滴灌水氮运筹对南疆春小麦根系生长及产量的影响

孙 婷，张 迪，王冀川，张建芳，石元强，比拉力·艾力，朱 娟

(塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔843300)

作物根系生长质量的好坏及分布特征直接影响作物生长、抗旱性及产量的形成［1］。水氮是影响作物根冠生长及生理功能的重要因素，滴灌麦田由于优化了根区肥水供应方式，改善了小麦根系特征与肥水利用效率之间的关系，增产节水效果明显［2-3］，但关于水氮调控滴灌春小麦根系生长特性的研究较少［4］，滴灌春小麦水肥高效利用的机制尚不清楚，影响了科学合理水肥运筹制度的制定。关于水氮对作物根系的影响研究，李秧秧等［5］认为，适量施氮(尿素600 kg·hm-2)能增加总根质量和深层土壤中的根质量，提高小麦的抗旱性;过量施氮(尿素1 500 kg·hm-2)增加上层根量，对抗旱性的意义并不大。严重水分胁迫时，过量施氮会导致根细胞膜伤害率明显增加，根-水分关系恶化，根系保水能力下降，使小麦抗旱性降低。张国盛等［6］认为，轻度水分胁迫下，施氮能增加小麦的根系干质量、长度、活力和活跃吸收面积，但在严重水分胁迫条件下，施氮可导致根体积和根干质量严重下降，这说明氮营养在某种程度上能部分改善小麦的耐旱性。Pandey等［7］认为小麦苗期水分调亏对氮素的吸收能力降低，在生长中期复水后对氮素的吸收有强烈的补偿效应。以上研究是在常规灌溉下进行的，滴灌由于改变了水肥供应方式，水氮对冬小麦根冠生长调节效应与常规灌溉有明显不同。本试验在南疆干旱气候条件下，通过滴灌水氮一体化措施，研究水氮双因素对小麦根系生长特征和产量的影响，揭示滴施水肥下小麦的根系生长特点，探寻优化根系分布与根冠协调生长的滴灌水氮运筹模式，为干旱区小麦节水省肥栽培提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在塔里木大学农学试验站网室中进行，该试验点位于塔里木盆地西北边缘，81°16＇E，40°33＇N，海拔 1 012.2 m，年平均气温 11.2℃，年均降水量45.7 mm，年均蒸发量1988.4 mm，年均相对湿度在55%以下，属典型暖温带内陆型气候。

1.2 试验材料与试验设计

试验采用土柱栽培的方法，土柱直径11 cm、高80 cm，进行不同滴灌水、氮两因素控制性试验，滴施纯氮量处理设置4个水平，分别为不施氮肥及每根土柱滴施纯氮0.065 6、0.163 9 g和0.262 3 g(按土柱面积折算，相当于每公顷滴施纯氮0、69.0、172.5 kg 和 276.0 kg)，分别以 N0、N1、N2和 N3表示;滴灌水量设置4个水平，分别为每根土柱灌水2.1383、2.8510、3.5637 kg和4.2765 kg(按土柱面积折算，相当于每公顷滴灌2 250、3 000、3 750 m3和4 500 m3)，分别以 W1、W2、W3和 W4表示，水氮两因素组合共16个处理，每个处理重复15次，共计240根管。全期滴灌8次，滴肥6次，按不同生育时期的肥水特性设置滴灌滴肥权重(表1)，确定各次的滴灌水量和滴施氮肥量。

表1 春小麦各生育期滴灌水量、施肥量分配比例Table 1 Distribution proportion of drip irrigation and fertigation amount in different growth periods of spring wheat

土柱为硬质PVC管材，每根装土12 kg，土壤取自农田的0～25 cm土层，土质为沙壤土，干土体积质量为 1.32 g·cm-3，平均土壤质量含水量为19.27%，N 含量 49.27 mg·kg-1含量6.70 mg·kg-1，有机质的含量1.03%，土壤 pH值7.7。为模拟田间滴灌模式，土柱埋于试验田中，每根管子采用医用输液管连接挂瓶进行滴灌施肥，氮素换算成尿素溶水后滴施，按照管栽面积换算得到具体水、尿素施用量，每次滴灌时间控制在3 h左右。2018年3月2日播种，品种为新春6号，每管播10粒，播深3 cm，出苗后剔除多余麦苗保证每管8株。

1.3 测试项目与方法

在小麦关键的生育时期(拔节、抽穗、籽粒形成、灌浆等)每处理取3管，以20 cm间隔截取成4段，在200目纱网中用清水冲洗并挑选出根系，用镊子仔细摆放在玻璃板上，扫描成TIF图像，用DTSCAN图像分析软件(Delta-T Devices Ltd.，英国)计算根系的长度(RL)、平均直径(RD)和根表面积等形态特征指标［8］，最后将各层根系放入干燥箱，在105℃下杀青0.5 h后于65℃烘干至恒重再称干重，计为根系干物质量(RDW)。

根长密度(RLD，mm·cm-3)=L/20πr2

式中，L为根长(cm)，r为土柱半径(cm)。

根系表面积(RS，cm2)=πLR2/4

式中，R为根系平均直径(mm)。

根系干质量密度(RWD，g·m-3)=g/20πr2

式中，g为根系干质量(g)。

各处理小麦成熟后考察穗长(cm)、小穗数、穗粒数、千粒质量(g)等穗部性状和产量构成性状，最终计实产(kg·hm-2)。

1.4 数据处理

以Excel 2003进行数据整理并制图，用 DPS 7.05对数据进行统计分析，以最小显著差数法(LSD)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 水氮运筹对滴灌春小麦根系生长特性的影响

2.1.1 对根系干物质量(RDW)垂直分布的影响

由表2可见，各时期各处理的RDW随着土层的深入呈下降的趋势，RDW在0～40 cm土层最多，占总RDW的64.52%～76.90%。随着生育进程的推进根系总干质量随施氮量和灌水量的增加呈先增加后下降的趋势，在扬花期达到最大值。在同一施氮水平或灌水条件下RDW随施氮量或灌水量的增加而增加，其中N3W4在扬花期达最大，达158.4 mg，其次是N3W3达148.3 mg。但N3W4随后下降较快，至蜡熟期RDW仅为N3W3的67.6%。说明增施水、氮对根系生长有较好促进作用，但过高氮肥造成后期群体生长过旺产生郁闭，对根系生长不利。从各处理根系空间分布的平均变异系数(CV)来看(表2)，随供氮或供水的增加，根系干质量在土层的空间分布差异减小，且其以扬花期减小程度最低，说明增加供水或供氮量能促进根系纵向生长，增加各土层根系分布的均匀度。扬花期是小麦根系功能最大时期，这种效应也达到最大。

水氮互作对拔节期、扬花期和灌浆期的根系干物质量影响(F值)达显著水平(P＜0.05)，其中施氮处理下总RWD在拔节期、孕穗期、扬花期和蜡熟期的变异系数分别为10.66%、9.41%、10.32%和29.84%，不同灌水处理分别为9.01%、13.46%、14.48%和30.08%。说明水氮对RWD的影响差异主要在蜡熟期，且灌水处理效应大于施氮效应。

2.1.2 对根干质量密度(RWD)的影响 从图1可以看出，各时期的RWD以0～40 cm土层最大，是40～80 cm的1.9～3.4倍，说明滴灌小麦根系主要分布在0～40 cm土层中。从各时期的平均RWD来看，扬花期＞孕穗期＞灌浆期＞拔节期＞蜡熟期，拔节期～孕穗期的增长速度大于其他时期，说明拔节期～孕穗期是小麦根系生长的快速时期，而扬花期是小麦根系分布密度的高峰期。在同一施氮水平或灌水水平下，RWD随灌水量或施氮量的增加而增加，其中在拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期和蜡熟期施氮处理平均RWD的CV分别为 10.66%、9.41%、10.32%、11.65%和29.84%，而灌水处理的RWD分别为9.01%、13.46%、14.68%、14.49%和 30.08%，后期RWD较大，并以蜡熟期显著高于其他时期，其中N3W3处理的RWD最大达 81.52 g·m-3，其次为N2W3和 N2W4，分别为 66.77 g·m-3和 64.40 g·m-3，说明适当增施水氮能有效增加蜡熟期的RWD，延缓根系衰老，且这种效应具有累加性，水分效应高于氮素效应。

2.1.3 对根系长度(RL)分布的影响 从表3可以看出，各生育期RL随土层加深而逐渐降低，0～40 cm土层根长最大，占总RL的76.39%～82.47%。随生育进程推进各层RL随施氮量和灌水量的增加呈先增后降的趋势，在扬花期达到最大值。从各时期的平均RL来看，不同水分处理及不同氮素处理间RL差异均达显著水平(P＜0.05)，表现为 W3＞W4＞W2＞W1和 N3＞N2＞N1＞N0，且以 N3W3的RL最大，达16 491 mm，其次是N2W3和 N1W4，为14 712 mm 和14 463 mm，N3W4后期RL下降较快，蜡熟期不及N3W3处理的66.96%，表明增施水氮能显著增加根长，但灌水施氮量过高，RL反而下降。

V/%.8.4.6.6.2.7.3.0.7.6.4.5.6.2.5.1 C 76452027612728316129333457484955***计T d c b a d c b a d c b a d b a c ***significant合otal .6 22.2 31.4 36.2 46.9 32.0 56.0 68.7 76.8 34.0 61.7 77.6 81.3 42.6 84.3 103.8 69.8 555.1 20520.5），80c a d.05 c b a.8.5.5a b .9d c.4b.3.7.1a .6d .8.8.9b .0a .5.2c *.7*.4**～*0 1 600399102 7 1193 118 134 14.2 10.6 218。21P＞S layer/cm（*60 D c b下a *.9.7.5*a c.3～b.3a .3a .8同.7c b .0a b .8c a .7b .2b *.8*.7*。.9 406.9 8*4 8979.6.83.6）Soil 1318191517161816158742.01 40 significant b ab *0 a .8*a.4*d.5 c*.7b a .1d ～c .4.4b a .9.8.4.7d .8b .7a c .8.8＜P.4*层*.6.89.8（not土11 10 201212131822251520272917324126 53838著20b c a b a 显d c c b.7.4a**c b b**a a .7**～-1）6.7.6.1.7.7.4.5.8.6.8.8d .4.4极0888911243022.5.85.6异represent plant 1514162014202129442差*/%.3.3.6 V .2.0 54.6.9.6 5247.3.3.3 4656.0.7 54.0 44.5 3649）和C g·424439504537.0 31.05and*m 0计T a b c c b a a otal d c b a d c b.9 a **＜**heat/（**89.6 96.7 P 115 d .2 11098.4 109.2 123.0 126.9 98.3合117.0 128.0 141.6 98.4 123.0 148.3 158.4 27.0 81.84.1（著.ns，*）w b a *c .1.4a .9d .9c b a d .7b c a*d c b a.5**～*.2显10.9 111314 10.1 60.2 spring.0 14.9 18.6 1016.0 12.5 15.71811.9142023.44异430.05 3＜-1） 、差P P b F a 60*a c（c .3b a *a d c layer/cm b a.4 d c.7 b a ）*株of*.9*1620.8 14 21.9.8 1624.8 4018.9 2517.4.9 2225.1.1 3117.1 24.8.8.532.7.6 2 36.05 410 36ent periods P g·b Soil～40*a.8.8 c ab（m/（b 80 a.8a a c b .7.9.8ab a c b .8.8.7a .7.8a *.7*.7.8treatm ns.3 36～.3.8.5 44.5 20著rate41量4 42.0 38 th 42444236431 4649土层3845515224显质不b 20c c＞.8.8a b a a grow .2 d d c b a c b a a干～.8.8.8.9.1.8.8.1.8.7.5.2.8**.7**.8ns.4异根02624353233363840323440423038444516201差示nitrogen e层表土/%.3.1.1.9.1.7.5.5.1.5.1.6.1.9.0.2value别sam同different C V 58575549605451446456504053514443F 分the不d c b a d c b a c b b a d c a b *in期in otal .1.6.1.4.6.1.2.1.5.2.1.0.9.0.0.0F值**.7**.7ns.1*育计T合7982961058495109115901091131279210412912339371和ents生layers 80c d b a d c b a d c b a d c a b ******各～.5.3.4.4.7.5.6.4.2.7.7.3.6.6.7.2.8.7.3ns、*treatm麦soil 60768115912166111219711151411877）。ong小B S d c b a c c b a d c b a b b a a ****.05am春～60.4 ns different layer/cm.815 0 17 12.8 19.4 15.8 16.4 18.5 20.1 14.7 16.9 20.7 22.4 19.2 17.9 25.7 26.2.5.30.7P＜2 46 of 14 40（.表eight Soil 40b b a a c b a a b a a a c b a a ****ns 著difference层20～30.4 31.4 36.7 39.2 30.7 37.5 42.4 43.9 35.8 43.8 43.9 45.6 33.7 40.3 46.8 43.8.6显.50 9.8异e below w 土20差root 20c c b a b b a a c b bc a b b a a sam～.8.1.2.4.4.7.7.7.8.8.8.7.4.2.8.8**.8**ns 间.7 28 02933353231353433363539323440382570.8理significant he ry 处T D /%.3.3.3.5.2.4.1.9.3.0.8.8.7.1.8.2水ean m 2V 92826262706463767865474878614453灌n able C 同不b otal计T b a a a b c a d c a b c c b a ******colum respectively.T 下合47.3 48.4 58.1 58.5 63.0 59.7 57.2 62.6 55.8 60.3 70.8 65.3 59.8 58.8 76.3 80.6.4.2 976 28.86平e ），水sam b 80.5c .2 d a c b c.3.2a .3*b.2a a d.5c a b *.8.1.01.9.4.1 a氮.5*～0*.5 601.5.1 5*0*.1.2 4443124990363.2施in the P＜JS layer/cm 1010314（209一60*c**d b同a.6c～b a a d c.1a b c.7b a .8b ns.4 406.3.9*48.7 9.7 8.7 9.2.8.9 6.6 8.1.7 910111312.2.11.6示letters Soil 11101223表**40b母b significant a～a.7b c .8a a c d b a ns124 ns 字ercase层.8 20.8 19.9.4.7.5.6bc.4a .7ab.3c .7.8.7.82.82.63.2写low ely土201921222018222123222121192325小20b c a b a b c a bc c a b c d b a ****ns 同extrem～.4.2 22.4.8 20.3.3 24.0.1 22.9.8 27.7.5 25.7.9 24.4.9 28 0 24232624262328329.94.71.6不D列ifferent and ent ）W2理W3 W1W4W1W2W3W4W1W2W3W4W1W2W3W4N W ×W ：同注N ote：.05处reatm N ＜0 T N0N1N2N3F （P

图1 不同水氮处理对春小麦根干重密度垂直分布的影响Fig.1 Vertical distribution of dry root weight and root density under different irrigation and nitrogen application

V/%.74.88.69.59.22.01.92.23.94.45.39.21.16.28.42.01 C 74100956678878682898489961211018092计T d c a b d b a c d c a b d b a c ******合otal.503.055.326.805.155.826.487.486.145.467.859.468.304.407.579.416**121.35 16.43 d.06 80**314.85.06b**.08～c b a a.02d c b a d c b.07b a b 60000000.09 0.10 0.06 0.08 0.11 0.12 0.05 0.06 0.05 0.13 0.06 606.10 44.00 17.02 D S layer/cm 60～c.70d b.44a b.00a a b c b a c.48c b a b ******1 40001.98.33.37.96 0.87 1.64 1.94 0.85 0.44 0.88 1.90 0.93 Soil 011017.53 129.89 47.43 d 40.15～b c a c c b a d c b a c b a b ******层.77.62.15.66.74.01.62.36.77.37.06.82.10.79.93土20111211221123022111.17 17.83 20d b a c c a a b d c a b d b a c ****114.03**0～1.59 2.81 3.64 2.09 2.44 3.66 4.00 2.83 2.82 3.94 5.42 4.50 2.97 4.36 4.75 3.49 170.76 137.83 5.72 70/%V .14 89.77.65 70.09.71 73.76 67.13.64 8667.02.36.19.10 73.17.88.14.08 heat C 65 b 7172 c 75586664 b a 75.74a otal a c b b a a a c b a b ****w 合.52.38.23.61.78.72.46.67.66.71.15.23.41.49.46 spring 6911999计T 12141413141412141614288.17 71.01 1.61ns.37.22 c a～b b b a c a c b b a b b c.18******.27 0 of 00.11 0 00.27 0.33 0.23 0.32 0.23 60 0.28 0.28 0.43 0.37 0.34 0.19 P 41.10 21.34 11.09 periods layer/cm**.71 60 80 F b d c.51a b**c a a c a b b b a c.97**3 m m ～.86 2 1 1.80 02.40 3.25 2.75 2.07 0 2.82 2.92 2.46 3.72 3.45 4 40.30 2.69 45.04 190.54 7.56 grow×10th b Soil～cb.02 d.86a 40a b a.05a b.97 c a.83b b.70a a **.43***/.93 a层.84 20.34.28.62 43.35.65 4.66 3.63长3 d 4553555445567.22 48.63 2.95根b 20.80a c土a b a a a c b a ab b a a a *****层～.28.79.17.72.41.72.55.43.26.23.79.73.94.19.95土02334355535653565449.02 73.21 2.99同different不in /%.06.29.41.88.04.42.03.67.28.21.86.12.86.83.17.18value期C V 63615678686770906766688656626471F育layers d b a c d c a b c a a b c b a ab *****生otal.21.46.30.85.53.81.77.85.35.14.14.32.52.75.60.99F值各soil 合计T 67968101211101313121012131262.13 3.01麦80b c a d c a b d b a b c a b b c **402.72****小～.35.31.39.24.36.45.40.25.40.50.42.29.58.46.43.35春different 0 60000000000000000 S 118.01 89.87 12.93 3of B～60c b a d c b a d b a a c b a a b ******表length layer/cm 401.25 1.77 2.64 0.90 1.63 2.08 2.40 1.08 2.16 2.99 2.84 1.55 2.61 2.92 3.12 2.48 29.72 4.75 87.40 Soil 40.62 c.94 ab.17 a.77 ac.86 c.72 b.76 a.95 a.32 b.94 a.09 a.34 a.24 b.73 a.78 a.71 a **131.11****oot ～3.85 R 层土20223223443344344429.00 320c b a a c b a a c b ab a c b a a *****able 0～2.00 2.44 3.10 2.94 3.68 4.56 5.22 5.57 4.48 5.72 5.79 6.14 4.09 4.65 5.27 5.46 76.656 92.70 2.45 T /%.28.83.93.15.12.34.96.91.00.88.89.30.95.29.89.48 C V 81849598767490898492929176738681计T b a b b c b b a b c ab a c b a a ******合otal 5.00 5.58 5.12 5.11 5.26 6.76 6.53 7.55 6.81 6.36 7.26 7.59 6.30 9.17 9.87 9.75 155.67 8.15 25.76.14～80d.13.32ab c a.18b b c a a b b c a b bc c ******00 60000.13 0.18 0.17 0.19 0.25 0.21 0.22 0.19 0.30 0.22 0.22 0.20 JS layer/cm 11.54 16.44 34.66 60**a a**.75c～.76b b.46a c.52b.88a c.14b.73b c.83a.37b b.78 400.14 0.15 0 0.78 0 1.73 1 0.50 0.56 1**101116.72 Soil 0177.78 30.94 40**b a c c c a b a c ab b a c a b a ****层.87～20.68.36.43.89.66.15.61.52.80.73.99.66.16.93.22 3.74土1111122211112323119.74 16.09 20b a a a a c b a b b a a d c a b ******～02.43 2.81 2.99 2.98 2.36 2.79 3.48 3.92 3.67 3.57 4.16 4.25 2.56 4.06 5.22 4.77 143.25 34.87 5.46理ent W1W2W3W4W1W2W3W4W1W2W3W4W1W2W3W4N W ×W N处reatm T N0N1N2N3F

在拔节期、扬花期和蜡熟期的RL水氮互作响应(F值)达显著水平(P＜0.05)，且施氮处理的RL在拔节期、孕穗期、扬花期和蜡熟期的CV分别为21.46%、21.46%、17.91%和16.29%，灌水处理分别为10.51%、12.73%、16.32%和23.66%，可见随生育期推进，不同施氮对RL影响效应的差异在下降，而灌水的效应差异在增加，说明水、氮对RL的作用重点不同，增氮能促进前中期的根长发育，增水能保证后期根系不早衰。在蜡熟期，随施氮量增加根长在不同土层中分布的CV上升，而随灌水量增加其呈下降趋势，说明高氮或少水并不利于延缓后期下层根系衰老。

2.1.4 对根长密度(RLD)分布的影响 根长密度表示根系长度在单位土体中的分布。从图2可以看出，0～40 cm的RLD是40～80 cm的3.4～4.7倍，且随生育进程推进深层土壤RLD下降更快，从各期不同土层平均RLD变化看，施氮量增加，40～60 cm土层RLD增加，0～20 cm土层RLD下降;灌水量增加，0～20 cm土层RLD增加，60～80 cm土层RLD减少，说明氮肥过高，促进深层土壤根系分布，但灌水过高，不利于根系下扎。扬花期各土层平均RLD达高峰，并以N3W3最大，达1.30 cm·cm-3，其次是N2W3和 N3W2，为 1.16 cm·cm-3和1.14 cm·cm-3，在N0W1处理下最小，仅为0.53 cm·cm-3，表明适当增加施氮量和保持一定供水量是促进根系发育的关键。

2.1.5 对根系平均直径(RD)的影响 根系平均直径的大小决定了根系的吸收动力［9］。由图3可以看出，小麦的根系平均直径大小表现为扬花期＞灌浆期＞孕穗期＞蜡熟期＞拔节期。在同一氮素水平不同水分处理间RD差异均达显著水平(P＜0.05)，表现为W4＞W3＞W2＞W1;在同一灌水水平不同施氮处理间RD表现为 N3＞N2＞N1＞N0，其中 N3和 N2差异不显著，其他处理间差异均达显著水平(P＜0.05)。组合处理中以N2W4处理的RD最大，为0.341 mm，其次为N3W4和N3W3，为0.339 mm 和0.336 mm，说明充足的水分供给和高的施氮量可以促进根系的加粗生长，少水少氮处理RD变细。在拔节期-孕穗期根系平均直径增长速度最快，扬花期达高峰期，灌浆以后RD逐渐下降，这可能与粗根较细根衰亡快有关［10］。

施氮处理下RD在拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期和蜡熟期的CV分别为4.44%、6.52%、4.92%、3.49%和2.69%，灌水处理分别为5.82%、6.58%、5.53%、5.91%和2.85%。可见施氮主要影响孕穗期和扬花期，灌水主要影响在灌浆期之前，且灌水效应大于施氮效应。

2.1.6 对根系表面积(RS)的影响 从图4可以看出，RS随生育期的推进呈先增后降的趋势，在扬花期达到最大值。在同一氮素水平下RS表现为W3＞W2＞W4＞W1，在同一灌水水平下表现为 N3＞N2＞N1＞N0，各水分处理及各施氮处理间差异均达显著水平(P＜0.05)，说明适当增施水氮能有效提高小麦根系表面积，且以 N3W3和 N2W3处理最大，达 17 624 mm2和 16 776 mm2，N3W2和 N1W3次之，为 15 653 mm2和14 245 mm2，但水氮过多，RS反而下降。

施氮处理下RS在拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期和蜡熟期的CV分别为30.22%、26.56%、16.83%、17.48%和14.24%，灌水处理分别为13.68%、16.62%、18.89%、22.13%和26.79%。说明施氮主要影响春小麦生育前期，灌水主要影响春小麦生育后期。

2.2 水氮运筹对滴灌春小麦穗部性状及产量构成的影响

灌水量、施氮量对小麦穗部性状及产量构成因素的影响均达显著水平(P＜0.05)。同一施氮处理下，随灌水量的增加，穗长、小穗数、穗粒数、千粒质量和穗粒质量增加，但N3W4处理的穗长、千粒质量和穗粒质量及N2W4处理的穗粒质量显著下降(P＜0.05);同一灌水处理下随施氮量增加，各穗部及产量性状增加，但N3W4处理的千粒质量显著下降(P＜0.05)。从产量指标(穗粒质量)看，以同一灌水条件下的N3处理或同一施氮水平下的W3处理最高，但与N2处理或W4处理的差异不显著，可见，灌水量3.563 7～4.276 5 kg·管-1(折合 3 750～4 500 m3·hm-2)、施氮量0.163 9～0.262 3 g·管-1(折合172.5～276 kg·hm-2)是本地滴灌小麦适合的水氮投入量。由产量构成的水氮调控效应(F值)可见，指标的单因素及其互作效应均达显著水平(P＜0.05)，且不同施氮条件下，穗粒数、千粒质量和穗粒质量的CV分别为11.12%、6.15%和16.28%，均小于不同灌水条件下的16.13%、8.09%和23.04%，说明保证灌水是根本，适量增施氮肥以发挥水氮对产量构成因素的耦合调控效应是南疆干旱地区滴灌小麦高产的关键。

各组合处理以 N3W3处理穗粒质量最高，达1.184 g(折合 9 966.1 kg·hm-2)，其次为 N2W3和N3W2，达 1.041 g 和 1.033 g(折合 9 604.3 kg·hm-2和8 695.7kg·hm-2)。根据水(W)、氮(N)组合的产量(Y)数据，进行多次二项式逐步回归，得到拟合方程Y=-1.7453+2.7063N+1.3857W-4.6197N2-0.1881W2-0.1189NW(R2=0.9137)，求极值得到施氮量0.246 5 g·管-1(折合纯氮259.4 kg·hm-2)、滴水量3.605 2 kg·管-1(3 793.6 m3·hm-2)时的穗粒质量最高，为1.086 1g(折合9 142.9 kg·hm-2)(表4)。

图2 不同水氮处理对春小麦根长密度垂直分布的影响Fig.2 Vertical distribution of root length and density under different irrigation and nitrogen application

图3 不同水氮处理对春小麦根系平均直径的影响Fig.3 Effects of different irrigation and nitrogen application on average root diameter of spring wheat

图4 不同水氮处理对春小麦根系表面积的影响Fig.4 Effects of different irrigation and nitrogen application on root surface of spring wheat

3 讨论

一般认为小麦根系主要分布在0～60 cm［11］，并与产量呈显著正相关关系，本试验表明滴灌春小麦的根系主要分布在0～40 cm的土层中，比常规灌溉的分布略浅，且随施氮量或灌水量增加，0～40 cm土壤根系干质量所占比例在下降，而根长所占比例增加，这主要是滴灌施肥优化了浅层土壤水分和养分条件，诱导上层根系快速生长、根径变大的结果［10］，同时增加水氮供应相应增强了根系长势，促进深层根长密度［12］，对土壤养分的全面吸收有利。

研究表明，根系各指标随小麦生育进程推进呈先升高再下降的变化趋势［4］，在拔节期～孕穗期生长速度最快，扬花期达最大值，这与一般研究认为的抽穗前最快［13-14］、灌浆期生长达最大值［11，15］的结果相比有所提前，可能是滴灌改善了根系生长条件、促进根系早发所致［16］，这也是滴灌小麦前期长势较强的原因所在［17］。但也有研究报道［10，18］，拔节～孕穗期小麦根系生长最快、分布最深，这可能与不同基因型小麦的根系生长差异有关［19］。

表4 水氮处理对春小麦穗部性状及产量的影响Table 4 Effects of irrigation and nitrogen application on ear characters and yield of spring wheat

合理的水肥运筹可以发挥“以水促肥、以肥调水”的根系调控作用［20］。适宜的水分供应会显著增加根系在土壤剖面的分布［21］;当土壤水分严重亏缺时，小麦根系生长和土壤剖面的时空分布会受到限制，然而轻度的干旱可以促进根系的延伸生长［22］;过量灌水会导致土壤缺氧，抑制根系生长，引起根系早衰，从而降低产量［23］。施肥促进根系发育，氮素的亏缺会抑制根系的生长［24］;适当增施氮肥(300 kg·hm-2)能促进春小麦根系生长［25］，使小麦生育后期根量保持在较高水平［26］，施氮过量(450 kg·hm-2)导致植物体内氮积累到一定程度时根系的生长受到抑制［25，27］。水、氮之间存在着一定的耦合效应，水分不足则会降低氮肥的吸收。正常供水下增施氮肥促进根系生长，增加根系干质量、根表面积和根长［28］。王亚萍等［29］认为轻度干旱胁迫对冬小麦根系生长最为合适，适量施氮可以增加总根系质量和深层土壤中的根系质量，提高作物的抗旱能力;严重水分胁迫下，过量施氮会降低小麦的抗旱性［5］。梁银丽等［22］也认为在干旱胁迫下少量增施氮肥可以促进小麦根系生长，而过量施氮则会起到抑制作用。本试验发现N3W3、N2W3和N3W2水氮组合处理的根系生长参数(根干重、根干质量密度、根长、根长密度、根系直径和根系表面积)均较大，即高氮中水、中氮多水能有效促进根系生长，表现出较强的水氮互作效应。供氮或供水过高并不利于根系生长，这和王淑芬［30］、薛丽华［31］等人的研究一致。

本研究中滴灌量在3 750 m3·hm-2(W3)、施氮量为276 kg·hm-2(N3)时，单产最高达9 966.1 kg·hm-2)，这与马忠明等［4］认为 2 850 m3·hm-2和196～207 kg·hm-2的水氮供应量及李彦君等［32］认为6 000 m3·hm-2和750 kg·hm-2的水氮供应量有所不同，这可能是地区间气候、种植及灌水方式等因素不同造成的。

4 结 论

1)拔节～孕穗期是滴灌春小麦根系生长速率最快时期，扬花期根系生长各形态指标达最大值，蜡熟期根系衰亡明显。滴灌春小麦根系主要分布在0～40 cm土层中，其根干质量占总根干质量的64.52%～76.90%，根长占总根长的 76.39%～82.47%，0～40 cm土层中的根质量密度和根长密度是40～80 cm土层的1.9～3.4倍和3.4～4.7倍。

2)不同水氮处理显著影响根系生长特性，适当增加水氮供应量能促进根系下扎，增加根系质量和根长，延长根系功能期，但水氮过多对根系生长不利，表现为后期(蜡熟期)根系衰老加速，根长密度、根干质量密度和根系表面积下降。

3)水氮对根系生长特征的影响侧重点不同，氮能促进前中期的根长发育及根系下扎，促进根系直径增大，水分能保证后期的根系不早衰。水氮对根系生长的影响存在显著的互作效应，且水分效应高于氮素效应，以蜡熟期差异明显，表现出一定的累加效应。

4)N3W3、N2W3和 N3W2处理的产量较高，可见施氮量在207～310.5 kg·hm-2和灌水量在4 500～5 400 m3·hm-2之间是本地区较适宜的水氮组合。根据水、氮组合的产量拟合方程得到施氮量310.2 kg·hm-2、滴灌水量 4 593.8 m3·hm-2时的产量最高达9 206.05 kg·hm-2，可为生产上的水氮运筹提供参考。