不同喷灌定额下垄作沟播油葵根系生长及分布特征

丁 林，王文娟，吴 婕，刘文光

（甘肃省水利科学研究院，兰州730000）

全膜垄作沟播栽培技术改善了土壤水、肥、气、热等状况[1]。可使灌溉水和降水集中入渗于作物根部，随种植膜孔入渗，被作物有效及充分利用[2-5]。实现了促进作物生长，提高作物产量及水分利用效率的目的[6-8]，由于该技术及其模式优点突出，已在我国北方旱作农业区大量推广应用。垄作沟播喷灌技术是近年来研究人员结合垄作沟播栽培技术与喷灌技术的特点提出的一项新型节水栽培技术，该技术可改善作物生长环境与农田小气候，对水分利用有积极影响[9-12]。为了挖掘作物的增产潜力，对不同灌溉条件下根系生长特征开展深入的研究是非常必要的，根系生长发育状况可调节作物地上部分发育和实现最终产量的提高。在作物根系生长方面的研究多集中在耕作方式[13,14]、不同水肥调控[15-18]、水盐胁迫[19,20]、复合经营模式[21]、灌水深度[22]等方面对作物根系生长发育的影响及调控。就垄作沟播喷灌条件下作物根系生长特征及根系分布的研究较少。本文根据垄作沟播喷灌技术的特点，研究垄作沟播喷灌条件下不同灌水定额对油葵根系生长及分布特征，以此分析垄作沟播喷灌条件下油葵根系生长对水分利用及产量形成的影响，在生产实际中对制定油葵灌溉定额、提高水分高效利用具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年4月-2020年9月连续两年在甘肃省水利科学研究院民勤灌溉试验站进行。试验区地处民勤绿洲和腾格里沙漠交界地带，属典型的大陆性荒漠气候。研究区气候干燥，降水稀少，蒸发量大，风沙多。多年平均气温7.8 ℃，多年平均降水110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm。试验区土质0~60 cm 为粘壤土，60 cm 以下逐渐由粘壤土变为沙壤土，土壤平均容重为1.54 g/cm3，灌溉水为地下水，矿化度0.91 g/L。

1.2 试验设计

试验以油葵（品种为“矮大头”）为研究作物，以不同灌水定额各设4个处理，以常规覆膜喷灌为对照，每个处理重复3 次，各小区随机布置，共计15 个试验小区。试验区垄沟规格为大小垄，大垄宽70 cm，小垄宽40 cm，沟深15 cm，用双垄沟播机完成起垄覆膜，作物种植行距均为大小行，大行距70 cm，小行距40 cm。种子播在垄沟内，每穴1~2粒，株距20 cm，每穴留苗1 株，理论保苗7.50~8.25 万株/hm2（图1）。田间喷灌工程为半固定式喷灌，喷头布置方式采用正方形布置，每个小区面积6.5 m×6.5 m，喷头喷嘴流量为1.0 m3/h，射程为6.5 m，喷头工作压力0.25 MPa。2019年4月19日播种，8月12日收获，2020年4月24日播种，8月18日收获。各处理施底肥、追肥均一致。试验灌水定额设计依据试验区土壤及当地油葵灌溉制度结合垄作沟播特点修正后设定，其中冬季储水灌溉定额120 mm，不同处理油葵生育期灌水定额分别为24、30、36、42 mm，对照处理灌水定额42 mm，灌水次数均为5 次，灌水时间分别为播种后（4月下旬）、现蕾期（6月上旬）、开花期（6月下旬）、灌浆期（7月中旬）、成熟期（7月下旬）。

图1 双垄沟播喷灌垄沟模式及栽培示意图

1.3 测定指标与方法

土壤含水率：用HD2 土壤水分测定仪测定土壤体积含水率，测定总深度为100 cm，每20 cm 为一层测定，每个处理分别在距离喷头4 m处的垄顶和垄沟内埋设测管，每隔8~10 d测定一次，降水及灌水前后加测，重复3次。

灌水量：采用管道输水，灌水量由水表精确量测，每个试验小区用独立闸阀及水表控制灌溉。

喷灌系统压力：采用变频设备控制灌水管道系统压力，采用恒压供水模式，压力设定为0.25 MPa。

作物根系取样：采用方格法取样，取样体积为50 cm×50 cm×50 cm，取样时沿深度方向（纵向）分为3 层，土层深度0~10 cm 一层，10~20 cm 一层，20~50 cm 一层，每个处理重复3次。

作物根系鲜重和干重：根系从土壤中挖出洗净后按分层用吸水纸吸干根系表面水分，用0.01 g电子天平称取鲜重，然后将不同分层根系标记后装入牛皮纸袋放入烘箱，在80 ℃下烘干，称取干重。

作物纵向及横向根长：根系取出后将横向侧根系拉直利用钢卷尺按0~10、10~20、20 cm 以下分层测定记录横向最长根系长度；纵向将主根系拉直后利用钢卷尺量测最长根系。

1.4 数据分析及处理方法

用Excel 2016进行数据处理和制图，用DPS（v6.05）统计软件做相关分析。

2 结果与分析

2.1 油葵纵向根长变化规律

作物根系生长取决于作物种类、发育阶段、土壤条件和大气蒸发等，根系生长可根据土壤水分状况作出适应性反应，若土壤干旱而深层仍有可利用水分，根系偏重于垂向伸展，根系分布一般深密，上层水分如充足，根系即向水平方向发展，根浅而分布广。由图2 可知，垄作沟播处理灌溉水集中在沟内，沿种植膜孔入渗，垂直入渗较深，而平作喷灌处理水分垂直入渗较浅，表现在根系纵向生长方面就是垄沟处理根系纵向生长长度均高于平作处理。虽然T4 和CK 灌水定额相同，但T4 处理2019年根系纵向生长长度在3 个测定时间较对照处理分别长13.73、14.97 和12.60 cm，2020年分别长9.87、12.00 和10.83 cm，灌水定额最小的T1 处理根系纵向生长长度较对照处理也长3.00 cm 以上。在垄沟处理间，根系纵向生长长度随灌水定额大小变化，灌水定额大，根系纵向生长较长，如T4 处理两年根系纵向长度较T1 处理均长于6.00 cm 以上。

图2 油葵不同生育期纵向根长变化规律

在油葵生育中前期，根系纵向生长速率较快，到开花-灌浆期根系纵向生长速率达到最快，其中T4 生长最快，两年分别为0.61 cm/d 和0.60 cm/d，其次为T3 两年均为0.6 cm/d，与CK 相比均有极显著差异。生育后期根系生长速率较为缓慢，在此阶段表现为CK和T1高于其他处理，与其他垄沟处理有极显著差异，其中CK两年分别为0.31 cm/d和0.24 cm/d。在相同种植条件下，生育中前期灌水量大小直接影响根系纵向生长，灌水量越大纵向生长速率越快，而生育后期灌水量大小对根系纵向生长的影响不明显（见表1）。

表1 油葵不同生育期纵向根长生长速率 cm/d

2.2 油葵横向根长生长变化规律

由图3~图5 可知，根系横向生长随土层深度增加逐渐减弱，在地下0~10 cm（以膜孔为原点），垄沟处理根系横向生长随灌水定额大小变化，灌水定额越大，横向生长越长；垄沟处理与对照相比，对照处理横向生长最长，在根系横向最长时两年分别为30.81 cm 和29.87 cm，与灌水定额相同的T4处理相比两年分别长1.09 cm 和4.11 cm。在地下10~20 cm 根系横向生长与地下0~10 cm 规律一致，对照处理横向生长仍然最长，在根系横向最长时两年分别为22.35 cm 和19.31 cm，与灌水定额相同的T4处理相比，最大可达3.00 cm 以上。在地下20 cm 以下垄沟处理根系横向生长与地下0~10 cm 规律一致，而对照处理根系横向生长则明显变小，在此层根系最长时只高于T1处理，而低于其他垄沟处理，其中较T4处理两年分别短2.30 cm 和2.22 cm，这与对照处理和垄沟处理灌水入渗特征有关，对照处理为平作喷灌，入渗面大，在有限灌溉水量条件下入渗较浅，而垄沟处理汇集了垄面水量，顺膜孔入渗较深。

图3 油葵不同生育期地下0~10 cm横向根长变化

图5 油葵不同生育期地下20 cm以下横向根长变化）

2.3 油葵不同土层深度根干重变化规律

作物根系的大小，直接影响着作物吸收水分及营养的能力，根系越大，各项能力越强。根系干重的表现与作物根系纵横向生长规律一致，根系越发达根干重越大，根系干重随作物生长变化，作物生长旺盛期，根系生长也旺盛，到作物生育后期，根系生长相应缓慢。由表2~表4 可知，各处理0~10 cm 根系干重占总根干重的比例均较大，在80%以上，其中最大的为CK 处理，两年在87.98%~90.74%之间，最小的为T4处理，两年在83.18%~85.06%之间，就根系干重来说，在不同生育期T3、T4、CK 之间无差异，与T1、T2 之间有极显著差异。各处理10~20 cm 根系干重占比基本保持在8%~13%之间，其中T4 处理根干重与其他处理有极显著差异，其他处理间显差不明显。20 cm 以下各处理根系干重占比与0~10 cm 完全相反，垄沟处理占比明显高于对照处理，在生育末期垄沟处理占比均在4.5%以上，而对照处理占比则在2.0%以下，垄沟处理根干重与对照处理均有极显著差异。由上说明对照处理根系多分布于0~20 cm 土层，而垄沟处理根系在20 cm 以下土层也有一定分布，这与两种耕作方式下水分汇集利用与入渗特征有直接关系。

表2 油葵不同生育期地下0~10 cm根干重变化特征

表4 油葵不同生育期地下20 cm以下根干重变化特征

图4 油葵不同生育期地下10~20 cm横向根长变化

2.4 油葵不同土层深度根重密度变化规律

随油葵生育进程推进，根量与根重密度基本呈小-大-小变化；根系重量密度在垂直土体中呈“T”形分布。由表5 可知，根的生长与地上部分生长规律一致，油葵不同土层根重密度随生长不断增加，在油葵生长旺盛期根系生长也最旺盛，从根重密度大小来说，0~10 cm 根重密度最大，在根重最大的灌浆成熟期根重密度最大可达到1.252 mg/cm3（2019年7月28日T4），较灌水定额相同的对照处理两年分别增加0.017 mg/cm3和0.206 mg/cm3，且T4 与其他处理均有极显著差异。根重密度大小受灌水量大小影响较大，灌水量越大，根系越发达，根重密度越大，如生育旺盛期T4较T1两年分别增加0.512 mg/cm3和0.794 mg/cm3。随着土层深度增加，根重密度逐渐减小，在10~20 cm 最大可达到0.141 mg/cm3（2019年7月28日T4），T4仍与其他处理有极显著差异。到20 cm土层以下各处理根干重密度就不足0.1 mg/cm3了，而此层根重密度最小的CK 处理则不足0.01 mg/cm3，与垄沟处理均有极显著差异。说明在本试验条件下油葵根系受灌水方式影响大部分分布在0~20 cm 以内，尤其CK更为明显，正是体现了根系随水生长的特性。

表5 油葵不同生育期根干重密度变化特征 mg/cm3

3 结论与讨论

本文通过研究垄作沟播喷灌条件下油葵的根系生长及分布特征，探讨了垄作沟播喷灌对油葵根系生长的影响，对研究油葵水分高效利用及提高产量有一定指导意义。相关结论如下：①垄作沟播处理灌溉水集中在沟内，垂直入渗较深，而对照处理水分垂直入渗较浅，表现在根系纵向生长方面就是垄沟处理根系纵向生长长度均高于对照处理。②对照处理根系横向生长集中在地下0~20 cm，其横向生长长度均长于垄沟处理，但在20 cm 以下根系较少，横向根系长度低于垄沟处理。③油葵0~10 cm 根系干重占总根干重的比例均较大，其中最大的CK 处理在87.98%~90.74%之间，10~20 cm 基本保持在8%~13%之间，20 cm 以下垄沟处理占比明显高于对照处理，在生育末期垄沟处理占比均在4.5%以上，而对照处理占比则在2.0%以下。④油葵根系重量密度在垂直土体中呈“T”形分布。根重密度大小受灌水量大小影响较大，灌水量越大，根重密度越大，随着土层深度增加，根重密度逐渐减小，0~10 cm 根重密度最大，2019年的T4 处理最大可达到1.25 mg/cm2，垄沟处理到20 cm 以下根重密度可达0.1 mg/cm2，而CK 处理则不足0.01 mg/cm2。

表3 油葵不同生育期地下10~20 cm根干重变化特征

本研究将旱作农业区的垄作沟播集雨技术与灌溉农业区喷灌技术有机结合，利用垄沟集水作用，将喷灌水量叠加后充分利用，与已有研究中减少灌水量、改善作物根系分布区水分状况、提高作物产量等方面的研究结论是一致的[11,12]。在油葵根重密度及根系分布等方面的研究结论与[23-25]在油葵、棉花、玉米等作物上的研究结论一致。但由于试验在民勤红崖山灌区开展，受气候及土壤等影响，研究结论中相关的指标与数据不能完全应用于类似地区，但总体结果及变化趋势不变，对类似地区开展相关技术推广应用、制定灌水定额及灌水计划均有一定的指导意义。另外由于根系取样的局限性，不能将所有根系完全取出，影响了部分数据的准确性。因此在后续研究中，还应采取更为先进的方法及设备对作物根系开展精确量测，而垄作沟播喷灌条件下水分运移特征、水肥协同调控机理、作物生理生态指标响应等还要根据作物品种、水土资源状况及气候特点开展进一步深入研究。