覆膜和灌水量对制种玉米根系分布及产量的影响

赵 引，李国安，夏江宝，薄丽媛，毛晓敏

覆膜和灌水量对制种玉米根系分布及产量的影响

赵 引1,2，李国安3，夏江宝1，薄丽媛2，毛晓敏2※

（1. 滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室，滨州 256600；2. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；3.滨州黄河河务局滨城黄河河务局，滨州 256600）

为探究制种玉米根系分布及产量对滴灌条件下地膜覆盖和灌溉量的动态响应，该研究于2017年和2018年在中国西北旱区石羊河流域，以制种玉米“Ganxin 630”为供试作物，设置覆膜与灌溉水量2个控制因素，覆膜包括透明膜全覆盖（M1）和不覆膜（M0）2个水平，灌溉水量设置WF、WM和WL 3个水平（分别为灌溉需水量的100%、70%和40%），共6个处理，通过监测制种玉米生育期内的土壤水分、土壤温度、根长密度、地上干物质量和产量状况，分析不同覆膜和灌水量条件下土壤水热动态、制种玉米根长密度分布和产量的变化规律。结果表明，在相同覆膜条件下，0～60 cm土层含水量随灌溉量的增加而增加。覆膜可改善土壤水热条件，在充分灌溉下覆膜增加土壤贮水量，而亏缺灌溉下覆膜降低土壤贮水量。覆膜明显提升播种后75 d内的土壤温度，对播种后75 d之后的土壤温度没有影响。制种玉米各个生育期不同覆膜和灌水量处理下的根长密度均随着土层深度的加深而降低，播种后95 d时，86.3%～96.7%的根系分布在0～60 cm土层，其中土层深度0～30 cm和距离植株基部水平方向0～15 cm范围内的根长密度高于1.0 cm/cm3，此空间范围以外则低于1.0 cm/cm3。充分灌溉有利于浅层根系生长，而水分亏缺有利于深层根系生长，其中WL处理10 cm深度处的根长密度比WF处理在各个生育期低19.6%～32.5%，深层根长密度则高0.2%～41.9%，产量和地上生物量基本随灌溉量的增加而增加。覆膜10 cm深度处的根长密度比不覆膜在各灌水处理下高4.4%～69.2%，产量高24.9%。制种玉米地上干物质量、产量与播种后75和95 d的0～20 cm土层的根长密度的关系较为密切，相关系数分别达0.883、0.804以上，保证该阶段良好的土壤环境、促进根系生长对制种玉米的生长至关重要。该研究可为石羊河流域科学地进行灌溉和和覆膜管理提供理论依据。

灌溉；根系；产量；玉米；地膜覆盖；滴灌；制种玉米

0 引 言

甘肃河西走廊是中国重要的粮食产区，位于河西走廊的石羊河流域年平均降水量小于200 mm，年平均蒸发量达2 000 mm，农田灌溉用水占总用水量的80%以上[1]，水资源短缺严重制约着该地区农业的可持续发展。在有限的水资源条件下，提高作物产量和农业水资源的利用效率对当地农业和经济的可持续发展至关重要[2]。

根系是作物吸收水分和养分最活跃的器官，根系的分布状况受土壤水、肥、热等的制约，又对作物生长和产量产生影响[3]。不同的灌溉制度通过影响土壤水分分布状况来影响作物根系生长[4]。张岁岐等[5]研究了不同灌溉量对3种基因型玉米根系生长和产量的影响，结果表明，与亏缺灌溉相比，充分灌溉条件的土壤表层含水量较多，玉米根系在表层分布较多，最终获得更高的产量。Chilundo等[6]研究了不同灌溉方式对玉米全生育期根系生长和产量的影响，结果表明滴灌条件下＞16～64 cm土层的根长密度比沟灌增加26%～55%，并提高了玉米产量。Chen等[7]研究了不同灌水矿化度对土壤水盐动态以及棉花根系空间分布的影响，认为淡水灌溉下根区平均根长密度比微咸水灌溉高，这是由于高盐抑制了棉花根系的生长。可见，灌溉制度对土壤环境以及作物地上和地下生长方面的研究已经得到重要进展。

地膜覆盖是一种广泛推广的农业节水技术，目前已应用于各类粮食作物、经济作物、果树、花草树木等的种植中[8-11]。地膜覆盖会减少蒸发，增加土壤含水量，覆膜也会调节土壤温度，从而为作物生长提供良好的土壤水热环境[12]。Thidar等[13]认为各种覆膜方式均会减少土壤蒸发，提高土壤含水量0.6%～11.1%，并发现各个生育期0～30 cm土层深度的根系生物量在全覆膜、部分覆膜条件下比不覆膜分别高47.7%～56.3%、36.8%～50.5%，而＞30～100 cm土层的根系生物量比不覆膜低或者没有显著性差异，最终导致全覆膜、部分覆膜条件下的作物产量比不覆膜分别高30.5%、8.3%。而Jia等[14]的研究表明，地膜覆盖会增加0～100 cm土层的玉米根长密度、根表面积密度、根体积密度和根质量密度，对玉米抽穗期0～50 cm土层和成熟期0～70 cm土层的根系生长的影响显著，而对其他土层根系生长不显著，最终产量提高约22.3%。可见，覆膜对不同生育阶段各土层的根系生长的影响并没有统一的结论。因此，有必要针对特定的研究区进一步探讨覆膜条件下根系随生育期和土层的分布状况。

覆膜和灌溉都会影响土壤水分，进而影响根系和作物产量。以上对作物根系生长和产量的研究多集中在不同地膜覆盖或不同灌溉条件等单一控制因素上，例如不同灌溉量、不同灌溉水矿化度、不同灌溉方式或者不同覆膜方式。目前有关地膜覆盖与灌溉技术结合应用的研究表明了覆膜亏水灌溉在保证较高的玉米产量的同时，提高了水分利用效率[15]，比不覆膜亏水灌溉、覆膜充分灌溉条件下灌溉水利用效率分别提高2.7倍、2.5倍[16]。然而该方面的研究多采用大水漫灌方式，滴灌条件下覆膜和灌溉量综合效应的研究较少，并且二者如何综合调控土壤水分以及对作物根系的影响机理尚不清楚，很难解释覆膜和灌溉综合作用下的节水增产机制。

因此本研究以石羊河流域制种玉米“Ganxin 630”为研究对象，采用滴灌的灌水方式，通过比较覆膜与不覆膜、以及覆膜和灌溉综合作用下的作物根系空间分布特征及其对产量的影响，分析制种玉米产量与根系生长的关系，以期为研究区科学地进行滴灌和和覆膜田间管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017和2018年的4月至9月在国家农业高效用水野外科学观测研究站中国农业大学石羊河试验站（北纬37°52′，东经102°52′，海拔1 581 m）进行。该试验站位于甘肃省武威市凉州区，处于腾格里沙漠边缘，属于典型的大陆性温带干旱沙漠气候区。该地区多年平均降水量为164 mm、平均蒸发量为2 000 mm、平均气温为8℃，全年无霜期为150 d左右，日照时长为3 000 h以上。该地区地下水埋深为40～50 m。土壤质地为粉砂壤土，干容重为1.53 g/cm3，田间持水量为32%（体积含水率）。

1.2 试验设计

试验设置覆膜和灌溉水量2种因素，覆膜包括地膜全覆盖（M1）和不覆膜（M0）2个水平，灌溉水量包括WF、WM和WL 3个水平，分别为灌溉需水量（Δ）的100%、70%和40%，灌溉水量和覆膜交互共6个处理。灌溉需水量的计算见公式（1）[17]。

式中Δ为灌溉需水量，mm；c为制种玉米作物系数，苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期的c分别取值0.33、0.90、1.10、1.02、0.77[18]；ET0为参考作物蒸发蒸腾量（mm），按照Penman–Monteith公式[19]计算；为有效降雨量（mm），计算方法参照刘钰等[17]。制种玉米生育期内ET0和P逐日变化见图1。

图1 制种玉米生育期内参考作物腾发量（ET0）和有效降雨量（Pr）逐日变化

Fig.1 Daily variation of reference crop Evapotranspiration (ET0) and effective rainfall (Pr) during the growth stage of seed-maize

试验采用滴灌的灌溉方式，滴灌带按“一管两行”布置，即一条滴灌带控制两行玉米，滴灌带间距为80 cm，滴头间距为30 cm，滴头流量为2.5 L/h。灌水间隔为10 d左右，具体的灌溉制度见表1。

表1 2017和2018年不同处理下制种玉米灌溉量

注：M1, M0分别为地膜全覆盖和不覆膜；WF、WL、WM分别为灌溉需水量的100%、70%和40%。下同。

Note: M1, M0 is full-mulching and non–mulching respectively; WF, WM and WL is 100%, 70% and 40% of the irrigation water requirement respectively. The same below.

地膜采用85 cm宽、0.004 cm厚的透明聚乙烯薄膜。试验小区长为24.5 m，宽为5.6 m。供试作物为制种玉米“Ganxin 630”，播种方式为南北穴播，行距为40 cm，株距为25 cm。制种玉米父母本比例为1行父本、6行母本。两年制种玉米母本分别于2017年4月24日和2018年4月20日播种，为延长授粉期，父本错后分两期播种，分别于2017年5月1日、5月4日和2018年4月27日、4月30日播种。母本在开花前需要人工去雄，授粉完成后要及时砍除父本。施肥按照当地经验，即播前施375 kg/hm2的磷酸二铵（N-18%、P2O5-46%）和375 kg/hm2的氮磷钾复合肥（N-15%、P2O5-15%、K2O-15%）作为底肥，拔节期分3次施450 kg/hm2的尿素（N-46%），其他管理措施按照当地经验进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分和温度

在每个小区随机布置3根TRIME管，于播种后45、75、95和125 d采用TRIME-TDR时域反射仪（TRIME-PICO/PICO-BT，Imko GmbH，Elingen，Germany）测定土壤体积含水率，测定深度为100 cm，测点垂向间距为20 cm，即平均分为5个土层。利用取土烘干法对测得值进行校正。

采用土壤温度记录仪（HZTJ1型）实时监测土壤温度。在各小区各布置一个测点，分别监测各测点地面以下10、20、40、80 cm深度处的土壤温度，每30 min自动记录一次数据，定期下载存储数据。

1.3.2 根系取样及根长密度

于播种后45、75、95和125 d时，采用土钻法挖掘根系样本，每个处理布设2个测点，每个测点每层取5钻，分别为植株基部中心取一钻，记作1；沿滴灌带方向取两钻，分别记作2、3；垂直滴灌带方向取两钻，分别记作4、5。考虑到灌溉对根系的影响，每个处理其中一个测点的4和5在靠近滴灌带一侧，而另一个测点的4和5取在远离滴灌带的一侧，取根钻头扎根位置具体见图2。土钻直径为6.5 cm，取根深度为100 cm，每20 cm深度为一层。捡出植株活根样本，用冲根器冲净后利用扫描仪（Epson Perfection V700 photo, Seiko Epson Crop., Japan）在500万像素下扫描成根系图像，用WinRHIZO图像分析软件（RegentInstrument Inc., Canada）进行分析，获得根系的长度，利用根长与根钻体积之比，求得每个水平和垂向位置的根长密度。在垂直方向上，将0～20、＞20～40、＞40～60、＞60～80、＞80～100 cm土层的根长密度用10、30、50、70、90 cm深度处的根长密度代替。水平方向上，每一钻都用根钻圆心与玉米根基部的距离代替。制种玉米植株每个土层深度处总的根长计算方法如公式（2）[20]。

式中为植株每个土层深度的总根长，cm；1、2、3、4、5分别为2个测点1、2、3、4、5所取根的总根长的平均值，cm。

注：1表示植株基部中心根系取样位置，2和3表示沿滴灌带方向根系取样位置，4和5表示垂直滴灌带方向根系取样位置。

Note: Z1is root sampling location of basal center of plant.2and3are root sampling location along drip tape.4and5are root sampling location vertical to drip tape.

图2 根系取样位置示意图

Fig.2 Schematic diagram of root sampling location

1.3.3 地上干物质累积量和产量

在制种玉米成熟时，随机选取3株具有代表性的植株，取地上部分装袋，首先在105 ℃下杀青30 min，然后在85 ℃下烘干直至恒质量，以考察地上干物质量。各试验小区随机选取一行制种玉米，连续取样10株，取样重复3次，测定其产量。

1.4 数据处理分析

采用Microsoft Office Excel 2016和Origin 2019处理数据、制作图表，SPSS 20.0进行统计分析，并用最小显著差异法（Least Significant Difference Method，LSD）进行显著性分析（=0.05）。

2 结果与分析

2.1 土壤水热分布状况

2.1.1 土壤水分

播种后45、75、95、125 d时各处理下土壤含水率随土层深度的变化如图3。土壤含水率随土层深度先增加后降低，在>50～70 cm深度内达到最高值。在相同覆膜条件下，除2017年播种后45和75 d时不覆膜处理、2018年播种后45和95 d时不覆膜处理外，0～60 cm土层的土壤含水率基本随着灌溉量的增加而增加。在相同的灌溉条件下，M1WF处理下0～60 cm土层的土壤含水率高于M0WF处理，而M1WM和M1WL处理下0～60 cm土层的土壤含水率分别低于M0WM和M0WL。如在2017年播种后75 d时，M1WF、M0WF处理下0～60 cm土层的平均土壤含水率分别为0.22、0.19 cm3/cm3，M1WM、M0WM处理下分别为0.18、0.20 cm3/cm3，M1WL、M0WL处理下分别为0.17、0.18 cm3/cm3。2018年播种后75 d的0～60 cm土层的平均土壤含水率在各处理下有类似的结果。产生这种现象的原因是：在充分灌溉WF条件下，M1会减少土壤水分蒸发，增加土壤贮水量。而在亏缺灌溉WM和WL条件下，M1比M0的作物生长旺盛，M1处理的根系吸收较多的土壤水分，降低土壤含水量[21]。各处理下>80～100 cm土层含水率在生育期内变化较小，基本与土壤初始含水率一致。

注：45 d、75 d、95 d、125 d分别表示播种后45、75、95、125天。下同。

2.1.2 土壤温度

研究表明，覆膜会显著增加土壤温度，而不同灌溉量对各土层土壤温度没有显著影响[22]。另外，本研究2017与2018年制种玉米生育期内不同处理下土壤温度的变化规律相似。因此，这里以2017年WF灌溉条件为例，分析覆膜对不同土层深度的土壤温度的变化规律，如图4所示。

从图4可以看出，土壤温度在制种玉米生育期内呈现先升高后降低的趋势。播种后75 d内，M1WF处理下不同土层深度处的土壤温度明显高于M0WF处理，该阶段内的平均土壤温度在10、20、40、80 cm土层处分别高3.2、1.7、1.1、1.8 ℃。随后，M1WF与M0WF处理的不同土层处的土壤温度差别不大。

图4 2017年M1WF和M0WF处理下不同土层深度处土壤温度随生育期的变化

2.2 根系生长

2.2.1 根长密度空间分布

由于2017与2018年不同覆膜和灌水处理下的根长密度空间分布规律相似，本文以2017年播种后95 d不同处理下制种玉米根长密度在土壤剖面的空间分布为例分析，如图5所示。在垂直方向上，各处理制种玉米植株的根系主要分布在0～30 cm土层深度内，在水平方向，主要分布在距离植株基部0～15 cm范围内。在该范围内，制种玉米植株根长密度高于1.0 cm/cm3，而30 cm以下土层深度和距离植株基部15 cm水平距离以外的根长密度低于1.0 cm/cm3。不同处理根长密度在垂直方向0～15 cm深度内和距离植株基部水平方向0～5 cm内差异较大。相同灌水条件下，覆膜玉米土层深度0～15 cm内和距离植株基部水平距离0～5 cm内的根长密度显著高于不覆膜。相同覆膜条件下，该范围内的根长密度随着灌水量的增加而增加。图5还表明土壤深层根长密度受灌溉的影响较大，在相同覆膜条件下，WM和WL处理下同一深层深度处（>40～80 cm）的根长密度高于WF处理，说明亏缺灌溉会促进深层根系的生长。

注：D表示与植株基部的水平距离。

2.2.2 不同生育期根长密度随土层深度的变化

由于2017与2018年不同覆膜和灌水处理下根长密度随土层深度的变化规律相似，本文以2017年播种后75、95、125 d各个处理下根长密度随土层深度的变化为例分析，如图6所示。各阶段不同处理下的根长密度均随土层深度的加深而降低，但不同覆膜和灌溉处理下同一深度处的根长密度在存在着差异。在相同覆膜条件下，10 cm深度处的根长密度随着水分亏缺程度的增加而降低，而50 cm以下深度的根长密度，在亏水处理WM和WL下较WF处理高。覆膜条件M1WL处理下的10 cm深度处的根长密度比M1WF处理在播种后75、95、125 d时分别低19.6%、23.7%、32.5%，M1WM较M1WF分别低13.0%、9.2%、26.9%。不覆膜条件下M0WL较M0WF分别低25.2%、27.0%、27.4%，M0WM较M0WF分别低12.9%、23.6%、8.9%。对于深层土壤深度50、70、90 cm处的根长密度，覆膜条件M1WL处理比M1WF处理在播种后75、95、125 d时分别高41.9%、1.4%、30.0%，不覆膜条件下M0WL比M0WF分别高0.2%、22.3%、40.8%。在相同灌水条件下，覆膜处理10 cm深度处的根长密度在播种后75、95、125 d均比不覆膜高。播种后75 d时，M1WF、M1WM、M1WL处理下10 cm深度处的根长密度比M0WF、M0WM、M0WL处理分别高57.3%、57.0%、69.2%，播种后95 d时分别高30.6%、55.1%、36.6%，播种后125 d时分别高19.0%、4.4%、10.7%。可见各个灌水处理下覆膜对10 cm深度根长密度的增加效应均随着生育阶段的推移而减弱。覆膜与不覆膜处理对10 cm以下深度处的根长密度的影响规律不明显。显著性分析结果（表2）表明，覆膜和灌溉单因素对播种后75、95、125 d的0～20 cm土层的根长密度具有显著性影响，对>20～100 cm土层的根长密度没有显著性影响，覆膜和灌溉交互作用对各阶段不同土层的根长密度的影响均不显著。

图6 2017年各处理下不同制种玉米生育阶段根长密度垂直分布

表2 覆膜、灌溉量以及二者的交互作用下制种玉米根长密度、地上干物质量和产量的显著性分析结果

注：**表示在0.01水平上显著，*表示在0.05水平上显著，NS表示无显著；下同。

Note: ** means significant at 0.01 level. * means significant at 0.05 level. NS means no significant. The same as below.

2.2.3 不同生育期各土层深度根长比例

根长是衡量根系生长和吸收能力的重要指标，研究各土层根长占总根长的比例，能够直观地看出根系在各土层的分布，从而确定作物根系的主要吸水层，对于农作物灌溉制度的制定具有重要作用[13]。各处理不同生育期制种玉米各土层根长所占0～100 cm土层根长比例见图7。在播种后45 d时，各处理下制种玉米根系分布在0～20 cm土层。在播种后75、95、125 d时，仍然有43.1%～69.8%的根系分布在0～20 cm土层。2018年播种后75 d覆膜和不覆膜条件下制种玉米根系均分布在0～80 cm土层，而2017年覆膜制种玉米根系分布在0～80 cm土层，不覆膜分布在0～60 cm土层，可见覆膜可能会促进>60～80 cm土层根系的提早发育。播种后75 d时0～20 cm土层根长占比在WF处理下达50.0%～60.9%，WM处理下达49.7%～57.7%，WL处理下占比达43.1%～51.5%。可见播种后75 d时制种玉米0～20 cm土层根系占比随着水分亏缺程度的增加而降低，而20 cm以下土层根系占比随着水分亏缺程度的增加而增加。在播种后95、125 d时，根系分布在0～100 cm土层，0～60 cm土层根长占比在两个阶段分别达86.3%～96.7%、80.2%～92.7%，且在相同处理下，播种后125 d的0～60 cm土层根长比例较播种后95 d小，说明在根系衰老阶段（从播种后95 d至播种后125 d），0～60 cm根系占比会随着根系的衰老而会减少，而>60～100 cm深层根系占比会增加。

2.3 制种玉米地上干物质量与产量

2017和2018年不同覆膜和灌溉条件下的产量和总的地上干物质量见图8。在相同灌水条件下，覆膜处理的制种玉米产量和地上干物质量比不覆膜分别高24.9%和19.1%。在相同覆膜条件下，除2017年不覆膜条件外，制种玉米的产量和地上干物质量随着灌溉量的增加而增加。WF处理的产量和地上干物质量较WL处理分别显著高41.0%和24.9%（<0.05）。2017年不覆盖条件下，制种玉米的产量随着灌溉量的增加而降低，这主要是因为2017年M0WF和M0WM处理的产量在生育末期因冻害而大幅下降，而M0WL处理由于水分亏缺，生育期缩短，在冻害之前就已经成熟。显著性分析结果表明，覆膜和灌溉单因素对产量和地上干物质量具有显著性影响，而二者的交互作用对产量和地上干物质量均不显著（表2）。

注：图中同一年各处理的柱子上方的的不同字母表示在0.05水平下差异显著。

2.4 根系与产量和地上干物质量的关系

2017和2018年各处理下的产量和地上干物质量与不同生育阶段各土层深度的根长密度分别进行线性相关分析，结果见表3。产量与播种后75、95 d的0～20 cm土层深度的根长密度呈显著相关关系（<0.01），相关系数分别为0.804、0.815，而与>20～100 cm各土层的根长密度均无相关性。而对于产量与播种后125 d的根长密度的关系而言，与>20～40、>60～80、>80～100 cm土层的根长密度在0.05的水平上具有相关性，相关系数分别为0.656、0.682、0.578，与0～20、>40～60 cm土层无相关性。可见，产量与播种后75和95 d的0～20 cm根长密度的相关性大于与播种后125 d深土层的相关性。

地上干物质量与播种后75和95 d的0～20 cm土层的根长密度在0.001水平上具有显著相关性，相关系数分别为0.885、0.883，与播种后125 d的0～20 cm土层则在0.05水平上具有相关性，相关系数为0.681，而与各生育阶段>20～100 cm各土层的根长密度无相关性。可见，地上干物质量与播种后75和95 d的0～20 cm土层的根长密度之间的相关性高于播种后125 d。

表3 制种玉米各生育阶段不同土层根长密度与产量和地上部总干物质量的相关系数

注：***表示在0.001水平上显著相关。

Note: *** Means significant correlation at 0.001 level.

3 讨 论

3.1 覆膜和灌溉对土壤水热状况的影响

土壤水、热状况是影响作物根系分布以及作物生长的重要因素[5]。地膜覆盖和灌溉都会显著影响作物根层的土壤水分，进而影响作物根系在土壤剖面中的分布[13, 9]。大量研究表明，灌水越多，土壤水分含量越高[23-24]。本研究表明在滴灌条件下，高灌水量会增加浅层土壤含水量，但灌溉对深层土壤含水量的影响不大。地膜覆盖具有增温保墒的作用，覆膜会增加玉米整个生育期浅层土壤含水率14.3%，增加5 cm深度的土壤温度约2.8 ℃[25]。Yang等[21]认为地膜覆盖会隔绝土壤与外界的水分交换，减少土壤水分蒸发，进而增加土壤贮水量。然而地膜覆盖下旺盛的植株蒸腾作用又会消耗更多的土壤水分，从而减少土壤贮水量。地膜覆盖下土壤贮水量还与降雨量有关，覆膜会对降雨产生截留作用，导致较低的土壤含水量[22]。地膜覆盖对土壤温度的影响受薄膜光学特性的不同而有差异。透明膜、黑膜下0～15 cm平均土壤温度分别增加2.4、0.8 ℃[26]。其中透明塑料薄膜增温是由于透明膜覆盖下土壤表面会直接吸收太阳辐射，以及塑料薄膜上形成的水珠会降低长波辐射透射率，减弱土壤表面热量的散失[27]。本研究中，透明膜的增温效应在生育前期明显，而随着制种玉米植株壮大，遮光作用大，地膜的增温效应减弱。

3.2 覆膜和灌溉对根系和作物生长的影响

根长密度是表征根系分布特征的重要指标，大量研究表明，玉米植株根长密度随土层深度的加深而降低[28-29]，在本研究中，以0.5 cm/cm3为界，不管是覆膜还是不覆膜条件下，WM和WL水分亏缺处理下根长密度下降至0.5 cm/cm3时所对应的土层深度比充分灌溉WF处理明显深（图5）。播种后75 d至125 d阶段内，充分灌溉处理下浅层深度的根长密度高于亏水处理，而深层深度处则表现为充分灌溉低于亏水灌溉（图6）。另外，播种后75 d时，亏水处理下20 cm以下土层根系比例高于充分灌溉处理（图7）。以上研究结果都证明，充分灌溉有利于浅层根系的生长发育，而当水分亏缺情况下，表层土壤水分无法满足根系生长，根系需要向深土层延伸以从下层土壤中提取水分[30]，这种发育方式是根系生长与环境相互适应的结果[9]。不同灌溉制度下根系分布的差异引起了作物地上生物量和产量的差异[4,31]。本研究针对的灌溉量范围内，制种玉米地上干物质量和产量随着灌溉量的增加而增加（图8），这与前人的研究结果相似[4]。

地膜覆盖显著改善土壤水热条件，促进作物根系生长[32]。本研究中地膜覆盖显著增加播种后75、95、125 d的垂直方向浅层0～20 cm（图5，表2）和播种后95 d的水平方向0～5 cm（图5）范围内的制种玉米根长密度，而对深层根长密度的影响较小，说明地膜覆盖主要影响浅层根系的发育。中国黄土高原[13]以及宁夏地区[14]玉米根系分布的研究中，分别得出了地膜覆盖显著影响各生育期0～30 cm以及0～50 cm土层的根系特征参数，不同研究之间的差异可能与玉米品种、土壤性质、灌溉制度等有关。另外，覆膜对10 cm深度处的根长密度的增加效应随生育期的推进而减小，这可能与覆膜增温效应随生育期的推进而降低有关（图4）。地膜覆盖增加根长密度，最终提高了产量和地上干物质量，覆膜单因素对两年的产量以及2017年的地上干物质量均具有显著影响（表2）。

地膜覆盖与亏缺灌溉结合应用是目前旱区灌溉农业广泛采用的田间管理措施，这不仅节约了水资源，还能够保证较高的产量。邹海洋等[30]认为在覆膜条件下玉米根系特征参数如根长、根质量、根体积和根表面积，均随着灌溉量的增多先增加后减少，即覆膜条件下适当的灌水量可促进玉米根系生长、提高产量。马金平[33]对比了覆膜和不覆膜条件下灌水定额为0、8、12、16和20 mm处理下的玉米根系分布特征和籽粒产量，结果表明，不管在覆膜还是不覆膜条件下，玉米根系特征参数和产量均随灌溉量的增加而增加，但灌溉定额为16和20 mm处理下籽粒产量差异不显著，这与本研究结果相似。在本研究中，覆膜条件下适度亏缺（M1WM处理）的浅层根长密度低于覆膜充分灌溉处理（M1WF处理），深层根长密度高于M1WF处理，其最终产量与M1WF处理没有显著性差异，且能够节水30%。因此本研究推荐M1WM处理为最佳处理。此外，本研究中，尽管覆膜和灌溉单因素对浅层根长密度、地上干物质量和产量具有显著影响，但二者交互作用对制种玉米地上和地下生物量的影响不显著。

3.3 作物生长与根系的关系

作物的生长发育和产量的形成受根系生长状况的影响[34]。大量的研究表明，玉米植株地上部干物质量和产量与100 cm土层深度内的根系特征参数呈显著相关关系[30]，然而其相关性在各生育时期的不同土层深度处存在差异性[13]。本研究地上干物质量和产量与播种后75和95 d的0～20 cm土层的根长密度呈显著相关关系，而与20 cm以下土层的根长密度无相关性（表3），这主要是因为该阶段制种玉米根系主要集中在0～20 cm土层（图7），20 cm以上土层的根系较为活跃，对作物生长和产量的形成起重要作用。产量与播种后125 d的>20～100 cm土层的根长密度显著相关，说明深层根系对生育后期产量的形成的影响较大，这与郝留根[35]的研究结果相似。但地上生物量与播种后125 d的根长密度之间的关系仍然表现为与浅层根长密度相关，与深层根长密度无相关性，这可能是因为地上干物质积累主要发生在生育前期和中期，生育后期玉米地上干物质累积量在总的地上干物质累积量中占比很小，仅占10%以下[36]，因此总的地上干物质量与生育后期较为活跃的深层根系无相关关系。本研究中，播种后75和95 d的根长密度与地上干物质量和产量的相关性大于播种后125 d，确保生育前期和中期浅层根系的生长对于地上生物量和产量的形成具有重要作用。

4 结 论

本研究以中国西北旱区石羊河流域制种玉米为研究对象，开展2 a的田间试验，探究了覆膜和不同灌水量对土壤水热动态、各生育期不同土层深度处的根系生长以及产量的影响，得到以下结论：

1）在相同覆膜条件下，0～60 cm土层含水量随灌溉量的增加而增加。覆膜会改善土壤水热条件，在充分灌溉下覆膜增加土壤贮水量，而亏缺灌溉下覆膜降低土壤贮水量。覆膜显著增加播种后75 d内的土壤温度，对播种后75 d后的土壤温度没有影响。

2）充分灌溉条件下制种玉米浅层根长密度高于亏缺灌溉，而深层根长密度则表现为亏缺灌溉高于充分灌溉，可见充分灌溉有利于浅层根系生长，水分亏缺则有利于深层根系生长，最终地上干物质量和产量表现为随着灌溉量的增加而增加。覆膜增加10 cm深度处的根长密度，表现为增产效应。

3）制种玉米地上干物质量和产量均与播种后75和95 d的0～20 cm深度处的根长密度的关系最为密切，保证播种后75和95 d的0～20 cm度处良好的土壤环境、促进作物根系发育对制种玉米地上部的生长至关重要。

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Effects of film mulching and irrigation amount on the root distribution and yield of seed-maize

Zhao Yin1,2, Li Guoan3, Xia Jiangbao1, Bo Liyuan2, Mao Xiaomin2※

(1.256600;2.100083;3.256600)

Plastic film mulching and drip irrigation have been the main measures to cope with the water resources shortage for better crop productivity in the arid region of Northwest China. This study aims to explore the dynamic response of root distribution and yield of seed-maize to the plastic film mulching and irrigation amount under drip irrigation. The field experiments were conducted in the Shiyang River Basin located in the arid region of Northwest China in 2017 and 2018. Six treatments were set, including two levels of film mulching (full–mulching (M1) and non-mulching (M0)), and three levels of irrigation amount (WF, WM and WL: 100%, 70% and 40% of the irrigation water requirement, respectively). The distribution of soil water, the heat and root length density were monitored during the seed-maize growing season, whereas, the aboveground dry matter and yield were monitored in the mature period. The results showed that the average soil moisture contents of 0-60 cm soil layer were 0.22, 0.18, 0.17, 0.19, 0.20, and 0.18 cm3/cm3, respectively, under the M1WF, M1WM, M1ML, M0WF, M0WM, and M0ML treatments at 75 day after sowing (DAS). It indicated that the soil moisture content of 0-60 cm soil layer increased with the increase of irrigation amount under the same film mulching condition. Specifically, the soil moisture content of the 0-60 cm soil layer under the M1WF treatment was higher than that under the M0WF treatment in the same irrigation condition. The soil moisture contents of the 0-60 cm soil layer under the M1WM and M1WL treatments were lower than that under the M0WM and M0WL treatments, respectively. Film mulching significantly increased the soil temperature by 1.1-3.2℃ before 75 DAS, and there was no effect on the soil temperature after 75 DAS, indicating that the temperature-increasing effect of film mulching mainly appeared during the early growth stage. The root length density decreased with the deepening of soil depth under different film mulching and irrigation treatments in the various growth period of seed maize. Furthermore, 86.3%-96.7% of the roots were distributed in the 0-60 cm soil layer at 95 DAS of seed maize. The root length density was higher than 1.0 cm/cm3in the 0-30 cm soil depth and 0-15 cm from the horizontal direction of the plant base, while lower than 1.0 cm/cm3outside the spatial range. The root length density at 10 cm soil depth under WL treatment was 19.6%-32.5% lower than that of WF and was 0.2%-41.9% higher at deeper layer at various growth period, which showed that full irrigation was conducive to the root growth in shallow layer, while water deficit was conducive to the root growth in deeper layer. The yield and aboveground dry matter increased with the increase of irrigation amount. And the root length density at 10 cm soil depth under M1 treatment was 4.4%-69.2% higher than that of M0 treatment under different irrigation treatments, and the yield was 24.9% higher. The aboveground dry matter and yield of seed maize were closely related to the root length density at the 0-20 cm soil depth at the 75 DAS and 95 DAS, where the correlation coefficients were more than 0.883 and 0.804, respectively. Consequently, the favorable soil environment can be expected to promote the root growth for the aboveground growth of seed maize. The finding can provide a theoretical basis to implement the irrigation and film mulching measures in the Shiyang River Basin.

irrigation; roots; yield; maize; plastic film mulching; drip irrigation; seed-maize

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.011

S513; S274

A

1002-6819(2022)-15-0104-11

赵引，李国安，夏江宝，等. 覆膜和灌水量对制种玉米根系分布及产量的影响[J]. 农业工程学报，2022，38(15)：104-114.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.011 http://www.tcsae.org

Zhao Yin, Li Guoan, Xia Jiangbao, et al. Effects of film mulching and irrigation amount on the root distribution and yield of seed-maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(15): 104-114. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.011 http://www.tcsae.org

2022-07-08

2022-07-31

国家自然科学基金项目（51790535，51679234）

赵引，博士，讲师，研究方向为农业水土工程。Email：zhaoyin0671@163.com

毛晓敏，博士，教授，博士生导师，研究方向为变化环境下农业水资源高效利用以及多孔介质水、热和溶质耦合运移机理与模拟。 Email：maoxiaomin@cau.edu.cn