耕作對旱地小麥根系生長及土壤水分利用的影響

張慧芋，孫 敏，高志強，梁艷妃，李念念，張 娟，楊清山

耕作對旱地小麥根系生長及土壤水分利用的影響

張慧芋，孫 敏，高志強，梁艷妃，李念念，張 娟，楊清山

（山西農業大學農學院，山西太谷030801）

在運城市聞喜小麥試驗基地于前茬小麥收獲后15 d進行休閑期深松、深翻、免耕，探索旱地小麥土壤蓄水量、根系特性、產量及其構成因素對耕作的響應，研究夏閑期耕作對旱地小麥土壤水分蓄積、根系生長及產量形成的影響，明確最佳夏閑期耕作技術。結果表明，休閑期耕作顯著增加旱地小麥播種前0～100 cm土壤蓄水量，達18～36 mm，且其蓄水效果可延續至孕穗期；顯著增加旱地小麥各生育時期0～80 cm根長、根表面積、根體積以及根尖數，且深松效果較深翻好；顯著提高旱地小麥各生育時期根系活力，尤其越冬—孕穗期；顯著提高旱地小麥水分利用效率5.6%～15.2%；最終，提高穗數達6.2%～18.6%，提高產量達10.9%～26.2%，且以深松效果更佳。休閑期耕作可促進旱地麥田土壤蓄積休閑期降水，促進小麥根系下扎，提高其根系活力，從而提高產量。

旱地小麥；夏閑期耕作；土壤水分；根系特性；產量

山西省地處黃土高原東塬，年降水季節分布不均，年降雨量約2/3集中在旱作麥田休閑期（7—9月），正好相悖于其生長需水期，小麥產量低而不穩。因此，通過最大限度地蓄積休閑期降雨，減少土壤水分的無效蒸發，是提高旱地小麥生產力的關鍵所在。休閑期耕作可改善麥田土壤結構，增加土壤蓄水能力，有利于小麥產量、水分利用效率的提高[1-3]。LAMPURLANES等[4]研究表明，休閑期免耕土壤團聚體含量提高，淺層土壤蓄納水養分的能力提高。WANG等[5]研究表明，休閑期深翻有利于改善土壤結構，提高土壤滲水速度，擴大庫容，以最大限度地蓄納雨水，促進小麥生長。黨建友等[6]研究表明，休閑期深松后，土壤犁底層被打破，耕層加厚，促進小麥根系下扎以吸收深層土壤水分與養分，產量提高。王紅光等[7]研究表明，深松較免耕提高了小麥穗粒數和千粒質量，但并無顯著差異。李友軍等[8]在豫西旱作麥區的研究結果表明，深松較深翻提高產量、水分利用效率分別達28%，0.8%，免耕較深翻提高產量、水分利用效率分別達22%，5.2%。魏歡歡等[9]研究表明，在黃土高原自然降水為500～600 mm試驗年度，深松耕較免耕分別提高旱地小麥產量和水分利用效率14.5%，12.2%。前人研究主要是通過耕作影響土壤水分進而影響小麥產量，而如何利用耕作來改善土壤理化特性，提高小麥根系對土壤深層水分與養分的吸收貯備能力，進而促進其高效生產仍有待深入探索。

本研究在夏閑期采用不同的耕作技術，研究其對旱作小麥土壤蓄水效果、根系特性及產量的影響，旨在為黃土高原旱作麥區實現穩產高產提供最佳耕作技術。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為運旱20410。

1.2 試驗地概況

試驗在運城市聞喜縣桐城鎮邱家嶺小麥試驗基地展開，于2011年6月至2012年7月實施。該試驗地地處黃土高原南部，屬于典型的半干旱氣候。試驗地概況如表1所示。2011—2012年度降雨量為 661.89 mm（圖 1）。

表1 邱家嶺試驗地概況

1.3 試驗設計

試驗采取完全隨機設計，在2011年6月上旬小麥收獲后，7月上中旬將其秸稈粉碎還田，并按1 500 kg/hm2深施有機肥，分別進行夏閑期深松（30 cm＜耕層＜40 cm，SS）、夏閑期深翻（25 cm＜耕層＜30 cm，DT）、夏閑期免耕（不利用任何耕作機械整地，NT），3個處理均設3次重復，且每個處理的3次重復面積共有90 m2（30 m×3 m）。8月下旬耙耱整地，以減少水分的蒸發，基施純N（尿素，含氮量46%），P2O5（過磷酸鈣，含磷量16%），K2O（氯化鉀，含量62%）各150 kg/hm2，其他操作同常規管理。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤蓄水量 分別于播種前、越冬期、拔節期、孕穗期、開花期、成熟期6個時期，用洛陽鏟取0～1 m土樣，每隔20 cm為1個土層，將取回的土樣分別稱濕質量，然后在105℃電熱鼓風干燥箱中烘干至恒質量并稱量。

1.4.2 根系特性 分別于返青期、拔節期、孕穗期、開花期、成熟期5個時期，用CI-600根系掃描觀測儀記錄0～80 cm（以20 cm為1個單位）小麥根系的動態，并獲取相應圖片。將掃描出的根系圖以BMP格式存儲，用WinRHIZO根系分析軟件對根系參數進行解析。

1.4.3 根系活力 分別于越冬期、返青期、拔節期、孕穗期、開花期、成熟期6個時期取樣，以0～20 cm耕層根系作為根系活力的測定目標。

1.4.4 產量及其構成因素 于成熟期測定單位面積的穗數、每穗平均粒數和千粒質量，并以16 m2為單位測定其實際產量。

1.5 計算方法及統計分析

詳細計算方法參照侯賢清等[10]的方法進行。

采用Microsoft Excel 2010，SAS9.0軟件處理數據并進行統計分析，用LSD法進行α＝0.05的差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 播種前及各生育時期0～1 m土壤蓄水量對夏閑期不同耕作方式的響應

夏閑期耕作顯著提高旱地小麥播種前0～1 m土壤蓄水量，深松、深翻分別較免耕提高36，18 mm。隨生育進程推進，1m內土壤蓄水量逐漸降低（圖2）。越冬—成熟期土壤蓄水量均以深松最高，深翻次之。越冬—開花期各處理間差異均顯著，而成熟期深松與深翻處理間差異不顯著，且均顯著低于免耕處理。

2.2 根系特性對夏閑期不同耕作方式的響應

2.2.1 0～80 cm各土層根長 夏閑期耕作顯著增加旱地小麥各生育時期0～80 cm根長，深松、深翻分別較免耕增加22%，13%（表2）。隨土層深度下移，根長表現為遞減。隨生育進程的推進，0～80 cm各土層根長逐漸減少。0～80 cm各土層根長均以深松最高，深翻次之，免耕最低，且0～20 cm土層返青期、拔節期、孕穗期和成熟期的深松與免耕間差異均顯著；20～40 cm土層返青至開花期深松與免耕間差異均顯著；40～60 cm土層返青至孕穗期深松、深翻與免耕間差異均顯著，開花期各處理間差異均顯著；60～80 cm土層返青至孕穗期和成熟期深松與免耕間差異均顯著，開花期各處理間差異均顯著。

表2 夏閑期耕作對各生育時期0～80 cm各土層根長的影響 cm

2.2.2 0～80 cm各土層根表面積 夏閑期耕作顯著提高旱地小麥各生育時期0～80 cm根表面積，深松、深翻分別較免耕提高24%～43%，14%～30%（表3）。隨土層深度下移，根表面積表現為遞減。隨生育進程推進，0～80 cm各土層根表面積表現為逐漸減少。0～80 cm各土層根表面積均以深松最高，深翻次之，免耕最低，且0～20 cm土層返青期、開花期、成熟期各處理間差異均顯著，拔節—孕穗期深松較免耕差異均顯著；20～40 cm土層拔節期、孕穗期、成熟期各處理間差異均顯著，返青期深松、深翻與免耕差異均顯著，開花期深松與免耕間差異顯著；40～60 cm土層返青期、拔節期、開花期和成熟期各處理間差異均顯著，孕穗期深松、深翻與免耕間差異均顯著；60～80 cm土層返青期、拔節期、開花期各處理間差異均顯著，孕穗期和成熟期深松與免耕間差異均顯著。

2.2.3 0～80 cm各土層根體積 夏閑期耕作顯著提高旱地小麥各生育時期0～80 cm根體積，且深松較深翻高（表4）。隨土層深度下移，根體積表現為遞減。隨生育進程推進，0～80 cm各土層根體積表現為逐漸減少。0～80 cm各土層根體積均以深松最高，深翻次之，免耕最低，且0～20 cm土層拔節期差異顯著，返青期、孕穗期、開花期和成熟期深松與其他2個處理間差異均顯著；20～40 cm土層返青期、拔節期、孕穗期、成熟期各處理間差異均顯著；40～60 cm土層返青期、拔節期深松與免耕間差異均顯著，孕穗—開花期深松與其他2個處理間差異均顯著；60～80 cm土層成熟期深松與免耕間差異顯著，返青—孕穗期深松與其他2個處理間差異均顯著。

表3 休閑期耕作對各生育時期0～80 cm各土層根表面積的影響 cm2

表4 休閑期耕作對旱地小麥各生育時期0～80 cm各土層根體積的影響 cm3

2.2.4 0～80 cm各土層根尖數 夏閑期耕作顯著提高旱地小麥各生育時期0～80 cm根尖數，且深松較深翻高（表5）。

表5 休閑期耕作對旱地小麥各生育時期0～80 cm各土層根尖數的影響 個

由表5可知，隨土層深度下移，根尖數表現為遞 減。隨生育進程推進，0～80 cm各土層根尖數表現為逐漸減少。0～80 cm各土層根尖數均以深松最高，深翻次之，免耕最低，且0～20 cm土層返青期各處理間差異顯著，拔節期、孕穗期、開花期和成熟期深松與免耕間差異均顯著；20～40 cm土層孕穗期各處理間差異均顯著，返青期、拔節期、開花期深松與免耕間差異均顯著，成熟期深松與其他2個處理間差異均顯著；40～60 cm土層返青期、拔節期、孕穗期、開花期深松與免耕間差異均顯著，成熟期深松與其他2個處理間差異均顯著；60～80 cm土層孕穗期各處理間差異均顯著，拔節期深松與免耕間差異顯著。

2.3 根系活力對夏閑期不同耕作方式的響應

隨生育進程的推進，根系活力表現為先升后降的變化趨勢，且拔節期達最大值（圖3）。休閑期耕作顯著提高了各生育時期的根系活力，且深松較深翻高，越冬—成熟期各處理間差異均顯著。

2.4 產量及其構成因素對夏閑期不同耕作方式的響應

表6 夏閑期耕作對旱地小麥產量及其構成因素的影響

休閑期耕作提高了穗數、穗粒數、千粒質量和產量，且穗數和產量各耕作之間差異顯著，深松、深翻較免耕分別提高穗數18.6%，6.2%，提高產量26.2%，10.9%；穗粒數提高差異不顯著，千粒質量深松、深翻與免耕間差異均顯著，且深松較深翻效果好（表6）。休閑期耕作顯著提高了水分利用效率，且各處理間差異顯著，深松、深翻較免耕分別提高15.2%，5.6%。

3 討論與結論

毛紅玲等[11]研究表明，夏閑期深松可提高旱地麥田0～3m土壤含水量。陳夢楠等[12]研究表明，夏閑期深翻和深松分別提高播前土壤蓄水量54，79 mm。孫敏等[13-14]研究表明，休閑期耕作可提高播前土壤蓄水量，在豐水年，深翻和深松分別較免耕提高播前土壤蓄水量8.95%，12.25%。本試驗研究結果表明，休閑期耕作有利于蓄納夏閑期降水，提高旱地小麥播前土壤水分含量，較免耕提高達18～36 mm（9.6%～15%），且其蓄水保墑效果可延續至孕穗期。與前人研究結果相比，播前土壤蓄水量增加幅度較低，可能與2011—2012年度休閑期降雨量較多有關，這與孫敏等[13，15]的研究結果一致。

劉鵬等[16]研究結果表明，作物的根長、根表面積和根體積對土壤中氮素利用效率的提高起著決定性作用。耕作是影響根系生長的重要土壤管理措施[17]。楊林豐等[18]研究表明，耕作可以促進根系下扎，增大根在土壤中的分布面，從而增加根數量、根體積。梁金鳳等[19]研究表明，深松可以提高玉米的根重密度和根長密度。王新兵等[20]、齊華等[21]研究表明，深松可改善玉米群體的根系空間分布結構，提高其根干質量、深層根系量、根表面積和根系體積。溫斐斐等[22]研究表明，旱地小麥休閑期深翻可提高越冬期幼苗初生根數、次生根數及根系活力。本試驗研究結果表明，通過休閑期耕作，旱地小麥返青—成熟期0～80 cm各土層根長、根表面積、根體積和根尖數均顯著提高，且以深松效果更佳。這可能是由于2011—2012年度降水充足，休閑期耕作可有效改善土壤緊實結構，增加自然降雨的滲透，使小麥根系生長良好，與楊林豐等[18]的研究結果一致。本試驗結果還表明，休閑期耕作提高了旱地小麥整個生育時期的根系活力，其中，生育期前中期與土壤蓄水量變化趨勢一致。

趙紅梅等[23]研究表明，旱地小麥休閑期深翻可有效蓄保休閑期降水，并有效提高水分利用效率，最終通過穗數和穗粒數來提高產量。侯賢清等[24]、王維等[25]在寧南旱區的研究表明，在7月上旬前茬小麥收獲后進行夏閑期深松和深耕，可分別提高旱地小麥穗數2.2%～4.6%，提高產量24%～35%，提高水分利用效率28.3%～33%，且以深耕效果更佳。本試驗研究結果表明，在2011—2012年度降雨形勢下，休閑期耕作可提高穗數6.2%～18.6%，提高產量10.9%～26.2%，提高水分利用效率5.6%～15.2%，且以深松效果更佳。本試驗研究結果與侯賢清等[24]的研究結果不一致，這與試驗地氣候、降水年型、耕作機械及方式有很大關系[26]。

［1］趙亞麗，薛志偉，郭海斌，等.耕作方式與秸稈還田對冬小麥-夏玉米耗水特性和水分利用效率的影響 [J].中國農業科學，2014，47（17）：3359-3371.

［2］賀立恒，高志強，孫敏，等.旱地小麥休閑期不同耕作措施對土壤水分蓄納利用與產量形成的影響[J].中國農學通報，2012，28（15）：106-111.

［3］侯賢清，李榮，韓清芳，等.夏閑期不同耕作模式對土壤蓄水保墑效果及作物水分利用效率的影響[J].農業工程學報，2012，28（3）：94-100.

［4］LAMPURLANESJ，CANTERO-MARTINEZ C.Hydraulic conductivity，residuecover and soil surfaceroughnessunder different tillage systems in semiarid conditions[J].Soil and Tillage Research，2006，85：13-26.

［5］WANG X B，CAI D X，HOOGMOED W B，et al.Developments in conservation tillage in rainfed regions of north China[J].Soil and Tillage Research，2007，93：239-250.

［6］黨建友，裴雪霞，張定一，等.休閑期深翻時間對旱地麥田土壤水分特性和小麥產量的影響 [J].應用生態學報，2016，27（9）：2975-2982.

［7］王紅光，于振文，張永麗，等.耕作方式對旱地小麥耗水特性和干物質積累的影響[J].作物學報，2012，38（4）：675-682.

［8］李友軍，黃明，吳金芝，等.不同耕作方式對豫西旱區坡耕地水肥利用與流失的影響 [J].水土保持學報，2006，20（2）：42-45，101.

［9］魏歡歡，王仕穩，楊文稼，等.免耕及深松耕對黃土高原地區春玉米和冬小麥產量及水分利用效率影響的整合分析[J].中國農業科學，2017，50（3）：461-477.

［10］侯賢清，王維，韓清芳，等.夏閑期輪耕對小麥田土壤水分及產量的影響[J].應用生態學報，2011，22（10）：2524-2532.

［11］毛紅玲，李軍，賈志寬，等.旱作麥田保護性耕作蓄水保墑和增產增收效應[J].農業工程學報，2010，26（8）：44-51.

［12］陳夢楠，高志強，孫敏，等.休閑期不同耕作模式對旱地麥田土壤水分、養分及產量的影響 [J].麥類作物學報，2017，37（5）：680-686.

［13］孫敏，白冬，高志強，等.休閑期耕作對旱地麥田土壤水分與小麥植株氮素吸收、利用的影響[J].水土保持學報，2014，28（1）：203-208.

［14］孫敏，溫斐斐，高志強，等.不同降水年型旱地小麥休閑期耕作的蓄水增產效應[J].作物學報，2014，40（8）：1459-1469.

［15］趙紅梅，楊艷君，李洪燕，等.不同保墑耕作與播種方式對旱地小麥農藝性狀及產量的影響 [J].灌溉排水學報，2016，35（5）：74-78.

［16］劉鵬，焦曉燕，丁玉川，等.作物氮素高效利用研究進展[J].山西農業科學，2017，45（5）：855-860.

［17］申建波，張福鎖，毛達如.底土脅迫效應與植物根系的適應性[J].中國生態農業學報，2001，9（2）：60-63.

［18］楊林豐，鐘南.根系生長與土壤物理性狀之間的關系[J].農機化研究，2007（8）：22-34.

［19］梁金鳳，齊慶振，賈小紅，等.不同耕作方式對土壤性質與玉米生長的影響研究[J].生態環境學報，2010，19（4）：945-950.

［20］王新兵，侯海鵬，周寶元，等.條帶深松對不同密度玉米群體根系空間分布的調節效應 [J].作物學報，2014，40（12）：2136-2148.

［21］齊華，劉明，張衛建，等.深松方式對土壤物理性狀及玉米根系分布的影響[J].華北農學報，2012，27（4）：191-196.

［22］溫斐斐，孫敏，任愛霞，等.旱地小麥休閑期深翻覆蓋對幼苗生長特性的影響及施氮量的調控效應 [J].山西農業科學，2012，40（9）：950-953，972.

［23］趙紅梅，楊艷君，李洪燕，等.旱地麥田休閑期深翻下全年覆膜技術對土壤水分、小麥產量及品質的影響[J].山西農業科學，2017，45（4）：561-566.

［24］侯賢清，韓清芳，賈志寬，等.半干旱區夏閑期不同耕作方式對土壤水分及小麥水分利用效率的影響[J].干旱地區農業研究，2009，27（5）：52-58.

［25］王維，韓清芳，呂麗霞，等.不同耕作模式對旱地小麥旗葉光合特性及產量的影響 [J].干旱地區農業研究，2013，31（1）：20-26.

［26］溫斐斐，孫敏，鄧聯峰，等.旱地小麥休閑期深翻覆蓋對土壤水分及其利用效率的影響[J].中國生態農業學報，2013，21（11）：1358-1364.

Effects of Tillage on Root Growth and Soil Water Use of Dry-land Wheat

ZHANGHuiyu，SUNMin，GAOZhiqiang，LIANGYanfei，LINiannian，ZHANGJuan，YANGQingshan
（Collegeof Agronomy，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

The field experiment was conducted at Wenxi county,Shanxi province after 15 days of pre-cropping wheat harvest,under the conditions of subsoiling（SS）,dip tillage（DT）,no tillage（NT）,to study the effects of different tillagemethods on soil water,root characteristics and yield,and clear the best technology of tillage in fallow period.The result showed that after tillage during fallow period,the soil water storage in 0-1 m soil layer at sowing stage improved significantly,which was 18-36 mm,and the effect of water retention could be extended to the booting stage.After tillage during fallow period,root length,surface area,volume,and tips at different growth stage significantly improved,and SSwas more than DT.After tillage during fallow period,root activity significantly improved,especially fromwinteringstagetobootingstage.After tillageduringfallowperiod,water useefficiency improved significantly,which was5.6%-15.2%.Finally,after tillage during fallow period,ear number and yield improved by 6.2%-18.6%and 10.9%-26.2%,respectively,and SSwas more than DT.Tillage during fallow period is conducive to store precipitation into the soil,can promote thegrowth of the root and increase root activity,improvewheat yield.

dry-land wheat;tillageduringfallowperiod;soil moisture;root characteristics;yield

S512.1

A

1002-2481（2017）12-1951-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.12.14

2017-09-27

國家現代農業產業技術體系建設專項經費（CARS-03-01-24）；國家自然科學基金項目（31771727）；國家公益性行業（農業）科研專項（201303104）；山西省科技創新團隊項目（201605D131041）；山西省回國留學人員重點科研資助項目（2015-重點4）；山西省回國留學人員科研資助項目（2017-068）；晉中市科技計劃項目（Y172007-2）

張慧芋（1993-），女，山西臨汾人，在讀碩士，研究方向：旱作栽培及生理。高志強為通信作者。