水分调控对冬小麦根系活力的影响研究

王 兵，马娟娟，孙西欢,3，郭向红，狄 楠，黄 洁

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西省水利厅，太原 030002；3.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004)

0 引 言

土壤水分对作物的生长起着至关重要的作用，它直接或间接影响着作物根系的分布与活力[1]。冬小麦作为我国分布最广但生长在干旱季节的主要农作物，土壤水分的变化对其根系发育影响较为敏感[2]。已有研究表明在一定土壤水分范围内，冬小麦根系的生长与土壤水分成正相关[3]，根系分布随着灌水深度的增加而显著变化，而影响根系对某一层土壤水分的利用主要是根系活力与土壤水分状况[4]。如果土壤深层可利用水分充足，有利于根系下扎，延缓根系的衰老，同时深层根系的生长有利于提高作物产量以及土壤水的利用效率[5,6]。

根系活力是植株吸收的综合性指标[7]，也是根系新陈代谢的指标之一[8]，同时作物高产也与根系活力密切相关[9]。国内外学者多结合灌水量与灌水方式，研究干旱胁迫或渍水条件下冬小麦根系活力的变化情况[10,11]，而对结合冬小麦根系生长情况进行变化灌水深度下根系活力影响的研究甚少。

本文结合土壤水分含水率，在冬小麦不同生育期根据根系生长深度确定灌水深度，探讨不同深度灌水对冬小麦全生育期各层根系活力的影响，以期为提高深层水分利用效率，延缓深层根系衰老，提高冬小麦产量，建立深层灌溉理论与推广提供支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在山西水利职业技术学院节水灌溉试验基地内进行。该试验基地位于运城市盐湖区，属大陆性温带季风气候，年平均气温为9～13 ℃，年平均日照时数为2 350 h，全年无霜期有208 d左右，多年平均降雨量为525 mm，但降雨分布不均匀，70%集中在6-9月。

1.2 试验材料与设计

供试冬小麦品种为国审良星99，种子精选后于2014年10月12日播种，11月30日定苗至每管3株,收获期为2015年6月1日，生育期233 d。试验采用塑料管土柱法研究冬小麦根系，PVC管外径20 cm，内径18.6 cm，长3 m，底部为不透水层。本试验以灌水方式和计划湿润深度为控制因子，考虑冬小麦根系生长分布深度随生育期的不同而不同，不同生育期灌水计划湿润深度参考冬小麦该生育期的平均最大根深确定。因此设计四个处理，即处理Ⅰ为地面灌溉、处理Ⅱ为计划湿润层取平均最大根深的60%、处理Ⅲ为计划湿润层取平均最大根深的75%、处理Ⅳ为计划湿润层取平均最大根深的90%，各处理分别设4次重复，全生育期共进行四次灌水，分别为越冬水、拔节水、抽穗水和灌浆水。越冬期全按地表灌溉处理；后3次灌溉，灌溉前根据各处理的平均最大根深计算出设计灌水深度，然后分层打孔灌溉。各处理的总灌水量相同(按当地大田管理45 m3/亩换算得到1 833 mL/管)。各生育期不同处理的灌水孔布置及灌水深度见表1。

1.3 测定指标与方法

本试验主要测定两个指标，不同处理下土壤体积含水率以及冬小麦的根系活力。土壤含水量采用Diviner2000,间隔为10 cm，测定范围为0～160 cm。本试验把每30 cm土层划分为一组测定根系活力值，采用TTC法测定冬小麦根系活力，测定仪器为分光光度计。

采用Microsoft Excel软件进行数据的处理，用统计分析软件SPSS 21进行显著性检验(P=0.05水平)。

2 结果与分析

2.1 不同处理下土壤含水率垂向变化

图1为冬小麦不同生育期不同处理条件下随土壤深度变化的平均土壤体积含水率。从图中可以得出，在冬小麦越冬期和返青期土壤含水率变化趋势基本一致，由于地表蒸发强烈，表层0～20 cm土壤含水率较低，随着深度的增加，土壤蒸发强度降低，20～120 cm土壤含水率逐渐增大，到160 cm处土壤含水率基本是表层的2倍。

表1 各生育期不同处理灌水孔布置及计划灌水深度Tab.1 Irrigation hole lay out and irrigation depth of different treatments

在图1(c)中冬小麦拔节期在不同深度灌水方式下，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ冬小麦各生育期的根区土壤含水率分布状况开始出现差异，在20～70 cm土层，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ灌水到达深度分别为72、90和108 cm，70 cm以上为相同灌水层，含水率值较为接近，在70 cm以下土层中，处理Ⅱ的土壤含水率明显小于处理Ⅲ、Ⅳ，而在90～110 cm，土壤含水率值由大到小为处理Ⅳ>处理Ⅲ>处理Ⅱ，在120 cm以下土层中，3个处理的土壤含水率值接近。这是由于处理Ⅲ、Ⅳ在90～110 cm进行灌水，整个生育期该层水分含量高于处理Ⅱ，在90～120 cm，处理Ⅳ的含水率最大，120 cm以下各处理均未灌水，所以3个处理含水率差异不显著。

由图1(d)和(e)可知，冬小麦抽穗期和灌浆期不同处理土壤含水率差异更为明显。在0～20 cm土层中，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表层含水率依次下降，这是由于深度灌水方式，随着冬小麦生育期的推进，根系入土深度逐渐增大，灌水深度增大使得表层灌水量依次减小，导致土壤含水率依次降低。而在0～20 cm以下土层处理Ⅰ整体含水率水平低于深层灌溉处理。同时，由于处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ计划灌溉深度达到110 cm以下，但灌水总量相同，计划灌水深度越深，上层总灌水量越小，不同灌水处理在110 cm处土壤含水率出现了较大差异，在20～110 cm处理Ⅱ、Ⅲ含水率高于处理Ⅳ，而在110～160 cm处理Ⅱ、Ⅲ含水率低于处理Ⅳ。

在图1(f)中冬小麦成熟期各处理均没有进行灌水，但不同处理含水率仍保持明显差异。在20～80 cm处由于表层根系衰老加快，土壤含水率差异不大，80 cm以下处理Ⅰ、Ⅱ土壤含水率明显开始下降，并低于处理Ⅲ、Ⅳ，这可能是由于前期处理Ⅰ、Ⅱ灌水深度较浅，而深层根系吸水导致深层土壤含水率下降较快。

图1 各生育期不同处理冬小麦根区土壤体积含水率垂向分布Fig.1 Distribution of soil volumetric moisture content of different treatments with soil depthat different stages for winterwheat

2.2 不同处理下冬小麦根系活力变化情况

图2为各生育期不同处理冬小麦分层根系活力值。从整体上可以看出，冬小麦上层根系的根系活力值相较深层根系活力值大，随着生育期的推进拔节期冬小麦根系活力达到最大值；在越冬期到抽穗期，根系活力随土层深度的增加表现为从上到下依次递减；而灌浆期到成熟期，下层根系的根系活力显著增大。

对于处理Ⅰ来说，在全生育期内，表层根系活力值始终最大；而对于处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，在灌浆之后，深层根系活力值显著增大，甚至超过表层根系活力值，这表明了深层灌水方式改变了地面灌水条件下根系活力值从上到下依次递减的分布状况。由于处理Ⅰ是地表灌水，表层土壤中含水量较大，故其表层根系活力值较大，而在深层灌水方式下，总灌水量不变，表层灌水量相对较少，故表层根系活力值较小，下层土壤中水分含量大，根系活力值大，也充分证明了水分对冬小麦的根系活力有很大的影响，土壤含水量大，根系活力值高。

随着计划灌水深度的增加，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ冬小麦根系活力最大值在拔节期至成熟期内均逐渐成单峰型向下推进，在土壤表层(0～30 cm)，处理Ⅰ到处理Ⅳ的根系活力值依次减小，但在下层土壤中，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根系活力值均显著大于处理Ⅰ；处理Ⅱ在30～60 cm的根系活力明显大于处理Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ，在60～90 cm处理Ⅱ、Ⅲ的根系活力较高且差异不大，随着处理Ⅳ灌水深度的增加，120 cm以下根系活力均大于处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

对比不同生育期根系活力值，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ在灌浆期地表的根系活力明显小于抽穗期的根系活力出现衰老现象，但在120～240 cm处灌浆期的根系活力却大于抽穗期的根系活力，这表明了深层灌水方式能够显著提高下层根系的根系活力值，从而提高整体根系活力值，同时在冬小麦的生育后期有利于延缓深层根系的衰老。处理Ⅳ在各生育期表层根系活力是四个处理中的最小值，这主要是由于随着生育期推进，冬小麦根系下扎深度增大，导致处理Ⅳ的表层灌水量一直减少，根系活力值相应降低，同时生育后期降低幅度最大。

因此，对于深层灌水方式，应适当选取灌水深度，不宜过大，使得表层根系能保持较高的根系活性，同时又能减缓深层根系的衰老速度。而处理Ⅱ和处理Ⅲ不仅能够显著提高冬小麦下层根系的根系活力值，而且也能使上层根系维持较高的根系活性，保证了冬小麦根系在全生育期内较大的整体根系活力值。

2.3 不同处理下土壤含水率与冬小麦根系活力之间的关系

在拔节期，处理Ⅰ的表层根系活力值大于处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，在30～60，60～90，90～120 cm土层中，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根系活力值显著大于处理Ⅰ，120～150，150～180 cm土层中，四个处理的根系活力值比较接近。这是由于拔节期处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的计划湿润深度分别达到72，90，108 cm，并结合土壤含水率进行不同深度灌水处理，相应深度土壤中土壤含水量高于处理Ⅰ，导致深层灌水处理深层根系活力值较地表处理增大明显，同时虽然处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ地表的含水率小于地表灌水方式(处理Ⅰ)，但仍能满足表层根系的生长发育，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表层仍维持相对较高的根系活力值，而120 cm以下各处理土壤含水率并无差异，所以4个处理的根系活力值接近。

图2 各生育期不同处理冬小麦分层根系活力值Fig 2 Root vigor at different layers of different treatment at different growth stages for winterwheat

在抽穗期，由于冬小麦生长中心转移到地上部分，根系活力值出现下降，处理Ⅰ由于表层灌水量最大，土壤含水率较高，表层根系活力仍保持在各处理中最大值。但随着深度的增加处理Ⅰ的含水率变化相较于深层灌水处理维持在较低水平，其根系活力值亦随着土层深度增加与处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中根系活力最大值差距增大。

对比图2中根系活力值，可以发现冬小麦灌浆期各处理0～30 cm根系活力值均出现大幅度下降，其大小顺序为处理Ⅰ>处理Ⅱ>处理Ⅲ>处理Ⅳ，对应的深层灌水处理表层土壤含水率降低幅度较地表处理大，处理Ⅳ的表层含水率最低。在30～90 cm处理Ⅱ、Ⅲ的含水率高于处理Ⅰ、Ⅳ，其根系活力值亦表现出相似的情况。而100 cm以下处理Ⅳ土壤含水率一直保持在最高水平，故处理Ⅳ的根系活力值也几乎是4个处理中最大值。在成熟期，表层根系活力值大小顺序为处理Ⅲ>处理Ⅱ>处理Ⅰ>处理Ⅳ，表现出根系活力较大而土壤含水率较低。

综上所述，冬小麦根区土壤水分状况与其活力状况相互影响，相互作用。在一定时期的一定土壤范围内，土壤含水率越大，相应土层根系活力越大；但冬小麦根系活力还可能受其他因素的影响。对于深层灌水方式下的下层根系，冬小麦生育后期，土壤含水率维持在较高水平时，会延缓根系的衰老。

3 结 论

(1)不同处理在各生育期含水率变化总体 趋势基本一致，即冬小麦根区0～20cm土壤中的含水率相对较小，20～40cm含水率逐渐增大，40～120cm土壤含水率变化较为缓慢。幼苗期，越冬期，返青期土壤含水率变化趋势基本一致，处理Ⅱ含水率水平最高；拔节至成熟期，20cm以下处理Ⅰ土壤含水率明显低于处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，并随着生育期的推进差距逐渐增大。同时100cm以下处理Ⅳ含水率明显大于处理Ⅱ、Ⅲ。

(2)相比地表灌水方式，结合土壤含水率的深层灌水方式会对冬小麦根系活力的垂向分布产生显著影响，并且能显著提高其深层根系的根系活力。处理Ⅰ在表层根系活力最大(成熟期除外)，处理Ⅳ最小；但在冬小麦的生育后期，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的下层根系活力超过处理Ⅰ且下层根系活力值甚至超过表层的根系活力值，使得冬小麦的整体根系活力增大；处理Ⅱ和处理Ⅲ灌水方式有利于延缓冬小麦根系生育后期的衰老进程，减缓上层根系活力值的下降速度，使其根系整体保持较大的根系活力值。

(3)冬小麦根系活力不仅仅受根区土壤水分状况的影响，其影响因素与机理还有待于进一步研究。

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