灌水深度对冬小麦根系形态的影响研究

狄 楠，马娟娟，孙西欢,2，郭向红，黄 洁(.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004)

北方地区降水时间分布不均匀，在冬小麦生育期间降雨量较少，因此，灌溉对冬小麦生长发育有着至关重要的作用[1,2]，同时，应该选择合理的节水灌溉方式，这对于解决我国的农业缺水问题具有重要意义[3]。多年来，为了提高冬小麦的水分利用效率及产量，许多学者对冬小麦根系的水分调控方面进行了大量研究，取得了很大的进展。大量研究表明，在一定的土壤水分范围内，冬小麦根系的生长发育与土壤水分状况之间有正相关关系[4,5]，土壤水分不足或过多都会影响冬小麦根系的数量、分布及其功能的发挥[6]。刘殿英等[1]通过大田和盆栽试验研究表明，土壤水分为田持的70%左右时，最有利于冬小麦根系的生长发育；王淑芬等[7]通过田间灌水试验提出了在华北冬小麦灌区的最佳灌溉方式是：丰水年灌0水、平水年灌1水(拔节水)、枯水年灌2水(拔节水和抽穗水)，次灌水量为60～75 mm，具有明显的节水增产效益；冯广龙等[8]分析表明，如果土壤深层有可被作物利用的水分，选择少量多次灌溉较好，有利于促进作物根系下扎，利用深层的土壤水分，同时，尽量安排在作物需水敏感时期进行灌溉，有利于充分利用有限水量；马瑞昆等[9]通过管栽试验研究供水深度与冬小麦根系生长发育的关系，结果表明，在20～40 cm土层供水，冬小麦根系发育较好且产量最高，但在40 cm及其以下供水，对上层根系有一定的抑制作用。

在以往的节水灌溉措施中，多集中于灌水量及灌水时期对根系生长发育的影响，而对于结合土壤含水量的整体深度灌溉方式的研究尚少。本试验采用结合根系分布和土壤水分情况的深度灌水方式调控冬小麦根系生长发育，重点分析灌水深度调控对冬小麦根系形态的影响，为建立冬小麦良好根系构型，提高其抗旱能力及水分利用效率提供理论依据和技术参数。

1 试验材料及方法

1.1 试验区土壤基本性质及试验材料

试验于2014年10月至2015年6月在山西水利职业技术学院节水灌溉技术实训场与示范园内进行。供试土壤属于中壤土，研究至3 m，垂直划分为0～20、20～50、50～90、90～130、130～210、210～300 cm 6层；田间持水量分别为19.85%、17.17%、17.93%、18.64%、22.10%、20.96%；密度分别为1.486 2、1.612 1、1.624 2、1.630 0、1.537 2、1.514 5 g/cm3；播种前在耕层施入底肥，后测得耕层土壤有机质含量为20.20 g/kg，全氮含量1.150 g/kg，有效钾含量206.5 mg/kg，有效磷含量45.79 mg/kg。供试冬小麦品种为国审良星99。

1.2 试验设计与测定方法

1.2.1试验设计

试验采用塑料管土柱法研究冬小麦根系，PVC管外径20 cm，内径18.6 cm，长3 m，于播种前按土层对应的密度及初始含水率对土柱进行分层装土，且在部分土柱中安装水分测管以定期测定土壤含水量分布状况。

试验以灌水深度为控制因子，设计4个深度，即处理Ⅰ为地表灌水、处理Ⅱ为根系分布深度的60%、处理Ⅲ为根系分布深度的75%、处理Ⅳ为根系分布深度的90%。各处理根据冬小麦不同生育期分别设4次重复。在田间共设有80根土柱，排成3列，同时在行与行、列与列之间均种植冬小麦作为保护行(列)。全生育期共进行4次灌水，分别为越冬水、拔节水、抽穗水和灌浆水。越冬期全按地表灌溉处理，后3次灌溉，各处理的总灌水量相同(按当地大田管理换算得到1 833 mL/管)，灌溉前根据各处理的平均最大根深计算出设计灌水深度，然后分层打孔，用自制灌水器进行分层灌水。各生育期各处理灌水孔布置及灌水深度见表1。每个灌水深度的灌水量M由以下公式(山仑等，2004)计算得到：

M=10ρbH(βi-βj)

式中：H为土壤计划湿润层的深度，cm；ρb为计划湿润土层的土壤容重，g/cm3；βi为目标含水量；βj为自然含水量，即灌溉前土壤含水量。

表1 各生育期不同处理灌水时间及灌水深度Tab.1 Irrigation time and irrigation depth of different treatments at different growth stages

1.2.2测定指标及方法

试验于10月12日播种冬小麦，每根土柱种8株，于三叶期定苗至3株；分别于冬前(12月3日)、返青期末(3月4日)、拔节期末(4月11日)、抽穗期末(4月28日)、灌浆期末(5月8日)和成熟期(6月1日)取根，各生育期各处理4次重复。取根样时先将地上部分离，再打开塑料管，露出土柱，按10 cm一层将土柱分层切开，置于筛网中冲洗，用镊子挑出根系后进行各项指标测定。 土壤含水量采用Diviner 2000便携式土壤水分速测仪每周测定；根系形态参数用扫描仪(Epson J131A)进行根系扫描，再采用根系分析软件WinRHIZO version 5.0对得到的图片进行分析；根系干重采用烘干法测定。

2 试验结果及分析

在众多作物根系形态指标中，本试验从冬小麦根系的最大根深、总根长、总根重、根长密度及根重密度这几个方面进行分析。

2.1 不同处理对冬小麦根系入土深度的影响

表2为不同生育期，各处理冬小麦根系的入土深度。从表2中可以看出，自拔节期灌水处理以后，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根系入土深度均明显大于处理Ⅰ，至成熟期，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根深比处理Ⅰ长30 cm左右。由于处理Ⅰ是地表灌水方式，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ是深度灌水方式，以上结果表明了深度灌水方式有利于促进根系向下伸长，诱导根系下扎。从表2中还可以看出，对于深度灌水方式下的处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ之间，根系入土深度依次增大；在抽穗期和灌浆期末，处理Ⅳ的根深明显长于处理Ⅱ、Ⅲ，但处理Ⅱ、Ⅲ之间差异并不明显；在成熟期，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ根系入土深度依次增大且差异明显，这说明了试验灌水到达深度越大，冬小麦根系的入土深度越大。

表2 不同生育期各处理冬小麦的最大根深Tab.2 Maximum depth stretched in soil of root at different growth stages for winter wheat

注：表内数据为平均值；每行数据右侧字母相同者表示差异未达极显著水平(P>0.01)；字母不同者表示差异达极显著水平(P<0.01)；下表同。

2.2 不同处理对冬小麦总根长及总根重的影响

总根长、总根重是衡量冬小麦根量的重要指标，总根长及总根重越大，表明根量越大，根系越发达。

表3和表4分别为各生育期不同处理冬小麦的总根长及总根重。从表3、表4中可以看出，在各生育期，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的总根长及总根重均大于处理Ⅰ，且呈显著性，表明了相比地表灌水方式，灌水总量不变，结合含水率的深度灌水方式能够显著提高冬小麦整体根量，总根长和总根重；随着生育期的推后，总根长和总根重增量不断增加；总根重增幅不如总根长明显，这主要是由于灌水深度调控主要影响的是深层根系。研究表明，深层根除了一部分下伸的次生根外，主要是由初生根组成[10]，而初生根较细，根干重很小，所以根干重变化幅度不如根长明显。

对表3和表4中处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ之间的总根量差异进行分析，可以看出总根长与总根重的变化规律类似，由于总根长变化幅度较大，选择分析总根长。在拔节期末和抽穗期末，总根长处理Ⅳ>处理Ⅲ>处理Ⅱ，表明灌水深度越大，总根长越大；而在灌浆期末和成熟期为处理Ⅲ>处理Ⅱ>处理Ⅳ ，处理Ⅳ总根长不再是最大，出现了降低，表明在冬小麦生育后期，并不是灌水深度越大，根系生长越好，灌水深度过大反而会对根系的生长产生不利影响，使得总根量降低。

表3 各生育期不同处理冬小麦的总根长Tab.3 Total root length of different irrigation treatments at different growth stages for winter wheat

注： 增幅表示处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ相对于处理Ⅰ的总根长增量；下表同。

表4 各生育期不同处理冬小麦的总根重Tab.4 Total root weight of different irrigation treatment at different growth stages for winter wheat

为了进一步分析，表5列出了拔节、抽穗、灌浆和成熟期各处理冬小麦的上层(0～30 cm)、下层(30 cm以下)土壤中根长总和占总根长的百分比。从表5中可以看出，深度灌水方式下的处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ冬小麦表层根系(0～30 cm)的根长总和所占比例均小于处理Ⅰ的，而下层根系所占比例均高于处理Ⅰ，结合其总根长规律，即处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的总根长大于处理Ⅰ，表明了深度灌水方式是通过促进下层根系的生长发育，提高下层根系所占的比例，从而提高整体根量。

表5 各生育期分层根长总和的百分比Tab.5 Root length distribution rate in different layers at different stages

从表5中还可以看出，由于处理Ⅰ是地表灌溉，表层根系(0～30 cm)发育较好，即使随着生育期的推后，下层根系所占比例逐渐增大，但其表层根系所占比例始终保持在55%以上。对于深度灌水方式下的处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，在拔节期末和抽穗期末，表层根系所占比例也基本在50%以上，上层根系发育较好；但在灌浆期末和成熟期，处理Ⅳ表层根系所占比例分别为41.46%和37.94%，下降比较明显，上层根系生长发育较差。结合表3，总根长也出现了大幅度下降。分析其原因，可能是由于对于试验所设计的深度灌水方式，灌水总量不变，一方面，随着生育期的推后，根深逐渐增大，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的设计灌水到达深度逐渐增大，表层灌水量逐渐减少；另一方面，处理Ⅱ到Ⅳ，随着设计灌水深度的增大，表层灌水量也逐渐减少。这就使得在冬小麦生育后期，处理Ⅳ的表层灌水量较少，而且生育后期温度升高，棵间蒸发增大，根系对水分反应较敏感，抗旱能力变差，最终导致处理Ⅳ表层根系生长发育受到抑制，总根量减少。所以对于深度灌水方式，应当选取适当的灌水深度，不宜过大；或在生育后期，要加大表层灌水量，满足表层根系的生长发育。

处理Ⅱ和处理Ⅲ冬小麦上层根系生长发育较好，下层根量明显提高，总根量增大，表明了适当的深度灌水方式，可以在上层根系发育较好的基础上，促进下层根系的生长发育，通过提高深层根量，来使得总根量(总根长、总根重)增加。

2.3 不同处理对冬小麦根长及根重密度的影响

根长及根重密度体现了根系在土壤垂直剖面中的分布状况，是研究根系形态的重要指标。

2.3.1不同处理对冬小麦根长密度的影响

图1为各生育期不同处理冬小麦根长密度随深度的分布情况。从图1中可以看出，各处理冬小麦根长密度随土层深度的变化趋势相同，即随着土层深度的增加根长密度呈逐渐减小的趋势，表明了本试验的深度灌水方式并没有改变根长密度随深度变化的总趋势。也可以看出，随着生育期的推后，下层土壤中的根长密度不断增大。

从图1中可以明显看出，虽然4个处理的根长密度随深度变化的总趋势相同，但分布明显存在差异，表明了不同灌水深度对冬小麦根长密度的空间分布有一定的影响；从整体上可以看出，处理Ⅰ的表层土壤中冬小麦的根长密度均为最大，但在下层土壤中，根长密度一直处于最小，说明了相比地表灌水方式，深度灌水方式使得冬小麦上层根系的根长密度有所减少，但却能显著提高下层土壤中的根长密度，也进一步证明了深层灌水方式能够显著促进深层根系的生长发育，增大下层土壤中的根量；处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ下层土壤中根长密度分布曲线与处理Ⅰ相比，较为平缓，根长密度随深度降低的幅度变小，趋于相对均匀，表明了深度灌水方式下，冬小麦根长密度在下层土壤中的分布趋于相对均匀；从处理Ⅰ到处理Ⅳ减小幅度变小，表明了灌水到达深度越大，冬小麦深层根系越趋于相对均匀分布。

图1 各生育期不同处理冬小麦根长密度随深度的分布Fig.1 Distribution of root length density of different treatment with soil depth at different growth stages for winter wheat

2.3.2不同处理对冬小麦根重密度的影响

灌水深度调控对冬小麦根重密度的垂直分布也有一定影响，且垂直分布规律与根长密度相似，不作具体说明。相比地表灌水方式，深度灌水方式能提高冬小麦下层土壤中的根重密度，但不如根长密度变化明显，这是由于冬小麦上层根系占主要部分且根径较大，而深层根系根量较少且根径较小，干重小，导致处理之间根重密度差异不如根长密度明显。

本试验中，处理Ⅱ和处理Ⅲ冬小麦根系入土较深，下层根系密度和整体根量有显著提高，根系整体生长发育较好。因此，灌水深度为根系分布深度的60%和75%是本试验条件下节水的适宜补灌深度，可为华北地区冬小麦节水灌溉提供参考。

在华北地区，雨季主要集中在种麦前的7、8、9月，而在冬小麦生育期内降雨量较少，有较多的水分贮存在深层土壤中。张喜英等[11]研究表明，旱作冬小麦在收获时，由于其深层根系密度过小，80 cm以下土层中有相当一部分土壤贮水不能被根系利用。本试验的深度灌水方式能够显著提高冬小麦深层根系密度，使其能够充分吸收深层贮水，从而提高根系吸收能力及水分利用效率，达到节水的目的。另一方面，深层根量密度越大，其抗旱能力越强[12]，深度灌水方式也能够提高冬小麦在生育后期的抗旱能力。

3 结 语

(1)相比地表灌溉，灌水总量不变，结合含水率的深度灌水方式是通过诱导冬小麦根系下扎，促进下层土壤(30 cm以下)中根系的生长发育，提高其所占的比例，从而使得整体根量显著提高；至成熟期，根系的入土深度比地面灌溉条件下增大30 cm左右，总根长增加20%左右，总根重增加10%左右。

(2)深度灌水方式没有改变根长及根重密度随深度递减的总趋势，但对其垂直分布有明显的影响。深度灌水条件下，表层(0～30 cm)根长及根重密度有所减少，但能显著提高下层(30 cm以下)土壤中的根长及根重密度，根系在深层土壤中的分布趋于相对均匀；且灌水深度越大，对深层根系的根长及根重密度的影响范围(深度)越大，冬小麦深层根系越趋于相对均匀分布。

(3)相比处理Ⅰ(地面灌溉)，处理Ⅱ(根系分布深度的60%)和处理Ⅲ(根系分布深度的75%)的冬小麦根系整体生长发育较好；但对于处理Ⅳ(根系分布深度的90%)，在生育后期，由于灌水深度过大对表层根系生长发育产生一定抑制作用，使得总根量下降。因此，灌水深度为根系分布深度的60%和75%是本试验条件下节水的适宜补灌深度，可为华北地区冬小麦节水灌溉提供参考。

(4)深度灌水方式能够在冬小麦上层根系发育较好的基础上，诱导根系深扎，显著提高深层根系密度和整体根量，从而提高冬小麦根系对土壤水分的吸收能力及水分利用效率，达到节水的目的，同时也能够提高冬小麦对干旱的适应能力。

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