秸稈和地膜覆蓋等保護性措施還會在0～30 cm土層使根系形成另一個富集區。從深層土壤來看，冬小麥根系在土壤中集中區域離地表的深度表現為T2

圖3 不同覆蓋模式下土壤剖面水分時空分布特征Fig.3 Temporal and spatial distribution characteristics of soil moisture under different mulching patterns

圖4 不同覆蓋模式下土冬小麥不同生育期耗水量特征Fig.4 Water consumption of winter wheat under different mulching patterns at different growth stages

2.3 不同覆蓋模式對冬小麥產量與水分利用效率的影響

與T0處理相比，在2013-2014年度，雖然T1和T2處理增加小麥籽粒產量，T1和T3處理增加生物產量，但不同處理間籽粒產量和生物產量差異均未達到顯著水平。在2014-2015年度，秸稈覆蓋處理的籽粒產量與生物產量都高于T0處理，其中T1和T3處理的籽粒產量和生物產量增加效果均達到了顯著水平(表2)。T1、T2和T3處理的2年平均籽粒產量分別比T0處理提高了23.10%、12.24%和20.70%，其中T3處理對籽粒產量的影響兩年差異較大。

圖5 不同覆蓋模式下冬小麥根長密度的時空變化Fig.5 Temporal and spatial distribution characteristics of root length density of winter wheat under different mulching patterns

不同處理間小麥總耗水量無顯著差異，2013-2014年度的耗水量高于2014-2015年度。雖然除T3處理在2013-2014年度外，秸稈覆蓋處理的水分利用效率在兩個年度均高于T0處理，但不同處理間在2013-2014年度差異不顯著，在2014-2015年度只有T1處理顯著高于T0處理，提高43.62%; T1、T2和T3處理的兩年平均水分利用效率分別提高25.42%、 9.68%和 20.13%。這表明秸稈覆蓋對旱地小麥水分有效利用有一定的影響，但程度較小。

表2 不同覆蓋模式對小麥地上部分生物量與水分利用效率的影響Table 2 Effect of biomass and root length root under different covering modes

同列數值后字母不同表示同一年內不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Different letters after the values in same columns mean significantly different among the treatments in same year at 0.05 level.

3 討 論

研究旱區不同覆蓋模式下土壤水分的時空變化對于冬小麥生長具有重要意義[15]。不同覆蓋模式都可以通過改變地表狀況來提高降水利用效率，增加土壤水分含量[16]。秸稈覆蓋平作處理下，由于秸稈覆蓋阻隔蒸發層與地表之間的聯系，削弱了水汽對流交換強度，抑制了蒸發[17]，還可使地表水徑流量降低，增加入滲量[18]。壟作地膜覆蓋將降水匯于溝內，并且地膜覆蓋抑制了水分蒸發，溝內覆蓋秸稈更進一步減少了土壤水分蒸發，起到了蓄水保墑，提升水分利用效率的作用，兩年田間試驗都表明秸稈覆蓋平作能提高水分利用效率，且在第二年達到顯著水平，這與馮 浩等[19]、Sharma等[20]和薛 澄等[21]的研究結果類似。

水分狀況可以影響根系富集深度、水平分布范圍與垂直深度，還會影響根系呼吸等[22-23]。在相對應的土層中，當整體土壤水分含量充足時，小麥根系生長旺盛，表現為根密水大，土壤含水量愈大，根系發育愈多[24]。而當土壤含水量較低時，根系不斷下扎以吸取深層水分，提高深層水分利用效率，維持作物生長發育[25-26]。本試驗得到類似結論：2013-2014年度各處理根系主要集中0～30 cm和60 cm以下土層；2014-2015年各處理主要富集在60 cm以下土層，且根系富集深度表現為T2

覆蓋措施一直是干旱半干旱地區農林業提升土壤水分利用效率的主要方法之一。大量研究表明，覆蓋栽培會提升農作物產量[27-29]。薛 澄等[21]研究發現，在渭北旱塬區優化施氮結合壟覆膜溝覆秸稈使產量增加達15%～41%，水分利用效率增加10%～30%。黨廷輝等[30]和張向前等[31]表明，覆蓋措施能提升小麥產量，提升水分利用效率。本研究中，不同覆蓋模式下小麥平均籽粒產量較對照增加23.10%、12.24%和20.70%，T3處理增產不穩定，可能是由于2013-2014年度降水過多，且T3處理強烈的保水作用，使土壤持久濕冷而導致作物減產[32]。不同土壤水分條件下，秸稈覆蓋效果不同[30]。覆蓋處理提升水分利用效率在第一年不顯著，這是因為降水較為豐富，基本可滿足作物生長，使覆蓋作用相對減小。而在第二年覆蓋處理提升水分利用效率作用加強了，且秸稈平作處理達到了顯著增加。由此可知，覆蓋方式能創造良好的水分條件，提高水分利用效率，增加作物產量，其中秸稈覆蓋平作表現最優。

不同覆蓋處理對于冬小麥根系與土壤水分的時空分布的影響具有差異，這種差異能幫助我們進一步開展參數化根系吸水研究。但是本研究各處理差異較小且年際間結果有所不同，進行參數化具有一定難度，有待于更進一步細致分析。

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