王 璞，孫西歡,2，馬娟娟，郭向紅

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.晉中學(xué)院，山西 晉中 030619)

我國(guó)北方地區(qū)缺水嚴(yán)重，冬小麥作為北方重要的糧食作物，全生育期內(nèi)降水少，已成為制約小麥高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1]。灌水是冬小麥獲得生長(zhǎng)水分的重要方式，北方水資源匱乏，灌溉成本高，水分利用率低[2,3]，因此需通過(guò)提高灌水利用效率的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉。近些年關(guān)于冬小麥的節(jié)水灌溉制度主要集中于灌水定額[4]、灌水次數(shù)[5]和灌水時(shí)期方面的研究[6]，而對(duì)于結(jié)合各層土壤含水量的深層灌溉方式研究尚少。

灌水總量不變條件下，結(jié)合根系生長(zhǎng)深度，進(jìn)行深層灌水，能夠促使冬小麥根系深扎，增加整體根量，促進(jìn)冬小麥干物質(zhì)量的積累，增加產(chǎn)量，提高冬小麥的收獲指數(shù)。目前狄楠研究了深層灌水對(duì)冬小麥根系生長(zhǎng)的影響[7]，黃潔研究了深層灌水對(duì)冬小麥水分利用效率的影響[8]，但沒有深入研究該灌水方式下冬小麥的吸水能力。根系吸水能力的研究對(duì)調(diào)節(jié)冬小麥灌溉制度，為農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)實(shí)踐提供有效的理論指導(dǎo)具有重要意義[9]。而作物對(duì)各土層水分的利用狀況取決于土層中根系分布量、根系吸水速率及有效含水量。無(wú)論土壤水分是否充足,根系在作物吸水過(guò)程中都起著非常重要的作用，通常將根系吸水表征為根系分布的函數(shù)[10,11]。本文主要通過(guò)研究相同供水量情況下深層灌水條件下冬小麥的根系分布特征，并利用冬小麥的根系分布函數(shù)及蒸騰強(qiáng)度，計(jì)算不同灌水深度下冬小麥的根系吸水系數(shù)，來(lái)研究該灌水方式下的冬小麥根系吸水能力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年10月-2017年6月在山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)基地(34°48′27″N, 110°41′23″E,海拔約370 m)進(jìn)行。該基地位于山西省運(yùn)城市，多年平均日照時(shí)數(shù)2 247.4 h，年平均氣溫13.6 ℃。試驗(yàn)區(qū)土壤屬于中壤土，地下水埋深大于6 m。播種前在耕層施入底肥，后測(cè)得耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為20.20 g/kg，全氮含量為1.150 g/kg，有效鉀含量為206.5 mg/kg，有效磷含量為45.79 mg/kg。0～300 cm土壤物理參數(shù)見表1。

表1 土壤物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)主要研究不同灌水深度處理下冬小麥的根系分布及吸水能力，為達(dá)到深層灌水條件，試驗(yàn)采用塑料管土柱法，將冬小麥種于外徑20 cm，長(zhǎng)300 cm的土柱內(nèi)，共設(shè)5個(gè)處理(見表2)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)組。試驗(yàn)品種為國(guó)審麥良星99，于2016年10月12日播種，三葉期每根土柱定苗12棵，密度等同大田，試驗(yàn)全過(guò)程做遮雨處理，其他管理措施同當(dāng)?shù)卮筇锕芾?。部分土柱設(shè)置含水率管，監(jiān)測(cè)土壤水分(見圖1)。

表2 試驗(yàn)處理

圖1 試驗(yàn)土柱布設(shè)圖(單位：mm)注：在田間選取2.5 m×22 m土地進(jìn)行土柱試驗(yàn)，各土柱間隔0.8 m，共83根土柱，其中66根(圖1用空心圈表示)用于試驗(yàn)處理，剩余17根土柱(圖1用實(shí)心圈表示)為與往年的對(duì)照試驗(yàn)。

灌水量按照當(dāng)?shù)卮筇锕芾泶_定，共進(jìn)行5次灌水：越冬-返青水、返青-拔節(jié)水，拔節(jié)-抽穗水，抽穗-灌漿水，灌漿-成熟水。其中越冬-返青水均按地表灌溉處理，其余按灌水深度根據(jù)表2來(lái)計(jì)算。根據(jù)大田管理?yè)Q算得，每根土柱的單次灌水量為1 833 mL(不含含水率測(cè)管)，1 723 mL(含含水率測(cè)管)。將設(shè)計(jì)灌水深度土層分層，用下式計(jì)算每個(gè)土層所需水量：

M=10ρbH(θi-θ)

(1)

式中：M為灌水量，mm；H為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，cm；ρb為計(jì)劃濕潤(rùn)層的土壤容重，g/cm3；θi為目標(biāo)含水量(濕潤(rùn)層土壤田持的85%)；θ為灌溉前土壤含水量，%。

在土柱壁上打孔，用點(diǎn)滴管向每個(gè)土層加入所需水量，最后將剩余水量從地表灌入。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

(1)根長(zhǎng)密度：取出土柱，縱向分開 PVC 管，測(cè)量平均最大根深，然后每隔10 cm橫向切開土柱，放在篩子里沖洗至所有根上均無(wú)泥土后，用鑷子挑出洗凈的根，用EPSON Perfection 4870 Scanner根系掃描儀進(jìn)行掃描，再用WinRHIZO Pro(Version 2004a)根系分析程序?qū)λ脠D像進(jìn)行分析獲得根系數(shù)據(jù)。

(2)土壤含水率：土壤含水率采用TRIME-PICO IPH儀器定期測(cè)定，從地面到土柱底端每20 cm一測(cè)，每周測(cè)一次，灌水或降雨后加測(cè)。

(3)葉面積指數(shù)：在冬小麥的各個(gè)生育期每個(gè)土柱隨機(jī)選取四片葉片，用毫米刻度尺測(cè)量葉片的葉長(zhǎng)(Li，i=1,2,3,4)和葉寬(Wi，i=1,2,3,4)，數(shù)出每根土柱的葉片總數(shù)N，用下式計(jì)算葉面積指數(shù)：

(2)

式中：LAI為葉面積指數(shù)；Li為葉長(zhǎng)，mm；Wi為葉寬，mm；S為試驗(yàn)筒底面積，mm2。

(4)蒸騰強(qiáng)度：先用水量平衡法測(cè)定冬小麥的總蒸發(fā)蒸騰量。

ETc=ΔW+I+G+P-D

(3)

式中：ETc為作物各生育階段的蒸發(fā)蒸騰量，mm；ΔW為時(shí)段內(nèi)土壤儲(chǔ)水量的變化，mm；I為時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；G為時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，mm；P為時(shí)段內(nèi)有效降雨量，mm；D為時(shí)段內(nèi)深層滲漏量，mm。

因本實(shí)驗(yàn)為土柱試驗(yàn)，土柱底部進(jìn)行了封底，又增加了遮雨棚進(jìn)行遮雨處理，因此上式中G、P、D均為0，上式可簡(jiǎn)化為：

ETc=ΔW+I

(4)

(5)

式中：θz為深度為z處的土壤含水率；θz0為深度為z處的土壤初始含水率。

蒸騰強(qiáng)度Ta參照康紹忠等[12](1994年)提出的葉面蒸騰和總蒸發(fā)蒸騰之間的關(guān)系計(jì)算，見下式：

(6)

式中：Ta為蒸騰強(qiáng)度，cm/d；LAI為葉面積指數(shù)；K=0.397 3；A=1.036 4；t為7∶00-19∶00。

1.4 根系吸水能力計(jì)算

假定所有根系的吸水性能均勻一致，根系吸水速率與根長(zhǎng)密度呈線性正比[13]，有：

S=Crpα(θ)Ld

(7)

(8)

式中：S為根系吸水速率，cm3/(cm3·d)；Crp為單位根長(zhǎng)潛在根系吸水系數(shù)，cm3/(cm·d)，表示單位根長(zhǎng)在單位時(shí)間內(nèi)所吸收水分的體積，在根系層內(nèi)為一常數(shù)；Ld為根長(zhǎng)密度，cm/cm3；α(θ)為土壤水分脅迫修正因子；θ為土壤含水量；θF為田間持水量；θwp為凋萎含水量。

將式(7)在整個(gè)根系層積分，則有：

(9)

式中：Ta為實(shí)際蒸騰強(qiáng)度，cm/d，亦為單位面積冬小麥的總吸水速率；z為垂直坐標(biāo)，cm，以地面為基準(zhǔn)面，向下為正；Lr為最大扎根深度，cm。

由式(9)推得冬小麥的單位根長(zhǎng)潛在根系吸水系數(shù)Crp計(jì)算式如下：

(10)

采用式(10)計(jì)算出Crp，比較不同處理下的系數(shù)Crp。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水深度處理下冬小麥的根系分布規(guī)律

2.1.1 不同深度灌水處理下冬小麥的根長(zhǎng)密度變化

根長(zhǎng)密度是研究冬小麥根系在土層分布的重要指標(biāo)。圖2為不同時(shí)期冬小麥的根長(zhǎng)密度分布圖，由圖2可見，在冬小麥的整個(gè)生育期，根長(zhǎng)密度隨土層深度的變化趨勢(shì)基本一致，即越接近表層土壤，根系分布越多，根長(zhǎng)密度越大，隨著土層的深入，根長(zhǎng)密度呈波動(dòng)遞減趨勢(shì)。

冬小麥的生育期內(nèi)不同灌水深度下各處理的根長(zhǎng)密度也有很大差異。拔節(jié)期后地表0～30 cm土層冬小麥的根長(zhǎng)密度隨灌水深度的增大而減小，在灌漿期各處理間的差異性最大，T1到T5分別為13.477 8、11.190 9、10.441 3、9.529 8、7.804 2cm/cm3，占T1到T5各處理總根長(zhǎng)的64.36%、61.22%、57.43%、54.26%、52.75%；30～50 cm土層根系的根長(zhǎng)密度隨灌水深度的變化，各處理間差異性減小，且出現(xiàn)了拐點(diǎn)，即部分處理下冬小麥的根長(zhǎng)密度在30～50 cm土層出現(xiàn)增大現(xiàn)象，主要是由于深層灌水增加了下層土壤的含水量，下層較高的含水量促進(jìn)了根系生長(zhǎng)，因此隨灌水深度的增加，30～50 cm土層冬小麥根長(zhǎng)密度的增加程度越大；50 cm以下土層根系的根長(zhǎng)密度大致表現(xiàn)為T5>T4>T3>T2>T1；100 cm以下土層冬小麥的根長(zhǎng)密度占比隨灌水深度的增加而增大，且在抽穗期各處理間差異達(dá)到最大，灌漿期T1到T5處理100 cm以下土層根長(zhǎng)密度占比分別為19.86%、27.87%、32.95%、39.60%、40.42%，灌水深度為根系分布深度的90%處理下根長(zhǎng)密度占比最大。

圖2 不同時(shí)期冬小麥的根長(zhǎng)密度分布圖

2.1.2 不同深度灌水處理下冬小麥的根長(zhǎng)密度分布函數(shù)

對(duì)各處理下冬小麥的分布進(jìn)行函數(shù)擬合，由圖2可以看出各處理冬小麥各生育期的根長(zhǎng)密度隨土層深度的變化大致呈指數(shù)分布，為深入研究冬小麥根系隨土壤深度及時(shí)間的分布規(guī)律，本文建立冬小麥根長(zhǎng)密度的時(shí)空分布函數(shù)，見式(11)。

Ld(z,t)=ae(-b|z-c|)e(-d|t-f|)

(11)

式中：Ld(z,t)為根長(zhǎng)密度；z為土層深度；t為時(shí)間，d；a為各生育期冬小麥根長(zhǎng)密度的最大值；b為各生育期冬小麥根長(zhǎng)密度隨土層深度的遞減速率；c為各生育期冬小麥最大根長(zhǎng)密度所對(duì)應(yīng)的土層深度；d為冬小麥根長(zhǎng)密度隨時(shí)間的遞減速率；f為冬小麥根長(zhǎng)密度達(dá)最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，d。

表3為根長(zhǎng)密度分布函數(shù)各參數(shù)值表。由表3可見a值隨灌水深度的增加不斷減小，即各生育期根長(zhǎng)密度的最大值減??；b值隨灌水深度的增加不斷減小，說(shuō)明冬小麥根長(zhǎng)密度隨土層深度的遞減速率隨灌水深度的增加不斷減小，深層灌水能顯著降低冬小麥根長(zhǎng)密度隨土層深度的遞減速率，且灌水深度越大，遞減速率越??；d值為冬小麥根長(zhǎng)密度隨時(shí)間的遞減速率，隨灌水深度的增加d值出現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，灌水深度為根系分布深度的75%時(shí)遞減速率最大；f值除T2外，均較地面灌溉有所增大，且隨灌水深度的增加增大幅度越大，灌水深度為根系分布深度的90%時(shí)f值最大，可見灌水深度大于根系分布深度的40%時(shí)可以推遲冬小麥達(dá)到最大根長(zhǎng)密度的時(shí)間。

表3 各處理對(duì)應(yīng)的參數(shù)值

2.2 不同深度灌水處理下冬小麥的平均蒸騰強(qiáng)度分析

通過(guò)式(4)計(jì)算冬小麥的日蒸發(fā)量，各時(shí)期取平均值，得到冬小麥各生育期平均蒸騰強(qiáng)度，由于根系從土壤吸得的水分絕大部分用于蒸騰，亦可將蒸發(fā)蒸騰強(qiáng)度看作冬小麥的根系吸水速率，見圖3。由圖3可見冬小麥的蒸騰強(qiáng)度在生育期內(nèi)總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，蒸騰強(qiáng)度在抽穗期達(dá)到最大，各時(shí)期不同處理下冬小麥的蒸騰強(qiáng)度又表現(xiàn)出一定的差異性。拔節(jié)期冬小麥的蒸騰量隨灌水深度的增加而增大，灌水深度為根系分布深度的90%時(shí)蒸騰強(qiáng)度最大；抽穗期各處理冬小麥的蒸騰強(qiáng)度均達(dá)到生育期內(nèi)的最大值，分別為0.723 8、0.774 1、0.788 6、0.806 5、0.779 7 cm/d，蒸騰強(qiáng)度隨灌水深度的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，灌水深度為根系分布深度的75%時(shí)蒸騰強(qiáng)度最大，即該處理下冬小麥的吸水速率最大，與該時(shí)期各處理根長(zhǎng)密度的變化規(guī)律一致；灌漿期，各處理冬小麥的蒸騰強(qiáng)度較抽穗期均有所下降，是因?yàn)楣酀{期冬小麥的部分葉片開始變黃，葉片的蒸騰速率降低，隨灌水深度的增加，冬小麥的蒸騰強(qiáng)度變化規(guī)律與抽穗期一致，即T4>T5>T3>T2>T1；成熟期，各處理冬小麥的蒸騰強(qiáng)度顯著降低，且各處理間差異變小，是由于成熟期冬小麥的葉片開始迅速萎蔫變黃，而葉片是植物進(jìn)行蒸騰作用的主要部位，葉片的萎蔫變黃導(dǎo)致了葉片蒸騰速率顯著降低，各處理間差異減小。

圖3 冬小麥各生育期平均蒸騰強(qiáng)度

2.3 不同灌水深度下冬小麥的根系吸水系數(shù)分析

運(yùn)用式(10)計(jì)算各處理冬小麥的Crp值，由于冬小麥?zhǔn)斋@前葉片大部分枯黃萎蔫，蒸騰速率不再與根長(zhǎng)密度呈線性關(guān)系，因此采用冬小麥返青期至灌漿期的數(shù)據(jù)計(jì)算Crp值，結(jié)果見圖4。

圖4 不同處理Crp比較圖

圖4為不同處理下Crp的比較圖，由圖4可見，從返青期到灌漿期，各處理冬小麥的吸水系數(shù)均出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在抽穗期出現(xiàn)最大值。各處理不同時(shí)期冬小麥的吸水系數(shù)也表現(xiàn)出一定的差異性，返青期和拔節(jié)期各處理的Crp值差異相對(duì)較?。怀樗肫诟魈幚矶←湹奈禂?shù)為全生育期的最大值，分別為0.003 24、0.003 43、0.003 27、0.002 99、0.002 91，表明該時(shí)期各處理單位根長(zhǎng)的吸水速率均達(dá)到生育期內(nèi)的最大值，隨灌水深度的增加Crp值先增大后減小，是因?yàn)槌樗肫跁r(shí)冬小麥各處理間根長(zhǎng)密度隨灌水深度的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，各處理間蒸騰差異較小，T4、T5因根長(zhǎng)密度較大，單位根長(zhǎng)潛在吸水系數(shù)相對(duì)較小，T1、T2、T3因根長(zhǎng)密度相對(duì)較小，單位根長(zhǎng)潛在吸水系數(shù)相對(duì)較大；灌漿期冬小麥的吸水系數(shù)表現(xiàn)為T1>T2>T3>T4>T5，是因?yàn)樵摃r(shí)期各處理冬小麥的根長(zhǎng)密度表現(xiàn)為隨灌水深度的增加先增大后減小，各處理間差異顯著，且由于灌水深度的增加，促進(jìn)了冬小麥的根系下扎，使深層根系的比例大幅增加，加之深層土層含水量較大，α(h)值較大，α(h)與Ld的乘積在整個(gè)根系生長(zhǎng)層的積分值隨灌水深度的增加而增大，而灌漿期各處理蒸騰差異相對(duì)較小，因此Crp值隨灌水深度的增加而減小。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用田間試驗(yàn)，研究了不同灌水深度下冬小麥的根系分布規(guī)律及吸水能力，得出以下結(jié)論。

(1)各處理冬小麥各生育期的根長(zhǎng)密度隨土層深度的變化大致呈指數(shù)分布，深層灌水能夠誘導(dǎo)根系下扎，各處理100 cm以下土層根長(zhǎng)密度占比在灌漿期達(dá)到最大，該時(shí)期根長(zhǎng)密度占比隨灌水深度的增加而增大，灌水深度為根系分布深度的90%時(shí)占比最大。

(2)冬小麥的蒸騰強(qiáng)度在生育期內(nèi)表現(xiàn)為先增大后減小，拔節(jié)期以后蒸騰量隨灌水深度的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，灌水深度為根系分布深度的75%時(shí)蒸騰強(qiáng)度最大，即總根系吸水速率最大。

(3)深層灌水增加了冬小麥根系的蒸騰強(qiáng)度(總吸水速率)，但由于根長(zhǎng)密度也隨灌水深度的增加而顯著增加，抽穗期后冬小麥的根系吸水系數(shù)Crp隨灌水深度的增加大致呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，灌水深度為根系分布深度的90%時(shí)Crp值最小。