張 寅，鄂繼芳，孫明海

（1.河套學(xué)院，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015000；2.呼倫貝爾市地產(chǎn)管理所，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021000）

0 引 言

【研究意義】引黃水量銳減、水肥利用效率低等問題正在嚴(yán)重制約河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，節(jié)水灌溉、提高水肥效率及作物產(chǎn)量是灌區(qū)面臨的主要問題[1]。適宜的耕作模式可提高土壤含水率和水分利用效率，為作物生長創(chuàng)造和諧生長環(huán)境[2]，秸稈覆蓋改善土壤團(tuán)聚體，增大土壤通透性[3]，提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)強(qiáng)度[4]，減少土壤水分無效蒸發(fā)，提高耕層含水率，并能夠改良根區(qū)環(huán)境[5-6]。且秸稈覆蓋可提高土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分量和微生物活性，而普通地膜覆蓋雖能提高土壤含水率，但降低了土壤有機(jī)質(zhì)量[7]。因此，改變耕作方式對水分利用效率及作物產(chǎn)量的提高具有重要意義?！狙芯窟M(jìn)展】溝灌作為傳統(tǒng)的地面灌溉方式，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的不斷發(fā)展，溝灌也重新被重視。相關(guān)研究指出寬壟溝灌灌水效率顯著高于常規(guī)溝灌，與傳統(tǒng)畦灌相比，寬壟溝灌可顯著提高水分利用效率[8]，增產(chǎn)顯著[9-10]；交替隔溝灌溉增大作物根系下扎深度，較常規(guī)溝灌提高水分利用效率5%以上[11-13]，覆膜溝灌有效促進(jìn)作物生長并提高經(jīng)濟(jì)效益[14]；汪順生等[15]指出適量秸稈覆蓋的溝灌有效增強(qiáng)雨水下滲，蓄納較多雨水。根是作物吸收養(yǎng)分水分關(guān)鍵營養(yǎng)器官[16]，根系生長發(fā)育受土壤體積質(zhì)量、含水率等多重因素影響[17]，改善根系分布與結(jié)構(gòu)是作物提效增產(chǎn)的關(guān)鍵。【切入點】針對秸稈覆蓋技術(shù)目前已研究較多，主要集中在不同覆蓋的方式、不同水分處理及不同材料[18-19]間的比較分析，耕作模式為常規(guī)畦灌，而關(guān)于溝灌結(jié)合不同秸稈覆蓋的耕作模式對夏玉米根系分布、水分利用效率及產(chǎn)量的影響鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】基于此，在河套灌區(qū)臨河區(qū)氣象試驗站開展小區(qū)試驗，探究寬壟種植下不同秸稈覆蓋處理對夏玉米根系分布、水分利用效率的影響，旨在為秸稈覆蓋技術(shù)在溝灌種植上的應(yīng)用及提高河套灌區(qū)作物水分利用效率提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018年5—10月在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)農(nóng)業(yè)氣象試驗站開展。地理位置為40o42'N、107o24'E，海拔1 040～1 043 m，屬于典型的溫帶干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷而漫長，夏季炎熱而短促，多年平均氣溫7.1 ℃，年平均降雨量為141 mm，年平均蒸發(fā)量為2 430 mm，年均日照時間為3 223.7 h，無霜期為140 d 左右。試驗區(qū)根層土壤類型以壤土為主，土壤體積質(zhì)量為1.48 g/cm3。研究期間夏玉米生育期內(nèi)試驗區(qū)日降雨量和日平均溫度變化如圖1 所示。

圖1 夏玉米生育期溫度及日降雨量Fig.1 Daily rainfall and temperature during growing period of summer maize

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)常規(guī)壟覆膜溝灌（FM）、壟覆秸稈溝灌（FLJ）、溝覆秸稈溝灌（FGJ）、壟溝覆秸稈溝灌（FLGJ）4 種處理，3 個重復(fù)，共12 個小區(qū)，試驗小區(qū)的面積為4 m×6 m，采用混凝土澆筑的地下?lián)跛甯糸_，防止相鄰小區(qū)水肥影響，小區(qū)外圍種植玉米保護(hù)行，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶管理一致。各處理采用統(tǒng)一施肥水平（施氮量225 kg/hm2（以N 計）、施磷量150 kg/hm2（以P2O5計）、施鉀肥50 kg/hm2（以KCl 計）），磷肥和鉀肥與50%氮肥在播種時作為基肥施入，剩余氮肥分別在第1 次灌水和第2 次灌水前平分施入；各處理在夏玉米生育期灌溉4 次水，單次灌水定額為70 mm，采用渠水灌溉，渠水礦化度為0.628 g/L，溝斷面如圖2 所示。各處理覆膜的厚度均為0.01 mm，寬幅80 cm，秸稈覆蓋厚度5 cm，覆蓋量為1.5 kg/m2，供試材料采用當(dāng)?shù)赜衩孜髅? 號，5月1日播種，9月30日收獲，機(jī)械播種，人工起溝，人工分別在壟上和溝里鋪設(shè)厚秸稈，株距0.3 m，行距0.40 m，東西走向種植。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 考種測產(chǎn)

在收獲期，對夏玉米進(jìn)行考種。每個小區(qū)隨機(jī)取5 株夏玉米，測量夏玉米穗長、穗粗等指標(biāo)；隨機(jī)選取100 粒籽粒，3 個重復(fù)，稱質(zhì)量取平均值，計算夏玉米百粒質(zhì)量；夏玉米籽粒干燥后稱總質(zhì)量并計算單位面積產(chǎn)量。

夏玉米收獲指數(shù)[20-21]（Harvest Index，HI）指收獲期夏玉米穗部籽粒質(zhì)量與地上干物質(zhì)質(zhì)量之比，計算式為：

式中：Mz為夏玉米穗部籽粒質(zhì)量（g/株）；Md為夏玉米地上干物質(zhì)質(zhì)量（g/株）。

圖2 溝斷面示意圖（單位:mm）Fig.2 The diagram of ditch section(unit:mm)

1.3.2 水分利用效率

作物耗水量（ET）計算式為：

式中：ET為作物耗水量（mm）；P為生育期降雨量（mm）；I為灌溉量（mm）；Wg為地下水補(bǔ)給量（mm）；D和R分別是滲漏水量和地表徑流，夏玉米生育期的地下水埋深較淺，約為0.8～1.8 m，地下水補(bǔ)給量遠(yuǎn)大于滲漏量，且灌水定額較小，因此滲漏量可忽略；試驗區(qū)地面平坦，無地表徑流，R可忽略；ΔW為試驗初期到末期土壤儲水量的變化量（mm）。

地下水補(bǔ)給量：在每個試驗小區(qū)埋設(shè)3 組3 根負(fù)壓計（埋設(shè)深度分別為80、60、40 cm），每天讀取負(fù)壓計讀數(shù)，采用定位通量法計算地下水對土壤水的補(bǔ)給量，根據(jù)達(dá)西定律計算該點處的流量q，計算式為：

式中：h1、h2分別為斷面Z1、Z2處負(fù)壓計的值（hPa）；Z1和Z2為負(fù)壓計安裝的兩點深度；k為試驗用沙壤土的滲透系數(shù)。

由此，得到t1至t2時段內(nèi)單位面積流過的土壤水流量Q(Z1-2)，并由Q(Z1-2)可求得任一斷面流量Q(z)，計算式為

土壤含水率：在播種前和每次灌水前、后（下雨后2～3 d 加測1 次），采用土鉆在田間取樣，測定土壤含水率。分別在0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 土層取土樣，采用干燥稱質(zhì)量測定土壤含水率，即質(zhì)量含水率。

水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的計算式為：

式中：WUE為水分利用效率（kg/（hm2·mm））；Y為玉米產(chǎn)量（kg/hm2）；ET為作物耗水量（mm）。

1.3.3 夏玉米根系取樣

在夏玉米灌漿期采用剖面挖根法，隨機(jī)取3 株代表性植株取樣。在垂直方向60 cm 土層范圍，壟上分別取0～10、10～20、20～30、30～40 和40～60 cm 共5層；溝上分別取0～10、10～20、20～30 和30～40 cm 共4 層，分別將各土層中所有根系取出，清洗干凈并自然晾干，剔除雜質(zhì)和死根。根樣品采用Epson Perfection 4870 根系掃描儀進(jìn)行掃描，并用根系專用分析軟件Win RHIZO Pro 獲得根長等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016 處理，應(yīng)用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析，采用最小顯著差異法（Least significant difference method，LSD）進(jìn)行顯著性檢驗（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝灌與不同秸稈覆蓋對夏玉米根長密度的影響

溝灌結(jié)合不同秸稈覆蓋顯著（P<0.05）影響夏玉米灌漿期RLD在壟和溝的土壤剖面的空間分布（圖3）。從表1 可以看出，夏玉米RLD與土層深度呈指數(shù)關(guān)系，隨土層深度的增加RLD遞減，壟上的RLD在10～20 cm 土層銳減，幅度最大，40 cm 以下土層降幅較??；溝里的RLD變化趨勢較平穩(wěn)；壟上的RLD顯著高于溝里11.2%（P<0.05）。與FM 處理相比，秸稈覆蓋顯著提高壟上0～10 cm 土層的RLD，尤其是FLJ 和FLGJ 處理顯著增加了24.6%和27.4%，而在40～60 cm 土層，F(xiàn)GJ 與FLGJ 處理的RLD無差異，但較FM 處理顯著增大128.1%和122.7%；在溝里0～10 cm 土層RLD，F(xiàn)GJ 處理最大，較FM 處理增加22.0%，F(xiàn)LGJ 較FM 處理增加9.7%，而在30～40 cm土層，F(xiàn)M 和FLJ 處理未發(fā)現(xiàn)根系，F(xiàn)GJ 和FLGJ 處理的RLD仍能達(dá)到0.18 cm/cm3。說明，溝覆秸稈有利于壟上深層（>40 cm）和溝里深層（>20 cm）土層根系生長發(fā)育，有利于夏玉米根系下扎，而壟上覆秸稈顯著促進(jìn)壟上表層根系發(fā)育，對壟上和溝里深層根系發(fā)育促進(jìn)效果不顯著。

表1 不同處理夏玉米灌漿期根長密度擬合函數(shù)Table 1 RLD fitting function at summer maize filling period under different treatments

圖3 夏玉米灌漿期根長密度Fig.3 RLD of summer maize at filling stage

2.2 各處理對夏玉米產(chǎn)量及收獲指數(shù)的影響

溝灌種植模式下不同秸稈覆蓋方式對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響如表2 所示，各處理間夏玉米穗長、穗粗和百粒質(zhì)量差異顯著，均達(dá)到5%顯著水平。溝灌種植模式下，秸稈覆蓋處理的穗長、穗粗、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量顯著高于覆膜溝灌，較FM 處理分別提高3.6%～19.3%，6.3%～18.8%、12.5%～22.3%和4.8%～9.3%，且FGJ 和FLGJ 處理間的夏玉米產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)差異不顯著（P>0.05）。

夏玉米收獲指數(shù)（HI）反映作物同化產(chǎn)物在夏玉米營養(yǎng)器官和籽粒上的分配效率，是重要的植物學(xué)參數(shù)之一。溝灌種植模式下，不同秸稈覆蓋方式的HI差異顯著（P<0.05，表2），在0.38～0.48 間變化，表明夏玉米收獲指數(shù)不穩(wěn)定，易受溝灌與秸稈覆蓋等外界條件影響。秸稈覆蓋處理的HI較FM 處理分別提高7.9%、26.3%和15.8%，溝覆秸稈提高最多，說明溝灌下秸稈覆蓋有利于夏玉米HI的提高，以溝覆秸稈效果較好。分析表2 發(fā)現(xiàn)，溝灌種植模式下，隨灌漿期壟上深層（>40 cm）和溝深層（>20 cm）土層根長密度的增加，夏玉米收獲指數(shù)也顯著提高（P<0.05），深層根長與夏玉米收獲指數(shù)的變化趨勢基本一致，表明夏玉米深層根長密度的增加有利于根系對深層土壤養(yǎng)分的吸收，提供給夏玉米中后期生長所需養(yǎng)分，促進(jìn)同化產(chǎn)物在籽粒上的分配，從而提高夏玉米收獲指數(shù)。

表2 不同處理夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 2 Yield and its components of summer maize

2.3 各處理對夏玉米水分利用效率的影響

溝灌結(jié)合不同秸稈覆蓋處理對夏玉米水分利用效率的影響如表2 所示。溝灌種植模式下，秸稈的不同覆蓋方式影響著夏玉米全生育期水分利用效率，各處理間存在差異。與常規(guī)覆膜溝灌FM 處理相比，F(xiàn)LJ、FGJ 和FLGJ 處理水分利用效率分別提高4.8%、51.9%和54.3%，表明溝灌下溝覆秸稈可有效提高水分利用效率，較壟覆秸稈效果好。

3 討論

根系是提高作物水分養(yǎng)分吸收率的限制因子，特別是大于40 cm 土層的深層根[22]，當(dāng)土壤中RLD<0.8～1.0 cm/cm3時，作物生長因根系不足受限[23]。在本研究中，僅FGJ 和FLGJ 處理壟上大于40 cm 和溝里大于20 cm 土層的RLD達(dá)到0.74～1.07 cm/cm3，這有利于夏玉米根系吸收深層土壤水分養(yǎng)分，而壟上覆秸稈的RLD明顯不足，限制夏玉米根系對深層土壤水分養(yǎng)分的吸收。試驗結(jié)果表明，溝灌下不同位置秸稈覆蓋改變根系分布模式，溝覆秸稈顯著促進(jìn)壟和溝的深層根系生長，且深層根系越多，產(chǎn)量越高。有關(guān)研究指出深層根系是提高旱地作物籽粒產(chǎn)量的功能根系[24-25]。本試驗中，在大于40 cm 土層，溝覆秸稈FGL 和FLGJ 處理的根長密度較FM 處理提高128.1%和122.7%（P<0.05），但FGL 和FLGJ 處理間的RLD無差異，說明旱地農(nóng)田溝灌結(jié)合秸稈覆蓋促進(jìn)夏玉米深層根系發(fā)育，有利于吸收更多的深層土壤水分養(yǎng)分。這可能是因為秸稈覆蓋具有保水的作用，且秸稈覆蓋特有的“降溫效應(yīng)”有利于提高夏玉米中后期根系活性、延緩植株衰老[26]，對灌漿后的吸收及光合作用同化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移具有促進(jìn)作用[27]，從而實現(xiàn)提效增產(chǎn)的目的。夏玉米干物質(zhì)和光合作用同化產(chǎn)物的分配是產(chǎn)量形成的重要因素，適當(dāng)減少表層土層根長密度，在一定程度減少了根系冗余[28]，降低了同化產(chǎn)物在根系的分配比例，進(jìn)而提高夏玉米產(chǎn)量。

本研究表明，在河套灌區(qū)半干旱農(nóng)業(yè)中溝灌通過適宜的秸稈覆蓋可獲得高產(chǎn)并提高水分利用效率。溝覆秸稈和壟溝覆秸稈顯著提高夏玉米產(chǎn)量，較FM 處理分別增產(chǎn)9.3%和9.0%，二者差異不顯著；溝覆秸稈較FM 處理顯著提高夏玉米收獲指數(shù)26.3%，且夏玉米產(chǎn)量和收獲指數(shù)與壟、溝大于40 cm 深層土壤RLD變化趨勢一致，呈顯著正相關(guān)，而與總根長密度之間無顯著關(guān)系。因此，在干旱區(qū)夏玉米獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵因子是植株具有發(fā)達(dá)的深層根系[29]，而干旱條件下，溝覆秸稈促進(jìn)壟（>40 cm）和溝（>20 cm）深層土壤根長密度的增加是根向水性的典型反應(yīng)[30]，能夠提高根系提水作用[31]。因此，針對河套灌區(qū)夏玉米，在溝灌種植模式下，控制壟上表層土層根長，通過覆蓋秸稈增大溝土層含水率，誘導(dǎo)夏玉米根系下扎，提高壟和溝深層土壤根長密度，增強(qiáng)深層根系提水作用，實現(xiàn)深層土壤的水分和養(yǎng)分在時間空間上的協(xié)調(diào)，以水肥促根，以根調(diào)水肥[32]，促進(jìn)夏玉米生長，提高夏玉米水分利用效率及產(chǎn)量，考慮到實際可操作性，溝覆秸稈結(jié)合溝灌（FGJ）有利于實現(xiàn)這一目標(biāo)，既能實現(xiàn)秸稈資源化利用，又顯著增產(chǎn)9.3%，水分利用效率提高51.9%。

4 結(jié)論

1）與常規(guī)壟覆膜溝灌FM 處理相比，溝灌結(jié)合溝覆秸稈（FGJ）和壟溝覆秸稈FLGJ 處理提高壟上大于40 cm 深層土層根長密度128.1%和122.7%；在溝里30～40 cm 土層，F(xiàn)M 和FLJ 處理未發(fā)現(xiàn)根系，而FGJ和FLGJ處理的根長密度仍能達(dá)到0.18 cm/cm3。溝覆秸稈改善了夏玉米根系分布，提高深層根長密度。

2）壟和溝的深層根長密度與水分利用效率和產(chǎn)量的變化趨勢一致，溝覆秸稈FGJ 處理和壟溝覆秸稈FLGJ 處理顯著提高水分利用效率51.9%和54.3%，增產(chǎn)9.3%和9.0%（P<0.05），但FGJ 處理收獲指數(shù)較其他處理顯著增大（P<0.05），為0.48，效果較佳。

3）建議將溝覆秸稈作為河套灌區(qū)溝灌的耕作模式。