冬小麦根冠结构与水分利用的生理生态机制

绿色革命背景发展起来的现代农业所依赖的高水肥投入在带来粮食增产的同时也造成农业产量持续与环境健康面临新的挑战，粮食增产与农业水资源短缺和水环境恶化加剧是制约华北平原地区农业生产的首要问题，尤其冬小麦的生产。提高作物本身生长和产量形成过程中对干旱缺水环境水分高效利用能力，是解决该问题的关键。冬小麦地下与根土水分环境相适宜的根系结构具有很大的水分利用空间有待挖掘，地上冠层结构光合同化与水分蒸腾过程也存在奢侈的水分消耗。以桶栽模拟实验和大田实验相结合为主要研究手段，该研究旨在剖析该地区不同时期冬小麦品种根冠结构与水分利用、干物质生产、产量形成过程的作用机制，通过对不同品种根冠结构的调控，揭示与不同水分环境相适宜的根冠结构特征、根冠结构提高作物水分效率的潜力，为适宜该地区环境条件冬小麦品种选育、节水技术与方法创新、农田水分过程模拟与评估提供理参数、技术、理论的支持。

面对日趋紧张的区域水资源短缺问题，提高作物本身内在生理生态过程的水分利用效率，是缓解和解决大田作物节水问题的根本所在。冬小麦田间耗水的生理生态过程和机制主要由遗传所决定的根系和冠层特性、结构与分布决定。随着品种的演变与更新，冬小麦产量水平提高的重要原因之一是遗传背景下根系和冠层结构的变化。随着株高矮化，单位空间叶面积增，抗倒伏能力增强，种植密度增加，单位面积生物量增加。叶片分布趋于紧凑，利于叶片光合产物向籽粒转移效率提高，增加了收获指数。冠层结构的变化趋势，使现在品种与过去品种产量和水分利用效率明显提高。冬小麦地下根系分布也发生了很大变化，总根量不变，但根系在土壤分布结构发生了变化。根系更趋向于向土壤深层分布，优化了作物根系对深层土壤储水的利用能力和效果，利于作物度过干旱期，一定程度缓解了水分胁迫造成的不利影响。冬小麦返青后形成成穗茎组成的有效群体，根系和冠层结构构建是关系到产量和水分利用效率的关键环节。上部2-3片叶构成的冠层上部结构，已经满足作物对光合有效辐射的利用最大化，决定了最终产量与水分利用效率。旗叶和倒二叶间在叶面积大小、形状和分布，存在着很强的自我调控能力，保持了更大光合有效辐射利用能力的发挥。保留顶部2-3叶，去除底部其他叶片，改善和提高了保留叶片光合作用活性，利于光合同化产物向籽粒转移。返青后与地上有效成穗群体快速分化相对应，根系开始进入快速生长期。对聚集于0-30cm表层大量根系进行切除，消除了无效成穗群体对水分和养分的无效消耗，优化了有效群体的根系分布。表层根系的切除促进了表层新根系的生长和根系向深层土壤的生长与分布，形成了利于对土壤水分充分利用的根系分布结构。表层根系去除提高了表层根系的活性，促进了高水分利用效率的根系分布结构形成。