膜下滴灌不同灌水定額對玉米根系生長的影響

徐寶山, 賈生海, 雒天峰, 金建新

(1.甘肅農業大學 工學院, 蘭州 730070; 2.甘肅省水利科學研究院, 蘭州 730000)

膜下滴灌不同灌水定額對玉米根系生長的影響

徐寶山1, 賈生海1, 雒天峰2, 金建新1

(1.甘肅農業大學 工學院, 蘭州 730070; 2.甘肅省水利科學研究院, 蘭州 730000)

玉米根系的分布特征受多種因素的制約，其中影響最大的有土壤水分和生育期階段等，通過分析不同灌水處理條件下，不同生育期，土壤深度與根長密度和根重密度的關系，研究膜下滴灌玉米各生育期根系在不同灌水定額處理下的分布規律，利用大田代表植株挖根試驗得到的實測數據進行根長密度和根重密度計算。結果表明：根長在表層土壤中，隨著水分的脅迫減輕，呈現增大趨勢，深層反之，而且最大根深出現在80 cm處，在大喇叭期，處理1在20 cm土層根長密度最小(77.27 mm/cm3)，處理9最大(143.31 mm/cm3)，在40 cm土層，處理8的根長密度最小(16.11 mm/cm3)，處理1最大(24.89 mm/cm3)。根重密度與根長密度的規律基本一致，水分脅迫能促進根系向下伸長，在玉米拔節期，處理1在20 cm以上土層根干重僅占總根干重的67.9%，而處理9在20 cm則達到了90.2%。隨著生育期的推進，表層根重密度隨灌水量增大而增大，在大喇叭期，處理1的根重密度為8.16×10-4g/cm3，處理7為2.358×10-3g/cm3。水分脅迫使得根系深扎吸取水分來補償虧缺，并且根變得較細較小，這說明根系自身會做出水分適應性環境調整，以達到重要機制的平衡。

膜下滴灌; 玉米根系; 分布規律; 土壤水分

膜下滴灌是一種滴灌與地上覆膜保溫保水相結合的高效節水灌溉方式，由于覆膜技術的使用，阻斷了土壤水分與大氣之間的直接連續，改變了蒸發體的上邊界條件，土壤的蒸發率大大減小，從而起到抑制土面蒸發的作用，也改變了土壤水鹽動態變化[1]。因而，對土壤水分和玉米根系分布產生很大影響，由于根系是玉米吸收水分和養分的最主要器官，故玉米根系分布規律對灌溉水的利用效率以及農田養分的利用起主要作用，也決定著玉米地面生物產量、干物質的積累和生理特性[2]。因此，研究膜下滴灌條件下玉米根系分布對提高灌溉水利用系數有極其重要的作用。國內外學者對不同種植條件及灌溉制度下作物根系的分布規律做了大量的研究，取得了一系列成果。李少昆等[3]采用雙向切片法對玉米根系在土壤中的分布規律進行了研究，即以植株為中心分別向兩側行間向下切割，每層被切成相同大小的立方體或圓柱體土體，然后將每一層的根系洗凈稱重，并通過數據線性擬合，分析得出玉米根系在土壤縱向剖面上呈指數分布，橫向呈S形曲線。Laboskietal等[4]試驗得出：玉米抽雄期94%的根系都分布于地面以下60 cm深度范圍內，85%的根系分布于地面以下30 cm。趙秉強等[5]提出：間作地膜覆蓋早春玉米拔節期根深在100 cm左右，大喇叭口期時根深可以達到140 cm左右，乳熟期時則達到最大根深160 cm左右，而且隨著生育進程推進，根量與根重密度基本呈小→大→小變化，并且在垂直土體中呈“T”型分布。王密俠等[6]通過玉米調虧灌溉試驗研究表明：玉米在苗期接受不同程度水分調虧灌溉，根系的數量和長度也出現不同程度的減少和降低，調虧程度越嚴重，根數和根長減少和減低的也就越大。劉晶淼等[7]采用地下室玻璃窗觀測法和方形整段標本法，得出玉米根長、根干重均隨土壤深度的增加基本呈遞減類型。目前玉米根系分布的研究主要集中在水肥耦合、中耕措施以及種植方式對其的影響[8-12]，在膜下滴灌條件下不同灌水量玉米根系分布規律的研究少有報道。本試驗在膜下滴灌條件下研究了玉米根系生長發育規律，通過擬合根長、根重密度曲線得出玉米根系生長動態模型，為沙漠綠洲灌區制定合理的灌溉制度，以及玉米節水和高產、穩產提供理論基礎，對完善膜下滴灌技術理論具有重要的科學意義和應用價值，并且對干旱地區生態環境建設與水資源合理配置提供決策依據[13]。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在甘肅省水利科學研究院民勤節水農業生態建設試驗示范基地進行，地理位置東經130°05′10″，北緯38°37′18″。降雨稀少，蒸發量大，風沙多。自然災害頻繁。多年平均氣溫7.8℃，極端最高氣溫39.5℃，極端最低氣溫-27.3℃，多年平均降雨量110 mm，多年均蒸發量2 644 mm，日照時數3 028 h，≥10℃積溫3 145℃，>0℃積溫3 550℃，無霜期150 d，最大凍土深115 cm，試驗區土壤物理參數如表1所示。

表1 試驗區土壤物理參數

1.2 試驗處理及測定項目

1.2.1 試驗處理 試驗采用膜下滴灌灌水，用長流道式滴頭供水，滴頭流量0.2 L/s，滴頭間距30 cm，用水表控制水量，試驗共設計9個灌水處理，灌水定額分別為處理1：225 m3/hm2，處理2：270 m3/hm2，處理3：315m3/hm2，處理4：360 m3/hm2，處理5：405 m3/hm2，處理6：450 m3/hm2，處理7：495 m3/hm2，處理8：540 m3/hm2，處理9：585 m3/hm2，每個處理設置3個重復，全生育期總灌水次數為9次。每個小區面積50.4 m2，試驗區土壤為砂質黏壤土，且在70—80 cm處有砂土夾層，土壤氨態氮含量15 mg/kg，速效鉀173 mg/kg，土壤有機質含量13%。灌溉采用的水源為深層地下水，灌水周期為8 d，在第3～7次灌水時在首部加肥料罐，每小區隨水追施尿素2 kg，玉米種植模式采用1膜3行、行距40 cm，株距25 cm。

1.2.2 測定項目

(1) 玉米根區土壤水分含量的測定。采用土壤墑情自動監測系統連續測定玉米全生育期內每個小區內0—120 cm，每20 cm一層的土壤含水量動態分布，該儀器是利用土壤中的水和其他介質介電常數之間的差異及時域反射測試技術進行測量。探測器外觀呈圓柱體形狀(桿式)，截面直徑3 cm，高度為70 cm。桿體48 cm段內為感應部分，若將探測器整體垂直埋入土壤中，可以測得該垂線的平均體積含水率，若水平埋入，則測得該水平層的平均體積含水率。這種探測器較探針式等其它探測設備的采集空間范圍大、精度高。本試驗采取水平放置的辦法，在土壤中埋入6層，間隔20 cm，并采用取土烘干稱重法對TDR300便攜式土壤水分速測儀、TRIME-Fm3土壤剖面水分速測儀測定的含水量進行校正，并利用自動氣象采集系統檢測氣象資料。張瑞美等[14]認為土壤相對有效含水量大于0.75～0.85時作物不受土壤水分脅迫，本試驗根據土壤墑情自動監測系統測得的土壤含水率來判斷玉米是否處于水分脅迫狀態。

(2) 玉米根長及干重測定。分別在玉米拔節期、大喇叭期、抽雄期，在每個處理小區隨機選取選取一棵長勢具有代表性的玉米植株，將地面以上部分割去，以根部為中心，選取20 cm×20 cm的小樣方劃分區域，橫向每10 cm一個層次進行取樣，縱向每20 cm一層挖去根系，取回的土樣用土壤篩沖洗，檢出死根和其它雜質,然后進行分類，測定出根長、根粗及根鮮重, 最后將所有根放在105℃的恒溫箱中殺青1 h，之后置于55℃恒溫下48 h，烘干測定干重。

(3) 玉米根長密度及根重密度計算方法。用已經測得的根長和根重，根據測定根長和根重時劃分的區域面積，以20 cm為一層進行分層計算，用每個區域的根長和根重除以相應的體積得到各個區域的根長密度和根重密度，具體計算為：

(1)

式中：ρ根i——相應區域不同處理的根重密度或根長密度；m根i——相應區域不同處理的總根重；l根i——相應區域不同處理的總根長；V區域i——不同區域的體積。

2 結果與分析

2.1 各生育期各處理土壤水分狀況

土壤含水量以變化顯著、測定簡便、直觀性強等優點通常作為作物水分虧缺的診斷指標，根據已測的土壤含水量動態變化過程進行數據處理分析，與土壤脅迫相對含水量閾值進行比較，進而判定該生育期是否處于水分脅迫狀態，具體比較如表2所示。

由表2可以看出，處理9在拔節期、大喇叭期、抽雄期均處于脅迫狀態，由于在大喇叭期和抽雄期玉米需水量較大，因此脅迫程度較拔節期嚴重。其他處理灌水量均小于處理9，說明在各生育期內均處于脅迫狀態，脅迫程度由于玉米生長狀況與灌水量的不同而存在差異。

表2 各生育期土壤水分狀況

注：+表示不脅迫，-表示脅迫。

2.2 玉米根長的基本生長規律

玉米根系由初生根、次生根和氣生根組成[15]，隨著玉米的生長，不同水分處理下玉米根系生長總體趨勢一致，在地面生物量增大的同時其根系逐漸向下扎深，水平方向逐步擴展，不同灌水量條件下玉米根長密度均隨著土層深度的增加呈減小趨勢，但是不同灌水量對根長生長的影響差異顯著。由圖1可知，在拔節期玉米根系生長迅速，為需水臨界期，在此生育期對玉米進行水分脅迫處理，則加速其根系向下生長，并且脅迫越嚴重，根系向下生長越快。在大喇叭期，如圖2所示，水分脅迫仍然對根系的向下扎深生長有一定的促進作用，與其他灌水量相比，處理1在20 cm土層根長密度最小(77.27 mm/cm3)，處理9最大(143.31 mm/cm3)，在40 cm土層，處理8的根長密度最小(16.11 mm/cm3)，處理1最大(24.89 mm/cm3)。在圖3中，總體趨勢與圖1、圖2一致，但是由于前期的水分脅迫抑制了玉米根系的生長，故處理1根系生長速率在繼續向下生長的同時其速率明顯減緩，在拔節期處理1的平均生長速率為2.576 cm/(cm2·d)，在抽雄期處理1的平均生長速率為1.196 cm/(cm2·d)。脅迫灌水處理使根系向較深的土層伸長，有利于吸收土壤中的水分和養分，導致深層土壤根系密度較大，進而緩解水分脅迫對玉米生長的影響。總之，在各個生育期，水分脅迫越嚴重，在0—20 cm土層根長密度越小，40 cm以下根長密度越大。反之，供水充足則表層根長密度較大，深層處較小。

由表3可以看出，不同水分脅迫對根系生長具有不同程度的影響，并且脅迫越嚴重根長密度在表層土壤越小，在深層越大。在拔節期不同處理玉米根系主要集中在0—40 cm，在各土層中各處理平均根長密度差異顯著(P<0.05)，這是因為在拔節期水分不足促進根系的向下生長，所以在表層處理1較處理9根長密度小，差異極為顯著(P<0.01)，在深層灌水量較多的處理9根長密度較小，而處理1較大，兩差異表現亦顯著。大喇叭期和抽雄期不同處理根長密度生長呈現出與拔節期大體一致，表3所呈現的規律與圖1基本一致。

圖1 不同時期根長密度垂直分布

mm/cm3

注：不同大小寫字母表示置信區間在1%和5%水平上的差異顯著程度。

2.3 不同水分處理下玉米根重密度分布規律

根重密度是指單位體積土壤上根干重所占的比例[16]，根重密度的變化趨勢與根長密度基本一致。在玉米拔節期，與其他水分處理相比較，處理1中較粗根系向下生長，在20 cm以上土層根干重僅占總根干重的67.9%，而處理9在20 cm則達到了90.2%(圖2A)。在玉米生長的過程中，隨著灌水量的增加，表層根重密度逐漸增大，在大喇叭期，處理1的根重密度為8.16×10-4g/cm3，處理7為23.58×10-4g/cm3，原因是灌水量的增加使較粗根系主要集中分布在上層土壤，然而處理8和處理9可能是因為灌水充分從而促進了玉米毛根的生長。在深層土壤中根重密度逐漸減小，處理1為1.83×10-4g/cm3，處理7為0.85×10-4g/cm3，其原因是水分脅迫導致根系向深層深扎吸取水分以補給水分虧缺(圖2B)。在玉米抽雄期，各層根重所占比例變化不大，處理1在20 cm土層以上根干重占總的根干重71.8%，處理9為95.3%，說明在后期灌水主要促進較細根系的伸長(圖2C)。總之，玉米在不同生育期，根重密度隨著土層深度的增加呈降低趨勢，降低幅度在0—40 cm處較大，在40 cm以下較小，這也是玉米對不同環境的一種適應能力。

由表4可以看出，不同處理各生育期根重密度與根長密度變化基本一致，各生育期不同處理各土層根重密度差異顯著，說明在表層水分脅迫越嚴重對玉米根重密度的增加具有抑制作用，且根系變小變密，在深層土壤水分脅迫對根重密度具有促進作用。

圖2 不同時期根重密度垂直分布

處理拔節期20cm40cm60cm大喇叭期20cm40cm60cm80cm抽雄期20cm40cm60cm80cm11.825Ii0.750Bb0.110Aa8.156Ii1.825Aa0.400Aa0.103Aa10.713Ii3.300Aa0.763Aa0.138Aa22.963Dd0.788Aa0.063Bb12.163Gg1.713Bb0.213Bb0.075Bb17.138Gg2.900Bb0.400Bb0.100Bb32.175Gg0.638Cc0.013Cc9.938Hh1.563Cc0.138Cc0.000Ee14.413Hh2.488Cc0.250Cc0.088Cc42.338Ff0.550Dd0.000Dd12.888Ff1.488Dd0.113Dd0.000Ee17.813Ff2.250Dd0.175Dd0.000Ff52.063Hh0.513Ee0.000Dd15.588Ee1.113Ee0.100Dd0.050Cc20.988Ee1.813Ee0.138Ee0.063Dd62.838Ee0.400Fg0.000Dd17.125Dd0.835Gg0.075Ff0.038Dd21.763Dd1.788Ff0.113Ff0.063Dd73.413Bb0.325Hi0.000Dd23.575Aa0.850Ff0.050Gg0.000Ee22.388Cc1.538Gg0.088Gg0.038Ee83.338Cc0.388Gh0.000Dd19.675Cc0.725Hh0.075Ff0.000Ee25.113Aa1.163Hh0.063Hh0.000Ff93.800Aa0.413Ff0.000Dd20.388Bb0.700Ii0.088Ee0.000Ee23.563Bb1.050Ii0.113Ff0.000Ff

注：不同大小寫字母表示置信區間在1%和5%水平上的差異顯著程度。

3 結論和討論

不同的灌水處理對玉米的生長發育有重要的影響，根系是土壤—植物—大氣連續體(SPAC)的關鍵部分[17-18]，也是研究水分傳輸和運動的主要內容，而根長和根重是研究根系的主要指標。有研究表明：玉米根系在大喇叭口期可以達到140 cm左右，而后隨著生育期的推進，最大根深可達160 cm，之后衰亡減低[19-20]。本研究發現，從拔節期到抽雄期最大根長僅在80 cm處，相比而言，最大根深明顯減小。可見，膜下滴灌這種局部供水方式對根長和根重產生極大的影響。水分脅迫能促進根系的生長發育，特別是在玉米早期(出苗期至拔節期)采用脅迫灌水，有利于玉米后期對水分和養分的有效利用，而在苗期玉米自身所需水分不是太多且抗旱性較強，因此脅迫灌水不會影響正常生長和后期生物量的積累。而且，因水分脅迫的輕重呈現差異，以至于根系分布規律在保持原有規律的基礎上表現出一些新的特征，試驗結果表明，不同生育期，不同水分處理條件下，根系會傾向于有利于自身生長的水分區域增長，而且受干旱脅迫越嚴重，根系直徑明顯有變細、變小，由此可知，植物為滿足自身生長需要，會對自身根系生長環境進行感知和做出適應性調整，這表明，水分是關聯作物生長的關鍵因子之一，不同的灌水處理，不僅能夠影響作物的生理指標，而且會改變作物的重要機制。

脅迫對玉米根系生長的影響是一個極其復雜的過程，并且脅迫程度不同對玉米根系生長的程度和效果也不盡相同，雖然根系隨土層的增加逐漸減少，但水分脅迫可以促使根系向深層土壤生長，這也是玉米為滿足自身生長需要，對根系生長過程的一種調整，也是其對外界環境表現出的一種適應性，但過度和長期的水分脅迫不利于根系的生長發育，容易使根系變得纖細、生命力不強。在玉米生長過程中，水分脅迫會抑制根系后期的生長，加速根系的衰退，并且脅迫越嚴重這種抑制作用就越強。但作物的生長是一個復雜的大系統，除受水分的影響之外，還會受鹽分和其他因素的影響，作物的最終長勢是各項因子綜合作用的結果，影響程度如何，怎樣影響的,需進一步深入研究。

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EffectofDifferentDripIrrigationScheduleunderMulchonRootDistributionofMaize

XU Bao-shan1, JIA Sheng-hai1, LUO Tian-feng2, JIN Jian-xin1

(1.SchoolofEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.GansuResearchInstituteforWaterConservancy,Lanzhou730000,China)

Distribution of maize roots is affected by many factors which have the greatest impact on soil moisture and growth stage. This paper analyzed the conditions under different irrigation schedules and different growth stages, the relationship of soil depth with the root length density and root weight density, studied the drip irrigation maize roots for different irrigation schedules the root distribution of all growth stages. Root length density and root weight density of representative maize was calculated by using the data measured in field trials. The results showed that the root length presented an increasing trend in the surface soil with the water stress reduction, it was contrary in the deep soil layer, and the maximum roots depth was 80 cm, at the big horn stage, root length density of treatment 1 appeared minimum at 20 cm soil layer (77.27 mm/cm3), treatment 9 appeared maximum (143.31 mm/cm3) in 40 cm soil depth, root length density of treatment 8 was minimum (16.11 mm/cm3), treatment 1 is maximum (24.89 mm/cm3). Root weight density is consistent with the pattern of the root length density, water stress can promote root to stretch to depths, at the jointing stage, proportion of root dry weight to total root dry weight of treatment 1 in 0—20 cm soil layer is only 67.9%, 90.2% for the treatment 9 in 0—20 cm soil layer, with the growth period progresses, the root weight density rose with the increase the irrigation volume in the surface, at the big horn stage, root weight density of treatment 1 is 8.16×10-4g/cm3, treatment 7 is 2.358×10-3g/cm3. Water stress makes roots grow in deep soil to absorb water for compensating the deficience, but roots will become fine and smaller, showing that the roots will make their adaptability to environmental adjustment under water stress and balance the important mechanisms.

drip irrigation; corn roots; distribution; soil moisture

2013-10-22

：2013-12-23

國家自然科學基金“滴灌條件下土壤—玉米—大氣系統水分傳輸機制與模擬”(51169001)

徐寶山(1986—),男，甘肅武威人,在讀碩士,研究方向:節水灌溉。E-mail:13609313759@139.com

賈生海(1963—),男，甘肅武威人,教授,碩士生導師,主要從事農業水土工程的教學與研究工作。E-mail:jiash@gsau.edu.cn

S513;S275.6

：A

：1005-3409(2014)05-0272-05