耕作方式與秸稈覆蓋對夏玉米根系分布及產量的影響

張萬鋒，楊樹青，婁 帥，靳亞紅，劉 鵬

（內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018）

0 引 言

河套灌區是中國重要的糧食生產基地，但長期掠奪性生產導致灌區土壤板結、肥力下降[1]，大型農機的碾壓、踐踏等因素使土壤緊實度不斷增加，機械阻力增強，影響土壤的通氣性和肥力[2-4]，也影響根的穿透力和生長，造成根冠比失衡[5-6]。Hurley 等[7]研究發現根冠比失衡會引起植株根部產生大量信號傳遞物質脫落酸，抑制地上部植株生長，最終造成產量下降。梁宗鎖等[8]研究表明根是作物吸收水分和養分最活躍的器官，了解根系形態、分布與結構是提高作物對養分吸收的關鍵，而0～40 cm土層是夏玉米的主體根系分布層，王志剛等[9]則通過室內試驗模擬夏玉米耕層障礙的方法，發現20 cm 以下的土層根系對產量的貢獻率高達48%，因此對夏玉米深層根系分布的研究是必要的。

合理的耕作模式可為作物生長發育創造適宜的生長微環境。劉戰東等[10]和戰秀梅等[11]研究表明秸稈覆蓋可明顯促進冬小麥降雨入滲的利用，蓄水保墑，改善根系生態環境，提高水分利用效率；Bezborodov 等[12]發現通過采用適當的水質和覆蓋相結合可以調控根層鹽分，顯著提高作物產量和水分生產力，節約淡水資源；宋日等[13]研究表明深翻耕作模式顯著降低耕作層容重，改善深層土壤環境，促進深層根生長，作物顯著增產8%；趙亞麗等[14]指出作物秸稈表覆還田結合深翻耕作模式顯著提高水分利用效率，降低農田耗水，改善耕層生態環境，夏玉米顯著增產19%。因此田間秸稈覆蓋結合深翻耕作已然成為構建和諧生態環境的有效耕作模式。目前開展了不少秸稈深埋的研究，喬海龍等[15]通過秸稈深埋的土柱試驗發現秸稈深埋可顯著降低耕作層返鹽，抑鹽保墑，提高冬小麥產量，王婧等[16]指出地膜結合秸稈深埋措施抑制深層土壤返鹽，淡化根層，提高油葵產量，安俊朋等[17]研究表明秸稈壟間淺埋（15 cm）間隔表覆還田優化土壤結構，打破障礙層，顯著提高水分利用效率和春玉米產量。然而，這些研究大多集中在室內試驗、秸稈表覆或淺埋、深翻等單一耕作模式下對土壤水鹽運移、作物產量及水分利用效率等方面的影響，鮮有從深翻耕作結合秸稈深埋二者交互作用下作物根系調控響應的角度展開的研究。

本研究基于秸稈還田和翻耕方式的交互作用，于2017 年5 月初至2018 年9 月末在河套灌區開展了不同秸稈還田方式結合不同翻耕方式的田間試驗，從不同耕作模式對根系調控作用影響的角度，探究河套灌區深翻結合秸稈深埋的耕作模式對夏玉米根系分布、水分利用效率及產量的影響，以期在深翻結合秸稈深埋的耕作模式下，為研究根系調控節水穩產的潛力提供有益的借鑒，并豐富秸稈還田的相關研究理論。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于河套灌區臨河區雙河鎮試驗示范區（40o42"N，107o24"E，海拔1 040 m），屬中溫帶半干旱大陸性氣候，多年均降水量138 mm 左右，多集中在夏秋兩季，年均蒸發量高達2 332 mm，春冬地表返鹽較嚴重。試驗時間為2017 年5 月至2018 年9 月。供試土壤依照美國土壤質地三角圖分劃粉砂壤土（砂粒、粉粒、黏粒質量比為8∶15∶2），試驗區0～100 cm 土體平均田間持水率為22.57%，耕地的平均容重為1.51 g/cm3，中度鹽堿地。2017 年和2018 年夏玉米生育期內示范區日降雨量及溫度變化如圖1 所示。

1.2 試驗設計

試驗設常規耕作（CK）、秸稈表覆耕作（BF）、深翻結合秸稈深埋耕作（SM）和深翻結合秸稈表覆與深埋耕作（BFSM）4 種處理，3 個重復，共12 個小區，每個試驗小區的面積72 m2，各小區之間有寬2 m 的保護帶，四周用埋深1.2 m 的聚乙烯塑料膜隔開，頂部留30 cm，防止水肥互竄，田間管理與當地農戶管理一致。播種前淺耙整平，各處理采用統一施肥水平（當地用量約325 kg/hm2），播種時作為基肥一次性施入；采用統一灌水水平，生育期灌3 次水，每次135 mm。SM、BFSM處理在2016 年秋澆前深翻并埋設5 cm 厚秸稈層后整平壓實；有秸稈表覆的處理，在播種后隨即將3～5 cm 厚秸稈均勻鋪設在壟間。供試夏玉米品種是鈞凱618，機械播種，株距0.35 m，行距0.45 m，5 月初播種，9 月末收獲。

圖1 夏玉米生育期內日降雨量和溫度 Fig.1 Daily rainfall and temperature during growing period of summer maize

表1 試驗處理 Table 1 Treatments of the experiment

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 夏玉米根系生長指標及根長密度模型

在成熟期隨機選取3 株代表性植株，采用Monolith 3D 空間取樣法，收集玉米根樣品。采用根系掃描儀（Epson Perfection 4870）對根樣品掃描，并用根系分析系統（Win RHIZO Program）分析根長等相關數據。將根取樣時地上部分的植株及根樣品經105 ℃殺青，80 ℃烘干至恒質量后稱質量，測地上干物質及根樣品的質量。

根長密度（Root Length Density，RLD）是土壤水分模擬中的一個重要參數，采用RLD 模型對不同耕作模式下夏玉米RLD 進行非線性回歸分析，得到回歸參數估算值。Wu 等[18]將根系入土深度轉化為0～1 范圍內的標準化根深，提出歸一化RLD 分布的概念，不同生育期采用歸一化的根長密度分布函數。本研究采用Wu 等[18]提出的一個三階多項式，對不同耕作模式下成熟期標準化根深的各土層RLD 進行擬合，如式（1）所示

式中y 為不同土層深度的RLD，cm/cm3；x 為標準化根深，x=z/60（0≤z≤60），其中z 為根取樣的土層深度，cm；a、b、c、d 為模型回歸參數，與土層相對深度有關。

1.3.2 考種測產及水分利用效率

夏玉米收獲期，每個小區隨機取10 株玉米，測定穗長、百粒質量等產量指標，干燥后稱總質量并計算單位面積產量，作物耗水量（Evaporation and Transpiration，ET，mm）的計算如式（2）[19]所示

式中P 為生育期降雨量，mm；I 為灌溉量，mm；Wg為地下水補給量，mm；D 和R 分別是滲漏水量和地表徑流，由于該示范區地下水位較高，地下水補給量遠大于滲漏水量，因此滲漏水量D 可忽略，而且試驗區地面平坦，無地表徑流，R 也可忽略；ΔW 為試驗初期到末期土壤儲水量的變化量，mm。

水分利用效率（Water-Use Efficiency，WUE，kg/(hm2·mm)）的計算如式（3）所示

式中Y 為玉米產量，kg/hm2；ET 為作物耗水量，mm。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2010 處理，應用SPSS 20.0進行單因素方差分析，采用最小顯著差異法（Least Significant Difference ， LSD ） 進 行 顯 著 性 檢 驗（P＜0.05），并用SURFER 13.0 軟件進行網格化處理，制作等值線圖。

2 結果與分析

2.1 夏玉米根長密度對不同耕作模式的響應

根長密度（RLD）是反映根系空間變化的重要參數，也是反映作物水肥吸收能力的重要指標。不同耕作模式影響夏玉米成熟期 RLD 在土壤剖面上的空間分布（圖 2）。以1 cm/cm3為根長密度分界線[20]，≥1 cm/cm3是根長密度的密集區，＜1 cm/cm3是根長密度的分散區，分別為：

1）在垂直方向上，夏玉米根系主要集中在0～40 cm土層，隨深度增加RLD 快速遞減。2017 年各處理RLD密集區深度為23.5～27.3 cm，2018 年降雨充沛，各處理RLD 密集區深度為24.4～30.5 cm，2018 年根系平均密集區深度較2017 年提高3.8%～11.7%；2 年間的BF、SM 和BFSM 處理RLD 密集區深度平均較CK 處理提高2.1%、23.8%和24.7%，CK 與BF 處理RLD 密集區差異不顯著；另外，CK 和BF 處理在＞35 cm 土層的RLD 僅占總數的5.6%，而SM 和BFSM 處理在＞35 cm 土層RLD 達到26%，且入土深度＜60 cm 的分散區根系高于6.2%，兩者差異不顯著（P＜0.05）。這說明深翻結合秸稈深埋的耕作模式顯著提高RLD 的密集區和分散區的深度，有利于促進深層根系在垂直方向上的分布。

圖2 2017 年和2018 年不同處理下夏玉米成熟期的根長密度分布 Fig.2 Distribution of RLD at summer maize mature period under different treatments in 2017 and 2018

2）在水平方向上，2017 年和2018 年的夏玉米水平根系密集區主要分布在以夏玉米為中心半徑12～17.5 cm的圓周圍。2017 年各處理RLD 密集區水平長度為25.5～32.5 cm，2018 年為26.7～34.9 cm，2018 年根系平均密集區水平長度較2017 年提高約4.7%～7.4%；2 年間的BF、SM 和BFSM 處理RLD 密集區長度平均較CK 處理提高24.7%、3.5%和29.1%，CK 和SM 處理RLD 水平方向的密集區的長度差異不顯著，而BF 和BFSM 處理較CK 和SM 處理在水平方向的密集區長度顯著提高（P＜0.05）。試驗結果說明秸稈表覆耕作模式有利于促進根系在水平方向的分布，增加表層土的RLD。

不同耕作模式下的夏玉米成熟期在35～40 cm 土層的RLD 空間分布如圖3 所示，同時在RLD 等值線圖2中將該土層的RLD 等值線用虛線表示。各處理在秸稈隔層的土層2017 年和2018 年的RLD 分布趨勢一致，RLD在水平方向呈“正態”分布，在植株正下方分布密度最大，遠離植株逐漸減小，水平方向＞15 cm 范圍外土層基本上無根系分布。通過2 年間的試驗發現，在秸稈隔層的土層，BF 處理的平均RLD 較CK 處理僅高0.85%，兩者差異不顯著，但SM 和BFSM 處理該土層RLD 顯著大于BF 和CK 處理（P＜0.05）；BFSM 處理平均RLD 較SM 處理高3.5%，兩者差異不顯著。這說明深翻結合秸稈深埋的耕作模式可顯著提高秸稈隔層土層的RLD，促進深層根生長。

采用SPSS 軟件對RLD 與標準化根深的關系進行非線性回歸分析，建立RLD 與標準化根深分布模型，得到2017 年在不同耕作模式下的RLD 擬合函數（表2）。結果表明，2017 年夏玉米RLD 與標準化根深具有擬合度較高的三次函數關系。隨標準化根深增加，夏玉米RLD 逐漸降低，降低幅度逐漸減小。采用2018 年實測數據對模型進行驗證， 并采用決定系數（ Coefficient of Determination，R2）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）、標準化均方根誤差（Normalized Root Mean Square Error，n-RMSE）以及模擬值與實測值之間的1∶1直方圖來對模型進行評價（圖4）。2018 年不同耕作模式下模擬值與實測值的n-RMSE 分別為20%、16%、14% 和14%，模擬達到較好水平；R2均高于0.96，說明模擬值與實測值相關程度好，能夠較好地描述不同耕作模式夏玉米RLD 分布。

圖3 2017 年和2018 年夏玉米成熟期在35～40 cm 土層的根長密度分布 Fig.3 Distribution of RLD at summer maize mature stage in soil layer of 35-40 cm in 2017 and 2018

表2 2017 年不同處理下夏玉米成熟期的根長密度擬合函數 Table 2 RLD fitting function at summer maize mature period under different treatments in 2017

圖4 2018 年不同處理夏玉米成熟期根長密度的模擬值與實測值比較 Fig.4 Comparison between simulated values and measured values of RLD at summer maize mature period under different treatments in 2018

2.2 夏玉米根冠比對不同耕作模式的響應

適宜的生長環境有利于形成良好的根冠關系[21]，且根冠關系量化體現的一種直觀表達形式是根冠比（Root-Shoot Ratio，R/S），其隨生長環境、耕作模式等不同而具有一定的差異性，從而對地下部根系及地上部生物量的分配產生影響（表3）。2017 年和2018 年的SM和BFSM 處理根干質量及R/S 無差異，但較CK 和BF 處理顯著提高；BF、SM 和BFSM 處理較CK 處理2 年間的平均根干質量分別提高14.2%、32.8%和36.6%，2 年間的平均R/S 分別提高3.8%、20.8%和26.4% （P＜0.05）。2018 年（多雨年份）CK 和BF 處理根干質量較2017 年（少雨年份）分別顯著提高25%和6.5%（P＜0.05），但2 a間SM 和BFSM 處理的根干質量差異不顯著；2018 年SM處理R/S 較2017 年顯著提高6.5%（P＜0.05），但2 a 間CK、BF 和BFSM 處理的R/S 差異不顯著。這說明深翻結合秸稈深埋耕作模式和充沛的降雨可顯著提高R/S（P＜0.05），形成良好的根冠關系。

2.3 夏玉米產量及水分利用效率對不同耕作模式的響應

夏玉米產量及其構成因素、水分利用效率等指標是耕作模式對土壤水分及夏玉米生長性狀影響的最終體現。通過分析各處理的指標（表4），2017 年CK 和BF處理的穗長、百粒質量差異不顯著，較SM 和BFSM 處理的穗長、百粒質量顯著降低（P＜0.05）；BF、SM 和BFSM 處理的穗粒數差異不顯著，但均較CK 處理顯著提高；SM 和BFSM 處理的產量無差異，較CK 和BF 處理顯著提高，BF、SM 和BFSM 處理的產量較CK 處理分別顯著提高5.5%、19.1%和19.1%（P＜0.05）；2018 年SM 和BFSM 處理的穗長、穗粒數差異不顯著，百粒質量、產量無差異，但兩者較CK 和BF 處理均顯著提高，BF、SM和BFSM處理的產量較CK處理分別顯著提高11.6%、19.9%和20.3%（P＜0.05）。另外從夏玉米耗水量和水分利用效率的角度分析，2 年間SM 和BFSM 處理較CK 處理均顯著降低了夏玉米耗水量、提高了水分利用效率，兩者差異不顯著。2 a 間BF、SM 和BFSM 處理的夏玉米耗水量較 CK 處理平均降低 4.5%、10.8%和 11.2%（P＜0.05），3 個處理的水分利用效率較CK 處理平均提高13.6%、32.3%和34.8%（P＜0.05）。

表3 成熟期不同處理的夏玉米根干質量及根冠比 Table 3 Weight of dry root and R/S of summer maize under different treatments in mature stage

3 討 論

玉米根系生長發育受土壤水分、耕作層容重[22]等因素的多重影響，而深層根是旱地作物形成籽粒產量的功能根系[23]。2017 年和2018 年田間試驗結果表明，BF 處理可顯著提高夏玉米根系水平方向密集區的范圍，平均增加26.9%，SM 處理可顯著提高夏玉米深層根系密集區的深度，平均增加24.3%，這說明秸稈表覆耕作模式促進根系在水平方向的分布，而秸稈深埋耕作模式誘導夏玉米根系下扎，促進深層根系發育，利于對土壤水分和養分的吸收，提高產量。基于標準化根深的根長密度（Root Length Density，RLD）的分布模型，估算RLD 分布及在各土層的比例，是節水增產的基礎。Zuo 等[24]研究表明，標準化根深RLD 分布模型能較好模擬小麥等作物的根系生長，Ning 等[25]建立了棉花的標準化根深RLD 分布模型，馬韜等[26]建立了向日葵標準化根深RLD 分布模型等，并針對水鹽運移等方面的模擬取得顯著的效果。本研究建立了2017 年不同耕作模式下夏玉米RLD 與標準化根深的分布模型，并用2018 年實測數值率定，結果顯示擬合達到較好水平，能夠較好地描述不同耕作模式下夏玉米RLD 分布，但不足之處是本研究僅從耕作模式擬合率定，土壤深度太淺，考慮變量單一，因此關于標準化根深RLD 模型，可從設置水肥耦合、根系干質量等方面深入研究。

Goldberg 等[27]認為作物根系生長具有很強的避逆性，根系會朝著高水低鹽的地方生長；楊貴羽等[28]認為良好的水環境促成作物龐大的根系，提高根冠比（Root-Shoot Ratio，R/S）。干物質生產和分配是產量形成的重要因素，且作物地上部干物質的形成依靠根系源信號調控，而夏玉米根系微環境直接影響釋放根源信號的調控作用[21]。本試驗發現，深翻結合秸稈深埋耕作模式可以顯著提高夏玉米深層RLD 和R/S，且SM 與BFSM處理差異不顯著，這說明秸稈深埋模式能夠促進夏玉米深層根系生長發育，利于養分和水分的吸收，構建適宜的根系生長微環境，進而積極地調控根源信號的釋放，促進更多干物質形成并向籽粒轉移。本試驗中產量也證明了這一點，2 a 間BF、SM 和BFSM 處理的平均產量較CK 處理顯著提高8.6%、19.5%和19.7%（P＜0.05），且SM 與BFSM 處理產量差異不顯著，同時也說明秸稈表覆不是提高深層根系RLD 及產量的關鍵因子。

提高水分利用效率（Water-Use Efficiency，WUE）是解決水資源短缺的重要措施。不同的耕作模式影響著地下根系與地上植株的水分和養分的分配、轉移，從而影響作物產量和WUE。合理的根系分布可提高根系與地上部植株協同作用[29]，常規耕作的夏玉米根系可通過提取深層土壤水分，供給根系及地上部植株生長所需，但因其深層根較少，提水作用有限，不能有效利用深層土壤水分，造成WUE 偏低[30]。且R/S 與WUE 之間關系密切，Ma 等[31]認為通過去根和控制分蘗的方法確定冬小麥的R/S 與WUE 呈負相關關系，這與本試驗結果有差異。這可能因為河套灌區是干旱缺水地區，龐大的根系統是夏玉米抗旱高產的保證，特別是采取措施提高深層RLD[32]，而本試驗中SM 處理綜合了秸稈深埋與深翻耕作的優勢，顯著提高深層RLD，抑制水平方向根系生長，增強深層根系提水作用，形成良好的根冠關系，因此本試驗中隨著夏玉米成熟期的R/S 增加，夏玉米的產量及WUE 也顯著提高。本試驗結果還表明，2 a 間BF、SM和BFSM 處理的WUE 較CK 處理平均提高13.6%、32.3%和34.8%（P＜0.05），而2018 年（多雨年份）較2017 年（少雨年份）CK、BF、SM 和BFSM 處理下的WUE 分別下降9.1%、9.1%、6.5%和4.9%，CK 和BF 處理WUE下降最多，這說明深翻結合秸稈深埋耕作模式更適宜干旱區農業耕作，對夏玉米 WUE 的提高效果顯著（P＜0.05）。與常規耕作模式相比，傳統秸稈還田對夏玉米深層根、WUE 及產量無顯著提高，而深翻結合秸稈深埋的耕作模式可以實現節水穩產的目標，且考慮農田耕作的可操性，在干旱區農業生產中深翻結合秸稈深埋的耕作模式是可行的。

4 結 論

本研究初步揭示了河套灌區夏玉米根系分布、產量和水分利用效率對不同秸稈還田和翻耕方式（常規翻松、深翻）共同作用的響應。與傳統耕作模式相比，深翻結合秸稈深埋模式顯著（P＜0.05）提高夏玉米深層根長密度、產量及水分利用效率，平均分別提高23.8%、19.5%和32.3%。在河套灌區農業生產中深翻耕作結合秸稈深埋模式能夠為夏玉米根系構建和諧的生長微環境，提高深層根長密度，合理調控根系空間分布，并通過根源信號的積極調控作用促進夏玉米地上部植株生長，形成良好的根冠關系，提高對土壤水分養分的吸收利用效率，達到高產。農業生產中，深翻結合秸稈深埋耕作模式可以實現節水增產的目標，對河套灌區的農業生產的合理耕作措施具有一定的借鑒和指導意義。