秸稈覆蓋對溝灌夏玉米根系分布及產量影響

張 寅，鄂繼芳，孫明海

（1.河套學院，內蒙古 巴彥淖爾015000；2.呼倫貝爾市地產管理所，內蒙古 呼倫貝爾021000）

0 引 言

【研究意義】引黃水量銳減、水肥利用效率低等問題正在嚴重制約河套灌區農業的發展，節水灌溉、提高水肥效率及作物產量是灌區面臨的主要問題[1]。適宜的耕作模式可提高土壤含水率和水分利用效率，為作物生長創造和諧生長環境[2]，秸稈覆蓋改善土壤團聚體，增大土壤通透性[3]，提高土壤養分供應強度[4]，減少土壤水分無效蒸發，提高耕層含水率，并能夠改良根區環境[5-6]。且秸稈覆蓋可提高土壤有機質等養分量和微生物活性，而普通地膜覆蓋雖能提高土壤含水率，但降低了土壤有機質量[7]。因此，改變耕作方式對水分利用效率及作物產量的提高具有重要意義。【研究進展】溝灌作為傳統的地面灌溉方式，在農業生產中應用廣泛，隨著節水灌溉技術的不斷發展，溝灌也重新被重視。相關研究指出寬壟溝灌灌水效率顯著高于常規溝灌，與傳統畦灌相比，寬壟溝灌可顯著提高水分利用效率[8]，增產顯著[9-10]；交替隔溝灌溉增大作物根系下扎深度，較常規溝灌提高水分利用效率5%以上[11-13]，覆膜溝灌有效促進作物生長并提高經濟效益[14]；汪順生等[15]指出適量秸稈覆蓋的溝灌有效增強雨水下滲，蓄納較多雨水。根是作物吸收養分水分關鍵營養器官[16]，根系生長發育受土壤體積質量、含水率等多重因素影響[17]，改善根系分布與結構是作物提效增產的關鍵。【切入點】針對秸稈覆蓋技術目前已研究較多，主要集中在不同覆蓋的方式、不同水分處理及不同材料[18-19]間的比較分析，耕作模式為常規畦灌，而關于溝灌結合不同秸稈覆蓋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鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】基于此，在河套灌區臨河區氣象試驗站開展小區試驗，探究寬壟種植下不同秸稈覆蓋處理對夏玉米根系分布、水分利用效率的影響，旨在為秸稈覆蓋技術在溝灌種植上的應用及提高河套灌區作物水分利用效率提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2018年5—10月在內蒙古巴彥淖爾市臨河區農業氣象試驗站開展。地理位置為40o42'N、107o24'E，海拔1 040～1 043 m，屬于典型的溫帶干旱大陸性季風氣候，冬季寒冷而漫長，夏季炎熱而短促，多年平均氣溫7.1 ℃，年平均降雨量為141 mm，年平均蒸發量為2 430 mm，年均日照時間為3 223.7 h，無霜期為140 d 左右。試驗區根層土壤類型以壤土為主，土壤體積質量為1.48 g/cm3。研究期間夏玉米生育期內試驗區日降雨量和日平均溫度變化如圖1 所示。

圖1 夏玉米生育期溫度及日降雨量Fig.1 Daily rainfall and temperature during growing period of summer maize

1.2 試驗設計

試驗設常規壟覆膜溝灌（FM）、壟覆秸稈溝灌（FLJ）、溝覆秸稈溝灌（FGJ）、壟溝覆秸稈溝灌（FLGJ）4 種處理，3 個重復，共12 個小區，試驗小區的面積為4 m×6 m，采用混凝土澆筑的地下擋水板隔開，防止相鄰小區水肥影響，小區外圍種植玉米保護行，田間管理與當地農戶管理一致。各處理采用統一施肥水平（施氮量225 kg/hm2（以N 計）、施磷量150 kg/hm2（以P2O5計）、施鉀肥50 kg/hm2（以KCl 計）），磷肥和鉀肥與50%氮肥在播種時作為基肥施入，剩余氮肥分別在第1 次灌水和第2 次灌水前平分施入；各處理在夏玉米生育期灌溉4 次水，單次灌水定額為70 mm，采用渠水灌溉，渠水礦化度為0.628 g/L，溝斷面如圖2 所示。各處理覆膜的厚度均為0.01 mm，寬幅80 cm，秸稈覆蓋厚度5 cm，覆蓋量為1.5 kg/m2，供試材料采用當地玉米西蒙6 號，5月1日播種，9月30日收獲，機械播種，人工起溝，人工分別在壟上和溝里鋪設厚秸稈，株距0.3 m，行距0.40 m，東西走向種植。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 考種測產

在收獲期，對夏玉米進行考種。每個小區隨機取5 株夏玉米，測量夏玉米穗長、穗粗等指標；隨機選取100 粒籽粒，3 個重復，稱質量取平均值，計算夏玉米百粒質量；夏玉米籽粒干燥后稱總質量并計算單位面積產量。

夏玉米收獲指數[20-21]（Harvest Index，HI）指收獲期夏玉米穗部籽粒質量與地上干物質質量之比，計算式為：

式中：Mz為夏玉米穗部籽粒質量（g/株）；Md為夏玉米地上干物質質量（g/株）。

圖2 溝斷面示意圖（單位:mm）Fig.2 The diagram of ditch section(unit:mm)

1.3.2 水分利用效率

作物耗水量（ET）計算式為：

式中：ET為作物耗水量（mm）；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，夏玉米生育期的地下水埋深較淺，約為0.8～1.8 m，地下水補給量遠大于滲漏量，且灌水定額較小，因此滲漏量可忽略；試驗區地面平坦，無地表徑流，R可忽略；ΔW為試驗初期到末期土壤儲水量的變化量（mm）。

地下水補給量：在每個試驗小區埋設3 組3 根負壓計（埋設深度分別為80、60、40 cm），每天讀取負壓計讀數，采用定位通量法計算地下水對土壤水的補給量，根據達西定律計算該點處的流量q，計算式為：

式中：h1、h2分別為斷面Z1、Z2處負壓計的值（hPa）；Z1和Z2為負壓計安裝的兩點深度；k為試驗用沙壤土的滲透系數。

由此，得到t1至t2時段內單位面積流過的土壤水流量Q(Z1-2)，并由Q(Z1-2)可求得任一斷面流量Q(z)，計算式為

土壤含水率：在播種前和每次灌水前、后（下雨后2～3 d 加測1 次），采用土鉆在田間取樣，測定土壤含水率。分別在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層取土樣，采用干燥稱質量測定土壤含水率，即質量含水率。

水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的計算式為：

式中：WUE為水分利用效率（kg/（hm2·mm））；Y為玉米產量（kg/hm2）；ET為作物耗水量（mm）。

1.3.3 夏玉米根系取樣

在夏玉米灌漿期采用剖面挖根法，隨機取3 株代表性植株取樣。在垂直方向60 cm 土層范圍，壟上分別取0～10、10～20、20～30、30～40 和40～60 cm 共5層；溝上分別取0～10、10～20、20～30 和30～40 cm 共4 層，分別將各土層中所有根系取出，清洗干凈并自然晾干，剔除雜質和死根。根樣品采用Epson Perfection 4870 根系掃描儀進行掃描，并用根系專用分析軟件Win RHIZO Pro 獲得根長等指標。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2016 處理，應用SPSS 22.0進行方差分析，采用最小顯著差異法（Least significant difference method，LSD）進行顯著性檢驗（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 溝灌與不同秸稈覆蓋對夏玉米根長密度的影響

溝灌結合不同秸稈覆蓋顯著（P<0.05）影響夏玉米灌漿期RLD在壟和溝的土壤剖面的空間分布（圖3）。從表1 可以看出，夏玉米RLD與土層深度呈指數關系，隨土層深度的增加RLD遞減，壟上的RLD在10～20 cm 土層銳減，幅度最大，40 cm 以下土層降幅較小；溝里的RLD變化趨勢較平穩；壟上的RLD顯著高于溝里11.2%（P<0.05）。與FM 處理相比，秸稈覆蓋顯著提高壟上0～10 cm 土層的RLD，尤其是FLJ 和FLGJ 處理顯著增加了24.6%和27.4%，而在40～60 cm 土層，FGJ 與FLGJ 處理的RLD無差異，但較FM 處理顯著增大128.1%和122.7%；在溝里0～10 cm 土層RLD，FGJ 處理最大，較FM 處理增加22.0%，FLGJ 較FM 處理增加9.7%，而在30～40 cm土層，FM 和FLJ 處理未發現根系，FGJ 和FLGJ 處理的RLD仍能達到0.18 cm/cm3。說明，溝覆秸稈有利于壟上深層（>40 cm）和溝里深層（>20 cm）土層根系生長發育，有利于夏玉米根系下扎，而壟上覆秸稈顯著促進壟上表層根系發育，對壟上和溝里深層根系發育促進效果不顯著。

表1 不同處理夏玉米灌漿期根長密度擬合函數Table 1 RLD fitting function at summer maize filling period under different treatments

圖3 夏玉米灌漿期根長密度Fig.3 RLD of summer maize at filling stage

2.2 各處理對夏玉米產量及收獲指數的影響

溝灌種植模式下不同秸稈覆蓋方式對夏玉米產量及其構成因素的影響如表2 所示，各處理間夏玉米穗長、穗粗和百粒質量差異顯著，均達到5%顯著水平。溝灌種植模式下，秸稈覆蓋處理的穗長、穗粗、百粒質量和產量顯著高于覆膜溝灌，較FM 處理分別提高3.6%～19.3%，6.3%～18.8%、12.5%～22.3%和4.8%～9.3%，且FGJ 和FLGJ 處理間的夏玉米產量相關指標差異不顯著（P>0.05）。

夏玉米收獲指數（HI）反映作物同化產物在夏玉米營養器官和籽粒上的分配效率，是重要的植物學參數之一。溝灌種植模式下，不同秸稈覆蓋方式的HI差異顯著（P<0.05，表2），在0.38～0.48 間變化，表明夏玉米收獲指數不穩定，易受溝灌與秸稈覆蓋等外界條件影響。秸稈覆蓋處理的HI較FM 處理分別提高7.9%、26.3%和15.8%，溝覆秸稈提高最多，說明溝灌下秸稈覆蓋有利于夏玉米HI的提高，以溝覆秸稈效果較好。分析表2 發現，溝灌種植模式下，隨灌漿期壟上深層（>40 cm）和溝深層（>20 cm）土層根長密度的增加，夏玉米收獲指數也顯著提高（P<0.05），深層根長與夏玉米收獲指數的變化趨勢基本一致，表明夏玉米深層根長密度的增加有利于根系對深層土壤養分的吸收，提供給夏玉米中后期生長所需養分，促進同化產物在籽粒上的分配，從而提高夏玉米收獲指數。

表2 不同處理夏玉米產量及其構成因素Table 2 Yield and its components of summer maize

2.3 各處理對夏玉米水分利用效率的影響

溝灌結合不同秸稈覆蓋處理對夏玉米水分利用效率的影響如表2 所示。溝灌種植模式下，秸稈的不同覆蓋方式影響著夏玉米全生育期水分利用效率，各處理間存在差異。與常規覆膜溝灌FM 處理相比，FLJ、FGJ 和FLGJ 處理水分利用效率分別提高4.8%、51.9%和54.3%，表明溝灌下溝覆秸稈可有效提高水分利用效率，較壟覆秸稈效果好。

3 討論

根系是提高作物水分養分吸收率的限制因子，特別是大于40 cm 土層的深層根[22]，當土壤中RLD<0.8～1.0 cm/cm3時，作物生長因根系不足受限[23]。在本研究中，僅FGJ 和FLGJ 處理壟上大于40 cm 和溝里大于20 cm 土層的RLD達到0.74～1.07 cm/cm3，這有利于夏玉米根系吸收深層土壤水分養分，而壟上覆秸稈的RLD明顯不足，限制夏玉米根系對深層土壤水分養分的吸收。試驗結果表明，溝灌下不同位置秸稈覆蓋改變根系分布模式，溝覆秸稈顯著促進壟和溝的深層根系生長，且深層根系越多，產量越高。有關研究指出深層根系是提高旱地作物籽粒產量的功能根系[24-25]。本試驗中，在大于40 cm 土層，溝覆秸稈FGL 和FLGJ 處理的根長密度較FM 處理提高128.1%和122.7%（P<0.05），但FGL 和FLGJ 處理間的RLD無差異，說明旱地農田溝灌結合秸稈覆蓋促進夏玉米深層根系發育，有利于吸收更多的深層土壤水分養分。這可能是因為秸稈覆蓋具有保水的作用，且秸稈覆蓋特有的“降溫效應”有利于提高夏玉米中后期根系活性、延緩植株衰老[26]，對灌漿后的吸收及光合作用同化產物的轉移具有促進作用[27]，從而實現提效增產的目的。夏玉米干物質和光合作用同化產物的分配是產量形成的重要因素，適當減少表層土層根長密度，在一定程度減少了根系冗余[28]，降低了同化產物在根系的分配比例，進而提高夏玉米產量。

本研究表明，在河套灌區半干旱農業中溝灌通過適宜的秸稈覆蓋可獲得高產并提高水分利用效率。溝覆秸稈和壟溝覆秸稈顯著提高夏玉米產量，較FM 處理分別增產9.3%和9.0%，二者差異不顯著；溝覆秸稈較FM 處理顯著提高夏玉米收獲指數26.3%，且夏玉米產量和收獲指數與壟、溝大于40 cm 深層土壤RLD變化趨勢一致，呈顯著正相關，而與總根長密度之間無顯著關系。因此，在干旱區夏玉米獲得高產的關鍵因子是植株具有發達的深層根系[29]，而干旱條件下，溝覆秸稈促進壟（>40 cm）和溝（>20 cm）深層土壤根長密度的增加是根向水性的典型反應[30]，能夠提高根系提水作用[31]。因此，針對河套灌區夏玉米，在溝灌種植模式下，控制壟上表層土層根長，通過覆蓋秸稈增大溝土層含水率，誘導夏玉米根系下扎，提高壟和溝深層土壤根長密度，增強深層根系提水作用，實現深層土壤的水分和養分在時間空間上的協調，以水肥促根，以根調水肥[32]，促進夏玉米生長，提高夏玉米水分利用效率及產量，考慮到實際可操作性，溝覆秸稈結合溝灌（FGJ）有利于實現這一目標，既能實現秸稈資源化利用，又顯著增產9.3%，水分利用效率提高51.9%。

4 結論

1）與常規壟覆膜溝灌FM 處理相比，溝灌結合溝覆秸稈（FGJ）和壟溝覆秸稈FLGJ 處理提高壟上大于40 cm 深層土層根長密度128.1%和122.7%；在溝里30～40 cm 土層，FM 和FLJ 處理未發現根系，而FGJ和FLGJ處理的根長密度仍能達到0.18 cm/cm3。溝覆秸稈改善了夏玉米根系分布，提高深層根長密度。

2）壟和溝的深層根長密度與水分利用效率和產量的變化趨勢一致，溝覆秸稈FGJ 處理和壟溝覆秸稈FLGJ 處理顯著提高水分利用效率51.9%和54.3%，增產9.3%和9.0%（P<0.05），但FGJ 處理收獲指數較其他處理顯著增大（P<0.05），為0.48，效果較佳。

3）建議將溝覆秸稈作為河套灌區溝灌的耕作模式。