周始威，胡笑濤，王文娥，張亞軍 (西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

通過灌溉方法可以人為控制土壤水分剖面分布，以此調(diào)節(jié)根系生長分布，根系空間分布與土體水量分布狀況極為一致[1-3]。根系在土壤中的分布狀況, 在很大程度上決定著作物對(duì)不同土層水分的吸收，也會(huì)影響到根區(qū)土壤水分的分布[4-6]。作物的根系分布及所處的土壤水分環(huán)境與作物的水分利用效率有著直接的關(guān)系[7]?？梢?，通過調(diào)控根區(qū)土壤水分來提高作物的水分利用效率是可行的。

以往的研究中多以灌水量為控制指標(biāo)來調(diào)控土壤水分分布，研究內(nèi)容也多是圍繞灌水量展開的討論[1,4-6]。本文以武威地區(qū)春小麥為研究對(duì)象，通過控制不同生育期計(jì)劃濕潤層深度來實(shí)現(xiàn)根區(qū)土壤水分的垂向調(diào)節(jié)，具體分析了根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控措施對(duì)春小麥根系生長及分布、土壤水分分布及作物生物量、產(chǎn)量、水分利用的調(diào)控效果，旨在獲得能夠提高當(dāng)?shù)卮盒←溗掷眯实淖顑?yōu)根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控方案，為緩解干旱區(qū)水資源短缺提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2014年3月-7月在甘肅武威市中國農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河流域節(jié)水試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)地概況見文獻(xiàn)[8]。試驗(yàn)選用春小麥為研究對(duì)象，共設(shè)置3個(gè)處理。根據(jù)春小麥不同生育期的生長特性及需水狀況，在其不同生育階段設(shè)不同計(jì)劃濕潤層深度。在苗期，春小麥根系短、需水量較少，計(jì)劃濕潤層深度設(shè)30 cm(T1)、40 cm(T2)、50 cm(T3)3個(gè)水平。在拔節(jié)期，春小麥根系增長、需水量增大，計(jì)劃濕潤層深度設(shè)40 cm(T1)、50 cm(T2)、60 cm(T3)3個(gè)水平。在抽穗至成熟期春小麥根系與需水量均較大，計(jì)劃濕潤層深度設(shè)50 cm(T1)、60 cm(T2)、70 cm(T3)3個(gè)水平。上述處理均以田間持水量為灌水上限，以65%田間持水量為充分灌溉灌水下限，灌水方式采用地面畦灌。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積為16 m2(4 m×4 m)，采用隨機(jī)區(qū)組排列并設(shè)有保護(hù)行。春小麥于3月24號(hào)播種，播種密度為300萬株/hm2，行距為15 cm，7月25號(hào)收獲。播種前施入尿素180 kg/hm2，整個(gè)生育期內(nèi)不施肥。當(dāng)各處理的平均含水率達(dá)到土壤含水率下限時(shí)進(jìn)行灌水。

1.2 測定項(xiàng)目和方法

(1)土壤水分測定：用烘干法測定土壤含水率，每周六1次，灌水前后加測1次。

(2)生物量及產(chǎn)量：待收獲時(shí)，取春小麥地上部分，先以高溫殺青，再恒溫下烘干，然后稱重得到生物量。選1 m2小麥進(jìn)行脫粒，風(fēng)干后測定小麥籽粒產(chǎn)量，將同處理數(shù)據(jù)求平均值得出實(shí)際產(chǎn)量。

(3)根系指標(biāo)：于乳熟期(7月13日)取春小麥根系樣本，以樣本植株為中心，取長30 cm、寬20 cm長方形，沿四周垂直下挖，每10 cm取一土樣。將土樣用水浸泡、清洗、去除死根，得到干凈根系樣品。用CI-400型根系圖像分析系統(tǒng)分析計(jì)算根系長度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根長密度：計(jì)算公式為[9]：

(1)

式中：ρL為根長密度，cm/cm3；S為取得的含有根系的土體體積，cm3；L為土體中的總根長，cm。

作物耗水量：采用水量平衡法，計(jì)算公式為[10]：

ET=P+I+ΔW

(2)

式中：ET為作物耗水量，mm；P為生育期內(nèi)降水量，mm；I為生育期內(nèi)的灌溉量，mm；ΔW為土壤水分消耗量(初期土壤含水量與末期土壤含水量的差值)，mm。

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用SPSS17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，LSD(least significant difference)法進(jìn)行差異顯著性比較(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控措施對(duì)春小麥根系生長及分布的影響

春小麥乳熟期不同深度土層根長密度見表1。各處理的根長密度隨著土層深度的增加而減少。0～20 cm是根長密度主要分布區(qū)域。3個(gè)處理在各土層的根長密度存在差異，差異主要凸顯于上部土層(0～60 cm)；在0～20 cm，T1的根長密度顯著小于另外兩處理(P<0.05)，T2略小于T3。在20～40 cm土層，T3的根長密度顯著小于T1及T2，T1與T2的根長密度相差不大。在40～60 cm土層，3個(gè)處理之間的根長密度差異顯著(P<0.05)，根長密度表現(xiàn)為T1>T2>T3。在60～80及80～100 cm土層，3個(gè)處理之間的根長密度差異不顯著(P>0.05)；在60～80 cm土層中三處理的根長密度表現(xiàn)為T1>T2>T3，而在80～100 cm土層，3個(gè)處理之間的根長密度表現(xiàn)為T3>T2>T1。T1、T2及T3在0～100 cm土層中的平均根長密度分別為1.964、2.267、2.338 cm/cm3，T3的平均根長密度最大，較T1增加19.04%。

表1 春小麥乳熟期不同深度土層根長密度及分布

注：括號(hào)內(nèi)為與總根長的比，%；不同的小寫字母(縱向比較)表示處理在0.05水平下差異顯著，下同。

根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控措施也有效的調(diào)控了根長密度在土層中的垂直分布，3個(gè)處理在0～20 cm土層的根長占比(該土層內(nèi)根長與總根長的比值)均大于41%，處理間根長占比表現(xiàn)為：T3>T2>T1，T1較其余處理有大的減少；在20～40，40～60及60～80 cm土層，3個(gè)處理的根長占比均表現(xiàn)為T1>T2>T3，T1的根長占比較其他處理有較大的增加，其中，在40～60 cm土層，三處理相互間根長占比差異明顯。而在80～100 cm土層，三處理根長占比很小，且處理間差異不大。

研究結(jié)果表明，根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控中使用小的計(jì)劃濕潤層深度(T1)會(huì)減小表層(0～20 cm)土壤中的根長密度及整個(gè)根區(qū)(0～100 cm)的根長密度，而在較深土層(20～60 cm)中的根長密度較其他處理有較大的增加，在深土層(60～80 cm)中的根長密度與其他處理相比，變化不大。在40～60 cm土層，根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控的效果最顯著，處理間的根長密度差異互為顯著。根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控對(duì)根系分布的影響表現(xiàn)為：根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控中使用大的計(jì)劃濕潤層深度能夠增加表層(0～20 cm)土壤中的根長占比；而使用小的計(jì)劃濕潤層深度有助于增加深層(20～80 cm)土壤中的根系分布比例，使根系在豎直方向上分布的差異減??；其中，40～60 cm土層仍為調(diào)控效果最顯著的土層，三處理間根長占比差異較大。

2.2 根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控下土壤水分的變化特征

不同處理農(nóng)田不同土層土壤平均含水量見表2。3個(gè)處理在0～20、20～40、40～60及60～80 cm土層的平均含水量均表現(xiàn)為T3>T2>T1，T1顯著小于另外兩處理(P<0.05)，T2與T3在整體上相差不大；而在40～60 cm土層，三處理間的平均含水量差異互為顯著。在80～100 cm土層，3個(gè)處理的平均含水量表現(xiàn)為T3>T1>T2，處理間無顯著差異(P>0.05)。T1土層平均含水量隨土層深度的增加而增大，而T2與T3在60～80 cm土層的平均含水量較下層土壤偏大。結(jié)合小麥的根系分布(表1)，T1在60～80 cm土層的根長密度大于其他處理，對(duì)該層土壤水分的吸收較多，致使該層含水量下降，含水量在豎直方向上的分布與其他處理不同。

試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)控方案的不同對(duì)土壤水分分布造成的差異主要體現(xiàn)上部土層(0～80 cm)；其中，40～60 cm土層仍為調(diào)控效果最顯著的土層，三處理間平均含水量互為差異顯著。三處理在0～100 cm土層的平均含水量表現(xiàn)為T3>T2>T1，處理間差異較大，可見使用大的計(jì)劃濕潤層可以有效增加生育期內(nèi)根區(qū)土壤含水量。

表2 不同處理農(nóng)田不同土層土壤平均含水量分布

2.3 根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控對(duì)春小麥生物量、產(chǎn)量及水分利用效率的影響

耗水量由灌溉水量、降雨量及土壤水儲(chǔ)量變化量組成。為了節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，應(yīng)當(dāng)盡可能多的利用降水及土壤水，減少灌溉水量。由表3可以看出，不同處理下春小麥所需灌水量及耗水量有較大的差異。3個(gè)處理耗水量及灌溉水量均為T3>T1>T2，T1的灌水次數(shù)多于T2及T3。

不同土層土壤水儲(chǔ)量變化情況見圖1，T1、T2及T3消耗的土壤水儲(chǔ)量分別為119.8 mm、105.0 mm、98.2 mm。隨著土層深度的增加，3個(gè)處理的土壤水消耗量均變大，T1在各土層的土壤水消耗量均大于其他處理。三處理消耗土壤水的差異主要體現(xiàn)在20～60 cm。在20～40 cm土層，T2顯著小于其他處理。在40～60 cm土層，T3顯著小于另外兩處理。

3個(gè)處理間的產(chǎn)量差異很小，產(chǎn)量表現(xiàn)為T1>T3>T2，T1較T2僅相差147 kg/hm2；處理間生物量差異較大，表現(xiàn)為T1>T2>T3，T1較T3增加1 038 kg/hm2。參照3個(gè)處理間耗水量及灌溉水量的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)耗水量的增加并不一定會(huì)增加產(chǎn)量及生物量，生物量與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系不明顯。雖然處理間產(chǎn)量差異很小，但所需灌溉水量卻有較大差異，T3較T1增加39.7 mm，存在節(jié)水空間，通過垂向調(diào)控根區(qū)土壤水分可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水目的。

衡量一種灌水制度的優(yōu)劣，既看其對(duì)產(chǎn)量的影響，又要看是否節(jié)約灌溉水量[11]。因此本研究以灌溉水利用效率為衡量指標(biāo)，來評(píng)價(jià)各處理節(jié)水效果。灌溉水利用效率為T2>T1>T3，T2灌溉水利用效率與T1相差不大，但較T3增加0.37 kg/m3，產(chǎn)量為最高值，灌溉水量與T3處理相比減少50.6 mm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控中使用小的計(jì)劃濕潤層深度可以更充分的利用土壤水分，其中，下部土層(40～100 cm)土壤水儲(chǔ)量下降幅度更大；20～60 cm土層為調(diào)控效果最顯著的土層，處理間土壤水消耗量有較大差異；過大或過小的計(jì)劃濕潤層深度都有可能減小灌溉水利用效率，使用大的計(jì)劃濕潤層深度會(huì)增加灌溉水量，使用小的計(jì)劃濕潤層深度會(huì)減少單次灌水量，但會(huì)增加灌水次數(shù)，并沒有減小達(dá)到節(jié)約灌溉水的目的。有研究表明小定額多次灌水可以增加作物產(chǎn)量[12]，本研究也證實(shí)使用小的計(jì)劃濕潤層深度可以增加春小麥產(chǎn)量，但增加幅度很小，有可能降低灌溉水利用效率；T2在3個(gè)處理中的節(jié)水效果最好。

表3 不同處理春小麥產(chǎn)量、生物量、收獲指數(shù)、耗水量和灌溉水利用效率

圖1 不同處理下春小麥消耗土壤水垂直分布

3 結(jié)果與討論

已有研究表明，適宜的土壤水分有利于根系的生長，在某種程度上表現(xiàn)出水大根大，即根長密度隨土壤水分的增加而增加[7]。土壤水分較高的種植區(qū)(表層0～20 cm)根量較大，下部土層根量較少[13]。干旱可以導(dǎo)致土壤表層根量減少，而中下層根量所占比例增大[14]，對(duì)深層土壤水分的利用增大[4]。無灌溉或灌溉量少時(shí)，冬小麥對(duì)土壤水的利用增加，且有利于深層土壤水的吸收利用[15]。本研究表明，通過控制不同生育期計(jì)劃濕潤層深度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)根區(qū)土壤水分分布及作物根系分布的調(diào)控；在根區(qū)土壤水分垂向調(diào)控中使用大的計(jì)劃濕潤層深度可以提高生育期內(nèi)根區(qū)土壤含水量，增加表層土壤中的根長密度及根系分布比例，也可以增加整個(gè)根區(qū)的根長密度；而使用小的計(jì)劃濕潤層深度使得生育期內(nèi)根區(qū)土壤含水量較小，但深層(20～80 cm)土壤中的根系分布比例增大，根系在豎直方向上分布的差異減小，有利于對(duì)土壤水的吸收，對(duì)深層土壤水的利用更加充分；與前人的研究結(jié)果基本一致。 度夏玉米產(chǎn)量較前兩年產(chǎn)量較高，一方面可能是氣候適宜，或許控失肥的施用同時(shí)也改善了土壤理化特性，使得夏玉米產(chǎn)量較高，需要進(jìn)一步進(jìn)行開展控失肥對(duì)土壤養(yǎng)分的影響研究。

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