基于水分高效利用的砂姜黑土冬小麦根群构建与调控机制研究

Soil moisture content is one of the necessary growth factors to sustain the normal growth of crop roots. Special soil structure and physiochemical characteristics, different soil water transportation, and different water absorption and consumption in lime concretion black soil inhibit the growth of wheat roots, resulting in variable and low grain yields of winter wheat in this type of soil. In this study, rotary tillage (RT), deep plowing (DP), and irrigation (no irrigation in the whole growth period, W0; one irrigation at jointing period, W1; two irrigations at jointing and flowering periods, W2) are designed in the located field experiments on lime concretion black soil. Differences in water contents, soil infiltration and evapotranspiration among different sowing patterns and irrigation treatments are compared by combining in situ soil column simulation with root-cutting after anthesis, and root distributing pattern and physiological activities are also measured. Moreover, effects of root systems in different soil layers on water absorption and grain yields are further analyzed, morphological, physiological characteristics of wheat roots are quantitatively measured, and the responses of root systems on soil sowing layers are also explored. Based on the above experiments, morphological, physiological characteristics of high-yield wheat roots with highly efficient water utilization will be elucidated in lime concretion black soil to provide the theoretical basis for suitable regulation of root system, and scientific patterns of tillage and irrigation in lime concretion black soil.

土壤水分是作物根系正常生长的必要条件之一。由于砂姜黑土特殊的结构和理化特性，尤其土壤水分运移与小麦根系生长、水分吸收消耗错位，影响小麦根系构型分布与生理活性，导致砂姜黑土区小麦低而不稳。本研究在砂姜黑土区设置耕作（旋耕，RT；深耕，DP）和灌溉（全生育期不灌溉，W0；拔节期灌1水，W1；拔节期+开花期灌2水，W2）大田定位试验的基础上，套布田间原位土柱试验并结合花后不同土层断根处理，系统研究砂姜黑土不同耕作方式和灌水处理麦田土壤剖面含水量、土壤水分入渗量和蒸发蒸腾量的差异，根系构型分布与生理活性的变化，以及花后不同土层根系对水分吸收和产量形成的影响，定量表征砂姜黑土冬小麦根系形态生理与土壤水分吸收利用之间的关系及其对耕层调控的响应，以期探明砂姜黑土水分高效利用的冬小麦根系形态生理特征，为砂姜黑土冬小麦适宜根群构建以及科学耕作与灌溉制度的制定提供理论依据。

本项目针对砂姜黑土不良属性和该区域小麦生产“浅旋耕不耙实，灌溉不合理，水分利用效率不高”等生产问题，通过改变耕作方式与优化灌水模式，重点研究耕作方式与灌水模式的主效应及其互作效应对冬小麦根系时空分布、水分利用和产量的影响。重要研究结果为：（1）耕作方式与灌水模式对砂姜黑土冬小麦根群时空分布、水分利用效率及籽粒产量均具有明显的调控效应，且受耕作方式的调控效应大于灌水模式。（2）深松（SS）处理的根系总干重（TDRW）、总根长（TRL）、根系总表面积（TRSA）、根系总体积（TRV）生长特征参数大于旋耕（RT）处理，且生长高峰推迟至开花期出现，RT处理较早出现在抽穗期；不同灌水模式间相比，拔节期灌1水（W1）处理各土层DRWD、RLD、RSA、RV均高于生育期不灌水（W0）和拔节开花灌2水（W2）；SSW1处理组合有利于构建高产高效的根群构型，其特征是上层土壤根系分布适中，而中下层土壤的根系生长与分布数量相对较多。（3）SS较RT处理可显著增加土壤贮水消耗，有利于提高自然降水和灌溉水的利用效率，与RT相比，两年度SS处理的土壤平均贮水消耗量、降水、灌水利用效率分别提高11.96%、5.40%、5.08%和15.42%、8.65%、7.93%；增加灌溉虽可明显增加冬小麦田间耗水量，但过多灌溉致使水分利用效率降低，两年度W2较W1、W0的水分利用效率平均值分别下降18.85%、16.69%。（4）SS处理的籽粒产量显著高于RT处理，且以深松+拔节期灌1水处理组合SSW1的产量最高。耕作方式主要通过调控千粒重影响产量，灌水次数则主要通过调控穗粒数和千粒重而影响产量，但灌水过多会抑制穗粒数和千粒重的提高。（5）冬小麦根系生长特征参数与水分利用效率、籽粒产量之间总体上均呈正相关关系。适宜的耕作方式与灌水模式处理组合（SSW1）能改善根系分布，增加中下层根系所占比例，有效增强对中下层土壤贮水的消耗，其产量水分利用效率、降水利用效率、土壤水利用效率、灌溉水利用效率和灌水效益均明显提高，可作为小麦高产和水分利用效率同步提高的重要技术途径。