于麗娜，戈秋妹，任瑩，韓欣芃，尹寶重*

（1.棗強(qiáng)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，衡水 棗強(qiáng) 053100；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，河北 保定 071001；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071001）

根系是植物獲取養(yǎng)分和水分的重要器官[1]，對(duì)植物生長(zhǎng)可塑性起到了至關(guān)重要的作用。根系生長(zhǎng)受土壤物理結(jié)構(gòu)、水熱特征、化學(xué)性狀等環(huán)境因素影響很大，如，當(dāng)土壤容重超過(guò)作物生長(zhǎng)的適宜范圍后，即使微小增加也會(huì)給根系生長(zhǎng)帶來(lái)更大的機(jī)械阻力，造成根系活力和形態(tài)分布受到影響，對(duì)作物產(chǎn)量造成負(fù)面效應(yīng)[2，3]。研究表明，當(dāng)根系在容重較大、緊實(shí)度較高的土壤中生長(zhǎng)時(shí)，其軸向的細(xì)胞伸長(zhǎng)和形成速率受到抑制，根系伸長(zhǎng)速率下降，這對(duì)作物吸收水分和養(yǎng)分以及增強(qiáng)抗倒伏性是極為不利的[4]。因此，塑造良好的土壤環(huán)境，促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育，是充分利用土壤水分和養(yǎng)分，保障作物產(chǎn)量建成的重要途徑。

耕作是人類改變土壤環(huán)境最直接的手段，長(zhǎng)期以來(lái)，廣大科技工作者圍繞耕作改變土壤理化性狀、水熱狀態(tài)，以及作物水分和養(yǎng)分利用，作物形態(tài)、生理生化等層面的適應(yīng)性進(jìn)行了諸多有益研究。尤其在一些長(zhǎng)期采用單一耕作方式的地區(qū)，改變耕作方式對(duì)增強(qiáng)作物根系活力、延長(zhǎng)根系生命周期、提高作物抗逆力具有重要意義。尹寶重等[5，6]研究表明，在連年采用免耕—旋耕的種植體系中實(shí)施深松作業(yè)，可提高玉米根系活力，改變根區(qū)微生物動(dòng)態(tài)。類似研究在中國(guó)的黃土高原[7]、膠東半島潮褐土區(qū)[8]、東北黑土區(qū)[9]也有很多。但是，不同區(qū)域的土壤類型、種植制度、氣候環(huán)境等存在較大差異，這就導(dǎo)致不同區(qū)域耕作方式的研究結(jié)果缺乏直接借鑒的價(jià)值。因此，針對(duì)各區(qū)域農(nóng)業(yè)要素差異優(yōu)化耕作方式，是提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要途徑。

冬小麥—夏玉米一年兩熟制是河北省平原最主要的種植制度，且大部分地區(qū)采用兩季作物均秸稈還田，玉米季免耕、小麥季旋耕的土壤耕作方式。近年來(lái)，隨著玉米高產(chǎn)的需要，其播量有增大趨勢(shì)，導(dǎo)致需要還田的玉米秸稈量增加，影響后茬小麥旋耕作業(yè)的深度，造成麥田耕層變淺，農(nóng)田蓄水能力下降、透氣性變差、養(yǎng)分狀況惡化、微生物活性降低等一系列耕地生產(chǎn)力退化的問(wèn)題[10]。因此，探索更為合理的土壤耕作方式，提升耕地的可持續(xù)生產(chǎn)能力勢(shì)在必行。基于此，在多年實(shí)施小麥—玉米一年兩熟制的河北平原區(qū)，研究不同耕作方式下小麥根系生理特征的響應(yīng)特征，可為構(gòu)建適應(yīng)區(qū)域特殊種植制度的土壤耕作體系提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)于2020～2021 年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)辛集實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)土壤為中壤土，0～20 cm 耕層基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)12.6 g/kg、全氮1.19 g/kg、堿解氮68.4 mg/kg、速效磷23.4 mg/kg、速效鉀119.5 mg/kg。試驗(yàn)期間該區(qū)降水量為64.9 mm，屬偏干旱年型。截至2017 年小麥季播種前，該試驗(yàn)田采用小麥—玉米一年兩熟制已連續(xù)種植10 a，兩季作物均秸稈還田，玉米季免耕、小麥季旋耕。

1.2 試驗(yàn)材料

供試小麥品種為馬蘭1 號(hào)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2017 年小麥播種前開始進(jìn)行土壤耕作方式處理，土壤耕作方式設(shè)連年深松（S）、隔年深松（SR）、隔2 a 深松（SRRS）和旋耕（R，CK）4 個(gè)處理（表1），玉米季全部采用常規(guī)免耕播種。小區(qū)面積240 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，3 次重復(fù)。小麥深松作業(yè)采用2BMYFS 系列深松免耕施肥播種機(jī)（山東天盛機(jī)械科技股份有限公司）進(jìn)行，深松間隔年限小麥采用2BFG-18 型小麥旋耕施肥播種機(jī)（河北農(nóng)哈哈機(jī)械公司）旋耕（作業(yè)深度15 cm）；玉米季免耕種肥同播。2020 年10 月11 日趁墑播種小麥，行距15 cm，基本苗348.5 萬(wàn)株/hm2。2020～2021 年小麥季，分別在苗期、拔節(jié)期和開花期灌水，總灌水量為172.5 mm。小麥播前底施氮肥（N）120 kg/hm2、磷肥（P2O5）112.5 kg/hm2、鉀肥（K2O）112.5 kg/hm2，春季隨灌水追施氮肥（N）120 kg/hm2。其他管理同常規(guī)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的小麥季土壤耕作方式Table 1 Experimental design of soil tillage methods for the wheat season

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法 分別在小麥拔節(jié)期、開花期和乳熟期，采用根鉆法取0～15cm、15～30cm、30～45cm、45～60 cm、60～80 cm 土層的根系，于行間、1/2 行距各取一鉆混合，每重復(fù)隨機(jī)3 個(gè)取樣點(diǎn)，每處理3 次重復(fù)。采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測(cè)定根系活力[11]；采用甲烯藍(lán)比色法測(cè)定根系總吸收面積和活躍吸收面積[12]，計(jì)算根系活躍吸收面積比例（根系活躍吸收面積/根系總吸收面積×100%）。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 采用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用LSD 法進(jìn)行數(shù)據(jù)的多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤耕作方式對(duì)小麥根系活躍吸收面積比例的影響

不同土壤耕作方式對(duì)主要生育期不同深度土層小麥根系活躍吸收面積比例的影響不同（圖1）。

圖1 耕作方式對(duì)主要生育期不同深度土層小麥根系活躍吸收面積比例的影響Fig.1 Effect of tillage methods on the proportion of active absorption area of wheat roots in different depths of soil layers during the main growth period

2.1.1 拔節(jié)期 0～15 cm 土層，前期試驗(yàn)?zāi)甓葻o(wú)論是深松還是旋耕，試驗(yàn)開始后小麥當(dāng)季進(jìn)行過(guò)旋耕的地塊根系活躍吸收面積比例均顯著＞連年深松地塊，平均高10.8 百分點(diǎn)，其中，隔年深松與連年深松處理的指標(biāo)值差異不顯著，但二者均顯著＞隔2 a 深松處理；15～30 cm 土層，旋耕/深松交替進(jìn)行的地塊根系活躍吸收面積比例顯著＞連年旋耕或深松地塊，平均高15.2 百分點(diǎn)；30～60 cm 土層，深松頻率高的處理根系活躍吸收面積比例更大，其中，連年深松處理的指標(biāo)值最高，平均較其他處理高4.6 百分點(diǎn)；60～80 cm 土層，小麥根系活躍吸收面積比例受土壤耕作方式影響的規(guī)律性不強(qiáng)，不同處理的指標(biāo)值差異均不顯著。

2.1.2 開花期 以深松為核心的3 個(gè)土壤耕作方式處理平均根系活躍吸收面積比例較連年旋耕地塊低12.0百分點(diǎn)。旋耕/深松交替進(jìn)行的地塊，尤其是隔年深松處理下0～15 cm 土層平均活躍吸收面積比例更高，平均較其他2 個(gè)深松處理高9.1 百分點(diǎn)；15～30 cm 土層受土壤耕作方式影響的規(guī)律性更為明顯，旋耕/深松交替進(jìn)行的地塊根系活躍吸收面積比例顯著高于連年旋耕或深松地塊，平均高17.8 百分點(diǎn)；30 cm 以下土層，隨著土層深度的增加，根系活躍吸收面積比例受土壤耕作方式影響的差異逐漸縮小，至60～80 cm 土層，根系活躍吸收面積比例依然是深松頻率高的地塊指標(biāo)值更大，尤其是連年深松的地塊根系活躍吸收面積比例顯著較高。

2.1.3 乳熟期 不同土壤耕作方式處理的0～15 cm 土層根系活躍吸收面積比例與之前相比均已顯著降低，這與小麥生育后期上層根系衰老密切相關(guān)；15 cm 以下土層根系活躍吸收面積依然保持較大，尤其是15～30 cm 土層根系已成為各處理小麥吸收土壤水分和養(yǎng)分的重要部分。旋耕/深松交替進(jìn)行的地塊平均根系活躍吸收面積比例較連年旋耕或深松地塊高13.0 百分點(diǎn)，其中隔年深松/旋耕交替進(jìn)行的地塊指標(biāo)值最高，平均較連年旋耕或深松地塊高14.4 百分點(diǎn)。30～45 cm土層也有類似趨勢(shì)，但各處理的根系活躍吸收面積比例均有不同程度的下降。至60～80 cm 土層，各處理的根系活躍吸收面積比例均降至10%以下，對(duì)作物水分和養(yǎng)分的吸收作用有限。

總體來(lái)看，旋耕有利于提高上層土壤的小麥根系活躍吸收面積，深松有利于提高下層土壤的小麥根系＞吸收面積；旋耕/深松交替進(jìn)行時(shí)對(duì)上下層土壤小麥根系的影響較為均衡。采用旋耕或旋耕/深松交替進(jìn)行的地塊，有利于提高0～15 cm 土層的根系活躍吸收面積，平均較單獨(dú)深松地塊高6.1 百分點(diǎn)；采用深松/旋耕交替，尤其是隔年深松，對(duì)提高15～45 cm 土層的根系活躍吸收面積較為有利，平均較其他處理提高6.1 百分點(diǎn)。

2.2 土壤耕作方式對(duì)小麥根系活力的影響

不同土壤耕作方式對(duì)主要生育期不同深度土層小麥根系活力的影響不同（圖2）。

圖2 耕作方式對(duì)主要生育期不同深度土層小麥根系活力的影響Fig.2 Effect of tillage methods on the root activity of wheat in different depths of soil layers during the main growth period

2.2.1 拔節(jié)期 0～15 cm 土層，前期試驗(yàn)?zāi)甓葻o(wú)論是深松還是旋耕，試驗(yàn)開始后小麥當(dāng)季進(jìn)行過(guò)旋耕的地塊根系活力均顯著＞連年深松地塊，平均高12.3%；15～30 cm 土層，旋耕/深松交替進(jìn)行或連年深松的地塊根系活力均顯著＞連年旋耕地塊，平均高24.8%，其中，隔2 a 深松處理效果最好，根系活力較其他處理平均高23.5%；30～45 cm 土層也有類似趨勢(shì)，至60 cm土層依然是旋耕/深松交替進(jìn)行的地塊根系活力較高。

2.2.2 開花期 0～15 cm 土層，連年旋耕或旋耕/深松交替進(jìn)行的地塊根系活力均＞連年深松地塊，其中，隔年深松（SR）處理的根系活力最高，較其他3 個(gè)處理平均高13.9%；15～30 cm 土層也有類似規(guī)律，連年深松或深松/旋耕交替進(jìn)行的地塊根系活力均顯著＞連年旋耕地塊，平均高19.8%；30～45 cm 土層也有類似規(guī)律，以深松為核心的3 個(gè)土壤耕作方式處理根系活力平均較連年旋耕處理高38.5%。45～60 cm 土層，則表現(xiàn)為深松/旋耕交替進(jìn)行的地塊根系活力更高，平均是連年深松或旋耕處理根系活力的2.5 倍。60～80 cm土層，深松/旋耕交替進(jìn)行或連年深松的地塊根系活力依然顯著＞連年旋耕地塊。

2.2.3 乳熟期 不同土壤耕作方式處理的0～15 cm 土層根系活力與之前相比均已顯著降低，但各處理差異依然較為明顯，其中，0～15 cm 土層，連年旋耕或當(dāng)季旋耕的地塊根系活力依然較高，平均較當(dāng)季深松或連年深松的地塊高19.8%。15～30 cm 土層，隔2 a 深松（SRRS）處理的根系活力最高，較其他處理平均高15.4%。30～45 cm 土層，各處理根系活力明顯低于15～30 cm 土層，且處理間差異縮小，S、SR 和SRRS這3 個(gè)處理已無(wú)顯著差異。60～80 cm 土層，各處理根系活力，進(jìn)一步降低；其中，SR 與S 處理根系活力相當(dāng)，且顯著高于其他處理。

總體來(lái)看，旋耕（R）有利于提高0～15 cm 土層土壤的小麥根系活力，而旋耕與深松交替（SR 或SRRS）處理，則利于提高15～60 cm 土層根系活力，平均較單獨(dú)深松或旋耕處理提高33.3%和16.9%。

2.3 不同土壤耕作方式下小麥根系活力與根系活躍吸收面積比例的相關(guān)性

0～15 cm 和15～30 cm 土層的小麥根系活力與30～45 cm 土層的小麥根系活力具有顯著正相關(guān)（平均r為0.68～0.82）；0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm 土層的小麥根系活力與45～60 cm 土層的小麥根系活力具有顯著正相關(guān)（平均r為0.83～0.90）（圖3）。

圖3 不同耕作方式下小麥根系活力與根系活躍吸收面積的相關(guān)性Fig.3 Correlation between root activity and active absorption area of wheat under different tillage methods

不同深度土層的小麥根系活躍吸收面積比例相關(guān)性較差，僅30～40 cm 土層與60～80 cm 土層的小麥根系活躍吸收面積比例相關(guān)性較高（r=0.84）。

0～15 cm 土層的小麥根系活躍吸收面積比例與相同深度土層的小麥根系活力具有顯著正相關(guān)（r=0.96），但在其他深度類似的相關(guān)性并不明顯；0～15 cm 和15～30 cm 土層的小麥根系活躍吸收面積比例與15～30 cm土層的小麥根系活力具有顯著正相關(guān)性（平均r=0.69）?？傮w來(lái)看，不同土層的小麥根系活力相關(guān)性較高，上層與下層根系活力一般均具有顯著正相關(guān)（平均r變幅0.68～0.90）；上下土層的根系活躍根系吸收面積比例相關(guān)性較差。

3 結(jié)論與討論

耕作直接作用于土壤，改變土壤物理結(jié)構(gòu)和對(duì)根系生長(zhǎng)的機(jī)械阻力，影響根系生長(zhǎng)和生理，進(jìn)一步影響地上部生長(zhǎng)[13]。Dahong Bian 等[14]發(fā)現(xiàn)，深松可有效打破犁底層，提高夏玉米根系的長(zhǎng)度、深度和數(shù)量。Li 等[15]研究顯示，與常規(guī)翻耕相比，免耕處理影響作物的根系生長(zhǎng)，尤其是0～10 cm 上層土壤根系長(zhǎng)度和面積降低顯著。張瑞富等[16]認(rèn)為，深松可以改善較深土層的環(huán)境條件，促進(jìn)較深土層根系生長(zhǎng)發(fā)育以及干重增加，且使玉米生長(zhǎng)后期根系仍保持較高活力，延緩根系衰老。同時(shí)，深松還可增大根系活躍吸收面積，Yin 等[17]研究表明，深松播種可顯著提高玉米根系活躍吸收面積，20～40 cm 土層表現(xiàn)尤為明顯。本研究結(jié)果表明，旋耕有利于提高上層土壤的小麥根系活力，深松有利于提高下層土壤的小麥根系活力，而旋耕與深松交替（SR 或SRRS）處理則利于提高15～60 cm 土層的小麥根系活力，平均較單獨(dú)深松或旋耕處理提高33.3%和16.9%。根系活力在不同土層中相關(guān)性較高，上層與下層根系活力一般均具有顯著正相關(guān)（平均r變幅0.68～0.90），活躍根系吸收面積比例在上下土層之間相關(guān)性則較差。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果類似，但根系活躍吸收面積與根系活力之間的相關(guān)性較小，而且不同深度土壤根系活躍吸收面積之間的相關(guān)性也較小，這還需要進(jìn)一步研究。

連年旋耕可提高上層土壤的小麥根系活力和活躍吸收面積比例，連年深松則有利于提高深層土壤的小麥根系活躍吸收面積比例和根系活力。旋耕/深松交替進(jìn)行，尤其是隔年深松，效果較為理想，可兼顧表層與中深層土壤的小麥根系情況。建議在河北平原以及其他連年采用小麥—玉米兩熟種植、小麥季旋耕、玉米季免耕的地區(qū)，采用隔年深松的耕作方式，可有效提高小麥根系活力，增大小麥根系活躍吸收面積的比例。