黄土高原旱塬区不同覆盖模式下冬小麦耗水特征及根系生长规律研究

潘小莲，李 秀，赵 英，张建国，张阿凤，冯 浩

(1.西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

根系是冬小麦吸收水分和养分的重要器官，其生长动态可反映冬小麦的生长发育状况，对籽粒产量具有极其重要的影响[1-2]。冬小麦根系的生长主要受遗传因素和土壤水肥条件影响[3-4]，而农田耕作措施如耕翻、覆盖等通过影响土壤水肥条件而显著影响根系生长[5-8]。因此，在旱作农业生产区，研究不同覆盖模式下冬小麦根系生长变化规律对指导冬小麦生产具有重要意义。由于作物根系隐藏在土壤中，研究根系生长动态较为困难，传统的根系生长研究方法往往费力耗时，甚至会破坏土壤-根系系统，不利于获得准确的根系生长动态结果。

目前，对于冬小麦根系的研究主要是利用人工取样和剖面观察的方法。冯福学等[5]利用根钻法研究认为，免耕秸秆覆盖会显著增加冬小麦根系总干重和总根长；蔡永强等[6-7]利用剖面观察法分析发现，覆膜会减少土壤深层根量，增加浅层根量；而郑 飞等[8]研究表明，垄作可以提高小麦发根潜力，促进根系发育，从而提高产量。微根管技术是一种非破坏性的、可原位直接观察植物细根的研究方法，能系统、便捷地对根系的生长过程进行长期定位监测[8-9]。该技术已经广泛应用到施氮水平、耕作制度、不同生育时期和不同品种之间作物根系动态变化的研究[10-14]。但目前关于不同覆盖模式下旱塬区冬小麦根系生长及耗水特征的研究报道较少。本研究利用微根管法探究不同覆盖模式下黄土高原旱塬区冬小麦根系生长动态、耗水特征及产量，以期为农田栽培模式的优化提供理论依据及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2013年10月-2015年6月在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院灌溉试验站进行(34°20′N， 108°24′E，海拔521 m)。该站地处渭河三道台塬地区，地下水埋藏较深，其向上补给量可以忽略不计。长期监测结果显示，该地年均气温为13.0 ℃。2013-2014和2014-2015两年度冬小麦生育期内降雨分布见图1，其中两个年度降雨量分别为303.2和232.7 mm，平均气温分别为8.64和9.00 ℃。试验区土壤类型土垫旱耕人为土，初始土壤理化性质见表1。

1.2 试验设计

田间试验设置平作不覆盖、秸秆覆盖平作(行间均匀覆盖小麦秸秆，覆盖量为0.4 kg·m-2)、半膜覆盖垄作(播前起垄，垄上覆白膜，膜间沟内种植2行小麦，先覆膜后种植)和垄覆膜沟覆秸秆(播前起垄，垄上覆白膜，膜间沟内先种植2行小麦后覆秸秆，覆盖量为0.4 kg·m-2)4个处理，分别用T0、T1、T2和T3表示，垄宽30 cm，垄间沟宽30 cm。各个处理均基施纯氮120kg·hm-2、P2O5100 kg·hm-2和K2O 50kg·hm-2，返青前追施纯氮30 kg·hm-2。采用随机区组试验设计，每个处理重复3次，小区为东西走向，面积10 m2(5 m×2 m )，每个小区之间有0.5 m宽的保护行。2013年小麦于10月9日播种，次年6月5日收获；第2年小麦于2014年10月15日播种，次年6月8日收获。两年播种量均为187.5 kg·hm-2，每个小区有6行小麦，行距30 cm，均匀条播，供试冬小麦品种为小偃22。其他田间管理措施如除草、病虫害防治等按正常田间管理进行。

图1 试验期间(2013-2014和2014-2015)冬小麦生育期内降雨量分布Fig.1 Distribution of precipitation during the two growing seasons(2013-2014 and 2014-2015) of winter wheat表1 试验地基本土壤理化性质Table 1 Basic physiochemical properties of soil at the experimental site

层次Layer/cm容重Bulk density/(g·cm-3)有机质Organic matter/(g·kg-1)有效磷Available phosphorus/(mg·kg-1)速效钾Available potassium/(mg·kg-1)田间持水量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 观测项目与方法

1.3.1 微根管的安装

CI-600根系监测系统(CID Bio-Science, Camas，WA， USA)由微根管、微型摄像头和WinRHIZOTron图像分析软件3部分组成，采集图像尺寸为21.56 cm×19.56 cm。微根管(长200 cm，内径6.4 cm)于2013年11月安装，在每个处理安装微根管动态监测根系生长动态，安装角度与地面夹角为45°，上部约20 cm露出地面，并用黑色薄膜与胶带包裹，防止阳光照射进入管内，影响微根管附近根系的生长，同时在管口安装顶盖防止雨水和灰尘进入管内(图2)。

1.3.2 根系的测定

原位监测根系时，将附有滑竿的微型摄像头与计算机连接，借助CI-600根系监测系统配备的扫描软件于冬小麦的不同生育时期(越冬期、拔节期、抽穗期与成熟期)获取0～130 cm土壤根系图像(滑竿移动深度为10 cm，共13个土层)。将每次获取的有重叠部分的图片用Adobe Photoshop CS6软件拼接成一张完整的根系图片，然后裁剪成不同深度图片，再利用MATLAB软件的辅助图像处理功能(包括图像对比增强、图像二值化、中值滤波、对象标注、特征度量等步骤)，设计出基于图像识别和根系参数计算的处理程序，对所获取的根系图像进行分析处理，以获得根系根长、根面积等根系形态参数。

a： 纵切图;b：平面图；c：2014年1月9日小麦根系图;d：2014年3月1日小麦根系图。

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.

图2微根管安装及不同时间应用微根管观测的小麦根系

Fig.2Diagramofminirhizotroninstallationandrootsofwinterwheatdetectedbyminirhizotronatdifferentperiods

1.3.3 土壤水分测定

试验期间，运用Trime-TDR每7 d手动监测0～140 cm土层土壤体积含水量，每10 cm监测一次数据，重复三次。

1.3.4 冬小麦产量的测定

选取1 m2的样方进行冬小麦实际产量的测定，各处理重复三次，计算冬小麦的籽粒产量和生物产量。

1.4 数据统计分析

1.4.1 根系密度的计算

利用MATLAB软件对微根管系统获得的图片进行处理，并进行根长测定，按已知的图片面积计算相应的根系密度(root length density, RLD)[14]。

RLD=(L-Sin θ)/(S×D)

式中，RLD为单位体积的根长密度(cm·cm-3)；L为根长(cm)；S为扫描图片面积(cm2)；D为微根管摄像头扫描可见的土层厚度，一般为0.2～0.3 cm[10]，本试验选取D=0.2 cm。由于微根管安装时与地表呈角度θ，需要将计算的结果转换成垂直方向的单位体积根长密度。

1.4.2 冬小麦耗水量和水分利用效率的计算

ET=R+△W；WUE=Y/ET

式中，ET为冬小麦耗水量(mm)，R为阶段生育期内降水量(mm)，△W为阶段土壤水分消耗量(mm)(初期与末期土壤含水量的差),WUE为水分利用效率(kg·hm-2·mm-1),Y为籽粒产量(kg·hm-2)。

1.5 数据处理

运用Microsoft Excel 2007对根系数据进行整理，通过SPSS软件进行统计分析，采用单因素ANOVA分析法对不同覆盖模式下作物耗水量进行比较，利用surfer Demo11、OriginPro 9.0对数据进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖模式下麦田土壤水分变化特征

麦田土壤水分含量的季节性动态变化明显，且随土层深度的增加而增大(图3)。在2013-2014年度，降雨集中在小麦播后120～150 d和171～195 d，分别占到了整个生育期降雨量的12.07%(36.6 mm)和41.56%(126 mm)；降雨过后各处理土壤剖面含水量均有显著增加，其中T2、T3处理变化较明显，而T1处理仅在0～40 cm深度内增加了土壤含水量。T1处理在整个生育期内40 cm以下的土层含水量均小于其他处理。T2处理的整个土壤剖面含水量都较高。T3处理在生育期内的表层土壤含水量较T2处理有所下降，深层土壤含水量并无明显差异。在2014-2015年度，总降雨量为232.7 mm，降雨主要集中在播后155～191 d(139.5 mm);降雨过后，土壤含水量快速上升，此时冬小麦处于返青-拔节-抽穗期，集中降雨有助于产量的增加。在此期间，两个垄作处理(T2和T3)的土壤含水量均达到34%，说明半膜垄作集雨效果更好。

小麦耗水量随生育进程逐渐增大(图4)。在2013-2014年度，T0、T1、T2处理的抽穗期耗水量均出现下降，而T3处理并没有下降，说明其水分储存较强。在2014-2015年度，耗水量变化趋势大致与2013-2014年度相似。但由于降水量的减少，所有处理的整个生育期耗水量都小于2013-2014年，且T0、T1、T2处理耗水量从抽穗期开始均持续上升，T3处理略降。

2.2 不同覆盖模式下冬小麦根长特征

从冬小麦根长密度在土壤剖面中的分布变化(图5)可以看出，随着生育时期的推移，根系逐渐下扎，深层根量不断增加。拔节期(播种后180 d左右)，各土层根系数量均达到最大值，且不同处理间根长密度出现明显差异。在2013-2014年度，T0处理根系主要集中在80～130 cm土层，占总根系的55.45%，其中0～20 cm土层根系占18.05%。T1处理的根系主要集中在10～30 cm土层(21.79%)和100～130 cm土层(26.30%)。

T2处理的小麦根系主要集中0～20 cm土层(28.07%)和50～90 cm土层(45.60%)。T3 处理根系主要集中在10～20 cm和70～100 cm土层，分别占总根系的13.24%和35.14%，说明垄作覆膜促使小麦根系主要在土壤表层富集。T0、T1、T2、T3处理根长密度最大值分别为2.09、1.29、1.84和1.97 cm·cm-3，T0处理具有的根长密度值最大是由于其根系分布较集中。在2014-2015年度，由于降雨较少，各处理在整个生育期的表层根系数量较少，根系主要集中于60 cm以下的深层土壤，根系最大值出现在播种后160～180 d。T0、T1、T2和T3处理的根系分别主要集中在100～130、90～130、50～90、60～110 cm土层，分别占总根系的51.07%、68.59%、45.90%、60.09%，根长密度最大值分别为0.60、3.48、2.69、2.47 cm·cm-3, 根系分布均较集中。降雨减少时，小麦根系主要富集在60 cm以下土层，而当雨量充沛时，起垄、秸秆和地膜覆盖等保护性措施还会在0～30 cm土层使根系形成另一个富集区。从深层土壤来看，冬小麦根系在土壤中集中区域离地表的深度表现为T2

图3 不同覆盖模式下土壤剖面水分时空分布特征Fig.3 Temporal and spatial distribution characteristics of soil moisture under different mulching patterns

图4 不同覆盖模式下土冬小麦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 不同覆盖模式对冬小麦产量与水分利用效率的影响

与T0处理相比，在2013-2014年度，虽然T1和T2处理增加小麦籽粒产量，T1和T3处理增加生物产量，但不同处理间籽粒产量和生物产量差异均未达到显著水平。在2014-2015年度，秸秆覆盖处理的籽粒产量与生物产量都高于T0处理，其中T1和T3处理的籽粒产量和生物产量增加效果均达到了显著水平(表2)。T1、T2和T3处理的2年平均籽粒产量分别比T0处理提高了23.10%、12.24%和20.70%，其中T3处理对籽粒产量的影响两年差异较大。

图5 不同覆盖模式下冬小麦根长密度的时空变化Fig.5 Temporal and spatial distribution characteristics of root length density of winter wheat under different mulching patterns

不同处理间小麦总耗水量无显著差异，2013-2014年度的耗水量高于2014-2015年度。虽然除T3处理在2013-2014年度外，秸秆覆盖处理的水分利用效率在两个年度均高于T0处理，但不同处理间在2013-2014年度差异不显著，在2014-2015年度只有T1处理显著高于T0处理，提高43.62%; T1、T2和T3处理的两年平均水分利用效率分别提高25.42%、 9.68%和 20.13%。这表明秸秆覆盖对旱地小麦水分有效利用有一定的影响，但程度较小。

表2 不同覆盖模式对小麦地上部分生物量与水分利用效率的影响Table 2 Effect of biomass and root length root under different covering modes

同列数值后字母不同表示同一年内不同处理间差异显著(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 讨 论

研究旱区不同覆盖模式下土壤水分的时空变化对于冬小麦生长具有重要意义[15]。不同覆盖模式都可以通过改变地表状况来提高降水利用效率，增加土壤水分含量[16]。秸秆覆盖平作处理下，由于秸秆覆盖阻隔蒸发层与地表之间的联系，削弱了水汽对流交换强度，抑制了蒸发[17]，还可使地表水径流量降低，增加入渗量[18]。垄作地膜覆盖将降水汇于沟内，并且地膜覆盖抑制了水分蒸发，沟内覆盖秸秆更进一步减少了土壤水分蒸发，起到了蓄水保墒，提升水分利用效率的作用，两年田间试验都表明秸秆覆盖平作能提高水分利用效率，且在第二年达到显著水平，这与冯 浩等[19]、Sharma等[20]和薛 澄等[21]的研究结果类似。

水分状况可以影响根系富集深度、水平分布范围与垂直深度，还会影响根系呼吸等[22-23]。在相对应的土层中，当整体土壤水分含量充足时，小麦根系生长旺盛，表现为根密水大，土壤含水量愈大，根系发育愈多[24]。而当土壤含水量较低时，根系不断下扎以吸取深层水分，提高深层水分利用效率，维持作物生长发育[25-26]。本试验得到类似结论：2013-2014年度各处理根系主要集中0～30 cm和60 cm以下土层；2014-2015年各处理主要富集在60 cm以下土层，且根系富集深度表现为T2

覆盖措施一直是干旱半干旱地区农林业提升土壤水分利用效率的主要方法之一。大量研究表明，覆盖栽培会提升农作物产量[27-29]。薛 澄等[21]研究发现，在渭北旱塬区优化施氮结合垄覆膜沟覆秸秆使产量增加达15%～41%，水分利用效率增加10%～30%。党廷辉等[30]和张向前等[31]表明，覆盖措施能提升小麦产量，提升水分利用效率。本研究中，不同覆盖模式下小麦平均籽粒产量较对照增加23.10%、12.24%和20.70%，T3处理增产不稳定，可能是由于2013-2014年度降水过多，且T3处理强烈的保水作用，使土壤持久湿冷而导致作物减产[32]。不同土壤水分条件下，秸秆覆盖效果不同[30]。覆盖处理提升水分利用效率在第一年不显著，这是因为降水较为丰富，基本可满足作物生长，使覆盖作用相对减小。而在第二年覆盖处理提升水分利用效率作用加强了，且秸秆平作处理达到了显著增加。由此可知，覆盖方式能创造良好的水分条件，提高水分利用效率，增加作物产量，其中秸秆覆盖平作表现最优。

不同覆盖处理对于冬小麦根系与土壤水分的时空分布的影响具有差异，这种差异能帮助我们进一步开展参数化根系吸水研究。但是本研究各处理差异较小且年际间结果有所不同，进行参数化具有一定难度，有待于更进一步细致分析。

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