旱作春玉米生长动态及根系时空分布对不同水分管理模式的响应

【摘要】水资源短缺是黄土高原旱作农业生产的主要制约因素，利用有限水资源增加作物产量，对该区域农业可持续发展具有重要意义。基于前人已有研究进展，我们提出以下假设：（1）旱作春玉米根系时空分布与农田水分管理措施密切相关，而地上部生长会对根系改变发生响应；（2）最优的农田水分管理模式通过使水分、养分及根系空间耦合而实现作物高产及水分养分高效。本研究通过连续两年大田试验，利用根系三维采集、扫描技术研究了五种水分管理模式（拔节期补灌、拔节期和灌浆期补灌、无覆盖雨养、地膜覆盖、秸秆覆盖）对旱作春玉米根系时空分布及生长动态的影响，以证明上述假设的正确与否。通过研究获得以下主要结果：（1）PEG可作为渗透剂调节作物生长，但其本身含有钠、磷杂质，且在生长过程中会被植物根系吸收，从而影响植物正常生长，故选择PEG作为渗透调节剂模拟干旱逆境体系存在一定弊端。因此在农田实际环境下开展干旱逆境研究才更符合春玉米自然生长规律。（2）根长密度在春玉米生育期内呈现先增加后减小的趋势，对一次补灌、秸秆覆盖和无覆盖处理峰值出现于抽雄期，两次补灌和覆膜处理峰值出现于乳熟期，显然较好的水热条件有利于延缓根系衰老，根长密度峰值出现时间后延。随着生育进程推进，各处理根冠比均呈现下降趋势，收获时的根冠比最低，抽穗期间地膜覆盖处理较小的根冠比易造成倒伏减产。春玉米生育后期适时揭膜，可维持根系活性、改善光合产物分配、增加根冠比，从而减小倒伏率，因而有利于进一步提高产量。（3）不同水分管理模式春玉米农田土壤积温利用率表现为一次补灌＞秸秆＞覆膜＞二次补灌＞无覆盖，拔节期补灌可以协调土壤水热需求，促进积温利用率，水分与温度间存在耦合效应。苗期、抽穗期土壤温度与根系参数呈正相关，土壤温度升高可显著增加根系半径、体积及根长密度；拔节期、乳熟期、蜡熟期土壤温度与根系参数呈负相关，但均未达到显著水平。以上结果表明促进根系生长的主要措施是在苗期、抽穗期增加土壤温度。（4）拔节期补灌处理，具有较高的产量和籽粒水分利用效率，是旱地春玉米有限水分补充灌溉的良好模式。拔节期补灌显著促进干物质对籽粒的贡献率，而灌浆期补灌降低了干物质对籽粒的贡献率，地膜覆盖会显著促进籽粒干物质同化贡献率。营养生长期根半径与春玉米冠层生长速率呈正相关，生殖生长阶段呈负相关。（5）植株不同部位氮转运率以叶片最大，秸秆覆盖和一次补灌可以提高叶片氮素向籽粒转运的生产潜力。氮素籽粒生产效率在不同水分管理模式中表现为一次补灌＞无覆盖＞地膜覆盖＞秸秆覆盖＞二次补灌，一次补灌可以形成较高的籽粒产量；但氮收获指数规律表现为地膜覆盖＞秸秆覆盖＞一次补灌＞二次补灌＞无覆盖，虽然地膜覆盖单位氮素形成的籽粒产量并不高，但单位氮素形成的籽粒氮含量最高。可见，如果考虑高产及高效，一次补灌及覆膜则是值得推荐的水分管理模式。（6）与不覆盖相比，夏季休闲期地膜覆盖可通过增加矿化，提高作物对矿质氮的吸收利用而减少硝态氮淋溶，有效提高下季春玉米出苗期表层养分；旱作农田生育期内氮损失在不同水分模式间表现为无覆盖＞一次补灌＞地膜覆盖＞秸秆覆盖＞二次补灌。（7）2年大田试验结果表明，不同水分管理模式春玉米产量为一次补灌＞覆膜＞二次补灌＞秸秆覆盖＞无覆盖，一次补灌与覆膜显著大于其余处理。地膜覆盖通过改善耕层水分及根系表聚，可实现水分、养分及根系的空间耦合，有利于提高作物产量及水分利用效率，是目前最优的旱作农田水分管理模式。（8）生长指标雷达图评价表明，黄土旱塬拔节期补充灌溉及地膜覆盖仍然是保证玉米高产的较好栽培模式，如果从节约水资源、提高籽粒氮含量考虑，应选择地膜覆盖；从高产考虑，应选择拔节期补灌模式；从减小农田氮损失，应选择拔节和灌浆两次补灌水分管理模式。根系与产量相关系数雷达图表明，拔节期、乳熟期根系与产量密切相关。旱作农田春玉米不同水分管理模式对根系的调控应以这两个时期为主。综上所述，旱作作物根系时空分布与农田水分管理密切相关，而地上部生长会对根系改变发生响应。除补充灌溉外，地膜覆盖是最优的农田水分管理模式，该模式通过使水分、养分及根系空间耦合而实现作物高产及水分养分高效，该结论基本证明了我们提出的相关假设。
【作者】李紫燕；
【导师】李世清；
【作者基本信息】西北农林科技大学，植物营养学，2014，博士
【关键词】旱地玉米；水分管理模式；干物质积累；根系；

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