耕作模式对小麦根系形态生理特性和不同水分来源利用的调控机制

Evapotranspiration of wheat in irrigated land is the sum of three parts, namely, precipitation, irrigation, and soil water supply amount. How to efficiently use precipitation and soil storage water to achieve high and stable-yield and water-saving, which is an important subject to be solved in Huang-Huai plain with the shortage of irrigation water and nonuniform distribution of the precipitation. In irrigated wheat field, this project with high-yielding wheat cultivar studys the regulation mechanism of soil physical and water retnention properties by tillage practices; the effect and physiological basis of tillage practices on root morphological and physiological traits at key growth stages, root and leat senescence properties after flowing by the aids of enzymology and high performance liquid chromatography (HPLC); the relationship between root morphological physiological traits, senescence properties and yield formation; the physiological mechanism of precipitation, irrigation, and soil storage water distribution in different soil layers, the use of three water sources, and increasing water-use efficiency by tillage practices using stable hydrogen and oxygen isotope technology; and explore regulation mechanism of soil physical properties, root morphological and physiological traits, and efficient use of precipitation and soil storage water by tillage practices, and it is of important theoretical significance and practical value for water-saving, increasing yield and water-use efficiency.

水浇地小麦耗水量由降水量、灌溉水量和土壤贮水消耗量三部分组成，在灌溉水短缺和降水时空分布不均的黄淮麦区，如何高效利用降水和土壤贮水达到小麦高产稳产节水是亟待解决的重要课题。本项目选用高产小麦品种，在水浇麦田研究耕作模式对麦田土壤物理性质和保水性能的调控机制；采用酶学和高效液相色谱分析方法研究耕作模式对主要生育时期小麦根系形态和生理特性、花后不同土层根系衰老特性和叶片衰老特性的调节效应及生理基础；研究不同土层根系形态生理特性及衰老特性与产量形成的关系；利用稳定氢氧同位素示踪技术探索耕作模式调控降水、灌溉水和土壤贮水在不同土层土壤的分布、小麦对三种水分来源的利用及提高水分利用效率的生理机制；揭示耕作模式对土壤物理结构、根系形态生理特性和降水、土壤贮水高效利用的调控机制，对节约水资源、提高产量和水分利用效率具有重要的理论意义和实践价值。

本项目在定位试验基础上（始于2007年），选用翻耕（P）、旋耕（R）、条旋耕（SR）和间隔两年深松+条旋耕（SRS）四种耕作模式，研究不同耕作模式对土壤理化特性、小麦根系形态结构与生理特性、水分的不同来源与吸收利用以及高产高水分利用效率的调控机制。结果表明，间隔两年深松+条旋耕处理（SRS）能有效打破犁底层，降低0-45cm土层的土壤容重和紧实度，提高该土层的孔隙度和土壤团粒结构体的数量，同时也提高了该土层微生物碳、氮及活跃微生物的含量，从而增加了土壤有机质、全氮、碱解氮和速效磷等土壤养分的含量，改善了耕层的土壤质量。土壤质量的改善有利于提高30-45 cm土层根系的生长量和活力，增加该土层根系的活跃吸收面积，提高根系SOD活性、降低MDA含量，促进小麦根系的生长发育及衰老进程的减缓。此外，间隔两年深松+条旋耕处理还增加了播种前80-160cm土层土壤含水量，降低了成熟期该土层的含水量，从而提高了土壤贮水消耗量及其占总耗水量的比例，有利于小麦对深层土壤水的吸收利用。因此，间隔两年深松+条旋耕处理显著提高了开花后21～35 d 的旗叶净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，增加了灌浆期平均冠层光合有效辐射截获率、干物质积累量及开花后干物质向籽粒的分配量和对籽粒的贡献率，最终获得最高的籽粒产量、水分利用效率和经济效益。总之，间隔两年深松+条旋耕的耕作模式显著的改善了耕层的土壤质量，提高了土壤肥力，有利于30-45 cm土层根系的生长发育及衰老进程的延缓，显著增加了土壤贮水消耗量及其占总耗水量的比例，促进小麦对深层土壤水的吸收利用，最终获得了最高的籽粒产量和水分利用效率，是水浇麦田实现土壤质量持续提升、获得高产高水分利用效率的最佳耕作模式，适宜在黄淮海麦区小麦生产中推广应用。