覆膜对不同播期冬小麦根系生长和产量的影响

2021-12-08陈紫薇丁奠元董文俊王乃江

干旱地区农业研究 2021年6期

陈紫薇，丁奠元，董文俊，王乃江，李悦，冯浩,3

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2. 扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225009；3. 中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

冬小麦-夏玉米轮作是关中地区主要种植模式之一[1]。为了获得更大的周年生产力，晚熟品种玉米不断得到推广，随之导致了轮作系统中冬小麦的晚播[2-3]。冬小麦过度晚播会导致小麦苗期生长温度过低，使得分蘖发苗率低；开花期温度过高，加速植株发育，减少灌浆持续时间，最终造成冬小麦减产[4]。因此，稳定晚播冬小麦产量是进一步提升周年生产力的关键，如何稳定晚播冬小麦的产量成为亟待解决的重要科学问题。

地膜覆盖技术是干旱半干旱地区有效蓄水保墒、稳产高产的重要农艺措施之一。研究表明，地膜覆盖可以改善耕层的土壤水热状况，抑制土壤水分的无效蒸发，优化田间土壤中的水分条件，改善冬小麦关键生育期内土壤水分的供应[5]，进而提高作物水分利用效率[6-7]。与裸地处理相比，覆膜措施可以增加作物生长前期地温季节温度、降低后期高温季节温度，并且可以减缓土壤温度在季节间和昼夜间的剧烈变化[8-9]。

地膜覆盖技术对土壤水热的改善必然影响作物根系的发展。根系是作物吸收水分和养分的重要器官，在SPAC系统中发挥着重要作用。优化根系形态对于冬小麦获得高产至关重要[10]。研究表明，覆膜措施能有效促进早期的根系生长发育，增加根系参数，优化根系在土壤中的时空分布[11]。作物的主要根系参数包括根长密度、根表面积密度和根直径[12]。研究表明，增加根长密度和根表面积密度可以缓解干旱胁迫对小麦生长发育的影响[13]。尽管前人对覆膜措施下冬小麦根系生长发育的规律进行了大量研究，但少有涉及覆膜措施对晚播冬小麦根系空间分布的研究。此外，在“覆膜+晚播”措施下，冬小麦根系生长与产量形成之间的关系需要深入研究。

鉴于以上研究现状和存在的问题，本研究基于连续两年度田间试验，系统分析了覆膜措施对晚播冬小麦生育期内根系生长、根系空间分布、产量和水分利用效率的影响；通过分析比较覆膜与裸地处理间相关参数的异同，深入分析晚播冬小麦产量对覆膜措施的响应机制，以期缓解“冬小麦晚播-夏玉米晚收”种植模式对冬小麦生长产生的负面影响，为进一步提升该种植模式的周年生产力提供数据支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年10月至2019年6月在陕西省杨凌农业高新产业示范区西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院(34°20′ N、108°24′ E，海拔521 m)进行。该区位于关中平原中部，属于暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，降水主要集中在7—10月，多年年平均降水量630 mm左右，无霜期213 d。供试土壤为中壤土(砂粒∶粉粒∶黏粒质量比为8∶73∶19)。土壤基础理化指标：0～1 m土层的平均田间持水率为23%，凋萎含水率为8.5%(以上均为质量含水率)，土壤pH平均值为8.2，土壤平均容重、有机碳、全氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾含量分别为1.37 g·cm-3、8.14 g·kg-1、0.95 g·kg-1、0.83 g·kg-1、20.42 g·kg-1、21.00 mg·kg-1和290.00 mg·kg-1。该站地下水埋深5 m以下，其向上补给水量可忽略不计。

1.2 试验设计和田间管理

试验设置不覆盖(CK)和地膜覆盖平作(PM)2种栽培方式，每种栽培方式下分别设置传统播种时间、晚播10 d和晚播20 d 3个播期处理，共6个处理，各重复3次，共18个小区，具体处理见表1。试验小区南北走向，长5.5 m，宽4 m，面积为22 m2，各小区随机排列分布，周围布置1 m宽的保护行。播种前先进行翻耕、整地和施肥，所用地膜为普通聚乙烯塑料薄膜，膜厚0.01 mm。

表1 冬小麦田间试验处理

供试小麦品种为‘小偃22号’，人工穴播，穴距10 cm，行距20 cm，播种密度均为187.5 kg·hm-2。分别于2018年6月6日和2019年6月6日收获。各处理冬小麦全生育期不灌水，于播种前将肥料一次翻入土壤，施用量分别为N 150 kg·hm-2、P2O5100 kg·hm-2、K2O 100 kg·hm-2。锄草方式为定期人工锄草，耕作方式为机械旋耕。2017—2018年和2018—2019年度冬小麦生育期降水分别为181.5 mm和205.8 mm，平均气温、最高气温和最低气温分别如图1a、b所示。

1.3 观测项目和方法

1.3.1 根系参数和根冠比用直径为7 cm的根钻在冬小麦各个主要生育时期采集根系样本。每个小区选取具有代表性的2穴冬小麦，从茎基部切断，获得完整的地上部，使用根钻在每穴冬小麦正下方取样，距地面0～30 cm土层每10 cm为一层取样，30 cm以下每20 cm为一层取样直至无根出现。样品分层装袋，清水冲洗，去除杂物。使用EPSON Perfection V700型根系扫描仪扫描根系，利用WinRHIZO Pro软件分析根系数据，获得相应土层的根长、根表面积和根体积等各项特征参数。随后将冬小麦根系和地上部在105℃杀青30 min，在75℃ 恒温条件下烘干至质量恒定，测定根系生物量和地上部生物量，两者的比值为根冠比。

小麦根长密度(RLD)及根表面积密度(RSD)计算；用已知测得的根长、根表面积，根据取根时的区域面积(根钻内表面积)，以相应土层深度进行分层计算，用每个区域的根长、根表面积除以相应的体积得到各个区域的根长密度、根表面积密度，具体计算公式如下：

pli=li/vi

(1)

psi=si/vi

(2)

式中,pli为根长密度,cm·cm-3;psi为根表面积密度，cm2·cm-3；li为对应的总根长，cm；si为对应的总表面积，cm2；vi为对应的土体的体积，cm3。

1.3.2 考种测产及地上部生物量冬小麦成熟后，在各个小区取1 m2(样区)的小麦植株，人工脱粒测产，测量并记录穗数、穗粒数和千粒重。

冬小麦关键生育期(返青期、开花期、灌浆期、成熟期)在每个小区选取生长状况良好、具有代表性的5穴冬小麦，从茎基部切断，获得完整的地上部，105℃杀青30 min后，在75℃恒温条件下烘干至质量恒定后称重。

1.3.3 蒸发蒸腾量和水分利用效率采用管式土壤水分测定系统Trime-IPH(TDR)分层测定0～200 cm土层土壤体积含水率，在0～100 cm土层每隔10 cm测量一次。100 cm土层以下每隔20 cm测量一次。在作物播种前和收获后分层测定，全生育期内，测定时间间隔为10 d，下雨后加测一次。

土壤贮水量的计算公式如下：

(3)

式中，H为土壤贮水量(按100 cm计)，mm；θi为第i层土壤体积含水率，%；hi为第i层土壤厚度，cm；n(n=10)为所测土壤体积含水率时的层序。

冬小麦蒸发蒸腾量(ET)采用农田水量平衡公式计算。

ET=ΔH+P+I+K

(4)

式中，ET为作物蒸发蒸腾量，mm；ΔH为计算时段内土壤贮水量的变化(按100 cm计)，mm；P为时段降水量，mm；I为灌溉量，旱作为0，mm；K为时段内地下水的补给量，mm。由于试验田地下水埋深在5 m以下，可视K为0；降水入渗深度不超过2 m，可视深层渗漏为0。

冬小麦水分利用效率(WUE)计算公式如下：

WUE=Y/ET

(5)

式中，WUE为水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y为产量，kg·hm-2;ET为作物蒸发蒸腾量，mm。

1.4 统计分析方法

试验数据采用Microsoft Excel 2018进行整理和处理，所有数据均为各重复测定的平均值，Sigmaplot 12.5软件作图，运用SPSS 20.0统计分析软件对数据进行单因素方差分析，采用LSD法检验差异显著性(P<0.05)。利用R中的“Corrplot”包分析产量、水分利用效率等和根系参数的相关性。

2 结果分析

2.1 冬小麦根系的时空分布特征

在冬小麦的3个典型生育期，冬小麦RLD主要分布在0～30 cm土层中，其中0～10 cm土层为根系主要富集区(图2)。不同处理下RLD随土层深度的变化趋势基本一致，越接近表层土壤，根系分布越多，RLD越大；随着土层的深入，RLD呈递减趋势(图2)。2017—2018年返青期，PM0处理0～10 cm土层RLD比CK0处理显著增加了14.4%，PM10、PM20处理分别比CK0处理降低了22.84%和61.03%(P<0.05，图2a)，>10 cm土层返青期RLD处理间差异均不显著(P>0.05)；2017—2018年开花期PM0、PM10处理0～10 cm土层RLD分别较CK0处理显著提高44.76%、16.82%(P<0.05)，PM20处理RLD显著低于CK0处理(图2b)；2017—2018年灌浆期PM0、PM10处理0～10 cm土层RLD低于CK0处理，差异不显著，PM20处理RLD较CK0处理显著降低了14.70%(P<0.05，图2c)。2018—2019年返青期，PM0、PM10、PM20处理0～10 cm土层RLD分别较同播期裸地处理提高26.31%、53.81%和65.43%，PM0、PM10处理0～10 cm土层RLD均高于CK0处理，差异不显著(图2d)；2018—2019年冬小麦开花期PM0、PM10处理0～10 cm土层RLD分别比CK0处理显著增加了26.33%和28.63%(P<0.05，图2e)；2018—2019年灌浆期PM0、PM10处理0～10 cm土层RLD均高于CK0处理，差异不显著(图2f)。

在冬小麦整个生育期，RSD主要集中分布在0～30 cm(图3)，处理间差异性主要来自于0～20 cm土层。2017—2018年返青期，PM0处理的0～10 cm土层RSD大于CK0处理，差异不显著，PM10、PM20处理RSD分别比CK0处理降低了31.77%和55.97%(P<0.05，图3a)；2017—2018年开花期，PM0、PM10处理0～10 cm土层RSD较CK0处理分别增加了46.36%和36.33%，PM20处理RSD较CK0降低了31.03%，差异显著(P<0.05，图3b)；2017—2018年灌浆期，PM0、PM10处理0～10 cm土层RSD均高于CK0处理，PM20处理较CK0处理低，差异均不显著(图3c)。2017—2018年3个典型生育期，除了开花期和灌浆期PM20处理，覆膜处理下0～10 cm土层的RSD均高于同播期裸地处理，开花期各覆膜处理0～10 cm土层的RSD与同播期裸地处理间差异显著(P<0.05)。2018—2019年覆膜效果较好，3个生育期覆膜措施下3个处理RSD均高于同播期裸地处理。2018—2019年返青期和开花期，PM0处理0～20 cm土层RSD较CK0处理高，PM10、PM20处理低于CK0处理，差异均不显著(图3d,e)；2018—2019年灌浆期，PM0、PM10、PM20处理0～20 cm土层RSD较CK0处理高，其中，PM0处理比CK0处理高124.59%，差异显著(P<0.05,图3f)。两季冬小麦覆膜处理0～10 cm土层RLD、RSD大小均表现为PM0>PM10>PM20。

2.2 不同处理对冬小麦根系生物量的影响

2017—2018年冬小麦返青期，PM0与CK0处理根系生物量无显著性差异，PM10、PM20处理根系生物量显著低于CK0处理(P<0.05，表2)。2017—2018年开花期和灌浆期，PM0、PM10处理根系生物量较CK0处理高，PM20处理根系生物量比CK0处理低，差异均不显著(P>0.05);在两种种植模式下，正常播期和晚播10 d处理间根系生物量无显著性差异，晚播20 d处理均显著小于其对应的正常播期处理根系生物量(P<0.05)。

2018—2019年冬小麦覆膜措施下3个处理在3个典型生育期根系生物量均显著高于同播期裸地处理(P<0.05，表2)。2018—2019年返青期，PM0、PM10、PM20处理的根系生物量与CK0处理相比，分别显著增加69.86%、63.66% 和50.60%，较同播期裸地处理分别显著增加69.86%、63.67%和50.59%(P<0.05)；在两种种植模式下，播期处理间均无显著性差异。2018—2019年冬小麦开花期，PM0处理根系生物量显著高于其他处理(P<0.05)，PM10、PM20处理略低于CK0处理，差异不显著(P>0.05)。2018—2019年冬小麦灌浆期，PM0处理的根系生物量显著高于其他处理，较其它处理平均值高出130.2%(P<0.05)，PM10、PM20处理略高于CK0处理，差异不显著。2018—2019年冬小麦灌浆期根系生物量在覆膜和晚播处理间具有极显著交互作用(P<0.01)。2018—2019年冬小麦3个生育期覆膜措施下处理间根系生物量均表现为PM0>PM10>PM20。

2.3 不同处理对冬小麦地上部生物量和根冠比的影响

如表2所示，2017—2018年冬小麦返青期，与CK0处理相比，PM0处理地上部生物量显著提高了148.10%(P<0.05)，PM10、PM20处理地上部生物量低于CK0处理，其中PM20处理比CK0处理低36.43%，处理间差异显著(P<0.05)；2017—2018年开花期，3个覆膜处理地上部生物量均较CK0处理大，差异不显著(P>0.05)；2017—2018年灌浆期，PM0和PM10处理地上部生物量比CK0处理大，PM20处理地上部生物量比CK0处理小，差异均不显著。2018—2019年返青期，覆膜措施下3个处理的地上部生物量与CK0处理相比，分别增加了147.74%、58.28%和10.26%，其中PM20与CK0处理间差异不显著；2018—2019年3个生育期覆膜措施下3个处理均显著高于CK0处理(返青期PM20除外，P<0.05)；覆膜措施下3个处理的地上部生物量均显著高于同播期裸地处理(P<0.05)(表2)。

表2 不同处理对冬小麦根系生物量、地上部生物量和根冠比的影响

2017—2018年返青期，覆膜措施下3个播期处理根冠比均显著低于CK0处理(P<0.05)；2017—2018年开花期，两种种植模式下，根冠比最大值均出现在晚播10 d处理；2017—2018年灌浆期，所有处理的根冠比无显著性差异。2018—2019年返青期后除了PM10处理的根冠比与其对应的裸地处理间无显著性差异，其余均表现为覆膜处理的根冠比显著低于同播期裸地处理(P<0.05)。

2.4 不同处理对冬小麦产量和水分利用效率的影响

由表3可知，2017—2018年PM0、PM10处理分别比CK0处理增产3.58%、8.43%，水分利用效率比CK0处理提高4.11%、7.89%，差异均不显著(P>0.05)；PM20处理比CK0处理显著减产21.58%，水分利用效率比CK0处理显著降低10.40%(P<0.05)；覆膜措施下3个处理产量和水分利用效率均高于同播期裸地处理，其中PM20处理与CK20处理差异显著(P<0.05)。在两种种植模式下，正常播期与晚播10 d处理间产量和水分利用效率均无显著性差异，晚播20 d处理显著低于其他播期处理(P<0.05)。与CK0处理相比，PM0、PM10处理增产主要是增加了单位面积上有效穗数，较CK0处理分别增加了8.70%、1.21%。地上部生物量处理间无显著性差异，不同处理间ET值无显著性差异。

表3 不同处理对冬小麦产量、生物量和水分利用效率的影响

2018—2019年，PM0、PM10、PM20处理比CK0处理分别增产58.58%(P<0.05)、21.27%、6.65%，水分利用效率比CK0处理分别显著提高56.23%、47.83%、93.74%(P<0.05)。PM0处理的产量比其他处理增加显著(P<0.05)。覆膜措施下3个处理产量和水分利用效率均高于同播期裸地处理。在两种种植模式下，产量和水分利用效率均表现为，随着播期推迟产量与水分利用效率呈减小的趋势。与CK0处理相比，PM10、PM20处理增产主要是增加了单位面积上有效穗数和地上部生物量，差异均显著(P<0.05)。覆膜处理中，两季千粒重均在PM10处理达到最大。除了2018—2019年PM20处理显著低于其他处理外，处理间ET值无显著性差异。

3 讨论

3.1 不同处理条件下冬小麦根系动态变化

根系是冬小麦吸收水分和养分的重要器官，其生长动态从侧面反映了冬小麦的生长发育状况，对籽粒产量也具有极其重要的影响[14]。研究表明，RLD和RSD在作物提高土壤水分和养分利用效率方面作用显著[15]。Hu等[16]研究发现,覆膜处理提高了0～40 cm土层的土壤水分，显著提高上层土壤中根系参数，从而提高籽粒产量和水分利用效率。潘小莲等[17]研究发现，覆膜处理能够改善表层土壤的水热条件和物理结构，从而导致根系的富集深度变浅。本研究中，冬小麦返青期、开花期覆膜措施下3个播期处理的两季RLD、RSD、根系生物量均高于同播期裸地处理。此外，本研究也表明，覆膜措施对晚播冬小麦的根系生长具有一定的促进作用，该促进作用可由PM10和PM20处理的根系指标同CK0处理的根系指标对比得出。2017—2018年的PM10和PM20处理的根系生物量在开花期赶上甚至超过CK0处理(表2)，其中PM10处理0～10 cm土层的RLD、RSD在开花期超过了CK0处理(图2，图3)；2018—2019年PM10和PM20处理根系生物量在返青期均显著大于CK0处理(表2)，其中PM10处理0～30 cm土层的RLD在返青期高于CK0处理，PM10处理0～30 cm土层的RSD在开花期赶上了CK0处理(图2，图3)。2018—2019年的覆膜效果相比2017—2018年存在明显的效果，原因可能是2017—2018年冬小麦整体播期推迟导致冬前覆膜措施促进根系生长的作用不明显。

前人研究发现，随着冬小麦生育期的发展，冬小麦RLD、RSD和根系生物量均呈先增后减的趋势，在越冬到开花期根系生长最为旺盛[13,18]。本研究中，2017—2018年开花期冬小麦RLD、RSD和根系生物量均达到最大值，但是2018—2019年根系参数均在返青期就达到最大值，两季根系参数在何时达到最大值，并未取得一致的结果。原因可能是2018—2019年所有处理的播期均早于2017—2018年，使得2018—2019年冬小麦冬前生长期变长，根系获取了更多的水分和养分，更早地进入快速生长阶段。此外，冬小麦越冬期“上闲下忙”，是晚播冬小麦扩大根系的重要时机。虽然传统播期小麦的根系增长量比晚播的大[19]，但是，若以返青期苗情为基础，晚播小麦根系指标的增长率显著大于传统播期冬小麦的根系性状增长率[20]。本试验中，2018—2019年越冬期至返青期，晚播10 d、晚播20 d处理根系增长率均优于正常播期处理。因此，进一步优化冬小麦播期对当地冬小麦稳产增产有重要意义。

3.2 不同处理冬小麦产量和水分利用效率

作物产量综合反映了系统管理水平与土壤生产力，是农业持续发展的重要评价指标，提高作物产量和水分利用效率是相关科研工作的主要目的[21]。前人研究表明，作物产量形成与其所在地区的光温水等生态条件密切相关[22]。在冬小麦-夏玉米轮作模式中，在不增加任何投入的前提下，由于播/收期的调整，晚播冬小麦生长天数及其分配的光温水资源量逐渐减少，从而导致其产量降低[2, 23]。本研究中，两种种植模式下，两季冬小麦平均产量均随着播种日期的推迟，呈现出逐渐下降的趋势(表3)。大量研究表明，覆盖栽培是提高作物产量的有效栽培方式[24-26]。地膜覆盖增产的主要原因是提高了土壤水分和温度，减少了土壤水分的无效蒸发，促进了作物生长，增加了有效穗数[15, 27-28]。近年来，黄土高原南部地区全膜覆盖可平均增产34%[29]。阚玉文等[30]研究发现，覆膜处理对不同播期冬小麦均具有显著的增产效果和节水防旱效果。本研究中，PM0、PM10、PM20处理平均产量分别比同播期裸地处理增产了22.71%、22.00%和78.11%；水分利用效率分别提高17.87%、30.33%、74.27%(表3)。整个生育期各覆膜处理与同播期裸地处理间ET无显著性差异，所以WUE主要受到产量的影响。晚播冬小麦覆膜增产机理的核心是覆膜充分利用了太阳辐射，提高了土壤耕层的温度，补偿或部分补偿了因晚播而减少的积温[31]。刘峰等[32]研究发现，在播种量相同的情况下，晚播冬小麦主要是通过增加穗数来提高产量。本研究中，PM10处理的有效穗数、千粒重等产量性状均优于CK0处理，两年平均产量较CK0处理提高了11.71%。适时晚播条件下冬小麦覆膜穴播能够取得，甚至超过传统播期冬小麦的产量。

3.3 覆膜处理下冬小麦产量、水分利用效率与根系参数的相关关系

各主要生育期根系参数都对产量具有重要作用。生育初期，冬小麦生物量增加迅速，对水分和养分要求较高，因此前期根系参数的快速生长对产量形成具有正效应[33]。同时，开花期时根系的生长发育对作物生产非常重要，尤其是易受干旱胁迫地区，开花期较高的根长密度有利于产量的提升[34-35]。本研究中，返青期、开花期、灌浆期总RLD与有效穗数、产量、水分利用效率呈极显著正相关关系(P<0.01，图4)。冬小麦返青期总RSD、根系生物量与有效穗数、产量及水分利用效率呈极显著正相关关系(P<0.01，图4)，开花期、灌浆期均与之呈弱正相关或者负相关关系。在这3个生育期，总RLD、总RSD、根系生物量均与地上部生物量呈正相关关系。其中，在开花期和灌浆期小麦总RLD和地上部生物量呈显著正相关关系(P<0.05，图4)。以上结果表明，覆膜措施通过改良土壤环境，加速并促进了冬小麦根系的生长发育，进而改善了冬小麦根系对水分和养分的吸收，有效保证了关键生育期(如开花期)根系对冬小麦植株养分和水分的供应，增加冬小麦植株的抗逆性，更好地保证了冬小麦稳产高产。