趙 引，李國(guó)安，夏江寶，薄麗媛，毛曉敏

覆膜和灌水量對(duì)制種玉米根系分布及產(chǎn)量的影響

趙 引1,2，李國(guó)安3，夏江寶1，薄麗媛2，毛曉敏2※

（1. 濱州學(xué)院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濱州 256600；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；3.濱州黃河河務(wù)局濱城黃河河務(wù)局，濱州 256600）

為探究制種玉米根系分布及產(chǎn)量對(duì)滴灌條件下地膜覆蓋和灌溉量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，該研究于2017年和2018年在中國(guó)西北旱區(qū)石羊河流域，以制種玉米“Ganxin 630”為供試作物，設(shè)置覆膜與灌溉水量2個(gè)控制因素，覆膜包括透明膜全覆蓋（M1）和不覆膜（M0）2個(gè)水平，灌溉水量設(shè)置WF、WM和WL 3個(gè)水平（分別為灌溉需水量的100%、70%和40%），共6個(gè)處理，通過監(jiān)測(cè)制種玉米生育期內(nèi)的土壤水分、土壤溫度、根長(zhǎng)密度、地上干物質(zhì)量和產(chǎn)量狀況，分析不同覆膜和灌水量條件下土壤水熱動(dòng)態(tài)、制種玉米根長(zhǎng)密度分布和產(chǎn)量的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在相同覆膜條件下，0～60 cm土層含水量隨灌溉量的增加而增加。覆膜可改善土壤水熱條件，在充分灌溉下覆膜增加土壤貯水量，而虧缺灌溉下覆膜降低土壤貯水量。覆膜明顯提升播種后75 d內(nèi)的土壤溫度，對(duì)播種后75 d之后的土壤溫度沒有影響。制種玉米各個(gè)生育期不同覆膜和灌水量處理下的根長(zhǎng)密度均隨著土層深度的加深而降低，播種后95 d時(shí)，86.3%～96.7%的根系分布在0～60 cm土層，其中土層深度0～30 cm和距離植株基部水平方向0～15 cm范圍內(nèi)的根長(zhǎng)密度高于1.0 cm/cm3，此空間范圍以外則低于1.0 cm/cm3。充分灌溉有利于淺層根系生長(zhǎng)，而水分虧缺有利于深層根系生長(zhǎng)，其中WL處理10 cm深度處的根長(zhǎng)密度比WF處理在各個(gè)生育期低19.6%～32.5%，深層根長(zhǎng)密度則高0.2%～41.9%，產(chǎn)量和地上生物量基本隨灌溉量的增加而增加。覆膜10 cm深度處的根長(zhǎng)密度比不覆膜在各灌水處理下高4.4%～69.2%，產(chǎn)量高24.9%。制種玉米地上干物質(zhì)量、產(chǎn)量與播種后75和95 d的0～20 cm土層的根長(zhǎng)密度的關(guān)系較為密切，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.883、0.804以上，保證該階段良好的土壤環(huán)境、促進(jìn)根系生長(zhǎng)對(duì)制種玉米的生長(zhǎng)至關(guān)重要。該研究可為石羊河流域科學(xué)地進(jìn)行灌溉和和覆膜管理提供理論依據(jù)。

灌溉；根系；產(chǎn)量；玉米；地膜覆蓋；滴灌；制種玉米

0 引 言

甘肅河西走廊是中國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，位于河西走廊的石羊河流域年平均降水量小于200 mm，年平均蒸發(fā)量達(dá)2 000 mm，農(nóng)田灌溉用水占總用水量的80%以上[1]，水資源短缺嚴(yán)重制約著該地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在有限的水資源條件下，提高作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)水資源的利用效率對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[2]。

根系是作物吸收水分和養(yǎng)分最活躍的器官，根系的分布狀況受土壤水、肥、熱等的制約，又對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量產(chǎn)生影響[3]。不同的灌溉制度通過影響土壤水分分布狀況來影響作物根系生長(zhǎng)[4]。張歲岐等[5]研究了不同灌溉量對(duì)3種基因型玉米根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，與虧缺灌溉相比，充分灌溉條件的土壤表層含水量較多，玉米根系在表層分布較多，最終獲得更高的產(chǎn)量。Chilundo等[6]研究了不同灌溉方式對(duì)玉米全生育期根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明滴灌條件下＞16～64 cm土層的根長(zhǎng)密度比溝灌增加26%～55%，并提高了玉米產(chǎn)量。Chen等[7]研究了不同灌水礦化度對(duì)土壤水鹽動(dòng)態(tài)以及棉花根系空間分布的影響，認(rèn)為淡水灌溉下根區(qū)平均根長(zhǎng)密度比微咸水灌溉高，這是由于高鹽抑制了棉花根系的生長(zhǎng)?？梢?，灌溉制度對(duì)土壤環(huán)境以及作物地上和地下生長(zhǎng)方面的研究已經(jīng)得到重要進(jìn)展。

地膜覆蓋是一種廣泛推廣的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，目前已應(yīng)用于各類糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、果樹、花草樹木等的種植中[8-11]。地膜覆蓋會(huì)減少蒸發(fā)，增加土壤含水量，覆膜也會(huì)調(diào)節(jié)土壤溫度，從而為作物生長(zhǎng)提供良好的土壤水熱環(huán)境[12]。Thidar等[13]認(rèn)為各種覆膜方式均會(huì)減少土壤蒸發(fā)，提高土壤含水量0.6%～11.1%，并發(fā)現(xiàn)各個(gè)生育期0～30 cm土層深度的根系生物量在全覆膜、部分覆膜條件下比不覆膜分別高47.7%～56.3%、36.8%～50.5%，而＞30～100 cm土層的根系生物量比不覆膜低或者沒有顯著性差異，最終導(dǎo)致全覆膜、部分覆膜條件下的作物產(chǎn)量比不覆膜分別高30.5%、8.3%。而Jia等[14]的研究表明，地膜覆蓋會(huì)增加0～100 cm土層的玉米根長(zhǎng)密度、根表面積密度、根體積密度和根質(zhì)量密度，對(duì)玉米抽穗期0～50 cm土層和成熟期0～70 cm土層的根系生長(zhǎng)的影響顯著，而對(duì)其他土層根系生長(zhǎng)不顯著，最終產(chǎn)量提高約22.3%?？梢?，覆膜對(duì)不同生育階段各土層的根系生長(zhǎng)的影響并沒有統(tǒng)一的結(jié)論。因此，有必要針對(duì)特定的研究區(qū)進(jìn)一步探討覆膜條件下根系隨生育期和土層的分布狀況。

覆膜和灌溉都會(huì)影響土壤水分，進(jìn)而影響根系和作物產(chǎn)量。以上對(duì)作物根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量的研究多集中在不同地膜覆蓋或不同灌溉條件等單一控制因素上，例如不同灌溉量、不同灌溉水礦化度、不同灌溉方式或者不同覆膜方式。目前有關(guān)地膜覆蓋與灌溉技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的研究表明了覆膜虧水灌溉在保證較高的玉米產(chǎn)量的同時(shí)，提高了水分利用效率[15]，比不覆膜虧水灌溉、覆膜充分灌溉條件下灌溉水利用效率分別提高2.7倍、2.5倍[16]。然而該方面的研究多采用大水漫灌方式，滴灌條件下覆膜和灌溉量綜合效應(yīng)的研究較少，并且二者如何綜合調(diào)控土壤水分以及對(duì)作物根系的影響機(jī)理尚不清楚，很難解釋覆膜和灌溉綜合作用下的節(jié)水增產(chǎn)機(jī)制。

因此本研究以石羊河流域制種玉米“Ganxin 630”為研究對(duì)象，采用滴灌的灌水方式，通過比較覆膜與不覆膜、以及覆膜和灌溉綜合作用下的作物根系空間分布特征及其對(duì)產(chǎn)量的影響，分析制種玉米產(chǎn)量與根系生長(zhǎng)的關(guān)系，以期為研究區(qū)科學(xué)地進(jìn)行滴灌和和覆膜田間管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017和2018年的4月至9月在國(guó)家農(nóng)業(yè)高效用水野外科學(xué)觀測(cè)研究站中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河試驗(yàn)站（北緯37°52′，東經(jīng)102°52′，海拔1 581 m）進(jìn)行。該試驗(yàn)站位于甘肅省武威市涼州區(qū)，處于騰格里沙漠邊緣，屬于典型的大陸性溫帶干旱沙漠氣候區(qū)。該地區(qū)多年平均降水量為164 mm、平均蒸發(fā)量為2 000 mm、平均氣溫為8℃，全年無霜期為150 d左右，日照時(shí)長(zhǎng)為3 000 h以上。該地區(qū)地下水埋深為40～50 m。土壤質(zhì)地為粉砂壤土，干容重為1.53 g/cm3，田間持水量為32%（體積含水率）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置覆膜和灌溉水量2種因素，覆膜包括地膜全覆蓋（M1）和不覆膜（M0）2個(gè)水平，灌溉水量包括WF、WM和WL 3個(gè)水平，分別為灌溉需水量（Δ）的100%、70%和40%，灌溉水量和覆膜交互共6個(gè)處理。灌溉需水量的計(jì)算見公式（1）[17]。

式中Δ為灌溉需水量，mm；c為制種玉米作物系數(shù)，苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期的c分別取值0.33、0.90、1.10、1.02、0.77[18]；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量（mm），按照Penman–Monteith公式[19]計(jì)算；為有效降雨量（mm），計(jì)算方法參照劉鈺等[17]。制種玉米生育期內(nèi)ET0和P逐日變化見圖1。

圖1 制種玉米生育期內(nèi)參考作物騰發(fā)量（ET0）和有效降雨量（Pr）逐日變化

Fig.1 Daily variation of reference crop Evapotranspiration (ET0) and effective rainfall (Pr) during the growth stage of seed-maize

試驗(yàn)采用滴灌的灌溉方式，滴灌帶按“一管兩行”布置，即一條滴灌帶控制兩行玉米，滴灌帶間距為80 cm，滴頭間距為30 cm，滴頭流量為2.5 L/h。灌水間隔為10 d左右，具體的灌溉制度見表1。

表1 2017和2018年不同處理下制種玉米灌溉量

注：M1, M0分別為地膜全覆蓋和不覆膜；WF、WL、WM分別為灌溉需水量的100%、70%和40%。下同。

Note: M1, M0 is full-mulching and non–mulching respectively; WF, WM and WL is 100%, 70% and 40% of the irrigation water requirement respectively. The same below.

地膜采用85 cm寬、0.004 cm厚的透明聚乙烯薄膜。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)為24.5 m，寬為5.6 m。供試作物為制種玉米“Ganxin 630”，播種方式為南北穴播，行距為40 cm，株距為25 cm。制種玉米父母本比例為1行父本、6行母本。兩年制種玉米母本分別于2017年4月24日和2018年4月20日播種，為延長(zhǎng)授粉期，父本錯(cuò)后分兩期播種，分別于2017年5月1日、5月4日和2018年4月27日、4月30日播種。母本在開花前需要人工去雄，授粉完成后要及時(shí)砍除父本。施肥按照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，即播前施375 kg/hm2的磷酸二銨（N-18%、P2O5-46%）和375 kg/hm2的氮磷鉀復(fù)合肥（N-15%、P2O5-15%、K2O-15%）作為底肥，拔節(jié)期分3次施450 kg/hm2的尿素（N-46%），其他管理措施按照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤水分和溫度

在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)布置3根TRIME管，于播種后45、75、95和125 d采用TRIME-TDR時(shí)域反射儀（TRIME-PICO/PICO-BT，Imko GmbH，Elingen，Germany）測(cè)定土壤體積含水率，測(cè)定深度為100 cm，測(cè)點(diǎn)垂向間距為20 cm，即平均分為5個(gè)土層。利用取土烘干法對(duì)測(cè)得值進(jìn)行校正。

采用土壤溫度記錄儀（HZTJ1型）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤溫度。在各小區(qū)各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)地面以下10、20、40、80 cm深度處的土壤溫度，每30 min自動(dòng)記錄一次數(shù)據(jù)，定期下載存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3.2 根系取樣及根長(zhǎng)密度

于播種后45、75、95和125 d時(shí)，采用土鉆法挖掘根系樣本，每個(gè)處理布設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)每層取5鉆，分別為植株基部中心取一鉆，記作1；沿滴灌帶方向取兩鉆，分別記作2、3；垂直滴灌帶方向取兩鉆，分別記作4、5?？紤]到灌溉對(duì)根系的影響，每個(gè)處理其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)的4和5在靠近滴灌帶一側(cè)，而另一個(gè)測(cè)點(diǎn)的4和5取在遠(yuǎn)離滴灌帶的一側(cè)，取根鉆頭扎根位置具體見圖2。土鉆直徑為6.5 cm，取根深度為100 cm，每20 cm深度為一層。撿出植株活根樣本，用沖根器沖凈后利用掃描儀（Epson Perfection V700 photo, Seiko Epson Crop., Japan）在500萬像素下掃描成根系圖像，用WinRHIZO圖像分析軟件（RegentInstrument Inc., Canada）進(jìn)行分析，獲得根系的長(zhǎng)度，利用根長(zhǎng)與根鉆體積之比，求得每個(gè)水平和垂向位置的根長(zhǎng)密度。在垂直方向上，將0～20、＞20～40、＞40～60、＞60～80、＞80～100 cm土層的根長(zhǎng)密度用10、30、50、70、90 cm深度處的根長(zhǎng)密度代替。水平方向上，每一鉆都用根鉆圓心與玉米根基部的距離代替。制種玉米植株每個(gè)土層深度處總的根長(zhǎng)計(jì)算方法如公式（2）[20]。

式中為植株每個(gè)土層深度的總根長(zhǎng)，cm；1、2、3、4、5分別為2個(gè)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4、5所取根的總根長(zhǎng)的平均值，cm。

注：1表示植株基部中心根系取樣位置，2和3表示沿滴灌帶方向根系取樣位置，4和5表示垂直滴灌帶方向根系取樣位置。

Note: Z1is root sampling location of basal center of plant.2and3are root sampling location along drip tape.4and5are root sampling location vertical to drip tape.

圖2 根系取樣位置示意圖

Fig.2 Schematic diagram of root sampling location

1.3.3 地上干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量

在制種玉米成熟時(shí)，隨機(jī)選取3株具有代表性的植株，取地上部分裝袋，首先在105 ℃下殺青30 min，然后在85 ℃下烘干直至恒質(zhì)量，以考察地上干物質(zhì)量。各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取一行制種玉米，連續(xù)取樣10株，取樣重復(fù)3次，測(cè)定其產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

采用Microsoft Office Excel 2016和Origin 2019處理數(shù)據(jù)、制作圖表，SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用最小顯著差異法（Least Significant Difference Method，LSD）進(jìn)行顯著性分析（=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水熱分布狀況

2.1.1 土壤水分

播種后45、75、95、125 d時(shí)各處理下土壤含水率隨土層深度的變化如圖3。土壤含水率隨土層深度先增加后降低，在>50～70 cm深度內(nèi)達(dá)到最高值。在相同覆膜條件下，除2017年播種后45和75 d時(shí)不覆膜處理、2018年播種后45和95 d時(shí)不覆膜處理外，0～60 cm土層的土壤含水率基本隨著灌溉量的增加而增加。在相同的灌溉條件下，M1WF處理下0～60 cm土層的土壤含水率高于M0WF處理，而M1WM和M1WL處理下0～60 cm土層的土壤含水率分別低于M0WM和M0WL。如在2017年播種后75 d時(shí)，M1WF、M0WF處理下0～60 cm土層的平均土壤含水率分別為0.22、0.19 cm3/cm3，M1WM、M0WM處理下分別為0.18、0.20 cm3/cm3，M1WL、M0WL處理下分別為0.17、0.18 cm3/cm3。2018年播種后75 d的0～60 cm土層的平均土壤含水率在各處理下有類似的結(jié)果。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：在充分灌溉WF條件下，M1會(huì)減少土壤水分蒸發(fā)，增加土壤貯水量。而在虧缺灌溉WM和WL條件下，M1比M0的作物生長(zhǎng)旺盛，M1處理的根系吸收較多的土壤水分，降低土壤含水量[21]。各處理下>80～100 cm土層含水率在生育期內(nèi)變化較小，基本與土壤初始含水率一致。

注：45 d、75 d、95 d、125 d分別表示播種后45、75、95、125天。下同。

2.1.2 土壤溫度

研究表明，覆膜會(huì)顯著增加土壤溫度，而不同灌溉量對(duì)各土層土壤溫度沒有顯著影響[22]。另外，本研究2017與2018年制種玉米生育期內(nèi)不同處理下土壤溫度的變化規(guī)律相似。因此，這里以2017年WF灌溉條件為例，分析覆膜對(duì)不同土層深度的土壤溫度的變化規(guī)律，如圖4所示。

從圖4可以看出，土壤溫度在制種玉米生育期內(nèi)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。播種后75 d內(nèi)，M1WF處理下不同土層深度處的土壤溫度明顯高于M0WF處理，該階段內(nèi)的平均土壤溫度在10、20、40、80 cm土層處分別高3.2、1.7、1.1、1.8 ℃。隨后，M1WF與M0WF處理的不同土層處的土壤溫度差別不大。

圖4 2017年M1WF和M0WF處理下不同土層深度處土壤溫度隨生育期的變化

2.2 根系生長(zhǎng)

2.2.1 根長(zhǎng)密度空間分布

由于2017與2018年不同覆膜和灌水處理下的根長(zhǎng)密度空間分布規(guī)律相似，本文以2017年播種后95 d不同處理下制種玉米根長(zhǎng)密度在土壤剖面的空間分布為例分析，如圖5所示。在垂直方向上，各處理制種玉米植株的根系主要分布在0～30 cm土層深度內(nèi)，在水平方向，主要分布在距離植株基部0～15 cm范圍內(nèi)。在該范圍內(nèi)，制種玉米植株根長(zhǎng)密度高于1.0 cm/cm3，而30 cm以下土層深度和距離植株基部15 cm水平距離以外的根長(zhǎng)密度低于1.0 cm/cm3。不同處理根長(zhǎng)密度在垂直方向0～15 cm深度內(nèi)和距離植株基部水平方向0～5 cm內(nèi)差異較大。相同灌水條件下，覆膜玉米土層深度0～15 cm內(nèi)和距離植株基部水平距離0～5 cm內(nèi)的根長(zhǎng)密度顯著高于不覆膜。相同覆膜條件下，該范圍內(nèi)的根長(zhǎng)密度隨著灌水量的增加而增加。圖5還表明土壤深層根長(zhǎng)密度受灌溉的影響較大，在相同覆膜條件下，WM和WL處理下同一深層深度處（>40～80 cm）的根長(zhǎng)密度高于WF處理，說明虧缺灌溉會(huì)促進(jìn)深層根系的生長(zhǎng)。

注：D表示與植株基部的水平距離。

2.2.2 不同生育期根長(zhǎng)密度隨土層深度的變化

由于2017與2018年不同覆膜和灌水處理下根長(zhǎng)密度隨土層深度的變化規(guī)律相似，本文以2017年播種后75、95、125 d各個(gè)處理下根長(zhǎng)密度隨土層深度的變化為例分析，如圖6所示。各階段不同處理下的根長(zhǎng)密度均隨土層深度的加深而降低，但不同覆膜和灌溉處理下同一深度處的根長(zhǎng)密度在存在著差異。在相同覆膜條件下，10 cm深度處的根長(zhǎng)密度隨著水分虧缺程度的增加而降低，而50 cm以下深度的根長(zhǎng)密度，在虧水處理WM和WL下較WF處理高。覆膜條件M1WL處理下的10 cm深度處的根長(zhǎng)密度比M1WF處理在播種后75、95、125 d時(shí)分別低19.6%、23.7%、32.5%，M1WM較M1WF分別低13.0%、9.2%、26.9%。不覆膜條件下M0WL較M0WF分別低25.2%、27.0%、27.4%，M0WM較M0WF分別低12.9%、23.6%、8.9%。對(duì)于深層土壤深度50、70、90 cm處的根長(zhǎng)密度，覆膜條件M1WL處理比M1WF處理在播種后75、95、125 d時(shí)分別高41.9%、1.4%、30.0%，不覆膜條件下M0WL比M0WF分別高0.2%、22.3%、40.8%。在相同灌水條件下，覆膜處理10 cm深度處的根長(zhǎng)密度在播種后75、95、125 d均比不覆膜高。播種后75 d時(shí)，M1WF、M1WM、M1WL處理下10 cm深度處的根長(zhǎng)密度比M0WF、M0WM、M0WL處理分別高57.3%、57.0%、69.2%，播種后95 d時(shí)分別高30.6%、55.1%、36.6%，播種后125 d時(shí)分別高19.0%、4.4%、10.7%。可見各個(gè)灌水處理下覆膜對(duì)10 cm深度根長(zhǎng)密度的增加效應(yīng)均隨著生育階段的推移而減弱。覆膜與不覆膜處理對(duì)10 cm以下深度處的根長(zhǎng)密度的影響規(guī)律不明顯。顯著性分析結(jié)果（表2）表明，覆膜和灌溉單因素對(duì)播種后75、95、125 d的0～20 cm土層的根長(zhǎng)密度具有顯著性影響，對(duì)>20～100 cm土層的根長(zhǎng)密度沒有顯著性影響，覆膜和灌溉交互作用對(duì)各階段不同土層的根長(zhǎng)密度的影響均不顯著。

圖6 2017年各處理下不同制種玉米生育階段根長(zhǎng)密度垂直分布

表2 覆膜、灌溉量以及二者的交互作用下制種玉米根長(zhǎng)密度、地上干物質(zhì)量和產(chǎn)量的顯著性分析結(jié)果

注：**表示在0.01水平上顯著，*表示在0.05水平上顯著，NS表示無顯著；下同。

Note: ** means significant at 0.01 level. * means significant at 0.05 level. NS means no significant. The same as below.

2.2.3 不同生育期各土層深度根長(zhǎng)比例

根長(zhǎng)是衡量根系生長(zhǎng)和吸收能力的重要指標(biāo)，研究各土層根長(zhǎng)占總根長(zhǎng)的比例，能夠直觀地看出根系在各土層的分布，從而確定作物根系的主要吸水層，對(duì)于農(nóng)作物灌溉制度的制定具有重要作用[13]。各處理不同生育期制種玉米各土層根長(zhǎng)所占0～100 cm土層根長(zhǎng)比例見圖7。在播種后45 d時(shí)，各處理下制種玉米根系分布在0～20 cm土層。在播種后75、95、125 d時(shí)，仍然有43.1%～69.8%的根系分布在0～20 cm土層。2018年播種后75 d覆膜和不覆膜條件下制種玉米根系均分布在0～80 cm土層，而2017年覆膜制種玉米根系分布在0～80 cm土層，不覆膜分布在0～60 cm土層，可見覆膜可能會(huì)促進(jìn)>60～80 cm土層根系的提早發(fā)育。播種后75 d時(shí)0～20 cm土層根長(zhǎng)占比在WF處理下達(dá)50.0%～60.9%，WM處理下達(dá)49.7%～57.7%，WL處理下占比達(dá)43.1%～51.5%?？梢姴シN后75 d時(shí)制種玉米0～20 cm土層根系占比隨著水分虧缺程度的增加而降低，而20 cm以下土層根系占比隨著水分虧缺程度的增加而增加。在播種后95、125 d時(shí)，根系分布在0～100 cm土層，0～60 cm土層根長(zhǎng)占比在兩個(gè)階段分別達(dá)86.3%～96.7%、80.2%～92.7%，且在相同處理下，播種后125 d的0～60 cm土層根長(zhǎng)比例較播種后95 d小，說明在根系衰老階段（從播種后95 d至播種后125 d），0～60 cm根系占比會(huì)隨著根系的衰老而會(huì)減少，而>60～100 cm深層根系占比會(huì)增加。

2.3 制種玉米地上干物質(zhì)量與產(chǎn)量

2017和2018年不同覆膜和灌溉條件下的產(chǎn)量和總的地上干物質(zhì)量見圖8。在相同灌水條件下，覆膜處理的制種玉米產(chǎn)量和地上干物質(zhì)量比不覆膜分別高24.9%和19.1%。在相同覆膜條件下，除2017年不覆膜條件外，制種玉米的產(chǎn)量和地上干物質(zhì)量隨著灌溉量的增加而增加。WF處理的產(chǎn)量和地上干物質(zhì)量較WL處理分別顯著高41.0%和24.9%（<0.05）。2017年不覆蓋條件下，制種玉米的產(chǎn)量隨著灌溉量的增加而降低，這主要是因?yàn)?017年M0WF和M0WM處理的產(chǎn)量在生育末期因凍害而大幅下降，而M0WL處理由于水分虧缺，生育期縮短，在凍害之前就已經(jīng)成熟。顯著性分析結(jié)果表明，覆膜和灌溉單因素對(duì)產(chǎn)量和地上干物質(zhì)量具有顯著性影響，而二者的交互作用對(duì)產(chǎn)量和地上干物質(zhì)量均不顯著（表2）。

注：圖中同一年各處理的柱子上方的的不同字母表示在0.05水平下差異顯著。

2.4 根系與產(chǎn)量和地上干物質(zhì)量的關(guān)系

2017和2018年各處理下的產(chǎn)量和地上干物質(zhì)量與不同生育階段各土層深度的根長(zhǎng)密度分別進(jìn)行線性相關(guān)分析，結(jié)果見表3。產(chǎn)量與播種后75、95 d的0～20 cm土層深度的根長(zhǎng)密度呈顯著相關(guān)關(guān)系（<0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.804、0.815，而與>20～100 cm各土層的根長(zhǎng)密度均無相關(guān)性。而對(duì)于產(chǎn)量與播種后125 d的根長(zhǎng)密度的關(guān)系而言，與>20～40、>60～80、>80～100 cm土層的根長(zhǎng)密度在0.05的水平上具有相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.656、0.682、0.578，與0～20、>40～60 cm土層無相關(guān)性?？梢姡a(chǎn)量與播種后75和95 d的0～20 cm根長(zhǎng)密度的相關(guān)性大于與播種后125 d深土層的相關(guān)性。

地上干物質(zhì)量與播種后75和95 d的0～20 cm土層的根長(zhǎng)密度在0.001水平上具有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.885、0.883，與播種后125 d的0～20 cm土層則在0.05水平上具有相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.681，而與各生育階段>20～100 cm各土層的根長(zhǎng)密度無相關(guān)性。可見，地上干物質(zhì)量與播種后75和95 d的0～20 cm土層的根長(zhǎng)密度之間的相關(guān)性高于播種后125 d。

表3 制種玉米各生育階段不同土層根長(zhǎng)密度與產(chǎn)量和地上部總干物質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)

注：***表示在0.001水平上顯著相關(guān)。

Note: *** Means significant correlation at 0.001 level.

3 討 論

3.1 覆膜和灌溉對(duì)土壤水熱狀況的影響

土壤水、熱狀況是影響作物根系分布以及作物生長(zhǎng)的重要因素[5]。地膜覆蓋和灌溉都會(huì)顯著影響作物根層的土壤水分，進(jìn)而影響作物根系在土壤剖面中的分布[13, 9]。大量研究表明，灌水越多，土壤水分含量越高[23-24]。本研究表明在滴灌條件下，高灌水量會(huì)增加淺層土壤含水量，但灌溉對(duì)深層土壤含水量的影響不大。地膜覆蓋具有增溫保墑的作用，覆膜會(huì)增加玉米整個(gè)生育期淺層土壤含水率14.3%，增加5 cm深度的土壤溫度約2.8 ℃[25]。Yang等[21]認(rèn)為地膜覆蓋會(huì)隔絕土壤與外界的水分交換，減少土壤水分蒸發(fā)，進(jìn)而增加土壤貯水量。然而地膜覆蓋下旺盛的植株蒸騰作用又會(huì)消耗更多的土壤水分，從而減少土壤貯水量。地膜覆蓋下土壤貯水量還與降雨量有關(guān)，覆膜會(huì)對(duì)降雨產(chǎn)生截留作用，導(dǎo)致較低的土壤含水量[22]。地膜覆蓋對(duì)土壤溫度的影響受薄膜光學(xué)特性的不同而有差異。透明膜、黑膜下0～15 cm平均土壤溫度分別增加2.4、0.8 ℃[26]。其中透明塑料薄膜增溫是由于透明膜覆蓋下土壤表面會(huì)直接吸收太陽輻射，以及塑料薄膜上形成的水珠會(huì)降低長(zhǎng)波輻射透射率，減弱土壤表面熱量的散失[27]。本研究中，透明膜的增溫效應(yīng)在生育前期明顯，而隨著制種玉米植株壯大，遮光作用大，地膜的增溫效應(yīng)減弱。

3.2 覆膜和灌溉對(duì)根系和作物生長(zhǎng)的影響

根長(zhǎng)密度是表征根系分布特征的重要指標(biāo)，大量研究表明，玉米植株根長(zhǎng)密度隨土層深度的加深而降低[28-29]，在本研究中，以0.5 cm/cm3為界，不管是覆膜還是不覆膜條件下，WM和WL水分虧缺處理下根長(zhǎng)密度下降至0.5 cm/cm3時(shí)所對(duì)應(yīng)的土層深度比充分灌溉WF處理明顯深（圖5）。播種后75 d至125 d階段內(nèi)，充分灌溉處理下淺層深度的根長(zhǎng)密度高于虧水處理，而深層深度處則表現(xiàn)為充分灌溉低于虧水灌溉（圖6）。另外，播種后75 d時(shí)，虧水處理下20 cm以下土層根系比例高于充分灌溉處理（圖7）。以上研究結(jié)果都證明，充分灌溉有利于淺層根系的生長(zhǎng)發(fā)育，而當(dāng)水分虧缺情況下，表層土壤水分無法滿足根系生長(zhǎng)，根系需要向深土層延伸以從下層土壤中提取水分[30]，這種發(fā)育方式是根系生長(zhǎng)與環(huán)境相互適應(yīng)的結(jié)果[9]。不同灌溉制度下根系分布的差異引起了作物地上生物量和產(chǎn)量的差異[4,31]。本研究針對(duì)的灌溉量范圍內(nèi)，制種玉米地上干物質(zhì)量和產(chǎn)量隨著灌溉量的增加而增加（圖8），這與前人的研究結(jié)果相似[4]。

地膜覆蓋顯著改善土壤水熱條件，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)[32]。本研究中地膜覆蓋顯著增加播種后75、95、125 d的垂直方向淺層0～20 cm（圖5，表2）和播種后95 d的水平方向0～5 cm（圖5）范圍內(nèi)的制種玉米根長(zhǎng)密度，而對(duì)深層根長(zhǎng)密度的影響較小，說明地膜覆蓋主要影響淺層根系的發(fā)育。中國(guó)黃土高原[13]以及寧夏地區(qū)[14]玉米根系分布的研究中，分別得出了地膜覆蓋顯著影響各生育期0～30 cm以及0～50 cm土層的根系特征參數(shù)，不同研究之間的差異可能與玉米品種、土壤性質(zhì)、灌溉制度等有關(guān)。另外，覆膜對(duì)10 cm深度處的根長(zhǎng)密度的增加效應(yīng)隨生育期的推進(jìn)而減小，這可能與覆膜增溫效應(yīng)隨生育期的推進(jìn)而降低有關(guān)（圖4）。地膜覆蓋增加根長(zhǎng)密度，最終提高了產(chǎn)量和地上干物質(zhì)量，覆膜單因素對(duì)兩年的產(chǎn)量以及2017年的地上干物質(zhì)量均具有顯著影響（表2）。

地膜覆蓋與虧缺灌溉結(jié)合應(yīng)用是目前旱區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)廣泛采用的田間管理措施，這不僅節(jié)約了水資源，還能夠保證較高的產(chǎn)量。鄒海洋等[30]認(rèn)為在覆膜條件下玉米根系特征參數(shù)如根長(zhǎng)、根質(zhì)量、根體積和根表面積，均隨著灌溉量的增多先增加后減少，即覆膜條件下適當(dāng)?shù)墓嗨靠纱龠M(jìn)玉米根系生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量。馬金平[33]對(duì)比了覆膜和不覆膜條件下灌水定額為0、8、12、16和20 mm處理下的玉米根系分布特征和籽粒產(chǎn)量，結(jié)果表明，不管在覆膜還是不覆膜條件下，玉米根系特征參數(shù)和產(chǎn)量均隨灌溉量的增加而增加，但灌溉定額為16和20 mm處理下籽粒產(chǎn)量差異不顯著，這與本研究結(jié)果相似。在本研究中，覆膜條件下適度虧缺（M1WM處理）的淺層根長(zhǎng)密度低于覆膜充分灌溉處理（M1WF處理），深層根長(zhǎng)密度高于M1WF處理，其最終產(chǎn)量與M1WF處理沒有顯著性差異，且能夠節(jié)水30%。因此本研究推薦M1WM處理為最佳處理。此外，本研究中，盡管覆膜和灌溉單因素對(duì)淺層根長(zhǎng)密度、地上干物質(zhì)量和產(chǎn)量具有顯著影響，但二者交互作用對(duì)制種玉米地上和地下生物量的影響不顯著。

3.3 作物生長(zhǎng)與根系的關(guān)系

作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成受根系生長(zhǎng)狀況的影響[34]。大量的研究表明，玉米植株地上部干物質(zhì)量和產(chǎn)量與100 cm土層深度內(nèi)的根系特征參數(shù)呈顯著相關(guān)關(guān)系[30]，然而其相關(guān)性在各生育時(shí)期的不同土層深度處存在差異性[13]。本研究地上干物質(zhì)量和產(chǎn)量與播種后75和95 d的0～20 cm土層的根長(zhǎng)密度呈顯著相關(guān)關(guān)系，而與20 cm以下土層的根長(zhǎng)密度無相關(guān)性（表3），這主要是因?yàn)樵撾A段制種玉米根系主要集中在0～20 cm土層（圖7），20 cm以上土層的根系較為活躍，對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的形成起重要作用。產(chǎn)量與播種后125 d的>20～100 cm土層的根長(zhǎng)密度顯著相關(guān)，說明深層根系對(duì)生育后期產(chǎn)量的形成的影響較大，這與郝留根[35]的研究結(jié)果相似。但地上生物量與播種后125 d的根長(zhǎng)密度之間的關(guān)系仍然表現(xiàn)為與淺層根長(zhǎng)密度相關(guān)，與深層根長(zhǎng)密度無相關(guān)性，這可能是因?yàn)榈厣细晌镔|(zhì)積累主要發(fā)生在生育前期和中期，生育后期玉米地上干物質(zhì)累積量在總的地上干物質(zhì)累積量中占比很小，僅占10%以下[36]，因此總的地上干物質(zhì)量與生育后期較為活躍的深層根系無相關(guān)關(guān)系。本研究中，播種后75和95 d的根長(zhǎng)密度與地上干物質(zhì)量和產(chǎn)量的相關(guān)性大于播種后125 d，確保生育前期和中期淺層根系的生長(zhǎng)對(duì)于地上生物量和產(chǎn)量的形成具有重要作用。

4 結(jié) 論

本研究以中國(guó)西北旱區(qū)石羊河流域制種玉米為研究對(duì)象，開展2 a的田間試驗(yàn)，探究了覆膜和不同灌水量對(duì)土壤水熱動(dòng)態(tài)、各生育期不同土層深度處的根系生長(zhǎng)以及產(chǎn)量的影響，得到以下結(jié)論：

1）在相同覆膜條件下，0～60 cm土層含水量隨灌溉量的增加而增加。覆膜會(huì)改善土壤水熱條件，在充分灌溉下覆膜增加土壤貯水量，而虧缺灌溉下覆膜降低土壤貯水量。覆膜顯著增加播種后75 d內(nèi)的土壤溫度，對(duì)播種后75 d后的土壤溫度沒有影響。

2）充分灌溉條件下制種玉米淺層根長(zhǎng)密度高于虧缺灌溉，而深層根長(zhǎng)密度則表現(xiàn)為虧缺灌溉高于充分灌溉，可見充分灌溉有利于淺層根系生長(zhǎng)，水分虧缺則有利于深層根系生長(zhǎng)，最終地上干物質(zhì)量和產(chǎn)量表現(xiàn)為隨著灌溉量的增加而增加。覆膜增加10 cm深度處的根長(zhǎng)密度，表現(xiàn)為增產(chǎn)效應(yīng)。

3）制種玉米地上干物質(zhì)量和產(chǎn)量均與播種后75和95 d的0～20 cm深度處的根長(zhǎng)密度的關(guān)系最為密切，保證播種后75和95 d的0～20 cm度處良好的土壤環(huán)境、促進(jìn)作物根系發(fā)育對(duì)制種玉米地上部的生長(zhǎng)至關(guān)重要。

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Effects of film mulching and irrigation amount on the root distribution and yield of seed-maize

Zhao Yin1,2, Li Guoan3, Xia Jiangbao1, Bo Liyuan2, Mao Xiaomin2※

(1.256600;2.100083;3.256600)

Plastic film mulching and drip irrigation have been the main measures to cope with the water resources shortage for better crop productivity in the arid region of Northwest China. This study aims to explore the dynamic response of root distribution and yield of seed-maize to the plastic film mulching and irrigation amount under drip irrigation. The field experiments were conducted in the Shiyang River Basin located in the arid region of Northwest China in 2017 and 2018. Six treatments were set, including two levels of film mulching (full–mulching (M1) and non-mulching (M0)), and three levels of irrigation amount (WF, WM and WL: 100%, 70% and 40% of the irrigation water requirement, respectively). The distribution of soil water, the heat and root length density were monitored during the seed-maize growing season, whereas, the aboveground dry matter and yield were monitored in the mature period. The results showed that the average soil moisture contents of 0-60 cm soil layer were 0.22, 0.18, 0.17, 0.19, 0.20, and 0.18 cm3/cm3, respectively, under the M1WF, M1WM, M1ML, M0WF, M0WM, and M0ML treatments at 75 day after sowing (DAS). It indicated that the soil moisture content of 0-60 cm soil layer increased with the increase of irrigation amount under the same film mulching condition. Specifically, the soil moisture content of the 0-60 cm soil layer under the M1WF treatment was higher than that under the M0WF treatment in the same irrigation condition. The soil moisture contents of the 0-60 cm soil layer under the M1WM and M1WL treatments were lower than that under the M0WM and M0WL treatments, respectively. Film mulching significantly increased the soil temperature by 1.1-3.2℃ before 75 DAS, and there was no effect on the soil temperature after 75 DAS, indicating that the temperature-increasing effect of film mulching mainly appeared during the early growth stage. The root length density decreased with the deepening of soil depth under different film mulching and irrigation treatments in the various growth period of seed maize. Furthermore, 86.3%-96.7% of the roots were distributed in the 0-60 cm soil layer at 95 DAS of seed maize. The root length density was higher than 1.0 cm/cm3in the 0-30 cm soil depth and 0-15 cm from the horizontal direction of the plant base, while lower than 1.0 cm/cm3outside the spatial range. The root length density at 10 cm soil depth under WL treatment was 19.6%-32.5% lower than that of WF and was 0.2%-41.9% higher at deeper layer at various growth period, which showed that full irrigation was conducive to the root growth in shallow layer, while water deficit was conducive to the root growth in deeper layer. The yield and aboveground dry matter increased with the increase of irrigation amount. And the root length density at 10 cm soil depth under M1 treatment was 4.4%-69.2% higher than that of M0 treatment under different irrigation treatments, and the yield was 24.9% higher. The aboveground dry matter and yield of seed maize were closely related to the root length density at the 0-20 cm soil depth at the 75 DAS and 95 DAS, where the correlation coefficients were more than 0.883 and 0.804, respectively. Consequently, the favorable soil environment can be expected to promote the root growth for the aboveground growth of seed maize. The finding can provide a theoretical basis to implement the irrigation and film mulching measures in the Shiyang River Basin.

irrigation; roots; yield; maize; plastic film mulching; drip irrigation; seed-maize

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.011

S513; S274

A

1002-6819(2022)-15-0104-11

趙引，李國(guó)安，夏江寶，等. 覆膜和灌水量對(duì)制種玉米根系分布及產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(15)：104-114.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.011 http://www.tcsae.org

Zhao Yin, Li Guoan, Xia Jiangbao, et al. Effects of film mulching and irrigation amount on the root distribution and yield of seed-maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(15): 104-114. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.011 http://www.tcsae.org

2022-07-08

2022-07-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51790535，51679234）

趙引，博士，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土工程。Email：zhaoyin0671@163.com

毛曉敏，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樽兓h(huán)境下農(nóng)業(yè)水資源高效利用以及多孔介質(zhì)水、熱和溶質(zhì)耦合運(yùn)移機(jī)理與模擬。 Email：maoxiaomin@cau.edu.cn