内蒙古黄土高原区限量补灌对玉米根系及产量的影响

Effects of limited supplementary irragation on maize roots and yield in the Loess Plateau region of Inner Mongolia

摘要

为探究不同补灌量下土壤水分对玉米根系及产量的影响，于2022—2023年在内蒙古自治区准格尔旗纳林果园设置900（W₁）、1 050（W₂）、1 200（W₃）、1 350（W₄）和1 500 m³/hm²（CK）5个补灌量处理，测定不同处理下玉米全生育期土壤含水率、耗水量、根长密度、根表面积密度、根重密度、根系伤流强度和玉米产量等指标，并解析土壤水分、根系分布及二者之间的交互效应。结果表明：土壤含水率、贮水量和耗水量均随着补灌量的递增而增加，其中含水率、贮水量和耗水量在不同土层深度（0—20、>20—40、>40—60 cm）和生育期均呈单峰曲线变化趋势，分别在>20—40 cm土层和玉米抽雄期达峰值。0—100 cm土层内，玉米根系主要集中在0—20 cm土层中，根系总量占比为60%~80%，且根系密度随着土层深度延伸而急剧减少，随着灌水量的增加，0—20 cm表层土壤中根系密度呈上升趋势，而>20—100 cm则反之。此外，随着补灌量的增加，玉米根系伤流强度具有显著差异，其中W₃的伤流强度最高，较其他处理增加1.28%~30.72%。2022和2023年，W₁、W₂、W₃、W₄的经济产量较CK分别降低12.78%、6.34%、0.51%、5.64%和9.52%、7.79%、3.93%、0.54%，其中W₃降幅最小，但水分利用效率较其他处理高3.37%~23.17%。综上，W₃既可以在限量补灌条件下实现该地区玉米的稳产，又可以提高水分利用效率，因此，内蒙古黄土高原区玉米整个生育期最佳补灌量为1 200 m³/hm²。

Abstract

In order to investigate the effects of soil moisture on maize root system and yield under different supplementary irrigation amounts， five supplementary irrigation treatments of 900 （W₁）， 1，050 （W₂）， 1，200 （W₃）， 1，350 （W₄） and 1，500 m³/hm² （CK） were set up in one Nalin orchard of Jungar Banner， Inner Mongolia in 2022-2023. Determination of soil water content， water consumption， root length density， root surface area density， root weight density， root wounding intensity and yield of maize throughout the reproductive period in different treatments， and the interaction effects between soil moisture， root distribution and the two were investigation of conducted. The results showed that： The soil water content， water storage and water consumption increased with the increase of supplementary irrigation， in which water content， water storage and water consumption showed a single-peak curve trend in different soil depths （0-20，>20-40，>40-60 cm） and fertility periods， respectively. Peak values were reached in the >20-40 cm soil layer and during the tasseling stage of the maize. Within the 0-100 cm soil layer， the maize root system was mainly concentrated in the 0-20 cm soil layer， with the proportion of the total root system ranging from 60% to 80%. The root density decreased sharply with the extension of the soil layer depth， and with the increase of irrigation volume， the root density in the surface soil layer of 0-20 cm showed an increasing trend， while the opposite was true for >20-100 cm. In addition， there were significant differences in maize root wounding intensity with increasing supplementary irrigation amount， among which W₃ had the highest wounding intensity， which increased by 1.28% to 30.72% compared to the other treatments. The economic yields of W₁， W₂， W₃ and W₄ were reduced by 12.78%， 6.34%， 0.51%，5.64% and 9.52%， 7.79%， 3.93%， 0.54% respectively， compared to the CK treatment in 2022 and 2023. W₃ had the smallest reduction， but its water use efficiency was 3.37% to 23.17% higher than other treatments. In conclusion， W₃ can achieve stable maize yield in this region under limited supplementary irrigation condition and also improve water use efficiency. Therefore， the optimal supplementary irrigation rate for maize in Loess Plateau region of Inner Mongolia is 1 200 m³/hm² （W₃） for the whole reproductive period.

Graphical abstract

关键词

玉米 / 限量补灌 / 土壤水分 / 根系密度 / 产量 / 内蒙古黄土高原区

Key words

maize / limited supplementary irrigation / soil moisture / root density / yield / Loess Plateau region of Inner Mongolia

玉米作为我国第一大粮食作物，种植区主要分为5个区域，即东北、黄淮海、西南山地、南方丘陵和西北灌溉产区^［1］。2018—2021年，中国玉米总产量保持稳定增长，其中，2021年玉米产量最高，达27 255万t^［2］。玉米产量的提高对于稳定我国的粮食安全及相关行业的不断发展具有重要意义。内蒙古黄土高原区是我国玉米重要产地，该区属于典型的温带干旱半干旱气候，光热资源丰富、降水较少且分布不均，水资源紧缺，土地贫瘠^［3-4］。随着农业用水量的逐年递增，农业水资源供需缺口持续增大，严重影响春玉米高产、稳产，在严重干旱年份可减产20%~40%^［5］。内蒙古黄土高原区水资源短缺问题已经成为限制玉米生长的关键因素，该地区水资源利用效率低且灌溉方式不合理，严重影响了农业可持续发展。根系作为植物-土壤系统的核心纽带和作物吸收营养物质的重要途径，对土壤环境的变化极为敏感，其中土壤水分是影响根系生长发育的重要因素^［6］。土壤水分通过直接（水分胁迫）和间接（土壤通气性、养分有效性）途径影响根系发育，水分过量会导致土壤通气能力下降，阻碍根系对水分和养分的吸收；而缺水的情况下，根系为了获得水源，会将碳水化合物输送到根部，使根冠比增加，从而对地上部的生长产生一定的影响^［7］。因此，研究不同补灌量下土壤水分-根系互作效应，对于实现玉米稳产与水资源高效利用的协同提升具有重要价值。

裴胜钊等^［8］研究表明，有效的补灌策略可通过调控根系空间分布和生理活性来优化作物水分利用效率。薛丽华等^［9］通过探究补灌后冬小麦根系发育的过程，证实补灌量高的小麦根系多分布于0—80 cm土层，而补灌量不足的处理根系在80 cm以下土层中分布更密，对深层土壤的水分利用能力更强。郭建文等^［10］研究发现，前期水分亏缺对根系伸长的促进作用显著强于中期水分亏缺的处理，而中期补水处理的根长、根密度均显著高于全生育期补水处理。张岁岐等^［11］研究表明，在拔节期通过减少灌溉定额，能够增加玉米根系在深层土壤中的分布，从而提高玉米根系对下层土壤水分、营养物质的吸收与利用；同时，增大抽雄和灌浆期的灌溉定额，可以弥补前期缺水对根系的不良作用，且后期补灌也可减缓表层土壤水分的快速下降。而根系伤流特性是在不破坏玉米根系生长发育的基础上反映根系活动的一种可持续研究方式^［12］。与其他灌溉方式不同的是，滴灌可以直接将玉米所需的养分和水分直接输送至玉米根区附近，根系会对不同滴灌条件产生更为直接的响应^［13］。目前有关内蒙古黄土高原区玉米根系分布与灌水量交互效应的研究鲜见报道。本研究在内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗设置不同补灌量，测定玉米全生育期土壤含水率、耗水量和玉米关键生育时期（拔节期—灌浆期）根长密度、根表面积密度、根重密度、根系伤流强度以及玉米产量等指标，并解析土壤水分、根系分布及二者之间的交互效应，旨在探究不同补灌量下土壤水分对玉米根系及产量的影响，以期为该地区玉米高效节水栽培提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验地概况

试验于2021—2022年在内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗纳林果园小杂粮科技试验示范基地进行（39°44′7.35″ N，110°48′18.35″ E，海拔1 038.3 m）。该地区属温带大陆性季风气候，2022年降水量为351.6 mm，年均气温为9.0 ℃，5—10月最高气温为30.5 ℃、最低气温为-13.1 ℃，日照时长为2 729.5 h；2023年降水量为578.8 mm，年均气温为8.6 ℃，5—10月最高气温为29.9 ℃、最低气温为-14.7 ℃，日照时长2 805.2 h。玉米供试品种为‘玉惠丰188’，试验土壤类型为砂壤土，2年的逐月降水量和月平均温度见图1。

1.2　试验设计

采用单因素随机区组试验设计，玉米全生育期共设置5个田间补灌量，分别为900（W₁）、1 050 （W₂）、1 200 （W₃）、1 350 （W₄）、1 500 m³/hm²（CK），每个处理重复3次，共15个小区，小区面积为26.4 m²（4.4 m×6.0 m）。于出苗前定额滴灌225 m³/hm²、灌浆期滴灌150 m³/hm²，其余水量分别于拔节期和抽雄期平均分2次滴灌，见表1。灌溉方式为膜下滴灌。玉米采用人工播种，播种时间为5月10日，播种密度为75 000株/hm²，55 cm等行距种植，株距为24.3 cm。试验所用肥料为缓释尿素300 kg/hm²（N含量44 g/100 g）、磷酸二铵228 kg/hm²（P₂O₅ 含量46 g/100 g，N含量18 g/100 g）和硫酸钾120 kg/hm²（K₂O 含量52 g/100 g），作种肥一次性施入，于拔节期和抽雄期随滴灌各追施200 kg/hm²水溶肥（w_N∶w_P2O5∶w_{{\mathrm{K}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}}=30∶10∶10）。试验地0—20 cm土层土壤有机质12.68 mg/kg，碱解氮48.65 mg/kg，有效磷16.30 mg/kg，速效钾118.74 mg/kg， pH 8.38，其他田间管理与当地农事措施相同。

1.3　测定内容及方法

1.3.1　土壤样品采集

取各处理玉米播前和收获后0—100 cm土层，以及苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期0—60 cm土层内每20 cm的土壤样品，用土钻法^［14］测定土壤含水率，用环刀法^［14］测定土壤容重。土壤含水率计算公式^［15］为：

W=\frac{g_{\mathrm{2}}-g_{\mathrm{3}}}{g_{\mathrm{3}}-g_{\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

式中：W，土壤质量含水率，%；g₁，铝盒重量，g；g₂，湿土和铝盒总重，g；g₃，干土与铝盒重量，g。土壤容重计算公式^［16］为：

\rho =\frac{M}{V}

式中：\rho，土壤容重，g/cm³；M，土壤干重，g；V，环刀容量100 cm³。

1.3.2　植株根系采集

在玉米拔节期、抽雄期、灌浆期测定根长、根表面积、根重。每小区3次重复，采样时先割除地上部分，以植株为中心，以播行为基线，依株行距划定根系采样范围。按20 cm分层，采集0—100 cm土层内全部根系，洗净吸干后装袋带回实验室。用北京海富达科技有限公司的彩色平台扫描仪（STD4800）测根长与根表面积，之后将根系烘干至恒重并称质量。

在拔节期、抽雄期和灌浆期测定根系伤流强度^［17］，将单株玉米地上部距地面10~15 cm处剪断，迅速用脱脂棉（G₁）把根部切口包好，套上塑料袋避免伤流液蒸发，2 h后把脱脂棉、塑料袋和橡皮套取下带回实验室用分析天平称其重量（G₂）。测定时间为9：00—11：00，每个处理测定3株。

根系伤流强度（G）=［采样后脱脂棉重量（G₂）－采样前脱脂棉重量（G₁）］/t。

式中：t，吸取伤流液时间，h。

1.3.3　计算指标

土壤贮水量计算公式^［15］为：

\mathrm{S}\mathrm{W}\mathrm{S}=\mathrm{10}\times {\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{\mathrm{5}}}h\rho W

式中：SWS，土壤贮水量，mm；h，土层深度，cm；ρ，各土层土壤容重，g/cm³；W，各土层土壤质量含水率，g/100 g。玉米耗水量计算公式^［18］为：

ET=P+I+G-D-R+ΔSWS

式中：ET，作物耗水量，mm；P，生育期有效降水量，mm；I，生育期灌水量，mm；G，生育期地下水补给量，mm；R，生育期地表径流量，mm；D，生育期地下渗漏量，mm；ΔSWS，时段内土壤贮水变化量，mm。

试验地点地势平坦，可视地表径流为0；地下水埋深4 m以下，可视为地下水补给量为0；降水入渗深度不超过2 m，可视深层渗漏为零，因此G、D和R可以忽略不计。水分利用效率计算公式^［19］为：

\mathrm{W}\mathrm{U}\mathrm{E}=\frac{Y}{\mathrm{E}\mathrm{T}}

式中：WUE，水分利用效率，kg/（hm²·mm）；Y，经济产量，kg/hm²。

1.3.4　玉米收获指数和产量

在玉米收获后，各小区随机选取1 m²玉米植株，将玉米收割称量鲜重，在105 ℃下杀青1 h，然后在75 ℃下烘干至恒重并称量干重，计算生物产量，kg/hm²。收获指数=籽粒产量/地上部生物量。

待玉米成熟后，选取5 m长双行植株进行收获，脱粒后晒干、称重。各小区单独收获测定小区实际产量，最后折算公顷产量，kg/hm²。

1.4　数据处理

试验数据采用Excel 2019和 Origin 2021作图， SAS 9.0软件进行方差分析， SPSS 26.0进行相关性分析。

2　结果与分析

2.1　限量补灌对土壤水分的影响

2.1.1　对土壤含水率的影响

由图2可知，2022和2023年，8月份降水量分别为339.60和57.00 mm，2023年土壤含水率整体上低于2022年。土壤含水率随生育进程呈单峰曲线，峰值出现在抽雄期；垂直剖面上则形成“低-高-低”分布格局，>20—40 cm土层持水能力最强，且0—60 cm土层中土壤含水率随补灌量的增加而增大。拔节期，0—60 cm土层中，各处理>20—40 cm土层的土壤含水率较表层（0—20 cm）土壤分别升高10.42%~15.36%（2022年）和11.16%~22.87%（2023年），较深层（>40—60 cm）土壤分别升高1.15%~15.70%（2022年）和2.09%~23.73%（2023年）。抽雄期，0—40 cm土层中，各处理>20—40 cm土层的土壤含水率较表层土壤分别升高8.68%~11.58%（2022年）和6.39%~15.36%（2023年）。灌浆期，因2022年降水量的迅速增加，不同处理土壤含水率之间无明显规律。

2.1.2　对土壤贮水量的影响

由图3可知，玉米各生育时期土壤贮水量的变化规律呈现生育进程与垂直剖面的双维度单峰规律。在拔节期，2022和2023年均以CK的0—60 cm土层的贮水量最大，分别为103.46和87.80 mm，较其他处理分别高5.92%~21.45%和6.88%~10.27%。>20—40cm土层的贮水量较表层（0—20 cm）高出10.27%~19.00%（2022年）、15.41%~28.00%（2023年），较深层（>40—60 cm）土壤高出9.86%~25.66%（2022年）、10.88%~34.39%（2023年）。2年生育期土壤贮水量最高的均为抽雄期，0—60 cm土层较拔节期和灌浆期分别升高13.44%~39.10%（2022年）和7.48%~19.38%（2023年）；在灌浆期，土壤贮水量整体上表现为2022年高于2023年；而成熟期因补灌终止和降水锐减，各处理贮水量趋于一致。

2.1.3　对土壤耗水量的影响

由图4可知，随着补灌量的增加，土壤耗水量也增加，2022和2023年全生育期各处理0—60 cm土层平均耗水量为565.60和290.07 mm，由高到低均为CK>W₄>W₃>W₂>W₁，且土壤耗水量随生育时期的推移呈先升高后降低的变化趋势，在抽雄期耗水量达最大值。2年不同处理的玉米耗水量变化趋势基本一致，抽雄期耗水最高，成熟期耗水量最少。2022年全生育期耗水量约为2023年的2倍，其原因在于2022年生育期降水量远高于2023年。

2.2　限量补灌对玉米关键生育时期根系的影响

2.2.1　对根长密度的影响

由图5可知，拔节期的玉米根系生长迅速，此时为水分敏感期，80 cm以下土层仅有少数处理出现根系。抽雄期各处理呈现相似的变化趋势，2年随着补灌量的增加，0—20 cm土层中根长密度在0—100 cm土层中的占比增加，>40—100 cm土层中根长密度占0—100 cm土层中的占比减少，W₁的0—20 cm土层较其他处理分别低20.37%~37.69%（2022年）和12.80%~30.18%（2023年），>40—100 cm土层较其他处理高4.77%~81.04%（2022年）和22.64%~57.38%（2023年）；灌浆期，0—20 cm土层中根长密度随补灌量的增加而增加，W₁较其他处理低26.46%~36.12%（2022年）和0.04%~24.37%（2023年）。

2.2.2　对根表面积密度的影响

由图6可知，玉米拔节、抽雄、灌浆期0—20 cm土层中根表面积密度均表现为W₁低于其他处理，2年，W₁较CK分别低21.21%、16.54%、19.44%（2022年）和7.94%、22.22%、27.59%（2023年）。2022年拔节期W₄较CK高1.50%，2023年拔节期W₄较CK高1.59%，抽雄期和灌浆期W₃较CK高0.74%和1.72%。在>20—100 cm土层中，2022和2023年，各生育时期根表面积密度由高到低分别为W₁>W₂>W₃>W₄>CK和W₁>W₂>W₃>CK>W₄。

2.2.3　对根重密度的影响

由图7可知，随着玉米的生长，不同补灌量处理的玉米根重密度总体趋势表现为随着土层深度的增加而呈快速下降趋势，而随着生育时期的推进呈先升高后降低的变化趋势，且不同补灌量对根重密度的影响不同。2022和2023年，0—20 cm土层中根重密度均表现为W₁低于其他处理，拔节、抽雄、灌浆期的W₁分别较CK低23.34%、14.53%、20.26%和24.78%、18.87%、22.63%；拔节、灌浆期W₄较CK分别高8.36%、3.57%和7.39%、4.34%；抽雄期W₃较CK分别高5.59%和3.14%。在>20—100 cm土层中，2022年拔节期表现为W₁高于其他处理，较CK高65.88%，抽雄和灌浆期均表现为W₁、W₂高于其他处理，分别较CK高40.93%、21.81%和41.73%、42.49%；2023年拔节、抽雄、灌浆期的W₁较CK分别升高36.23%、60.75%、66.50%，各生育期根重密度均呈现出W₁>W₂>W₃>W₄>CK。

2.2.4　对根系伤流强度的影响

由图8可知，随补灌量的增加，拔节、抽雄、灌浆期的玉米根系伤流强度均呈先增加后降低的趋势，且不同处理间差异达显著水平。2年拔节、抽雄期的玉米

根系伤流强度W₃较其他处理分别高6.58%~44.34%、1.30%~37.20%（2022年）和2.68%~30.89%、6.67%~29.61%（2023年）。

2.3　限量补灌对玉米产量构成因素及水分利用效率的影响

由表2可知，不同补灌量处理下玉米经济产量存在显著差异（P<0.05），且补灌量对玉米经济产量的响应存在阈值效应。2022年W₃和CK的经济产量分别较其他处理高2.36%~31.63%和3.52%~33.11%，生物产量分别较其他处理高5.44%~14.07%和0.51%~14.66%；2023年W₄和CK的经济产量分别较其他处理高2.60%~28.96%和2.64%~32.37%，生物产量分别较其他处理高3.38%~9.93%和0.54%~10.52%；2年产量由高到低均为CK>W₃/W₄>W₂>W₁，其中2022年W₃>W₄，2023年W₄>W₃。2年的收获指数均表现为除W₁显著低于W₄外，其余处理间无显著差异。不同补灌量对玉米水分利用效率（WUE）存在显著影响，且WUE随补灌量的增加呈抛物线型变化趋势。2022年，W₃玉米WUE较W₁高23.17%（P<0.05），较W₂、W₄和CK分别高12.67%、5.14%、3.35%，各处理由高到低为W₃>CK>W₄>W₂>W₁。2023年，W₃较W₁高13.88%（P<0.05），较W₂、W₄和CK分别高7.41%、4.61%、5.67%，W₄较CK高1.01%，各处理由高到低为W₃>W₄>CK>W₂>W₁。

2.4　玉米经济产量和水分利用效率与土壤水分、根系和产量构成因素的相关性分析

由图9可知，2022年玉米经济产量（Y）与根长密度（RLD）、收获指数（HI）均呈极显著正相关（P<0.01），与土壤含水率（WC）、贮水量（WSC）、耗水量（HWC）、根表面积密度（HSD）和根系伤流强度（RWFI）均呈显著正相关（P<0.05）；水分利用效率（WUE）与HSD、RWFI、HI呈显著正相关（P<0.05）。2023年Y与HWC、RWFI均呈极显著正相关（P<0.01），与千粒重（TGW）、生物产量（BY）和HI均呈显著正相关（P<0.05）；WUE与其他指标无显著相关。

2.5　玉米产量影响因素的综合分析

由图10可知，2022年，WUE、WSC、RWFI和HSD是影响玉米经济产量的关键指标，且WUE对玉米经济产量的影响达极显著水平（P<0.01）；而根长密度（RLD）与玉米经济产量呈负相关。2023年，RLD、RWFI和HSD是影响玉米经济产量的关键指标；而土壤含水率（WC）、WSC、根重密度（RWD）均与经济产量呈负相关。

3　讨 论

3.1　限量补灌对土壤水分的影响

土壤水分是影响玉米生长发育的主要环境因子，对玉米根系发育、光合作用、养分吸收转运、植株水分平衡等具有重要的调控作用^［20］。充足的水分供应是植株挺立、叶片舒展的重要保证，也是促进玉米生长、获得较高经济产量的必要措施^［21］。水分作为土壤重要组成部分，其分布和含量的变化可反映植株对水分的利用情况^［22］。本研究结果表明，在整个生育时期和土层垂直分布上，土壤含水率和贮水量均随着补灌量的增加呈单峰曲线变化趋势，且部分处理间存在显著差异（P<0.05），在抽雄期和>20—40 cm土层达最大值。总体上来看，补灌量不同，不同土层的土壤含水率也不同，从而致使土壤贮水量和耗水量也不同，这与宇宙等^［23］研究结论一致。张昊等^［24］研究表明，膜下滴灌玉米产量与全生育期补灌量、耗水量均呈显著正相关。本研究中，随着补灌量的增加，土壤含水率、贮水量和耗水量均呈持续上升趋势，而玉米经济产量呈先增加后平稳的趋势，这也与张昊等^［24］的研究结论基本一致。本研究中，1 500 m³/hm²补灌量处理（CK）的0—60 cm土层土壤含水率均高于其他处理，尤其在拔节期、抽雄期、灌浆期表现突出，这种垂直分布特征与曹永强等^［25］的研究结果有所不同，其原因在于本研究采用生育期动态补灌策略，在拔节期、抽雄期、灌浆期分阶段分次补灌，而曹永强等^［25］的研究中采用的是均质灌溉，且本研究中CK的高补灌量可有效促进深层水分储存。姚小英等^［26］研究表明，当土壤含水量超过田间持水量时，重力驱动的渗透过程会受到饱和导水率的限制，土壤贮水量变化主要与作物吸水、蒸腾和田间蒸发有关，随着补灌量的增加土壤贮水量呈单峰变化趋势，而本研究中CK的土壤贮水量高于其他处理，首先是因为CK的补灌量最高，其次本研究30—60 cm土层的土壤过于坚硬，导致水分下渗困难。土壤耗水量主要包括降水量、灌水量和土壤贮水消耗量^［27］，本研究结果表明，玉米耗水量在苗期较低，在关键生育时期较高，而到成熟期快速降低。补灌量对整个生育期的耗水量有显著影响，在整个生育期内，随着灌水的增加，玉米的耗水量显著增加，这与李英等^［28］、刘战东等^［29］研究结果基本一致。

2023年因降水量锐减（2022和2023年8月份降水量分别为339.60和57.00 mm），致使2023年处理间和纵向分布上的差异均大于2022年；而2022年灌浆期因集中降水导致补灌效应弱化，对土壤水分和作物生理机制的调控效能衰减，同时对水分空间的分布也趋于相同。梁哲军等^［30］研究表明，玉米的水分利用效率（WUE）随灌水定额的增加先迅速上升，当灌水定额增加到作物需求的阈值后WUE呈下降趋势。本研究结果表明，玉米水分利用效率随补灌量的增加表现为先升后降，其中W₃ （1 200 m³/hm²）的WUE均高于其他处理。整体来看，土壤贮水量和耗水量均呈现出随补灌量的增加而增大的趋势，这与作物耗水息息相关，且增加补灌量可有效提升作物经济产量，但超过一定限度则对经济产量无显著提升作用。

3.2　限量补灌对玉米根系的影响

根系是土壤-植物-大气连接体的关键部分^［31-32］，也是研究水分传输和运移的主要器官，土壤水分作为玉米生长发育的关键环境因子，通过调节根系构型、叶片气孔导度和木质部导水率等生理过程均显著影响植株水分平衡状态及光合-蒸腾耦合效率^［33］。水分胁迫可促进玉米根系发育，尤其是前期进行胁迫，可提高玉米对水分和营养的高效利用，而苗期玉米对水分的需求并不高且抗旱能力也很强，所以，干旱胁迫对其生长及后期生物量积累的影响较小^［34-35］。本研究结果显示，0—20 cm土层的玉米根长密度、根表面积密度和根重密度均随着补灌量的增加而增加，>20—100 cm土层中表现为随着补灌量的增加而减小，其原因在于补灌量越大的处理土壤中含水量相对较高，根系向下深扎的必要性减小^［36］，与邹海洋等^［37］研究结论相似。在不同的生育时期和不同的灌溉措施下，根系会偏向有利于生长的区域伸长，并且随着灌溉量的降低，根系的直径也会逐渐变小，这说明，水分是关联作物生长的关键因子之一，不同的灌水处理，不仅能够影响作物的生理指标，而且会使根系对生长环境进行感知并做出适应性调整；干旱对玉米根系生长的影响是一个极其复杂的过程，并且干旱程度不同对玉米根系生长的影响也不尽相同，虽然根系随土层的加深逐渐减少，但适度干旱可以促使根系向深层土壤生长，这也是玉米为满足自身生长需要对外界环境表现出的一种适应性，但过度和长期的干旱不利于根系的生长发育，容易使根系变得纤细、生命力不强^［38］。在玉米生长过程中，减少补灌量对玉米生长发育的抑制作用显著，而且随着干旱程度的加重，其抑制效果也会随之增强，因此，在适宜范围内减少补灌量对于玉米根系的深扎和扩散具有积极作用^［39］。

作物根系的生理活性与其所在区域的气温、土壤温度、水分等有很大的相关性^［40］，因此，根系伤流强度是衡量根系对水分和养分吸收能力的1个重要指标^［41］。陆大克等^［42］研究认为，改善灌溉方式，增加灌溉量对水稻根系生长具有促进作用，这是由于单位面积土壤可供作物吸收的水分是有限的，过高的灌溉量反而会抑制根系的生长发育。本研究结果与陆大克等^［42］的基本一致。本研究表明，W₃（1 200 m³/hm²）处理根系的伤流强度显著高于CK和W₁，与W₄无显著差异，这说明W₃处理对玉米植株养分和水分的吸收、运输具有积极作用，并可以保持较高的水分和养分利用效率。

4　结 论

在玉米生育进程中，各处理土壤含水率、贮水量和耗水量均随生育进程呈单峰曲线变化，抽雄期达峰值；垂直剖面上则形成"低-高-低"分布特征，>20—40 cm土层持水能力最强。0—100 cm土层内，玉米根系的分布特征表现出层次性，主要集中在0—20 cm土层中，根系总量占比为60%~80%，且根系密度随着土层深度延伸而急剧减少；随着补灌量的增加，0—20 cm土层的根系密度呈上升趋势，而>20—100 cm反之。W₃的玉米伤流强度最高，较其他处理高1.28%~30.72%，水分利用效率较其他处理高3.37%~23.17%，且产量稳定。根据玉米产量影响因素的综合分析得出，水分利用效率和根系密度是影响玉米产量的关键指标。综上，在内蒙古黄土高原区，玉米整个生育期最佳补灌量为1 200 m³/hm²。

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