不同灌溉模式对西辽河平原玉米根系形态特征和生理生化特性的影响

薛新伟，杨恒山，张瑞富

(1.内蒙古民族大学农学院，内蒙古自治区饲用作物工程中心，内蒙古 通辽 028042；2.赤峰市农牧科学研究所，内蒙古 赤峰 024031)

西辽河平原是我国典型的半干旱灌溉农业区，地理范围跨42°18′～44°30′N，119°14′～123°42′E，总面积5.26万km2，其中耕地面积1.75万km2，是内蒙古自治区重要的商品玉米生产基地[1]。该地区具有较好的光热资源，生产潜力大，是我国为数不多的井灌区，玉米平均单产较全国高30%以上[2]。由于地表水资源缺乏、年降水量少，农业生产对地下水的依赖性大。由于传统漫灌水资源利用效率低，不仅导致高产与高效的矛盾日渐突出，农业灌溉水需求与供给失衡的矛盾也进一步加剧[3]。近年来，滴灌水肥一体化技术在西辽河平原灌区得以大面积推广应用，使灌溉水利用效率得到大幅提高，对于缓解水资源需求的压力起到了积极作用。在水肥一体化条件下，研究不同滴灌方式下玉米根系形态特征和生理生化特性的差异，可为该条件下氮肥在土壤中的运移和分布调控提供依据，有利于提高玉米氮素吸收利用效率并实现环境友好。

根系是作物吸收养分的重要器官，对于作物的生长发育和产量形成起着至关重要的作用[4-6]。根系数量的多少、活力的高低以及在土壤中的时空分布直接影响玉米的生长、产量和水分养分利用效率。前人对膜下滴灌玉米根系的研究较为深入，邹海洋等[7]研究表明，膜下滴灌玉米根系主要集中于表层土壤，地表至相对根系扎深1/3处根长占总根长比例平均达73.6%，地表至相对根系扎深1/2处根长占总根长比例达82.8%；LV等[8]研究表明，膜下滴灌条件下，滴头下方根系密度会明显增加，且单次灌溉量越少，根系表聚越严重；马金平等[9]研究不同灌溉定额对膜下滴灌玉米根系分布的影响时指出，膜下滴灌措施能够明显促进土壤表层根系的生长，增加表层根长和根干质量的分布比例；前人研究表明[10]，膜下滴灌条件下，玉米根系在土壤中的分布受土壤水、热效应的影响很大，节水灌溉条件下往往会使浅层根系比例增加，引起根系“表聚”。

浅埋滴灌是本研究团队在膜下滴灌的基础上研发的节水灌溉新技术，该技术不再使用地膜覆盖，而是将滴灌管浅埋于地表3～4 cm深度处，在发挥节水优势的同时，也减少了农业成本投入，同时还避免了残膜的环境污染，2018年被列入内蒙古自治区玉米节水高产的主推技术，2019年获全国农牧渔业丰收一等奖。由于地表无膜，土壤的水热状况会与膜下滴灌存在较大差异，进而会影响到根系形态特征和生理生化特性，这方面尚未有系统研究。本研究选择浅埋滴灌、膜下滴灌和传统畦灌3种灌溉方式，比较研究不同灌溉方式下玉米根系形态特征和生理生化特性的时空变化规律，以期为西辽河平原灌区玉米高产高效栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017—2018年在通辽市科尔沁区农牧业高新科技示范园区进行(122°19′E、43°37′N，海拔182 m)，为连续2 a定位试验；试验区近5 a年均降雨量350～450 mm、年均气温6.5℃～7.1℃，其中2017、2018年降雨量分别为399.7 mm和453.3 mm、平均气温分别为6.7℃和6.9℃；试验地土壤为灰色草甸中壤土，是当地主要的土壤类型。2017、2018年耕层土壤容重分别为1.28 g·cm-3和1.31 g·cm-3，0～20 cm土壤表层养分含量分别为有机质20.47 g·kg-1和21.61 g·kg-1、碱解氮50.05 mg·kg-1和53.9 mg·kg-1、全氮0.81 g·kg-1和0.76 g·kg-1、有效磷6.47 mg·kg-1和5.93 mg·kg-1、速效钾78.25 mg·kg-1和80.25 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验设浅埋滴灌(SBDI)、膜下滴灌(MDI)和传统畦灌(TBI)3种灌溉方式，采用大区对比试验，小区面积为864 m2(7.2 m×120 m)，3次重复。供试品种为农华101，各处理采用播种-施肥-铺带-覆膜一体机播种，大小垄(小垄行距40 cm，大垄行距80 cm)种植，种植密度为7.5万株·hm-2，浅埋滴灌和膜下滴灌处理均采用内镶片式滴灌管，滴头相距30 cm，滴头流量为2.7 L·h-1，其中膜下滴灌处理采用幅宽为1.2 m、厚度为0.08 mm的聚乙烯吹塑农用透明膜，滴灌管铺于小垄中间，调整铺管开沟器和覆土装置高度，使滴灌管置于小垄中间膜下地上，浅埋滴灌处理抬起覆膜装置，调整铺管开沟器和覆土装置至规定高度，使滴灌管浅埋于小垄中间地表3～5 cm处，传统畦灌处理抬起铺管装置和覆膜装置，只进行常规施肥、播种。各处理底施N 35 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2，K2O 45 kg·hm-2，追施N 240 kg·hm-2，分别在拔节期、大喇叭口期、吐丝期按3∶6∶1比例结合灌溉进行，膜下滴灌和浅埋滴灌处理单独配18 L压差式施肥罐和水表，每次施肥前先滴清水约60 min，然后打开施肥阀，施肥完毕后继续滴清水至相应灌水量，传统畦灌处理采用人工开沟撒施。具体灌溉方案如表1。各处理2017年5月2日播种，9月28日收获，2018年5月8日播种，10月1日收获。

表1 灌溉方案/(m3·hm-2)

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成因素 收获时每小区取18 m2样方，3次重复，调查样方内有效穗数，测定籽粒产量，并取样测定籽粒含水率，折算出14%含水率下的产量。同时，各小区均取样10穗，调查穗粒数、测定千粒重。

1.3.2 根系生物量、根幅及根条数 根系取样采用挖掘法，以第1株1/2株距处到第3株1/2株距处为长，以1/2行距为宽，挖长方形样方分层取根，每层20 cm，取根深度为60 cm，洗净并剔除杂质，捡出死根后于105℃杀青30 min，在80℃下烘干至恒重，测定其干质量。吐丝期将根挖出后，置于贴有坐标纸的平板上，观测植株根系，以齐地面处为起点，统计10、20、30 cm处单株根条数，并测定根幅[11]。

1.3.3 根系酶活性及根系活力 各小区于吐丝期和乳熟期分别在同行内取连续3株具有代表性的植株样品，3次重复，挑取足量新鲜根，洗净后放入冰盒内带回，-80℃冰箱内保存备用。根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法测定[12]，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用四氮唑蓝(NBT)光化还原法测定[13]，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[14]，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[13]。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理和作图，DPSV10.0软件进行处理间的差异显著性(LSD法)分析。本试验2017年开始实施，与2017年相比，2018年试验更为成熟，所得试验数据也更为精确，试验所得结果具有较好的重演性和代表性，本文重点以2018年试验数据进行分析说明。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对玉米籽粒产量及其构成因素的影响

由表2可见，玉米籽粒产量2018年浅埋滴灌和传统畦灌均高于膜下滴灌，且与膜下滴灌之间的差异均达到了显著水平，浅埋滴灌和传统畦灌之间的差异不显著，2017年处理之间差异均不显著；有效穗数2017年以浅埋滴灌最高，传统畦灌最低，二者之间的差异达到了显著水平，与膜下滴灌之间的差异均不显著；穗粒数处理间变化规律不明显，处理间的差异也不显著；从不同处理玉米千粒重来看，2 a 均表现为浅埋滴灌>传统畦灌>膜下滴灌，处理间差异均达到了显著水平。

表2 不同灌溉方式对玉米产量及其构成因素的影响

2.2 不同灌溉方式对玉米根系特征的影响

2.2.1 对根干质量的影响 根系是玉米生长发育和产量形成的基础，根干质量在土层中的分布除能够反映栽培措施的影响外，也能反映根系对水肥吸收利用的优势所在。由表3可见，玉米总根干质量吐丝期不同处理间表现为膜下滴灌>浅埋滴灌>传统畦灌，其中膜下滴灌和浅埋滴灌之间差异不显著，但与传统畦灌间差异均达到了显著水平；乳熟期和完熟期不同处理间变化规律一致，均表现为浅埋滴灌高于传统畦灌和膜下滴灌，其中浅埋滴灌与膜下滴灌和传统畦灌之间的差异均达到了显著水平，但膜下滴灌和传统畦灌之间的差异不显著；0～20 cm土层根干质量吐丝期为膜下滴灌和浅埋滴灌均显著高于传统畦灌；乳熟期后的变化规律与吐丝期不同，不同处理间均以浅埋滴灌最高、传统畦灌最低，其中浅埋滴灌与膜下滴灌和传统畦灌之间的差异均达到了显著水平，膜下滴灌与传统畦灌之间的差异不显著，20 cm以下土层根干质量不同处理间均以传统畦灌最高；玉米不同土层根干质量分布比例处理间存在差异，计算结果表明，0～20 cm土层根干质量占总根干质量的比例膜下滴灌和浅埋滴灌均高于传统畦灌，其中膜下滴灌表现尤为明显，这也说明膜下滴灌和浅埋滴灌更容易提高表层土壤根系分布比例。

表3 不同灌溉方式对玉米根干质量垂直分布的影响(2018)/(g·株-1)

2.2.2 对根幅的影响 由图1可见，玉米10 cm土层处行间根幅不同处理间以膜下滴灌最高，传统畦灌最低，二者之间的差异达到了显著水平，浅埋滴灌与膜下滴灌和传统畦灌之间的差异均不显著，株间根幅膜下滴灌和浅埋滴灌均高于传统畦灌，且与传统畦灌之间的差异均达到了显著水平，膜下滴灌与浅埋滴灌之间的差异不显著;20 cm土层处株间和行间根幅处理间差异均不显著；30 cm土层处行间根幅传统畦灌和浅埋滴灌均高于膜下滴灌，且与膜下滴灌之间的差异均达到了显著水平，传统畦灌和浅埋滴灌之间的差异不显著，株间根幅以浅埋滴灌最高，膜下滴灌最低，二者之间的差异达到了显著水平，与传统畦灌之间的差异均不显著。

注：数据为均值+标准差；数据后不同小写字母表示同一年内处理间差异显著(P<0.05)；下同。

2.2.3 对根条数的影响 由图2可见，玉米10 cm土层处根条数吐丝期以膜下滴灌最高，传统畦灌最低，二者之间差异达到了显著水平，但与浅埋滴灌之间的差异均不显著，完熟期各处理间差异均不显著；20 cm土层吐丝期亦以膜下滴灌最高，传统畦灌最低，二者之间差异达到了显著水平，与浅埋滴灌之间的差异均不显著，完熟期则以传统畦灌最高，膜下滴灌最低，二者之间差异达到了显著水平，与浅埋滴灌之间的差异均不显著；30 cm土层处吐丝期处理间差异均不显著，完熟期浅埋滴灌与传统畦灌均高于膜下滴灌，二者之间差异不显著，但与膜下滴灌之间的差异均达到了显著水平。

图2 不同灌溉方式对玉米根条数的影响(2018)

2.2.4 对根长的影响 由图3可见，玉米0～20 cm土层根长吐丝期以膜下滴灌最高，浅埋滴灌最低，二者之间差异达到了显著水平，与浅埋滴灌之间差异均不显著，完熟期则以浅埋滴灌最高，膜下滴灌最低，二者之间的差异亦达到显著水平，与传统畦灌之间的差异均不显著；20～40 cm土层吐丝期和完熟期处理间差异均不显著；40～60 cm土层吐丝期以传统畦灌最高，膜下滴灌最低，二者之间的差异达到了显著水平，与浅埋滴灌之间的差异均不显著，完熟期亦以传统畦灌最高，膜下滴灌最低，其中传统畦灌与膜下滴灌的差异均达到了显著水平，但二者与浅埋滴灌间的差异不显著。

图3 不同灌溉方式对玉米根系长度的影响(2018)

2.2.5 对根系酶活性的影响 SOD和POD是植物细胞的保护酶，其含量的高低在一定程度上反映植物抗衰老能力的强弱。由表4可见，玉米0～20 cm土层根系吐丝期SOD、POD活性处理间变化规律不明显，处理间差异也不显著，乳熟期以传统畦灌最高，膜下滴灌最低，二者之间的差异达到了显著水平，但与浅埋滴灌之间的差异均不显著；20～40 cm土层根系SOD酶活性吐丝期以传统畦灌最高，膜下滴灌最低，二者之间差异达到了显著水平，与浅埋滴灌间的差异均不显著，POD活性浅埋滴灌和传统畦灌均高于膜下滴灌，且与膜下滴灌之间的差异均达到了显著水平，乳熟期SOD和POD活性浅埋滴灌和传统畦灌均高于膜下滴灌，二者之间的差异不显著，但与膜下滴灌之间的差异均达到了显著水平；40～60 cm土层根系SOD活性吐丝期传统畦灌和浅埋滴灌均高于膜下滴灌，且与膜下滴灌之间的差异均达到了显著水平，POD活性处理间差异不显著，乳熟期SOD和POD活性浅埋滴灌和传统畦灌均高于膜下滴灌，且与膜下滴灌之间差异均达到了显著水平。从MDA含量来看，0～20 cm土层处理间差异均不显著，20～40 cm土层吐丝期处理间差异不显著，乳熟期以膜下滴灌最高，浅埋滴灌最低，二者之间差异达到了显著水平，与传统畦灌之间的差异均不显著，40～60 cm土层吐丝期和乳熟期均以膜下滴灌最高，且与浅埋滴灌和传统畦灌之间的差异均达到了显著水平。综合以上分析来看，浅埋滴灌和传统畦灌生育后期根系抗衰老能力较强，衰老较慢。

表4 不同灌溉方式对玉米根系酶活性和MDA的影响(2018)

2.2.6 对根系活力的影响 由图4可知，不同灌溉方式对玉米根系活力的影响不同，吐丝期和乳熟期玉米根系活力均随土层的加深而逐渐增加；其中吐丝期不同土层各处理间的差异均不显著；乳熟期0～20 cm土层中浅埋滴灌和传统畦灌处理的根系活力均显著高于膜下滴灌，20～40 cm土层和40～60 cm土层均以浅埋滴灌最高，膜下滴灌最低，二者之间的差异达到了显著水平，但与传统畦灌之间的差异均不显著。

图4 不同灌溉方式对玉米根系活力的影响(2018年)

3 讨 论

作物对营养元素的吸收主要靠根系的直接接触而获得，所以根系在土壤中的分布及其活性会对作物营养元素的吸收产生重要影响。根系在土壤中的合理分布有利于增加根系与氮素的接触机会，而具有较强活性的根系可以保证其所接触的营养元素能够被充分吸收利用[15-18]。

前人研究[19-21]认为，根系下扎能力强，生长后期分布较深，保持正常的侧根生长，总根长密度高，能够提高整体土壤剖面的氮素有效性，有利于提高玉米氮素吸收效率；KING[22]等通过模型分析表明，增加土壤深层根系分布，减少表层土壤的根系分枝，可以显著提高养分及水分的空间有效性，从而增加产量。可见传统漫灌条件下，深层土壤中根系分布比例大、范围广，有利于增加根系与营养元素的接触机会，从而会提高玉米的养分吸收利用效率。而在节水滴灌条件下，水的分布也会影响到根系的分布，本研究结果表明，玉米根干质量0～20 cm土层吐丝期膜下滴灌和浅埋滴灌较传统畦灌高15.72%和8.21%，二者与传统畦灌之间的差异均达显著水平，另外，土壤表层的根幅、根条数以及根干质量分布比例也明显增加，根系发生“表聚”，但与传统漫灌不同的是，水肥一体化条件下，水的运移也决定了营养元素的分布，所有的营养元素和较大比例的根系均分布在同一湿润土体内，因此根系与营养元素接触的机会更大，对于提高玉米的养分吸收利用效率更为有利。

根系生理特性是影响根系对营养元素吸收的重要因素[23-26]。连艳鲜等[27]研究指出，高产玉米除有发达的根系外，根系活性也比较强，尤其是在生育后期要有较强的活力，才能为地上部分的生长提供充足的养料；任昊等[28]研究指出，延缓根系衰老有利于提高夏玉米花后氮素积累量和籽粒产量；MURTAZA等[29]研究表明，玉米抽雄后吸收的氮素要达到总需氮量的40%～50%；曹国军等[30]也指出，抽雄至灌浆期，植株需氮量剧增，吸收速率达到最大，进而形成吸氮的第二个高峰期，此阶段吸氮量占总氮量的79.71%，磷素吸收速率也迅速回升，出现第2个吸磷高峰期，阶段吸磷量占总磷量的41.82%，钾素积累量达玉米整个生育期最大值，是超高产春玉米吸钾的第1个高峰期，阶段吸钾量占总钾量的47.16%；可见，玉米生育后期仍需较多的养分供应，生育后期保持较高的根系活力对于满足玉米对养分的需求和提高玉米养分吸收利用效率都非常关键。从本研究结果来看，3种灌溉方式下玉米根系生理特性存在一定差异，吐丝期0～20 cm土层根系的SOD、POD活性膜下滴灌略高于浅埋滴灌和传统畦灌，但处理间差异不显著，而乳熟期则以传统畦灌最高，浅埋滴灌次之，膜下滴灌最低，其中传统畦灌与浅埋滴灌之间的差异不显著，但与膜下滴灌之间的差异达到了显著水平，膜下滴灌虽然在吐丝期具有较高的根系活性，但生育后期根系酶活性明显下降，根系衰老加剧，这在一定程度上也会影响到根系对养分的吸收。

4 结 论

本文通过大田定位试验，研究了西辽河平原灌区3种主要灌溉方式下玉米根系形态特征和生理生化特性的影响，得到如下结论：

(1)玉米吐丝期0～20 cm土层根干质量膜下滴灌和浅埋滴灌分别较传统畦灌高15.72%和8.21%，根长高12.73%和6.37%，10 cm土层处根条数和株、行间根幅膜下滴灌和浅埋滴灌均高于传统畦灌，吐丝期膜下滴灌和浅埋滴灌玉米根系在浅层土壤分布比例增加。

(2)膜下滴灌生育后期根系SOD、POD活性低于浅埋滴灌和传统畦灌，MDA含量高于浅埋滴灌和传统畦灌，根系衰老更快，这也会影响到根系对氮素的吸收能力。浅埋滴灌水肥一体化条件下玉米根系时空分布合理，生育后期根系保持了较高活性，是其高产高效重要的生理基础。