耕層土壤虛實結(jié)構(gòu)優(yōu)化春玉米根系形態(tài)提高水分利用效率

白 偉，孫占祥※，張立禎，鄭家明，馮良山，蔡 倩， 向午燕，馮 晨，張 哲

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，沈陽 110161；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

0 引 言1

春玉米一年一熟制是東北地區(qū)最典型的種植模式之一，其播種面積占全國玉米總播種面積30%以上，產(chǎn)量占全國玉米總產(chǎn)量29%以上[1]，遼寧省是東北地區(qū)重要的玉米產(chǎn)區(qū)，主要分布在遼西北地區(qū)，種植面積占糧食播種面積的70%，產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)的72%，對保障區(qū)域糧食安全具有重要意義[2]。該區(qū)域長期以連年淺旋耕為主的土壤耕作制度，導(dǎo)致耕層“淺”、“實”、“少”問題日益凸顯，加上全球氣候變暖導(dǎo)致東北地區(qū)“暖干化”，直接造成了該區(qū)域水分利用效率不高，春玉米產(chǎn)量低而不穩(wěn)[3-4]。合理耕層構(gòu)造是提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的有效技術(shù)途徑之一[5-9]，其機(jī)理主要是耕層構(gòu)造能夠增加耕層厚度、打破犁底層、調(diào)節(jié)土壤三相比等土壤物理性狀[10-12]，同時能夠改善作物地上部生長發(fā)育和根系形態(tài)生理[13-16]。因此，確立遼西北地區(qū)合理耕層構(gòu)造、建立合理土壤耕作制度對提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率具有重要的現(xiàn)實意義。

作物根系是與土壤環(huán)境聯(lián)系最直接、最緊密的器官，直接影響著作物產(chǎn)量和水分利用效率[2,17]。眾多研究表明，耕層構(gòu)造能夠擴(kuò)大土壤庫容，增強(qiáng)土壤蓄水能力，改變土壤水分空間分布，提高降水利用率和作物水分利用效率[18-21]；同時可以影響作物根長、根表面積、根體積、根干重等根系形態(tài)指標(biāo)[22-23]。耕層構(gòu)造提高作物產(chǎn)量與根系形態(tài)指標(biāo)有直接關(guān)系，因為茂盛根系可以增加對土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用，對后期根系生長有著積極作用，為作物增產(chǎn)創(chuàng)造良好條件[24-25]。不同耕層構(gòu)造直接導(dǎo)致土壤環(huán)境發(fā)生變化，而根系在耕層結(jié)構(gòu)改變后首先會產(chǎn)生形態(tài)上適應(yīng)性變化，然而關(guān)于遼西褐土區(qū)耕層構(gòu)造對春玉米水分利用效率和根系形態(tài)發(fā)育的影響還鮮有報道。因此，本研究基于國家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新科學(xué)觀測實驗站耕層構(gòu)造定位試驗，在利用2011 和2012年試驗數(shù)據(jù)明確虛實并存耕層比上虛下實耕層平均增產(chǎn) 16.39%、降水利用效率提高16.59%、作物水分利用效率提高18.43%的基礎(chǔ)上[2]，綜合考慮不同年份降雨量、耕層構(gòu)造后效性等因素，進(jìn)一步探討耕層構(gòu)造對春玉米水分利用效率和根系形態(tài)的影響，從根系形態(tài)角度探討虛實并存耕層構(gòu)造提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的機(jī)理，以期為東北春玉米區(qū)建立科學(xué)的土壤耕作制度和提高春玉米水分利用效率提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

遼寧省西北部屬溫帶季風(fēng)大陸性氣候區(qū)，四季分明，日照充足，雨熱同季。多年平均氣溫7～8 ℃，5—9月份日照時數(shù)為1 200～1 300 h，10 ℃以上積溫為2 900～3 400 ℃，無霜期為135～165 d，多年平均降水量為300～500 mm，且年內(nèi)變化較大，旱災(zāi)頻繁，“十年九旱”是其基本氣候特征。耕作制度主要以春玉米一年一熟連作為主，土壤耕作制度為連年淺旋耕（耕深12～15 cm），耕層構(gòu)造為上虛下實。

1.2 試驗地點

試驗于2015年4-10月和2016年4—10月在國家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新科學(xué)觀測實驗站（遼西旱作農(nóng)業(yè)典型類型區(qū)，位于遼寧省阜新市阜新蒙古族自治縣阜新鎮(zhèn)沙扎蘭村，42°06′N、121°75′E）進(jìn)行，耕層構(gòu)造試驗為實驗站長期定位試驗，始于2009年，種植制度為春玉米一年連作，每年試驗處理相同。本研究選取2015和2016年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗土壤類型為褐土，耕作層的基本土壤理化性狀為有機(jī)質(zhì)1.746 g/kg、全氮0.377 g/kg、全磷0.172 g/kg、全鉀2.413 g/kg、速效氮194.85 mg/kg、速效磷50.38 mg/kg、速效鉀113.78 mg/kg，pH值6.21，田間持水量26.90%，容重1.37 g/cm3，地勢平坦，無灌溉條件。2015年生育期內(nèi)降雨量為276.80 mm，平均溫度為19.83 ℃；2016年生育期內(nèi)降雨量為520.80 mm，平均溫度為20.02 ℃，具體逐日降雨量、平均溫度如圖1所示。

圖1 不同年份試驗地作物生育期內(nèi)逐日降雨量和平均溫度 Fig.1 Daily rainfall and mean temperature duration in crop growth period of experiment station in different year

1.3 試驗設(shè)計

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置上虛下實耕層、全虛耕層、虛實并存耕層和全實耕層4 種耕層構(gòu)造，3 次重復(fù)。每個小區(qū)面積20 m×6 m（12 壟），試驗區(qū)總面積1 440 m2。2015年5 月3 日播種、9 月30 日收獲；2016 年5 月5 日播種，9月29 號收獲。供試品種為鄭單958，種植密度為60 000 株/hm2，南北壟向（行距50 cm，株距33 cm）。肥料用量為播種時施入磷酸二銨（含N 18%，P2O546%）150 kg/hm2和三元復(fù)合肥（含N、P2O5、K2O 各15%）150 kg/hm2作為種肥，拔節(jié)期追施尿素（含N 46%）450 kg/hm2，其他管理正常。

1.4 耕層構(gòu)造方式

1）上虛下實耕層（up loose and down compaction plough layer，ULDC）：每年春季采用傳統(tǒng)旋耕機(jī)進(jìn)行作業(yè)，深度12～15 cm，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)土壤耕作方式，作為本研究對照（CK）。

2）全虛耕層（all loose plough layer，AL）：從2009 年開始每隔1 a 采用V 型鏟深松機(jī)進(jìn)行作業(yè)，深度30～35 cm，再用傳統(tǒng)旋耕機(jī)旋耕和播種。

3）虛實并存耕層（furrow loose and ridge compaction plough layer，F(xiàn)LRC）：每年采用鑿式深松機(jī)進(jìn)行作業(yè)，深度25～30 cm，寬幅50 cm，再用傳統(tǒng)旋耕機(jī)旋耕和播種。

4）全實耕層（all compaction plough layer，AC）：每年采用免耕播種機(jī)直接播種。

1.5 測定指標(biāo)及方法

1.5.1 土壤理化性質(zhì)測定

2015 年播種前按常規(guī)方法[26]測定土壤基本理化性質(zhì)。

1.5.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

收獲期每個處理隨機(jī)取3 個10 m2樣區(qū)進(jìn)行測產(chǎn)，用水分儀測定籽粒水分含量，按14%含水量折合成公頃產(chǎn)量。每個樣區(qū)隨機(jī)取15 株，按常規(guī)方法測定穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿尖長、百粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成因素。

1.5.3 單株干物質(zhì)量

收獲期隨機(jī)連續(xù)選取植株5 株，稱質(zhì)量后在烘箱105 ℃殺青60 min，85 ℃烘至恒質(zhì)量稱干質(zhì)量，計算植株含水率，然后根據(jù)鮮質(zhì)量和5 株含水率的平均值計算單株干物質(zhì)量。

1.5.4 土壤蓄水量

采用烘干法[2]測定土壤含水量，分別于玉米播種期（2015 年5 月3 日，2016 年5 月5 日）和收獲期（2015年9 月30 日和2016 年9 月29 日）測定0～100 cm 土層土壤含水率，每10 cm 一個土層，3 次重復(fù)。

式中W 為土壤蓄水量，mm，h 為土層深度，cm，a 為土壤（0～100 cm）平均容重，1.45 g/cm3，b 為土壤質(zhì)量含水率，%。

1.5.5 降水利用效率

降水利用效率[2]：

式中PUE1為作物生育期降水利用效率，kg/(hm2·mm)；PUE2為全年降水利用效率，kg/(hm2·mm)；GY 為作物籽粒（經(jīng)濟(jì)）產(chǎn)量，kg/hm2；R1為作物生育期降雨量，mm；R2為全年降水量，mm。降雨量由雨量器測定。

1.5.6 水分利用效率

作物耗水量[2]：

式中ET 為作物耗水量，mm；U 為地下水補(bǔ)給量，mm；R 為徑流量，mm；F 為土壤水分滲漏量，mm；ΔW 為播種前至收獲后土壤蓄水量的變化（0～100 cm），mm；試驗區(qū)地勢平坦，故地表徑流和土壤水分滲漏量可以忽略不計；地下水多在幾十米以下，地下水的補(bǔ)充也可以忽略不計；據(jù)此，式（4）可簡化為

水分利用利率[2]：

式中WUEgy為籽粒產(chǎn)量水分利用效率，kg/(hm2·mm)；WUEby為生物產(chǎn)量水分利用效率，kg/(hm2·mm)；GY 為作物籽粒（經(jīng)濟(jì)）產(chǎn)量，kg/hm2，BY 為作物生物產(chǎn)量，kg/hm2。

1.5.7 根系形態(tài)

春玉米灌漿期（2015 年9 月14 日、2016 年9 月12日）采用直徑為10 cm、高為10 cm，體積為785 cm3的柴油動力根鉆取樣，取樣位置為縱向2 株玉米中間，所有根系取出放于自封袋中，沖洗干凈后用WinRHIZO Program（Canada）植物根系分析系統(tǒng)分析根長密度、根表面積密度和根體積密度，最后將各樣品裝入紙袋風(fēng)干，測定根干質(zhì)重（精確到0.001 g）。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析方法

用Excel 進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)整理分析并作圖，用SPSS24.0軟件作相關(guān)的統(tǒng)計分析，采用Duncan 法多重比較，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕層構(gòu)造對春玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

產(chǎn)量方差分析表明（表1），耕層構(gòu)造對春玉米產(chǎn)量影響顯著（P＜0.05），2015 年FLRC、AC 與CK 差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為FLRC＞AC＞CK，F(xiàn)LRC 和AC分別比CK 增加34.86%、33.64%；2016 年表現(xiàn)略有不同，F(xiàn)LRC、AL 與AC、CK 差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為FLRC＞AL＞AC＞CK，F(xiàn)LRC 和AL 分別比CK 增加29.81%、18.19%。年際間差異顯著（P＜0.05）。說明干旱年份（2015年）虛實并存耕層構(gòu)造和全實耕層構(gòu)造能夠增加春玉米產(chǎn)量，豐水年份（2016 年）虛實并存耕層和全實耕層構(gòu)造能夠增加春玉米產(chǎn)量，產(chǎn)量增幅18.19%～34.86%。

產(chǎn)量構(gòu)成因素方面，2015 年成穗數(shù)和百粒質(zhì)量差異不顯著（P＞0.05），穗行數(shù)AC 與CK 差異顯著（P＜0.05），AC 比CK 增加13.23%，行粒數(shù)FLRC、AL、AC 與CK差異顯著（P＜0.05），AC、FLRC、AL 分別比CK 增加33.05%、26.30%、18.98%，禿尖長AC 與FLRC、CK 差異顯著（P＜0.05），AC 比FLRC、CK 分別高150%、88.68%；2016 年成穗數(shù)、穗行數(shù)、禿尖長和百粒重差異不顯著，行粒數(shù)AL 與CK 差異顯著（P＜0.05），AL 比CK增加13.17%。相關(guān)分析表明，產(chǎn)量與行粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)（r = 0.954），由此表明，耕層構(gòu)造提高春玉米產(chǎn)量在產(chǎn)量構(gòu)成因素方面的主要原因是行粒數(shù)顯著提高。

表1 耕層構(gòu)造對玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響 Table 1 Effect of plough layer constructions on maize yield and yield components

2.2 耕層構(gòu)造對春玉米單株干物質(zhì)量的影響

單株干物質(zhì)量方差分析表明（圖2），耕層構(gòu)造對春玉米單株干物質(zhì)量影響顯著（P＜0.05），2015 年6 月18日，AL、FLRC 春玉米單株干物質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC 分別比CK 高11.14%、10.71%，CK與AC 差異顯著（P＜0.05），AC 比CK 低10.24%；7 月17 日，F(xiàn)LRC 春玉米單株干物質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC 比CK 高10.39%，CK 與AC 差異顯著（P＜0.05），AC 比CK 低7.48%；8 月20 日，F(xiàn)LRC 春玉米單株干物質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC 比CK高4.10%；9 月20 日，F(xiàn)LRC、AL 春玉米單株干物質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC 分別比CK 高10.82%、5.53%，CK 與AC 差異顯著（P＜0.05），AC 比CK 低5.86%；9 月28 日，F(xiàn)LRC、AL 春玉米單株干物質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AL 分別比CK 高11.30%、6.04%。2016 年表現(xiàn)不同，6 月14 日，F(xiàn)LRC 春玉米單株干物質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AL 分別比CK 高21.45%、17.11%；7 月15 日，F(xiàn)LRC 春玉米單株干物質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC 比CK 高10.22%，CK 與AC 差異顯著（P＜0.05），AC 比CK 低7.36%；8 月21 日，F(xiàn)LRC 春玉米單株干物質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC 比CK 高8.01%，CK 與AC 差異顯著（P＜0.05），AC 比CK 低3.12%；9 月12日，F(xiàn)LRC 春玉米單株干物質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC 比CK 高6.29%；9 月27 日，F(xiàn)LRC 春玉米單株干物質(zhì)量與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC 比CK高11.30%、5.18%，生物產(chǎn)量的增幅范圍小于產(chǎn)量的增幅范圍，主要是由于收獲指數(shù)的提高，2015 年CK、FLRC、AL 和AC 收獲指數(shù)分別為0.34、0.41、0.38 和0.45；2016年分別為0.45、0.56、0.53 和0.46。說明無論干旱年份還是豐水年份虛實并存耕層構(gòu)造均能提高春玉米單株干物質(zhì)量。

圖2 2015—2016 年耕層構(gòu)造對春玉米單株干物質(zhì)量的影響 Fig.2 Effect of plough layer constructions on per plant maize biomass from 2015 to 2016

2.3 耕層構(gòu)造對春玉米水分利用效率的影響

2.3.1 降水利用效率

降水利用效率方差分析表明（圖3），2015 年FLRC、AC 春玉米生育期降水利用效率與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AC 分別比CK 高34.09%、33.64%；全年降水利用效率與生育期降水利用效率表現(xiàn)一致。2016 年FLRC、AL 春玉米生育期降水利用效率與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AL 分別比CK 高29.81%、18.19%；全年降水利用效率與生育期降水利用效率表現(xiàn)一致。說明干旱年份虛實并存和全實耕層構(gòu)造能夠提高春玉米降水利用效率，豐水年份虛實并存和全虛耕層構(gòu)造能夠提高春玉米降水利用效率，增幅18.19%～34.09%。

圖3 2015—2016 年耕層構(gòu)造對降水利用效率的影響 Fig.3 Effect of plough layer constructions on rainfall use efficiency from 2015 to 2016

2.3.2 耗水量及水分利用效率

耗水量及水分利用效率方差分析表明（表2），2015 年AC、FLRC 春玉米耗水量與CK 差異顯著（P＜0.05），AC、FLRC 分別比CK 高5.42%、5.38%；FLRC、AC、AL 春玉米生物產(chǎn)量水分利用效率與CK 差異不顯著（P＞0.05）；FLRC、AC 春玉米籽粒產(chǎn)量水分利用效率與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AC 分別比CK 高27.08%、26.02%。2016 年AC 春玉米耗水量與CK 差異顯著（P＜0.05），AC比CK 高1.20%；FLRC、AC 春玉米生物產(chǎn)量水分利用效率與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC 比CK 高6.17%，AC 比CK 低2.87%；FLRC、AL 春玉米籽粒產(chǎn)量水分利用效率與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AL 分別比CK 高31.11%、17.82%。說明干旱年份虛實并存和全實耕層構(gòu)造能夠提高春玉米籽粒產(chǎn)量水利用效率，豐水年份虛實并存和全虛耕層 構(gòu)造能夠提高春玉米籽粒產(chǎn)量水分利用效率。

表2 耕層構(gòu)造對玉米耗水量及水分利用效率的影響 Table 2 Effect of plough layer constructions on maize water consumption and water use efficiency

2.4 耕層構(gòu)造對春玉米根系形態(tài)的影響

2.4.1 根重密度

春玉米灌漿期是其生長的關(guān)鍵時期，選擇春玉米灌漿期分析根系形態(tài)指標(biāo)對客觀評價耕層構(gòu)造效應(yīng)具有重要意義。根重密度方差分析表明（圖4），2015 年0～10 cm 土層，AC、FLRC、AL 根重密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AC、FLRC、AL 分別比CK 高68.44%、26.02%、9.98%；10～20 cm 土層，F(xiàn)LRC、AC、AL 根重密度與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AC、AL 分別比CK 高135.35%、88.60%、55.21%；20～30 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL、AC 根重密度與CK差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AL 比CK 高137.63%、55.85%，AC 比CK 低30.68%；30～40 cm 土層，AL、FLRC、AC根重密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC 分別比CK 高68.82%、46.95%，AC 比CK 低28.73%；40～50 cm土層，F(xiàn)LRC、AL 根重密度與CK 差異不顯著（P＞0.05），AC 與CK 差異顯著（P＜0.05），AC 比CK 低26.31%；60～100 cm 土層，F(xiàn)LRC、AC、AL 根重密度與CK 差異顯著（P＜0.05）。2016 年根重密度表現(xiàn)不同，0～10 cm 土層，AL、AC、FLRC 根重密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、AC、FLRC 分別比CK 低27.18%、40.44%、43.31%；10～20 cm土層，F(xiàn)LRC、AL、AC 根重密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC比CK高121.61%、114.35%，AC比CK低21.58%；20～30 cm 土層，AL、FLRC 根重密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC 分別比CK 高163.71%、101.94%，AC比CK 低3.94%；30～40 cm 土層，AL 根重密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL 比CK 高175.26%；40～50 cm 土層根重密度與30～40cm 土層表現(xiàn)一致；50～60 cm 土層，AL、FLRC、AC 根重密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC、AC 分別比CK 高205.68%、57.46%、28.75%；70～100 cm土層，F(xiàn)LRC、AC、AL 根重密度與CK 差異顯著（P＜0.05）。說明無論干旱年份還是豐水年份虛實并存耕層和全虛耕層構(gòu)造能夠增加春玉米20～100 cm 土層根重密度。

圖4 2015—2016 年耕層構(gòu)造對春玉米根重密度的影響 Fig.4 Effect of plough layer constructions on maize root weight density from 2015 to 2016

2.4.2 根長密度

根長密度方差分析表明（圖5），2015 年0～10 cm 土層，AC、FLRC、AL 根長密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AC、FLRC 分別比CK 高19.85%、11.97%，AL 比CK 低16.63%；10～20 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL、AC 根長密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AC、FLRC、AL 分別比CK 高41.33%、36.84%、26.10%；20～30 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL、AC 根長密度與CK差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AL 分別比CK 高120.30%、53.69%，AC 比CK 低29.02%；30～40 cm 土層，AL、FLRC、AC 根長密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC 分別比CK 高66.85%、59.73%，AC 比CK 低27.56%；40～50 cm土層，AL、FLRC 根長密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL 與FLRC 分別比CK 高57.02%、46.04%；50～60 cm 土層、60～70 cm 土層與40～50 cm 土層根長密度表現(xiàn)一致；80～100 cm 土層，F(xiàn)LRC、AC、AL 根長密度與CK 差異顯著（P＜0.05）。2016 年根長密度表現(xiàn)不同，0～10 cm 土層，F(xiàn)LRC、AC、AL 根長密度與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AC、AL 分別比CK 低16.17%、29.76%、52.82%；10～20 cm土層，AL、FLRC、AC 根長密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC 分別比CK 高80.03%、39.26%，AC 比CK 低34.35%；20～30 cm 土層，AL、FLRC 根長密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC 分別比CK 高160.08%、87.23%；30～40 cm 土層，AL 根長密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL比CK高171.00%；40～50 cm土層，根長密度AL、FLRC、AC 與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC、AC 分別比CK 高188.90%、48.18%、34.73%；60～100 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL 根長密度與CK 差異顯著（P＜0.05）。說明無論干旱年份還是豐水年份虛實并存耕層和全虛耕層構(gòu)造能夠增加春玉米20～100 cm 土層根長密度。

圖5 耕層構(gòu)造對春玉米根長密度的影響 Fig.5 Effect of plough layer constructions on maize root length density

2.4.3 根表面積密度

根表面積密度方差分析表明（圖6），2015 年0～10 cm土層，AC、FLRC 根表面積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AC、FLRC 分別比CK 高51.88%、28.24%；10～20 cm 土層，AC、FLRC、AL 根表面積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AC、FLRC、AL 分別比CK 高142.08%、91.53%、49.48%；20～30 cm 土層，AL、FLRC、AC 根表面積密度與CK差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC分別比CK高67.54%、60.04%，AC 比CK 低22.01%；40～50 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL、AC 根表面積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AL 分別比CK 高113.25%、75.19%，AC 比CK 低11.38%；60～100 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL 根表面積密度與CK 差異顯著（P＜0.05）。2016 年根表面積密度表現(xiàn)不同，0～10 cm 土層，AC、FLRC、AL 根表面積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），但均低于CK；10～20 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL、AC根表面積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AL 分別比CK 高85.89%、13.56%，AC 比CK 低36.17%；20～30 cm土層、30～40 cm 土層與10～20 cm 土層根表面積密度表現(xiàn)一致；40～50 cm 土層，AL、FLRC、AC 根表面積面度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC、AC 分別比CK 高264.88%、74.56%、30.75%；60～70 cm 土層，AL、FLRC根表面積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC 分別比CK 高203.97%、60.96%；80～100 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL根表面積密度與CK 差異顯著（P＜0.05）。說明無論干旱年份還是豐水年份虛實并存耕層和全虛耕層構(gòu)造能夠增加春玉米20～100 cm 土層根表面積密度

圖6 耕層構(gòu)造對春玉米根表面積密度的影響 Fig.6 Effect of plough layer constructions on maize root surface area density

2.4.4 根體積密度

根體積密度方差分析表明（圖7），2015 年0～10 cm土層，AC、FLRC、AL 根體積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AC、FLRC、AL分別比CK高159.41%、120.53%、48.65%；10～20 cm 土層，F(xiàn)LRC、AC、AL 根體積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AC、AL 分別比CK 高116.57%、105.38%、57.79%；20～30 cm 土層，F(xiàn)LRC、AC、AL 根體積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AC 分別比CK 高111.35%、95.75%，AL 比CK低6.60%；40～50 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL 根體積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AL 分別比CK 高134.23%、133.08%；60～100 cm 土層，F(xiàn)LRC、AC、AL根體積密度與CK 差異顯著（P＜0.05）。2016 年根體積密度表現(xiàn)不同，0～10 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL、AC 根體積密度與CK 差異不顯著（P＞0.05）；10～20 cm 土層，AL、FLRC、AC 根體積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），AL、FLRC 分別比CK 高82.10%、60.26%，AC 比CK低21.19%；20～30 cm 土層，F(xiàn)LRC、AL 根體積密度與CK 差異顯著（P＜0.05），F(xiàn)LRC、AL 分別比CK 高152.21%、50.63%；30～40 cm 土層與20～30 cm 土層根體積密度表現(xiàn)一致；50～100 cm 土層，F(xiàn)LRC、AC、AL根體積密度與CK 差異顯著（P＜0.05）。說明無論干旱年份還是豐水年份虛實并存耕層和全虛耕層構(gòu)造能夠增加春玉米20～100 cm 土層根體積密度。

圖7 耕層構(gòu)造對春玉米根體積密度的影響 Fig.7 Effect of plough layer constructions on maize root volume density

2.5 耕層構(gòu)造各指標(biāo)相關(guān)性分析

各指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果表明（表3），生物產(chǎn)量與根重密度（r=-0.307）、根長密度（r=-0.301）呈負(fù)相關(guān)，與根表面積密度（r=0.336）、根體積密度（r=0.426）呈正相關(guān)。籽粒產(chǎn)量與根長密度（r=-0.884）呈顯著負(fù)相關(guān)，與根重密度（r=1.000）呈極顯著正相關(guān)，與根表面積密度（r= 0.876）、根體積密度（r=0.913）呈顯著正相關(guān)。生物產(chǎn)量水分利用效率與根重密度（r=0.930）呈極顯著正相關(guān)，與根長密度（r=0.755）、根表面積密度（r=0.928）、根體積密度（r=0.696）呈正相關(guān)。籽粒產(chǎn)量水分利用效率、生育期降水利用效率與生物產(chǎn)量水分利用效率表現(xiàn)一致。由此可知，虛實并存耕層提高春玉米產(chǎn)量的根系形態(tài)指標(biāo)主要是根重密度、根表面積密度和根體積密度；提高春玉米生物產(chǎn)量水分利用效率、籽粒產(chǎn)量水分利用效率、生育期降水利用效率的根系形態(tài)指標(biāo)主要是根重密度。

表3 各指標(biāo)相關(guān)性分析 Table 3 Correlation analysis of each index

3 討 論

3.1 耕層構(gòu)造與作物產(chǎn)量

多數(shù)研究表明虛實并存耕層能夠促進(jìn)作物生長發(fā)育提高作物產(chǎn)量，羅俊等[27]研究表明，虛實并存耕層構(gòu)造能有效增加作物有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成因素，增加籽粒產(chǎn)量；張銀平等[28]研究表明，虛實并存耕層比全虛耕層小麥增產(chǎn)30.8%，玉米增產(chǎn)28.4%，比全實耕層小麥增產(chǎn)22.5%、玉米增產(chǎn)20.9%。本研究結(jié)果表明，不同耕層構(gòu)造方式對春玉米籽粒產(chǎn)量和單株干物質(zhì)影響顯著（P＜0.05），虛實并存耕層和全實耕層構(gòu)造能夠增加春玉米產(chǎn)量，產(chǎn)量增幅18.19%～34.86%，主要原因是行粒數(shù)的顯著提高；虛實并存耕層構(gòu)造能提高春玉米單株干物質(zhì)產(chǎn)量，增幅5.18%～11.30%。結(jié)果與前人研究結(jié)果在增產(chǎn)幅度略有不同，其原因是不同區(qū)域降雨量和降雨時間分布直接影響了耕層構(gòu)造方式對作物籽粒產(chǎn)量和生長發(fā)育的貢獻(xiàn)程度，導(dǎo)致了研究結(jié)論不同。

3.2 耕層構(gòu)造與水分利用效率

多數(shù)研究認(rèn)為不同耕層構(gòu)造能夠增加土壤入滲能力，擴(kuò)大土壤水庫，提高降水利用效率和作物水分利用效率。王浩等[29]研究表明，虛實并存耕層和全虛耕層比上虛下實耕層全生育期土壤蓄水量分別提高13.41 和15.70 mm，水分利用效率提高0.83～2.21kg/(hm2·mm)，劉丹等[30]研究表明，全實耕層+虛實并存耕層比上虛下實耕層水分利用效率顯著提高27.5%。本研究結(jié)果表明，干旱年份虛實并存和全實耕層構(gòu)造能夠提高春玉米降水利用效率，豐水年份虛實并存和全虛耕層構(gòu)造能夠提高春玉米降水利用效率，增幅18.19%～34.09%。耕層構(gòu)造對春玉米耗水量、生物產(chǎn)量水分利用效率和籽粒產(chǎn)量利用效率影響顯著（P＜0.05），干旱年份虛實并存和全實耕層構(gòu)造能夠提高玉米耗水量、生物產(chǎn)量水分利用效率和春玉米籽粒產(chǎn)量水利用效率，豐水年份虛實并存和全虛耕層構(gòu)造能夠提高玉米耗水量、生物產(chǎn)量水分利用效率和春玉米籽粒產(chǎn)量水利用效率，增幅分別為1.20%～5.42%、2.74%～6.23%、18.23%～31.49%。研究結(jié)果與前人研究結(jié)果略有不同，其原因一是由于區(qū)域生態(tài)環(huán)境不同，二是耕層構(gòu)造設(shè)置不同，特別是耕層構(gòu)造方式、時間、深度、周期等，導(dǎo)致了研究結(jié)論差異。

3.3 耕層構(gòu)造與作物根系

耕層結(jié)構(gòu)改變將直接影響作物根系形態(tài)指標(biāo)變化，且不同作物影響不同，多數(shù)研究認(rèn)為耕層構(gòu)造可以影響作物根系形態(tài)指標(biāo)。高飛等[31]研究表明，虛實并存耕層比上虛下實耕層作物根干重、根長、根表面積、根體積分別提高59.1%、22.8%、41.1%、59.2%；趙亞麗等[16]研究表明，虛實并存耕層構(gòu)造比上虛下實耕層構(gòu)造作物根長、根系表面積、根系體積分別增加67.0%、45.3%和23.1%。本研究結(jié)果表明，干旱年份全實耕層和虛實并存耕層構(gòu)造能夠增加春玉米灌漿期根重密度、根長密度、根表面積密度和根體積密度。相關(guān)分析表明，虛實并存耕層提高春玉米產(chǎn)量的根系形態(tài)指標(biāo)主要是根重密度、根表面積密度和根體積密度；提高春玉米生物產(chǎn)量水分利用效率、籽粒產(chǎn)量水分利用效率、生育期降水利用效率的根系形態(tài)指標(biāo)主要是根重密度。研究結(jié)果與前人研究略有不同，主要是由于不同作物品種、取樣時間、生態(tài)環(huán)境、耕層構(gòu)造設(shè)置等因素的不同所致。

4 結(jié) 論

1）虛實并存耕層可以顯著增加春玉米籽粒產(chǎn)量，增幅18.19%～34.86%，主要原因是行粒數(shù)的顯著提高，提高單株干物質(zhì)產(chǎn)量，增幅5.18%～11.30%。

2）虛實并存耕層能夠顯著提高春玉米耗水量、生物產(chǎn)量水分利用效率和籽粒產(chǎn)量利用效率（P＜0.05），增幅分別為1.20%～5.42%、2.74%～6.23%、18.23%～31.49%，干旱年份以虛實并存和全實耕層構(gòu)造為宜，豐水年份以虛實并存和全虛耕層構(gòu)造為宜。

3）虛實并存耕層構(gòu)造能夠增加春玉米灌漿期根重密度、根長密度、根表面積密度和根體積密度（P＜0.05）；虛實并存耕層提高春玉米產(chǎn)量的根系形態(tài)指標(biāo)主要是根重密度、根表面積密度和根體積密度；提高春玉米生物產(chǎn)量水分利用效率、籽粒產(chǎn)量水分利用效率、生育期降水利用效率的根系形態(tài)指標(biāo)主要是根重密度。

4）相對于傳統(tǒng)耕作構(gòu)建的上虛下實耕層構(gòu)造，虛實并存耕層構(gòu)造無論是在干旱年還是在豐水年均能提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，優(yōu)化根系形態(tài)，是遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)比較理想的高產(chǎn)耕層構(gòu)造方式。