根区土壤水分垂向调控对春小麦水分利用的影响研究

周始威，胡笑涛，王文娥，张亚军 (西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

通过灌溉方法可以人为控制土壤水分剖面分布，以此调节根系生长分布，根系空间分布与土体水量分布状况极为一致[1-3]。根系在土壤中的分布状况, 在很大程度上决定着作物对不同土层水分的吸收，也会影响到根区土壤水分的分布[4-6]。作物的根系分布及所处的土壤水分环境与作物的水分利用效率有着直接的关系[7]。可见，通过调控根区土壤水分来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为控制指标来调控土壤水分分布，研究内容也多是围绕灌水量展开的讨论[1,4-6]。本文以武威地区春小麦为研究对象，通过控制不同生育期计划湿润层深度来实现根区土壤水分的垂向调节，具体分析了根区土壤水分垂向调控措施对春小麦根系生长及分布、土壤水分分布及作物生物量、产量、水分利用的调控效果，旨在获得能够提高当地春小麦水分利用效率的最优根区土壤水分垂向调控方案，为缓解干旱区水资源短缺提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014年3月-7月在甘肃武威市中国农业大学石羊河流域节水试验站进行。试验地概况见文献[8]。试验选用春小麦为研究对象，共设置3个处理。根据春小麦不同生育期的生长特性及需水状况，在其不同生育阶段设不同计划湿润层深度。在苗期，春小麦根系短、需水量较少，计划湿润层深度设30 cm(T1)、40 cm(T2)、50 cm(T3)3个水平。在拔节期，春小麦根系增长、需水量增大，计划湿润层深度设40 cm(T1)、50 cm(T2)、60 cm(T3)3个水平。在抽穗至成熟期春小麦根系与需水量均较大，计划湿润层深度设50 cm(T1)、60 cm(T2)、70 cm(T3)3个水平。上述处理均以田间持水量为灌水上限，以65%田间持水量为充分灌溉灌水下限，灌水方式采用地面畦灌。每个处理设置3个重复，共计9试验小区，小区面积为16 m2(4 m×4 m)，采用随机区组排列并设有保护行。春小麦于3月24号播种，播种密度为300万株/hm2，行距为15 cm，7月25号收获。播种前施入尿素180 kg/hm2，整个生育期内不施肥。当各处理的平均含水率达到土壤含水率下限时进行灌水。

1.2 测定项目和方法

(1)土壤水分测定：用烘干法测定土壤含水率，每周六1次，灌水前后加测1次。

(2)生物量及产量：待收获时，取春小麦地上部分，先以高温杀青，再恒温下烘干，然后称重得到生物量。选1 m2小麦进行脱粒，风干后测定小麦籽粒产量，将同处理数据求平均值得出实际产量。

(3)根系指标：于乳熟期(7月13日)取春小麦根系样本，以样本植株为中心，取长30 cm、宽20 cm长方形，沿四周垂直下挖，每10 cm取一土样。将土样用水浸泡、清洗、去除死根，得到干净根系样品。用CI-400型根系图像分析系统分析计算根系长度。

1.3 数据处理

根长密度：计算公式为[9]：

(1)

式中：ρL为根长密度，cm/cm3；S为取得的含有根系的土体体积，cm3；L为土体中的总根长，cm。

作物耗水量：采用水量平衡法，计算公式为[10]：

ET=P+I+ΔW

(2)

式中：ET为作物耗水量，mm；P为生育期内降水量，mm；I为生育期内的灌溉量，mm；ΔW为土壤水分消耗量(初期土壤含水量与末期土壤含水量的差值)，mm。

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理和作图，采用SPSS17.0软件进行单因素方差分析，LSD(least significant difference)法进行差异显著性比较(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 根区土壤水分垂向调控措施对春小麦根系生长及分布的影响

春小麦乳熟期不同深度土层根长密度见表1。各处理的根长密度随着土层深度的增加而减少。0～20 cm是根长密度主要分布区域。3个处理在各土层的根长密度存在差异，差异主要凸显于上部土层(0～60 cm)；在0～20 cm，T1的根长密度显著小于另外两处理(P<0.05)，T2略小于T3。在20～40 cm土层，T3的根长密度显著小于T1及T2，T1与T2的根长密度相差不大。在40～60 cm土层，3个处理之间的根长密度差异显著(P<0.05)，根长密度表现为T1>T2>T3。在60～80及80～100 cm土层，3个处理之间的根长密度差异不显著(P>0.05)；在60～80 cm土层中三处理的根长密度表现为T1>T2>T3，而在80～100 cm土层，3个处理之间的根长密度表现为T3>T2>T1。T1、T2及T3在0～100 cm土层中的平均根长密度分别为1.964、2.267、2.338 cm/cm3，T3的平均根长密度最大，较T1增加19.04%。

表1 春小麦乳熟期不同深度土层根长密度及分布

注：括号内为与总根长的比，%；不同的小写字母(纵向比较)表示处理在0.05水平下差异显著，下同。

根区土壤水分垂向调控措施也有效的调控了根长密度在土层中的垂直分布，3个处理在0～20 cm土层的根长占比(该土层内根长与总根长的比值)均大于41%，处理间根长占比表现为：T3>T2>T1，T1较其余处理有大的减少；在20～40，40～60及60～80 cm土层，3个处理的根长占比均表现为T1>T2>T3，T1的根长占比较其他处理有较大的增加，其中，在40～60 cm土层，三处理相互间根长占比差异明显。而在80～100 cm土层，三处理根长占比很小，且处理间差异不大。

研究结果表明，根区土壤水分垂向调控中使用小的计划湿润层深度(T1)会减小表层(0～20 cm)土壤中的根长密度及整个根区(0～100 cm)的根长密度，而在较深土层(20～60 cm)中的根长密度较其他处理有较大的增加，在深土层(60～80 cm)中的根长密度与其他处理相比，变化不大。在40～60 cm土层，根区土壤水分垂向调控的效果最显著，处理间的根长密度差异互为显著。根区土壤水分垂向调控对根系分布的影响表现为：根区土壤水分垂向调控中使用大的计划湿润层深度能够增加表层(0～20 cm)土壤中的根长占比；而使用小的计划湿润层深度有助于增加深层(20～80 cm)土壤中的根系分布比例，使根系在竖直方向上分布的差异减小；其中，40～60 cm土层仍为调控效果最显著的土层，三处理间根长占比差异较大。

2.2 根区土壤水分垂向调控下土壤水分的变化特征

不同处理农田不同土层土壤平均含水量见表2。3个处理在0～20、20～40、40～60及60～80 cm土层的平均含水量均表现为T3>T2>T1，T1显著小于另外两处理(P<0.05)，T2与T3在整体上相差不大；而在40～60 cm土层，三处理间的平均含水量差异互为显著。在80～100 cm土层，3个处理的平均含水量表现为T3>T1>T2，处理间无显著差异(P>0.05)。T1土层平均含水量随土层深度的增加而增大，而T2与T3在60～80 cm土层的平均含水量较下层土壤偏大。结合小麦的根系分布(表1)，T1在60～80 cm土层的根长密度大于其他处理，对该层土壤水分的吸收较多，致使该层含水量下降，含水量在竖直方向上的分布与其他处理不同。

试验结果表明，调控方案的不同对土壤水分分布造成的差异主要体现上部土层(0～80 cm)；其中，40～60 cm土层仍为调控效果最显著的土层，三处理间平均含水量互为差异显著。三处理在0～100 cm土层的平均含水量表现为T3>T2>T1，处理间差异较大，可见使用大的计划湿润层可以有效增加生育期内根区土壤含水量。

表2 不同处理农田不同土层土壤平均含水量分布

2.3 根区土壤水分垂向调控对春小麦生物量、产量及水分利用效率的影响

耗水量由灌溉水量、降雨量及土壤水储量变化量组成。为了节约农业用水，应当尽可能多的利用降水及土壤水，减少灌溉水量。由表3可以看出，不同处理下春小麦所需灌水量及耗水量有较大的差异。3个处理耗水量及灌溉水量均为T3>T1>T2，T1的灌水次数多于T2及T3。

不同土层土壤水储量变化情况见图1，T1、T2及T3消耗的土壤水储量分别为119.8 mm、105.0 mm、98.2 mm。随着土层深度的增加，3个处理的土壤水消耗量均变大，T1在各土层的土壤水消耗量均大于其他处理。三处理消耗土壤水的差异主要体现在20～60 cm。在20～40 cm土层，T2显著小于其他处理。在40～60 cm土层，T3显著小于另外两处理。

3个处理间的产量差异很小，产量表现为T1>T3>T2，T1较T2仅相差147 kg/hm2；处理间生物量差异较大，表现为T1>T2>T3，T1较T3增加1 038 kg/hm2。参照3个处理间耗水量及灌溉水量的关系，可以发现耗水量的增加并不一定会增加产量及生物量，生物量与产量的相关关系不明显。虽然处理间产量差异很小，但所需灌溉水量却有较大差异，T3较T1增加39.7 mm，存在节水空间，通过垂向调控根区土壤水分可以实现节水目的。

衡量一种灌水制度的优劣，既看其对产量的影响，又要看是否节约灌溉水量[11]。因此本研究以灌溉水利用效率为衡量指标，来评价各处理节水效果。灌溉水利用效率为T2>T1>T3，T2灌溉水利用效率与T1相差不大，但较T3增加0.37 kg/m3，产量为最高值，灌溉水量与T3处理相比减少50.6 mm。

试验结果表明，在根区土壤水分垂向调控中使用小的计划湿润层深度可以更充分的利用土壤水分，其中，下部土层(40～100 cm)土壤水储量下降幅度更大；20～60 cm土层为调控效果最显著的土层，处理间土壤水消耗量有较大差异；过大或过小的计划湿润层深度都有可能减小灌溉水利用效率，使用大的计划湿润层深度会增加灌溉水量，使用小的计划湿润层深度会减少单次灌水量，但会增加灌水次数，并没有减小达到节约灌溉水的目的。有研究表明小定额多次灌水可以增加作物产量[12]，本研究也证实使用小的计划湿润层深度可以增加春小麦产量，但增加幅度很小，有可能降低灌溉水利用效率；T2在3个处理中的节水效果最好。

表3 不同处理春小麦产量、生物量、收获指数、耗水量和灌溉水利用效率

图1 不同处理下春小麦消耗土壤水垂直分布

3 结果与讨论

已有研究表明，适宜的土壤水分有利于根系的生长，在某种程度上表现出水大根大，即根长密度随土壤水分的增加而增加[7]。土壤水分较高的种植区(表层0～20 cm)根量较大，下部土层根量较少[13]。干旱可以导致土壤表层根量减少，而中下层根量所占比例增大[14]，对深层土壤水分的利用增大[4]。无灌溉或灌溉量少时，冬小麦对土壤水的利用增加，且有利于深层土壤水的吸收利用[15]。本研究表明，通过控制不同生育期计划湿润层深度可以实现对根区土壤水分分布及作物根系分布的调控；在根区土壤水分垂向调控中使用大的计划湿润层深度可以提高生育期内根区土壤含水量，增加表层土壤中的根长密度及根系分布比例，也可以增加整个根区的根长密度；而使用小的计划湿润层深度使得生育期内根区土壤含水量较小，但深层(20～80 cm)土壤中的根系分布比例增大，根系在竖直方向上分布的差异减小，有利于对土壤水的吸收，对深层土壤水的利用更加充分；与前人的研究结果基本一致。 度夏玉米产量较前两年产量较高，一方面可能是气候适宜，或许控失肥的施用同时也改善了土壤理化特性，使得夏玉米产量较高，需要进一步进行开展控失肥对土壤养分的影响研究。

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