灌水定額對覆膜滴灌玉米根系分布和籽粒產量的影響

馬金平，王衛鋒，朱寶才，王雙喜

(1.山西農業大學林學院，030801，山西太谷；2.山西農業大學工學院，030801，山西太谷)

干旱缺水是限制我國北方地區農業生產和生態建設的主要環境因子。覆膜和滴灌技術作為重要水土保持耕作措施，具有節水、增產等優勢，目前在西北干旱區研究已十分成熟[1]。張曉偉等[2]在1999年發現滴灌比畦灌更能提高農田水分利用效率并增加玉米產量。劉戰東等[3]研究認為覆膜滴灌措施下，玉米經濟產量隨滴灌量增加而增加。但以上研究內容主要集中在西北干旱區，山西地處黃土高原東緣，氣候干冷，覆膜和滴灌技術對該地區玉米種植的增產和生態效應研究還相對缺乏；以上研究只考慮了覆膜滴灌技術對作物地上部分產量的影響，缺乏對作物其他部位生理結構的影響研究。

根系作為植物生長發育的最先感應器官，直接影響植株的生長發育與產量[4]，其分布特征隨土壤水分和環境時刻發生變化[5]。研究[6-7]表明：滴灌條件下，滴頭下方作物根系密度會變大，灌水量越少和灌水次數越多，土壤濕潤越淺，作物根系扎的越淺。然而也有試驗[8]認為在干旱區，覆膜阻擋降雨入滲和空氣流通，不利于玉米根系生長和產量增加。方怡向等[9]研究得出膜下滴灌條件下不同滴灌量棉花根系的分布特征，直徑>1 mm的粗根只分布在40 cm以上的土層，但隨著滴灌量減少，土壤深層根系生物量有增加趨勢。覆膜滴灌措施對玉米根系特征及產量的影響還有待于深入研究。

由于黃土高原水資源有限，對該地區農作物實施精準灌溉十分必要。筆者在典型黃土高原農業區山西省太谷縣，研究在覆膜滴灌條件下不同灌水定額對春玉米根系分布特征及籽粒產量的影響，為合理制定春玉米膜下滴灌制度提供科學依據，為大田覆膜滴灌玉米的生產實踐提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年和2017年4—9月在地處山西太谷的山西農業大學林學院實驗基地進行。該基地位于E 112.57°，N 37.43°，屬暖溫帶大陸性氣候；1960—2009年全年平均氣溫10 ℃，4—9月份平均氣溫20.0 ℃；1960—2009年平均降水量約458 mm，4—9 月份平均降水量約400 mm，占全年降水量的73%，2016年和2017年4—9月降雨量分別達531.5 mm和419.9 mm。根據卡慶斯基制土壤質地分類法[10]，試驗地土壤質地為壤土，其基本物理性質見表1。

表1 試驗地土壤基本物理性質Tab.1 Soil physical properties in study site

1.2 田間區組試驗設計及處理

選用山西廣泛種植的春玉米品種龍生16(ZeamaysL. cv. Longsheng 16)，播種前對試驗地塊進行整地、覆膜和滴灌帶鋪設。筆者共設計6個處理，CK(當地傳統旱作模式)：不覆膜+灌水定額0 mm；D1：覆膜+灌水定額0 mm；D2：覆膜+灌水定額8 mm；D3：覆膜+灌水定額12 mm；D4：覆膜+灌水定額16 mm；D5：覆膜+灌水定額20 mm。每種處理3個重復，共計18個試驗小區，隨機布置于實驗大田中。每個試驗小區面積3 m×4 m，區內種植6行植株，各小區間種植2行作為保護行。小區間以PVC板進行隔水處理。播種前澆底水，4月25日人工穴播玉米，播深5 cm左右，單株種植(穴播2粒，5葉期定苗)，播種量45 kg/hm2。地膜采用幅寬為60 cm，厚為0.008 mm的薄膜。滴灌帶選用內鑲片式滴灌帶(北京綠源公司，中國)，0.1 MPa下滴頭標稱流量2.0 L/h，滴頭間距30 cm。寬窄行種植，寬行60 cm，窄行40 cm，窄行進行覆膜處理，為1膜2管2行玉米，滴灌帶鋪設于膜下每行玉米內側，株距30 cm，種植密度6.5萬株/hm2。播后玉米的灌溉制度，由埋置在D2處理的TDR土壤水分時域反射儀控制，苗期至抽雄期以10 cm土壤深度，抽雄期至完熟期以20 cm土壤深度的數據為準，當土壤體積含水量介于18%～19%時，各處理按各自的灌水定額同時開始補充滴灌。2016年和2017年分別補充滴灌6次和8次。9月24日收獲植株，全生育期153 d。播前未施基肥；追肥于抽穗期時隨滴灌系統施入尿素120 kg/hm2，其中D1和CK處理采用小鏟埋入植株附近的方式進行追肥。其他管理措施按大田栽培模式進行。

表2 試驗設計及灌水定額Tab.2 Experimental design and irrigation quota

Notes: CK refers to local traditional dry farming mode, irrigation quota 0 mm per time without plastic mulch. D1 refers to irrigation quota 0 mm per time with plastic mulch. D2 refers to irrigation quota 8 mm per time with plastic mulch. D3 refers to irrigation quota 12 mm per time with plastic mulch. D4 refers to irrigation quota 16 mm per time with plastic mulch. D5 refers to irrigation quota 20 mm per time with plastic mulch.

1.3 根系取樣及分析方法

春玉米收獲籽粒后，對長勢一致并且位置連續( 種植行方向) 的3株玉米根系取樣。整體根系分析采用整體根系法開挖至100 cm，保持根系的完整性。垂直根系采用分層取樣法，以植株為中心，面積為20 cm×20 cm的土塊為取樣單位，取樣深度為0～10、10～20、20～40、40～70和70～100 cm。用沖洗法把根系表面清洗干凈，用根系分析系統(WinRHIZO，加拿大)分析根長、平均根直徑、根表面積、根體積、根尖數等根系形態特征參數。掃描后的根系樣品在105 ℃殺青30 min，80 ℃下烘干至恒量，稱其質量。

考種及測產是收獲前每個小區收獲中間2行，全部脫粒、晾干后測定籽粒產量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2007 軟件處理數據和邊際效益分析，SPSS 20.0軟件進行顯著性檢驗(Duncan 法，P<0.05)和Pearson相關性分析，SigmaPlot 12.5作圖。

2 結果與分析

2.1 玉米整體根系特征參數

2016年各根系參數均高于2017年。隨著灌水定額的增加，各根系形態特征參數呈遞增趨勢。根長、根表面積、根體積、根尖數和根干質量在對照和中等灌水定額(D2、D3和D4)時差異性較大，而在只覆膜處理D1和最大灌水定額處理D5時差異不明顯。根直徑在所有處理的差異均不明顯。2016年根長、根體積、根尖數和根干質量分為4級，根直徑為1級，根表面積分為3級。2017年根長分為5級，根直徑為3級，根表面積、根體積、根尖數和根干質量分為4級。不同年份補充灌水定額對根長、根體積、根尖數和根干質量影響較大，對根表面積和根直徑影響較小。其中CK和D1 均為a級，表明覆膜對各根系形態特征參數的影響不明顯。

結果用平均值±標準差來表示。不同大寫字母表示同一處理不同年份之間的顯著差異(P<0.05)，不同小寫字母表示同一年份不同處理之間的顯著差異 (P<0.05)。The results are expressed as the mean ± standard error. Different uppercase letters indicate significant difference among different years (P<0.05), and different lowercase letters indicate significant difference among different treatments (P<0.05). 圖1 2016和2017年春玉米根系各特征參數Fig.1 Different root parameters of spring corn in 2016 and 2017

2.2 根系垂直分布特性

1)根長。根據2016年和2017年的根長垂直分布圖2(a)和(b)可知：各處理的根長在垂直方向上均呈現“介”型分布，其中10～20 cm土層深度根長比例最大，2016年和2017年分別占總根長的47.29%～60.28%和48.29%～62.30%。不同土層深度根長隨灌水定額的增加而增加，表現為D5>D4>D3>D2>D1>CK，0～40 cm土層內各組處理下的根長差異較為明顯，40 cm以下各組根長差異隨著土層深度增加而逐漸減小。2016年與2017年相比，同一土層深度、同種處理條件下，當灌水定額較小(CK，D1，D2和D3)時，2016年作物根長>2017年作物根長，并且差異顯著，而在灌水定額較大(D4和D5)時，2016年與2017年作物根長差異不顯著。

圖2 春玉米不同深度土層的根長Fig.2 Root length of spring corn at different depths

2)根干質量。根據2016年和2017年的根干質量垂直分布圖3(a)和(b)可知，各處理的根干質量隨土層的加深均呈現“T”型分布，以 0～20 cm土層內根干質量最大，2016年占總根質量的72.03%～85.48%，2017年占總根質量的71.50%～84.97%，20 cm土層以下隨根系下延，根干質量明顯減小。根干質量均隨著灌水定額的增加而增大，均表現為D5>D4>D3>D2>D1>CK。值得注意的是2016年D1與CK在不同土層深度的根干質量幾乎相等，但在2017年D1稍大于CK，說明覆膜對于根系的影響，在豐水年時無明顯差異，在平水年時有利于根系生長。

圖3 春玉米不同深度土層的根干質量Fig.3 Root dry mass of spring corn at different depths

2.3 春玉米籽粒產量

由圖4可知，2016年和2017年玉米籽粒產量隨灌水定額的增加而增大。2016年各組處理下玉米籽粒產量從小到大為D1

2.4 相關分析和邊際效益分析

將各根系特征參數和籽粒產量與覆膜滴灌處理進行Pearson雙尾相關性分析，如表3所示，各根系參數和籽粒產量與覆膜滴灌處理呈極顯著正相關，隨著灌水定額增大而明顯增長。

春玉米產量用平均值±標準偏差來表示。不同小寫字母表示同一年份不同處理之間的顯著差異(P<0.05). Spring corn yield is expressed as the mean ± standard error. Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments (P<0.05).圖4 灌水定額對春玉米籽粒產量的影響Fig.4 Effect of irrigation quota on the grain yield of spring corn

表3 根系參數和籽粒產量與覆膜滴灌的Pearson相關性(雙尾檢驗)Tab.3 Pearson correlation analyses between root parameters + yield and drip irrigation quota with plastic mulching (Double tail test)

注：**表示在0.01水平上顯著相關(雙尾)。Notes: ** indicates very significant correlations (double tail) at the 0.01 level.

D1、D2、D3、D4和D5的籽粒產量邊際效益，2016年分別為20.88、30.29、13.42和0.97；2017年分別為20.52、46.39、21.65和4.19。籽粒產量邊際效益隨著灌水定額增加逐漸減小，2016年D5處理的籽粒邊際效益小于1，2017年略大于1，即灌水定額大于16 mm后，籽粒增長倍數已經呈現減緩趨勢，故本試驗推薦大田膜下滴灌玉米灌水定額為16 mm。

3 討論

3.1 春玉米根系分布

玉米整體根系特征參數隨灌水定額增加，并且根長、根尖數和根干質量差異較大，對環境變化的響應極為敏感，滴灌將水分直接作用于根系，可高效利用土壤水分，從而達到節水并增產的目的。這與徐寶山等[4]和白有帥等[11]的研究結論一致。

灌水定額對在0～100 cm深度土層玉米根系垂直分布的影響表現為D5>D4>D3>D2>D1>CK，均隨著滴灌定額的增加而增大，在降雨量少的2017年，差異更為顯著。這樣既有利于增加植株的抗倒性，也有利于吸收不同土層中的水分和養分。這也從另一個方面反應出適度缺水后，滴灌量增大，能夠改善土壤水分，促進根系的分枝生長，這與李鳳英等[12]和胡田田等[13]的觀點一致。他們認為有限缺水效應可促進細根的伸長生長和數量增加，是玉米對水分虧缺的一種適應和補償機制。

覆膜滴灌所有處理的春玉米根長和根干質量垂直分布均符合“介”型和“T”型分布：10～20 cm土層的根長比例最大，達47.29%～62.30%；0～20 cm土層深根干重比例最大，達71.50%～85.48%。Li等[14]研究得出滴灌條件下，根長在0～30 cm土層中占全部根系的60%～70%，質量密度在0～30 cm土層中較高，在30～100 cm土層中較低的結論，這與本研究結論基本一致。才卓[15]研究得出普通灌溉方式下，玉米根干物質重有85%以上分布在0～40 cm深的土層，0～20 cm土層中占總根重的60%，明顯低于本研究中滴灌條件下0～20 cm土層內根干重比例。由此可見覆膜滴灌這種局部灌溉方式，會增加表層的根長和根干質量比例。

3.2 春玉米籽粒產量

覆膜滴灌的春玉米產量，也隨著灌水定額的增加而增大，2016年和2017年玉米產量從大到小為D5>D4>D3>D2>D1。值得注意的是，2016年降雨量明顯多于2017年，但2016年玉米產量D1CK。其原因可能在于降雨與產量具有顯著的正相關性，而覆膜對產量的影響與降雨相反。2016年降雨量多，覆膜阻擋了降雨的入滲，反而造成土壤含水量的減少，引起籽粒產量減少；2017年降雨少，覆膜在一定程度阻擋了土壤水分的蒸發，故而2017年覆膜處理的籽粒產量稍高于對照。劉洋等[16]在東北地區3年的試驗研究得出覆膜滴灌分別比無覆膜滴灌和地面灌處理提高11%和21%，與本研究結果有不同之處，可能是因為地域及年平均降水量不同造成的。

4 結論

1)覆膜滴灌春玉米整體根系特征參數均隨灌水定額增大而增大。覆膜滴灌措施明顯增加了玉米根系在土壤表層的根長及根干質量比例。

2)覆膜在平水年時可提高根系特征參數和作物產量，但豐水年不利于提高根系特征參數和作物產量。

3)根據不同灌水定額的根系參數和產量相關分析結果及玉米籽粒產量邊際效益分析結果，篩選出膜下滴灌16 mm為適用于山西大田玉米種植的最佳覆膜滴灌方案。