秸秆覆盖对沟灌夏玉米根系分布及产量影响

张 寅，鄂继芳，孙明海

（1.河套学院，内蒙古 巴彦淖尔015000；2.呼伦贝尔市地产管理所，内蒙古 呼伦贝尔021000）

0 引 言

【研究意义】引黄水量锐减、水肥利用效率低等问题正在严重制约河套灌区农业的发展，节水灌溉、提高水肥效率及作物产量是灌区面临的主要问题[1]。适宜的耕作模式可提高土壤含水率和水分利用效率，为作物生长创造和谐生长环境[2]，秸秆覆盖改善土壤团聚体，增大土壤通透性[3]，提高土壤养分供应强度[4]，减少土壤水分无效蒸发，提高耕层含水率，并能够改良根区环境[5-6]。且秸秆覆盖可提高土壤有机质等养分量和微生物活性，而普通地膜覆盖虽能提高土壤含水率，但降低了土壤有机质量[7]。因此，改变耕作方式对水分利用效率及作物产量的提高具有重要意义。【研究进展】沟灌作为传统的地面灌溉方式，在农业生产中应用广泛，随着节水灌溉技术的不断发展，沟灌也重新被重视。相关研究指出宽垄沟灌灌水效率显著高于常规沟灌，与传统畦灌相比，宽垄沟灌可显著提高水分利用效率[8]，增产显著[9-10]；交替隔沟灌溉增大作物根系下扎深度，较常规沟灌提高水分利用效率5%以上[11-13]，覆膜沟灌有效促进作物生长并提高经济效益[14]；汪顺生等[15]指出适量秸秆覆盖的沟灌有效增强雨水下渗，蓄纳较多雨水。根是作物吸收养分水分关键营养器官[16]，根系生长发育受土壤体积质量、含水率等多重因素影响[17]，改善根系分布与结构是作物提效增产的关键。【切入点】针对秸秆覆盖技术目前已研究较多，主要集中在不同覆盖的方式、不同水分处理及不同材料[18-19]间的比较分析，耕作模式为常规畦灌，而关于沟灌结合不同秸秆覆盖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鲜见报道。【拟解决的关键问题】基于此，在河套灌区临河区气象试验站开展小区试验，探究宽垄种植下不同秸秆覆盖处理对夏玉米根系分布、水分利用效率的影响，旨在为秸秆覆盖技术在沟灌种植上的应用及提高河套灌区作物水分利用效率提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年5—10月在内蒙古巴彦淖尔市临河区农业气象试验站开展。地理位置为40o42'N、107o24'E，海拔1 040～1 043 m，属于典型的温带干旱大陆性季风气候，冬季寒冷而漫长，夏季炎热而短促，多年平均气温7.1 ℃，年平均降雨量为141 mm，年平均蒸发量为2 430 mm，年均日照时间为3 223.7 h，无霜期为140 d 左右。试验区根层土壤类型以壤土为主，土壤体积质量为1.48 g/cm3。研究期间夏玉米生育期内试验区日降雨量和日平均温度变化如图1 所示。

图1 夏玉米生育期温度及日降雨量Fig.1 Daily rainfall and temperature during growing period of summer maize

1.2 试验设计

试验设常规垄覆膜沟灌（FM）、垄覆秸秆沟灌（FLJ）、沟覆秸秆沟灌（FGJ）、垄沟覆秸秆沟灌（FLGJ）4 种处理，3 个重复，共12 个小区，试验小区的面积为4 m×6 m，采用混凝土浇筑的地下挡水板隔开，防止相邻小区水肥影响，小区外围种植玉米保护行，田间管理与当地农户管理一致。各处理采用统一施肥水平（施氮量225 kg/hm2（以N 计）、施磷量150 kg/hm2（以P2O5计）、施钾肥50 kg/hm2（以KCl 计）），磷肥和钾肥与50%氮肥在播种时作为基肥施入，剩余氮肥分别在第1 次灌水和第2 次灌水前平分施入；各处理在夏玉米生育期灌溉4 次水，单次灌水定额为70 mm，采用渠水灌溉，渠水矿化度为0.628 g/L，沟断面如图2 所示。各处理覆膜的厚度均为0.01 mm，宽幅80 cm，秸秆覆盖厚度5 cm，覆盖量为1.5 kg/m2，供试材料采用当地玉米西蒙6 号，5月1日播种，9月30日收获，机械播种，人工起沟，人工分别在垄上和沟里铺设厚秸秆，株距0.3 m，行距0.40 m，东西走向种植。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 考种测产

在收获期，对夏玉米进行考种。每个小区随机取5 株夏玉米，测量夏玉米穗长、穗粗等指标；随机选取100 粒籽粒，3 个重复，称质量取平均值，计算夏玉米百粒质量；夏玉米籽粒干燥后称总质量并计算单位面积产量。

夏玉米收获指数[20-21]（Harvest Index，HI）指收获期夏玉米穗部籽粒质量与地上干物质质量之比，计算式为：

式中：Mz为夏玉米穗部籽粒质量（g/株）；Md为夏玉米地上干物质质量（g/株）。

图2 沟断面示意图（单位:mm）Fig.2 The diagram of ditch section(unit:mm)

1.3.2 水分利用效率

作物耗水量（ET）计算式为：

式中：ET为作物耗水量（mm）；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，夏玉米生育期的地下水埋深较浅，约为0.8～1.8 m，地下水补给量远大于渗漏量，且灌水定额较小，因此渗漏量可忽略；试验区地面平坦，无地表径流，R可忽略；ΔW为试验初期到末期土壤储水量的变化量（mm）。

地下水补给量：在每个试验小区埋设3 组3 根负压计（埋设深度分别为80、60、40 cm），每天读取负压计读数，采用定位通量法计算地下水对土壤水的补给量，根据达西定律计算该点处的流量q，计算式为：

式中：h1、h2分别为断面Z1、Z2处负压计的值（hPa）；Z1和Z2为负压计安装的两点深度；k为试验用沙壤土的渗透系数。

由此，得到t1至t2时段内单位面积流过的土壤水流量Q(Z1-2)，并由Q(Z1-2)可求得任一断面流量Q(z)，计算式为

土壤含水率：在播种前和每次灌水前、后（下雨后2～3 d 加测1 次），采用土钻在田间取样，测定土壤含水率。分别在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土层取土样，采用干燥称质量测定土壤含水率，即质量含水率。

水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的计算式为：

式中：WUE为水分利用效率（kg/（hm2·mm））；Y为玉米产量（kg/hm2）；ET为作物耗水量（mm）。

1.3.3 夏玉米根系取样

在夏玉米灌浆期采用剖面挖根法，随机取3 株代表性植株取样。在垂直方向60 cm 土层范围，垄上分别取0～10、10～20、20～30、30～40 和40～60 cm 共5层；沟上分别取0～10、10～20、20～30 和30～40 cm 共4 层，分别将各土层中所有根系取出，清洗干净并自然晾干，剔除杂质和死根。根样品采用Epson Perfection 4870 根系扫描仪进行扫描，并用根系专用分析软件Win RHIZO Pro 获得根长等指标。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2016 处理，应用SPSS 22.0进行方差分析，采用最小显著差异法（Least significant difference method，LSD）进行显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 沟灌与不同秸秆覆盖对夏玉米根长密度的影响

沟灌结合不同秸秆覆盖显著（P<0.05）影响夏玉米灌浆期RLD在垄和沟的土壤剖面的空间分布（图3）。从表1 可以看出，夏玉米RLD与土层深度呈指数关系，随土层深度的增加RLD递减，垄上的RLD在10～20 cm 土层锐减，幅度最大，40 cm 以下土层降幅较小；沟里的RLD变化趋势较平稳；垄上的RLD显著高于沟里11.2%（P<0.05）。与FM 处理相比，秸秆覆盖显著提高垄上0～10 cm 土层的RLD，尤其是FLJ 和FLGJ 处理显著增加了24.6%和27.4%，而在40～60 cm 土层，FGJ 与FLGJ 处理的RLD无差异，但较FM 处理显著增大128.1%和122.7%；在沟里0～10 cm 土层RLD，FGJ 处理最大，较FM 处理增加22.0%，FLGJ 较FM 处理增加9.7%，而在30～40 cm土层，FM 和FLJ 处理未发现根系，FGJ 和FLGJ 处理的RLD仍能达到0.18 cm/cm3。说明，沟覆秸秆有利于垄上深层（>40 cm）和沟里深层（>20 cm）土层根系生长发育，有利于夏玉米根系下扎，而垄上覆秸秆显著促进垄上表层根系发育，对垄上和沟里深层根系发育促进效果不显著。

表1 不同处理夏玉米灌浆期根长密度拟合函数Table 1 RLD fitting function at summer maize filling period under different treatments

图3 夏玉米灌浆期根长密度Fig.3 RLD of summer maize at filling stage

2.2 各处理对夏玉米产量及收获指数的影响

沟灌种植模式下不同秸秆覆盖方式对夏玉米产量及其构成因素的影响如表2 所示，各处理间夏玉米穗长、穗粗和百粒质量差异显著，均达到5%显著水平。沟灌种植模式下，秸秆覆盖处理的穗长、穗粗、百粒质量和产量显著高于覆膜沟灌，较FM 处理分别提高3.6%～19.3%，6.3%～18.8%、12.5%～22.3%和4.8%～9.3%，且FGJ 和FLGJ 处理间的夏玉米产量相关指标差异不显著（P>0.05）。

夏玉米收获指数（HI）反映作物同化产物在夏玉米营养器官和籽粒上的分配效率，是重要的植物学参数之一。沟灌种植模式下，不同秸秆覆盖方式的HI差异显著（P<0.05，表2），在0.38～0.48 间变化，表明夏玉米收获指数不稳定，易受沟灌与秸秆覆盖等外界条件影响。秸秆覆盖处理的HI较FM 处理分别提高7.9%、26.3%和15.8%，沟覆秸秆提高最多，说明沟灌下秸秆覆盖有利于夏玉米HI的提高，以沟覆秸秆效果较好。分析表2 发现，沟灌种植模式下，随灌浆期垄上深层（>40 cm）和沟深层（>20 cm）土层根长密度的增加，夏玉米收获指数也显著提高（P<0.05），深层根长与夏玉米收获指数的变化趋势基本一致，表明夏玉米深层根长密度的增加有利于根系对深层土壤养分的吸收，提供给夏玉米中后期生长所需养分，促进同化产物在籽粒上的分配，从而提高夏玉米收获指数。

表2 不同处理夏玉米产量及其构成因素Table 2 Yield and its components of summer maize

2.3 各处理对夏玉米水分利用效率的影响

沟灌结合不同秸秆覆盖处理对夏玉米水分利用效率的影响如表2 所示。沟灌种植模式下，秸秆的不同覆盖方式影响着夏玉米全生育期水分利用效率，各处理间存在差异。与常规覆膜沟灌FM 处理相比，FLJ、FGJ 和FLGJ 处理水分利用效率分别提高4.8%、51.9%和54.3%，表明沟灌下沟覆秸秆可有效提高水分利用效率，较垄覆秸秆效果好。

3 讨论

根系是提高作物水分养分吸收率的限制因子，特别是大于40 cm 土层的深层根[22]，当土壤中RLD<0.8～1.0 cm/cm3时，作物生长因根系不足受限[23]。在本研究中，仅FGJ 和FLGJ 处理垄上大于40 cm 和沟里大于20 cm 土层的RLD达到0.74～1.07 cm/cm3，这有利于夏玉米根系吸收深层土壤水分养分，而垄上覆秸秆的RLD明显不足，限制夏玉米根系对深层土壤水分养分的吸收。试验结果表明，沟灌下不同位置秸秆覆盖改变根系分布模式，沟覆秸秆显著促进垄和沟的深层根系生长，且深层根系越多，产量越高。有关研究指出深层根系是提高旱地作物籽粒产量的功能根系[24-25]。本试验中，在大于40 cm 土层，沟覆秸秆FGL 和FLGJ 处理的根长密度较FM 处理提高128.1%和122.7%（P<0.05），但FGL 和FLGJ 处理间的RLD无差异，说明旱地农田沟灌结合秸秆覆盖促进夏玉米深层根系发育，有利于吸收更多的深层土壤水分养分。这可能是因为秸秆覆盖具有保水的作用，且秸秆覆盖特有的“降温效应”有利于提高夏玉米中后期根系活性、延缓植株衰老[26]，对灌浆后的吸收及光合作用同化产物的转移具有促进作用[27]，从而实现提效增产的目的。夏玉米干物质和光合作用同化产物的分配是产量形成的重要因素，适当减少表层土层根长密度，在一定程度减少了根系冗余[28]，降低了同化产物在根系的分配比例，进而提高夏玉米产量。

本研究表明，在河套灌区半干旱农业中沟灌通过适宜的秸秆覆盖可获得高产并提高水分利用效率。沟覆秸秆和垄沟覆秸秆显著提高夏玉米产量，较FM 处理分别增产9.3%和9.0%，二者差异不显著；沟覆秸秆较FM 处理显著提高夏玉米收获指数26.3%，且夏玉米产量和收获指数与垄、沟大于40 cm 深层土壤RLD变化趋势一致，呈显著正相关，而与总根长密度之间无显著关系。因此，在干旱区夏玉米获得高产的关键因子是植株具有发达的深层根系[29]，而干旱条件下，沟覆秸秆促进垄（>40 cm）和沟（>20 cm）深层土壤根长密度的增加是根向水性的典型反应[30]，能够提高根系提水作用[31]。因此，针对河套灌区夏玉米，在沟灌种植模式下，控制垄上表层土层根长，通过覆盖秸秆增大沟土层含水率，诱导夏玉米根系下扎，提高垄和沟深层土壤根长密度，增强深层根系提水作用，实现深层土壤的水分和养分在时间空间上的协调，以水肥促根，以根调水肥[32]，促进夏玉米生长，提高夏玉米水分利用效率及产量，考虑到实际可操作性，沟覆秸秆结合沟灌（FGJ）有利于实现这一目标，既能实现秸秆资源化利用，又显著增产9.3%，水分利用效率提高51.9%。

4 结论

1）与常规垄覆膜沟灌FM 处理相比，沟灌结合沟覆秸秆（FGJ）和垄沟覆秸秆FLGJ 处理提高垄上大于40 cm 深层土层根长密度128.1%和122.7%；在沟里30～40 cm 土层，FM 和FLJ 处理未发现根系，而FGJ和FLGJ处理的根长密度仍能达到0.18 cm/cm3。沟覆秸秆改善了夏玉米根系分布，提高深层根长密度。

2）垄和沟的深层根长密度与水分利用效率和产量的变化趋势一致，沟覆秸秆FGJ 处理和垄沟覆秸秆FLGJ 处理显著提高水分利用效率51.9%和54.3%，增产9.3%和9.0%（P<0.05），但FGJ 处理收获指数较其他处理显著增大（P<0.05），为0.48，效果较佳。

3）建议将沟覆秸秆作为河套灌区沟灌的耕作模式。