深层灌水下冬小麦根系分布及吸水能力的研究

2018-08-01孙西欢马娟娟郭向红

节水灌溉 2018年7期

王璞，孙西欢,2，马娟娟，郭向红

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.晋中学院，山西晋中 030619)

我国北方地区缺水严重，冬小麦作为北方重要的粮食作物，全生育期内降水少，已成为制约小麦高产的关键因素[1]。灌水是冬小麦获得生长水分的重要方式，北方水资源匮乏，灌溉成本高，水分利用率低[2,3]，因此需通过提高灌水利用效率的方式实现节水灌溉。近些年关于冬小麦的节水灌溉制度主要集中于灌水定额[4]、灌水次数[5]和灌水时期方面的研究[6]，而对于结合各层土壤含水量的深层灌溉方式研究尚少。

灌水总量不变条件下，结合根系生长深度，进行深层灌水，能够促使冬小麦根系深扎，增加整体根量，促进冬小麦干物质量的积累，增加产量，提高冬小麦的收获指数。目前狄楠研究了深层灌水对冬小麦根系生长的影响[7]，黄洁研究了深层灌水对冬小麦水分利用效率的影响[8]，但没有深入研究该灌水方式下冬小麦的吸水能力。根系吸水能力的研究对调节冬小麦灌溉制度，为农业节水增产实践提供有效的理论指导具有重要意义[9]。而作物对各土层水分的利用状况取决于土层中根系分布量、根系吸水速率及有效含水量。无论土壤水分是否充足,根系在作物吸水过程中都起着非常重要的作用，通常将根系吸水表征为根系分布的函数[10,11]。本文主要通过研究相同供水量情况下深层灌水条件下冬小麦的根系分布特征，并利用冬小麦的根系分布函数及蒸腾强度，计算不同灌水深度下冬小麦的根系吸水系数，来研究该灌水方式下的冬小麦根系吸水能力。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年10月-2017年6月在山西水利职业技术学院实训基地(34°48′27″N, 110°41′23″E,海拔约370 m)进行。该基地位于山西省运城市，多年平均日照时数2 247.4 h，年平均气温13.6 ℃。试验区土壤属于中壤土，地下水埋深大于6 m。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，全氮含量为1.150 g/kg，有效钾含量为206.5 mg/kg，有效磷含量为45.79 mg/kg。0～300 cm土壤物理参数见表1。

表1 土壤物理参数

1.2 试验设计

本实验主要研究不同灌水深度处理下冬小麦的根系分布及吸水能力，为达到深层灌水条件，试验采用塑料管土柱法，将冬小麦种于外径20 cm，长300 cm的土柱内，共设5个处理(见表2)，每个处理设置3个重复组。试验品种为国审麦良星99，于2016年10月12日播种，三叶期每根土柱定苗12棵，密度等同大田，试验全过程做遮雨处理，其他管理措施同当地大田管理。部分土柱设置含水率管，监测土壤水分(见图1)。

表2 试验处理

图1 试验土柱布设图(单位：mm)注：在田间选取2.5 m×22 m土地进行土柱试验，各土柱间隔0.8 m，共83根土柱，其中66根(图1用空心圈表示)用于试验处理，剩余17根土柱(图1用实心圈表示)为与往年的对照试验。

灌水量按照当地大田管理确定，共进行5次灌水：越冬-返青水、返青-拔节水，拔节-抽穗水，抽穗-灌浆水，灌浆-成熟水。其中越冬-返青水均按地表灌溉处理，其余按灌水深度根据表2来计算。根据大田管理换算得，每根土柱的单次灌水量为1 833 mL(不含含水率测管)，1 723 mL(含含水率测管)。将设计灌水深度土层分层，用下式计算每个土层所需水量：

M=10ρbH(θi-θ)

(1)

式中：M为灌水量，mm；H为土壤计划湿润层深度，cm；ρb为计划湿润层的土壤容重，g/cm3；θi为目标含水量(湿润层土壤田持的85%)；θ为灌溉前土壤含水量，%。

在土柱壁上打孔，用点滴管向每个土层加入所需水量，最后将剩余水量从地表灌入。

1.3 测定指标与方法

(1)根长密度：取出土柱，纵向分开 PVC 管，测量平均最大根深，然后每隔10 cm横向切开土柱，放在筛子里冲洗至所有根上均无泥土后，用镊子挑出洗净的根，用EPSON Perfection 4870 Scanner根系扫描仪进行扫描，再用WinRHIZO Pro(Version 2004a)根系分析程序对所得图像进行分析获得根系数据。

(2)土壤含水率：土壤含水率采用TRIME-PICO IPH仪器定期测定，从地面到土柱底端每20 cm一测，每周测一次，灌水或降雨后加测。

(3)叶面积指数：在冬小麦的各个生育期每个土柱随机选取四片叶片，用毫米刻度尺测量叶片的叶长(Li，i=1,2,3,4)和叶宽(Wi，i=1,2,3,4)，数出每根土柱的叶片总数N，用下式计算叶面积指数：

(2)

式中：LAI为叶面积指数；Li为叶长，mm；Wi为叶宽，mm；S为试验筒底面积，mm2。

(4)蒸腾强度：先用水量平衡法测定冬小麦的总蒸发蒸腾量。

ETc=ΔW+I+G+P-D

(3)

式中：ETc为作物各生育阶段的蒸发蒸腾量，mm；ΔW为时段内土壤储水量的变化，mm；I为时段内的灌水量，mm；G为时段内的地下水补给量，mm；P为时段内有效降雨量，mm；D为时段内深层渗漏量，mm。

因本实验为土柱试验，土柱底部进行了封底，又增加了遮雨棚进行遮雨处理，因此上式中G、P、D均为0，上式可简化为：

ETc=ΔW+I

(4)

(5)

式中：θz为深度为z处的土壤含水率；θz0为深度为z处的土壤初始含水率。

蒸腾强度Ta参照康绍忠等[12](1994年)提出的叶面蒸腾和总蒸发蒸腾之间的关系计算，见下式：

(6)

式中：Ta为蒸腾强度，cm/d；LAI为叶面积指数；K=0.397 3；A=1.036 4；t为7∶00-19∶00。

1.4 根系吸水能力计算

假定所有根系的吸水性能均匀一致，根系吸水速率与根长密度呈线性正比[13]，有：

S=Crpα(θ)Ld

(7)

(8)

式中：S为根系吸水速率，cm3/(cm3·d)；Crp为单位根长潜在根系吸水系数，cm3/(cm·d)，表示单位根长在单位时间内所吸收水分的体积，在根系层内为一常数；Ld为根长密度，cm/cm3；α(θ)为土壤水分胁迫修正因子；θ为土壤含水量；θF为田间持水量；θwp为凋萎含水量。

将式(7)在整个根系层积分，则有：

(9)

式中：Ta为实际蒸腾强度，cm/d，亦为单位面积冬小麦的总吸水速率；z为垂直坐标，cm，以地面为基准面，向下为正；Lr为最大扎根深度，cm。

由式(9)推得冬小麦的单位根长潜在根系吸水系数Crp计算式如下：

(10)

采用式(10)计算出Crp，比较不同处理下的系数Crp。

2 结果与分析

2.1 不同灌水深度处理下冬小麦的根系分布规律

2.1.1 不同深度灌水处理下冬小麦的根长密度变化

根长密度是研究冬小麦根系在土层分布的重要指标。图2为不同时期冬小麦的根长密度分布图，由图2可见，在冬小麦的整个生育期，根长密度随土层深度的变化趋势基本一致，即越接近表层土壤，根系分布越多，根长密度越大，随着土层的深入，根长密度呈波动递减趋势。

冬小麦的生育期内不同灌水深度下各处理的根长密度也有很大差异。拔节期后地表0～30 cm土层冬小麦的根长密度随灌水深度的增大而减小，在灌浆期各处理间的差异性最大，T1到T5分别为13.477 8、11.190 9、10.441 3、9.529 8、7.804 2cm/cm3，占T1到T5各处理总根长的64.36%、61.22%、57.43%、54.26%、52.75%；30～50 cm土层根系的根长密度随灌水深度的变化，各处理间差异性减小，且出现了拐点，即部分处理下冬小麦的根长密度在30～50 cm土层出现增大现象，主要是由于深层灌水增加了下层土壤的含水量，下层较高的含水量促进了根系生长，因此随灌水深度的增加，30～50 cm土层冬小麦根长密度的增加程度越大；50 cm以下土层根系的根长密度大致表现为T5>T4>T3>T2>T1；100 cm以下土层冬小麦的根长密度占比随灌水深度的增加而增大，且在抽穗期各处理间差异达到最大，灌浆期T1到T5处理100 cm以下土层根长密度占比分别为19.86%、27.87%、32.95%、39.60%、40.42%，灌水深度为根系分布深度的90%处理下根长密度占比最大。

图2 不同时期冬小麦的根长密度分布图

2.1.2 不同深度灌水处理下冬小麦的根长密度分布函数

对各处理下冬小麦的分布进行函数拟合，由图2可以看出各处理冬小麦各生育期的根长密度随土层深度的变化大致呈指数分布，为深入研究冬小麦根系随土壤深度及时间的分布规律，本文建立冬小麦根长密度的时空分布函数，见式(11)。

Ld(z,t)=ae(-b|z-c|)e(-d|t-f|)

(11)

式中：Ld(z,t)为根长密度；z为土层深度；t为时间，d；a为各生育期冬小麦根长密度的最大值；b为各生育期冬小麦根长密度随土层深度的递减速率；c为各生育期冬小麦最大根长密度所对应的土层深度；d为冬小麦根长密度随时间的递减速率；f为冬小麦根长密度达最大值时所对应的时间，d。

表3为根长密度分布函数各参数值表。由表3可见a值随灌水深度的增加不断减小，即各生育期根长密度的最大值减小；b值随灌水深度的增加不断减小，说明冬小麦根长密度随土层深度的递减速率随灌水深度的增加不断减小，深层灌水能显著降低冬小麦根长密度随土层深度的递减速率，且灌水深度越大，递减速率越小；d值为冬小麦根长密度随时间的递减速率，随灌水深度的增加d值出现先增大后减小的变化规律，灌水深度为根系分布深度的75%时递减速率最大；f值除T2外，均较地面灌溉有所增大，且随灌水深度的增加增大幅度越大，灌水深度为根系分布深度的90%时f值最大，可见灌水深度大于根系分布深度的40%时可以推迟冬小麦达到最大根长密度的时间。

表3 各处理对应的参数值

2.2 不同深度灌水处理下冬小麦的平均蒸腾强度分析

通过式(4)计算冬小麦的日蒸发量，各时期取平均值，得到冬小麦各生育期平均蒸腾强度，由于根系从土壤吸得的水分绝大部分用于蒸腾，亦可将蒸发蒸腾强度看作冬小麦的根系吸水速率，见图3。由图3可见冬小麦的蒸腾强度在生育期内总体呈现先增大后减小的趋势，蒸腾强度在抽穗期达到最大，各时期不同处理下冬小麦的蒸腾强度又表现出一定的差异性。拔节期冬小麦的蒸腾量随灌水深度的增加而增大，灌水深度为根系分布深度的90%时蒸腾强度最大；抽穗期各处理冬小麦的蒸腾强度均达到生育期内的最大值，分别为0.723 8、0.774 1、0.788 6、0.806 5、0.779 7 cm/d，蒸腾强度随灌水深度的增加出现先增大后减小的趋势，灌水深度为根系分布深度的75%时蒸腾强度最大，即该处理下冬小麦的吸水速率最大，与该时期各处理根长密度的变化规律一致；灌浆期，各处理冬小麦的蒸腾强度较抽穗期均有所下降，是因为灌浆期冬小麦的部分叶片开始变黄，叶片的蒸腾速率降低，随灌水深度的增加，冬小麦的蒸腾强度变化规律与抽穗期一致，即T4>T5>T3>T2>T1；成熟期，各处理冬小麦的蒸腾强度显著降低，且各处理间差异变小，是由于成熟期冬小麦的叶片开始迅速萎蔫变黄，而叶片是植物进行蒸腾作用的主要部位，叶片的萎蔫变黄导致了叶片蒸腾速率显著降低，各处理间差异减小。

图3 冬小麦各生育期平均蒸腾强度

2.3 不同灌水深度下冬小麦的根系吸水系数分析

运用式(10)计算各处理冬小麦的Crp值，由于冬小麦收获前叶片大部分枯黄萎蔫，蒸腾速率不再与根长密度呈线性关系，因此采用冬小麦返青期至灌浆期的数据计算Crp值，结果见图4。

图4 不同处理Crp比较图

图4为不同处理下Crp的比较图，由图4可见，从返青期到灌浆期，各处理冬小麦的吸水系数均出现先增大后减小的变化趋势，在抽穗期出现最大值。各处理不同时期冬小麦的吸水系数也表现出一定的差异性，返青期和拔节期各处理的Crp值差异相对较小；抽穗期各处理冬小麦的吸水系数为全生育期的最大值，分别为0.003 24、0.003 43、0.003 27、0.002 99、0.002 91，表明该时期各处理单位根长的吸水速率均达到生育期内的最大值，随灌水深度的增加Crp值先增大后减小，是因为抽穗期时冬小麦各处理间根长密度随灌水深度的增加出现先增大后减小的趋势，各处理间蒸腾差异较小，T4、T5因根长密度较大，单位根长潜在吸水系数相对较小，T1、T2、T3因根长密度相对较小，单位根长潜在吸水系数相对较大；灌浆期冬小麦的吸水系数表现为T1>T2>T3>T4>T5，是因为该时期各处理冬小麦的根长密度表现为随灌水深度的增加先增大后减小，各处理间差异显著，且由于灌水深度的增加，促进了冬小麦的根系下扎，使深层根系的比例大幅增加，加之深层土层含水量较大，α(h)值较大，α(h)与Ld的乘积在整个根系生长层的积分值随灌水深度的增加而增大，而灌浆期各处理蒸腾差异相对较小，因此Crp值随灌水深度的增加而减小。