黄土高原旱地冬小麦根水倒流发生机理及调控研究

It is an important issue for the current domestic and foreign dryland research that whether the root hydraulic lift could be a significant survival strategy for dryland crops, addressing soil drought and spatially unbalanced for water, “a drier, upper layer and a wetter, lower layer” and fertilizer, “a richer, upper layer and a less, lower layer”. Nowadays, the study on root hydraulic lift was mainly focused on determining roots release water of different species. An underground soil culture column experiment and isolated hydroponic column experiment (using two winter wheat genotypes with high and low water use efficiency as indicators) were carried out inside and outside the room. Through rigorous design, the possible 2H element in roots exudates was eliminated, and rising soil capillary water, gaseous diffusion water and transporting root water were accurately distinguished before the experiment. The design aim was to further investigate the role of winter wheat hydraulic lift and root release water potential at different growth stages, to clear the relationship among hydraulic lift, water potential difference between upper-and under-layer and water use efficiency of winter wheat, and to clarify the effect and regulation mechanism of nutrient supply in drought layer on hydraulic lift of dryland winter wheat with different water use efficiency genotypes. These studies were helpful to further explore the moisture use of dryland crops on moist layer in soil profile, and to maintain root activity mechanism in arid layer. The study would provide a theoretical basis for dryland fertilizer in north China and improve crop cultivation measures.

根水倒流作用是否为旱地作物应对土壤局部干旱及“上干下湿、上肥下瘦”水肥空间错位的一种重要生存策略，是当前国内、外旱农研究的重要课题。目前，关于根水倒流作用的研究主要集中在不同种类植物根系释水量的测定方面。本研究拟采用地下内外室土培柱及隔离式水培柱，以黄土高原旱地高、低2种水分效率冬小麦基因型为指示作物，以同位素氘标记为主要方法，通过严密设计，在排除可能已参与到根系分泌物中氘，以及准确区分土壤毛管上升水、扩散气态水及根系向外传输水的条件下，进一步研究旱地冬小麦不同生育期根水倒流作用规律及根系释水量大小；明确根水倒流作用与上下层土壤水势梯度及冬小麦水分效率间的关系，阐明干旱层养分供应对旱地不同水分效率冬小麦基因型根水倒流发生机理及调控机制。通过以上研究，进一步探索旱地作物利用土壤剖面湿润层水分，维持干旱层根系活性的机制。本研究对北方旱地施肥、作物栽培措施的改善具有重要意义。

以旱地农业为主体的西北黄土高原，其土层深厚，土壤蓄水能力较强。对于该区来说，虽然深层水多可以使养分活化，但是深层养分总量有限， 有效养分数量则更少。大多数土壤养分，主要分布于耕层土壤，施肥也多集中在耕层以内。另一方面，由于该区表层或亚表层土壤常因强烈的蒸发作用，将首先失水干旱，导致其耕层养分有效性降低。那么，作物通过什么途径既可保证利用较深土层水分，又可利用干燥的耕层养分？根水倒流可能是其重要的途径之一。本项研究通过严密的试验设计和实验方法，研究探讨上下层恒定水势差对旱地作物根水倒流作用的影响，确定黄土高原冬小麦根水倒流量的大小以及对产量的贡献；旨在探索黄土高原旱地冬小麦根水倒流发生机理。研究结果可为旱地农业施肥耕作措施的改善提供理论依据。.通过四年三季冬小麦试验，取得了以下重要进展：（1）在试验过程中，调试完善了两个研究根系水分传输的装置；（2）通过土培试验，我们在B室土壤湿润，A室土壤相对干燥时，分别在A1和A2室检测到了氘元素的存在，而且，检测结果的出现具有一定的规律性。可以确定，冬小麦根系在土壤环境中，水分条件发生变化，有可能出现根水倒流现象；3）在黄土高原土层较为深厚的旱区，当冬小麦返青后，进入拔节期时，其大部分根系分布在0-60cm土层，该土层分布的根系可占总根量的90%以上，个别初生根系入土较深，可达到200cm左右；（4）在上层0-30cm土壤干旱（控制相对含水量分别为低于8%、8%＜相对含水量＜10%、10%＜相对含水量＜12%和12%＜相对含水量＜14%），经过一夜，冬小麦根系周围土壤湿润较为明显，水分增加量也越大。因此，可以推断，冬小麦根水倒流根系释水量随土壤水势不同而有不同；（5）通过同位素氘水标记，氘丰度检测，我们发现：在冬小麦返青期后， 0-30cm土层土壤含水量在9%左右时，根系可从50cm左右土层吸水，在20cm处释水，从凌晨0:00开始，至早上8:00，平均释水量0.2g-0.3g/株。由于盆栽试验盆体较小，同时受微量毛管水影响，实际释水量可能小于0.2g/株。