沟覆盖材料对垄沟集雨种植土壤水分和玉米根系分布的影响

李富春，王琦，张登奎，张恩和，刘青林，王鹤龄

（1.甘肃农业大学草业学院，甘肃兰州730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃兰州730070；3.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省气候变化与减灾重点（开放）实验室，甘肃兰州730020）

沟覆盖材料对垄沟集雨种植土壤水分和玉米根系分布的影响

李富春1，王琦1，张登奎1，张恩和2，刘青林2，王鹤龄3

（1.甘肃农业大学草业学院，甘肃兰州730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃兰州730070；3.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省气候变化与减灾重点（开放）实验室，甘肃兰州730020）

为寻求半干旱地区垄沟集雨环保沟覆盖材料，探究垄沟集雨种植增产机理，在半干旱黄土高原区通过大田试验，以传统平作为对照，研究不同沟覆盖方式（无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖）对土壤含水量、玉米根干重、根长、根表面积和根体积的影响。结果表明：垄沟集雨种植沟中的土壤含水量、玉米根干重、根长、根表面积和根体积明显大于垄中；与平作相比，无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖耕层沟中作物生育期平均土壤含水量分别增加6.9%、10.6%和9.3%，垄中平均土壤含水量分别降低13.8%、10.9%和5.6%；玉米总根干重（沟中＋垄中）分别降低15.9%、6.1%和16.8%，总根长分别增加37.6%、43.7%和34.8%，总根表面积分别增加10.5%、33.6%和15.0%。无覆盖和秸秆覆盖玉米总根体积分别降低34.5%和16.3%，生物可降解地膜覆盖玉米总根体积增加13.2%。与传统平作相比，垄沟集雨种植增加土壤水分、玉米根长和根表面积，降低玉米根干重。在不同沟覆盖方式中，生物可降解地膜覆盖具有较高土壤含水量、根长、根表面积和根体积。

玉米；垄沟集雨；沟覆盖材料；土壤水分；根系

甘肃省定西半干旱黄土丘陵区深居内陆腹地，地形多为梁、峁和丘陵沟壑地带，属典型雨养农业区［1－2］。该地区降水年际和年内变化较大，有效降水量少，大气干燥，43 a（1971—2013年）年平均降雨量为388mm，60%～69%的降雨量主要集中在6—9月，且降雨以无效降雨（＜5mm）为主［3－4］。天然降水不足、变化频率较大和降雨时期与作物需水期错位使干旱灾害频繁发生和粮食产量低而不稳［5－6］。

为了降低干旱危害和解决粮食安全生产问题，该地区农民应用雨水集流系统进行雨水收集和利用。垄沟集雨种植技术，尤其全膜双垄沟播种玉米技术，在该地区发展较为完善。垄沟集雨种植技术指平地或缓坡地沿等高线起垄，形成垄沟相间微地形。垄沟集雨覆盖技术结合保护性耕作和覆盖技术，在通常情况下，垄覆盖作为集雨区，沟覆盖或无覆盖作为种植区，垄覆膜减少土壤水分蒸发，2个面（垄面和沟面）降雨用于1个面（沟面），垄产生径流与沟内降雨进行叠加，将无效降雨（＜5 mm）变为有效降雨，促进降水入渗，增加种植区（沟）土壤含水量，从而提高降雨资源利用效率［7－8］。覆盖材料阻碍表层土壤界面与大气热交换，从而减缓了土壤温度的昼夜变化，对提高作物出苗和减缓春寒具有明显作用［9－10］。垄沟集雨种植技术设计参数随降雨量、降雨类型、作物种类、土壤类型、覆盖材料等变化而变化［11－13］。

植物对土壤水分的利用效率主要取决于土层中根系分布特征值和吸水速率［14］。根系分布特征值主要取决于根系形态和构型，根系吸水速率主要取决于土壤水分、温度和通气状况等［15－16］。植物根系对外界环境变化具有较好自我调节（可塑性）功能［17］。在垄沟集雨种植系统中，沟覆盖引起沟内土壤温度和土壤水分等变化，进而改变根系指标和分布规律［18－19］。高玉红等［20］研究结果表明，垄沟集雨种植玉米根干重主要集中在0～30 cm土层，且沟中的玉米根干重明显大于垄中。邹聪明等［21］研究表明，与传统耕作相比，秸秆覆盖明显增加玉米苗期的根干重、根长和根表面积。杨青华等［22］研究结果表明，与无覆盖相比，普通地膜和液体地膜覆盖使棉花前期具有较高根系活力和根干重，但不利于棉花根系下扎，使深层根系衰减较快。熊瑛等［23］研究表明，烟草根系活力和根干重排列次序为普通地膜覆盖＞液体地膜覆盖＞无覆盖，普通地膜覆盖和液体地膜覆盖促进根系活力和抗逆性，可以延缓作物早期衰老。周昌明等［24］研究结果表明，与无覆盖相比，平地生物可降解地膜全覆盖、垄覆生物可降解地膜和沟垄生物可降解地膜全覆盖的玉米根系密度分别增加9.23%、13.85%和16.92%。

国内外关于垄沟集雨种植技术覆盖材料多采用普通地膜。普通地膜主要成分是一种人工合成的分子结构非常稳定的聚乙烯、聚氯乙烯等高分子材料，在自然条件下很难降解，不易通过细菌、酶等生物方式降解，难以直接回收［25］。近年来，随垄沟集雨覆盖技术的推广，普通地膜覆盖产生大量残留，引起白色污染，残留地膜不利于农机耕作和作物生长，引起土壤透气性、土壤动物和微生物数量下降，限制土壤水分和养分运移，阻碍作物根系正常生长，导致土壤质量下降和作物减产，尤其对采食动物健康造成威胁［26－27］，从而限制该地区农牧业可持续发展。利用生物可降解材料（作物秸秆、树叶、树皮、干草等有机材料）进行覆盖和种植，该覆盖材料具有透气、透水、集雨保墒、易降解和增产等效果［28－29］。在垄沟集雨种植条件下，本试验研究不同沟覆盖生物可降解材料对土壤含水量、玉米根干重、根长、根表面积、根体积等影响，为垄沟集雨种植沟覆盖材料选择提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2013年4月20日—10月15日在中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地（35°33′N，104°35′E，海拔1 896.7 m）进行。该试验基地位于甘肃省定西市安定区，属黄土高原丘陵区和半干旱地区，属典型的温带大陆性季风气候。光能较多，雨热同季，气候干燥。年均≥0℃积温2 933.5℃，年均≥10℃积温2 239.1℃。年日照时间为2 433 h，年均气温6.7℃，极端最高最低气温分别为34.3℃和－27.1℃。空气相对湿度65.8%，年均降雨量386.1 mm。降水较少，且极不规律，5—10月降雨量占年降雨量的86.9%；蒸发强烈，年蒸发量（1 531mm）是年均降雨量的4.0倍；无霜期为140 d。

试验地地势平坦，表层土壤为重壤土，地力相对均匀。田间持水量为25.6%，凋萎系数为6.7%。试验区土壤肥力状况见表1。当地耕作制度为1年1熟，主要种植作物有春小麦（Triticumɑestivum）、燕麦（Avenɑsɑtivɑ）、玉米（Zeɑmɑys）、高粱（Sorghum bicolor）、蚕豆（Viciɑfɑbɑ）、马铃薯（Solɑnum tuberosum）、谷子（Pɑnicum miliɑceum）和胡麻（Sesɑmum indicum）等。

表1 试验区土壤肥力状况Table 1 Soil fertilities of the experimental plots

1.2 试验设计

试验以玉米（Zeɑmɑys）为供试作物，品种为沈单16号，采用田间垄沟覆盖集雨种植技术，垄为集雨区，沟为种植区，小区随机排列，共设4个处理，包括3种沟覆盖和平作无覆盖，重复3次。垄覆盖材料均为生物可降解地膜，3种沟覆盖方式分别为无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖。生物可降解地膜为德国BASF化工厂生产（基料为淀粉和生物材料，生物材料来源于玉米秸秆和其他可再利用原材料），厚度为0.008 mm，宽度为1.4 m，将宽度1.4m生物可降解地膜切割为宽0.6、0.8 m，将宽度0.6m生物可降解地膜覆盖于宽度45 cm垄上，宽度0.8m生物可降解地膜覆盖于宽度60 cm沟中，在垄角处生物可降解地膜埋入土壤深度为5～10 cm。秸秆覆盖采用当地燕麦秸秆，粉碎成5～10 cm长的碎段，一次性均匀覆盖在沟内，覆盖量为9 000 kg·hm－2，然后撒4 000～5 000 kg·hm－2碎土覆于秸秆上，以免秸秆被风吹走。垄宽为45 cm，沟宽为60 cm，垄高为15～20 cm，垄形为弧形，垄沿等高线修筑。玉米种植示意见图1。每个试验小区有3条沟和4条垄，小区面积为36 m2（10 m长×3.6 m宽），小区编号、面积及沟覆盖材料见表2。

图1 沟垄集雨种植玉米示意图Fig.1 Schematic diagram of ridge－furrow rainwater harvesting formaize production

表2 垄沟集雨种植玉米试验设计Table 2 Experimental design formaize production in ridge-furrow rainwater harvesting system

1.3 种植管理

试验地前茬连续种植6 a马铃薯，2012年马铃薯收获后，翻地和耱地各1次。玉米播种前7 d（2013年4月13日）整地、划分小区、起垄和覆膜。根据当地施肥经验，施加420 kg·hm－2过磷酸钙和220 kg·hm－2尿素作为基肥，播种前（2013年4月19日）将2种肥料混合撒施于沟土壤表面，然后翻入土壤，施肥深度20～30 cm。2013年4月20日穴播播种玉米，播种密度5.25×104株·hm－2，播种深度3～5 cm，每条沟种植2行玉米。玉米播种完成后，为了保护土壤水分，即刻在种植沟内覆盖生物可降解地膜和秸秆。在2013年5月10日18∶00—20∶00放苗，每个穴留1株健壮玉米。整个玉米生育期不追肥和灌溉，采用人工除草，禁止人为踩踏垄和破坏垄覆盖材料，人工除草时间分别为2013年5月10日、6月15日和7月23日。2013年10月15日人工收获玉米后，将生物可降解地膜和秸秆残留翻耕埋入土壤深度20～30 cm。

1.4 土壤含水量和根系分布特征参数测定

在玉米全生育期，土壤含水量测定间隔为25～30 d，测定深度40 cm，按10 cm分层，采用烘干法（105℃，10 h）测定土壤含水量，每1小区的3条沟随机选取3个样点，采样点居于沟中心和垄弧顶，同一层次3个样点的土样均匀混合。

玉米收获后（10月16日）用挖掘法取根样，分别在垄上和沟内开挖样方，垄上开挖样方的长和宽分别为45 cm（垄宽）和35 cm（株距），沟内开挖样方的长和宽分别为60 cm（沟宽）和35 cm，垄上和沟内取样深度40 cm，垄和沟取样深度以沟面为标准，按10 cm分层。先将挖出的根放入水池中浸泡1 h，然后用冲根器将根系冲洗干净，在实验室用扫描仪（Epson Perfection 4990 Photo型）进行扫描，扫描仪的分辨率为300 dpi。用Win－RHIZO根系扫描与分析系统测定根样有关特征指标，计算不同土层单位土体根长（cm·cm－3）、根表面积（cm2·cm－3）和根体积（cm3·cm－3）等特征参数。将扫描后所有根系脱水，然后放在65℃烘箱烘干至恒重，称重计算不同土层单位土体的根干重（g·cm－3）。

1.5 数据处理

利用完全随机模型分析沟覆盖材料对玉米根系分布特征的影响，将3次重复收集的参数采用SPASS 19.0与Excel 2010软件进行方差分析和显著性检验；方差分析多重比较用Duncan法（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 玉米生育期降雨量特征

2013年试验地年降雨量为448.8 mm，与近41年（1972—2012年）年平均降雨量（383.3 mm）相比，2013年是丰水年。由图2可以看出，在2013年玉米全生育期（04－20—10－15）降雨次数为80次，降雨量为417.2 mm，占年降雨量的93.0%。通过对玉米全生育期降雨量数据统计，＜5 mm、5～10 mm、10～20 mm和＞20 mm的降雨次数分别为55、13、6和6次，占总降雨次数的比例分别为68.8%、16.3%、7.5%和7.5%。＞5 mm降雨定义为有效降雨，无效降雨次数（55次）大于有效降雨次数（25次），但无效降雨对总降雨量贡献率（23%）明显小于有效降雨贡献率（77%），降雨分布不规则，其中4、5、6、7、8、9和10月降雨量分别为12.8、64.1、44.1、145.0、86.0、61.3mm和3.9mm，分别占玉米全生育期降雨量的3.1%、15.4%、10.6%、34.8%、20.6%、14.7%和0.9%。

图2 2013年玉米生育期降雨量Fig.2 Rainfall duringmaize growing seasons in 2013

2.2 覆盖材料对0～40 cm土壤含水量的影响

土壤含水量是限制植物地上部和地下部生长的重要因素，土壤水分动态变化受降雨、植物蒸腾、土壤表面蒸发、土壤水分深层渗漏和侧向运移等影响（图3）。从图3可以看出，土壤含水量随降雨量增加而增加，随植物蒸腾和土壤表面蒸发增加而减少。玉米苗期（04－21—05－19）降雨量为62.9 mm，日平均降雨量（2.2 mm·d－1）中等，气温较低和植株矮小，蒸散量和蒸发量较小，沟中土壤含水量随生育期逐渐增加；玉米拔节期（05－20—07－24）降雨量为164.1 mm，日平均降雨量（2.5 mm·d－1）中等，气温较高、植株蒸腾和棵间蒸发较大，沟中土壤含水量随生育期逐渐降低，拔节期～大喇叭口期沟中土壤含水量达到全生育期最低值；玉米大喇叭口～开花期（07－25—09－21）降雨量为180.9 mm，日平均降雨量（3.2mm·d－1）较高，气温、植株蒸腾和棵间蒸发达到最大值，沟中土壤含水量随生育期逐渐提高；玉米成熟期（09－22—10－15）降雨量为9.3 mm，日平均降雨量（0.4 mm·d－1）较低，气温降低和植株成熟，蒸散量和蒸发量较小，沟中土壤含水量随生育期逐渐降低。与沟中土壤含水量相比，垄中土壤含水量随降雨、植物蒸腾、土壤表面蒸发等变化不明显，其变化规律滞后于沟中土壤含水量。

在玉米全生育期，各处理沟中土壤含水量明显大于垄中，不同处理沟中土壤含水量差异明显大于垄中。玉米全生育期耕作层（0～40 cm）土壤含水量平均值，平作土壤含水量为16.9%，生物可降解地膜覆盖、秸秆覆盖和无覆盖沟中土壤含水量分别为18.9%、18.6%和18.2%，垄中土壤含水量分别为15.2%、16.0%和14.9%。与平作相比，无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖耕作层的沟中平均土壤含水量分别增加6.9%、10.6%和9.3%，垄中平均土壤含水量分别降低13.8%、10.9%和5.6%。

图3 沟覆盖材料对沟中和垄中0～40 cm土壤含水量的影响Fig.3 Effects of furrowmulchingmaterials on soilwater content in 0～40 cm soil depth at furrow bottoms and ridge tops

2.3 覆盖材料对玉米根干重的影响

玉米根系生物量及在土壤中分布规律与其吸收矿质元素和水分的能力密切相关。从表3可以看出，玉米根干重随土壤深度增加而急剧减少，土壤深度0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm的玉米根干重（沟中＋垄中）占0～40 cm总根干重比例，平作比例分别为57%、22%、14%和7%，无覆盖比例分别为55%、23%、14%和8%，生物可降解地膜覆盖比例分别为66%、17%、9%和8%，秸秆覆盖比例分别为60%、17%、14%和9%。不同沟覆盖材料不同土壤深度玉米根干重比例分配差异不明显。沟中玉米根干重明显大于垄中，沟中玉米根干重与垄中玉米根干重比值随土层深度增加而减少。土壤深度0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm沟中与垄中比值，无覆盖比值分别为5.6、2.4、1.5和1.1，生物可降解地膜覆盖比值分别为4.7、3.1、1.8和1.1，秸秆覆盖比值分别为10.9、2.1、1.2和0.8。秸秆覆盖在夏季高温季节，缓冲高温效应，为0～10 cm土层根系生长和延缓衰老提供有利条件。0～40 cm土层玉米总根干重（垄中＋沟中）排列次序为平作＞生物可降解地膜覆盖＞无覆盖＞秸秆覆盖，平作的玉米总根干重显著大于秸秆覆盖和无覆盖，生物可降解地膜覆盖与其它3种处理均差异不显著。与平作相比，无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖的玉米总根干重分别降低15.9%、6.1%和16.8%。

2.4 覆盖材料对玉米根长的影响

植物根系长度受遗传特性、土壤水分、土壤养分和温度等的影响，当遗传特性一致时，土壤水分是根系生长的主要信号，根系长度决定植物吸水时间和吸水速率，从而影响植物地上部光合能力和同化物分配。垄沟集雨改变植物生长区的水热状况，从而影响植物根系生长和分布。从表4可以看出，无覆盖垄中玉米根长略大于沟中，生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖的沟中玉米根长明显大于垄中，沟中玉米根长与垄中玉米根长比值随土层深度增加而减少。土壤深度0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm的沟中玉米根长与垄中玉米根长比值，无覆盖比值分别为0.6、1.7、0.9和0.8，生物可降解地膜覆盖比值分别为1.2、2.3、1.6和1.2，秸秆覆盖比值分别为2.2、2.3、0.9和0.8。土层深度0～40 cm玉米总根长（垄中＋沟中），生物可降解地膜覆盖的玉米总根长显著大于无覆盖，无覆盖的玉米总根长显著大于秸秆覆盖，秸秆覆盖的玉米总根长显著大于平作，玉米总根长排列次序为生物可降解地膜覆盖＞无覆盖＞秸秆覆盖＞平作。与平作相比，无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖玉米总根长（垄中＋沟中）分别增加37.6%、43.7%和34.8%。如果深层土壤水分较高，植物根系偏重纵向伸展，根系分布较深；如果浅层土壤水分较高，植物根系偏重横向伸展，根系分布较浅。与传统平作种植相比，垄沟集雨种植覆盖材料减少土壤水分蒸发和提高种植区土壤含水量，从而影响根系纵向和横向分布。垄中较高土壤含水量和疏松土壤有利于根系伸长，使无覆盖垄中植物根系长度略高于沟中，秸秆覆盖和生物可降解地膜覆盖有利于沟中玉米根系纵向和横向伸长。当土壤温度较低时，根系伸长生长随土壤温度的升高而增加，在大多数玉米生长季节，无覆盖的土壤温度明显高于秸秆覆盖，无覆盖的玉米总根长显著大于秸秆覆盖。

表3 覆盖材料对玉米根干重的影响／（×10－3g·cm－3）Table 3 Effects ofmulchingmaterials on root drymatter ofmaize

表4 覆盖材料对玉米根长的影响／（×10－3cm·cm－3）Table 4 Effects ofmulchingmaterials on root length ofmaize

2.5 覆盖材料对玉米根表面积的影响

根表面积是植物根系吸附能力的重要标志，根表面积越大，根系活力和吸附能力越强。当植物根系发育空间受限和生长于不良环境时，植物通过增加根表面积和根系活力，抵抗不良外界环境。不同沟覆盖材料的玉米根表面积随土壤深度分布规律与根长类似（表5）。沟中玉米根表面积明显大于垄中，沟中玉米根表面积与垄中玉米根表面积比值随土层深度增加而减少。土壤深度0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm的沟中玉米根表面积与垄中玉米根表面积比值，无覆盖分别为0.8、1.9、1.0和0.9，生物可降解地膜覆盖分别为1.8、3.1、1.6和 1.2，秸秆覆盖分别为2.9、2.3、1.0和0.9。土壤深度0～40 cm平均值，无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖的沟中玉米根表面积与垄中玉米根表面积比值分别为1.1、1.9和1.8。土层深度0～40 cm玉米总根表面积（垄中＋沟中），生物可降解地膜覆盖的玉米总根表面积显著大于秸秆覆盖，秸秆覆盖的玉米总根表面积显著大于无覆盖，无覆盖的玉米总根表面积显著大于平作，玉米总根表面积排列次序为生物可降解地膜覆盖＞秸秆覆盖＞无覆盖＞平作。与平作相比，无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖的玉米总根表面积分别增加10.5%、33.6%和15.0%。

表5 覆盖材料对玉米根表面积的影响／（×10－3cm－2·cm－3）Table 5 Effects ofmulchingmaterials on root surface area ofmaize

2.6 覆盖材料对玉米根体积的影响

根体积是根系数量、长度以及分枝数的综合体现，是植物与土壤环境之间的综合反应。从表6可以看出，沟中玉米根体积明显大于垄中，沟中玉米根体积与垄中玉米根体积比值随土层深度增加而减少。土壤深度0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm的沟中玉米根体积与垄中玉米根体积比值，无覆盖分别为1.0、2.2、1.2和1.0，生物可降解地膜覆盖分别为2.7、3.0、1.6和1.2，秸秆覆盖分别为3.8、2.3、1.2和1.0。土壤深度0～40 cm平均值，无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖的沟中玉米根体积与垄中玉米根体积比值分别为1.3、2.2和2.0。土层深度0～40 cm玉米总根体积（垄中＋沟中），生物可降解地膜覆盖的玉米总根体积显著大于平作，平作的玉米总根体积显著大于秸秆覆盖，秸秆覆盖的玉米总根体积显著大于无覆盖，玉米总根体积排列次序为生物可降解地膜覆盖＞平作＞秸秆覆盖＞无覆盖。与平作相比，无覆盖和秸秆覆盖的玉米总根体积分别降低34.5%和16.3%，生物可降解地膜覆盖的玉米总根体积增加13.2%。

表6 覆盖材料对玉米根体积的影响／（×10－3cm－3·cm－3）Table 6 Effects ofmulchingmaterials on root volume ofmaize

3 讨论

在垄沟集雨种植系统中，垄覆膜作为集雨区，沟覆盖或无覆盖作为种植区，垄上径流和沟中降雨在沟中产生叠加，从而增加沟中土壤含水量，沟中部分土壤水分侧渗到垄下土壤，当遇到干旱时，沟中与垄中土壤水分进行重新分配，供干旱时作物吸收和利用。本研究结果表明，垄沟集雨种植的沟中土壤含水量明显大于垄中，沟中土壤含水量随降雨、植物蒸腾、土壤表面蒸发等变化明显，垄中土壤含水量变化不明显，垄中土壤含水量变化滞后于沟中土壤含水量。垄沟集雨种植沟中土壤含水量明显高于传统平作，但垄中土壤含水量明显低于传统平作，覆盖增加沟中土壤含水量，沟中土壤含水量排列次序为生物可降解地膜覆盖＞秸秆覆盖＞无覆盖，垄中土壤含水量排列次序为秸秆覆盖＞生物可降解地膜覆盖＞无覆盖。

植物地下发育状况是植物地上部光合和产量形成的反馈过程，健壮植物根系发育促进地上部光合和产量形成，而地上部光合和生长发育为根系的生长提供必需的物质基础［30］。植物根系指标受遗传特性和外界环境的共同影响，当植物受到环境胁迫时，根系进行自我调节，降低环境胁迫对自身伤害。植物根系对环境的调节能力与环境状况、植物类型、植物生育期等有关［31］。垄沟集雨种植改变土壤微地形、土壤水分、土壤温度和风速等外界环境条件，提高沟中土壤水分和温度，从而使沟中根干重、根长、根表面积和根体积明显大于垄中。本研究表明，根干重、根长、根表面积和根体积随土层深度增加而急剧减少。苗果园等［32］研究表明，作物根干重随土壤深度增加符合指数递减方程，须根系作物随土壤深度增加根干重递减率较小，直根系作物随土壤深度增加根干重递减率较大。

垄沟集雨种植沟中较高土壤含水量有利于根系生长和延伸，但不利于根系干物质积累。与传统平作无覆盖相比，无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖的玉米总根干重分别降低15.9%、6.1%和16.8%。植物根系生物量及其空间分布规律是植物抗旱能力的重要标志，它影响植物对土壤水分和营养元素吸收，从而影响冠层生长发育和产量形成［33］。与垄沟集雨种植相比，传统平作土壤水分较低，为了获得更多水分和养分资源，植物分配到地上部分的同化物较少，冠层生长速度较慢和不旺盛，而具有较高根系生物量。杨青华等［22］研究结果表明，生物可降解液体地膜（喷施量112.5～150 kg·hm－2）明显提高土壤温度和土壤含水量，降低土壤水分蒸发和土壤容重，促进棉花根系吸收和合成能力。

当植物遇到干旱胁迫时，根系最早感知干旱胁迫，并将该信号传给地上部分，使作物茎秆叶生长受到抑制，为了降低干旱胁迫对植株造成生理伤害，植物继续加大根系生长［34］。朱维琴等［35］研究表明，植物通过加大根表面积而利用深层土壤水分，通过增加深层单位土体内的根系数量抵抗干旱胁迫。本研究表明，与传统平作无覆盖相比，沟无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖玉米总根长分别增加37.6%、43.7%和34.8%，玉米总根表面积分别增加10.5%、33.6%和15.0%。当土壤含水量较低时，为了获得更多土壤水分和较多籽粒产量，植物延伸根系生长，从而增加根长和根表面积，但根直径降低。

4 结论

本研究结果表明，玉米根干重、根长、根表面积和根体积随土层深度增加而急剧减少，垄沟集雨种植沟中的土壤含水量、玉米根干重、根长、根表面积和根体积明显大于垄中。与平作相比，无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖耕作层的沟中平均土壤含水量分别增加6.9%、10.6%和9.3%。平作、无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖的0～40 cm玉米总根干重分别为2.14、1.80、2.01×10－3g·cm－3和1.78×10－3g·cm－3，总根长分别为3 172、5 083、5 630×10－3cm·cm－3和4 868×10－3cm·cm－3，总根表面积分别为579.6、647.7、873.4×10－3cm－2·cm－3和682.1×10－3cm－2·cm－3，总根体积分别为9.04、6.72、10.41×10－3cm－3·cm－3和7.77×10－3cm－3·cm－3。与平作相比，垄沟集雨种植降低根干重，但增加根长和根表面积，尤其生物可降解地膜覆盖效果更明显。

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Effects of furrow-mulchingmaterials on soilmoisture and maize root distribution in ridge-furrow rainwater harvesting system

LIFu-chun1，WANG Qi1，ZHANG Deng-kui1，ZHANG En-he2，LIU Qing-lin2，WANG He-ling3
（1.College of Grɑsslɑnd Science，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；2.Agronomy College，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；3.Key（Open）Lɑborɑtory of Arid Climɑtic Chɑngingɑnd Reducing Disɑster of Gɑnsu Province，Institute of Arid Meteorology，ChinɑMeteorologicɑl Administrɑtion，Lɑnzhou，Gɑnsu 730020，Chinɑ）

In order to screening environmental friendlymulchingmaterials and elucidate themechanism of yield increase in ridge-furrow rainwater harvesting system，a field experimentwas conducted to investigate the effects of different furrow mulchingmethods（non-mulching，biodegradable film mulching and strawmulching）on soilmoisture and root dry matter，length，surface area and volume ofmaize in semi-arid areasof the Loess Plateau.The results showed that the soil water content and the values of physiological characteristics（drymatter，length，surface area and volume）ofmaize roots within furrow soil profileswere clearly higher than thatwithin ridge soil profiles.Compared with traditional flat planting withoutmulching，average soil water content within furrow soil profiles increased during maize growing season was 6.9%，10.6%and 9.3%for non-mulching，biodegradable film mulching and straw mulching，respectively，while within ridge soil profiles decreasewas13.8%，10.9%and 5.6%.Total root drymatter（ridge＋furrow）ofmaize decreased by 15.9%，6.1%and 16.8%.Total root length ofmaize increased by 37.6%，43.7%and 34.8%，and total root surface area ofmaize increase was 10.5%，33.6%and 15.0%.Total root volume ofmaize decreased by 34.5%and 16.3%for non-mulching and strawmulching，respectively，but increased by 13.2%for biodegradable film mulching.Root drymatter ofmaize decreased，but soilmoisture，root length and root surface area ofmaize increased inridge-furrow rainwater harvesting system，compared with the traditional flatplantingwithoutmulching.Biodegradable film mulching had a higher soilwater content，root length，surface area and volume ofmaize than other furrowmulchingmethods.

maize；ridge-furrow rainwater harvesting；furrow mulchingmaterial；soilmoisture；root

S513；S152.7

：A

1000-7601（2017）01-0033-08

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.06

2016-01-23

国家自然科学基金（41461062）

李富春（1987—），男，甘肃通渭人，硕士研究生，主要从事半干旱区牧草集雨灌溉和水土保持研究。E-mail：769506499＠qq.com。

王琦（1969—），男，副教授，主要从事干旱区农作物节水研究。E-mail：wangqigsau＠gmail.com。