不同灌水量对滴灌春小麦根系时空分布、水分利用率及产量的影响

张　伟，李鲁华，吕　新

(1．石河子大学 农学院 农学系耕作教研室，新疆石河子　832003；2．新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子　832003)



不同灌水量对滴灌春小麦根系时空分布、水分利用率及产量的影响

张伟1，2，李鲁华1，2，吕新2

(1．石河子大学 农学院 农学系耕作教研室，新疆石河子832003；2．新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832003)

摘要为明确新疆干旱区滴灌春小麦不同灌水量对小麦根系时空分布、水分利用率及产量的影响，以‘新春19号’为材料，利用田间定位试验研究4个灌水量处理(W0：0 m3/hm2、W1：1 500 m3/hm2、W2：4 500 m3/hm2、Wck：对照3 750 m3/hm2)于拔节期、抽穗期、开花期及成熟期对小麦根系根长密度、根体积、根质量等在0～100 cm土层的垂直分布、动态变化及对产量构成因素和产量的影响。结果表明：开花期土壤含水量最低，小麦耗水量最大；0～20 cm是各处理根量值(根质量、根体积、根长密度)的最大层，也是根系活动最为旺盛的区域；土壤水分适宜(Wck)时，表层根量增加；水分过多会导致根系生长受抑(W2)，促使根系活力下降，根系衰亡提前，影响水分的吸收，最终导致水分利用率最低且产量下降；水分亏缺(W1)虽然在一定程度上促进深层根量的增加，有助于干旱条件下小麦根系利用深层土壤的水分和提高水分利用效率，但却造成较低的产量；土壤水分严重缺乏(W0)，根系吸水困难，对表层土壤根系数量的增加不利，也会导致减产。可见，在水资源相对充沛条件下滴灌小麦采用Wck处理更有利于实现节水和高产的统一。

关键词不同灌水量；春小麦；根系时空分布；水分利用率；产量

小麦是新疆的主要粮食作物，播种面积占粮食作物的61%以上[1]。但气候特征造就新疆的干旱少雨现状，水资源严重缺乏，制约着农业的发展，成为新疆小麦生产发展的最大障碍[2]。新疆是中国典型的灌溉农业区，农业用水占总用水量90%以上。农业节水意义重大，滴灌技术应用普遍，截止2013年底，新疆滴灌面积达到200×104hm2，成为世界上连片滴灌面积最大的区域[3]。随着滴灌技术的进一步发展，小麦生产对节约用水、提高水分利用效率的迫切要求，滴灌技术在新疆部分地区的麦类密植作物上推广应用，近几年在新疆大力推广[4-5]，目前全疆滴灌小麦应用种植面积已近100万hm2[6]。传统的地面灌溉小麦造成灌水不均匀，出苗不一致，长势不整齐和产量不稳定等现象[7]，不利于大田全面均衡增产。滴灌技术便于管理和人工控制，用水量少且停灌自如，在春小麦增产、节水方面效果显著，是新疆荒漠绿洲灌溉农业粮食生产发展的必然趋势[8]。

根系是小麦吸水的重要器官，作物对土壤水肥的利用状况主要取决于不同土层中的根系分布，根系与土壤水肥的吸收和消耗有着密切的关系。深层土壤中根量不足限制着土壤有效水肥的充分吸收。研究表明，小麦根系的生长、空间分布、根系构型和地上部生长发育以及产量形成密切相关[9]，而灌水量也明显影响着小麦根系的生长发育和空间分布[10-11]。王淑芬等[12]发现，小麦根系主要分布在0～80 cm土层，表层土壤根系密度的最大值出现在拔节-孕穗期。Lü等[13]对冬小麦分别进行了畦灌、喷灌和滴灌3种处理，认为滴灌条件下小麦根系的主要分布区域相对畦灌上移，土壤剖面的根系分布模式也发生了变化。刘坤等[14]研究少量多次和少次多量灌溉方式下冬小麦根系分布和根系对土壤水分和养分吸收之间的关系。薛丽华等[15]研究表明，小麦根系的垂直分布很大程度上受根系建成期间的土壤水分影响，正常供水，根系生物量集中在浅土层，干旱时土壤深层的根系分布明显增多。然而，不同灌溉方式下作物根系分布和产量、水分利用率等之间的关系是目前更多学者关注的热点[16-18]，研究者希望通过探索不同灌溉方式下作物根系的空间分布与产量间的关系来寻找灌水方式优劣的真正原因。

春小麦根系分布状况与其生长发育、产量、水分利用率等关系密切，探索新疆春小麦根系分布及生长状况，对提高春小麦水分利用和促进环境与农业协调发展具有重要意义。然而，滴灌小麦节水增产技术有别于常规漫灌方式，小定额的麦田根区连续供水和植物根系的向水性特征使小麦的根系分布发生一定变化。因此，深入研究滴灌方式对春小麦各土层内根系分布动态的影响，探讨小麦根系分布与深层土壤水分利用、抗旱节水的关系十分必要。为此，本试验通过连续2 a的滴灌小麦试验，探索不同灌水量条件下小麦根系的空间分布特征和产量构成因素，为进一步研究滴灌节水条件下春小麦的水分吸收和高产形成机制奠定基础，以期为滴灌小麦合理的灌溉制度和改进措施提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验概况

试验于2012-2013年在石河子大学农学院试验站(44°18′N，86°00′E)进行。试验站位于准噶尔盆地西南缘，海拔412 m，年平均日照时间2 865 h，大于10 ℃积温为3 463.5 ℃，多年平均降雨量207 mm，平均蒸发量1 600 mm，属中温带大陆性干旱区气候。供试小麦品种选用‘新春19号’。

1.2试验地基本条件

地下水埋深大于8 m，土壤质地为中壤土，0～30 cm土层平均体积质量1.295 g/cm3，田间持水率21.6%(质量百分比)，前茬为小麦。施用尿素420 kg/hm2，磷酸二氢钾120 kg/hm2，均随水滴施。滴灌带选用新疆天业集团生产的单翼迷宫式滴灌带，滴灌带间距90 cm，滴头间距30 cm，滴头设计流量2.1 L/h，采用1管6行布置，小麦行距15 cm，常规栽培管理。全生育期内共滴水10次。2012-2013年春小麦生育期内降雨量见表1。

表1　2012-2013年春小麦生长季节降雨量

1.3灌水处理

设置无灌水(W0，严重缺水)，1 500 m3/hm2(W1，水分亏缺)，4 500 m3/hm2(W2，过量灌水)为3个灌量处理，同时设置3 750 m3/hm2(Wck，常规灌水)作为对照试验。小区长和宽为20 m×10 m，田间随机排列，各重复3次，其他管理措施同一般滴灌麦田，收获期进行测产、实收。

1.4取根样及测定方法

不同灌溉量条件下在拔节、抽穗、开花、成熟4个生育时期分别利用根钻法在小麦行内取根，观测小麦根系的分布特征，确定两滴灌带之间主要根系活动层的根系动态分布规律。根钻法水平方向每隔15 cm取1钻，取6个点，水平方向每个点的下方(垂直方向)每隔20 cm取1层，直至100 cm深(图1)，根钻直径5.5 cm。对田间根钻法取回的根系进行洗根、分根(分离出杂草根系、过去的死根等)，后将根置入根盒，在专用扫描仪下进行扫描，扫描后的根系图片用Win-RHIZO分析软件进行解读，即得到单位容积内小麦根系的根长密度、根体积、根表面积、根直径等相关参数，用以研究根系在土壤中的分布[10]。分析不同生育阶段滴灌小麦根系形态(根质量、根长密度、根体积等相关参数)在土壤剖面上的分布。

1.5植株干物质测定

分别在拔节、抽穗、开花、成熟4个生育时期将麦株整株剪下，将麦株分成叶片、茎杆、颖壳和籽粒(成熟期)4部分在烘箱内烘至恒质量，分别称量。

1.6土壤含水量测定

分别在拔节、抽穗、开花、成熟4个生育时期用土钻对各小区0～100 cm土层分层取样，每20 cm为1层，重复3次。取样后将土样装入铝盒，120 ℃烘干至恒质量计算土壤含水量。

土壤含水量=[(土样质量-土样干质量)/土样干质量]×100%

1.7产量和水分利用效率

小麦成熟期考察各产量构成因素，同时每小区进行实收，均以3次重复的平均产量计产。水分利用率按下式计算。

水分利用率=小麦经济产量/全生育期总耗水量

总耗水量=全生育期内1 m土壤贮水消耗量+灌溉量+降水量

式中:i为土层编号，n为总土层数，γi为第i 层土壤体积质量(g/cm3)，Hi为第i层土壤厚度(cm)， θi1和θi2分别为全生育期阶段初和全生育期阶段末第i层的土壤含水量[19]。

1.8数据统计分析

采用Excel2003、SPSS15.0对数据进行分析，制图使用Surfer8.0软件。

图1　两滴灌带之间主要根系活动层

2结果与分析

2.1不同生育时期各土层土壤含水量变化

不同生育时期各土层土壤含水量垂直分布动态变化见图2。4个生育时期的土层含水量最大值均出现在80～100 cm处，表明该土壤层次的水渗透量最大；拔节期0～100 cm土层含水量表现为W2(15.8%)>Wck(14.6%)>W1(14.4%)>W0(11.2%)，W2、Wck和W1处理间差异不显著(P=0.067)，但这3个处理与W0间差异显著(P=0.044)；抽穗期0～100 cm土层含水量表现为W2(16.6%)>Wck(15.2%)>W1(14.8%)>W0(11.6%)，各处理间差异显著(P=0.048)；开花期0～100 cm土层含水量表现为W2(16.4%)>Wck(14.4%)>W1(13.8%)>W0(10.4%)，各处理间差异显著(P=0.039)；成熟期0～100 cm土层含水量表现为W2(17.8%)>Wck(15.8%)>W1(15.2%)>W0(11.3%)，W2分别与Wck、W1和W0间差异显著(P=0.023，P<0.01)；4个生育时期的土层含水量均呈现W2>Wck>W1>W0，说明滴水量越大，各土壤层次含水量越高，两者呈正相关性，土层含水量与灌水定额具有一致性；不同生育时期内各土层土壤含水量相比，开花期内含水量最低，表明开花期小麦耗水量最大，该阶段小麦生长旺盛，需水量大，而成熟期土壤含水量最高，表明该阶段根系吸水缓慢，需水量减少。2.2不同生育时期0～100 cm土层总根质量变化

不同生育时期不同灌水量处理下0～100 cm土层内总根质量变化见表2。各处理根质量自拔节期逐渐增加，至开花期达到最大值。各灌水处理中，开花期土层内根质量与拔节、抽穗期之间差异显著(P<0.05)，但与成熟期之间的显著差异只存在W2和Wck2个灌水处理(P=0.033，P=0.040)。开花期4个灌水处理的根质量分别占各自总根质量的26.5%(W0)、26.3%(W1)、29.2%(W2)、30.7%(Wck)，开花期后根质量逐渐下降。各灌水处理中总根质量呈现W2>Wck>W1>W0的规律，但W1与W0处理间、Wck与W2处理间没有差异。上述规律同时说明，灌水量越大，0～100 cm土层内小麦根系生长越旺盛，总根质量越大。4个生育时期内各灌水量处理以开花期内根质量最大，拔节期根质量最小。

2.3不同生育时期不同灌水量处理下0～100 cm土层根长密度变化

根长密度是表示植物根系长度在单位土体中分布特征的重要参数[12]。不同生育时期不同灌水量处理下0～100 cm土层内根长密度变化见图3。4个生育时期相比，开花期内各灌水处理的根长密度值最大(W0占35.12%，W1占34.69%，W2占35.07%，Wck占34.43%)，表明此时小麦根系生长旺盛，吸水能力也最强；各处理中80～100 cm土层内的根长密度值均最小(W0占0.11%，W1占0.06%，W2占0.05%，Wck占0.08%)，说明根系在这个层面分布也最少。随着土层的加深，W0处理的根长密度渐渐显示出优势，根长密度均大于其他处理，表明干旱无灌溉条件下，小麦自身向深层扎根并增加深层根量和根系活力寻找水分，以利于地上部分的生长。0～40 cm是各处理根长密度值的最大层次，该土层容纳小麦的大部分根系，也是吸收水分的主要区域。灌水量越大，该层根系生长越旺盛，但Wck、W2处理间、W1、W0处理间差异并不显著(P>0.05)，而Wck、W2处理与W1、W0处理间存在差异(P=0.014)。W2处理灌水量最高，但根长密度值在各土层并不是最高，说明水分过多抑制该处理根系的活力，反而对根系生长不利。

图2　不同生育时期各土层土壤含水量垂直分布

g

注：不同小写字母(横向比较)和大写字母(纵向比较)分别表示相同生育时期内不同灌水处理间、相同灌水处理在不同生育时期间在0.05水平的差异显著。

Note: Treatment values followed by the different lowercase letter (within line) and the different capital letter (within column)refers to significant difference among different irrigation treatments in different growth period and different growth period in different irrigation treatments at the 0.05 level by pairedt-test, respectively.

图3　不同生育时期不同灌水量处理下0～100 cm土层小麦根长密度(cm/cm3)变化

2.4不同生育时期不同灌水量处理下0～100 cm土层根体积变化

图4　不同生育时期不同灌水量处理下0～100 cm土层小麦根体积(cm3)变化

2.5不同灌水量处理对小麦产量构成因素、产量及水分利用的影响

不同灌水量处理对小麦产量构成因素、产量及水分利用的影响见表3。Wck的产量最高，达到6 689.7 kg/hm2，其次分别为W2、W1、W0。其中W0与Wck分别与另3个处理间差异显著(P=0.026，P=0.042)。W2处理虽然株高和地上部干质量都最高，但在生长后期出现倒伏且贪青晚熟，所以产量较低。单株穗数、平均穗质量、穗粒数、千粒质量4个产量构成因素均呈现Wck>W2>W1>W0的趋势，且Wck与W2处理间、W1与W0处理间差异不显著。随着灌水量的增加，小麦的总耗水量明显增加(W2>Wck>W1，3个处理间差异显著，P=0.022)，而从水分利用率(WUE)来看，依次为Wck>W2>W1，Wck、W2与W1间差异显著(P=0.037)。灌水量最高的W2处理水分利用率相对较低(只高于W1)，说明滴灌供水过高并不利于水分的高效利用和高产。

表3　各处理产量构成因素、产量及水分利用特征

注：不同小写字母(横向比较)表示不同灌水处理间在0.05水平差异显著。

Note: Treatment values followed by the different lower case letter (within line) refers to significant difference among different irrigation treatments at the 0.05 level by paired t-test.

3讨 论

3.1不同灌水量对春小麦根系时空分布的影响

植物根系的生长与分布与土壤的水分条件密切相关，小麦根系的生长会受到土壤水分环境和栽培水平的影响而发生适应性变化，不同水分条件下小麦根系存在明显差异[18]，水分管理对小麦根系产生间接甚至直接的影响，是调节根系空间构型和分布的主要手段[19]；土壤水分正常条件下，植物根系将主要集中在浅土层，土壤水分亏缺条件下根系会增加在深层的分布[20]。合理的供水能够改变作物根系的生长发育，促进根系合理分布，提高水分利用率和产量[21]。薛丽华等[22]发现水分亏缺虽然减少浅土层的根体积密度，但增加80 cm以下深土层的根体积密度。李鲁华等[23]认为在严重缺水条件下(土壤相对含水量40% )，小麦根系生长严重受阻，根系干物质明显降低。本研究中，总根质量、根长密度和根体积均随生育时期的推进呈先增后降的变化趋势，且随土层深度的增加而减少。随着土层的加深(尤其80～100 cm)，不同灌水量处理中，W1处理的根长密度和根体积逐渐大于其他处理，表明缺水条件促使小麦自身向深层扎根寻找水分，增强抵御干旱的能力，以利于地上部分的生长，但W0处理因为严重缺水而缩短根系生长发育时间，降低根系生物量，形成地上部的早衰而使产量低于另3个处理。 Kaul[24]和Cammue 等[25]认为干旱导致根系呼吸速率下降，加速根系的衰老，从而导致低产。王冀川等[26]认为根系处在过高的水分环境里会引起根内细胞分裂素的减少，引起根系生长缓慢和生物量积累下降。本试验中，W2处理的过量水分造成土壤空气缺乏，土壤通透性下降，影响根系的呼吸，致使小麦根系衰亡过快，加之倒伏等因素都使小麦产量降低。另外，研究发现滴灌小麦的根系主要分布于40 cm以上的土层，较常规灌溉根系分布浅[27]，加之灌溉次数较常规灌溉多，湿润的土壤环境导致小麦根系的抗旱性下降，所以滴灌小麦比常规灌溉小麦更要注意水分的及时供给。

3.2不同灌水量对春小麦产量构成因素、产量及水分利用率的影响

Liu等[28]研究表明，作物的株高、干物质积累、产量等生理和产量构成指标会随灌水量的增大而增加，但当灌水量超过一定值时产量反而会下降。高志红等[9]研究发现，小麦株高对水分亏缺非常敏感。本研究中，W0、W1处理因为水分亏缺而对小麦生长不利，株高较低，Wck、W2处理间小麦的株高差异不显著，但W2处理的株高和地上部干物质质量最大，单株穗数、平均穗质量、穗粒数、千粒质量也较高，却因为后期倒伏和贪青晚熟而使产量比Wck低。该结果与王克全等[1]的研究结果较为一致。王冀川等[26]认为缺水对小麦地上部生物量等的影响大于过量灌水，而单株穗数、平均穗质量、穗粒数、千粒质量4项产量构成指标对最终产量的形成起到关键的作用，本试验中W0、W1处理下较低的这4项指标是导致两处理产量低的重要原因。高志红等[9]认为过度缺水(如本研究中的W0处理)会显著降低小麦产量和水分利用率；巨龙等[29]、张学忠等[30]研究表明，随着总耗水量的增加，水分利用率呈现先增加后下降的趋势，本研究中W2处理总耗水量最大，水分利用率却较Wck低，说明过高的灌水定额既浪费水资源，还对产量形成负面影响。适量的灌水量保持土壤适宜的含水量，特别是在生长后期，合适的水分供应对延缓根系衰老，提高小麦穗粒数和千粒质量具有十分重要的意义。本试验中，只有Wck(3 750 m3/hm2)这一灌水模式达到高产与节水的目的，体现滴灌技术节水高产的优越性。

4结 论

滴灌属于小定额的连续供水，对表层小麦根系的生长影响很大。本研究认为0～20 cm是根系活动最为旺盛的区域。滴灌条件下，开花期内小麦根系的耗水量最大；土壤水分适宜，表层根量增加；水分过多会导致根系生长受抑，促使根系活力下降，根系衰亡提前，影响水分和养分的吸收，最终导致水分利用率和产量下降。水分过少在一定程度上促进了深层根量的增加，有助于干旱条件下小麦根系利用深层土壤的水分和提高水分利用效率，却造成较低的产量。土壤水分严重缺乏致使根系吸水困难，对表层土壤根系数量的增加不利，也会导致减产，由此建议在水资源相对充沛条件下滴灌小麦采用Wck处理。随着生产实践中滴灌小麦灌水定额的不断修订，相关科学问题需要进一步的深入研究。

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实验组部分章节采用病例讨论教学法。教学过程：（1）病例准备：课程讲授结束后安排1次病例讨论（3学时），提前2周将病例发给每位学生，提出需要讨论的内容。（2）分组讨论：将学生分组进行讨论，每组6～8人。（3）汇报结果：课堂上每组安排1名学生代表发言，汇报该组观点，然后由组内其他成员作补充，对发言进行纠正及点评。（4）教师点评：教师对病例分析的全过程进行总结归纳，对教学目标、重点、难点进行补充。（5）课后总结：要求学生根据病例中患儿的临床表现完成一份护理计划书。

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Received 2015-01-07Returned2015-04-03

Foundation itemFund of Technological Innovation for Youth of Xinjiang Production and Construction Corps(No.2013CB013)；Development Plan of Science and Technology Research for Excellent Youth of Shihezi University(No.2012ZRKXYQ11)；National Natural Science Foundation of China(No.51169022)；the Key Sci-tech Project of the “11th 5-year-plan” of China(No.2011BAD29B06).

First authorZHANG Wei,male,Ph.D,associate professor.Research area:farming system and agricultural ecology.E-mail:bluesky2002040@163.com

(责任编辑：成敏Responsible editor:CHENG Min)

Effects of Drip Irrigation Amount on Root Spatial and Temporal Distribution, Water Use Efficiency and Yield in Spring Wheat

ZHANG Wei1，2, LI Luhua1，2and LÜ Xin2

(1.Farming Staff Room, College of Agronomy, Shihezi University, Shihezi Xinjiang 832003, China;2.The Key Oasis Eco-agriculture Laboratory of Xinjiang Production and Construction Group, Shihezi Xinjiang 832003, China)

AbstractField experiment was conducted to explore the spatial and temporal distribution of wheat roots, water use efficiency and yield in spring wheat under drip irrigation in the arid region of Xinjiang. The spring wheat cultivar ‘Xinchun 19’ was used as test material. There were four irrigation amount treatments in the fixed field trail, including no irrigation(W0), 1 500(W1),4 500 (W2) and 3 750 m3/hm2(Wck). The experiment measured the vertical distribution and dynamic change of root length density, root volume, root mass of wheat in 0-100 cm soil depth at jointing stage, heading stage, flowering period and mature period. The result showed that there was the lowest soil moisture content and highest water consumption of wheat root during flowering period. The largest amount of roots (i.e., root mass,root length density and root volume) was detected at 0-20 cm depth range which was also the most active region for wheat root system. Total amount of root system in the surface layer was increased in the appropriate soil moisture (at Wcktreatment). But excessive water (at W2 treatment) inhibited the growth of root systems, reduced the root activity and the absorption amount of water, water use efficiency and yield for wheat. Although low irrigation amount (at W1 treatment) increased total amount of root at deep layer of soil and contributed to using deep soil moisture for wheat and enhancing water use efficiency under dry conditions, the wheat yield was lower. An acute shortage of water (at W0 treatment) caused hard water absorption, root number decreasing at surface layer of soil and resulted in yield loss. Therefore, it is better to use water applied at Wcktreatment under the condition of abundant water resources, considering the balance of water saving and high yield.

Key wordsDrip irrigation amount; Spring wheat; Root distribution; Water use efficiency; Yield

Corresponding authorLÜ Xin,male,professor,Ph.D tutor.Research area:agricultural ecology.E-mail:lxshz@126.com

中图分类号S512.1+2

文献标志码A

文章编号1004-1389(2016)03-0361-11

通信作者：吕新，男，教授，博士生导师，主要从事农业生态学研究。E-mail:lxshz@126.com

基金项目：新疆生产建设兵团青年科技创新资金专项(2013CB013)；石河子大学科学技术研究发展计划优秀青年项目(2012ZRKXYQ11)；国家自然科学基金(51169022)；国家科技支撑计划项目(2011BAD29B06)。

收稿日期：2015-01-07修回日期：2015-04-03

网络出版日期：2016-03-06

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20160306.1610.014.html

第一作者：张伟，男，博士，副教授，从事耕作学与农业生态学研究。E-mail:bluesky2002040@163.com