郭子赫，楊恒山，趙培軍，張玉芹，劉 晶，包額爾敦，張瑞富，李媛媛，李丹丹，秦 江

（1內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古通遼 028042；2烏蘭察布市農(nóng)林科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000；3通遼市農(nóng)牧科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古通遼 028000）

0 引言

西遼河平原地處玉米生產(chǎn)“黃金帶”，具有較好的光熱資源，生產(chǎn)潛力大，玉米平均單產(chǎn)較全國高25%以上[1-2]，是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的商品糧生產(chǎn)基地。受天然降水少、地表水資源缺乏的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠地下水資源，由于傳統(tǒng)漫灌農(nóng)藝水利用效率低，導(dǎo)致玉米高產(chǎn)與水資源高效利用的矛盾日漸突出，農(nóng)業(yè)灌溉水需求與供給失衡的矛盾也進(jìn)一步加劇。滴灌被譽(yù)為節(jié)水灌溉的典范[3-4]。近年來，節(jié)水滴灌技術(shù)在西遼河平原灌區(qū)得以大面積推廣應(yīng)用，使灌溉水利用效率得到大幅提高，對于緩解水資源需求的壓力起到了積極作用。淺埋滴灌是近幾年在膜下滴灌的基礎(chǔ)上研發(fā)的新的節(jié)水灌溉技術(shù)，以覆土代替覆膜，滴灌管淺埋于3～5 cm表層土壤中，既保留了節(jié)水優(yōu)勢，降低生產(chǎn)成本投入，也避免了農(nóng)田殘膜污染問題，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，2021年被遴選為國家農(nóng)業(yè)主推技術(shù)。淺埋滴灌條件下，研究不同灌溉定額對玉米根系特征和生理特性的影響，一方面可更好的協(xié)調(diào)玉米產(chǎn)量形成對水分的需求與灌溉水供給的關(guān)系，對于明確半干旱灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)節(jié)水滴灌條件下玉米高產(chǎn)高效的灌溉制度具有重要意義，另一方面，對于合理進(jìn)行水肥的運(yùn)移調(diào)控，提高水肥與根系空間分布的匹配性，從而提高水肥的吸收利用效率也具有重要參考價(jià)值。

根系是作物吸收水分、養(yǎng)分的主要器官，合理的根系特征對于根系更好的吸收水分、養(yǎng)分，從而提高作物對水、肥的吸收利用效率具有重要意義。膜下滴灌是北方春玉米種植區(qū)域的主推節(jié)水滴灌技術(shù)，有關(guān)膜下滴灌條件下玉米的根系特征前人進(jìn)行了大量的研究。鄒海洋等[5]研究膜下滴灌玉米根系特征發(fā)現(xiàn)，在根系的縱深分布上，地表至總根長1/3處根系占總根系比例達(dá)73.6%，至總根長1/2處所占比例達(dá)82.8%；LV等[6]研究表明，膜下滴灌條件下，滴頭下方根系密度會(huì)明顯增加，且單次灌溉量越少，表層土壤根系分布比例越大；馬金平等[7]研究表明，膜下滴灌條件下，土壤表層根干重和根長的分布比例明顯增加。從前人的研究結(jié)果來看，膜下滴灌條件下，根層土壤水、熱條件的變化影響玉米根系在土壤中的分布，節(jié)水灌溉條件下往往會(huì)使淺層根系比例增加[8-9]。淺埋滴灌由于地表無膜，使土壤水熱狀況與膜下滴灌明顯不同，這也會(huì)影響到根系形態(tài)特征和生理特性，作為一種新的節(jié)水灌溉技術(shù)，這方面還沒有太多田間試驗(yàn)研究予以支撐。本研究在淺埋滴灌條件下，通過研究不同灌溉定額下玉米根系形態(tài)特征和生理特性的差異，探明淺埋滴灌下滴灌定額對玉米根系形態(tài)特征和生理特性及產(chǎn)量的影響，以期為西遼河平原灌區(qū)玉米高產(chǎn)高效栽培提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

于2017—2018年進(jìn)行大田試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)在通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)業(yè)高新科技示范園區(qū)(43°36′N，122°22′E)，海拔178 m，年平均氣溫6.8℃，≥10℃的活動(dòng)積溫3200℃，無霜期154天，平均降水量為380.9 mm，試驗(yàn)地區(qū)種植制度為玉米連作，試驗(yàn)地土壤類型為灰色草甸土。2017、2018年0～20 cm土層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況分別為：有機(jī)質(zhì)含量18.52、19.63 g/kg，堿解氮含量52.26、50.81 mg/kg，有效磷含量11.35、13.20 mg/kg，速效鉀含量110.83、118.69 mg/kg。2017、2018年5—9月平均降水量如表1所示。

表1 2017、2018年5—9月降水量及全年降水量 mm

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在淺埋滴灌條件下，灌溉定額設(shè)1600(W1)、2000(W2)、2400 m3/hm2(W3)3個(gè)水平，以傳統(tǒng)畦灌常量用水灌溉定額4000 m3/hm2為對照(CK)。各處理底施N 35 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，K2O 45 kg/hm2，結(jié)合灌溉追施N 300 kg/hm2，于玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期按3:6:1比例追施，底肥氮磷肥供體為磷酸二銨(N 18%、P2O546%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)，追肥氮肥供體為尿素(N 46%)。采用大區(qū)對比定位試驗(yàn)，各處理面積864 m2(7.2 m×120 m)。供試品種為‘農(nóng)華101’，種植密度為7.5萬株/hm2。淺埋滴灌各處理采用播種—施肥—鋪管一體機(jī)播種，大小壟(80 cm，40 cm)種植；采用滴頭間距30 cm，滴頭流量2.7 L/h的內(nèi)鑲片式滴灌管，滴灌管淺埋于小壟中間距地表3～5 cm深度處；傳統(tǒng)畦灌處理抬起鋪管裝置，只進(jìn)行施肥和播種。淺埋滴灌各處理單獨(dú)配18 L壓差式施肥罐和水表，施肥前預(yù)滴60 min清水后打開施肥閥，滴清水至相應(yīng)灌水量，傳統(tǒng)畦灌處理人工開溝撒施追肥，于畦頭出水口安裝水表以控制灌水量。2017年5月2日播種，10月4日收獲；2018年4月28日播種，10月2日收獲。2017年和2018年各處理灌溉方案相同，淺埋滴灌均灌溉7次，傳統(tǒng)畦灌灌溉4次，具體灌溉方案見表2。

表2 不同處理灌溉方案

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 根系生物量測定 吐絲期、乳熟期和完熟期在同行內(nèi)選取有代表性連續(xù)3株，以第1株1/2株距處至第3株1/2株距處為長，以大壟1/2行距處至小壟1/2行距處為寬，長方形樣方分層取根，每層20 cm，垂直深度為100 cm，收集每層全部根系洗凈并剔除雜質(zhì)、死根，每小區(qū)3次重復(fù)，所取根系于烘干箱內(nèi)105℃殺青30 min，在80℃下烘干至恒重，稱干重。

1.3.2 根條數(shù)與根幅測定 吐絲期結(jié)合1.3.1取樣方法，長方形樣方垂直深度為30 cm，將根系整體取出，選取第2株，洗凈置于貼有坐標(biāo)紙的平板上，以齊地面處為起點(diǎn)，觀測10、20、30 cm處根條數(shù)并測定株間和行間水平分布最大直徑（根幅），每小區(qū)3次重復(fù)。

1.3.3 根系活力與酶活性測定 吐絲期、乳熟期采用1.3.1取樣方法取足量新鮮根系洗凈，置冰盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，在-80℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆谩２捎寐然交牡?TTC)還原法[10]測定根系活力；采用四氮唑藍(lán)(NBT)光化還原法[11]測定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用愈創(chuàng)木酚法[10]測定過氧物酶(POD)活性；采用硫代巴比妥酸法[10]測定丙二醛(MDA)含量。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 玉米成熟期，各小區(qū)去除兩側(cè)邊行，選取長勢均勻連續(xù)4行10 m樣方，樣方面積24 m2，調(diào)查有效穗數(shù)并稱重，選取有代表性果穗10穗，人工脫粒測定粒重及籽粒含水量，根據(jù)樣方總穗重折算含水量為14%籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并制表、作圖，使用DPSV10.0軟件（LSD方法）進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淺埋滴灌條件下灌溉定額對玉米籽粒產(chǎn)量的影響

由表3可見，淺埋滴灌條件下玉米籽粒產(chǎn)量2年均隨著灌溉定額的增加而增加。2017年W3處理顯著高于CK，W1、W2處理之間的差異均達(dá)到了顯著水平，但與CK之間的差異不顯著，2018年W3處理顯著高于CK，W1處理顯著低于CK，W2與CK之間的差異不顯著。千粒重2017年W1處理顯著低于CK，W2、W3處理與CK之間的差異不顯著，2018年W3處理顯著高于W1處理，W2、W3處理與CK之間的差異不顯著。灌溉水利用效率淺埋滴灌各處理隨著灌溉定額的增加而降低，但均高于CK，且與CK之間的差異均達(dá)到了顯著水平，這也說明，淺埋滴灌具有較高的灌溉水利用效率，節(jié)水作用明顯，對于實(shí)現(xiàn)玉米節(jié)水高產(chǎn)高效栽培十分有利。

表3 灌溉定額對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.2 淺埋滴灌條件下灌溉定額對玉米根系形態(tài)特征的影響

2.2.1 根干重及其垂直分布 吐絲期0～20 cm土層根干重，2017年表現(xiàn)為W3、W2處理顯著高于W1處理，W3處理與W2處理之間的差異不顯著，淺埋滴灌各處理均顯著低于CK；2018年W3處理顯著高于W1處理，與W2處理之間的差異不顯著，其中W1處理顯著低于CK，W3、W2處理與CK之間的差異不顯著。20～40 cm土層根干重淺埋滴灌各處理之間的差均不顯著，W1處理顯著低于CK。40 cm以下土層2017年各處理之間差異均不顯著；2018年W3、W2處理顯著高于W1處理，W1處理顯著低于CK，W3、W2處理與CK之間的差異均不顯著。完熟期0～20 cm土層根干重2年的變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為W3處理顯著高于W1處理，W3處理與W2處理之間的差異不顯著，其中W1處理顯著低于CK，W3處理與W2處理與CK之間的差異均不顯著；20～40 cm土層淺埋滴灌各處理間差異均不顯著，其中W1處理顯著低于CK，W3處理與W2處理與CK之間的差異均不顯著（表4）。

表4 灌溉定額對玉米根干質(zhì)量垂直分布的影響

計(jì)算結(jié)果表明，淺埋滴灌各處理玉米0～20 cm土層根干重占總根干重的比例均高于CK，20～40 cm土層均低于CK，淺埋滴灌各處理間均以W3處理最高，W2次之，W1處理最低，這也說明淺埋滴灌節(jié)水灌溉增加了土壤表層根系比例，使根系發(fā)生“表聚”，灌溉定額越小表現(xiàn)的越為明顯。

2.2.2 根幅 由圖1可見，不同處理玉米根幅總體隨著土層加深而逐漸減小。行間根幅10、20 cm土層處理間差異均不顯著，30 cm土層W1、W2處理顯著低于CK，W3處理與CK之間的差異不顯著；株間根幅10、20 cm土層處理間差異均不顯著，30 cm土層W1、W2、W3處理間差異均不顯著，但三者均顯著低于CK。

圖1 淺埋滴灌條件下灌溉定額對玉米根幅的影響

2.2.3 根條數(shù) 由圖2可見，不同處理玉米的單株根條數(shù)隨著土層的加深而減少。吐絲期在10 cm土層處，W3處理顯著高于CK，W2、W1處理與CK之間的差異不顯著；20 cm土層處表現(xiàn)為W3、W2處理均顯著高于W1處理和CK，W1處理與CK之間的差異不顯著；30 cm土層處各處理之間差異均不顯著。乳熟期10、20 cm土層處各處理均表現(xiàn)為W3顯著高于其他處理，W2、W1處理與CK之間的差異均不顯著；30 cm以下土層各處理間的差異均不顯著。這也說明淺埋滴灌條件下灌溉定額對玉米20 cm以上土層根條數(shù)具有一定影響，適當(dāng)增加灌溉定額，有利于根條數(shù)的增加，較多的次生根有利于吸收更多的水分和養(yǎng)分，對于產(chǎn)量的進(jìn)一步提高具有積極意義。

圖2 淺埋滴灌條件下灌溉定額對玉米根條數(shù)的影響

2.3 淺埋滴灌條件下灌溉定額對玉米根系生理特性的影響

2.3.1 根系活力 由圖3可見，不同處理玉米吐絲期根系活力隨著土層的加深呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，不同處理間以20～40 cm土層差異較為明顯，不同處理間表現(xiàn)為CK＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1，40 cm以下土層隨著土層的加深差異逐漸減小。乳熟期以20～40、40～60 cm土層處理間差異較為明顯，不同處理間亦表現(xiàn)為CK＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1。

圖3 淺埋滴灌條件下灌溉定額對玉米根系活力的影響

2.3.2 根系酶活性 由表5可見，各處理玉米根系SOD和POD酶活性吐絲期在0～20 cm土層不同處理之間差異不顯著，20～40 cm土層W1處理顯著低于CK，W3、W2處理與CK之間的差異均不顯著。乳熟期SOD含量表現(xiàn)為W1顯著低于CK，W3、W2處理與CK之間的差異均不顯著，POD含量則表現(xiàn)為W1、W2顯著低于CK，W3與CK之間的差異不顯著。吐絲期MDA含量在不同處理間差異均不顯著，乳熟期MDA含量在0～20 cm土層表現(xiàn)為W1顯著高于CK，W3、W2處理與CK之間的差異均不顯著，20～40 cm土層處理間差異均不顯著。

表5 淺埋滴灌條件下灌溉定額對玉米根系酶活性的影響

3 結(jié)論

淺埋滴灌節(jié)水灌溉使玉米根系在表層土壤分布比例增加，主要表現(xiàn)在20 cm以上土層根干重分布比例、根幅、根條數(shù)增加，30 cm土層處根幅減小，灌溉定額越小表現(xiàn)的越為明顯；玉米根系活力和酶活性不及傳統(tǒng)畦灌，但隨著灌溉定額的增加而增強(qiáng)，深層根系差異較小。淺埋滴灌條件下，充分利用玉米表層根系比例大的特點(diǎn)，通過水肥進(jìn)行合理運(yùn)籌提高水肥利用效率，以實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)高效栽培。

4 討論

4.1 玉米根系特征對土壤水分的響應(yīng)

根系是玉米吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，根系在土壤中的分布與土壤水分分布密切相關(guān)[12-13]。國內(nèi)外的許多研究均表明，植物為滿足自身生長需要，會(huì)對自身根系生長環(huán)境進(jìn)行感知和做出適應(yīng)性調(diào)整。Eapen等[14]研究指出，玉米根系會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的向水性反應(yīng)，干旱脅迫會(huì)使根系表面積、直徑以及分布深度增加，以提高對水分的吸收能力，維持自身生長發(fā)育的需要。Nakamoto[15]研究發(fā)現(xiàn)，玉米根尖的生長方向受環(huán)境水分狀況的影響，在快速干燥的土壤中，晚干處理的節(jié)根表現(xiàn)出負(fù)向重力性后停止生長；胡田田等[16]研究表明，玉米根系具有明顯的“向水性”反應(yīng)，當(dāng)根尖周圍存在一定的濕度梯度時(shí)，根系低水勢一側(cè)細(xì)胞壁延伸性能增強(qiáng)、水分傳導(dǎo)加快，導(dǎo)致高水勢一側(cè)較低水勢一側(cè)根系生長受到更大的抑制，從而使根系向著濕度大的一側(cè)發(fā)生彎曲，而且具有較小延伸速率根系的向水性反應(yīng)更大。鄒海洋等[5]研究表明，水分過高或過低和養(yǎng)分過高或過低都將增加0～20 cm土層中根長占總根長的比例。本研究結(jié)果表明，淺埋滴灌條件下，玉米0～20 cm土層根干重占總根重的比例淺埋滴灌各處理隨著灌溉定額的增加而減少，但均高于傳統(tǒng)漫灌處理。在大田栽培條件下，與表層土壤相比，深層土壤水分含量相對穩(wěn)定，當(dāng)表層土壤含水量相對較低時(shí)，深層根系在“向地性”和“向水性”的雙重作用下，會(huì)進(jìn)一步向深層土壤生長，以滿足自身生長發(fā)育對水分的需求，這也是適量水分虧缺處理在根系吸水能力上的優(yōu)勢，是最終保證籽粒產(chǎn)量的重要原因；而表層土壤受栽培措施及環(huán)境條件的影響相對較大，濕度梯度的產(chǎn)生要明顯高于深層土壤，因此也會(huì)造成表層土壤根系比例的增加。與傳統(tǒng)漫灌相比，淺埋滴灌節(jié)水滴灌的灌溉定額小、灌溉頻次高，土壤更容易出現(xiàn)干、濕交替變化，因此表土層更容易產(chǎn)生濕度梯度，造成表層土壤根系比例增加，前人之所以得出節(jié)水滴灌條件下容易引起玉米根系發(fā)生“表聚”的結(jié)論，也和表層土壤干濕變化而容易產(chǎn)生濕度梯度有直接關(guān)系。因此在節(jié)水滴灌水肥一體化條件下，合理進(jìn)行水肥運(yùn)籌，充分利用表層土壤根系分布比例較大的優(yōu)勢，對于進(jìn)一步提高玉米的水肥利用效率和籽粒產(chǎn)量非常有利。

4.2 玉米根系活性對土壤水分的響應(yīng)

根系活力和酶活性是衡量根系吸收功能的重要指標(biāo)，根系生理活性強(qiáng)，意味著對水肥的吸收能力強(qiáng)、衰老慢[17-18]。因此，維持根系較高的生理活性是提高玉米水肥效率和籽粒產(chǎn)量的重要保證。前人研究表明，根系活性與土壤含水量密切相關(guān)，土壤含水量過高或過低都會(huì)降低玉米根系的活性，甚至使根系形態(tài)受損，從而影響根系的吸收功能，適宜的灌溉定額也有利于玉米根系活性的提高[19-20]。本研究結(jié)果表明，各處理玉米根系活力、SOD、POD酶活性均低于CK，MDA含量高于CK，淺埋滴灌條件下各處理玉米根系活力、SOD、POD酶活性均隨著灌溉定額的增加而增強(qiáng)，MDA含量隨著灌溉定額的增加而降低，這與前人的研究結(jié)論基本一致。隨著土層的加深，土壤水分含量變化相對穩(wěn)定，這也是不同處理之間根系活性差異逐漸減小的主要原因。