滴灌水氮運(yùn)籌對南疆春小麥根系生長及產(chǎn)量的影響

孫 婷，張 迪，王冀川，張建芳，石元強(qiáng)，比拉力·艾力，朱 娟

(塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾843300)

作物根系生長質(zhì)量的好壞及分布特征直接影響作物生長、抗旱性及產(chǎn)量的形成［1］。水氮是影響作物根冠生長及生理功能的重要因素，滴灌麥田由于優(yōu)化了根區(qū)肥水供應(yīng)方式，改善了小麥根系特征與肥水利用效率之間的關(guān)系，增產(chǎn)節(jié)水效果明顯［2-3］，但關(guān)于水氮調(diào)控滴灌春小麥根系生長特性的研究較少［4］，滴灌春小麥水肥高效利用的機(jī)制尚不清楚，影響了科學(xué)合理水肥運(yùn)籌制度的制定。關(guān)于水氮對作物根系的影響研究，李秧秧等［5］認(rèn)為，適量施氮(尿素600 kg·hm-2)能增加總根質(zhì)量和深層土壤中的根質(zhì)量，提高小麥的抗旱性;過量施氮(尿素1 500 kg·hm-2)增加上層根量，對抗旱性的意義并不大。嚴(yán)重水分脅迫時(shí)，過量施氮會(huì)導(dǎo)致根細(xì)胞膜傷害率明顯增加，根-水分關(guān)系惡化，根系保水能力下降，使小麥抗旱性降低。張國盛等［6］認(rèn)為，輕度水分脅迫下，施氮能增加小麥的根系干質(zhì)量、長度、活力和活躍吸收面積，但在嚴(yán)重水分脅迫條件下，施氮可導(dǎo)致根體積和根干質(zhì)量嚴(yán)重下降，這說明氮營養(yǎng)在某種程度上能部分改善小麥的耐旱性。Pandey等［7］認(rèn)為小麥苗期水分調(diào)虧對氮素的吸收能力降低，在生長中期復(fù)水后對氮素的吸收有強(qiáng)烈的補(bǔ)償效應(yīng)。以上研究是在常規(guī)灌溉下進(jìn)行的，滴灌由于改變了水肥供應(yīng)方式，水氮對冬小麥根冠生長調(diào)節(jié)效應(yīng)與常規(guī)灌溉有明顯不同。本試驗(yàn)在南疆干旱氣候條件下，通過滴灌水氮一體化措施，研究水氮雙因素對小麥根系生長特征和產(chǎn)量的影響，揭示滴施水肥下小麥的根系生長特點(diǎn)，探尋優(yōu)化根系分布與根冠協(xié)調(diào)生長的滴灌水氮運(yùn)籌模式，為干旱區(qū)小麥節(jié)水省肥栽培提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年在塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站網(wǎng)室中進(jìn)行，該試驗(yàn)點(diǎn)位于塔里木盆地西北邊緣，81°16＇E，40°33＇N，海拔 1 012.2 m，年平均氣溫 11.2℃，年均降水量45.7 mm，年均蒸發(fā)量1988.4 mm，年均相對濕度在55%以下，屬典型暖溫帶內(nèi)陸型氣候。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用土柱栽培的方法，土柱直徑11 cm、高80 cm，進(jìn)行不同滴灌水、氮兩因素控制性試驗(yàn)，滴施純氮量處理設(shè)置4個(gè)水平，分別為不施氮肥及每根土柱滴施純氮0.065 6、0.163 9 g和0.262 3 g(按土柱面積折算，相當(dāng)于每公頃滴施純氮0、69.0、172.5 kg 和 276.0 kg)，分別以 N0、N1、N2和 N3表示;滴灌水量設(shè)置4個(gè)水平，分別為每根土柱灌水2.1383、2.8510、3.5637 kg和4.2765 kg(按土柱面積折算，相當(dāng)于每公頃滴灌2 250、3 000、3 750 m3和4 500 m3)，分別以 W1、W2、W3和 W4表示，水氮兩因素組合共16個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)15次，共計(jì)240根管。全期滴灌8次，滴肥6次，按不同生育時(shí)期的肥水特性設(shè)置滴灌滴肥權(quán)重(表1)，確定各次的滴灌水量和滴施氮肥量。

表1 春小麥各生育期滴灌水量、施肥量分配比例Table 1 Distribution proportion of drip irrigation and fertigation amount in different growth periods of spring wheat

土柱為硬質(zhì)PVC管材，每根裝土12 kg，土壤取自農(nóng)田的0～25 cm土層，土質(zhì)為沙壤土，干土體積質(zhì)量為 1.32 g·cm-3，平均土壤質(zhì)量含水量為19.27%，N 含量 49.27 mg·kg-1含量6.70 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)的含量1.03%，土壤 pH值7.7。為模擬田間滴灌模式，土柱埋于試驗(yàn)田中，每根管子采用醫(yī)用輸液管連接掛瓶進(jìn)行滴灌施肥，氮素?fù)Q算成尿素溶水后滴施，按照管栽面積換算得到具體水、尿素施用量，每次滴灌時(shí)間控制在3 h左右。2018年3月2日播種，品種為新春6號，每管播10粒，播深3 cm，出苗后剔除多余麥苗保證每管8株。

1.3 測試項(xiàng)目與方法

在小麥關(guān)鍵的生育時(shí)期(拔節(jié)、抽穗、籽粒形成、灌漿等)每處理取3管，以20 cm間隔截取成4段，在200目紗網(wǎng)中用清水沖洗并挑選出根系，用鑷子仔細(xì)擺放在玻璃板上，掃描成TIF圖像，用DTSCAN圖像分析軟件(Delta-T Devices Ltd.，英國)計(jì)算根系的長度(RL)、平均直徑(RD)和根表面積等形態(tài)特征指標(biāo)［8］，最后將各層根系放入干燥箱，在105℃下殺青0.5 h后于65℃烘干至恒重再稱干重，計(jì)為根系干物質(zhì)量(RDW)。

根長密度(RLD，mm·cm-3)=L/20πr2

式中，L為根長(cm)，r為土柱半徑(cm)。

根系表面積(RS，cm2)=πLR2/4

式中，R為根系平均直徑(mm)。

根系干質(zhì)量密度(RWD，g·m-3)=g/20πr2

式中，g為根系干質(zhì)量(g)。

各處理小麥成熟后考察穗長(cm)、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量(g)等穗部性狀和產(chǎn)量構(gòu)成性狀，最終計(jì)實(shí)產(chǎn)(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

以Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并制圖，用 DPS 7.05對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮運(yùn)籌對滴灌春小麥根系生長特性的影響

2.1.1 對根系干物質(zhì)量(RDW)垂直分布的影響

由表2可見，各時(shí)期各處理的RDW隨著土層的深入呈下降的趨勢，RDW在0～40 cm土層最多，占總RDW的64.52%～76.90%。隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)根系總干質(zhì)量隨施氮量和灌水量的增加呈先增加后下降的趨勢，在揚(yáng)花期達(dá)到最大值。在同一施氮水平或灌水條件下RDW隨施氮量或灌水量的增加而增加，其中N3W4在揚(yáng)花期達(dá)最大，達(dá)158.4 mg，其次是N3W3達(dá)148.3 mg。但N3W4隨后下降較快，至蠟熟期RDW僅為N3W3的67.6%。說明增施水、氮對根系生長有較好促進(jìn)作用，但過高氮肥造成后期群體生長過旺產(chǎn)生郁閉，對根系生長不利。從各處理根系空間分布的平均變異系數(shù)(CV)來看(表2)，隨供氮或供水的增加，根系干質(zhì)量在土層的空間分布差異減小，且其以揚(yáng)花期減小程度最低，說明增加供水或供氮量能促進(jìn)根系縱向生長，增加各土層根系分布的均勻度。揚(yáng)花期是小麥根系功能最大時(shí)期，這種效應(yīng)也達(dá)到最大。

水氮互作對拔節(jié)期、揚(yáng)花期和灌漿期的根系干物質(zhì)量影響(F值)達(dá)顯著水平(P＜0.05)，其中施氮處理下總RWD在拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期和蠟熟期的變異系數(shù)分別為10.66%、9.41%、10.32%和29.84%，不同灌水處理分別為9.01%、13.46%、14.48%和30.08%。說明水氮對RWD的影響差異主要在蠟熟期，且灌水處理效應(yīng)大于施氮效應(yīng)。

2.1.2 對根干質(zhì)量密度(RWD)的影響 從圖1可以看出，各時(shí)期的RWD以0～40 cm土層最大，是40～80 cm的1.9～3.4倍，說明滴灌小麥根系主要分布在0～40 cm土層中。從各時(shí)期的平均RWD來看，揚(yáng)花期＞孕穗期＞灌漿期＞拔節(jié)期＞蠟熟期，拔節(jié)期～孕穗期的增長速度大于其他時(shí)期，說明拔節(jié)期～孕穗期是小麥根系生長的快速時(shí)期，而揚(yáng)花期是小麥根系分布密度的高峰期。在同一施氮水平或灌水水平下，RWD隨灌水量或施氮量的增加而增加，其中在拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期、灌漿期和蠟熟期施氮處理平均RWD的CV分別為 10.66%、9.41%、10.32%、11.65%和29.84%，而灌水處理的RWD分別為9.01%、13.46%、14.68%、14.49%和 30.08%，后期RWD較大，并以蠟熟期顯著高于其他時(shí)期，其中N3W3處理的RWD最大達(dá) 81.52 g·m-3，其次為N2W3和 N2W4，分別為 66.77 g·m-3和 64.40 g·m-3，說明適當(dāng)增施水氮能有效增加蠟熟期的RWD，延緩根系衰老，且這種效應(yīng)具有累加性，水分效應(yīng)高于氮素效應(yīng)。

2.1.3 對根系長度(RL)分布的影響 從表3可以看出，各生育期RL隨土層加深而逐漸降低，0～40 cm土層根長最大，占總RL的76.39%～82.47%。隨生育進(jìn)程推進(jìn)各層RL隨施氮量和灌水量的增加呈先增后降的趨勢，在揚(yáng)花期達(dá)到最大值。從各時(shí)期的平均RL來看，不同水分處理及不同氮素處理間RL差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)，表現(xiàn)為 W3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1和 N3＞N2＞N1＞N0，且以 N3W3的RL最大，達(dá)16 491 mm，其次是N2W3和 N1W4，為14 712 mm 和14 463 mm，N3W4后期RL下降較快，蠟熟期不及N3W3處理的66.96%，表明增施水氮能顯著增加根長，但灌水施氮量過高，RL反而下降。

V/%.8.4.6.6.2.7.3.0.7.6.4.5.6.2.5.1 C 76452027612728316129333457484955***計(jì)T d c b a d c b a d c b a d b a c ***significant合otal .6 22.2 31.4 36.2 46.9 32.0 56.0 68.7 76.8 34.0 61.7 77.6 81.3 42.6 84.3 103.8 69.8 555.1 20520.5），80c a d.05 c b a.8.5.5a b .9d c.4b.3.7.1a .6d .8.8.9b .0a .5.2c *.7*.4**～*0 1 600399102 7 1193 118 134 14.2 10.6 218。21P＞S layer/cm（*60 D c b下a *.9.7.5*a c.3～b.3a .3a .8同.7c b .0a b .8c a .7b .2b *.8*.7*。.9 406.9 8*4 8979.6.83.6）Soil 1318191517161816158742.01 40 significant b ab *0 a .8*a.4*d.5 c*.7b a .1d ～c .4.4b a .9.8.4.7d .8b .7a c .8.8＜P.4*層*.6.89.8（not土11 10 201212131822251520272917324126 53838著20b c a b a 顯d c c b.7.4a**c b b**a a .7**～-1）6.7.6.1.7.7.4.5.8.6.8.8d .4.4極0888911243022.5.85.6異represent plant 1514162014202129442差*/%.3.3.6 V .2.0 54.6.9.6 5247.3.3.3 4656.0.7 54.0 44.5 3649）和C g·424439504537.0 31.05and*m 0計(jì)T a b c c b a a otal d c b a d c b.9 a **＜**heat/（**89.6 96.7 P 115 d .2 11098.4 109.2 123.0 126.9 98.3合117.0 128.0 141.6 98.4 123.0 148.3 158.4 27.0 81.84.1（著.ns，*）w b a *c .1.4a .9d .9c b a d .7b c a*d c b a.5**～*.2顯10.9 111314 10.1 60.2 spring.0 14.9 18.6 1016.0 12.5 15.71811.9142023.44異430.05 3＜-1） 、差P P b F a 60*a c（c .3b a *a d c layer/cm b a.4 d c.7 b a ）*株of*.9*1620.8 14 21.9.8 1624.8 4018.9 2517.4.9 2225.1.1 3117.1 24.8.8.532.7.6 2 36.05 410 36ent periods P g·b Soil～40*a.8.8 c ab（m/（b 80 a.8a a c b .7.9.8ab a c b .8.8.7a .7.8a *.7*.7.8treatm ns.3 36～.3.8.5 44.5 20著rate41量4 42.0 38 th 42444236431 4649土層3845515224顯質(zhì)不b 20c c＞.8.8a b a a grow .2 d d c b a c b a a干～.8.8.8.9.1.8.8.1.8.7.5.2.8**.7**.8ns.4異根02624353233363840323440423038444516201差示nitrogen e層表土/%.3.1.1.9.1.7.5.5.1.5.1.6.1.9.0.2value別sam同different C V 58575549605451446456504053514443F 分the不d c b a d c b a c b b a d c a b *in期in otal .1.6.1.4.6.1.2.1.5.2.1.0.9.0.0.0F值**.7**.7ns.1*育計(jì)T合7982961058495109115901091131279210412912339371和ents生layers 80c d b a d c b a d c b a d c a b ******各～.5.3.4.4.7.5.6.4.2.7.7.3.6.6.7.2.8.7.3ns、*treatm麥soil 60768115912166111219711151411877）。ong小B S d c b a c c b a d c b a b b a a ****.05am春～60.4 ns different layer/cm.815 0 17 12.8 19.4 15.8 16.4 18.5 20.1 14.7 16.9 20.7 22.4 19.2 17.9 25.7 26.2.5.30.7P＜2 46 of 14 40（.表eight Soil 40b b a a c b a a b a a a c b a a ****ns 著difference層20～30.4 31.4 36.7 39.2 30.7 37.5 42.4 43.9 35.8 43.8 43.9 45.6 33.7 40.3 46.8 43.8.6顯.50 9.8異e below w 土20差root 20c c b a b b a a c b bc a b b a a sam～.8.1.2.4.4.7.7.7.8.8.8.7.4.2.8.8**.8**ns 間.7 28 02933353231353433363539323440382570.8理significant he ry 處T D /%.3.3.3.5.2.4.1.9.3.0.8.8.7.1.8.2水ean m 2V 92826262706463767865474878614453灌n able C 同不b otal計(jì)T b a a a b c a d c a b c c b a ******colum respectively.T 下合47.3 48.4 58.1 58.5 63.0 59.7 57.2 62.6 55.8 60.3 70.8 65.3 59.8 58.8 76.3 80.6.4.2 976 28.86平e ），水sam b 80.5c .2 d a c b c.3.2a .3*b.2a a d.5c a b *.8.1.01.9.4.1 a氮.5*～0*.5 601.5.1 5*0*.1.2 4443124990363.2施in the P＜JS layer/cm 1010314（209一60*c**d b同a.6c～b a a d c.1a b c.7b a .8b ns.4 406.3.9*48.7 9.7 8.7 9.2.8.9 6.6 8.1.7 910111312.2.11.6示letters Soil 11101223表**40b母b significant a～a.7b c .8a a c d b a ns124 ns 字ercase層.8 20.8 19.9.4.7.5.6bc.4a .7ab.3c .7.8.7.82.82.63.2寫low ely土201921222018222123222121192325小20b c a b a b c a bc c a b c d b a ****ns 同extrem～.4.2 22.4.8 20.3.3 24.0.1 22.9.8 27.7.5 25.7.9 24.4.9 28 0 24232624262328329.94.71.6不D列ifferent and ent ）W2理W3 W1W4W1W2W3W4W1W2W3W4W1W2W3W4N W ×W ：同注N ote：.05處reatm N ＜0 T N0N1N2N3F （P

圖1 不同水氮處理對春小麥根干重密度垂直分布的影響Fig.1 Vertical distribution of dry root weight and root density under different irrigation and nitrogen application

V/%.74.88.69.59.22.01.92.23.94.45.39.21.16.28.42.01 C 74100956678878682898489961211018092計(jì)T d c a b d b a c d c a b d b a c ******合otal.503.055.326.805.155.826.487.486.145.467.859.468.304.407.579.416**121.35 16.43 d.06 80**314.85.06b**.08～c b a a.02d c b a d c b.07b a b 60000000.09 0.10 0.06 0.08 0.11 0.12 0.05 0.06 0.05 0.13 0.06 606.10 44.00 17.02 D S layer/cm 60～c.70d b.44a b.00a a b c b a c.48c b a b ******1 40001.98.33.37.96 0.87 1.64 1.94 0.85 0.44 0.88 1.90 0.93 Soil 011017.53 129.89 47.43 d 40.15～b c a c c b a d c b a c b a b ******層.77.62.15.66.74.01.62.36.77.37.06.82.10.79.93土20111211221123022111.17 17.83 20d b a c c a a b d c a b d b a c ****114.03**0～1.59 2.81 3.64 2.09 2.44 3.66 4.00 2.83 2.82 3.94 5.42 4.50 2.97 4.36 4.75 3.49 170.76 137.83 5.72 70/%V .14 89.77.65 70.09.71 73.76 67.13.64 8667.02.36.19.10 73.17.88.14.08 heat C 65 b 7172 c 75586664 b a 75.74a otal a c b b a a a c b a b ****w 合.52.38.23.61.78.72.46.67.66.71.15.23.41.49.46 spring 6911999計(jì)T 12141413141412141614288.17 71.01 1.61ns.37.22 c a～b b b a c a c b b a b b c.18******.27 0 of 00.11 0 00.27 0.33 0.23 0.32 0.23 60 0.28 0.28 0.43 0.37 0.34 0.19 P 41.10 21.34 11.09 periods layer/cm**.71 60 80 F b d c.51a b**c a a c a b b b a c.97**3 m m ～.86 2 1 1.80 02.40 3.25 2.75 2.07 0 2.82 2.92 2.46 3.72 3.45 4 40.30 2.69 45.04 190.54 7.56 grow×10th b Soil～cb.02 d.86a 40a b a.05a b.97 c a.83b b.70a a **.43***/.93 a層.84 20.34.28.62 43.35.65 4.66 3.63長3 d 4553555445567.22 48.63 2.95根b 20.80a c土a b a a a c b a ab b a a a *****層～.28.79.17.72.41.72.55.43.26.23.79.73.94.19.95土02334355535653565449.02 73.21 2.99同different不in /%.06.29.41.88.04.42.03.67.28.21.86.12.86.83.17.18value期C V 63615678686770906766688656626471F育layers d b a c d c a b c a a b c b a ab *****生otal.21.46.30.85.53.81.77.85.35.14.14.32.52.75.60.99F值各soil 合計(jì)T 67968101211101313121012131262.13 3.01麥80b c a d c a b d b a b c a b b c **402.72****小～.35.31.39.24.36.45.40.25.40.50.42.29.58.46.43.35春different 0 60000000000000000 S 118.01 89.87 12.93 3of B～60c b a d c b a d b a a c b a a b ******表length layer/cm 401.25 1.77 2.64 0.90 1.63 2.08 2.40 1.08 2.16 2.99 2.84 1.55 2.61 2.92 3.12 2.48 29.72 4.75 87.40 Soil 40.62 c.94 ab.17 a.77 ac.86 c.72 b.76 a.95 a.32 b.94 a.09 a.34 a.24 b.73 a.78 a.71 a **131.11****oot ～3.85 R 層土20223223443344344429.00 320c b a a c b a a c b ab a c b a a *****able 0～2.00 2.44 3.10 2.94 3.68 4.56 5.22 5.57 4.48 5.72 5.79 6.14 4.09 4.65 5.27 5.46 76.656 92.70 2.45 T /%.28.83.93.15.12.34.96.91.00.88.89.30.95.29.89.48 C V 81849598767490898492929176738681計(jì)T b a b b c b b a b c ab a c b a a ******合otal 5.00 5.58 5.12 5.11 5.26 6.76 6.53 7.55 6.81 6.36 7.26 7.59 6.30 9.17 9.87 9.75 155.67 8.15 25.76.14～80d.13.32ab c a.18b b c a a b b c a b bc c ******00 60000.13 0.18 0.17 0.19 0.25 0.21 0.22 0.19 0.30 0.22 0.22 0.20 JS layer/cm 11.54 16.44 34.66 60**a a**.75c～.76b b.46a c.52b.88a c.14b.73b c.83a.37b b.78 400.14 0.15 0 0.78 0 1.73 1 0.50 0.56 1**101116.72 Soil 0177.78 30.94 40**b a c c c a b a c ab b a c a b a ****層.87～20.68.36.43.89.66.15.61.52.80.73.99.66.16.93.22 3.74土1111122211112323119.74 16.09 20b a a a a c b a b b a a d c a b ******～02.43 2.81 2.99 2.98 2.36 2.79 3.48 3.92 3.67 3.57 4.16 4.25 2.56 4.06 5.22 4.77 143.25 34.87 5.46理ent W1W2W3W4W1W2W3W4W1W2W3W4W1W2W3W4N W ×W N處reatm T N0N1N2N3F

在拔節(jié)期、揚(yáng)花期和蠟熟期的RL水氮互作響應(yīng)(F值)達(dá)顯著水平(P＜0.05)，且施氮處理的RL在拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期和蠟熟期的CV分別為21.46%、21.46%、17.91%和16.29%，灌水處理分別為10.51%、12.73%、16.32%和23.66%，可見隨生育期推進(jìn)，不同施氮對RL影響效應(yīng)的差異在下降，而灌水的效應(yīng)差異在增加，說明水、氮對RL的作用重點(diǎn)不同，增氮能促進(jìn)前中期的根長發(fā)育，增水能保證后期根系不早衰。在蠟熟期，隨施氮量增加根長在不同土層中分布的CV上升，而隨灌水量增加其呈下降趨勢，說明高氮或少水并不利于延緩后期下層根系衰老。

2.1.4 對根長密度(RLD)分布的影響 根長密度表示根系長度在單位土體中的分布。從圖2可以看出，0～40 cm的RLD是40～80 cm的3.4～4.7倍，且隨生育進(jìn)程推進(jìn)深層土壤RLD下降更快，從各期不同土層平均RLD變化看，施氮量增加，40～60 cm土層RLD增加，0～20 cm土層RLD下降;灌水量增加，0～20 cm土層RLD增加，60～80 cm土層RLD減少，說明氮肥過高，促進(jìn)深層土壤根系分布，但灌水過高，不利于根系下扎。揚(yáng)花期各土層平均RLD達(dá)高峰，并以N3W3最大，達(dá)1.30 cm·cm-3，其次是N2W3和 N3W2，為 1.16 cm·cm-3和1.14 cm·cm-3，在N0W1處理下最小，僅為0.53 cm·cm-3，表明適當(dāng)增加施氮量和保持一定供水量是促進(jìn)根系發(fā)育的關(guān)鍵。

2.1.5 對根系平均直徑(RD)的影響 根系平均直徑的大小決定了根系的吸收動(dòng)力［9］。由圖3可以看出，小麥的根系平均直徑大小表現(xiàn)為揚(yáng)花期＞灌漿期＞孕穗期＞蠟熟期＞拔節(jié)期。在同一氮素水平不同水分處理間RD差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)，表現(xiàn)為W4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1;在同一灌水水平不同施氮處理間RD表現(xiàn)為 N3＞N2＞N1＞N0，其中 N3和 N2差異不顯著，其他處理間差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。組合處理中以N2W4處理的RD最大，為0.341 mm，其次為N3W4和N3W3，為0.339 mm 和0.336 mm，說明充足的水分供給和高的施氮量可以促進(jìn)根系的加粗生長，少水少氮處理RD變細(xì)。在拔節(jié)期-孕穗期根系平均直徑增長速度最快，揚(yáng)花期達(dá)高峰期，灌漿以后RD逐漸下降，這可能與粗根較細(xì)根衰亡快有關(guān)［10］。

施氮處理下RD在拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期、灌漿期和蠟熟期的CV分別為4.44%、6.52%、4.92%、3.49%和2.69%，灌水處理分別為5.82%、6.58%、5.53%、5.91%和2.85%?？梢娛┑饕绊懺兴肫诤蛽P(yáng)花期，灌水主要影響在灌漿期之前，且灌水效應(yīng)大于施氮效應(yīng)。

2.1.6 對根系表面積(RS)的影響 從圖4可以看出，RS隨生育期的推進(jìn)呈先增后降的趨勢，在揚(yáng)花期達(dá)到最大值。在同一氮素水平下RS表現(xiàn)為W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)4＞W(wǎng)1，在同一灌水水平下表現(xiàn)為 N3＞N2＞N1＞N0，各水分處理及各施氮處理間差異均達(dá)顯著水平(P＜0.05)，說明適當(dāng)增施水氮能有效提高小麥根系表面積，且以 N3W3和 N2W3處理最大，達(dá) 17 624 mm2和 16 776 mm2，N3W2和 N1W3次之，為 15 653 mm2和14 245 mm2，但水氮過多，RS反而下降。

施氮處理下RS在拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期、灌漿期和蠟熟期的CV分別為30.22%、26.56%、16.83%、17.48%和14.24%，灌水處理分別為13.68%、16.62%、18.89%、22.13%和26.79%。說明施氮主要影響春小麥生育前期，灌水主要影響春小麥生育后期。

2.2 水氮運(yùn)籌對滴灌春小麥穗部性狀及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

灌水量、施氮量對小麥穗部性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響均達(dá)顯著水平(P＜0.05)。同一施氮處理下，隨灌水量的增加，穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和穗粒質(zhì)量增加，但N3W4處理的穗長、千粒質(zhì)量和穗粒質(zhì)量及N2W4處理的穗粒質(zhì)量顯著下降(P＜0.05);同一灌水處理下隨施氮量增加，各穗部及產(chǎn)量性狀增加，但N3W4處理的千粒質(zhì)量顯著下降(P＜0.05)。從產(chǎn)量指標(biāo)(穗粒質(zhì)量)看，以同一灌水條件下的N3處理或同一施氮水平下的W3處理最高，但與N2處理或W4處理的差異不顯著，可見，灌水量3.563 7～4.276 5 kg·管-1(折合 3 750～4 500 m3·hm-2)、施氮量0.163 9～0.262 3 g·管-1(折合172.5～276 kg·hm-2)是本地滴灌小麥適合的水氮投入量。由產(chǎn)量構(gòu)成的水氮調(diào)控效應(yīng)(F值)可見，指標(biāo)的單因素及其互作效應(yīng)均達(dá)顯著水平(P＜0.05)，且不同施氮條件下，穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和穗粒質(zhì)量的CV分別為11.12%、6.15%和16.28%，均小于不同灌水條件下的16.13%、8.09%和23.04%，說明保證灌水是根本，適量增施氮肥以發(fā)揮水氮對產(chǎn)量構(gòu)成因素的耦合調(diào)控效應(yīng)是南疆干旱地區(qū)滴灌小麥高產(chǎn)的關(guān)鍵。

各組合處理以 N3W3處理穗粒質(zhì)量最高，達(dá)1.184 g(折合 9 966.1 kg·hm-2)，其次為 N2W3和N3W2，達(dá) 1.041 g 和 1.033 g(折合 9 604.3 kg·hm-2和8 695.7kg·hm-2)。根據(jù)水(W)、氮(N)組合的產(chǎn)量(Y)數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次二項(xiàng)式逐步回歸，得到擬合方程Y=-1.7453+2.7063N+1.3857W-4.6197N2-0.1881W2-0.1189NW(R2=0.9137)，求極值得到施氮量0.246 5 g·管-1(折合純氮259.4 kg·hm-2)、滴水量3.605 2 kg·管-1(3 793.6 m3·hm-2)時(shí)的穗粒質(zhì)量最高，為1.086 1g(折合9 142.9 kg·hm-2)(表4)。

圖2 不同水氮處理對春小麥根長密度垂直分布的影響Fig.2 Vertical distribution of root length and density under different irrigation and nitrogen application

圖3 不同水氮處理對春小麥根系平均直徑的影響Fig.3 Effects of different irrigation and nitrogen application on average root diameter of spring wheat

圖4 不同水氮處理對春小麥根系表面積的影響Fig.4 Effects of different irrigation and nitrogen application on root surface of spring wheat

3 討論

一般認(rèn)為小麥根系主要分布在0～60 cm［11］，并與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，本試驗(yàn)表明滴灌春小麥的根系主要分布在0～40 cm的土層中，比常規(guī)灌溉的分布略淺，且隨施氮量或灌水量增加，0～40 cm土壤根系干質(zhì)量所占比例在下降，而根長所占比例增加，這主要是滴灌施肥優(yōu)化了淺層土壤水分和養(yǎng)分條件，誘導(dǎo)上層根系快速生長、根徑變大的結(jié)果［10］，同時(shí)增加水氮供應(yīng)相應(yīng)增強(qiáng)了根系長勢，促進(jìn)深層根長密度［12］，對土壤養(yǎng)分的全面吸收有利。

研究表明，根系各指標(biāo)隨小麥生育進(jìn)程推進(jìn)呈先升高再下降的變化趨勢［4］，在拔節(jié)期～孕穗期生長速度最快，揚(yáng)花期達(dá)最大值，這與一般研究認(rèn)為的抽穗前最快［13-14］、灌漿期生長達(dá)最大值［11，15］的結(jié)果相比有所提前，可能是滴灌改善了根系生長條件、促進(jìn)根系早發(fā)所致［16］，這也是滴灌小麥前期長勢較強(qiáng)的原因所在［17］。但也有研究報(bào)道［10，18］，拔節(jié)～孕穗期小麥根系生長最快、分布最深，這可能與不同基因型小麥的根系生長差異有關(guān)［19］。

表4 水氮處理對春小麥穗部性狀及產(chǎn)量的影響Table 4 Effects of irrigation and nitrogen application on ear characters and yield of spring wheat

合理的水肥運(yùn)籌可以發(fā)揮“以水促肥、以肥調(diào)水”的根系調(diào)控作用［20］。適宜的水分供應(yīng)會(huì)顯著增加根系在土壤剖面的分布［21］;當(dāng)土壤水分嚴(yán)重虧缺時(shí)，小麥根系生長和土壤剖面的時(shí)空分布會(huì)受到限制，然而輕度的干旱可以促進(jìn)根系的延伸生長［22］;過量灌水會(huì)導(dǎo)致土壤缺氧，抑制根系生長，引起根系早衰，從而降低產(chǎn)量［23］。施肥促進(jìn)根系發(fā)育，氮素的虧缺會(huì)抑制根系的生長［24］;適當(dāng)增施氮肥(300 kg·hm-2)能促進(jìn)春小麥根系生長［25］，使小麥生育后期根量保持在較高水平［26］，施氮過量(450 kg·hm-2)導(dǎo)致植物體內(nèi)氮積累到一定程度時(shí)根系的生長受到抑制［25，27］。水、氮之間存在著一定的耦合效應(yīng)，水分不足則會(huì)降低氮肥的吸收。正常供水下增施氮肥促進(jìn)根系生長，增加根系干質(zhì)量、根表面積和根長［28］。王亞萍等［29］認(rèn)為輕度干旱脅迫對冬小麥根系生長最為合適，適量施氮可以增加總根系質(zhì)量和深層土壤中的根系質(zhì)量，提高作物的抗旱能力;嚴(yán)重水分脅迫下，過量施氮會(huì)降低小麥的抗旱性［5］。梁銀麗等［22］也認(rèn)為在干旱脅迫下少量增施氮肥可以促進(jìn)小麥根系生長，而過量施氮?jiǎng)t會(huì)起到抑制作用。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)N3W3、N2W3和N3W2水氮組合處理的根系生長參數(shù)(根干重、根干質(zhì)量密度、根長、根長密度、根系直徑和根系表面積)均較大，即高氮中水、中氮多水能有效促進(jìn)根系生長，表現(xiàn)出較強(qiáng)的水氮互作效應(yīng)。供氮或供水過高并不利于根系生長，這和王淑芬［30］、薛麗華［31］等人的研究一致。

本研究中滴灌量在3 750 m3·hm-2(W3)、施氮量為276 kg·hm-2(N3)時(shí)，單產(chǎn)最高達(dá)9 966.1 kg·hm-2)，這與馬忠明等［4］認(rèn)為 2 850 m3·hm-2和196～207 kg·hm-2的水氮供應(yīng)量及李彥君等［32］認(rèn)為6 000 m3·hm-2和750 kg·hm-2的水氮供應(yīng)量有所不同，這可能是地區(qū)間氣候、種植及灌水方式等因素不同造成的。

4 結(jié) 論

1)拔節(jié)～孕穗期是滴灌春小麥根系生長速率最快時(shí)期，揚(yáng)花期根系生長各形態(tài)指標(biāo)達(dá)最大值，蠟熟期根系衰亡明顯。滴灌春小麥根系主要分布在0～40 cm土層中，其根干質(zhì)量占總根干質(zhì)量的64.52%～76.90%，根長占總根長的 76.39%～82.47%，0～40 cm土層中的根質(zhì)量密度和根長密度是40～80 cm土層的1.9～3.4倍和3.4～4.7倍。

2)不同水氮處理顯著影響根系生長特性，適當(dāng)增加水氮供應(yīng)量能促進(jìn)根系下扎，增加根系質(zhì)量和根長，延長根系功能期，但水氮過多對根系生長不利，表現(xiàn)為后期(蠟熟期)根系衰老加速，根長密度、根干質(zhì)量密度和根系表面積下降。

3)水氮對根系生長特征的影響側(cè)重點(diǎn)不同，氮能促進(jìn)前中期的根長發(fā)育及根系下扎，促進(jìn)根系直徑增大，水分能保證后期的根系不早衰。水氮對根系生長的影響存在顯著的互作效應(yīng)，且水分效應(yīng)高于氮素效應(yīng)，以蠟熟期差異明顯，表現(xiàn)出一定的累加效應(yīng)。

4)N3W3、N2W3和 N3W2處理的產(chǎn)量較高，可見施氮量在207～310.5 kg·hm-2和灌水量在4 500～5 400 m3·hm-2之間是本地區(qū)較適宜的水氮組合。根據(jù)水、氮組合的產(chǎn)量擬合方程得到施氮量310.2 kg·hm-2、滴灌水量 4 593.8 m3·hm-2時(shí)的產(chǎn)量最高達(dá)9 206.05 kg·hm-2，可為生產(chǎn)上的水氮運(yùn)籌提供參考。