深層灌水下冬小麥根系分布及吸水能力的研究

王 璞，孫西歡,2，馬娟娟，郭向紅

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.晉中學院，山西 晉中 030619)

我國北方地區缺水嚴重，冬小麥作為北方重要的糧食作物，全生育期內降水少，已成為制約小麥高產的關鍵因素[1]。灌水是冬小麥獲得生長水分的重要方式，北方水資源匱乏，灌溉成本高，水分利用率低[2,3]，因此需通過提高灌水利用效率的方式實現節水灌溉。近些年關于冬小麥的節水灌溉制度主要集中于灌水定額[4]、灌水次數[5]和灌水時期方面的研究[6]，而對于結合各層土壤含水量的深層灌溉方式研究尚少。

灌水總量不變條件下，結合根系生長深度，進行深層灌水，能夠促使冬小麥根系深扎，增加整體根量，促進冬小麥干物質量的積累，增加產量，提高冬小麥的收獲指數。目前狄楠研究了深層灌水對冬小麥根系生長的影響[7]，黃潔研究了深層灌水對冬小麥水分利用效率的影響[8]，但沒有深入研究該灌水方式下冬小麥的吸水能力。根系吸水能力的研究對調節冬小麥灌溉制度，為農業節水增產實踐提供有效的理論指導具有重要意義[9]。而作物對各土層水分的利用狀況取決于土層中根系分布量、根系吸水速率及有效含水量。無論土壤水分是否充足,根系在作物吸水過程中都起著非常重要的作用，通常將根系吸水表征為根系分布的函數[10,11]。本文主要通過研究相同供水量情況下深層灌水條件下冬小麥的根系分布特征，并利用冬小麥的根系分布函數及蒸騰強度，計算不同灌水深度下冬小麥的根系吸水系數，來研究該灌水方式下的冬小麥根系吸水能力。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年10月-2017年6月在山西水利職業技術學院實訓基地(34°48′27″N, 110°41′23″E,海拔約370 m)進行。該基地位于山西省運城市，多年平均日照時數2 247.4 h，年平均氣溫13.6 ℃。試驗區土壤屬于中壤土，地下水埋深大于6 m。播種前在耕層施入底肥，后測得耕層土壤有機質含量為20.20 g/kg，全氮含量為1.150 g/kg，有效鉀含量為206.5 mg/kg，有效磷含量為45.79 mg/kg。0～300 cm土壤物理參數見表1。

表1 土壤物理參數

1.2 試驗設計

本實驗主要研究不同灌水深度處理下冬小麥的根系分布及吸水能力，為達到深層灌水條件，試驗采用塑料管土柱法，將冬小麥種于外徑20 cm，長300 cm的土柱內，共設5個處理(見表2)，每個處理設置3個重復組。試驗品種為國審麥良星99，于2016年10月12日播種，三葉期每根土柱定苗12棵，密度等同大田，試驗全過程做遮雨處理，其他管理措施同當地大田管理。部分土柱設置含水率管，監測土壤水分(見圖1)。

表2 試驗處理

圖1 試驗土柱布設圖(單位：mm)注：在田間選取2.5 m×22 m土地進行土柱試驗，各土柱間隔0.8 m，共83根土柱，其中66根(圖1用空心圈表示)用于試驗處理，剩余17根土柱(圖1用實心圈表示)為與往年的對照試驗。

灌水量按照當地大田管理確定，共進行5次灌水：越冬-返青水、返青-拔節水，拔節-抽穗水，抽穗-灌漿水，灌漿-成熟水。其中越冬-返青水均按地表灌溉處理，其余按灌水深度根據表2來計算。根據大田管理換算得，每根土柱的單次灌水量為1 833 mL(不含含水率測管)，1 723 mL(含含水率測管)。將設計灌水深度土層分層，用下式計算每個土層所需水量：

M=10ρbH(θi-θ)

(1)

式中：M為灌水量，mm；H為土壤計劃濕潤層深度，cm；ρb為計劃濕潤層的土壤容重，g/cm3；θi為目標含水量(濕潤層土壤田持的85%)；θ為灌溉前土壤含水量，%。

在土柱壁上打孔，用點滴管向每個土層加入所需水量，最后將剩余水量從地表灌入。

1.3 測定指標與方法

(1)根長密度：取出土柱，縱向分開 PVC 管，測量平均最大根深，然后每隔10 cm橫向切開土柱，放在篩子里沖洗至所有根上均無泥土后，用鑷子挑出洗凈的根，用EPSON Perfection 4870 Scanner根系掃描儀進行掃描，再用WinRHIZO Pro(Version 2004a)根系分析程序對所得圖像進行分析獲得根系數據。

(2)土壤含水率：土壤含水率采用TRIME-PICO IPH儀器定期測定，從地面到土柱底端每20 cm一測，每周測一次，灌水或降雨后加測。

(3)葉面積指數：在冬小麥的各個生育期每個土柱隨機選取四片葉片，用毫米刻度尺測量葉片的葉長(Li，i=1,2,3,4)和葉寬(Wi，i=1,2,3,4)，數出每根土柱的葉片總數N，用下式計算葉面積指數：

(2)

式中：LAI為葉面積指數；Li為葉長，mm；Wi為葉寬，mm；S為試驗筒底面積，mm2。

(4)蒸騰強度：先用水量平衡法測定冬小麥的總蒸發蒸騰量。

ETc=ΔW+I+G+P-D

(3)

式中：ETc為作物各生育階段的蒸發蒸騰量，mm；ΔW為時段內土壤儲水量的變化，mm；I為時段內的灌水量，mm；G為時段內的地下水補給量，mm；P為時段內有效降雨量，mm；D為時段內深層滲漏量，mm。

因本實驗為土柱試驗，土柱底部進行了封底，又增加了遮雨棚進行遮雨處理，因此上式中G、P、D均為0，上式可簡化為：

ETc=ΔW+I

(4)

(5)

式中：θz為深度為z處的土壤含水率；θz0為深度為z處的土壤初始含水率。

蒸騰強度Ta參照康紹忠等[12](1994年)提出的葉面蒸騰和總蒸發蒸騰之間的關系計算，見下式：

(6)

式中：Ta為蒸騰強度，cm/d；LAI為葉面積指數；K=0.397 3；A=1.036 4；t為7∶00-19∶00。

1.4 根系吸水能力計算

假定所有根系的吸水性能均勻一致，根系吸水速率與根長密度呈線性正比[13]，有：

S=Crpα(θ)Ld

(7)

(8)

式中：S為根系吸水速率，cm3/(cm3·d)；Crp為單位根長潛在根系吸水系數，cm3/(cm·d)，表示單位根長在單位時間內所吸收水分的體積，在根系層內為一常數；Ld為根長密度，cm/cm3；α(θ)為土壤水分脅迫修正因子；θ為土壤含水量；θF為田間持水量；θwp為凋萎含水量。

將式(7)在整個根系層積分，則有：

(9)

式中：Ta為實際蒸騰強度，cm/d，亦為單位面積冬小麥的總吸水速率；z為垂直坐標，cm，以地面為基準面，向下為正；Lr為最大扎根深度，cm。

由式(9)推得冬小麥的單位根長潛在根系吸水系數Crp計算式如下：

(10)

采用式(10)計算出Crp，比較不同處理下的系數Crp。

2 結果與分析

2.1 不同灌水深度處理下冬小麥的根系分布規律

2.1.1 不同深度灌水處理下冬小麥的根長密度變化

根長密度是研究冬小麥根系在土層分布的重要指標。圖2為不同時期冬小麥的根長密度分布圖，由圖2可見，在冬小麥的整個生育期，根長密度隨土層深度的變化趨勢基本一致，即越接近表層土壤，根系分布越多，根長密度越大，隨著土層的深入，根長密度呈波動遞減趨勢。

冬小麥的生育期內不同灌水深度下各處理的根長密度也有很大差異。拔節期后地表0～30 cm土層冬小麥的根長密度隨灌水深度的增大而減小，在灌漿期各處理間的差異性最大，T1到T5分別為13.477 8、11.190 9、10.441 3、9.529 8、7.804 2cm/cm3，占T1到T5各處理總根長的64.36%、61.22%、57.43%、54.26%、52.75%；30～50 cm土層根系的根長密度隨灌水深度的變化，各處理間差異性減小，且出現了拐點，即部分處理下冬小麥的根長密度在30～50 cm土層出現增大現象，主要是由于深層灌水增加了下層土壤的含水量，下層較高的含水量促進了根系生長，因此隨灌水深度的增加，30～50 cm土層冬小麥根長密度的增加程度越大；50 cm以下土層根系的根長密度大致表現為T5>T4>T3>T2>T1；100 cm以下土層冬小麥的根長密度占比隨灌水深度的增加而增大，且在抽穗期各處理間差異達到最大，灌漿期T1到T5處理100 cm以下土層根長密度占比分別為19.86%、27.87%、32.95%、39.60%、40.42%，灌水深度為根系分布深度的90%處理下根長密度占比最大。

圖2 不同時期冬小麥的根長密度分布圖

2.1.2 不同深度灌水處理下冬小麥的根長密度分布函數

對各處理下冬小麥的分布進行函數擬合，由圖2可以看出各處理冬小麥各生育期的根長密度隨土層深度的變化大致呈指數分布，為深入研究冬小麥根系隨土壤深度及時間的分布規律，本文建立冬小麥根長密度的時空分布函數，見式(11)。

Ld(z,t)=ae(-b|z-c|)e(-d|t-f|)

(11)

式中：Ld(z,t)為根長密度；z為土層深度；t為時間，d；a為各生育期冬小麥根長密度的最大值；b為各生育期冬小麥根長密度隨土層深度的遞減速率；c為各生育期冬小麥最大根長密度所對應的土層深度；d為冬小麥根長密度隨時間的遞減速率；f為冬小麥根長密度達最大值時所對應的時間，d。

表3為根長密度分布函數各參數值表。由表3可見a值隨灌水深度的增加不斷減小，即各生育期根長密度的最大值減小；b值隨灌水深度的增加不斷減小，說明冬小麥根長密度隨土層深度的遞減速率隨灌水深度的增加不斷減小，深層灌水能顯著降低冬小麥根長密度隨土層深度的遞減速率，且灌水深度越大，遞減速率越小；d值為冬小麥根長密度隨時間的遞減速率，隨灌水深度的增加d值出現先增大后減小的變化規律，灌水深度為根系分布深度的75%時遞減速率最大；f值除T2外，均較地面灌溉有所增大，且隨灌水深度的增加增大幅度越大，灌水深度為根系分布深度的90%時f值最大，可見灌水深度大于根系分布深度的40%時可以推遲冬小麥達到最大根長密度的時間。

表3 各處理對應的參數值

2.2 不同深度灌水處理下冬小麥的平均蒸騰強度分析

通過式(4)計算冬小麥的日蒸發量，各時期取平均值，得到冬小麥各生育期平均蒸騰強度，由于根系從土壤吸得的水分絕大部分用于蒸騰，亦可將蒸發蒸騰強度看作冬小麥的根系吸水速率，見圖3。由圖3可見冬小麥的蒸騰強度在生育期內總體呈現先增大后減小的趨勢，蒸騰強度在抽穗期達到最大，各時期不同處理下冬小麥的蒸騰強度又表現出一定的差異性。拔節期冬小麥的蒸騰量隨灌水深度的增加而增大，灌水深度為根系分布深度的90%時蒸騰強度最大；抽穗期各處理冬小麥的蒸騰強度均達到生育期內的最大值，分別為0.723 8、0.774 1、0.788 6、0.806 5、0.779 7 cm/d，蒸騰強度隨灌水深度的增加出現先增大后減小的趨勢，灌水深度為根系分布深度的75%時蒸騰強度最大，即該處理下冬小麥的吸水速率最大，與該時期各處理根長密度的變化規律一致；灌漿期，各處理冬小麥的蒸騰強度較抽穗期均有所下降，是因為灌漿期冬小麥的部分葉片開始變黃，葉片的蒸騰速率降低，隨灌水深度的增加，冬小麥的蒸騰強度變化規律與抽穗期一致，即T4>T5>T3>T2>T1；成熟期，各處理冬小麥的蒸騰強度顯著降低，且各處理間差異變小，是由于成熟期冬小麥的葉片開始迅速萎蔫變黃，而葉片是植物進行蒸騰作用的主要部位，葉片的萎蔫變黃導致了葉片蒸騰速率顯著降低，各處理間差異減小。

圖3 冬小麥各生育期平均蒸騰強度

2.3 不同灌水深度下冬小麥的根系吸水系數分析

運用式(10)計算各處理冬小麥的Crp值，由于冬小麥收獲前葉片大部分枯黃萎蔫，蒸騰速率不再與根長密度呈線性關系，因此采用冬小麥返青期至灌漿期的數據計算Crp值，結果見圖4。

圖4 不同處理Crp比較圖

圖4為不同處理下Crp的比較圖，由圖4可見，從返青期到灌漿期，各處理冬小麥的吸水系數均出現先增大后減小的變化趨勢，在抽穗期出現最大值。各處理不同時期冬小麥的吸水系數也表現出一定的差異性，返青期和拔節期各處理的Crp值差異相對較小；抽穗期各處理冬小麥的吸水系數為全生育期的最大值，分別為0.003 24、0.003 43、0.003 27、0.002 99、0.002 91，表明該時期各處理單位根長的吸水速率均達到生育期內的最大值，隨灌水深度的增加Crp值先增大后減小，是因為抽穗期時冬小麥各處理間根長密度隨灌水深度的增加出現先增大后減小的趨勢，各處理間蒸騰差異較小，T4、T5因根長密度較大，單位根長潛在吸水系數相對較小，T1、T2、T3因根長密度相對較小，單位根長潛在吸水系數相對較大；灌漿期冬小麥的吸水系數表現為T1>T2>T3>T4>T5，是因為該時期各處理冬小麥的根長密度表現為隨灌水深度的增加先增大后減小，各處理間差異顯著，且由于灌水深度的增加，促進了冬小麥的根系下扎，使深層根系的比例大幅增加，加之深層土層含水量較大，α(h)值較大，α(h)與Ld的乘積在整個根系生長層的積分值隨灌水深度的增加而增大，而灌漿期各處理蒸騰差異相對較小，因此Crp值隨灌水深度的增加而減小。

3 結 語

本文利用田間試驗，研究了不同灌水深度下冬小麥的根系分布規律及吸水能力，得出以下結論。

(1)各處理冬小麥各生育期的根長密度隨土層深度的變化大致呈指數分布，深層灌水能夠誘導根系下扎，各處理100 cm以下土層根長密度占比在灌漿期達到最大，該時期根長密度占比隨灌水深度的增加而增大，灌水深度為根系分布深度的90%時占比最大。

(2)冬小麥的蒸騰強度在生育期內表現為先增大后減小，拔節期以后蒸騰量隨灌水深度的增加出現先增大后減小的趨勢，灌水深度為根系分布深度的75%時蒸騰強度最大，即總根系吸水速率最大。

(3)深層灌水增加了冬小麥根系的蒸騰強度(總吸水速率)，但由于根長密度也隨灌水深度的增加而顯著增加，抽穗期后冬小麥的根系吸水系數Crp隨灌水深度的增加大致呈現減小趨勢，灌水深度為根系分布深度的90%時Crp值最小。