华北平原冬小麦近三十年根系生长与吸水变化对产量及水分生产率提升的关键作用解析

在华北平原，冬小麦（Triticum aestivum L.）和夏玉米（Zea mays L.）的一年两熟制消耗大量灌溉水，导致地下水资源严重下降。为明确根系对冬小麦产量（yield）和水分生产率（WP）提升的贡献，研究人员开展长期灌溉实验。结果表明，减少浅层冗余根系生长、优化根系分布可提高产量和 WP。该研究为农业生产提供重要参考。

　　在华北平原，这片承载着中国重要粮食生产使命的土地上，冬小麦和夏玉米组成的一年两熟制，每年都消耗着大量的灌溉用水。长期如此，导致该地区地下水资源急剧减少，这无疑给当地的农业生产敲响了警钟。为了维持作物产量的同时减少用水，科学家们一直在探索各种方法。在众多影响作物生长的因素中，根系的作用至关重要。它不仅是植物吸收水分和养分的关键器官，还对作物的整体生长和产量形成有着深远影响。然而，以往人们对根系生长和分布变化如何影响冬小麦产量和水分生产率的了解并不充分。因此，开展这项研究就显得尤为迫切，它将为农业生产提供关键的理论支持和实践指导 。

中国科学院栾城农业生态实验站的研究人员肩负起了这一重任，开展了一项为期多年的长期灌溉实验。他们通过对 1992 - 2023 年冬小麦生长情况的持续监测和分析，得出了一系列重要结论。这些结论揭示了根系生长和吸水变化与冬小麦产量和水分生产率之间的紧密联系，为实现农业的可持续发展提供了重要依据。该研究成果发表在《Agricultural Water Management》杂志上，引起了广泛关注。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们利用标准气象站记录气象因素，包括降雨、温度等，通过 Penman - Monteith 方程计算参考作物蒸散量（ET_o）。其次，采用特定的采样和分析方法，定期监测土壤养分含量、容重以及不同深度的土壤含水量。再者，通过手动土壤钻孔采样获取冬小麦根系样本，测定根长、干重等指标，进而计算根长密度（RLD）和根冠比（R/S）等参数。同时，在不同生长阶段监测作物的生物量积累和产量相关指标，并运用水均衡方程计算作物蒸散量（ET_{c act}）和水分生产率（WP）。

研究结果主要从以下几个方面展开：

1. 生长条件变化：在 1992 - 2023 年间，冬小麦生长季的平均日温度和日照时数呈上升趋势，参考作物蒸散量（ET_o）增加，而降水量有限，导致冬小麦对补充灌溉的需求增加。土壤养分含量方面，0 - 20cm 土层的无机氮、有效磷等养分变化明显，受施肥等田间管理影响较大；土壤容重也有所变化，20 - 40cm 土层因长期机械耕作而增加，可能影响根系生长。
2. 产量、蒸散量和水分生产率：三种供水条件下，冬小麦产量持续增加，充足供水（AW）条件下产量增幅最大。同时，产量的增长幅度大于 ET_{c act}，使得 WP 提高。地上生物量积累的增加是产量提升的主要因素，而非干物质转化为籽粒的效率。灌溉显著影响作物用水，不同供水条件下 ET_{c act}呈上升趋势，且干旱条件下作物对土壤储水的依赖增强。
3. 根系长度和分布变化：随着生长条件和品种的变化，冬小麦总根长（TRL）在不同供水条件下均有所减少，主要发生在表层土壤（0 - 40cm）。同时，40 - 100cm 和 100 - 200cm 土层的根长有不同程度的变化，且根长密度（RLD）沿土壤剖面呈指数分布，浅层土壤 RLD 下降，而部分中层和深层土壤 RLD 有所增加，这可能增强了根系在缺水条件下获取水分的能力。
4. 根系效率变化的影响：根系系统变小但土壤总储水量（SWD）增加，使得根系吸水效率（RE）提高。同时，冬小麦开花后蒸散量（ET_rep）占总季节蒸散量（ET_{c act}）的比例增加，且根系分布变化影响了这一比例，充足供水条件下更有利于生殖阶段的水分利用，对地上生物量积累有重要影响。
5. 根系效率和根冠比对产量和 WP 的贡献：生殖阶段的水分利用受根系分布调节，显著影响作物产量，尤其是在缺水条件下。较高的深层土壤 RLD 和增加的 RE 有助于提高产量，而根冠比（R/S）在过去三十年下降，且与 WP 呈负相关，表明合理的根系结构和供水条件可提高资源利用率，有利于产量和 WP 的提升。

研究结论和讨论部分指出，土壤养分变化和品种改良对冬小麦产量和 WP 的提升有重要贡献，而根系在这一过程中起到了关键作用。田间管理措施，如施肥、耕作和秸秆还田等，影响了根系分布和效率。在不同环境下，根系通过调整分布来适应土壤水分变化，深层根系在缺水条件下对维持产量稳定至关重要。此外，优化生物量分配，降低根冠比，减少根系碳消耗，有利于提高产量和 WP。这项研究为高投入农业系统中实现高产高效的田间管理和品种选育提供了重要参考，有助于推动半干旱农业地区的可持续发展。