耕作对旱地小麦根系生长及土壤水分利用的影响

张慧芋，孙 敏，高志强，梁艳妃，李念念，张 娟，杨清山

耕作对旱地小麦根系生长及土壤水分利用的影响

张慧芋，孙 敏，高志强，梁艳妃，李念念，张 娟，杨清山

（山西农业大学农学院，山西太谷030801）

在运城市闻喜小麦试验基地于前茬小麦收获后15 d进行休闲期深松、深翻、免耕，探索旱地小麦土壤蓄水量、根系特性、产量及其构成因素对耕作的响应，研究夏闲期耕作对旱地小麦土壤水分蓄积、根系生长及产量形成的影响，明确最佳夏闲期耕作技术。结果表明，休闲期耕作显著增加旱地小麦播种前0～100 cm土壤蓄水量，达18～36 mm，且其蓄水效果可延续至孕穗期；显著增加旱地小麦各生育时期0～80 cm根长、根表面积、根体积以及根尖数，且深松效果较深翻好；显著提高旱地小麦各生育时期根系活力，尤其越冬—孕穗期；显著提高旱地小麦水分利用效率5.6%～15.2%；最终，提高穗数达6.2%～18.6%，提高产量达10.9%～26.2%，且以深松效果更佳。休闲期耕作可促进旱地麦田土壤蓄积休闲期降水，促进小麦根系下扎，提高其根系活力，从而提高产量。

旱地小麦；夏闲期耕作；土壤水分；根系特性；产量

山西省地处黄土高原东塬，年降水季节分布不均，年降雨量约2/3集中在旱作麦田休闲期（7—9月），正好相悖于其生长需水期，小麦产量低而不稳。因此，通过最大限度地蓄积休闲期降雨，减少土壤水分的无效蒸发，是提高旱地小麦生产力的关键所在。休闲期耕作可改善麦田土壤结构，增加土壤蓄水能力，有利于小麦产量、水分利用效率的提高[1-3]。LAMPURLANES等[4]研究表明，休闲期免耕土壤团聚体含量提高，浅层土壤蓄纳水养分的能力提高。WANG等[5]研究表明，休闲期深翻有利于改善土壤结构，提高土壤渗水速度，扩大库容，以最大限度地蓄纳雨水，促进小麦生长。党建友等[6]研究表明，休闲期深松后，土壤犁底层被打破，耕层加厚，促进小麦根系下扎以吸收深层土壤水分与养分，产量提高。王红光等[7]研究表明，深松较免耕提高了小麦穗粒数和千粒质量，但并无显著差异。李友军等[8]在豫西旱作麦区的研究结果表明，深松较深翻提高产量、水分利用效率分别达28%，0.8%，免耕较深翻提高产量、水分利用效率分别达22%，5.2%。魏欢欢等[9]研究表明，在黄土高原自然降水为500～600 mm试验年度，深松耕较免耕分别提高旱地小麦产量和水分利用效率14.5%，12.2%。前人研究主要是通过耕作影响土壤水分进而影响小麦产量，而如何利用耕作来改善土壤理化特性，提高小麦根系对土壤深层水分与养分的吸收贮备能力，进而促进其高效生产仍有待深入探索。

本研究在夏闲期采用不同的耕作技术，研究其对旱作小麦土壤蓄水效果、根系特性及产量的影响，旨在为黄土高原旱作麦区实现稳产高产提供最佳耕作技术。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为运旱20410。

1.2 试验地概况

试验在运城市闻喜县桐城镇邱家岭小麦试验基地展开，于2011年6月至2012年7月实施。该试验地地处黄土高原南部，属于典型的半干旱气候。试验地概况如表1所示。2011—2012年度降雨量为 661.89 mm（图 1）。

表1 邱家岭试验地概况

1.3 试验设计

试验采取完全随机设计，在2011年6月上旬小麦收获后，7月上中旬将其秸秆粉碎还田，并按1 500 kg/hm2深施有机肥，分别进行夏闲期深松（30 cm＜耕层＜40 cm，SS）、夏闲期深翻（25 cm＜耕层＜30 cm，DT）、夏闲期免耕（不利用任何耕作机械整地，NT），3个处理均设3次重复，且每个处理的3次重复面积共有90 m2（30 m×3 m）。8月下旬耙耱整地，以减少水分的蒸发，基施纯N（尿素，含氮量46%），P2O5（过磷酸钙，含磷量16%），K2O（氯化钾，含量62%）各150 kg/hm2，其他操作同常规管理。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤蓄水量 分别于播种前、越冬期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期6个时期，用洛阳铲取0～1 m土样，每隔20 cm为1个土层，将取回的土样分别称湿质量，然后在105℃电热鼓风干燥箱中烘干至恒质量并称量。

1.4.2 根系特性 分别于返青期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期5个时期，用CI-600根系扫描观测仪记录0～80 cm（以20 cm为1个单位）小麦根系的动态，并获取相应图片。将扫描出的根系图以BMP格式存储，用WinRHIZO根系分析软件对根系参数进行解析。

1.4.3 根系活力 分别于越冬期、返青期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期6个时期取样，以0～20 cm耕层根系作为根系活力的测定目标。

1.4.4 产量及其构成因素 于成熟期测定单位面积的穗数、每穗平均粒数和千粒质量，并以16 m2为单位测定其实际产量。

1.5 计算方法及统计分析

详细计算方法参照侯贤清等[10]的方法进行。

采用Microsoft Excel 2010，SAS9.0软件处理数据并进行统计分析，用LSD法进行α＝0.05的差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 播种前及各生育时期0～1 m土壤蓄水量对夏闲期不同耕作方式的响应

夏闲期耕作显著提高旱地小麦播种前0～1 m土壤蓄水量，深松、深翻分别较免耕提高36，18 mm。随生育进程推进，1m内土壤蓄水量逐渐降低（图2）。越冬—成熟期土壤蓄水量均以深松最高，深翻次之。越冬—开花期各处理间差异均显著，而成熟期深松与深翻处理间差异不显著，且均显著低于免耕处理。

2.2 根系特性对夏闲期不同耕作方式的响应

2.2.1 0～80 cm各土层根长 夏闲期耕作显著增加旱地小麦各生育时期0～80 cm根长，深松、深翻分别较免耕增加22%，13%（表2）。随土层深度下移，根长表现为递减。随生育进程的推进，0～80 cm各土层根长逐渐减少。0～80 cm各土层根长均以深松最高，深翻次之，免耕最低，且0～20 cm土层返青期、拔节期、孕穗期和成熟期的深松与免耕间差异均显著；20～40 cm土层返青至开花期深松与免耕间差异均显著；40～60 cm土层返青至孕穗期深松、深翻与免耕间差异均显著，开花期各处理间差异均显著；60～80 cm土层返青至孕穗期和成熟期深松与免耕间差异均显著，开花期各处理间差异均显著。

表2 夏闲期耕作对各生育时期0～80 cm各土层根长的影响 cm

2.2.2 0～80 cm各土层根表面积 夏闲期耕作显著提高旱地小麦各生育时期0～80 cm根表面积，深松、深翻分别较免耕提高24%～43%，14%～30%（表3）。随土层深度下移，根表面积表现为递减。随生育进程推进，0～80 cm各土层根表面积表现为逐渐减少。0～80 cm各土层根表面积均以深松最高，深翻次之，免耕最低，且0～20 cm土层返青期、开花期、成熟期各处理间差异均显著，拔节—孕穗期深松较免耕差异均显著；20～40 cm土层拔节期、孕穗期、成熟期各处理间差异均显著，返青期深松、深翻与免耕差异均显著，开花期深松与免耕间差异显著；40～60 cm土层返青期、拔节期、开花期和成熟期各处理间差异均显著，孕穗期深松、深翻与免耕间差异均显著；60～80 cm土层返青期、拔节期、开花期各处理间差异均显著，孕穗期和成熟期深松与免耕间差异均显著。

2.2.3 0～80 cm各土层根体积 夏闲期耕作显著提高旱地小麦各生育时期0～80 cm根体积，且深松较深翻高（表4）。随土层深度下移，根体积表现为递减。随生育进程推进，0～80 cm各土层根体积表现为逐渐减少。0～80 cm各土层根体积均以深松最高，深翻次之，免耕最低，且0～20 cm土层拔节期差异显著，返青期、孕穗期、开花期和成熟期深松与其他2个处理间差异均显著；20～40 cm土层返青期、拔节期、孕穗期、成熟期各处理间差异均显著；40～60 cm土层返青期、拔节期深松与免耕间差异均显著，孕穗—开花期深松与其他2个处理间差异均显著；60～80 cm土层成熟期深松与免耕间差异显著，返青—孕穗期深松与其他2个处理间差异均显著。

表3 休闲期耕作对各生育时期0～80 cm各土层根表面积的影响 cm2

表4 休闲期耕作对旱地小麦各生育时期0～80 cm各土层根体积的影响 cm3

2.2.4 0～80 cm各土层根尖数 夏闲期耕作显著提高旱地小麦各生育时期0～80 cm根尖数，且深松较深翻高（表5）。

表5 休闲期耕作对旱地小麦各生育时期0～80 cm各土层根尖数的影响 个

由表5可知，随土层深度下移，根尖数表现为递 减。随生育进程推进，0～80 cm各土层根尖数表现为逐渐减少。0～80 cm各土层根尖数均以深松最高，深翻次之，免耕最低，且0～20 cm土层返青期各处理间差异显著，拔节期、孕穗期、开花期和成熟期深松与免耕间差异均显著；20～40 cm土层孕穗期各处理间差异均显著，返青期、拔节期、开花期深松与免耕间差异均显著，成熟期深松与其他2个处理间差异均显著；40～60 cm土层返青期、拔节期、孕穗期、开花期深松与免耕间差异均显著，成熟期深松与其他2个处理间差异均显著；60～80 cm土层孕穗期各处理间差异均显著，拔节期深松与免耕间差异显著。

2.3 根系活力对夏闲期不同耕作方式的响应

随生育进程的推进，根系活力表现为先升后降的变化趋势，且拔节期达最大值（图3）。休闲期耕作显著提高了各生育时期的根系活力，且深松较深翻高，越冬—成熟期各处理间差异均显著。

2.4 产量及其构成因素对夏闲期不同耕作方式的响应

表6 夏闲期耕作对旱地小麦产量及其构成因素的影响

休闲期耕作提高了穗数、穗粒数、千粒质量和产量，且穗数和产量各耕作之间差异显著，深松、深翻较免耕分别提高穗数18.6%，6.2%，提高产量26.2%，10.9%；穗粒数提高差异不显著，千粒质量深松、深翻与免耕间差异均显著，且深松较深翻效果好（表6）。休闲期耕作显著提高了水分利用效率，且各处理间差异显著，深松、深翻较免耕分别提高15.2%，5.6%。

3 讨论与结论

毛红玲等[11]研究表明，夏闲期深松可提高旱地麦田0～3m土壤含水量。陈梦楠等[12]研究表明，夏闲期深翻和深松分别提高播前土壤蓄水量54，79 mm。孙敏等[13-14]研究表明，休闲期耕作可提高播前土壤蓄水量，在丰水年，深翻和深松分别较免耕提高播前土壤蓄水量8.95%，12.25%。本试验研究结果表明，休闲期耕作有利于蓄纳夏闲期降水，提高旱地小麦播前土壤水分含量，较免耕提高达18～36 mm（9.6%～15%），且其蓄水保墒效果可延续至孕穗期。与前人研究结果相比，播前土壤蓄水量增加幅度较低，可能与2011—2012年度休闲期降雨量较多有关，这与孙敏等[13，15]的研究结果一致。

刘鹏等[16]研究结果表明，作物的根长、根表面积和根体积对土壤中氮素利用效率的提高起着决定性作用。耕作是影响根系生长的重要土壤管理措施[17]。杨林丰等[18]研究表明，耕作可以促进根系下扎，增大根在土壤中的分布面，从而增加根数量、根体积。梁金凤等[19]研究表明，深松可以提高玉米的根重密度和根长密度。王新兵等[20]、齐华等[21]研究表明，深松可改善玉米群体的根系空间分布结构，提高其根干质量、深层根系量、根表面积和根系体积。温斐斐等[22]研究表明，旱地小麦休闲期深翻可提高越冬期幼苗初生根数、次生根数及根系活力。本试验研究结果表明，通过休闲期耕作，旱地小麦返青—成熟期0～80 cm各土层根长、根表面积、根体积和根尖数均显著提高，且以深松效果更佳。这可能是由于2011—2012年度降水充足，休闲期耕作可有效改善土壤紧实结构，增加自然降雨的渗透，使小麦根系生长良好，与杨林丰等[18]的研究结果一致。本试验结果还表明，休闲期耕作提高了旱地小麦整个生育时期的根系活力，其中，生育期前中期与土壤蓄水量变化趋势一致。

赵红梅等[23]研究表明，旱地小麦休闲期深翻可有效蓄保休闲期降水，并有效提高水分利用效率，最终通过穗数和穗粒数来提高产量。侯贤清等[24]、王维等[25]在宁南旱区的研究表明，在7月上旬前茬小麦收获后进行夏闲期深松和深耕，可分别提高旱地小麦穗数2.2%～4.6%，提高产量24%～35%，提高水分利用效率28.3%～33%，且以深耕效果更佳。本试验研究结果表明，在2011—2012年度降雨形势下，休闲期耕作可提高穗数6.2%～18.6%，提高产量10.9%～26.2%，提高水分利用效率5.6%～15.2%，且以深松效果更佳。本试验研究结果与侯贤清等[24]的研究结果不一致，这与试验地气候、降水年型、耕作机械及方式有很大关系[26]。

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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

国家现代农业产业技术体系建设专项经费（CARS-03-01-24）；国家自然科学基金项目（31771727）；国家公益性行业（农业）科研专项（201303104）；山西省科技创新团队项目（201605D131041）；山西省回国留学人员重点科研资助项目（2015-重点4）；山西省回国留学人员科研资助项目（2017-068）；晋中市科技计划项目（Y172007-2）

张慧芋（1993-），女，山西临汾人，在读硕士，研究方向：旱作栽培及生理。高志强为通信作者。