水分调控对冬小麦根系生长及抗旱性的影响

王 兵，马娟娟，孙西欢,3，郭向红，狄 楠，黄 洁

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西省水利厅，太原 030002；3.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004)

冬小麦是我国华北地区的重要粮食作物之一，在冬小麦生育期内常常干旱少雨，直接影响其产量的形成，因此发展节水灌溉具有重要意义[1]。根系是冬小麦吸收土壤水分和养分的重要器官[2]，根系的生长分布状况直接关系着冬小麦抗旱能力的强弱和产量的形成。长期以来，人们认为根系发达，分布广泛，根冠比大的品种抗旱，把大根系作为抗旱性的评选指标。近年来，有学者认为，根系过大易引起根系冗余，反而不利于作物高产[3-6]。苗果园[7]指出，冬小麦高产的根系分布呈“宽深型”。山仑等[8]研究认为，作物根系的下扎深度是衡量其抗旱性的重要指标之一，小麦根系下扎较深有利于其抵御干旱逆境，也有利于防止后期倒伏。霍治军[9]研究表明在干旱半干旱地区根系干重过大且分布在表土层的比例过高不利于冬小麦高产。王淑芬等[10]研究认为在小麦生育后期根系对深层土壤水分的吸收对作物产量的形成非常重要。综上分析，生产实践中，采取合理的节水灌溉措施，促进冬小麦根系下扎和深层根系的生长分布，对于提高冬小麦的抗旱能力和产量具有十分重要的意义。目前，我国冬小麦采用的节水技术仍以地面灌溉为主，探讨通过改变灌溉方式，提高土壤剖面下层土壤水分含量，诱导根系下扎，从而提高冬小麦抗旱能力和产量的水分调控研究报道甚少。本文考虑到冬小麦根系生长随生育进程的变化，将计划湿润层与冬小麦根系分布深度紧密联系起来，通过改变灌溉方式，比较分析深层灌溉与地面灌溉对冬小麦根系下扎深度、根总干重、冠层生长及抗旱能力的影响，寻求冬小麦高产合理的水分调控方案，为冬小麦灌溉管理提供理论依据。

1 材料及方法

1.1 试验地概况

试验于2014年10月-2015年6月，在山西水利职业技术学院节水灌溉试验基地(北纬 34°48′27″, 东经 110°41′23″，海拔370 m)进行。试验区全年日照时数2 350 h，年平均温度9～13 ℃，无霜期180～250 d，多年平均降雨量525 mm。土壤质地为中壤土，0～3 m土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地土壤基本理化性状

1.2 试验设计

采用地埋PVC管土柱法进行冬小麦生长试验。PVC管长3 m，管内径18.6 cm。在试验地块先分层挖取0～3 m土壤并分层放置，以保证土柱装土的顺序和紧实度与原状土一致。试验以灌水方式和计划湿润深度为控制因子，设计4个处理，即处理Ⅰ为地面灌溉、处理Ⅱ为计划湿润层取根系分布深度的60%、处理Ⅲ为计划湿润层取根系分布深度的75%、处理Ⅳ为计划湿润层取根系分布深度的90%。在冬小麦生育期内(越冬期、拔节期、抽穗期和灌浆期)共进行4次灌水，其中越冬期均采用地面灌溉；后3次灌溉，各处理的总灌水量仍相同。灌溉时，先通过取根得到各处理平均最大根长来确定设计灌水深度，之后将地表以下30 cm至设计灌水深度之间的土层分层，在土柱侧壁打孔，实施灌溉使土壤含水量达到田持的一定百分数，再将剩余水量灌入地表；按当地冬小麦田间管理675 m3/hm2换算，得到每根管的总灌水量为1 833 mL。在每个处理中随机选取土柱，装土前在土柱中心安装水分测管，以测定不同处理下土壤含水量的变化。

1.3 试验材料

供试冬小麦品种为国审良星99。于2014年10月12日播种，待出苗后每根土柱定植3株，2015年6月1日收获。

1.4 测定项目与方法

(1)根长及根系干重。试验设计在冬小麦的越冬期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期共取5次根，每10 cm一层，每次各处理重复4次。取样后，冲洗、扫描，采用根系分析软件(WinRHIZO version 5.0)进行分析，得到根长等根系的形态指标参数。将扫描后的冬小麦根系采用烘干法至恒重，得到冬小麦分层根系干重及总根干重。

(2)地上部分干重及产量。在冬小麦各生育期，将地上部分从茎基部剪下,擦掉表面的泥土，采用烘干法至恒重，即可得到地上部分干重。冬小麦成熟期时，收获整个土柱中的冬小麦，并在75 ℃下将籽粒烘干至恒重，称量得到单管产量。

(3)根冠比。根冠比=根系干重/地上部分干重。

2 试验结果及分析

2.1 水分调控对冬小麦根系生长和深扎的影响

根系具有向水性，土壤剖面水分分布不同必将影响根系的生长与分布。作物根系的下扎深度是衡量其抗旱性的指标之一[1]。与处理Ⅰ相比，考虑根系分布深度的深层灌溉对冬小麦拔节期后根系的下扎深度的影响见表2。

表2 与处理Ⅰ相比深层灌溉下冬小麦的平均最大根长增量 cm

注：每行数据右侧字母相同者表示差异未达极显著水平(P>0.01)；字母不同者表示差异达极显著水平(P<0.01)；下表同。

从表2可知，拔节期后，由于不同程度的深层灌溉，使得处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根系下扎深度均明显大于处理Ⅰ，随着冬小麦的生育进程，与处理Ⅰ相比深层灌溉下冬小麦的平均最大根长增量不断增加，至成熟期，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根长比处理Ⅰ长27～37 cm。可见考虑根系分布深度的深层灌溉方式能促进根系向下生长，诱导根系下扎。对于深层灌溉下的处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ之间，同一时期根系下扎深度顺序为处理Ⅱ<处理Ⅲ<处理Ⅳ，表明试验灌水到达深度越大，冬小麦根系的下扎深度越大。与处理Ⅰ相比，处理Ⅱ的平均最大根长增量在冬小麦的抽穗期达最大，在灌浆期和成熟期两者的差值减小；处理Ⅲ的平均最大根长增量自冬小麦抽穗期后基本稳定；处理Ⅳ的平均最大根长增量在冬小麦的灌浆期达最大，这说明在冬小麦抽穗期和灌浆期，深层灌溉明显促进了根系的下扎深度，有利于根系吸收深层土壤水分。

表3为与处理Ⅰ相比深层灌溉下冬小麦各生育期根系干重相对增量的变化情况。处理Ⅱ、Ⅲ至成熟期总根干重相对增量均在10%以上，而处理Ⅳ相比处理Ⅰ相对增量较小，抽穗期增量最大为5%左右，之后增量减小。这表明适度深层灌溉能够明显增加总根干重，有利于冬小麦生育后期深层根系的生长。

表3 与处理Ⅰ相比深层灌溉下冬小麦各生育期总根干重相对增量 %

2.2 水分调控对冬小麦根冠比的影响

根冠比可反映作物地上部分与地下部分生长的协调程度。适宜的根冠比有利于作物高产稳产。与处理Ⅰ相比，考虑根系分布深度的深层灌溉对冬小麦各生育期地上部分干重相对增量见表4，冬小麦不同生育期的根冠比见表5。

表4 与处理Ⅰ相比深层灌溉下冬小麦各生育期地上部分干重相对增量变化 %

表5 不同处理冬小麦各生育期根冠比

由表4可知，与处理Ⅰ相比深层灌溉下各处理地上部分干重相对增量变化，在拔节期—抽穗期，其大小顺序为处理Ⅱ<处理Ⅲ<处理Ⅳ，而在灌浆期—成熟期，其相对增量大小顺序为处理Ⅳ<处理Ⅱ<处理Ⅲ，这说明不同程度的深层灌溉直接影响冬小麦冠层大小。由表5可知，各处理下的根冠比在返青期达最大，随着冬小麦的生育进程，均呈现先增大后减小的变化趋势。这是由于拔节期前，冬小麦生长主要以营养生长为主，此阶段地下根系的生长比地上部分植株体生长的快。拔节期冬小麦营养生长与生殖生长并进，地上部分植株体生长速度加快，根系生长速度相对减缓，因此根冠比快速减小，之后冬小麦进入生殖生长为主阶段，植物体以地上部分生长为主，使得根冠比进一步减小。与处理Ⅰ相比，拔节—成熟期深层灌溉下处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根冠比均较小，其大小顺序为处理Ⅳ<处理Ⅲ<处理Ⅱ。

2.3 水分调控对冬小麦产量的影响

表6为不同处理冬小麦的单管产量，从表6可以看出，水分调控对冬小麦的单管产量的影响为处理Ⅲ>处理Ⅱ>处理Ⅳ>处理Ⅰ，表明考虑计划湿润层的深层灌溉相比地表灌溉方式，能够显著提高冬小麦产量，其增产率分别为34.7%，28.2%及12.8%。这说明灌水量相同时，通过改变灌溉方式，考虑计划湿润层的深层灌溉能提高水的利用率和利用效率。

表6 不同处理冬小麦的单管产量

2.4 水分调控对冬小麦抗旱性影响分析

大量研究表明，抗旱作物的基本特征为根系较大、较深、较密。试验条件下，在灌水总量一定时，相比地表灌溉，深层灌溉下冬小麦的平均最大根长增量随其生育进程不断增加，至成熟期，处理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的根长比处理Ⅰ长27～37 cm。且至成熟期，处理Ⅱ、Ⅲ总根干重增量均比处理Ⅰ多10%以上，处理Ⅳ相比处理Ⅰ也有一定的增量。这些表明考虑计划湿润层的深层灌溉有利于提高冬小麦的抗旱能力。

从各处理对冬小麦根冠比及产量的影响来看，处理Ⅰ冬小麦的根冠比最大，但产量最小，处理Ⅱ、Ⅲ冬小麦根冠比较小，但产量较高，表明了冬小麦的产量并不是与根冠比成正比。相比地面灌溉，考虑计划湿润层的深层灌溉能更好地协调冬小麦地上部分与地下部分之间生长关系，适当的根冠比能充分地利用深层土壤中的水分，有利于缓解冬小麦生育后期的表层干旱现象，从而提高冬小麦的产量。

这对于我国华北干旱半干旱地区，冬小麦生育期内干旱少雨，通过改变灌溉方式，促进小麦根系深扎，形成适宜的根冠比，提高冬小麦的抗旱性，提高产量具有重要的意义。

3 结 语

(1)与地面灌溉相比，深层灌溉明显促进了根系的下扎深度， 提高了根系总干重，但根冠比却减小，主要是因为深层灌溉能更好地协调冬小麦地上部分与地下部分之间生长关系，深层灌溉导致的土壤剖面深层含水量较高，在冬小麦生育后期更好地促进了地上部分植株体的生长和产量的形成，从而提高了冬小麦的抗旱能力。

(2)试验条件下，考虑计划湿润层的深层灌溉处理Ⅱ和处理Ⅲ的冬小麦根系整体生长发育较好，根冠比适当，形成的冬小麦产量较高，植物体抗旱能力较强，因此，是较适宜的灌溉方案，可为我国华北地区冬小麦节水灌溉提供参考。

[1] 吕丽华，李 谦，董志强，等. 灌水方式和灌溉量对冬小麦根冠结构的影响[J]. 麦类作物学报，2014,34(11):1 537-1 544.

[2] Virgina G.An underground revolution[J].Nature,2010,466:552-553.

[3] 邹 琦, 王学臣. 作物高产高效生理研究进展[M].北京：科学出版社，1994:201-210.

[4] Zhang DY, Sun GJ，Jiang X H. Donald's ideotype and growth redundancy: a game theoretical analysis[J]. Field Crops Res, 1999,61:179-187.

[5] 张大勇，姜新华，赵松龄.再论生长的冗余[J]. 草业学报,1995,4(3):17-22.

[6] 马守臣，徐炳成，李凤民，等. 根修剪对冬小麦根系效率、水分利用及产量的影响[J]. 应用与环境生物学报，2009，15(5):606-609.

[7] 苗果园,张云亭,尹 钧,等.黄土高原旱地冬小麦根系生长规律的研究[J].作物学报, 1989,15(2):104-115.

[8] 山 仑,陈培元.旱地农业生理生态基础[M]. 北京：科学出版社,1998:159-188.

[9] 霍治军. 不同抗旱类型冬小麦根系特征及其与产量的关系研究[J].江西农业学报,2015,27(7):22-24.

[10] 王淑芬,张喜英,裴 冬.不同供水条件对冬小麦根系分布、产量及水分利用效率的影响[J].农业工程学报, 2006,22(2):27-32.