耕层土壤虚实结构优化春玉米根系形态提高水分利用效率

2019-02-21孙占祥张立祯郑家明冯良山向午燕

农业工程学报 2019年21期

白伟，孙占祥※，张立祯，郑家明，冯良山，蔡倩，向午燕，冯晨，张哲

(1.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所，沈阳 110161；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193)

0 引言1

春玉米一年一熟制是东北地区最典型的种植模式之一，其播种面积占全国玉米总播种面积30%以上，产量占全国玉米总产量29%以上[1]，辽宁省是东北地区重要的玉米产区，主要分布在辽西北地区，种植面积占粮食播种面积的70%，产量占粮食总产的72%，对保障区域粮食安全具有重要意义[2]。该区域长期以连年浅旋耕为主的土壤耕作制度，导致耕层“浅”、“实”、“少”问题日益凸显，加上全球气候变暖导致东北地区“暖干化”，直接造成了该区域水分利用效率不高，春玉米产量低而不稳[3-4]。合理耕层构造是提高作物产量和水分利用效率的有效技术途径之一[5-9]，其机理主要是耕层构造能够增加耕层厚度、打破犁底层、调节土壤三相比等土壤物理性状[10-12]，同时能够改善作物地上部生长发育和根系形态生理[13-16]。因此，确立辽西北地区合理耕层构造、建立合理土壤耕作制度对提高春玉米产量和水分利用效率具有重要的现实意义。

作物根系是与土壤环境联系最直接、最紧密的器官，直接影响着作物产量和水分利用效率[2,17]。众多研究表明，耕层构造能够扩大土壤库容，增强土壤蓄水能力，改变土壤水分空间分布，提高降水利用率和作物水分利用效率[18-21]；同时可以影响作物根长、根表面积、根体积、根干重等根系形态指标[22-23]。耕层构造提高作物产量与根系形态指标有直接关系，因为茂盛根系可以增加对土壤水分和养分的吸收利用，对后期根系生长有着积极作用，为作物增产创造良好条件[24-25]。不同耕层构造直接导致土壤环境发生变化，而根系在耕层结构改变后首先会产生形态上适应性变化，然而关于辽西褐土区耕层构造对春玉米水分利用效率和根系形态发育的影响还鲜有报道。因此，本研究基于国家农业环境阜新科学观测实验站耕层构造定位试验，在利用2011 和2012年试验数据明确虚实并存耕层比上虚下实耕层平均增产 16.39%、降水利用效率提高16.59%、作物水分利用效率提高18.43%的基础上[2]，综合考虑不同年份降雨量、耕层构造后效性等因素，进一步探讨耕层构造对春玉米水分利用效率和根系形态的影响，从根系形态角度探讨虚实并存耕层构造提高春玉米产量和水分利用效率的机理，以期为东北春玉米区建立科学的土壤耕作制度和提高春玉米水分利用效率提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 区域概况

辽宁省西北部属温带季风大陆性气候区，四季分明，日照充足，雨热同季。多年平均气温7～8 ℃，5—9月份日照时数为1 200～1 300 h，10 ℃以上积温为2 900～3 400 ℃，无霜期为135～165 d，多年平均降水量为300～500 mm，且年内变化较大，旱灾频繁，“十年九旱”是其基本气候特征。耕作制度主要以春玉米一年一熟连作为主，土壤耕作制度为连年浅旋耕（耕深12～15 cm），耕层构造为上虚下实。

1.2 试验地点

试验于2015年4-10月和2016年4—10月在国家农业环境阜新科学观测实验站（辽西旱作农业典型类型区，位于辽宁省阜新市阜新蒙古族自治县阜新镇沙扎兰村，42°06′N、121°75′E）进行，耕层构造试验为实验站长期定位试验，始于2009年，种植制度为春玉米一年连作，每年试验处理相同。本研究选取2015和2016年数据进行分析。试验土壤类型为褐土，耕作层的基本土壤理化性状为有机质1.746 g/kg、全氮0.377 g/kg、全磷0.172 g/kg、全钾2.413 g/kg、速效氮194.85 mg/kg、速效磷50.38 mg/kg、速效钾113.78 mg/kg，pH值6.21，田间持水量26.90%，容重1.37 g/cm3，地势平坦，无灌溉条件。2015年生育期内降雨量为276.80 mm，平均温度为19.83 ℃；2016年生育期内降雨量为520.80 mm，平均温度为20.02 ℃，具体逐日降雨量、平均温度如图1所示。

图1 不同年份试验地作物生育期内逐日降雨量和平均温度 Fig.1 Daily rainfall and mean temperature duration in crop growth period of experiment station in different year

1.3 试验设计

采用随机区组设计，设置上虚下实耕层、全虚耕层、虚实并存耕层和全实耕层4 种耕层构造，3 次重复。每个小区面积20 m×6 m（12 垄），试验区总面积1 440 m2。2015年5 月3 日播种、9 月30 日收获；2016 年5 月5 日播种，9月29 号收获。供试品种为郑单958，种植密度为60 000 株/hm2，南北垄向（行距50 cm，株距33 cm）。肥料用量为播种时施入磷酸二铵（含N 18%，P2O546%）150 kg/hm2和三元复合肥（含N、P2O5、K2O 各15%）150 kg/hm2作为种肥，拔节期追施尿素（含N 46%）450 kg/hm2，其他管理正常。

1.4 耕层构造方式

1）上虚下实耕层（up loose and down compaction plough layer，ULDC）：每年春季采用传统旋耕机进行作业，深度12～15 cm，当地传统土壤耕作方式，作为本研究对照（CK）。

2）全虚耕层（all loose plough layer，AL）：从2009 年开始每隔1 a 采用V 型铲深松机进行作业，深度30～35 cm，再用传统旋耕机旋耕和播种。

3）虚实并存耕层（furrow loose and ridge compaction plough layer，FLRC）：每年采用凿式深松机进行作业，深度25～30 cm，宽幅50 cm，再用传统旋耕机旋耕和播种。

4）全实耕层（all compaction plough layer，AC）：每年采用免耕播种机直接播种。

1.5 测定指标及方法

1.5.1 土壤理化性质测定

2015 年播种前按常规方法[26]测定土壤基本理化性质。

1.5.2 产量及其构成因素

收获期每个处理随机取3 个10 m2样区进行测产，用水分仪测定籽粒水分含量，按14%含水量折合成公顷产量。每个样区随机取15 株，按常规方法测定穗行数、行粒数、秃尖长、百粒质量等产量构成因素。

1.5.3 单株干物质量

收获期随机连续选取植株5 株，称质量后在烘箱105 ℃杀青60 min，85 ℃烘至恒质量称干质量，计算植株含水率，然后根据鲜质量和5 株含水率的平均值计算单株干物质量。

1.5.4 土壤蓄水量

采用烘干法[2]测定土壤含水量，分别于玉米播种期（2015 年5 月3 日，2016 年5 月5 日）和收获期（2015年9 月30 日和2016 年9 月29 日）测定0～100 cm 土层土壤含水率，每10 cm 一个土层，3 次重复。

式中W 为土壤蓄水量，mm，h 为土层深度，cm，a 为土壤（0～100 cm）平均容重，1.45 g/cm3，b 为土壤质量含水率，%。

1.5.5 降水利用效率

降水利用效率[2]：

式中PUE1为作物生育期降水利用效率，kg/(hm2·mm)；PUE2为全年降水利用效率，kg/(hm2·mm)；GY 为作物籽粒（经济）产量，kg/hm2；R1为作物生育期降雨量，mm；R2为全年降水量，mm。降雨量由雨量器测定。

1.5.6 水分利用效率

作物耗水量[2]：

式中ET 为作物耗水量，mm；U 为地下水补给量，mm；R 为径流量，mm；F 为土壤水分渗漏量，mm；ΔW 为播种前至收获后土壤蓄水量的变化（0～100 cm），mm；试验区地势平坦，故地表径流和土壤水分渗漏量可以忽略不计；地下水多在几十米以下，地下水的补充也可以忽略不计；据此，式（4）可简化为

水分利用利率[2]：

式中WUEgy为籽粒产量水分利用效率，kg/(hm2·mm)；WUEby为生物产量水分利用效率，kg/(hm2·mm)；GY 为作物籽粒（经济）产量，kg/hm2，BY 为作物生物产量，kg/hm2。

1.5.7 根系形态

春玉米灌浆期（2015 年9 月14 日、2016 年9 月12日）采用直径为10 cm、高为10 cm，体积为785 cm3的柴油动力根钻取样，取样位置为纵向2 株玉米中间，所有根系取出放于自封袋中，冲洗干净后用WinRHIZO Program（Canada）植物根系分析系统分析根长密度、根表面积密度和根体积密度，最后将各样品装入纸袋风干，测定根干质重（精确到0.001 g）。

1.6 数据处理与分析方法

用Excel 进行试验数据整理分析并作图，用SPSS24.0软件作相关的统计分析，采用Duncan 法多重比较，显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 耕层构造对春玉米产量和产量构成因素的影响

产量方差分析表明（表1），耕层构造对春玉米产量影响显著（P＜0.05），2015 年FLRC、AC 与CK 差异显著（P＜0.05），表现为FLRC＞AC＞CK，FLRC 和AC分别比CK 增加34.86%、33.64%；2016 年表现略有不同，FLRC、AL 与AC、CK 差异显著（P＜0.05），表现为FLRC＞AL＞AC＞CK，FLRC 和AL 分别比CK 增加29.81%、18.19%。年际间差异显著（P＜0.05）。说明干旱年份（2015年）虚实并存耕层构造和全实耕层构造能够增加春玉米产量，丰水年份（2016 年）虚实并存耕层和全实耕层构造能够增加春玉米产量，产量增幅18.19%～34.86%。

产量构成因素方面，2015 年成穗数和百粒质量差异不显著（P＞0.05），穗行数AC 与CK 差异显著（P＜0.05），AC 比CK 增加13.23%，行粒数FLRC、AL、AC 与CK差异显著（P＜0.05），AC、FLRC、AL 分别比CK 增加33.05%、26.30%、18.98%，秃尖长AC 与FLRC、CK 差异显著（P＜0.05），AC 比FLRC、CK 分别高150%、88.68%；2016 年成穗数、穗行数、秃尖长和百粒重差异不显著，行粒数AL 与CK 差异显著（P＜0.05），AL 比CK增加13.17%。相关分析表明，产量与行粒数呈极显著正相关（r = 0.954），由此表明，耕层构造提高春玉米产量在产量构成因素方面的主要原因是行粒数显著提高。

表1 耕层构造对玉米产量及构成因素的影响 Table 1 Effect of plough layer constructions on maize yield and yield components

2.2 耕层构造对春玉米单株干物质量的影响

单株干物质量方差分析表明（图2），耕层构造对春玉米单株干物质量影响显著（P＜0.05），2015 年6 月18日，AL、FLRC 春玉米单株干物质量与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC 分别比CK 高11.14%、10.71%，CK与AC 差异显著（P＜0.05），AC 比CK 低10.24%；7 月17 日，FLRC 春玉米单株干物质量与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC 比CK 高10.39%，CK 与AC 差异显著（P＜0.05），AC 比CK 低7.48%；8 月20 日，FLRC 春玉米单株干物质量与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC 比CK高4.10%；9 月20 日，FLRC、AL 春玉米单株干物质量与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC 分别比CK 高10.82%、5.53%，CK 与AC 差异显著（P＜0.05），AC 比CK 低5.86%；9 月28 日，FLRC、AL 春玉米单株干物质量与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AL 分别比CK 高11.30%、6.04%。2016 年表现不同，6 月14 日，FLRC 春玉米单株干物质量与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AL 分别比CK 高21.45%、17.11%；7 月15 日，FLRC 春玉米单株干物质量与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC 比CK 高10.22%，CK 与AC 差异显著（P＜0.05），AC 比CK 低7.36%；8 月21 日，FLRC 春玉米单株干物质量与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC 比CK 高8.01%，CK 与AC 差异显著（P＜0.05），AC 比CK 低3.12%；9 月12日，FLRC 春玉米单株干物质量与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC 比CK 高6.29%；9 月27 日，FLRC 春玉米单株干物质量与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC 比CK高11.30%、5.18%，生物产量的增幅范围小于产量的增幅范围，主要是由于收获指数的提高，2015 年CK、FLRC、AL 和AC 收获指数分别为0.34、0.41、0.38 和0.45；2016年分别为0.45、0.56、0.53 和0.46。说明无论干旱年份还是丰水年份虚实并存耕层构造均能提高春玉米单株干物质量。

图2 2015—2016 年耕层构造对春玉米单株干物质量的影响 Fig.2 Effect of plough layer constructions on per plant maize biomass from 2015 to 2016

2.3 耕层构造对春玉米水分利用效率的影响

2.3.1 降水利用效率

降水利用效率方差分析表明（图3），2015 年FLRC、AC 春玉米生育期降水利用效率与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AC 分别比CK 高34.09%、33.64%；全年降水利用效率与生育期降水利用效率表现一致。2016 年FLRC、AL 春玉米生育期降水利用效率与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AL 分别比CK 高29.81%、18.19%；全年降水利用效率与生育期降水利用效率表现一致。说明干旱年份虚实并存和全实耕层构造能够提高春玉米降水利用效率，丰水年份虚实并存和全虚耕层构造能够提高春玉米降水利用效率，增幅18.19%～34.09%。

图3 2015—2016 年耕层构造对降水利用效率的影响 Fig.3 Effect of plough layer constructions on rainfall use efficiency from 2015 to 2016

2.3.2 耗水量及水分利用效率

耗水量及水分利用效率方差分析表明（表2），2015 年AC、FLRC 春玉米耗水量与CK 差异显著（P＜0.05），AC、FLRC 分别比CK 高5.42%、5.38%；FLRC、AC、AL 春玉米生物产量水分利用效率与CK 差异不显著（P＞0.05）；FLRC、AC 春玉米籽粒产量水分利用效率与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AC 分别比CK 高27.08%、26.02%。2016 年AC 春玉米耗水量与CK 差异显著（P＜0.05），AC比CK 高1.20%；FLRC、AC 春玉米生物产量水分利用效率与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC 比CK 高6.17%，AC 比CK 低2.87%；FLRC、AL 春玉米籽粒产量水分利用效率与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AL 分别比CK 高31.11%、17.82%。说明干旱年份虚实并存和全实耕层构造能够提高春玉米籽粒产量水利用效率，丰水年份虚实并存和全虚耕层构造能够提高春玉米籽粒产量水分利用效率。

表2 耕层构造对玉米耗水量及水分利用效率的影响 Table 2 Effect of plough layer constructions on maize water consumption and water use efficiency

2.4 耕层构造对春玉米根系形态的影响

2.4.1 根重密度

春玉米灌浆期是其生长的关键时期，选择春玉米灌浆期分析根系形态指标对客观评价耕层构造效应具有重要意义。根重密度方差分析表明（图4），2015 年0～10 cm 土层，AC、FLRC、AL 根重密度与CK 差异显著（P＜0.05），AC、FLRC、AL 分别比CK 高68.44%、26.02%、9.98%；10～20 cm 土层，FLRC、AC、AL 根重密度与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AC、AL 分别比CK 高135.35%、88.60%、55.21%；20～30 cm 土层，FLRC、AL、AC 根重密度与CK差异显著（P＜0.05），FLRC、AL 比CK 高137.63%、55.85%，AC 比CK 低30.68%；30～40 cm 土层，AL、FLRC、AC根重密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC 分别比CK 高68.82%、46.95%，AC 比CK 低28.73%；40～50 cm土层，FLRC、AL 根重密度与CK 差异不显著（P＞0.05），AC 与CK 差异显著（P＜0.05），AC 比CK 低26.31%；60～100 cm 土层，FLRC、AC、AL 根重密度与CK 差异显著（P＜0.05）。2016 年根重密度表现不同，0～10 cm 土层，AL、AC、FLRC 根重密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、AC、FLRC 分别比CK 低27.18%、40.44%、43.31%；10～20 cm土层，FLRC、AL、AC 根重密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC比CK高121.61%、114.35%，AC比CK低21.58%；20～30 cm 土层，AL、FLRC 根重密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC 分别比CK 高163.71%、101.94%，AC比CK 低3.94%；30～40 cm 土层，AL 根重密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL 比CK 高175.26%；40～50 cm 土层根重密度与30～40cm 土层表现一致；50～60 cm 土层，AL、FLRC、AC 根重密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC、AC 分别比CK 高205.68%、57.46%、28.75%；70～100 cm土层，FLRC、AC、AL 根重密度与CK 差异显著（P＜0.05）。说明无论干旱年份还是丰水年份虚实并存耕层和全虚耕层构造能够增加春玉米20～100 cm 土层根重密度。

图4 2015—2016 年耕层构造对春玉米根重密度的影响 Fig.4 Effect of plough layer constructions on maize root weight density from 2015 to 2016

2.4.2 根长密度

根长密度方差分析表明（图5），2015 年0～10 cm 土层，AC、FLRC、AL 根长密度与CK 差异显著（P＜0.05），AC、FLRC 分别比CK 高19.85%、11.97%，AL 比CK 低16.63%；10～20 cm 土层，FLRC、AL、AC 根长密度与CK 差异显著（P＜0.05），AC、FLRC、AL 分别比CK 高41.33%、36.84%、26.10%；20～30 cm 土层，FLRC、AL、AC 根长密度与CK差异显著（P＜0.05），FLRC、AL 分别比CK 高120.30%、53.69%，AC 比CK 低29.02%；30～40 cm 土层，AL、FLRC、AC 根长密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC 分别比CK 高66.85%、59.73%，AC 比CK 低27.56%；40～50 cm土层，AL、FLRC 根长密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL 与FLRC 分别比CK 高57.02%、46.04%；50～60 cm 土层、60～70 cm 土层与40～50 cm 土层根长密度表现一致；80～100 cm 土层，FLRC、AC、AL 根长密度与CK 差异显著（P＜0.05）。2016 年根长密度表现不同，0～10 cm 土层，FLRC、AC、AL 根长密度与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AC、AL 分别比CK 低16.17%、29.76%、52.82%；10～20 cm土层，AL、FLRC、AC 根长密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC 分别比CK 高80.03%、39.26%，AC 比CK 低34.35%；20～30 cm 土层，AL、FLRC 根长密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC 分别比CK 高160.08%、87.23%；30～40 cm 土层，AL 根长密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL比CK高171.00%；40～50 cm土层，根长密度AL、FLRC、AC 与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC、AC 分别比CK 高188.90%、48.18%、34.73%；60～100 cm 土层，FLRC、AL 根长密度与CK 差异显著（P＜0.05）。说明无论干旱年份还是丰水年份虚实并存耕层和全虚耕层构造能够增加春玉米20～100 cm 土层根长密度。

图5 耕层构造对春玉米根长密度的影响 Fig.5 Effect of plough layer constructions on maize root length density

2.4.3 根表面积密度

根表面积密度方差分析表明（图6），2015 年0～10 cm土层，AC、FLRC 根表面积密度与CK 差异显著（P＜0.05），AC、FLRC 分别比CK 高51.88%、28.24%；10～20 cm 土层，AC、FLRC、AL 根表面积密度与CK 差异显著（P＜0.05），AC、FLRC、AL 分别比CK 高142.08%、91.53%、49.48%；20～30 cm 土层，AL、FLRC、AC 根表面积密度与CK差异显著（P＜0.05），AL、FLRC分别比CK高67.54%、60.04%，AC 比CK 低22.01%；40～50 cm 土层，FLRC、AL、AC 根表面积密度与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AL 分别比CK 高113.25%、75.19%，AC 比CK 低11.38%；60～100 cm 土层，FLRC、AL 根表面积密度与CK 差异显著（P＜0.05）。2016 年根表面积密度表现不同，0～10 cm 土层，AC、FLRC、AL 根表面积密度与CK 差异显著（P＜0.05），但均低于CK；10～20 cm 土层，FLRC、AL、AC根表面积密度与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AL 分别比CK 高85.89%、13.56%，AC 比CK 低36.17%；20～30 cm土层、30～40 cm 土层与10～20 cm 土层根表面积密度表现一致；40～50 cm 土层，AL、FLRC、AC 根表面积面度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC、AC 分别比CK 高264.88%、74.56%、30.75%；60～70 cm 土层，AL、FLRC根表面积密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC 分别比CK 高203.97%、60.96%；80～100 cm 土层，FLRC、AL根表面积密度与CK 差异显著（P＜0.05）。说明无论干旱年份还是丰水年份虚实并存耕层和全虚耕层构造能够增加春玉米20～100 cm 土层根表面积密度

图6 耕层构造对春玉米根表面积密度的影响 Fig.6 Effect of plough layer constructions on maize root surface area density

2.4.4 根体积密度

根体积密度方差分析表明（图7），2015 年0～10 cm土层，AC、FLRC、AL 根体积密度与CK 差异显著（P＜0.05），AC、FLRC、AL分别比CK高159.41%、120.53%、48.65%；10～20 cm 土层，FLRC、AC、AL 根体积密度与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AC、AL 分别比CK 高116.57%、105.38%、57.79%；20～30 cm 土层，FLRC、AC、AL 根体积密度与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AC 分别比CK 高111.35%、95.75%，AL 比CK低6.60%；40～50 cm 土层，FLRC、AL 根体积密度与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AL 分别比CK 高134.23%、133.08%；60～100 cm 土层，FLRC、AC、AL根体积密度与CK 差异显著（P＜0.05）。2016 年根体积密度表现不同，0～10 cm 土层，FLRC、AL、AC 根体积密度与CK 差异不显著（P＞0.05）；10～20 cm 土层，AL、FLRC、AC 根体积密度与CK 差异显著（P＜0.05），AL、FLRC 分别比CK 高82.10%、60.26%，AC 比CK低21.19%；20～30 cm 土层，FLRC、AL 根体积密度与CK 差异显著（P＜0.05），FLRC、AL 分别比CK 高152.21%、50.63%；30～40 cm 土层与20～30 cm 土层根体积密度表现一致；50～100 cm 土层，FLRC、AC、AL根体积密度与CK 差异显著（P＜0.05）。说明无论干旱年份还是丰水年份虚实并存耕层和全虚耕层构造能够增加春玉米20～100 cm 土层根体积密度。

图7 耕层构造对春玉米根体积密度的影响 Fig.7 Effect of plough layer constructions on maize root volume density

2.5 耕层构造各指标相关性分析

各指标相关性分析结果表明（表3），生物产量与根重密度（r=-0.307）、根长密度（r=-0.301）呈负相关，与根表面积密度（r=0.336）、根体积密度（r=0.426）呈正相关。籽粒产量与根长密度（r=-0.884）呈显著负相关，与根重密度（r=1.000）呈极显著正相关，与根表面积密度（r= 0.876）、根体积密度（r=0.913）呈显著正相关。生物产量水分利用效率与根重密度（r=0.930）呈极显著正相关，与根长密度（r=0.755）、根表面积密度（r=0.928）、根体积密度（r=0.696）呈正相关。籽粒产量水分利用效率、生育期降水利用效率与生物产量水分利用效率表现一致。由此可知，虚实并存耕层提高春玉米产量的根系形态指标主要是根重密度、根表面积密度和根体积密度；提高春玉米生物产量水分利用效率、籽粒产量水分利用效率、生育期降水利用效率的根系形态指标主要是根重密度。

表3 各指标相关性分析 Table 3 Correlation analysis of each index

3 讨论

3.1 耕层构造与作物产量

多数研究表明虚实并存耕层能够促进作物生长发育提高作物产量，罗俊等[27]研究表明，虚实并存耕层构造能有效增加作物有效穗数、穗粒数、千粒质量等产量构成因素，增加籽粒产量；张银平等[28]研究表明，虚实并存耕层比全虚耕层小麦增产30.8%，玉米增产28.4%，比全实耕层小麦增产22.5%、玉米增产20.9%。本研究结果表明，不同耕层构造方式对春玉米籽粒产量和单株干物质影响显著（P＜0.05），虚实并存耕层和全实耕层构造能够增加春玉米产量，产量增幅18.19%～34.86%，主要原因是行粒数的显著提高；虚实并存耕层构造能提高春玉米单株干物质产量，增幅5.18%～11.30%。结果与前人研究结果在增产幅度略有不同，其原因是不同区域降雨量和降雨时间分布直接影响了耕层构造方式对作物籽粒产量和生长发育的贡献程度，导致了研究结论不同。

3.2 耕层构造与水分利用效率

多数研究认为不同耕层构造能够增加土壤入渗能力，扩大土壤水库，提高降水利用效率和作物水分利用效率。王浩等[29]研究表明，虚实并存耕层和全虚耕层比上虚下实耕层全生育期土壤蓄水量分别提高13.41 和15.70 mm，水分利用效率提高0.83～2.21kg/(hm2·mm)，刘丹等[30]研究表明，全实耕层+虚实并存耕层比上虚下实耕层水分利用效率显著提高27.5%。本研究结果表明，干旱年份虚实并存和全实耕层构造能够提高春玉米降水利用效率，丰水年份虚实并存和全虚耕层构造能够提高春玉米降水利用效率，增幅18.19%～34.09%。耕层构造对春玉米耗水量、生物产量水分利用效率和籽粒产量利用效率影响显著（P＜0.05），干旱年份虚实并存和全实耕层构造能够提高玉米耗水量、生物产量水分利用效率和春玉米籽粒产量水利用效率，丰水年份虚实并存和全虚耕层构造能够提高玉米耗水量、生物产量水分利用效率和春玉米籽粒产量水利用效率，增幅分别为1.20%～5.42%、2.74%～6.23%、18.23%～31.49%。研究结果与前人研究结果略有不同，其原因一是由于区域生态环境不同，二是耕层构造设置不同，特别是耕层构造方式、时间、深度、周期等，导致了研究结论差异。

3.3 耕层构造与作物根系

耕层结构改变将直接影响作物根系形态指标变化，且不同作物影响不同，多数研究认为耕层构造可以影响作物根系形态指标。高飞等[31]研究表明，虚实并存耕层比上虚下实耕层作物根干重、根长、根表面积、根体积分别提高59.1%、22.8%、41.1%、59.2%；赵亚丽等[16]研究表明，虚实并存耕层构造比上虚下实耕层构造作物根长、根系表面积、根系体积分别增加67.0%、45.3%和23.1%。本研究结果表明，干旱年份全实耕层和虚实并存耕层构造能够增加春玉米灌浆期根重密度、根长密度、根表面积密度和根体积密度。相关分析表明，虚实并存耕层提高春玉米产量的根系形态指标主要是根重密度、根表面积密度和根体积密度；提高春玉米生物产量水分利用效率、籽粒产量水分利用效率、生育期降水利用效率的根系形态指标主要是根重密度。研究结果与前人研究略有不同，主要是由于不同作物品种、取样时间、生态环境、耕层构造设置等因素的不同所致。