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根系形态重塑介导的“水分互补”:中国农业大学杜太生团队揭示调亏灌溉提升玉米-大豆间作水分利用效率的关键机制

  • 2026-10-23 09:21:17
根系形态重塑介导的“水分互补”:中国农业大学杜太生团队揭示调亏灌溉提升玉米-大豆间作水分利用效率的关键机制

编译/责编: 刘贺埕  检索/统筹: 邵瑞鑫

研究背景

玉米-大豆间作是典型的资源集约型农业种植模式,因种间根系生态位重叠引发的资源竞争问题,成为制约该系统生产力提升的核心瓶颈,如何通过农艺措施优化种间水分互补性、降低根际竞争,进而提升水分利用效率,是干旱半干旱区农田节水增效与可持续集约化生产领域的研究重点。调亏灌溉可依据作物需水规律调控灌溉量,被证实能提升单作作物水分利用效率,但该技术在间作系统中的应用仍受种间根系与生态位互作复杂性的限制,调亏灌溉如何调控玉米-大豆种间根系互作、介导土壤水分再分配,以及根系形态重塑与种间水力补偿对水分利用效率的驱动机制仍不明确。近日,中国农业大学杜太生教授团队在《Field Crops Research》在线发表了题为 “The proliferation of maize deep root systems is beneficial for enhancing the water use efficiency of the maize-soybean intercropping system” 的研究论文。该研究通过两年田间定位试验,结合根系形态分析、土壤水分监测与生理生态指标测定,系统解析了“玉米充分灌溉+大豆调亏灌溉”的调亏灌溉策略重塑玉米-大豆种间根系互作、驱动种间水分互补利用的关键机制,明确了玉米深层根系增殖与根际空间生态位叠加效应对提升系统水分利用效率的核心作用,为水分限制区玉米-大豆间作系统的节水灌溉管理与可持续集约化生产提供了全新的理论支撑与实践路径。

材料与方法

本研究以玉米-大豆间作体系为研究对象,在甘肃武威绿洲农业高效用水野外科学观测站开展2023-2024年两年田间定位试验,设置常规全灌溉、玉米充分灌溉+大豆调亏灌溉、玉米调亏灌溉+大豆充分灌溉、双作物调亏灌溉四种灌溉处理,并配套无根系屏障、尼龙网根系屏障、塑料膜根系屏障三种根际互作处理,结合土壤钻取样、FDR土壤水分监测、根系扫描分析等技术手段,运用主成分分析、结构方程模型等统计方法,系统解析了调亏灌溉下玉米-大豆种间根系形态特征、土壤水平向运移规律、根际水分互作利用过程,以及根系性状与水分利用效率的耦合调控机制。

图1 田间试验设计示意图

结果与分析

1.不同灌溉处理对玉米、大豆根组织密度(RTD)的影响

玉米在R3生育期,MSW2处理下根组织密度显著高于常规全灌溉处理,深层土壤中增幅尤为明显;大豆在调亏灌溉下表层根组织密度显著降低,而深层根组织密度在生育前期出现阶段性升高。根组织密度的差异化响应,是玉米、大豆适应调亏灌溉的核心根系形态调控机制,玉米通过提升深层根组织密度增强水分吸收能力,大豆则通过根组织密度的时空重构实现干旱适应与资源竞争规避。
图2 不同灌溉方式对玉米和大豆根部组织密度(RTD)的影响
2.不同灌溉处理对玉米、大豆根质量比(RMR)的影响
MSW2处理下玉米表层根质量比显著高于其他处理,深层根质量比在灌浆期也呈升高趋势,而大豆表层根质量比显著降低、深层根质量比呈生育期阶段性波动。根质量比的时空分异,反映了调亏灌溉下玉米 - 大豆种间根系生态位的重构,玉米通过提升根质量比占据根际资源竞争优势,大豆则通过根质量比的层间调整实现与玉米的水分利用互补,减少种间直接竞争。
图3 不同灌溉方式对玉米和大豆根系质量比(RMR)的影响
3.不同灌溉处理对玉米、大豆比根长(SRL)的影响
玉米在调亏灌溉下深层土壤比根长显著提升,MSW2 处理下灌浆期比根长保持稳定且显著高于其他亏水处理;大豆在调亏灌溉下表层比根长降低,而深层比根长在生育后期显著升高。比根长的层间差异化变化,是作物根系适应水分异质性的关键策略,玉米通过稳定的比根长保障水分吸收效率,大豆则通过深层比根长的提升拓展水分吸收空间,二者协同实现种间水分利用的时空互补。
图4 不同灌溉方式对玉米和大豆特定根长(SRL)的影响
4.不同灌溉处理对玉米、大豆表层根氮密度(RND)的影响
MSW2处理下玉米灌浆期根氮密度显著高于其他处理,而大豆在调亏灌溉下根氮密度整体降低,生育前期降幅最为明显。根氮密度的差异化响应,与种间氮素竞争和根系代谢调控密切相关,玉米通过提升根氮密度增强根系生理活性与水分吸收能力,大豆则通过降低根氮密度减少氮素消耗,适配调亏灌溉下的水分胁迫环境,同时间接缓解种间氮素与水分的双重竞争。
图5 不同灌溉方式对玉米和大豆在表层土壤中的根部氮密度(RND)的影响
5.玉米-大豆行间土壤水平向水分梯度(HSWG)变化趋势
MSW2 处理下土壤水平向水分梯度始终保持稳定且多为正值,生育后期趋近于零,而其他亏水处理的水分梯度呈显著正负波动。稳定的水分梯度是调亏灌溉下种间水分互补的直观体现,MSW2处理通过重塑根系互作,使土壤水分从大豆带向玉米带有序运移,且后期达到动态平衡,避免了水分的过度竞争与无效消耗,保障了两作物的正常水分供给。

图6 玉米与大豆行间土壤水分梯度的变化情况

6. 不同处理下玉米-大豆的籽粒产量与经济产量
MSW2 处理下土壤水平向水分梯度始终保持稳定且多为正值,生育后期趋近于零,而其他亏水处理的水分梯度呈显著正负波动。稳定的水分梯度是调亏灌溉下种间水分互补的直观体现,MSW2处理通过重塑根系互作,使土壤水分从大豆带向玉米带有序运移,且后期达到动态平衡,避免了水分的过度竞争与无效消耗,保障了两作物的正常水分供给。

图7 不同处理下的粮食产量和经济产量

7. 间作体系土地当量比(LER)、水分当量比(WER)与竞争能力(Ams)
MSW2处理下水分当量比(WER)显著高于常规全灌溉与其他亏水处理,土地当量比(LER)保持较高水平且无显著降低,玉米种间竞争能力(Ams)显著提升。高WER与稳定LER反映了该调亏策略实现了土地与水分资源利用效率的协同提升,玉米竞争能力的适度增强,是种间根系互作从“强竞争”向“互补利用”转变的核心特征,保障了间作体系的资源利用优势。

图8 不同处理间作制度的土地当量比(LER)、水分当量比(WER)和竞争能力(Ams)

8. 玉米、大豆根系表型的主成分分析(PCA)
玉米根系表型的主成分分析中,R3 期的比根长、根组织密度、根质量密度为主要贡献因子,累计解释 74% 以上变异;大豆根系表型则以 R1 期根氮密度、R5 期比根长和根组织密度为核心贡献因子,累计解释 54% 以上变异。核心根系性状的高贡献率,明确了调亏灌溉下调控玉米 - 大豆水分吸收与种间互作的关键根系指标,为靶向调控根系形态、提升间作水分利用效率提供了具体靶点。

图9 根表型的主成分分析

9. 根系性状与水分利用效率的结构方程模型(SEM)
根水分利用效率(RWUE)对水分利用效率(WUE)和灌溉水利用效率(IWUE)均呈极显著正效应,且主要由玉米根系性状驱动,大豆根系性状呈负效应,玉米与大豆根系间存在显著负向互作。该模型揭示了调亏灌溉下间作体系水分利用效率的核心调控路径:玉米根系性状通过提升根水分利用效率,正向驱动整体水分利用效率提升,而大豆根系的负效应与种间根系的负向互作,是种间水分互补利用的重要调控机制,避免了根系的过度竞争。

图10 SEM描述了玉米根系性状在R3 (SRL, RTD, RMD),大豆根系性状在R1 (RND)和R5 (SRL, RTD), RWUE, WUE和IWUE之间的关系

结论

本研究在玉米 - 大豆间作体系尺度上首次系统解析了调亏灌溉介导根系形态重塑驱动种间水分互补利用、提升系统水分利用效率的完整机制。更重要的是,研究从田间定位试验与根际互作调控层面,阐明了 “玉米充分灌溉 + 大豆调亏灌溉” 策略兼具 “根系空间生态位重构” 与 “种间水力补偿激活” 的双重功能:一方面,该策略定向诱导玉米深层根系增殖,提升根组织密度、根质量比等核心根系性状,重塑种间根系空间分布,减少表层根际资源竞争;另一方面,通过调控土壤水平向水分梯度动态变化,激活玉米对大豆根区亚表层水分的高效利用,实现种间水分的时空互补与有序分配,最终在减少灌溉量和蒸散量的前提下,维持系统产量稳定并显著提升水分利用效率与经济收益。未来,农业节水与作物栽培研究团队将持续深化根系形态 - 土壤水分 - 种间互作的耦合机理研究,构建基于根际靶向调控的间作体系节水增效理论体系,创制适配滴灌系统的调亏灌溉智能调控技术与田间管理方案,实现玉米 - 大豆间作的水分精准调控、资源高效利用与产量经济双提升,加速推动该技术在西北干旱半干旱区及全国水分限制区的成果转化与示范应用,为旱区农业节水减排、耕地质量提升与农业可持续集约化生产提供坚实理论依据与科学支撑。

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