薛新偉,楊恒山,張瑞富
(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院,內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程中心,內(nèi)蒙古 通遼 028042;2.赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 赤峰 024031)
西遼河平原是我國(guó)典型的半干旱灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),地理范圍跨42°18′~44°30′N,119°14′~123°42′E,總面積5.26萬km2,其中耕地面積1.75萬km2,是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的商品玉米生產(chǎn)基地[1]。該地區(qū)具有較好的光熱資源,生產(chǎn)潛力大,是我國(guó)為數(shù)不多的井灌區(qū),玉米平均單產(chǎn)較全國(guó)高30%以上[2]。由于地表水資源缺乏、年降水量少,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)地下水的依賴性大。由于傳統(tǒng)漫灌水資源利用效率低,不僅導(dǎo)致高產(chǎn)與高效的矛盾日漸突出,農(nóng)業(yè)灌溉水需求與供給失衡的矛盾也進(jìn)一步加劇[3]。近年來,滴灌水肥一體化技術(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(duì)于緩解水資源需求的壓力起到了積極作用。在水肥一體化條件下,研究不同滴灌方式下玉米根系形態(tài)特征和生理生化特性的差異,可為該條件下氮肥在土壤中的運(yùn)移和分布調(diào)控提供依據(jù),有利于提高玉米氮素吸收利用效率并實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好。
根系是作物吸收養(yǎng)分的重要器官,對(duì)于作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成起著至關(guān)重要的作用[4-6]。根系數(shù)量的多少、活力的高低以及在土壤中的時(shí)空分布直接影響玉米的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分養(yǎng)分利用效率。前人對(duì)膜下滴灌玉米根系的研究較為深入,鄒海洋等[7]研究表明,膜下滴灌玉米根系主要集中于表層土壤,地表至相對(duì)根系扎深1/3處根長(zhǎng)占總根長(zhǎng)比例平均達(dá)73.6%,地表至相對(duì)根系扎深1/2處根長(zhǎng)占總根長(zhǎng)比例達(dá)82.8%;LV等[8]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,根系表聚越嚴(yán)重;馬金平等[9]研究不同灌溉定額對(duì)膜下滴灌玉米根系分布的影響時(shí)指出,膜下滴灌措施能夠明顯促進(jìn)土壤表層根系的生長(zhǎng),增加表層根長(zhǎng)和根干質(zhì)量的分布比例;前人研究表明[10],膜下滴灌條件下,玉米根系在土壤中的分布受土壤水、熱效應(yīng)的影響很大,節(jié)水灌溉條件下往往會(huì)使淺層根系比例增加,引起根系“表聚”。
淺埋滴灌是本研究團(tuán)隊(duì)在膜下滴灌的基礎(chǔ)上研發(fā)的節(jié)水灌溉新技術(shù),該技術(shù)不再使用地膜覆蓋,而是將滴灌管淺埋于地表3~4 cm深度處,在發(fā)揮節(jié)水優(yōu)勢(shì)的同時(shí),也減少了農(nóng)業(yè)成本投入,同時(shí)還避免了殘膜的環(huán)境污染,2018年被列入內(nèi)蒙古自治區(qū)玉米節(jié)水高產(chǎn)的主推技術(shù),2019年獲全國(guó)農(nóng)牧漁業(yè)豐收一等獎(jiǎng)。由于地表無膜,土壤的水熱狀況會(huì)與膜下滴灌存在較大差異,進(jìn)而會(huì)影響到根系形態(tài)特征和生理生化特性,這方面尚未有系統(tǒng)研究。本研究選擇淺埋滴灌、膜下滴灌和傳統(tǒng)畦灌3種灌溉方式,比較研究不同灌溉方式下玉米根系形態(tài)特征和生理生化特性的時(shí)空變化規(guī)律,以期為西遼河平原灌區(qū)玉米高產(chǎn)高效栽培提供參考。
試驗(yàn)于2017—2018年在通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)牧業(yè)高新科技示范園區(qū)進(jìn)行(122°19′E、43°37′N,海拔182 m),為連續(xù)2 a定位試驗(yàn);試驗(yàn)區(qū)近5 a年均降雨量350~450 mm、年均氣溫6.5℃~7.1℃,其中2017、2018年降雨量分別為399.7 mm和453.3 mm、平均氣溫分別為6.7℃和6.9℃;試驗(yàn)地土壤為灰色草甸中壤土,是當(dāng)?shù)刂饕耐寥李愋汀?017、2018年耕層土壤容重分別為1.28 g·cm-3和1.31 g·cm-3,0~20 cm土壤表層養(yǎng)分含量分別為有機(jī)質(zhì)20.47 g·kg-1和21.61 g·kg-1、堿解氮50.05 mg·kg-1和53.9 mg·kg-1、全氮0.81 g·kg-1和0.76 g·kg-1、有效磷6.47 mg·kg-1和5.93 mg·kg-1、速效鉀78.25 mg·kg-1和80.25 mg·kg-1。
試驗(yàn)設(shè)淺埋滴灌(SBDI)、膜下滴灌(MDI)和傳統(tǒng)畦灌(TBI)3種灌溉方式,采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn),小區(qū)面積為864 m2(7.2 m×120 m),3次重復(fù)。供試品種為農(nóng)華101,各處理采用播種-施肥-鋪帶-覆膜一體機(jī)播種,大小壟(小壟行距40 cm,大壟行距80 cm)種植,種植密度為7.5萬株·hm-2,淺埋滴灌和膜下滴灌處理均采用內(nèi)鑲片式滴灌管,滴頭相距30 cm,滴頭流量為2.7 L·h-1,其中膜下滴灌處理采用幅寬為1.2 m、厚度為0.08 mm的聚乙烯吹塑農(nóng)用透明膜,滴灌管鋪于小壟中間,調(diào)整鋪管開溝器和覆土裝置高度,使滴灌管置于小壟中間膜下地上,淺埋滴灌處理抬起覆膜裝置,調(diào)整鋪管開溝器和覆土裝置至規(guī)定高度,使滴灌管淺埋于小壟中間地表3~5 cm處,傳統(tǒng)畦灌處理抬起鋪管裝置和覆膜裝置,只進(jìn)行常規(guī)施肥、播種。各處理底施N 35 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2,K2O 45 kg·hm-2,追施N 240 kg·hm-2,分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期按3∶6∶1比例結(jié)合灌溉進(jìn)行,膜下滴灌和淺埋滴灌處理單獨(dú)配18 L壓差式施肥罐和水表,每次施肥前先滴清水約60 min,然后打開施肥閥,施肥完畢后繼續(xù)滴清水至相應(yīng)灌水量,傳統(tǒng)畦灌處理采用人工開溝撒施。具體灌溉方案如表1。各處理2017年5月2日播種,9月28日收獲,2018年5月8日播種,10月1日收獲。
表1 灌溉方案/(m3·hm-2)
1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 收獲時(shí)每小區(qū)取18 m2樣方,3次重復(fù),調(diào)查樣方內(nèi)有效穗數(shù),測(cè)定籽粒產(chǎn)量,并取樣測(cè)定籽粒含水率,折算出14%含水率下的產(chǎn)量。同時(shí),各小區(qū)均取樣10穗,調(diào)查穗粒數(shù)、測(cè)定千粒重。
1.3.2 根系生物量、根幅及根條數(shù) 根系取樣采用挖掘法,以第1株1/2株距處到第3株1/2株距處為長(zhǎng),以1/2行距為寬,挖長(zhǎng)方形樣方分層取根,每層20 cm,取根深度為60 cm,洗凈并剔除雜質(zhì),撿出死根后于105℃殺青30 min,在80℃下烘干至恒重,測(cè)定其干質(zhì)量。吐絲期將根挖出后,置于貼有坐標(biāo)紙的平板上,觀測(cè)植株根系,以齊地面處為起點(diǎn),統(tǒng)計(jì)10、20、30 cm處單株根條數(shù),并測(cè)定根幅[11]。
1.3.3 根系酶活性及根系活力 各小區(qū)于吐絲期和乳熟期分別在同行內(nèi)取連續(xù)3株具有代表性的植株樣品,3次重復(fù),挑取足量新鮮根,洗凈后放入冰盒內(nèi)帶回,-80℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆?。根系活力采用氯化三苯基四氮?TTC)還原法測(cè)定[12],超氧化物歧化酶(SOD)活性采用四氮唑藍(lán)(NBT)光化還原法測(cè)定[13],過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[14],丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[13]。
采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖,DPSV10.0軟件進(jìn)行處理間的差異顯著性(LSD法)分析。本試驗(yàn)2017年開始實(shí)施,與2017年相比,2018年試驗(yàn)更為成熟,所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)也更為精確,試驗(yàn)所得結(jié)果具有較好的重演性和代表性,本文重點(diǎn)以2018年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明。
由表2可見,玉米籽粒產(chǎn)量2018年淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌均高于膜下滴灌,且與膜下滴灌之間的差異均達(dá)到了顯著水平,淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌之間的差異不顯著,2017年處理之間差異均不顯著;有效穗數(shù)2017年以淺埋滴灌最高,傳統(tǒng)畦灌最低,二者之間的差異達(dá)到了顯著水平,與膜下滴灌之間的差異均不顯著;穗粒數(shù)處理間變化規(guī)律不明顯,處理間的差異也不顯著;從不同處理玉米千粒重來看,2 a 均表現(xiàn)為淺埋滴灌>傳統(tǒng)畦灌>膜下滴灌,處理間差異均達(dá)到了顯著水平。
表2 不同灌溉方式對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響
2.2.1 對(duì)根干質(zhì)量的影響 根系是玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ),根干質(zhì)量在土層中的分布除能夠反映栽培措施的影響外,也能反映根系對(duì)水肥吸收利用的優(yōu)勢(shì)所在。由表3可見,玉米總根干質(zhì)量吐絲期不同處理間表現(xiàn)為膜下滴灌>淺埋滴灌>傳統(tǒng)畦灌,其中膜下滴灌和淺埋滴灌之間差異不顯著,但與傳統(tǒng)畦灌間差異均達(dá)到了顯著水平;乳熟期和完熟期不同處理間變化規(guī)律一致,均表現(xiàn)為淺埋滴灌高于傳統(tǒng)畦灌和膜下滴灌,其中淺埋滴灌與膜下滴灌和傳統(tǒng)畦灌之間的差異均達(dá)到了顯著水平,但膜下滴灌和傳統(tǒng)畦灌之間的差異不顯著;0~20 cm土層根干質(zhì)量吐絲期為膜下滴灌和淺埋滴灌均顯著高于傳統(tǒng)畦灌;乳熟期后的變化規(guī)律與吐絲期不同,不同處理間均以淺埋滴灌最高、傳統(tǒng)畦灌最低,其中淺埋滴灌與膜下滴灌和傳統(tǒng)畦灌之間的差異均達(dá)到了顯著水平,膜下滴灌與傳統(tǒng)畦灌之間的差異不顯著,20 cm以下土層根干質(zhì)量不同處理間均以傳統(tǒng)畦灌最高;玉米不同土層根干質(zhì)量分布比例處理間存在差異,計(jì)算結(jié)果表明,0~20 cm土層根干質(zhì)量占總根干質(zhì)量的比例膜下滴灌和淺埋滴灌均高于傳統(tǒng)畦灌,其中膜下滴灌表現(xiàn)尤為明顯,這也說明膜下滴灌和淺埋滴灌更容易提高表層土壤根系分布比例。
表3 不同灌溉方式對(duì)玉米根干質(zhì)量垂直分布的影響(2018)/(g·株-1)
2.2.2 對(duì)根幅的影響 由圖1可見,玉米10 cm土層處行間根幅不同處理間以膜下滴灌最高,傳統(tǒng)畦灌最低,二者之間的差異達(dá)到了顯著水平,淺埋滴灌與膜下滴灌和傳統(tǒng)畦灌之間的差異均不顯著,株間根幅膜下滴灌和淺埋滴灌均高于傳統(tǒng)畦灌,且與傳統(tǒng)畦灌之間的差異均達(dá)到了顯著水平,膜下滴灌與淺埋滴灌之間的差異不顯著;20 cm土層處株間和行間根幅處理間差異均不顯著;30 cm土層處行間根幅傳統(tǒng)畦灌和淺埋滴灌均高于膜下滴灌,且與膜下滴灌之間的差異均達(dá)到了顯著水平,傳統(tǒng)畦灌和淺埋滴灌之間的差異不顯著,株間根幅以淺埋滴灌最高,膜下滴灌最低,二者之間的差異達(dá)到了顯著水平,與傳統(tǒng)畦灌之間的差異均不顯著。
注:數(shù)據(jù)為均值+標(biāo)準(zhǔn)差;數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一年內(nèi)處理間差異顯著(P<0.05);下同。
2.2.3 對(duì)根條數(shù)的影響 由圖2可見,玉米10 cm土層處根條數(shù)吐絲期以膜下滴灌最高,傳統(tǒng)畦灌最低,二者之間差異達(dá)到了顯著水平,但與淺埋滴灌之間的差異均不顯著,完熟期各處理間差異均不顯著;20 cm土層吐絲期亦以膜下滴灌最高,傳統(tǒng)畦灌最低,二者之間差異達(dá)到了顯著水平,與淺埋滴灌之間的差異均不顯著,完熟期則以傳統(tǒng)畦灌最高,膜下滴灌最低,二者之間差異達(dá)到了顯著水平,與淺埋滴灌之間的差異均不顯著;30 cm土層處吐絲期處理間差異均不顯著,完熟期淺埋滴灌與傳統(tǒng)畦灌均高于膜下滴灌,二者之間差異不顯著,但與膜下滴灌之間的差異均達(dá)到了顯著水平。
圖2 不同灌溉方式對(duì)玉米根條數(shù)的影響(2018)
2.2.4 對(duì)根長(zhǎng)的影響 由圖3可見,玉米0~20 cm土層根長(zhǎng)吐絲期以膜下滴灌最高,淺埋滴灌最低,二者之間差異達(dá)到了顯著水平,與淺埋滴灌之間差異均不顯著,完熟期則以淺埋滴灌最高,膜下滴灌最低,二者之間的差異亦達(dá)到顯著水平,與傳統(tǒng)畦灌之間的差異均不顯著;20~40 cm土層吐絲期和完熟期處理間差異均不顯著;40~60 cm土層吐絲期以傳統(tǒng)畦灌最高,膜下滴灌最低,二者之間的差異達(dá)到了顯著水平,與淺埋滴灌之間的差異均不顯著,完熟期亦以傳統(tǒng)畦灌最高,膜下滴灌最低,其中傳統(tǒng)畦灌與膜下滴灌的差異均達(dá)到了顯著水平,但二者與淺埋滴灌間的差異不顯著。
圖3 不同灌溉方式對(duì)玉米根系長(zhǎng)度的影響(2018)
2.2.5 對(duì)根系酶活性的影響 SOD和POD是植物細(xì)胞的保護(hù)酶,其含量的高低在一定程度上反映植物抗衰老能力的強(qiáng)弱。由表4可見,玉米0~20 cm土層根系吐絲期SOD、POD活性處理間變化規(guī)律不明顯,處理間差異也不顯著,乳熟期以傳統(tǒng)畦灌最高,膜下滴灌最低,二者之間的差異達(dá)到了顯著水平,但與淺埋滴灌之間的差異均不顯著;20~40 cm土層根系SOD酶活性吐絲期以傳統(tǒng)畦灌最高,膜下滴灌最低,二者之間差異達(dá)到了顯著水平,與淺埋滴灌間的差異均不顯著,POD活性淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌均高于膜下滴灌,且與膜下滴灌之間的差異均達(dá)到了顯著水平,乳熟期SOD和POD活性淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌均高于膜下滴灌,二者之間的差異不顯著,但與膜下滴灌之間的差異均達(dá)到了顯著水平;40~60 cm土層根系SOD活性吐絲期傳統(tǒng)畦灌和淺埋滴灌均高于膜下滴灌,且與膜下滴灌之間的差異均達(dá)到了顯著水平,POD活性處理間差異不顯著,乳熟期SOD和POD活性淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌均高于膜下滴灌,且與膜下滴灌之間差異均達(dá)到了顯著水平。從MDA含量來看,0~20 cm土層處理間差異均不顯著,20~40 cm土層吐絲期處理間差異不顯著,乳熟期以膜下滴灌最高,淺埋滴灌最低,二者之間差異達(dá)到了顯著水平,與傳統(tǒng)畦灌之間的差異均不顯著,40~60 cm土層吐絲期和乳熟期均以膜下滴灌最高,且與淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌之間的差異均達(dá)到了顯著水平。綜合以上分析來看,淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌生育后期根系抗衰老能力較強(qiáng),衰老較慢。
表4 不同灌溉方式對(duì)玉米根系酶活性和MDA的影響(2018)
2.2.6 對(duì)根系活力的影響 由圖4可知,不同灌溉方式對(duì)玉米根系活力的影響不同,吐絲期和乳熟期玉米根系活力均隨土層的加深而逐漸增加;其中吐絲期不同土層各處理間的差異均不顯著;乳熟期0~20 cm土層中淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌處理的根系活力均顯著高于膜下滴灌,20~40 cm土層和40~60 cm土層均以淺埋滴灌最高,膜下滴灌最低,二者之間的差異達(dá)到了顯著水平,但與傳統(tǒng)畦灌之間的差異均不顯著。
圖4 不同灌溉方式對(duì)玉米根系活力的影響(2018年)
作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收主要靠根系的直接接觸而獲得,所以根系在土壤中的分布及其活性會(huì)對(duì)作物營(yíng)養(yǎng)元素的吸收產(chǎn)生重要影響。根系在土壤中的合理分布有利于增加根系與氮素的接觸機(jī)會(huì),而具有較強(qiáng)活性的根系可以保證其所接觸的營(yíng)養(yǎng)元素能夠被充分吸收利用[15-18]。
前人研究[19-21]認(rèn)為,根系下扎能力強(qiáng),生長(zhǎng)后期分布較深,保持正常的側(cè)根生長(zhǎng),總根長(zhǎng)密度高,能夠提高整體土壤剖面的氮素有效性,有利于提高玉米氮素吸收效率;KING[22]等通過模型分析表明,增加土壤深層根系分布,減少表層土壤的根系分枝,可以顯著提高養(yǎng)分及水分的空間有效性,從而增加產(chǎn)量??梢妭鹘y(tǒng)漫灌條件下,深層土壤中根系分布比例大、范圍廣,有利于增加根系與營(yíng)養(yǎng)元素的接觸機(jī)會(huì),從而會(huì)提高玉米的養(yǎng)分吸收利用效率。而在節(jié)水滴灌條件下,水的分布也會(huì)影響到根系的分布,本研究結(jié)果表明,玉米根干質(zhì)量0~20 cm土層吐絲期膜下滴灌和淺埋滴灌較傳統(tǒng)畦灌高15.72%和8.21%,二者與傳統(tǒng)畦灌之間的差異均達(dá)顯著水平,另外,土壤表層的根幅、根條數(shù)以及根干質(zhì)量分布比例也明顯增加,根系發(fā)生“表聚”,但與傳統(tǒng)漫灌不同的是,水肥一體化條件下,水的運(yùn)移也決定了營(yíng)養(yǎng)元素的分布,所有的營(yíng)養(yǎng)元素和較大比例的根系均分布在同一濕潤(rùn)土體內(nèi),因此根系與營(yíng)養(yǎng)元素接觸的機(jī)會(huì)更大,對(duì)于提高玉米的養(yǎng)分吸收利用效率更為有利。
根系生理特性是影響根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素吸收的重要因素[23-26]。連艷鮮等[27]研究指出,高產(chǎn)玉米除有發(fā)達(dá)的根系外,根系活性也比較強(qiáng),尤其是在生育后期要有較強(qiáng)的活力,才能為地上部分的生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)料;任昊等[28]研究指出,延緩根系衰老有利于提高夏玉米花后氮素積累量和籽粒產(chǎn)量;MURTAZA等[29]研究表明,玉米抽雄后吸收的氮素要達(dá)到總需氮量的40%~50%;曹國(guó)軍等[30]也指出,抽雄至灌漿期,植株需氮量劇增,吸收速率達(dá)到最大,進(jìn)而形成吸氮的第二個(gè)高峰期,此階段吸氮量占總氮量的79.71%,磷素吸收速率也迅速回升,出現(xiàn)第2個(gè)吸磷高峰期,階段吸磷量占總磷量的41.82%,鉀素積累量達(dá)玉米整個(gè)生育期最大值,是超高產(chǎn)春玉米吸鉀的第1個(gè)高峰期,階段吸鉀量占總鉀量的47.16%;可見,玉米生育后期仍需較多的養(yǎng)分供應(yīng),生育后期保持較高的根系活力對(duì)于滿足玉米對(duì)養(yǎng)分的需求和提高玉米養(yǎng)分吸收利用效率都非常關(guān)鍵。從本研究結(jié)果來看,3種灌溉方式下玉米根系生理特性存在一定差異,吐絲期0~20 cm土層根系的SOD、POD活性膜下滴灌略高于淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌,但處理間差異不顯著,而乳熟期則以傳統(tǒng)畦灌最高,淺埋滴灌次之,膜下滴灌最低,其中傳統(tǒng)畦灌與淺埋滴灌之間的差異不顯著,但與膜下滴灌之間的差異達(dá)到了顯著水平,膜下滴灌雖然在吐絲期具有較高的根系活性,但生育后期根系酶活性明顯下降,根系衰老加劇,這在一定程度上也會(huì)影響到根系對(duì)養(yǎng)分的吸收。
本文通過大田定位試驗(yàn),研究了西遼河平原灌區(qū)3種主要灌溉方式下玉米根系形態(tài)特征和生理生化特性的影響,得到如下結(jié)論:
(1)玉米吐絲期0~20 cm土層根干質(zhì)量膜下滴灌和淺埋滴灌分別較傳統(tǒng)畦灌高15.72%和8.21%,根長(zhǎng)高12.73%和6.37%,10 cm土層處根條數(shù)和株、行間根幅膜下滴灌和淺埋滴灌均高于傳統(tǒng)畦灌,吐絲期膜下滴灌和淺埋滴灌玉米根系在淺層土壤分布比例增加。
(2)膜下滴灌生育后期根系SOD、POD活性低于淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌,MDA含量高于淺埋滴灌和傳統(tǒng)畦灌,根系衰老更快,這也會(huì)影響到根系對(duì)氮素的吸收能力。淺埋滴灌水肥一體化條件下玉米根系時(shí)空分布合理,生育后期根系保持了較高活性,是其高產(chǎn)高效重要的生理基礎(chǔ)。