不同滴头间距和毛管间距对匀播冬小麦土壤水分空间分布、根系形态及产量的影响

罗四维,贾永红,张金汕,王 凯,李丹丹,王润琪,董艳雪,石书兵

(1.新疆农业大学农学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业科学院奇台麦类试验站,新疆奇台 831800)

0 引 言

【研究意义】2020年我国小麦播种面积占全国粮食总播种面积的20.32%;占全国粮食总产量的20.05%[1]。新疆地处我国西北干旱半干旱地区,气候干燥、降雨量少、蒸发量大,其农业用水占总用水量的96.64%[2]。滴灌技术是一种农业用水上先进的节水灌溉技术,其节水效果优于漫灌、沟灌和喷灌等灌溉方式,减少地表水分蒸发和深层渗漏,从而提高水分、养分利用效率和产量[3-4]。【前人研究进展】滴灌通过管网和毛管中的滴头,低压将水缓慢滴入土壤中,使得滴灌的水分能够稳定集中在根系的四周,促进小麦根系生长。滴灌量一定时,滴头间距和毛管间距对土壤水分的垂直与水平分布均会造成显著影响[5-6]。靠近毛管处土壤保持较高的土壤含水量,反之则越低,表现为(15 cm处>30 cm处>45 cm处),土壤水分含量在水平方向上以0～20 cm土层变化最为剧烈,20～40 cm土层整体趋于平缓,40～60 cm土层距离毛管远近的不同,土壤含水量变化不明显[7]。滴头间距越大时,滴头正下方,沙土湿润度不随滴头间距而变化,而滴头连线方向和交汇区的土壤湿润均匀度减小[8]。小麦生长发育及产量构成与小麦根系形态、空间分布密切相关[9-10]。冬小麦根系的生长受土壤水分的影响较敏感,土壤含水量过高或过低时,冬小麦根系生长均会受阻,适宜的水分供应,能够使土壤中保持适宜的土壤含水量,扩大冬小麦初生根群,促进根系向下生长,使深层土壤的根系分布丰度增加,且增强冬小麦对深层土壤水分的吸收与利用,进而促进小麦地下部根系与地上部生长及产量的形成[11-12]。【本研究切入点】立体匀播方式使麦种等株距分布在土壤中,充分利用有效土地面积和空间[13]。目前,不同滴灌配置在小麦条播种植方式上研究土壤的水分时空分布和根系形态较多,而在冬小麦立体匀播种植方式下鲜有研究。需研究不同滴头间距和毛管间距对匀播冬小麦土壤水分空间分布、根系形态及产量的影响。【拟解决的关键问题】以新疆北疆地区条播滴灌冬小麦滴头间距20 cm毛管间距50 cm布置方式为参考,研究不同滴头间距和毛管间距对匀播冬小麦土壤水分时空分布、根系形态、产量及水分利用效率之间的关系。设置2种滴头间距和5种毛管间距配置方式,为新疆匀播冬小麦高产栽培中合理滴灌配置和节本增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2020～2021年在新疆农业科学院奇台麦类试验站(E 89°13' ～91°22',N 42°45'～45°29')进行,属温带大陆性气候,全年平均气温5.5℃,无霜期153 d,前茬作物为玉米,土壤为沙壤土,pH 8.25,供试土壤基本理化性质全氮2.236 g/kg,全磷1.281 g/kg,全钾18.077 g/kg,有机质含量42.88 g/kg,碱解氮128.7 mg/kg,有效磷11.4 mg/kg,速效钾417 mg/kg。表1

表1 冬小麦生长季平均气温与降雨量

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

以新冬22号为供试品种,采用二因素裂区试验设计,主区为滴头间距,设置为20 cm(T1)和30 cm(T2)2个处理,副区为毛管间距,设置为30 cm(D1)、40 cm(D2)、50 cm(D3)、60 cm(D4)和70 cm(D5)5个水平。2种毛管类型均为单翼迷宫式滴灌带,规格16 mm,壁厚0.18 mm,滴头流量均为2.4 L/h,工作压力≤100 kPa。2020年9月30日播种,2021年6月28日收获,小区麦种的株距均为一致,株间距为6.67 cm(每株间距均相等)。采用人工匀播,各小区面积2 m×5 m=10 m2,3次重复。基本苗数量为225×104株/hm2,全生育灌水定额为4 650 m3/hm2,冬前滴水900 m3/hm2,春季后滴施8次,间隔10 d。各处理设置水表控水,滴水量均相等。试验地四周设置保护行。播前整地,深施尿素225 kg/hm2,磷酸二铵300 kg/hm2,其他田间管理措施同大田。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 土壤含水量

于冬小麦拔节期(JP)、孕穗期(BP)、开花期(FP)滴水前后、灌浆期(GP)、成熟期(MP),采用烘干称重法测定土壤含水量,取样位置分别为毛管带间距处正下方(0)、(R/4)和(R/2)处,R代表两毛管之间的距离。取样土层深度分为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm,重复3次,将不同土层土壤迅速装入铝盒称重,将其放入烘箱80℃烘干至恒重,土壤含水量为(%)=(湿土重-干土重)/干土重×100%。

1.2.2.2 根系形态

于灌浆中期,采用根钻法,根钻钻头直径为5 cm,长20 cm,取样土层分为0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm,取样位置同1.2.2.1。按要求取出根系装入取样袋后在水中浸泡60 min,去除杂质和杂根,带回实验室,经根系扫描仪扫描并以图形文件格式,采用(万深LA-S系列)植物图像分析仪系统测定不同土层根长、根表面积和根体积密度,然后将根系分别装入信封袋,105℃下杀青30 min,80℃下烘干至恒重,测定各土层根干重取均值。

1.2.2.3 农田耗水与水分利用率

小麦生育期间农田水分平衡方程式[14]:

ETa=I+P-ΔW.

式中,I为灌水量(mm),ETa为作物生育期农田耗水量(mm),包括植株蒸腾量和植株间蒸散量,P为小麦播种到收获阶段产生的降雨量值(mm),ΔW为土壤贮水消耗量(mm)。

土壤贮水量计算公式[15]:

W=r×v×h× 10.

式中,W为不同土层深度土壤贮水量(mm),r为该土层土壤相对含水量(%),v为土壤容重(g/cm3),h为土层厚度(cm)。

灌溉水利用效率(IWUE)=小麦籽粒产量/I.

水分利用效率(WUE)=小麦籽粒产量/ETa.

1.2.2.4 产量及产量构成

收获前,每小区选有代表性的1 m2测定单位面积有效穗数,取样位置同1.2.2.1,分别连续挖取15株小麦进行室内考种,测定穗粒数、千粒重;每小区实收测产。

1.3 数据处理

用Excel 2013和SPSS21.0统计软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同滴头间距和毛管间距对开花期冬小麦滴水前后土壤水分时空分布的影响

研究表明,在不同滴头间距和毛管间距下,随着土壤深度的增加,滴水前后均呈先降后升的趋势。滴水后土壤含水量在土壤深度0～40 cm高于滴水前。在T1下,毛管间距布置方式T1D1、T1D2和T1D3处理土壤各测点差异较小,而T1D4、T1D5处理距毛管越远,滴水后土壤含水量越小;在T2下,毛管间距布置方式土壤含水量T2D1和T2D2处理土壤各测点差异较小,T2D3、T2D4、T2D5处理随着毛管间距的增大,距毛管越远,滴水后土壤各测点土壤含水量越小。在相同毛管间距下,0～40 cm土层内,T1滴水后土壤含水量均高于T2,而在40～60 cm土层内恰好相反,T2D4和T2D5处理距毛管正下方均高于T1D4和T1D5处理。滴头间距和毛管间距越大,水分在土壤中的水平方向运移越小,而垂向运移较大,不利于土壤水分分布。表2

表2 开花期不同处理灌水前后土壤水分时空分布变化特征

2.2 不同土层滴头间距和毛管间距对各生育时期冬小麦土壤水分含量的影响

研究表明,不同滴头间距和毛管间距对匀播冬小麦土壤含水量在不同土壤深度差异显著。随着生育时期的推进,不同土层中,各处理土壤含水量均呈“W”字形的变化趋势,且在孕穗期和灌浆期出现“谷”值。在同一滴头间距下,随着毛管间距的扩大,T1与T2在水平方向土壤含水量表现为毛管间距0>R/4>R/2,尤其是在水平方向毛管间距R/2处表现最低,其中,T1D1、T1D2和T2D1、T2D2分别与T1D4、T1D5和T2D4、T2D5处理差异显著。在同一毛管间距下,T1在距毛管间距0和R/4处土壤含水量较高于T2。在垂直方向土壤含水量差异主要集中在0～40 cm土层,随着毛管间距的增大,冬小麦在灌浆期开始消耗深层(40～80 cm土层)和毛管间距较远处的土壤贮水,在T1D4、T1D5和T2D4、T2D5处理距毛管间距R/2处表现较低。适宜的滴头间距和毛管间距能使匀播冬小麦土层深度(0～40 cm)内保持较高和均匀的土壤含水量,有利于根系的水分吸收和促进植株生长发育。图1

2.3 不同滴头间距和毛管间距对匀播冬小麦水分利用效率的影响

研究表明,不同滴头间距和毛管间距对匀播冬小麦水分利用效率差异显著。灌水量相同,在同一滴头间距下,随着毛管间距的增大,土壤水分分布不均,0～80 cm土层贮水消耗量也随之增加,土壤耗水量和总耗水量呈逐渐升高的趋势,均在T1D5和T2D5处理达到最高;灌水利用效率和水分利用效率呈先升后降的趋势,在同一毛管间距下,T1处理下各处理下灌水利用效率和水分利用效率均较高于T2处理。T1处理下,灌水利用效率和水分利用效率均以T1D2处理达到最高,较其他处理分别高1.38%～13.80%和2.27%～22.55%,且与T1D4、T1D5和T2D4、T2D5处理相比达显著水平。适宜的滴头间距和毛管间距能够提高匀播冬小麦的灌水利用效率和水分利用效率。表3

表3 不同处理下冬小麦水分利用效率变化

2.4 不同滴头间距和毛管间距对匀播冬小麦根系干重密度的影响

研究表明,灌浆期土层冬小麦根干重密度表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm,且根干重密度主要分布在0～20 cm土层,占0～60 cm总根干重密度的81.02%。在同一滴头间距下,随着毛管间距的增大,T1处理下,0～20 cm土层根干重密度呈先升后降的趋势,以T1D2的92.65 g/m3表现最高,分别较其他处理高4.40%～17.11%,且与T1D4和T1D5处理相比达显著水平;T2处理下,根干重密度呈逐渐降低的趋势,以T2D1的89.91 g/m3表现最高,分别较其他处理高0.68%～21.53%,且显著高于T2D3、T2D4和T2D5处理。适宜的滴头间距和毛管间距有利于冬小麦根干重密度的均匀分布。图2

图2 不同土层毛管间距和滴头间距下灌浆期冬小麦根干重密度变化

2.5 不同滴头间距和毛管间距对匀播冬小麦根系形态的影响

研究表明,不同毛管间距和滴头间距下灌浆期小麦根长、根表面积和根体积密度均表现为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm,且主要分布在0～20 cm土层,在0～60 cm土层中分别占65.99%、78.87%和76.67%。随着毛管间距的增大,T1处理下,0～60 cm土层根长、根表面积和根体积密度呈先升后降的趋势,以T1D2处理表现最高,根长、根表面积和根体积密度分别是4.15×103m/m3、5.94 m2/m3和358.90 cm3/m3;T2下,根长、根表面积和根体积密度呈逐渐降低的趋势,以T2D1处理表现最高,根长、根表面积和根体积密度分别是4.09×103m/m3、5.73 m2/m3和353.72 cm3/m3。适宜的毛管间距有利于匀播冬小麦根长、根表面积和根体积密度的均匀分布,促进群体冬小麦的水分及养分吸收。表4

表4 不同处理下冬小麦根系形态变化

2.6 不同滴头间距和毛管间距对冬小麦产量及产量构成因素的影响

研究表明,在相同滴头间距下,随着毛管间距增大,T1下冬小麦单位面积穗数随着毛管间距的增大呈先升后降趋势,其中,以T1D2处理最大,较其他处理分别高0.61%～12.28%,且与T1D4和T1D5处理相比差异显著;T2表现为逐渐降低的趋势,其中,T2D1处理达到最大,较其他处理分别高1.04%～5.52%,且与T2D3、T2D4、T2D5处理相比差异显著。T1下产量以T1D2处理最高,其值为9 247.95 kg/hm2,分别较其他处理高2.36%～13.80%,且与T1D4和T1D5处理相比差异显著;T2下产量以T2D2处理最高,其值为9 140.87 kg/hm2,较其他处理分别高2.45%～14.30%,且与T2D3、T2D4和T2D5处理相比差异显著。在相同滴头间距下,适宜缩短毛管间距来增加穗数,达到小麦高产,而穗粒数和千粒重无显著影响。在立体匀播方式下,适宜的毛管间距可增加穗数,从而达到小麦高产的目的。T1D3处理经济效益为18 502.10 元/hm2达到最高,分别高于他处理1 538.21、155.21、1 261.76和2 144.7 元/hm2,T1D3处理较T1D1和T2D2分别减少1 300和500 m/hm2,尽管T1D3处理产量低于T1D1和T1D2处理,但其在实现节水和减少滴灌带用量的同时,达到了最高经济效益。冬小麦滴头间距和毛管间距以T1D3处理的滴管配置表现最优。表5

表5 不同处理下冬小麦产量和经济效益变化

3 讨 论

3.1不同的滴头间距和毛管间距对小麦的耗水特性、根系生长和产量有直接影响。张娜等[16]研究指出1管4行行间差异小,生长均匀,分别较1管5行和1管6行增产10.97%和37.71%,但1管5行在其产出和投入最具经济效益价值。研究表明,在毛管间距和滴头间距T1D1、T1D2、T1D3和T2D1、T2D2处理下产量保持较高水平,结果与前人研究的结果相似。

3.2受限于滴灌量和土壤中水分运移规律的影响,滴灌条件下土壤中水分分布存在明显的时空分布[17],。降雨量、灌溉水量和土壤供水量构成了麦田耗水量。土壤含水量对作物生长、产量形成及耗水特性影响显著[18]。随着毛管间距的增大,距毛管越远,土壤含水量越低;0～20 cm土层的土壤水分含量水平方向波动较为剧烈,20～40 cm土层次之,40～60 cm土层含水量水平移动较小[7]。研究结果表明,开花期滴水后,缩短毛管间距和滴头间距的供水距离,滴水时间过快且分布较均匀,0～20 cm土层T1D1、T1D2、T1D3和T2D1、T2D2处理能够保持较高的土壤含水量、灌水利用效率、水分利用效率和产量,随着毛管间距和滴头间距的增大,0～40 cm土层内,T1土壤含水量均高于T2,而在40～60 cm土层内恰好相反,T2D4和T2D5距毛管正下方土壤含水量均高于T1D4和T1D5。可能是因为毛管间距间和滴头间距过小,水分分布迅速,地表水分蒸发较快,水分利用效率降低,反之过大,滴水时间延长,水分在土壤中的水平方向运移较小,垂向运移较大,不利于土壤水分均匀分布,生长后期更深层土壤水分被过大消耗,不利于远离滴灌小麦的生长发育和籽粒的形成,出现长势差,导致冬小麦穗数降低,水分利用率降低,进而影响产量,与前人研究结果相似[5,19]。

3.3根系是作物吸收水分和养分的重要器官,土壤含水量的高低会直接影响作物根系生长的深度和侧根的广度,进而影响作物地上部的生长发育和籽粒的形成,作物对土壤水分的利用状况与不同土层中的根系分布、吸水效率及土壤有效含水量有着密切的关系[20]。冬小麦根系的生长受土壤水分较为敏感,土壤水分过高或过低都会影响小麦根生物量和根系形态,土壤含水量过大,土壤通气性差,抑制根系生长,土壤水分严重亏缺时,会抑制小麦根系正常生长,而适宜的土壤水分或轻度水分亏缺会有利于根系深层的生长,有利于对深层土壤水分的吸收[12,21]。研究结果表明,缩短滴头间距和毛管间距的供水距离,主要增加毛管正下方0～40 cm土层含水量,根干重、根长、根表面积和根体积密度表现较高,而在毛管间距过大处T1D5和T2D5处理表现较低,可能是因为距毛管R/2处,0～40 cm土层含水量增幅远小于毛管处,土壤湿润范围减小,土壤水分过低且严重亏缺,并使40～60 cm土层和更深层贮水消耗量增加,抑制根系深层的生长,地上部分麦株营养吸收不均,进而影响产量,与前人研究结果一致[5,22]。

4 结 论

4.1土壤水分含量的高低是影响产量的重要因素之一。滴头间距和毛管间距增大,不利于土壤中水分向距毛管间距R/2处运移,滴头间距越大,滴水时间越长,土壤中水分在水平方向运移越小,而垂向运移越大,不利于土壤中的水分均匀分布,会导致均布土壤中水分亏缺,土壤含水量、水分利用效率和灌水利用效率表现降低。

4.2T1D1、T1D2、T1D3和T2D1、T2D2处理根干质量、根系形态和产量均保持较高水平,而毛管间距过大处T1D5和T2D5处理表现较低,由于土壤水分分布不均,距毛管较远处土壤含水量严重亏缺,抑制根系的生长。

4.3尽管T1D3处理较T1D2减产126.30 kg/hm2,但综合其产投比,在其毛管带用量T1D3处理获利表现最优,毛管配置方式更具应用价值。T1D3(滴头间距20 cm,毛管间距50 cm)在相同灌水定额(全生育期4 650 m3/hm2)是最佳的滴灌配置方式。