耕作方式与秸秆覆盖对夏玉米根系分布及产量的影响

张万锋，杨树青，娄 帅，靳亚红，刘 鹏

（内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018）

0 引 言

河套灌区是中国重要的粮食生产基地，但长期掠夺性生产导致灌区土壤板结、肥力下降[1]，大型农机的碾压、践踏等因素使土壤紧实度不断增加，机械阻力增强，影响土壤的通气性和肥力[2-4]，也影响根的穿透力和生长，造成根冠比失衡[5-6]。Hurley 等[7]研究发现根冠比失衡会引起植株根部产生大量信号传递物质脱落酸，抑制地上部植株生长，最终造成产量下降。梁宗锁等[8]研究表明根是作物吸收水分和养分最活跃的器官，了解根系形态、分布与结构是提高作物对养分吸收的关键，而0～40 cm土层是夏玉米的主体根系分布层，王志刚等[9]则通过室内试验模拟夏玉米耕层障碍的方法，发现20 cm 以下的土层根系对产量的贡献率高达48%，因此对夏玉米深层根系分布的研究是必要的。

合理的耕作模式可为作物生长发育创造适宜的生长微环境。刘战东等[10]和战秀梅等[11]研究表明秸秆覆盖可明显促进冬小麦降雨入渗的利用，蓄水保墒，改善根系生态环境，提高水分利用效率；Bezborodov 等[12]发现通过采用适当的水质和覆盖相结合可以调控根层盐分，显著提高作物产量和水分生产力，节约淡水资源；宋日等[13]研究表明深翻耕作模式显著降低耕作层容重，改善深层土壤环境，促进深层根生长，作物显著增产8%；赵亚丽等[14]指出作物秸秆表覆还田结合深翻耕作模式显著提高水分利用效率，降低农田耗水，改善耕层生态环境，夏玉米显著增产19%。因此田间秸秆覆盖结合深翻耕作已然成为构建和谐生态环境的有效耕作模式。目前开展了不少秸秆深埋的研究，乔海龙等[15]通过秸秆深埋的土柱试验发现秸秆深埋可显著降低耕作层返盐，抑盐保墒，提高冬小麦产量，王婧等[16]指出地膜结合秸秆深埋措施抑制深层土壤返盐，淡化根层，提高油葵产量，安俊朋等[17]研究表明秸秆垄间浅埋（15 cm）间隔表覆还田优化土壤结构，打破障碍层，显著提高水分利用效率和春玉米产量。然而，这些研究大多集中在室内试验、秸秆表覆或浅埋、深翻等单一耕作模式下对土壤水盐运移、作物产量及水分利用效率等方面的影响，鲜有从深翻耕作结合秸秆深埋二者交互作用下作物根系调控响应的角度展开的研究。

本研究基于秸秆还田和翻耕方式的交互作用，于2017 年5 月初至2018 年9 月末在河套灌区开展了不同秸秆还田方式结合不同翻耕方式的田间试验，从不同耕作模式对根系调控作用影响的角度，探究河套灌区深翻结合秸秆深埋的耕作模式对夏玉米根系分布、水分利用效率及产量的影响，以期在深翻结合秸秆深埋的耕作模式下，为研究根系调控节水稳产的潜力提供有益的借鉴，并丰富秸秆还田的相关研究理论。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于河套灌区临河区双河镇试验示范区（40o42"N，107o24"E，海拔1 040 m），属中温带半干旱大陆性气候，多年均降水量138 mm 左右，多集中在夏秋两季，年均蒸发量高达2 332 mm，春冬地表返盐较严重。试验时间为2017 年5 月至2018 年9 月。供试土壤依照美国土壤质地三角图分划粉砂壤土（砂粒、粉粒、黏粒质量比为8∶15∶2），试验区0～100 cm 土体平均田间持水率为22.57%，耕地的平均容重为1.51 g/cm3，中度盐碱地。2017 年和2018 年夏玉米生育期内示范区日降雨量及温度变化如图1 所示。

1.2 试验设计

试验设常规耕作（CK）、秸秆表覆耕作（BF）、深翻结合秸秆深埋耕作（SM）和深翻结合秸秆表覆与深埋耕作（BFSM）4 种处理，3 个重复，共12 个小区，每个试验小区的面积72 m2，各小区之间有宽2 m 的保护带，四周用埋深1.2 m 的聚乙烯塑料膜隔开，顶部留30 cm，防止水肥互窜，田间管理与当地农户管理一致。播种前浅耙整平，各处理采用统一施肥水平（当地用量约325 kg/hm2），播种时作为基肥一次性施入；采用统一灌水水平，生育期灌3 次水，每次135 mm。SM、BFSM处理在2016 年秋浇前深翻并埋设5 cm 厚秸秆层后整平压实；有秸秆表覆的处理，在播种后随即将3～5 cm 厚秸秆均匀铺设在垄间。供试夏玉米品种是钧凯618，机械播种，株距0.35 m，行距0.45 m，5 月初播种，9 月末收获。

图1 夏玉米生育期内日降雨量和温度 Fig.1 Daily rainfall and temperature during growing period of summer maize

表1 试验处理 Table 1 Treatments of the experiment

1.3 样品采集与测定

1.3.1 夏玉米根系生长指标及根长密度模型

在成熟期随机选取3 株代表性植株，采用Monolith 3D 空间取样法，收集玉米根样品。采用根系扫描仪（Epson Perfection 4870）对根样品扫描，并用根系分析系统（Win RHIZO Program）分析根长等相关数据。将根取样时地上部分的植株及根样品经105 ℃杀青，80 ℃烘干至恒质量后称质量，测地上干物质及根样品的质量。

根长密度（Root Length Density，RLD）是土壤水分模拟中的一个重要参数，采用RLD 模型对不同耕作模式下夏玉米RLD 进行非线性回归分析，得到回归参数估算值。Wu 等[18]将根系入土深度转化为0～1 范围内的标准化根深，提出归一化RLD 分布的概念，不同生育期采用归一化的根长密度分布函数。本研究采用Wu 等[18]提出的一个三阶多项式，对不同耕作模式下成熟期标准化根深的各土层RLD 进行拟合，如式（1）所示

式中y 为不同土层深度的RLD，cm/cm3；x 为标准化根深，x=z/60（0≤z≤60），其中z 为根取样的土层深度，cm；a、b、c、d 为模型回归参数，与土层相对深度有关。

1.3.2 考种测产及水分利用效率

夏玉米收获期，每个小区随机取10 株玉米，测定穗长、百粒质量等产量指标，干燥后称总质量并计算单位面积产量，作物耗水量（Evaporation and Transpiration，ET，mm）的计算如式（2）[19]所示

式中P 为生育期降雨量，mm；I 为灌溉量，mm；Wg为地下水补给量，mm；D 和R 分别是渗漏水量和地表径流，由于该示范区地下水位较高，地下水补给量远大于渗漏水量，因此渗漏水量D 可忽略，而且试验区地面平坦，无地表径流，R 也可忽略；ΔW 为试验初期到末期土壤储水量的变化量，mm。

水分利用效率（Water-Use Efficiency，WUE，kg/(hm2·mm)）的计算如式（3）所示

式中Y 为玉米产量，kg/hm2；ET 为作物耗水量，mm。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2010 处理，应用SPSS 20.0进行单因素方差分析，采用最小显著差异法（Least Significant Difference ， LSD ） 进 行 显 著 性 检 验（P＜0.05），并用SURFER 13.0 软件进行网格化处理，制作等值线图。

2 结果与分析

2.1 夏玉米根长密度对不同耕作模式的响应

根长密度（RLD）是反映根系空间变化的重要参数，也是反映作物水肥吸收能力的重要指标。不同耕作模式影响夏玉米成熟期 RLD 在土壤剖面上的空间分布（图 2）。以1 cm/cm3为根长密度分界线[20]，≥1 cm/cm3是根长密度的密集区，＜1 cm/cm3是根长密度的分散区，分别为：

1）在垂直方向上，夏玉米根系主要集中在0～40 cm土层，随深度增加RLD 快速递减。2017 年各处理RLD密集区深度为23.5～27.3 cm，2018 年降雨充沛，各处理RLD 密集区深度为24.4～30.5 cm，2018 年根系平均密集区深度较2017 年提高3.8%～11.7%；2 年间的BF、SM 和BFSM 处理RLD 密集区深度平均较CK 处理提高2.1%、23.8%和24.7%，CK 与BF 处理RLD 密集区差异不显著；另外，CK 和BF 处理在＞35 cm 土层的RLD 仅占总数的5.6%，而SM 和BFSM 处理在＞35 cm 土层RLD 达到26%，且入土深度＜60 cm 的分散区根系高于6.2%，两者差异不显著（P＜0.05）。这说明深翻结合秸秆深埋的耕作模式显著提高RLD 的密集区和分散区的深度，有利于促进深层根系在垂直方向上的分布。

图2 2017 年和2018 年不同处理下夏玉米成熟期的根长密度分布 Fig.2 Distribution of RLD at summer maize mature period under different treatments in 2017 and 2018

2）在水平方向上，2017 年和2018 年的夏玉米水平根系密集区主要分布在以夏玉米为中心半径12～17.5 cm的圆周围。2017 年各处理RLD 密集区水平长度为25.5～32.5 cm，2018 年为26.7～34.9 cm，2018 年根系平均密集区水平长度较2017 年提高约4.7%～7.4%；2 年间的BF、SM 和BFSM 处理RLD 密集区长度平均较CK 处理提高24.7%、3.5%和29.1%，CK 和SM 处理RLD 水平方向的密集区的长度差异不显著，而BF 和BFSM 处理较CK 和SM 处理在水平方向的密集区长度显著提高（P＜0.05）。试验结果说明秸秆表覆耕作模式有利于促进根系在水平方向的分布，增加表层土的RLD。

不同耕作模式下的夏玉米成熟期在35～40 cm 土层的RLD 空间分布如图3 所示，同时在RLD 等值线图2中将该土层的RLD 等值线用虚线表示。各处理在秸秆隔层的土层2017 年和2018 年的RLD 分布趋势一致，RLD在水平方向呈“正态”分布，在植株正下方分布密度最大，远离植株逐渐减小，水平方向＞15 cm 范围外土层基本上无根系分布。通过2 年间的试验发现，在秸秆隔层的土层，BF 处理的平均RLD 较CK 处理仅高0.85%，两者差异不显著，但SM 和BFSM 处理该土层RLD 显著大于BF 和CK 处理（P＜0.05）；BFSM 处理平均RLD 较SM 处理高3.5%，两者差异不显著。这说明深翻结合秸秆深埋的耕作模式可显著提高秸秆隔层土层的RLD，促进深层根生长。

采用SPSS 软件对RLD 与标准化根深的关系进行非线性回归分析，建立RLD 与标准化根深分布模型，得到2017 年在不同耕作模式下的RLD 拟合函数（表2）。结果表明，2017 年夏玉米RLD 与标准化根深具有拟合度较高的三次函数关系。随标准化根深增加，夏玉米RLD 逐渐降低，降低幅度逐渐减小。采用2018 年实测数据对模型进行验证， 并采用决定系数（ Coefficient of Determination，R2）、均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）、标准化均方根误差（Normalized Root Mean Square Error，n-RMSE）以及模拟值与实测值之间的1∶1直方图来对模型进行评价（图4）。2018 年不同耕作模式下模拟值与实测值的n-RMSE 分别为20%、16%、14% 和14%，模拟达到较好水平；R2均高于0.96，说明模拟值与实测值相关程度好，能够较好地描述不同耕作模式夏玉米RLD 分布。

图3 2017 年和2018 年夏玉米成熟期在35～40 cm 土层的根长密度分布 Fig.3 Distribution of RLD at summer maize mature stage in soil layer of 35-40 cm in 2017 and 2018

表2 2017 年不同处理下夏玉米成熟期的根长密度拟合函数 Table 2 RLD fitting function at summer maize mature period under different treatments in 2017

图4 2018 年不同处理夏玉米成熟期根长密度的模拟值与实测值比较 Fig.4 Comparison between simulated values and measured values of RLD at summer maize mature period under different treatments in 2018

2.2 夏玉米根冠比对不同耕作模式的响应

适宜的生长环境有利于形成良好的根冠关系[21]，且根冠关系量化体现的一种直观表达形式是根冠比（Root-Shoot Ratio，R/S），其随生长环境、耕作模式等不同而具有一定的差异性，从而对地下部根系及地上部生物量的分配产生影响（表3）。2017 年和2018 年的SM和BFSM 处理根干质量及R/S 无差异，但较CK 和BF 处理显著提高；BF、SM 和BFSM 处理较CK 处理2 年间的平均根干质量分别提高14.2%、32.8%和36.6%，2 年间的平均R/S 分别提高3.8%、20.8%和26.4% （P＜0.05）。2018 年（多雨年份）CK 和BF 处理根干质量较2017 年（少雨年份）分别显著提高25%和6.5%（P＜0.05），但2 a间SM 和BFSM 处理的根干质量差异不显著；2018 年SM处理R/S 较2017 年显著提高6.5%（P＜0.05），但2 a 间CK、BF 和BFSM 处理的R/S 差异不显著。这说明深翻结合秸秆深埋耕作模式和充沛的降雨可显著提高R/S（P＜0.05），形成良好的根冠关系。

2.3 夏玉米产量及水分利用效率对不同耕作模式的响应

夏玉米产量及其构成因素、水分利用效率等指标是耕作模式对土壤水分及夏玉米生长性状影响的最终体现。通过分析各处理的指标（表4），2017 年CK 和BF处理的穗长、百粒质量差异不显著，较SM 和BFSM 处理的穗长、百粒质量显著降低（P＜0.05）；BF、SM 和BFSM 处理的穗粒数差异不显著，但均较CK 处理显著提高；SM 和BFSM 处理的产量无差异，较CK 和BF 处理显著提高，BF、SM 和BFSM 处理的产量较CK 处理分别显著提高5.5%、19.1%和19.1%（P＜0.05）；2018 年SM 和BFSM 处理的穗长、穗粒数差异不显著，百粒质量、产量无差异，但两者较CK 和BF 处理均显著提高，BF、SM和BFSM处理的产量较CK处理分别显著提高11.6%、19.9%和20.3%（P＜0.05）。另外从夏玉米耗水量和水分利用效率的角度分析，2 年间SM 和BFSM 处理较CK 处理均显著降低了夏玉米耗水量、提高了水分利用效率，两者差异不显著。2 a 间BF、SM 和BFSM 处理的夏玉米耗水量较 CK 处理平均降低 4.5%、10.8%和 11.2%（P＜0.05），3 个处理的水分利用效率较CK 处理平均提高13.6%、32.3%和34.8%（P＜0.05）。

表3 成熟期不同处理的夏玉米根干质量及根冠比 Table 3 Weight of dry root and R/S of summer maize under different treatments in mature stage

3 讨 论

玉米根系生长发育受土壤水分、耕作层容重[22]等因素的多重影响，而深层根是旱地作物形成籽粒产量的功能根系[23]。2017 年和2018 年田间试验结果表明，BF 处理可显著提高夏玉米根系水平方向密集区的范围，平均增加26.9%，SM 处理可显著提高夏玉米深层根系密集区的深度，平均增加24.3%，这说明秸秆表覆耕作模式促进根系在水平方向的分布，而秸秆深埋耕作模式诱导夏玉米根系下扎，促进深层根系发育，利于对土壤水分和养分的吸收，提高产量。基于标准化根深的根长密度（Root Length Density，RLD）的分布模型，估算RLD 分布及在各土层的比例，是节水增产的基础。Zuo 等[24]研究表明，标准化根深RLD 分布模型能较好模拟小麦等作物的根系生长，Ning 等[25]建立了棉花的标准化根深RLD 分布模型，马韬等[26]建立了向日葵标准化根深RLD 分布模型等，并针对水盐运移等方面的模拟取得显著的效果。本研究建立了2017 年不同耕作模式下夏玉米RLD 与标准化根深的分布模型，并用2018 年实测数值率定，结果显示拟合达到较好水平，能够较好地描述不同耕作模式下夏玉米RLD 分布，但不足之处是本研究仅从耕作模式拟合率定，土壤深度太浅，考虑变量单一，因此关于标准化根深RLD 模型，可从设置水肥耦合、根系干质量等方面深入研究。

Goldberg 等[27]认为作物根系生长具有很强的避逆性，根系会朝着高水低盐的地方生长；杨贵羽等[28]认为良好的水环境促成作物庞大的根系，提高根冠比（Root-Shoot Ratio，R/S）。干物质生产和分配是产量形成的重要因素，且作物地上部干物质的形成依靠根系源信号调控，而夏玉米根系微环境直接影响释放根源信号的调控作用[21]。本试验发现，深翻结合秸秆深埋耕作模式可以显著提高夏玉米深层RLD 和R/S，且SM 与BFSM处理差异不显著，这说明秸秆深埋模式能够促进夏玉米深层根系生长发育，利于养分和水分的吸收，构建适宜的根系生长微环境，进而积极地调控根源信号的释放，促进更多干物质形成并向籽粒转移。本试验中产量也证明了这一点，2 a 间BF、SM 和BFSM 处理的平均产量较CK 处理显著提高8.6%、19.5%和19.7%（P＜0.05），且SM 与BFSM 处理产量差异不显著，同时也说明秸秆表覆不是提高深层根系RLD 及产量的关键因子。

提高水分利用效率（Water-Use Efficiency，WUE）是解决水资源短缺的重要措施。不同的耕作模式影响着地下根系与地上植株的水分和养分的分配、转移，从而影响作物产量和WUE。合理的根系分布可提高根系与地上部植株协同作用[29]，常规耕作的夏玉米根系可通过提取深层土壤水分，供给根系及地上部植株生长所需，但因其深层根较少，提水作用有限，不能有效利用深层土壤水分，造成WUE 偏低[30]。且R/S 与WUE 之间关系密切，Ma 等[31]认为通过去根和控制分蘖的方法确定冬小麦的R/S 与WUE 呈负相关关系，这与本试验结果有差异。这可能因为河套灌区是干旱缺水地区，庞大的根系统是夏玉米抗旱高产的保证，特别是采取措施提高深层RLD[32]，而本试验中SM 处理综合了秸秆深埋与深翻耕作的优势，显著提高深层RLD，抑制水平方向根系生长，增强深层根系提水作用，形成良好的根冠关系，因此本试验中随着夏玉米成熟期的R/S 增加，夏玉米的产量及WUE 也显著提高。本试验结果还表明，2 a 间BF、SM和BFSM 处理的WUE 较CK 处理平均提高13.6%、32.3%和34.8%（P＜0.05），而2018 年（多雨年份）较2017 年（少雨年份）CK、BF、SM 和BFSM 处理下的WUE 分别下降9.1%、9.1%、6.5%和4.9%，CK 和BF 处理WUE下降最多，这说明深翻结合秸秆深埋耕作模式更适宜干旱区农业耕作，对夏玉米 WUE 的提高效果显著（P＜0.05）。与常规耕作模式相比，传统秸秆还田对夏玉米深层根、WUE 及产量无显著提高，而深翻结合秸秆深埋的耕作模式可以实现节水稳产的目标，且考虑农田耕作的可操性，在干旱区农业生产中深翻结合秸秆深埋的耕作模式是可行的。

4 结 论

本研究初步揭示了河套灌区夏玉米根系分布、产量和水分利用效率对不同秸秆还田和翻耕方式（常规翻松、深翻）共同作用的响应。与传统耕作模式相比，深翻结合秸秆深埋模式显著（P＜0.05）提高夏玉米深层根长密度、产量及水分利用效率，平均分别提高23.8%、19.5%和32.3%。在河套灌区农业生产中深翻耕作结合秸秆深埋模式能够为夏玉米根系构建和谐的生长微环境，提高深层根长密度，合理调控根系空间分布，并通过根源信号的积极调控作用促进夏玉米地上部植株生长，形成良好的根冠关系，提高对土壤水分养分的吸收利用效率，达到高产。农业生产中，深翻结合秸秆深埋耕作模式可以实现节水增产的目标，对河套灌区的农业生产的合理耕作措施具有一定的借鉴和指导意义。