作物根系与抗旱性关系及水分利用的重要性

Passioura（1977）在论述根系与抗旱性关系时，认为“抗旱性”一词是一个很模糊的概念。植物是否抗旱与其一些生理和形态特征相关联，如Kramer（1969）提到的“深的、向大范围生长的、多分枝的根系如高粱”是抗旱作物的一个主要特征。但作物与植物的区别在于，植物在干旱环境中首要的任务是生存下去，而对于作物，不仅要生存下去，而且要生产出一定的产量。

作物产量的形成与总耗水量并不是一个线性关系，特别是对于旱作物，产量既取决于作物的总耗水量，也依赖于这些水在作物生长期间的分配，可用下式表示

Passioura（1977）的试验表明式（3-1）右边的三个变量基本上是相互独立的。如果灌同样的水，一种是每次灌少量的水，在作物生长期间多次供给；另一种是所有的水分在播种时全部供给，结果表明收获指数在很大程度上受到灌水方式的影响。前一种获得很好的收成，所以收获指数与总灌水量的关系并不是很好。

从式（3-1）也可以看出，如果增加作物的经济产量，方法可有三种：一是增加作物的总耗水量；二是提高作物的水分利用效率；三是提高作物的收获指数。而这些因素均与作物根系对土壤水分的利用密切相关。

（一）通过根系增加土壤储水的可利用量

在干旱条件下，作物的生物量会随着总蒸腾量的增加而增加（De Wit，1958；Tanner和Sinclair，1983等），因此在干旱条件下增加根系对土壤水分的吸收利用能力，能够促进地上部分的生长。根据根系对土壤水分的吸收特点，增强土壤水对作物有效性的方法可归结为如下几个方面：

（1）增加根系所占的土壤体积，扩大根系对土壤水分的利用吸收范围。

（2）增加单位土壤体积中的根系生长，以增加根系对土壤水分的吸收能力。

（3）增加单位根长对水分吸收的速率。

（4）减少水分在土壤和根系中流动的阻力。

（1）和（2）可以通过调节根系的生长而实现，（3）和（4）可通过增加土壤水分传导速率、调节作物的一些生理特点而取得。

（二）提高作物的水分利用效率

1.提高根系对表层土壤水的利用能力

在作物生长期间，作物可利用的水分是播种时土壤剖面储存的水和生长期间的降水和灌水，但这些降水或灌水一部分可能从地表作为径流而损失，另一部分可能从根层渗漏出去，而不能被作物利用。另一主要不能为作物利用的水量是棵间蒸发，棵间蒸发量在作物一生中占有很大比例。如表3-1所示，不同作物棵间蒸发量占总蒸散量的比例，农田蒸散发中大约有1/3的水分是无效棵间蒸发失水，因此减少棵间蒸发失水是提高土壤水分利用效率的一个重要途径。

表3-1　不同作物棵间蒸发占总蒸发量的比例

(www.xing528.com)

注 资料引于文献[5]我国华北地区栾城站。

棵间蒸发失水速率除了受大气条件的影响外，主要受表层土壤含水量和叶面积指数的影响，棵间蒸发所占农田蒸散的比例随着表层土壤含水量的降低和叶面积指数的增大而减少，并可用一个关系式来表示（刘昌明、张喜英等，1998）

式中 E、ET——叶面积指数在3左右时冬小麦棵间蒸发量和农田蒸散量；

θv——0～10cm土壤含水量。

式（3-2）表明在叶面积指数一定时，蒸发占蒸散比例主要受土壤表层含水量影响。当叶面积指数小，灌水或降水后，土壤表层很湿，农田土壤水分散失将主要是棵间蒸发耗水，因此提高根系对这部分土壤水分的吸收速率，将减少棵间蒸发损失。式（3-2）来源于华北地区，各地引用时可做适当修正。

（1）提高表层土壤根系吸水能力。一般作物的根系分布是上层中土壤根量占总根量的绝大部分，根系的这种分布有利于尽快吸收土壤上层的水分。与蒸发失水进行竞争。但是有些条播作物和穴播作物，行上和行间根长密度差异很大，如玉米，行间表层土壤基本无根系存在，导致行间表层土壤水分基本上是蒸发耗水损失，因此增加行间上层土壤中根系生长，是减少蒸发失水的一个重要措施。

促进根系生长的方法很多，如耕作、施肥、灌水等，在这些方法中通过局部施肥可显著增加行间根系的生长，其他方法如耕作疏松土壤，也可以促进根系的生长；另外在播种时，使作物在田间分布均匀，也可以使表层根长密度分布合理，促进根系多利用表层土壤水分。

（2）降低棵间蒸发失水速率，促进根系吸水。通过物理或化学的方法，减少棵间蒸发，那么根系对表层土壤水分的利用量就会增加；减少土壤蒸发失水的方法很多，如中耕锄划、留茬播种、秸秆覆盖、沙盖、喷洒化学药剂等，均能减少土壤蒸发，而其中的作物秸秆覆盖是减少土壤蒸发、增加降水入渗、改良土壤的有效途径之一。

2.提高单位耗水生产的干物质量

不同作物之间由于蒸腾效率差异明显，蒸腾同样的水分形成的干物质量也不相同，因此种植不同作物会形成不同的水分利用效率，如表3-2所示，在相同的条件下，夏玉米水分利用效率高于其他作物，大豆和棉花较低。

表3-2　不同作物水分利用效率差异

（三）提高作物收获指数

对于最终要收获的粮食作物，地上部分经济产量占生物产量的比例（收获指数）影响着经济产量，一般情况下随着收获指数的提高，产量也随着增加。收获指数的大小与作物生育期间水分供给有密切关系，收获指数与开花后水分消耗占生育期总耗水量的比例有关，因此对于旱作物，水分消耗在作物整个生育期间的分配应趋向合理，控制作物早期根系过多地吸收利用土壤储水，保留一些土壤水分用于作物的生殖生长阶段，更有利于经济产量的形成。通过控制苗期根系过快地向深层土壤中生长或增加苗期根系吸水阻力是减少过快利用土壤储水的途径。对于灌溉作物，供水时间和供水量、次数等均影响作物地上部分干物质的形成和光合产物向经济产量的转化，制定高效、经济的供水制度，提高收获指数也是提高农田水分利用效率的一个重要方面。

总之，可通过以下几方面对根系进行调控，最终提高产量和土壤水分利用效率：一是控制根系形态增加土壤对作物的可利用水量；二是管理根系，使生长季节的有效水分供给趋向合理；三是调节根系在土壤上层的分布，变土壤棵间蒸发为蒸腾耗水。