土壤-根系界面水分调控措施对冬小麦根系和产量的影响

以冬小麦田间试验为基础,研究根-土界面不同水分调控措施,包括不同深度灌水（地面、30cm、50cm、100cm）、同一深度保持不同田间持水量（田持80％、65％、50％）,共计12个水分处理的土壤水分分布对根系和产量影响。研究表明：根长密度分布与灌水方式息息相关,地面灌水的根长密度随土层深度呈指数下降趋势,主要分布于地表层（0-10cm）;不同深度渗灌,根系分布有两个峰值,第1峰值分布在地表以下15cm左右,第2峰值分布在灌水深度处。通过水分调控措施,局部改变根系形态,对节水增产是有利的。耗水量与营养生长（叶面积、根系）成正比关系,与经济产量呈二次多项式（抛物线型）关系,最大产量的耗水量比最大耗水量少约80-100mm。     

冬小麦根系时空分布动态及产量对不同氮源配施的响应

为了解不同氮(N)源(有机/无机肥)配施对冬小麦(Triticum aestivum)根系时空分布特征和产量的影响, 采用微根管(minirhizotron)动态监测技术, 以强筋小麦品种‘豫麦34’为试验材料, 在等养分条件下, 设置不施肥(T₀)、100%尿素N (T₁)、75%尿素N + 25%鸡粪N (T₂)、50%尿素N + 50%鸡粪N (T₃)、25%尿素N + 75%鸡粪N (T₄)和100%鸡粪N (T₅)等6个有机N与化肥N配施处理, 研究分析了‘豫麦34’在不同生育时期及0-100 cm土层中根系直径、根长密度、根长生长量和死亡量等根系特征参数的变化及其产量表现。结果表明, 施肥不仅有利于各生育时期及不同土层中根系直径、根长密度和根长生长量的增加, 而且增加了根长死亡量, 促进了根系的周转。对不同配施处理进行比较, 发现T₃处理(尿素和鸡粪等氮配施)的效果最为显著, 全生育期平均根长密度、周期生长量与周期死亡量分别较对照T₀增加了55.52%、57.79%和61.61%, 有效分蘖数、穗粒重、经济产量和经济系数也以T₃处理增加最多, 分别较T₀增加了52.63%、43.90%、40.16%和12.02%; 穗粒数在T₄处理下最大, 较T₀增加了45.79%; 生物产量在T₅处理下最高, 比T₀增加了26.95%。因此, 不同氮源合理配施有利于促进冬小麦根系的生长及在不同土层中的扩展, 提高冬小麦产量。尿素和鸡粪为N源时等氮配施(50 : 50)的效果最佳。     

不同水分条件对冬小麦根系时空分布、土壤水利用和产量的影响

为了明确华北严重缺水区晚播冬小麦灌水对根系时空分布和土壤水分利用规律的影响,以冬小麦石麦15为材料,利用田间定位试验研究了不同灌水处理(春季不灌水W0;春季灌拔节水75mm,W1;春季灌起身水、孕穗水和灌浆水共225mm,W3)对根系干重密度(DRWD)、根长密度(RLD)、体积密度、分枝数等在0—200cm土层的垂直分布、动态变化及其对耗水和产量的影响,结果表明:随着春季灌水量的减少,开花后0—80cm土层的根干重密度、根长度密度、体积密度和分枝数密度均显著减少,80cm—200m土层的根干重密度、根长度密度、体积密度和分枝数密度却显著增加,并且显著增加冬小麦在灌浆期间对100cm以下深层土层水分的利用,总耗水量W1和W0分别比W3减少70.9mm、115.1mm,土壤耗水量分别比W3增加79.1mm、108.9mm,子粒产量W1和W0分别比W3减少653.3kg/hm2、1470kg/hm2,水分利用效率(WUE)则分别比W3提高0.09kg/m3、0.06kg/m3。晚播冬小麦春季灌1水(拔节水)可以促进根系深扎,增加深土层的根系分布量,提高对深层土壤贮水的吸收利用量,有利于实现节水与高产的统一。     

不同耕作方式对旱作冬小麦旗叶衰老和籽粒产量的影响

在旱作条件下研究了一次深翻、免耕、深松和传统耕作4种耕作方式对冬小麦花后旗叶衰老、小麦籽粒产量及土壤水分和养分状况的影响.结果表明：免耕和深松提高了小麦旗叶SOD和POD活性及可溶性蛋白和叶绿素含量,降低了MDA和O₂^-·含量,延缓了小麦叶片的衰老进程;同时,免耕、深松在开花期和灌浆期0～40 cm土层土壤水分含量分别比传统耕作提高了4.13％、6.23％和5.50％、9.27％,土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量均显著高于传统耕作.一次深翻0～40 cm土层土壤水分含量低于传统耕作,土壤养分含量高于传统耕作,但两处理间差异不显著.与传统耕作相比,免耕和深松花后干物质生产量分别提高4.34％和4.76％,花后干物质转运率分别提高15.56％和13.51％,产量分别提高10.22％和9.26%.免耕和深松为冬小麦花后生长发育提供了良好的环境,延缓了小麦叶片衰老,促进了花后干物质积累及干物质向籽粒的转运,从而使籽粒产量显著提高,是旱作麦区适宜的耕作方式.     

密度和修剪对冬小麦根系时空分布和产量的影响

田间试验研究了种植密度和不同时期根修剪对黄土旱塬冬小麦(Triticum aestivum L.)根系时空分布、土壤水分利用以及产量的影响。供试材料为该地区广泛种植的冬小麦品种长武135。试验设定4个密度处理:SR1、SR2、SR3和SR4,分别为180、225、280和340株/m2,其中SR2为常规密度;以及4个根修剪处理:CK(不剪根处理)、W(越冬期根修剪)、S(返青期根修剪)和B(越冬期根修剪+返青期根修剪)。研究结果表明,冬小麦返青期、孕穗期和花期根系总干重随种植密度的增加而增加。根修剪处理显著降低了各生育期冬小麦根系总干重,不同处理间排序为CKWSB。种植密度和根修剪对冬小麦根系总长度的影响与根系总干重类似,各处理间根系总干重和根系总长度的差异主要来自于0—20 cm表土层。冬小麦表土层(0—20 cm)中的根干重密度(DRWD)和根长密度(RLD)都随种植密度的提高而增加。根修剪降低了返青期、孕穗期和花期冬小麦DRWD和RLD在0—20 cm表土层中的分布,但增加了花期60—100 cm深土层中的DRWD和RLD。整个生育期土壤水分消耗随种植密度增加而增加,而根修剪显著减少土壤水分的消耗。冬小麦的产量和水分利用效率随着种植密度增加而显著提高。根修剪处理显著增加了冬小麦的产量,且W处理的产量最高,同时根修剪也显著提高了冬小麦的水分利用效率。由此可见,越冬期根修剪(W)可以最大程度提高冬小麦产量。考虑到经济效益,建议旱地雨养农业区在较高的密度下进行越冬期根修剪处理,从而达到生产上高产高效的目的。     

种植密度对冬小麦根系时空分布和氮素利用效率的影响

在大田条件下,以大穗型品种泰农18和中穗型品种山农15为材料,研究不同种植密度(泰农18：每公顷135、270、405万株;山农15: 每公顷172.5、345、517.5万株)对冬小麦根系时空分布和氮素利用效率的影响.结果表明：在整个生育期,随种植密度的增加,泰农18的根长密度、根系总吸收面积和活跃吸收面积均显著增加;在生育后期,山农15的根长密度、根系总吸收面积和活跃吸收面积在种植密度为每公顷345万株时最大.泰农18的籽粒产量、氮肥吸收利用效率、氮肥偏生产力和氮素利用效率在种植密度为每公顷405万株时最高,山农15在种植密度为每公顷345万株时最高,但与种植密度为每公顷517.5万株的处理差异不显著.随种植密度的增加,冬小麦成熟期土壤硝态氮、铵态氮和无机态氮在不同土层的积累量均降低.泰农18和山农15种植密度分别为每公顷405万株和345万株时,是兼顾高产和高效利用氮素的适宜种植密度.     

种植密度对冬小麦根系时空分布和氮素利用效率的影响

在大田条件下,以大穗型品种泰农18和中穗型品种山农15为材料,研究不同种植密度(泰农18:每公顷135、270、405万株;山农15:每公顷172.5、345、517.5万株)对冬小麦根系时空分布和氮素利用效率的影响.结果表明:在整个生育期,随种植密度的增加,泰农18的根长密度、根系总吸收面积和活跃吸收面积均显著增加;在生育后期,山农15的根长密度、根系总吸收面积和活跃吸收面积在种植密度为每公顷345万株时最大.泰农18的籽粒产量、氮肥吸收利用效率、氮肥偏生产力和氮素利用效率在种植密度为每公顷405万株时最高,山农15在种植密度为每公顷345万株时最高,但与种植密度为每公顷517.5万株的处理差异不显著.随种植密度的增加,冬小麦成熟期土壤硝态氮、铵态氮和无机态氮在不同土层的积累量均降低.泰农18和山农15种植密度分别为每公顷405万株和345万株时,是兼顾高产和高效利用氮素的适宜种植密度.     

不同模拟雨量下耕作措施对夏玉米水分利用效率和产量的影响

基于西北夏玉米生产实际和降雨特征,用自制模拟降雨器,于2010年6-9月研究了250、350和450 mm模拟雨量下翻耕、免耕、免耕覆盖对夏玉米农田水分利用效率及产量的影响.结果表明： 在6-9月250 mm雨量下免耕水分利用效率比翻耕高26%,产量比翻耕高16.5%;350 mm雨量下免耕水分利用效率和产量分别比翻耕高17.6%和6.1%;在450 mm雨量下免耕的蓄水效应低于翻耕,水分利用效率比翻耕低1.1%,产量比翻耕低0.6%.免耕覆盖克服了免耕在雨量充沛时水分蓄积量低于翻耕的缺点,在3种雨量下均可有效抑制棵间蒸发,减少翻耕地表裸露造成的无效水分消耗,增加土层贮水量,增大蒸腾量占水分消耗的比例,250 mm雨量下免耕覆盖水分利用效率比翻耕高48.6%,产量比翻耕高32.9%;350 mm雨量下免耕覆盖水分利用效率比翻耕高51.6%,产量比翻耕高27.1%;450 mm雨量下免耕覆盖水分利用效率比翻耕高23.7%,产量比翻耕高13.1%.综上,免耕夏玉米在250和350 mm雨量下相对于翻耕有增产和提高水分利用效率的优势,免耕覆盖夏玉米在250、450 mm雨量下产量和水分利用效率显著高于翻耕.     

不同抗旱性冬小麦根系时空分布与产量的关系

为明确不同抗旱性冬小麦品种(Triticum aestivum L.)根系时空分布及其与产量的关系,以抗旱性品种长武134、长旱58和干旱敏感性品种小偃22、西农979为材料,采用根箱试验研究干旱胁迫和充分供水条件下4个品种在拔节期、开花期和成熟期根系总生物量、总根长密度、根系在表层(0—20 cm)和深层(20 cm以下)土壤中的垂直分布、动态变化及其对产量的影响。结果表明,干旱胁迫下抗旱性品种产量显著高于干旱敏感性品种,其中长旱58产量最高,西农979最低;充分供水条件下,西农979产量最高,长武134最低,长旱58与小偃22之间没有差异。相关分析表明,产量与各生育时期根系性状均有显著关系。多元逐步回归分析的结果显示,干旱胁迫和充分供水条件下,拔节期深层根生物量对产量有正效应,而成熟期总根长密度对产量表现为负效应。通径分析表明,干旱胁迫下,根系性状对产量的直接贡献大小为开花期总根长密度(|0.54|)拔节期深层根生物量(|0.36|)成熟期总根长密度(|-0.31|);充分供水时,成熟期总根长密度(|-1.56|)拔节期深层根生物量(|0.83|)。研究表明,减少成熟期总根长密度,增加拔节期深层根生物量对抗旱性及干旱敏感性冬小麦品种产量均有显著的正效应,增加开花期根长密度有利于提高抗旱性冬小麦产量。     

不同模拟雨量下耕作措施对夏玉米水分利用效率和产量的影响

基于西北夏玉米生产实际和降雨特征,用自制模拟降雨器,于2010年6-9月研究了250、350和450 mm模拟雨量下翻耕、免耕、免耕覆盖对夏玉米农田水分利用效率及产量的影响.结果表明： 在6-9月250 mm雨量下免耕水分利用效率比翻耕高26%,产量比翻耕高16.5%;350 mm雨量下免耕水分利用效率和产量分别比翻耕高17.6%和6.1%;在450 mm雨量下免耕的蓄水效应低于翻耕,水分利用效率比翻耕低1.1%,产量比翻耕低0.6%.免耕覆盖克服了免耕在雨量充沛时水分蓄积量低于翻耕的缺点,在3种雨量下均可有效抑制棵间蒸发,减少翻耕地表裸露造成的无效水分消耗,增加土层贮水量,增大蒸腾量占水分消耗的比例,250 mm雨量下免耕覆盖水分利用效率比翻耕高48.6%,产量比翻耕高32.9%;350 mm雨量下免耕覆盖水分利用效率比翻耕高51.6%,产量比翻耕高27.1%;450 mm雨量下免耕覆盖水分利用效率比翻耕高23.7%,产量比翻耕高13.1%.综上,免耕夏玉米在250和350 mm雨量下相对于翻耕有增产和提高水分利用效率的优势,免耕覆盖夏玉米在250、450 mm雨量下产量和水分利用效率显著高于翻耕.     

不同耕作方式和秸秆还田对麦田土壤有机碳含量的影响

通过两个生长季试验,研究了不同耕作方式和秸秆还田及其交互效应对小麦全生育期0～20 cm土壤有机碳含量的影响.结果表明：小麦不同生育时期0～20 cm土层有机碳含量呈明显的动态变化;秸秆还田各处理的有机碳含量都高于无秸秆还田处理;保护性耕作措施土壤有机碳增加量显著高于传统翻耕.除传统翻耕处理外,各处理0～10 cm土层的有机碳含量都高于10～20 cm土层,秸秆还田各处理0～10 cm土层有机碳含量表现为深松(PS)＞旋耕(PR)＞免耕(PZ)＞耙耕(PH)＞传统翻耕(PC),而10～20 cm土层表现为传统翻耕(PC)＞深松(PS)＞旋耕(PR)＞耙耕(PH)＞免耕(PZ),说明保护性耕作措施能提高0～10 cm土层的有机碳含量.多因素方差分析表明：耕作因素、秸秆因素和两者交互效应在不同生育期对0～20 cm土层的有机碳含量都有显著影响.     

保护性耕作和杂草管理对冬小麦农田土壤水分及有机碳的影响

在秸秆全量还田的试验田中(从2004年起),于2008-2009年及2009-2010年冬小麦生育期间,研究了不同耕作措施(旋耕、耙耕、免耕、深松和常规耕作)和杂草管理对冬小麦田土壤水分及有机碳的影响.结果表明:在未除草条件下,免耕、深松的杂草总密度显著提高;而在除草条件下,杂草密度显著下降.小麦从拔节期到灌浆期0～60 cm土层水分含量呈明显波动变化,田间保留一定量的杂草可增加不同耕作方式0～20 cm的土壤水分含量,表现出一定的土壤水分保持效应.保留杂草仅提高了拔节期0～20 cm土层的土壤有机碳含量;而在抽穗期和灌浆期,0～20、20～40和40～60 cm土层有机碳含量均低于去除杂草处理.去除杂草条件下,深松显著提高了冬小麦籽粒产量;保留杂草条件下,旋耕的籽粒产量最高,常规耕作产量最低.     

断根对冬小麦竞争能力与产量的影响

 采用简化的deWit替代系列法研究了盆栽冬小麦‘长武135’（Triticum aestivum cv. Changwu 135）在拔节初期断根对冬小麦根冠关系、竞争能力及其与产量性状的关系。无论干旱或湿润,单栽条件下断根降低了小麦的根冠比,在混栽条件下,断根小麦的相对穗重和相对地上部生物量均显著低于未断根小麦,说明断根降低了小麦的竞争能力。根冠比越大竞争能力越强,即作物的竞争能力与根冠比存在正相关关系。单栽湿润条件,断根降低了小麦的穗重和籽粒产量,而在中等干旱条件下,断根小麦穗重和籽粒产量高于未断根小麦 。说明在水资源充分的条件下,较高的作物个体竞争能力则具有较高的生产能力,而在水资源有限的情况下,降低作物个体竞争能力反而提高了群体籽粒产量。     

小麦开花期灌水对土壤养分及根系分布的影响

本研究通过分析开花期灌水对小麦产量、植株养分分配和土壤养分分布的影响及其与根系特性的关系,为小麦充分利用水肥资源提供理论支撑。以抗旱高产品种‘洛麦28'和高光效品种‘百农207'为材料,采用2 m深土柱栽培方法,设置开花期灌水(T₁)和开花期不灌水(T₂)两个水分处理,测定了不同组织器官、不同土层土壤氮、磷、钾含量及根系分布特性等指标。结果表明: 小麦收获期土壤中铵态氮、速效磷和速效钾主要分布在0～80 cm土层中,硝态氮主要分布在80 cm以下土层中,开花期灌水促进小麦吸收0～60 cm土层的铵态氮、速效磷、速效钾和80 cm以下土层的硝态氮,减少了硝态氮向深层土壤的淋溶;小麦根系主要集中在0～60 cm土层中,随土壤深度的增加而减少。成熟期干物质积累量、全氮和全磷主要分配在小麦籽粒中,而全钾主要分配在茎秆中;开花期灌水显著增加了小麦百粒重,提高了小麦产量;根系形态指标与土壤硝态氮在0～40 cm土层中呈显著负相关,与土壤铵态氮在80～100 cm土层中呈极显著正相关,与土壤速效磷在0～100 cm土层中呈显著正相关。开花期灌水促进了根系在小麦生育末期对土壤养分的充分吸收,延长了养分从营养器官向生殖器官的转运功能期,使营养器官中的养分充分地转运到籽粒中去,增加小麦粒重,进而提高产量。     

断根对冬小麦荧光特性和产量的影响

用荧光淬灭分析技术研究了断根对冬小麦荧光特性的影响以及不同水分条件下断根对产量的影响.结果表明,在不同生育期中小麦断根与未断根处理相比其最大量子产量(Fv/Fo)和PSⅡ潜在活性(Fv/Fm)无显著差异.通过对不同生育期荧光特性研究表明,断根初期小麦电子传递速率和有效光量子产量降低,而PSⅡ光合电子传递活性增加,孕穗期随着更多的能量向地上部的运转,此时根系补偿作用使ETR、ΦPSⅡ和qP增加,而且断根并显著降低光系统Ⅱ光化学效率.混播处理ΦPSⅡ和ETR值高于单播处理,认为断根降低了小麦的竞争能力,使总体光合活性增强,促进了能量向地上部运转,与混播处理产量增加相一致.小麦单播湿润处理下,断根降低了小麦穗重和地上部生物量,且籽粒产量降低了19.2%.在干旱处理下,断根降低了根冠比,提高了小麦穗重和籽粒产量.     

耕作方式对冬小麦灌浆期光合性能日变化和籽粒产量的影响

研究耕作方式对冬小麦灌浆期光合性能日变化的影响,对灌浆期干物质积累、转运以及产量形成具有重要的理论意义.本研究以中国农业大学吴桥实验站2008年设置的长期耕作定位试验为基础,分析了免耕秸秆不还田(NT)、免耕秸秆还田(NTS)、旋耕秸秆不还田(RT)、旋耕秸秆还田(RTS)、深松秸秆不还田(DT)、深松秸秆还田(DTS)、翻耕秸秆不还田(CT)和翻耕秸秆还田(CTS)耕作处理对冬小麦灌浆期旗叶光合特性日变化、光响应曲线和产量的影响.结果表明: 不同耕作方式对冬小麦灌浆期旗叶净光合速率日变化和气孔导度日变化的影响均呈双峰曲线变化趋势,秸秆还田下不同耕作方式的冬小麦旗叶净光合速率高于相应的秸秆不还田处理;各耕作方式对冬小麦旗叶胞间CO₂浓度日变化的影响均呈“广口V型”双峰曲线变化趋势;除DTS、RTS和RT处理冬小麦旗叶的蒸腾速率日变化规律呈单峰曲线变化外,其他各处理冬小麦旗叶的蒸腾速率日变化均呈“双峰曲线”变化趋势.模拟的最大净光合速率以DTS处理最大,分别比NT、DT、RT、CT、NTS、RTS和CTS处理增加了20.0%、21.7%、19.7%、21.5%、0.8%、12.1%和4.2%;秸秆还田条件下各处理的光响应曲线拟合程度均优于秸秆不还田处理.DTS籽粒产量最高,RTS次之,CTS再次,CT处理最小,DTS处理的籽粒产量分别比NTS、RTS、CTS、NT、DT、RT和CT处理高10.8%、1.3%、2.1%、5.4%、11.9%、12.4%和12.6%.通过光合速率和气孔导度日变化趋势可得,不同耕作方式下秸秆还田技术,特别是DTS和NTS处理可减缓光合午休现象,使冬小麦维持较高的光合速率,有利于干物质积累和产量的提高.     

夏闲期轮耕对小麦田土壤水分及产量的影响

2007-2010年在宁南旱区研究了夏闲期免耕/深松/免耕(T1)、深松/免耕/深松(T2)、连年翻耕(CT)3种耕作方式对麦田土壤水分及产量的影响.结果表明:经过3年夏闲期T1和T2处理后,农田土壤蓄水效率平均分别较连年翻耕处理提高15.2％和26.5％;T1和T2处理的降水潜在利用率较高,分别达到37.8％和38.5％,降水生产效率平均分别较连年翻耕处理提高9.9％和10.7％.夏闲期轮耕能显著降低休闲期的土壤无效蒸发,有效保蓄小麦生长期的土壤水分.在冬小麦生长前期,T1和T2处理0～200 cm土层土壤水分平均分别较连年翻耕处理增加6.8％和9.4％;在拔节-抽穗-灌浆期,与连年翻耕处理相比,两处理可显著提高0 ～ 200 cm土层土壤蓄水量,对作物产量的贡献率较高.不同轮耕模式在增加作物耗水量的同时也提高了作物产量及水分利用效率,与CT处理相比,3年T1和T2处理作物耗水量平均分别提高5.2％和6.1％,产量分别增加9.9％和10.6％,作物水分生产效率分别提高4.5％和4.3％.相关分析表明,在干旱缺水的宁南地区,冬小麦播种期、拔节-抽穗-灌浆期的土壤蓄水量可显著影响产量,尤其抽穗期的土壤蓄水量对产量的影响更大.