根系不仅是植株养分吸收和氨基酸、激素等微量活性物质合成与转化的重要器官,而且对作物的产量有着重要的影响,根系受品种遗传特性和环境条件的影响很大^{[1, 2]}。滴灌是局部灌溉技术,具有土壤湿润区域小、灌水频繁等特点,是一种重要的节水灌溉技术^{[3, 4]}。大豆根系呈倒钟形分布在土壤中,其中85%的根干质量集中分布在0~10 cm土层^{[5, 6]}。健硕的根系,能够增加单位面积总花数,提高腔花比值[(粒数+空腔数)/总花数],增加单位面积总腔数(粒数+空腔数)、总粒数和粒质量^[7]。强大侧根能增加大豆总根长,而总根长与籽粒产量呈正相关^[8]。大豆根系对产量形成的影响是通过根系生长对花、荚、粒的形成而逐步实现的。目前,有关大豆根系生长与产量关系的研究仅限于探索不同生育时期根系形态、生理指标与产量的相关性,缺乏根系生长与花、荚形成关系的系统分析。本研究在田间条件下研究了不同滴水量对大豆品种‘新大豆27’根系生长与开花、结荚进程及产量的关系,为大豆节水高产栽培提供理论依据。

试验于2014年在新疆伊宁县农业科技示范园区(萨地克于孜乡)进行。试验地为砂土,0~20 cm土层土壤有机质12 g • L^-1、碱解氮72.7 mg • kg^-1、速效磷18.2 mg • kg^-1、速效钾75.0 mg • kg^-1,前茬为玉米。于翻地前施磷酸二铵150.0 kg• hm^-2,4月5日抢墒人工开沟条播,行距按宽行50 cm、窄行30 cm配置,4月28日出苗;5月8日于第1片复叶全展时定苗,理论留苗数25万株 · hm^-2;定苗后田间铺设毛管,毛管按“1管2行”配置,毛管位于窄行中间;6月9日开花,6月19日滴头水;分别在第1、2次滴水各滴入尿素150和200 kg• hm^-2,累计滴施尿素350 kg• hm^-2;人工除草3次,8月26日、30日,9月10日、16日完全成熟时收获。其他管理均与大田相同。供试大豆品种为‘新大豆27’。

试验设900(W₁)、1 725(W₂)、2 550(W₃)和3 375 m³ • hm^-2(W₄)滴水处理,各处理在田间按顺序排列,每小区长10.0 m、宽3.2 m(8行),面积32.0 m²,重复3次,处理间留80.0 cm的隔离带。用水表控制滴水量,具体滴水日期和滴水量见表 1。大豆生育期间,8月中旬平均气温较平常年份偏低,旬累计降雨量则偏多,具体4月至9月各旬平均气温及旬累计降雨量见图 1。

	图 1 旬平均气温和旬累计降雨量 Fig. 1 Ten-days average temperature and cumulative rainfall 气象数据来源于新疆维吾尔自治区气象局。Meteorological data comes from Xinjiang Uighur Prefecture Weather Bureau.
图选项

自始花期前每隔7 d用土钻对各处理小区的宽行中间0~40 cm土层分层(每20 cm一层,共分2层)取样,烘干法测定土壤含水量,重复2次,在灌水前、后12 h左右各处理加测1次含水量。

自始花期开始,分别选取各处理生长一致具有代表性的连续8株挂牌,每隔1 d调查记载主茎各节的开花数量,直至植株开花结束,并统计单位面积的总花数;自始荚期每隔4 d调查1次主茎各节的成荚动态,直至成荚数稳定。

自始花期前,每10~15 d,选取连续5株于20:00将大豆植株自子叶节处剪断,在根部套上内具脱脂棉且已称量的离心管,次日8:00(12 h后)将离心管收回并称质量,计算伤流势;然后采用沟壕法取出体积为0.016 m³[0.4 m(长为宽、窄行的1/2处之和)×0.2 m(宽)×0.2 m(深为每20 cm一层)]的植株根样,2次重复;将根样冲洗干净后,把主根和侧根分开,105 ℃杀青30 min,80 ℃下烘至恒质量,用感量0.1 mg的电子天平称量主、侧根质量,计算侧根长。

根干质量密度(g • m^-3)=单位体积内根系干物质量(每20 cm为一层)。

侧根长密度(m • m^-3)=单位体积内侧根长度(每20 cm为一层)。

根系生长量(g • m^-2)=单位面积内0~80 cm土层根系干物质量(始荚期)-单位面积内0~80 cm土层根系干物质量(始花期)。

侧根长度增长量(m • m^-2)=单位面积内0~80 cm土层侧根长度(始荚期)-单位面积内0~80 cm土层侧根长度(始花期)。

花期伤流势(g • m^-2 • 12 h^-1)=1/2(L₁+L₂)×(t₂-t₁)。式中:L₁和L₂分别为始花期、始荚期的伤流量;t₁和t₂分别为始花期、始荚期的测定时间。

成熟期收获,实收中间4行(1.6 m×3 m=4.8 m²),人工脱粒称质量,随机称取100 g在80 ℃烘至恒质量,计算含水量;最终折合成13.5%的含水量。连续取具有代表性植株20株,测定荚数、粒数,并测定各处理百粒质量,计算产量。

采用SPSS 19.0进行数据分析,用Excel 2013和SigmaPlot 12.5软件绘图。

由图 2可见:处理间0~40 cm土层含水量在滴水前、后差异均显著,随着滴水量增加,土壤含水量的上、下限呈增加趋势;40~60 cm土层含水量“谷、峰”随滴水量的增加变化较为显著,变化从大到小的处理依次为W₄、W₃、W₂、W₁;80~120 cm土层土壤含水量呈下降趋势。8月中旬降雨只对0~20 cm土层有影 响,其余土层均无变化。增加滴水量直接增加0~40 cm 土层的含水量,明显减少大豆生育后期60~120 cm土层的贮水消耗量,并以80~120 cm土层的贮水消耗降幅最大。

	图 2 各处理土壤含水量的变化 Fig. 2 Changes of soil water content under different drip water treatments
图选项

由图 3-A可见:根系总干质量随生育进程后移而不断增加,于7月28日达峰值后下降。自7月10日以后处理间根系总干质量差异达显著水平。W₃和W₄处理分别较W₁处理多19.7%、31.0%。0~20和20~40 cm土层根干质量密度从大到小的处理依次为W₄、W₃、W₂、W₁(图 3-B和C),40~60 cm和60~80 cm土层根干质量密度从大到小的处理为W₄(W₃)、W₁(W₂)(图 3-D和E)。增加滴水量,显著增加总根质量主要是0~40 cm土层根干质量增加的结果。

	图 3 各处理不同土层大豆总根干质量(A)和根系干质量密度(B~E)的变化 Fig. 3 Changes of soybean total root dry weight(A)and root dry weight density(B-E)in different soillayers
图选项

总侧根长度于7月28日达到峰值后迅速衰减,处理间自6月29日后差异显著,总侧根长度从大到小的处理依次为W₄、W₃、W₂、W₁(图 4-A):0~20 cm和20~40 cm土层根长密度从大到小的处理依次为W₄、W₃、W₂、W₁(图 4-B和C),40~60 cm和60~80 cm土层根长密度从大到小则为W₄(W₃)、W₁(W₂)。增加滴水量,显著增加总根长主要是0~40 cm土层根长增加的结果。

	图 4 各处理0~80 cm土层大豆总侧根长(A)和侧根根长密度(B~E)的变化 Fig. 4 Changes of soybean total lateral root length(A)under different treatments in 0-80 cm soil layer and lateral root length density(B-E)in different soil layers
图选项

由图 5-A和B可见:自6月24日后处理间开花数存在显著差异,6月26日开花数从多到少的处理依次为W₁、W₂、W₃(W₄),6月28日至7月2日的日开花数从多到少的处理为W₄(W₃)、W₂(W₁);主茎第1~9节开花数处理间无差异,第10~15节的开花数从多到少的处理为W₄(W₃)、W₂(W₁)。7月4日和8日的单株成荚数从多到少的处理为W₁(W₂)、W₃(W₄),W₁和W₂的单株成荚数在7月21日达到最大值,而W₃和W₄则在7月26日达到最大值(图 5-C)。增加滴水量,延长开花期和结荚期,增加开花数是第10~15节开花数增加的结果;推迟始荚期、提高始荚节位、增加主茎中上部节的成荚数导致单株成荚数显著增加。

	图 5 滴水量对单株开花和成荚过程的影响 Fig. 5 Effect of irrigation amount on flowering and podding process per plant A、B分别表示单株开花的时空分布图;C图中图例3~15表示结荚节位。 A and B represent space-time distribution of plant flowering;Legend 3-15 represent pod section position in C.
图选项

总花数(Y₁)与花期根干质量增量(图 6)(X₁)、根系侧根长度增量(X₂)(图 7)、花期根系伤流势(图 8) (X₃)分别符合直线回归方程Y₁=22.547X₁+938.46(R²=0.801 2)、Y₁=1.433X₂+2 456.8(R²=0.743 1)、Y₁=10.247X₃+2 267.8(R²=0.286 5);总荚数(Y₂)与花荚期根干质量增量(X₄)、根系侧根长度增量(X₅)、花荚期根系伤 流势(X₆)分别符合直线回归方程Y₂=4.585 7X₄+264.6(R²=0.900 1)、Y₂=0.549 8X₅+551.1(R²=0.805 4)、 Y₂=0.679 5X₆+674.04(R²=0.970 8)。花荚期根干质量和长度增加量及根系伤流势均与成荚数呈显著的正相关关系。

	图 6 根干质量增量与花和荚的关系 Fig. 6 The relationship of root dry weight growth between flowers and pods
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	图 7 侧根长度增量与花和荚的关系 Fig. 7 The relationship of lateral root length between flowers and pods
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	图 8 根系伤流势与花和荚的关系 Fig. 8 The relationship of root bleeding potential between flowers and pods
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由表 2可见:处理间单株荚数、单株粒数、百粒质量及产量差异均达显著水平。且均随滴水量的增加而增加。W₄处理的产量(5 483.6 kg• hm^-2)比W₁处理(3 080.5 kg• hm^-2)增加78.0%,W₄处理的单株荚数、单株粒数、百粒质量分别比W₁增加15.9%、20.3%、38.2%。增加滴水量明显增加单株荚数和粒数及百粒质量是增产的原因。

强大侧根会增加大豆总根长,而总根长与籽粒产量呈正相关^[8]。增加花荚期滴水量能显著促进根系生长,提高产量^[9]。超高产大豆品种的根系活力、根系伤流量、根系干质量在V₃期较低,但在R₁~R₆期极显著高于普通大豆^[10]。开花期、结荚期和鼓粒期干旱对产量影响最大^[10]。有关根系与产量的研究,还会受到取样方法、耕作方法等条件的影响^[11]。本研究结果表明,根系快速增长期与开花、结荚期同步,增加滴水量,在促进0~40 cm土层根系生长的同时,也会增加单株开花数和结荚数,增加粒数,从而提高产量。

单位面积上的花数、荚数与产量关系密切。超高产大豆品种的一个重要特征是在单位面积上形成较多荚数和粒数^[12]。单位面积荚数是决定大豆籽粒产量高低的最重要因素。而增加花数是增加荚数,最终增加大豆产量的最主要途径^[13]。本研究结果表明:根系快速生长与花荚形成同步,根系干质量和根长的80%以上都是在花、荚期形成的。形成深广的根系,以吸收充足养分和水分供给地上部生长,形成足够的花、荚数,从而为大豆高产奠定基础。增加滴水量,在促进根系生长的同时,也增加单位面积的花数、荚数和粒数,荚数和粒数的增幅大于花数,是由于盛花期灌头水时,植株绝大部分的花已开放完毕的结果。大豆根系生长与花荚形成的关系密切,花荚期增加滴水量促进根系健壮生长,进而增加单位面积的花数、荚数、粒数,这是增产的重要原因。这也可能是在开花期和结荚期水分亏缺对产量的影响较大^{[14, 15, 16]}的重要原因。本研究数据量偏少,仅是初步研究结果,有关根系生长与花、荚形成的关系有待深入探讨。