灌水定额对覆膜滴灌玉米根系分布和籽粒产量的影响

马金平，王卫锋，朱宝才，王双喜

(1.山西农业大学林学院，030801，山西太谷；2.山西农业大学工学院，030801，山西太谷)

干旱缺水是限制我国北方地区农业生产和生态建设的主要环境因子。覆膜和滴灌技术作为重要水土保持耕作措施，具有节水、增产等优势，目前在西北干旱区研究已十分成熟[1]。张晓伟等[2]在1999年发现滴灌比畦灌更能提高农田水分利用效率并增加玉米产量。刘战东等[3]研究认为覆膜滴灌措施下，玉米经济产量随滴灌量增加而增加。但以上研究内容主要集中在西北干旱区，山西地处黄土高原东缘，气候干冷，覆膜和滴灌技术对该地区玉米种植的增产和生态效应研究还相对缺乏；以上研究只考虑了覆膜滴灌技术对作物地上部分产量的影响，缺乏对作物其他部位生理结构的影响研究。

根系作为植物生长发育的最先感应器官，直接影响植株的生长发育与产量[4]，其分布特征随土壤水分和环境时刻发生变化[5]。研究[6-7]表明：滴灌条件下，滴头下方作物根系密度会变大，灌水量越少和灌水次数越多，土壤湿润越浅，作物根系扎的越浅。然而也有试验[8]认为在干旱区，覆膜阻挡降雨入渗和空气流通，不利于玉米根系生长和产量增加。方怡向等[9]研究得出膜下滴灌条件下不同滴灌量棉花根系的分布特征，直径>1 mm的粗根只分布在40 cm以上的土层，但随着滴灌量减少，土壤深层根系生物量有增加趋势。覆膜滴灌措施对玉米根系特征及产量的影响还有待于深入研究。

由于黄土高原水资源有限，对该地区农作物实施精准灌溉十分必要。笔者在典型黄土高原农业区山西省太谷县，研究在覆膜滴灌条件下不同灌水定额对春玉米根系分布特征及籽粒产量的影响，为合理制定春玉米膜下滴灌制度提供科学依据，为大田覆膜滴灌玉米的生产实践提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年和2017年4—9月在地处山西太谷的山西农业大学林学院实验基地进行。该基地位于E 112.57°，N 37.43°，属暖温带大陆性气候；1960—2009年全年平均气温10 ℃，4—9月份平均气温20.0 ℃；1960—2009年平均降水量约458 mm，4—9 月份平均降水量约400 mm，占全年降水量的73%，2016年和2017年4—9月降雨量分别达531.5 mm和419.9 mm。根据卡庆斯基制土壤质地分类法[10]，试验地土壤质地为壤土，其基本物理性质见表1。

表1 试验地土壤基本物理性质Tab.1 Soil physical properties in study site

1.2 田间区组试验设计及处理

选用山西广泛种植的春玉米品种龙生16(ZeamaysL. cv. Longsheng 16)，播种前对试验地块进行整地、覆膜和滴灌带铺设。笔者共设计6个处理，CK(当地传统旱作模式)：不覆膜+灌水定额0 mm；D1：覆膜+灌水定额0 mm；D2：覆膜+灌水定额8 mm；D3：覆膜+灌水定额12 mm；D4：覆膜+灌水定额16 mm；D5：覆膜+灌水定额20 mm。每种处理3个重复，共计18个试验小区，随机布置于实验大田中。每个试验小区面积3 m×4 m，区内种植6行植株，各小区间种植2行作为保护行。小区间以PVC板进行隔水处理。播种前浇底水，4月25日人工穴播玉米，播深5 cm左右，单株种植(穴播2粒，5叶期定苗)，播种量45 kg/hm2。地膜采用幅宽为60 cm，厚为0.008 mm的薄膜。滴灌带选用内镶片式滴灌带(北京绿源公司，中国)，0.1 MPa下滴头标称流量2.0 L/h，滴头间距30 cm。宽窄行种植，宽行60 cm，窄行40 cm，窄行进行覆膜处理，为1膜2管2行玉米，滴灌带铺设于膜下每行玉米内侧，株距30 cm，种植密度6.5万株/hm2。播后玉米的灌溉制度，由埋置在D2处理的TDR土壤水分时域反射仪控制，苗期至抽雄期以10 cm土壤深度，抽雄期至完熟期以20 cm土壤深度的数据为准，当土壤体积含水量介于18%～19%时，各处理按各自的灌水定额同时开始补充滴灌。2016年和2017年分别补充滴灌6次和8次。9月24日收获植株，全生育期153 d。播前未施基肥；追肥于抽穗期时随滴灌系统施入尿素120 kg/hm2，其中D1和CK处理采用小铲埋入植株附近的方式进行追肥。其他管理措施按大田栽培模式进行。

表2 试验设计及灌水定额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 根系取样及分析方法

春玉米收获籽粒后，对长势一致并且位置连续( 种植行方向) 的3株玉米根系取样。整体根系分析采用整体根系法开挖至100 cm，保持根系的完整性。垂直根系采用分层取样法，以植株为中心，面积为20 cm×20 cm的土块为取样单位，取样深度为0～10、10～20、20～40、40～70和70～100 cm。用冲洗法把根系表面清洗干净，用根系分析系统(WinRHIZO，加拿大)分析根长、平均根直径、根表面积、根体积、根尖数等根系形态特征参数。扫描后的根系样品在105 ℃杀青30 min，80 ℃下烘干至恒量，称其质量。

考种及测产是收获前每个小区收获中间2行，全部脱粒、晾干后测定籽粒产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007 软件处理数据和边际效益分析，SPSS 20.0软件进行显著性检验(Duncan 法，P<0.05)和Pearson相关性分析，SigmaPlot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 玉米整体根系特征参数

2016年各根系参数均高于2017年。随着灌水定额的增加，各根系形态特征参数呈递增趋势。根长、根表面积、根体积、根尖数和根干质量在对照和中等灌水定额(D2、D3和D4)时差异性较大，而在只覆膜处理D1和最大灌水定额处理D5时差异不明显。根直径在所有处理的差异均不明显。2016年根长、根体积、根尖数和根干质量分为4级，根直径为1级，根表面积分为3级。2017年根长分为5级，根直径为3级，根表面积、根体积、根尖数和根干质量分为4级。不同年份补充灌水定额对根长、根体积、根尖数和根干质量影响较大，对根表面积和根直径影响较小。其中CK和D1 均为a级，表明覆膜对各根系形态特征参数的影响不明显。

结果用平均值±标准差来表示。不同大写字母表示同一处理不同年份之间的显著差异(P<0.05)，不同小写字母表示同一年份不同处理之间的显著差异 (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). 图1 2016和2017年春玉米根系各特征参数Fig.1 Different root parameters of spring corn in 2016 and 2017

2.2 根系垂直分布特性

1)根长。根据2016年和2017年的根长垂直分布图2(a)和(b)可知：各处理的根长在垂直方向上均呈现“介”型分布，其中10～20 cm土层深度根长比例最大，2016年和2017年分别占总根长的47.29%～60.28%和48.29%～62.30%。不同土层深度根长随灌水定额的增加而增加，表现为D5>D4>D3>D2>D1>CK，0～40 cm土层内各组处理下的根长差异较为明显，40 cm以下各组根长差异随着土层深度增加而逐渐减小。2016年与2017年相比，同一土层深度、同种处理条件下，当灌水定额较小(CK，D1，D2和D3)时，2016年作物根长>2017年作物根长，并且差异显著，而在灌水定额较大(D4和D5)时，2016年与2017年作物根长差异不显著。

图2 春玉米不同深度土层的根长Fig.2 Root length of spring corn at different depths

2)根干质量。根据2016年和2017年的根干质量垂直分布图3(a)和(b)可知，各处理的根干质量随土层的加深均呈现“T”型分布，以 0～20 cm土层内根干质量最大，2016年占总根质量的72.03%～85.48%，2017年占总根质量的71.50%～84.97%，20 cm土层以下随根系下延，根干质量明显减小。根干质量均随着灌水定额的增加而增大，均表现为D5>D4>D3>D2>D1>CK。值得注意的是2016年D1与CK在不同土层深度的根干质量几乎相等，但在2017年D1稍大于CK，说明覆膜对于根系的影响，在丰水年时无明显差异，在平水年时有利于根系生长。

图3 春玉米不同深度土层的根干质量Fig.3 Root dry mass of spring corn at different depths

2.3 春玉米籽粒产量

由图4可知，2016年和2017年玉米籽粒产量随灌水定额的增加而增大。2016年各组处理下玉米籽粒产量从小到大为D1

2.4 相关分析和边际效益分析

将各根系特征参数和籽粒产量与覆膜滴灌处理进行Pearson双尾相关性分析，如表3所示，各根系参数和籽粒产量与覆膜滴灌处理呈极显著正相关，随着灌水定额增大而明显增长。

春玉米产量用平均值±标准偏差来表示。不同小写字母表示同一年份不同处理之间的显著差异(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).图4 灌水定额对春玉米籽粒产量的影响Fig.4 Effect of irrigation quota on the grain yield of spring corn

表3 根系参数和籽粒产量与覆膜滴灌的Pearson相关性(双尾检验)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水平上显著相关(双尾)。Notes: ** indicates very significant correlations (double tail) at the 0.01 level.

D1、D2、D3、D4和D5的籽粒产量边际效益，2016年分别为20.88、30.29、13.42和0.97；2017年分别为20.52、46.39、21.65和4.19。籽粒产量边际效益随着灌水定额增加逐渐减小，2016年D5处理的籽粒边际效益小于1，2017年略大于1，即灌水定额大于16 mm后，籽粒增长倍数已经呈现减缓趋势，故本试验推荐大田膜下滴灌玉米灌水定额为16 mm。

3 讨论

3.1 春玉米根系分布

玉米整体根系特征参数随灌水定额增加，并且根长、根尖数和根干质量差异较大，对环境变化的响应极为敏感，滴灌将水分直接作用于根系，可高效利用土壤水分，从而达到节水并增产的目的。这与徐宝山等[4]和白有帅等[11]的研究结论一致。

灌水定额对在0～100 cm深度土层玉米根系垂直分布的影响表现为D5>D4>D3>D2>D1>CK，均随着滴灌定额的增加而增大，在降雨量少的2017年，差异更为显著。这样既有利于增加植株的抗倒性，也有利于吸收不同土层中的水分和养分。这也从另一个方面反应出适度缺水后，滴灌量增大，能够改善土壤水分，促进根系的分枝生长，这与李凤英等[12]和胡田田等[13]的观点一致。他们认为有限缺水效应可促进细根的伸长生长和数量增加，是玉米对水分亏缺的一种适应和补偿机制。

覆膜滴灌所有处理的春玉米根长和根干质量垂直分布均符合“介”型和“T”型分布：10～20 cm土层的根长比例最大，达47.29%～62.30%；0～20 cm土层深根干重比例最大，达71.50%～85.48%。Li等[14]研究得出滴灌条件下，根长在0～30 cm土层中占全部根系的60%～70%，质量密度在0～30 cm土层中较高，在30～100 cm土层中较低的结论，这与本研究结论基本一致。才卓[15]研究得出普通灌溉方式下，玉米根干物质重有85%以上分布在0～40 cm深的土层，0～20 cm土层中占总根重的60%，明显低于本研究中滴灌条件下0～20 cm土层内根干重比例。由此可见覆膜滴灌这种局部灌溉方式，会增加表层的根长和根干质量比例。

3.2 春玉米籽粒产量

覆膜滴灌的春玉米产量，也随着灌水定额的增加而增大，2016年和2017年玉米产量从大到小为D5>D4>D3>D2>D1。值得注意的是，2016年降雨量明显多于2017年，但2016年玉米产量D1CK。其原因可能在于降雨与产量具有显著的正相关性，而覆膜对产量的影响与降雨相反。2016年降雨量多，覆膜阻挡了降雨的入渗，反而造成土壤含水量的减少，引起籽粒产量减少；2017年降雨少，覆膜在一定程度阻挡了土壤水分的蒸发，故而2017年覆膜处理的籽粒产量稍高于对照。刘洋等[16]在东北地区3年的试验研究得出覆膜滴灌分别比无覆膜滴灌和地面灌处理提高11%和21%，与本研究结果有不同之处，可能是因为地域及年平均降水量不同造成的。

4 结论

1)覆膜滴灌春玉米整体根系特征参数均随灌水定额增大而增大。覆膜滴灌措施明显增加了玉米根系在土壤表层的根长及根干质量比例。

2)覆膜在平水年时可提高根系特征参数和作物产量，但丰水年不利于提高根系特征参数和作物产量。

3)根据不同灌水定额的根系参数和产量相关分析结果及玉米籽粒产量边际效益分析结果，筛选出膜下滴灌16 mm为适用于山西大田玉米种植的最佳覆膜滴灌方案。