浅埋滴灌条件下灌溉定额对玉米根系形态特征和生理特性的影响

郭子赫，杨恒山，赵培军，张玉芹，刘 晶，包额尔敦，张瑞富，李媛媛，李丹丹，秦 江

（1内蒙古民族大学农学院/内蒙古自治区饲用作物工程技术研究中心，内蒙古通辽 028042；2乌兰察布市农林科学研究所，内蒙古乌兰察布 012000；3通辽市农牧科学研究所，内蒙古通辽 028000）

0 引言

西辽河平原地处玉米生产“黄金带”，具有较好的光热资源，生产潜力大，玉米平均单产较全国高25%以上[1-2]，是内蒙古自治区重要的商品粮生产基地。受天然降水少、地表水资源缺乏的影响，农业生产主要依靠地下水资源，由于传统漫灌农艺水利用效率低，导致玉米高产与水资源高效利用的矛盾日渐突出，农业灌溉水需求与供给失衡的矛盾也进一步加剧。滴灌被誉为节水灌溉的典范[3-4]。近年来，节水滴灌技术在西辽河平原灌区得以大面积推广应用，使灌溉水利用效率得到大幅提高，对于缓解水资源需求的压力起到了积极作用。浅埋滴灌是近几年在膜下滴灌的基础上研发的新的节水灌溉技术，以覆土代替覆膜，滴灌管浅埋于3～5 cm表层土壤中，既保留了节水优势，降低生产成本投入，也避免了农田残膜污染问题，具有较大的实际应用价值，2021年被遴选为国家农业主推技术。浅埋滴灌条件下，研究不同灌溉定额对玉米根系特征和生理特性的影响，一方面可更好的协调玉米产量形成对水分的需求与灌溉水供给的关系，对于明确半干旱灌溉农业区节水滴灌条件下玉米高产高效的灌溉制度具有重要意义，另一方面，对于合理进行水肥的运移调控，提高水肥与根系空间分布的匹配性，从而提高水肥的吸收利用效率也具有重要参考价值。

根系是作物吸收水分、养分的主要器官，合理的根系特征对于根系更好的吸收水分、养分，从而提高作物对水、肥的吸收利用效率具有重要意义。膜下滴灌是北方春玉米种植区域的主推节水滴灌技术，有关膜下滴灌条件下玉米的根系特征前人进行了大量的研究。邹海洋等[5]研究膜下滴灌玉米根系特征发现，在根系的纵深分布上，地表至总根长1/3处根系占总根系比例达73.6%，至总根长1/2处所占比例达82.8%；LV等[6]研究表明，膜下滴灌条件下，滴头下方根系密度会明显增加，且单次灌溉量越少，表层土壤根系分布比例越大；马金平等[7]研究表明，膜下滴灌条件下，土壤表层根干重和根长的分布比例明显增加。从前人的研究结果来看，膜下滴灌条件下，根层土壤水、热条件的变化影响玉米根系在土壤中的分布，节水灌溉条件下往往会使浅层根系比例增加[8-9]。浅埋滴灌由于地表无膜，使土壤水热状况与膜下滴灌明显不同，这也会影响到根系形态特征和生理特性，作为一种新的节水灌溉技术，这方面还没有太多田间试验研究予以支撑。本研究在浅埋滴灌条件下，通过研究不同灌溉定额下玉米根系形态特征和生理特性的差异，探明浅埋滴灌下滴灌定额对玉米根系形态特征和生理特性及产量的影响，以期为西辽河平原灌区玉米高产高效栽培提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

于2017—2018年进行大田试验，试验地点在通辽市科尔沁区农业高新科技示范园区(43°36′N，122°22′E)，海拔178 m，年平均气温6.8℃，≥10℃的活动积温3200℃，无霜期154天，平均降水量为380.9 mm，试验地区种植制度为玉米连作，试验地土壤类型为灰色草甸土。2017、2018年0～20 cm土层土壤基础养分状况分别为：有机质含量18.52、19.63 g/kg，碱解氮含量52.26、50.81 mg/kg，有效磷含量11.35、13.20 mg/kg，速效钾含量110.83、118.69 mg/kg。2017、2018年5—9月平均降水量如表1所示。

表1 2017、2018年5—9月降水量及全年降水量 mm

1.2 试验设计

试验在浅埋滴灌条件下，灌溉定额设1600(W1)、2000(W2)、2400 m3/hm2(W3)3个水平，以传统畦灌常量用水灌溉定额4000 m3/hm2为对照(CK)。各处理底施N 35 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，K2O 45 kg/hm2，结合灌溉追施N 300 kg/hm2，于玉米拔节期、大喇叭口期、吐丝期按3:6:1比例追施，底肥氮磷肥供体为磷酸二铵(N 18%、P2O546%)，钾肥为硫酸钾(K2O 50%)，追肥氮肥供体为尿素(N 46%)。采用大区对比定位试验，各处理面积864 m2(7.2 m×120 m)。供试品种为‘农华101’，种植密度为7.5万株/hm2。浅埋滴灌各处理采用播种—施肥—铺管一体机播种，大小垄(80 cm，40 cm)种植；采用滴头间距30 cm，滴头流量2.7 L/h的内镶片式滴灌管，滴灌管浅埋于小垄中间距地表3～5 cm深度处；传统畦灌处理抬起铺管装置，只进行施肥和播种。浅埋滴灌各处理单独配18 L压差式施肥罐和水表，施肥前预滴60 min清水后打开施肥阀，滴清水至相应灌水量，传统畦灌处理人工开沟撒施追肥，于畦头出水口安装水表以控制灌水量。2017年5月2日播种，10月4日收获；2018年4月28日播种，10月2日收获。2017年和2018年各处理灌溉方案相同，浅埋滴灌均灌溉7次，传统畦灌灌溉4次，具体灌溉方案见表2。

表2 不同处理灌溉方案

1.3 测定项目与方法

1.3.1 根系生物量测定 吐丝期、乳熟期和完熟期在同行内选取有代表性连续3株，以第1株1/2株距处至第3株1/2株距处为长，以大垄1/2行距处至小垄1/2行距处为宽，长方形样方分层取根，每层20 cm，垂直深度为100 cm，收集每层全部根系洗净并剔除杂质、死根，每小区3次重复，所取根系于烘干箱内105℃杀青30 min，在80℃下烘干至恒重，称干重。

1.3.2 根条数与根幅测定 吐丝期结合1.3.1取样方法，长方形样方垂直深度为30 cm，将根系整体取出，选取第2株，洗净置于贴有坐标纸的平板上，以齐地面处为起点，观测10、20、30 cm处根条数并测定株间和行间水平分布最大直径（根幅），每小区3次重复。

1.3.3 根系活力与酶活性测定 吐丝期、乳熟期采用1.3.1取样方法取足量新鲜根系洗净，置冰盒内带回实验室，在-80℃冰箱内保存备用。采用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法[10]测定根系活力；采用四氮唑蓝(NBT)光化还原法[11]测定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用愈创木酚法[10]测定过氧物酶(POD)活性；采用硫代巴比妥酸法[10]测定丙二醛(MDA)含量。

1.3.4 产量及其构成因素 玉米成熟期，各小区去除两侧边行，选取长势均匀连续4行10 m样方，样方面积24 m2，调查有效穗数并称重，选取有代表性果穗10穗，人工脱粒测定粒重及籽粒含水量，根据样方总穗重折算含水量为14%籽粒产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理并制表、作图，使用DPSV10.0软件（LSD方法）进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 浅埋滴灌条件下灌溉定额对玉米籽粒产量的影响

由表3可见，浅埋滴灌条件下玉米籽粒产量2年均随着灌溉定额的增加而增加。2017年W3处理显著高于CK，W1、W2处理之间的差异均达到了显著水平，但与CK之间的差异不显著，2018年W3处理显著高于CK，W1处理显著低于CK，W2与CK之间的差异不显著。千粒重2017年W1处理显著低于CK，W2、W3处理与CK之间的差异不显著，2018年W3处理显著高于W1处理，W2、W3处理与CK之间的差异不显著。灌溉水利用效率浅埋滴灌各处理随着灌溉定额的增加而降低，但均高于CK，且与CK之间的差异均达到了显著水平，这也说明，浅埋滴灌具有较高的灌溉水利用效率，节水作用明显，对于实现玉米节水高产高效栽培十分有利。

表3 灌溉定额对玉米产量及产量构成因素的影响

2.2 浅埋滴灌条件下灌溉定额对玉米根系形态特征的影响

2.2.1 根干重及其垂直分布 吐丝期0～20 cm土层根干重，2017年表现为W3、W2处理显著高于W1处理，W3处理与W2处理之间的差异不显著，浅埋滴灌各处理均显著低于CK；2018年W3处理显著高于W1处理，与W2处理之间的差异不显著，其中W1处理显著低于CK，W3、W2处理与CK之间的差异不显著。20～40 cm土层根干重浅埋滴灌各处理之间的差均不显著，W1处理显著低于CK。40 cm以下土层2017年各处理之间差异均不显著；2018年W3、W2处理显著高于W1处理，W1处理显著低于CK，W3、W2处理与CK之间的差异均不显著。完熟期0～20 cm土层根干重2年的变化规律基本一致，均表现为W3处理显著高于W1处理，W3处理与W2处理之间的差异不显著，其中W1处理显著低于CK，W3处理与W2处理与CK之间的差异均不显著；20～40 cm土层浅埋滴灌各处理间差异均不显著，其中W1处理显著低于CK，W3处理与W2处理与CK之间的差异均不显著（表4）。

表4 灌溉定额对玉米根干质量垂直分布的影响

计算结果表明，浅埋滴灌各处理玉米0～20 cm土层根干重占总根干重的比例均高于CK，20～40 cm土层均低于CK，浅埋滴灌各处理间均以W3处理最高，W2次之，W1处理最低，这也说明浅埋滴灌节水灌溉增加了土壤表层根系比例，使根系发生“表聚”，灌溉定额越小表现的越为明显。

2.2.2 根幅 由图1可见，不同处理玉米根幅总体随着土层加深而逐渐减小。行间根幅10、20 cm土层处理间差异均不显著，30 cm土层W1、W2处理显著低于CK，W3处理与CK之间的差异不显著；株间根幅10、20 cm土层处理间差异均不显著，30 cm土层W1、W2、W3处理间差异均不显著，但三者均显著低于CK。

图1 浅埋滴灌条件下灌溉定额对玉米根幅的影响

2.2.3 根条数 由图2可见，不同处理玉米的单株根条数随着土层的加深而减少。吐丝期在10 cm土层处，W3处理显著高于CK，W2、W1处理与CK之间的差异不显著；20 cm土层处表现为W3、W2处理均显著高于W1处理和CK，W1处理与CK之间的差异不显著；30 cm土层处各处理之间差异均不显著。乳熟期10、20 cm土层处各处理均表现为W3显著高于其他处理，W2、W1处理与CK之间的差异均不显著；30 cm以下土层各处理间的差异均不显著。这也说明浅埋滴灌条件下灌溉定额对玉米20 cm以上土层根条数具有一定影响，适当增加灌溉定额，有利于根条数的增加，较多的次生根有利于吸收更多的水分和养分，对于产量的进一步提高具有积极意义。

图2 浅埋滴灌条件下灌溉定额对玉米根条数的影响

2.3 浅埋滴灌条件下灌溉定额对玉米根系生理特性的影响

2.3.1 根系活力 由图3可见，不同处理玉米吐丝期根系活力随着土层的加深呈现先升高后降低的趋势，不同处理间以20～40 cm土层差异较为明显，不同处理间表现为CK＞W3＞W2＞W1，40 cm以下土层随着土层的加深差异逐渐减小。乳熟期以20～40、40～60 cm土层处理间差异较为明显，不同处理间亦表现为CK＞W3＞W2＞W1。

图3 浅埋滴灌条件下灌溉定额对玉米根系活力的影响

2.3.2 根系酶活性 由表5可见，各处理玉米根系SOD和POD酶活性吐丝期在0～20 cm土层不同处理之间差异不显著，20～40 cm土层W1处理显著低于CK，W3、W2处理与CK之间的差异均不显著。乳熟期SOD含量表现为W1显著低于CK，W3、W2处理与CK之间的差异均不显著，POD含量则表现为W1、W2显著低于CK，W3与CK之间的差异不显著。吐丝期MDA含量在不同处理间差异均不显著，乳熟期MDA含量在0～20 cm土层表现为W1显著高于CK，W3、W2处理与CK之间的差异均不显著，20～40 cm土层处理间差异均不显著。

表5 浅埋滴灌条件下灌溉定额对玉米根系酶活性的影响

3 结论

浅埋滴灌节水灌溉使玉米根系在表层土壤分布比例增加，主要表现在20 cm以上土层根干重分布比例、根幅、根条数增加，30 cm土层处根幅减小，灌溉定额越小表现的越为明显；玉米根系活力和酶活性不及传统畦灌，但随着灌溉定额的增加而增强，深层根系差异较小。浅埋滴灌条件下，充分利用玉米表层根系比例大的特点，通过水肥进行合理运筹提高水肥利用效率，以实现玉米高产高效栽培。

4 讨论

4.1 玉米根系特征对土壤水分的响应

根系是玉米吸收水分和养分的重要器官，根系在土壤中的分布与土壤水分分布密切相关[12-13]。国内外的许多研究均表明，植物为满足自身生长需要，会对自身根系生长环境进行感知和做出适应性调整。Eapen等[14]研究指出，玉米根系会表现出强烈的向水性反应，干旱胁迫会使根系表面积、直径以及分布深度增加，以提高对水分的吸收能力，维持自身生长发育的需要。Nakamoto[15]研究发现，玉米根尖的生长方向受环境水分状况的影响，在快速干燥的土壤中，晚干处理的节根表现出负向重力性后停止生长；胡田田等[16]研究表明，玉米根系具有明显的“向水性”反应，当根尖周围存在一定的湿度梯度时，根系低水势一侧细胞壁延伸性能增强、水分传导加快，导致高水势一侧较低水势一侧根系生长受到更大的抑制，从而使根系向着湿度大的一侧发生弯曲，而且具有较小延伸速率根系的向水性反应更大。邹海洋等[5]研究表明，水分过高或过低和养分过高或过低都将增加0～20 cm土层中根长占总根长的比例。本研究结果表明，浅埋滴灌条件下，玉米0～20 cm土层根干重占总根重的比例浅埋滴灌各处理随着灌溉定额的增加而减少，但均高于传统漫灌处理。在大田栽培条件下，与表层土壤相比，深层土壤水分含量相对稳定，当表层土壤含水量相对较低时，深层根系在“向地性”和“向水性”的双重作用下，会进一步向深层土壤生长，以满足自身生长发育对水分的需求，这也是适量水分亏缺处理在根系吸水能力上的优势，是最终保证籽粒产量的重要原因；而表层土壤受栽培措施及环境条件的影响相对较大，湿度梯度的产生要明显高于深层土壤，因此也会造成表层土壤根系比例的增加。与传统漫灌相比，浅埋滴灌节水滴灌的灌溉定额小、灌溉频次高，土壤更容易出现干、湿交替变化，因此表土层更容易产生湿度梯度，造成表层土壤根系比例增加，前人之所以得出节水滴灌条件下容易引起玉米根系发生“表聚”的结论，也和表层土壤干湿变化而容易产生湿度梯度有直接关系。因此在节水滴灌水肥一体化条件下，合理进行水肥运筹，充分利用表层土壤根系分布比例较大的优势，对于进一步提高玉米的水肥利用效率和籽粒产量非常有利。

4.2 玉米根系活性对土壤水分的响应

根系活力和酶活性是衡量根系吸收功能的重要指标，根系生理活性强，意味着对水肥的吸收能力强、衰老慢[17-18]。因此，维持根系较高的生理活性是提高玉米水肥效率和籽粒产量的重要保证。前人研究表明，根系活性与土壤含水量密切相关，土壤含水量过高或过低都会降低玉米根系的活性，甚至使根系形态受损，从而影响根系的吸收功能，适宜的灌溉定额也有利于玉米根系活性的提高[19-20]。本研究结果表明，各处理玉米根系活力、SOD、POD酶活性均低于CK，MDA含量高于CK，浅埋滴灌条件下各处理玉米根系活力、SOD、POD酶活性均随着灌溉定额的增加而增强，MDA含量随着灌溉定额的增加而降低，这与前人的研究结论基本一致。随着土层的加深，土壤水分含量变化相对稳定，这也是不同处理之间根系活性差异逐渐减小的主要原因。