2017, Vol. 25
表1(Table 1)
2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院 杨凌 712100
2. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
根系具有吸收土壤水分与养分的功能, 同时起固定与支撑植株的作用, 是作物最活跃的吸收器官。作物对水分、养分吸收能力以及产量的形成与根系生长关系密切, 同时土壤水分能够影响到植株根系的形态、分布及植株的根冠比[1-2]。前人研究表明, 根系分布与土壤水分存在一定的互反馈关系[3], 高土壤水分能够抑制根系的生长, 降低根系活力, 引起根系提前衰亡[4]; 而水分亏缺在一定程度上促进了根系向下生长, 但引起初、次生根量下降, 无法满足植株需水要求[5]。水分供给不仅在于多少, 还取决于其在土壤剖面的分布状况。水分集中分布于表层土壤会造成根系呈宽浅型分布[6], 不利于根系对深层土壤水分及养分的吸收利用; 深层土壤水分过多, 根系虽在向水特性的驱使下向下生长, 但根系消耗干物质量会增加, 不利于产量的形成[7]。因此, 田间土壤水分分布状态与含量的研究对作物生长及产量的形成具有重要意义。
地下滴灌是通过埋于地下的毛管将水分直接输送至作物根区的一种精准灌溉方式, 该灌溉方式能够有效降低地表无效蒸发并提高植株水分利用效率, 是一种高效节水的灌溉新技术。毛管埋深 (供水深度) 是影响地下滴灌土壤水分运移与分布的重要因素之一, 适宜的毛管埋深能够营造出根区适宜的水、肥、气、热环境[8], 显著影响植株根系形态与分布, 合理分配干物质, 达到最优根冠比, 提高植株水分利用效率[9]。刘玉春等[10-11]试验发现, 毛管埋深能显著影响番茄 (Lycopersicon esculentum Miller) 最大根长密度出现的深度, 随毛管埋深的增加, 深层根系比例也随之增加, 但番茄干物质质量与吸氮量却随毛管增加呈减少趋势。Patel等[12]研究表明, 沙壤土条件下10 cm毛管埋深时充分灌溉是最优的灌溉方式, 能够获取最大收益比。Machado等[13]对番茄研究表明, 在一定灌水下, 毛管埋深对根系根长密度无显著影响, 但根系会在毛管所在位置聚集。对不同毛管埋深及多种水分灌溉条件下土壤水分变化与作物根系生长发育互反馈机制进行深入研究有助于地下滴灌系统的精确设计与水分管理。
目前毛管埋深对番茄的研究侧重于对产量与水分效率的影响[14-15], 且多是针对某单项机理进行研究, 对番茄根系分布以及干物质分配影响的研究相对不足。本研究通过设置3种不同灌水下限及毛管埋深, 探讨了两因素对水分分布、消耗、根系垂直分布与干物质分配的影响, 旨在探明根系分布与水分分布之间的互反馈机制, 为日光温室番茄的水分管理提供有力的理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地点及供试材料试验于2015年10月8日至2016年4月19日在陕西杨凌大寨乡日光大棚内进行, 试验地位于108°02′E, 34°02′N, 海拔高度506 m, 年平均温度约为16.1 ℃, 年日照时数2164.8 h, 无霜期210 d, 属暖温带半湿润大陆性季风气候。试验大棚长108 m, 宽8 m, 覆盖半无滴聚乙烯棚膜。试验用土为杨凌土, 土壤容重1.39 g·cm-3, 质量含水率为23.63%, 孔隙度为45.83%。壤中砂砾 (0.02~2 mm) 占25.4%, 粉粒 (0.002~0.02 mm) 占44.1%, 黏粒 (≤0.002 mm) 占30.5%。
番茄品种为‘海地’, 幼苗于10月2日进行移栽, 定植后各小区灌水30 mm, 以保证幼苗存活。试验小区长5.5 m、宽1 m, 相邻小区间操作行宽50 cm, 以防小区间水分相互渗透。每小区定植番茄幼苗28株, 采用双行种植, 番茄株距0.4 m, 行距0.5 m。定植后覆膜。每个小区中间铺设1条滴灌带, 距番茄植株25 cm, 滴头间距为0.3 m, 滴头流量2.8 L·h-1, 同时在小区中间距毛管5 cm处安装1根长度为1 m的水分监测管, 采用Field TDR 200探测仪以测量小区的水分状况。全生育期内各处理的其他农艺技术及施肥管理措施均一致。
1.2 试验设计试验设3个灌水下限:田间持水率的50%(重度水分亏缺, I50)、田间持水率的60%(中轻度水分亏缺, I60)、田间持水率的75%(轻度水分亏缺, I75), 灌水上限统一设定为田间持水量的90%。毛管埋深 (D) 设4个水平, 分别为0 cm (D0)、10 cm (D10)、20 cm (D20) 和30 cm (D30)。试验采用全面试验设计, 共12个处理, 每个处理重复3次, 共36个试验小区。全生育期内各小区计划湿润层深度为40 cm, 当土壤含水率达到设定值时, 即对该小区进行灌水, 灌水量通过水表记录。由于在实际操作过程中, 很难控制灌水下限, 故各处理均设±2%范围值 (占田间持水率的百分比)。灌水量计算公式为:
| $M=s\times r\times p\times h\times {{\theta }_{f}}\times ({{q}_{1}}-{{q}_{2}})/\eta $ | (1) |
式中: M为灌水量, m3; s为计划湿润层面积, 取5.5 m2; r为土壤容重, 取1.39 g·cm-3; p为湿润比, 取100%; h为湿润层深度, 取0.4 cm; θf为田间持水量 (体积含水率), %; q1、q2为灌水上限、土壤下限 (以相对田间持水率的百分比表示), %; η为水分利用效率, 地下滴灌取0.95。
全生育期内, 各小区次灌水定额、总灌水量见表 1。
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表1 各处理番茄生育期内灌水定额、总灌水量 Table 1 Irrigation water quota, total irrigation water in growth period of tomato of different irrigation thresholds and lateral depths |
采用Field TDR 200探测仪测量土壤水分, 每隔10 cm采集1个数据, 最大深度为90 cm。全生育期每5 d测定1次, 栽种前、收获后各测1次, 灌前各小区加密测量2次。
1.3.2 番茄耗水量根据试验场地条件 (无地下水和降水补给), 番茄耗水量计算公式为:
| $W=I+{{W}_{t}}_{-1}-{{W}_{t}}~$ | (2) |
式中: W为番茄耗水量, mm; I为灌水量, mm; Wt-1和Wt分别为测定前期与末期0~60 cm土壤蓄水量, mm。
1.3.3 根系指标测定成熟末期每个小区随机选取3株番茄, 除去地上部分, 采用直径为6 cm根钻紧贴主根进行取根, 每隔10 cm取样1次, 取样至60 cm深。采集到的样品用水浸泡使其松散后再用缓慢水流冲洗并过0.5 mm筛获得根样。根样用EPSON PerfectionV700扫描仪进行扫描, 扫出的图像用WinRHIZO Pro软件分析, 得到根长数据。各土层根长密度=各土层总根长/根钻取土体积。
1.3.4 番茄植株各器官干重占比至成熟期, 每小区随机选取3株长势一致的番茄植株。采样完成后立即进行根、茎、叶果分离, 然后将样品放入烘箱中于105℃杀青15 min, 随后调至70℃烘干至恒重。烘干待冷却后, 用精度0.01 g天平测定各器官干重, 并计算各植株器官干重占比。
1.4 数据处理试验数据用Microsoft Excel软件进行整理, 用SPSS 22.0统计软件Duncan’s新复极差法进行显著性检验和交互作用方差分析, 用Origin 9.0软件作图。
2 结果与分析 2.1 不同灌水下限与毛管埋深对土壤水分变化的影响图 1分别为成熟期一次灌水周期内灌水24 h后与下一次灌水前土壤水分分布情况。地表滴灌与地下滴灌由于灌水深度的不同, 导致水分在土壤剖面分布有较大差异。由图 1可知, 不同深度土壤含水率总体随毛管埋深深度的增加呈先增大后减小趋势。0 cm、10 cm、20 cm、30 cm埋深最大土壤含水率出现位置分别为0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm土层范围, 说明毛管埋深增加会使土壤最大含水率出现位置呈下移现象。至下一次灌水前, 各处理在60 cm以下土层的土壤水分变化较小, 幅度为0.52%~1.72%。I50与I60处理0~60 cm土层内土壤平均含水率为18.03%、20.43%, 较I75处理分别减少12.94%、23.19%, 经方差分析表明各灌水处理平均含水率达到显著性差异 (P < 0.05)。同一灌水处理下, 各埋深土壤含水率在0 cm、20 cm、30 cm、40 cm深度差异较大, 分别为0.86%~4.94%、0.62%~5.29%、0.94%~5.75%和0.12%~4.75%, 而10 cm、50 cm、60 cm深度各埋深差异均低于3.50%。由此可知, 不同水分亏缺程度是影响平均含水率的主要因素, 毛管埋深对地表及20~40 cm土层含水率影响较大, 对50~60 cm土层含水率影响较小。
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图 1 不同灌水下限和毛管埋深下灌水24 h后 (a, b, c) 和下一次灌水前 (d, e, f) 土壤水分分布特征 Figure 1 Soil water distribution characteristics after 24 hours of irrigation (a, b, c) and before next irrigation (d, e, f) under different irrigation thresholds and lateral depths I50、I60、I75分别表示灌水下限为田间持水量的50%、60%、75%; D0、D10、D20、D30分别表示毛管埋深0 cm、10 cm、20 cm、30cm。 I50, I60, I75 mean irrigation thresholds of 50%, 60%, 75% of field capacity, respectively. D0, D10, D20, D30 mean the depths of lateral of 0 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, respectively. |
一次灌水周期内, 0~60 cm土层内番茄耗水量随灌水下限增加呈显著增加趋势 (表 2), I50、I60处理番茄耗水量是I75处理的2.02倍、2.72倍。I60与I75时, 0~60 cm土层内番茄耗水量随毛管埋深增加呈先增加后减小趋势。I75的10 cm、20 cm耗水量与0 cm、30 cm埋深差异显著, I60的20 cm埋深耗水量较0 cm、10 cm、30 cm埋深处理增加13.55%、6.20%、3.24%, 且与0 cm埋深处理耗水量达到显著性差异。I50处理下, 毛管埋深对0~60 cm土层内番茄耗水量无显著影响, 10 cm、20 cm埋深处理耗水量较30 cm埋深分别增加12.94%、12.30%。由此可知, 番茄耗水量主要受灌水下限影响, 在轻度与中轻度水分亏缺时, 10~20 cm毛管埋深提高番茄耗水量。
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表2 不同灌水下限与毛管埋深下番茄在0~60 cm土层耗水量 Table 2 Water consumption of tomato in 0-60 cm soil layer under different irrigation thresholds and lateral depths |
图 2表示不同灌水下限下毛管埋深对根长密度的影响。从图 2可知, 番茄根长密度随土壤深度增加总体呈减小趋势, 番茄根系主要集中在0~30 cm土层。不同灌溉处理下0~30 cm土层深度内根长密度占总根长密度的比例为72.35%~90.23%。各灌水处理下, 0~20 cm土层根长密度随毛管埋深增加而减小, 与0 cm埋深相比, 埋深为20 cm、30 cm处理平均根长密度所占比分别降低14.81%、18.09%, 埋深为10 cm处理降低7.26%。在20~60 cm土壤深度范围内, 番茄根长密度占比随毛管埋深增加而增加, 与30 cm埋深相比, 0 cm、10 cm埋深平均根长密度减幅严重, 分别达35.21%、21.22%, 而20 cm埋深仅减小6.42%。由此可见, 随毛管埋深增加会导致表层根系分布减小, 促进根系向下生长, 同时根系在毛管埋深位置有集中分布。
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图 2 不同灌水下限与毛管埋深对根长密度的影响 Figure 2 Effects of irrigation threshold and lateral depth on root length density of tomato I50、I60、I75分别表示灌水下限为田间持水量的50%、60%、75%; D0、D10、D20、D30分别表示毛管埋深0 cm、10 cm、20 cm、30cm。表中不同小写字母表示同一土壤深度不同毛管埋深间差异达显著水平 (P < 0.05)。 I50, I60, I75 mean irrigation thresholds of 50%, 60%, 75% of field capacity, respectively. D0, D10, D20, D30 mean the depths of lateral of 0 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, respectively. Different lowercase letters mean significant differences among differentirrigation lateral depths for the same soil depth (P < 0.05). |
不同毛管埋深造成根系在土壤剖面分布的差异。各灌水处理下, 0~10 cm、30~40 cm土层内毛管埋深对番茄根长密度有显著性影响, 0~10 cm土层根长密度随毛管埋深增加而显著降低, 0 cm埋深根长密度与20 cm、30 cm埋深处理达到显著性差异; 30~40 cm土层内, I50、I75处理下20 cm、30 cm埋深番茄根长密度显著高于0 cm和10 cm埋深处理, 埋深0 cm处理根长密度与10 cm埋深无显著性差异; I60下30 cm埋深较其他埋深能显著增加根长密度, 0 cm、10 cm与20 cm埋深番茄根长密度无差异。在10~20 cm土层内, 除I75处理外, 10 cm、20 cm埋深较0 cm与30 cm埋深处理能显著提高番茄根长密度, 10 cm埋深根长密度与20 cm埋深无显著性差异。在20~30 cm土层内, I50、I75处理下毛管埋深对番茄根长密度有显著影响, 而在I60处理下无显著差异。各灌水条件下毛管埋深为20 cm处理的根长密度最大, 且与0 cm埋深处理在40~50 cm土层内达到显著性差异; I50、I60处理下20 cm埋深的根长密度显著高于其他埋深处理, I75处理下20 cm、30 cm埋深番茄根长密度显著高于0 cm、10 cm, 而0 cm与10 cm埋深番茄根长密度无显著差异。在土层50~60 cm内, 0 cm、30 cm埋深根长密度低于埋深为10 cm、20 cm处理, 毛管埋深对番茄根长密度无显著性影响。由此可知, 根长密度最大值随毛管埋深增加总体呈下移现象; 0~10 cm、20~30 cm、30~40 cm土层范围内毛管埋深造成水分差异使根系生长受到显著影响, 而50~60 cm土层水分对根系生长影响较弱。
2.3 不同灌水下限与毛管埋深对不同直径根系的影响表 3为各处理不同直径根系的特征参数。由表 3可知, 不同直径根长随灌水下限增加均呈先增加后减小趋势。I60、I75处理d < 1 mm根长较I50分别增加16.60%、10.30%, I75处理能显著增加d < 1 mm根长比例, 分别较I50、I60处理提高4.68%、3.19%。I60处理d > 1 mm根长较灌水I50、I75显著增加33.15%、73.27%, 同时能提高d > 1 mm比例, I50、I75较其降低11.13%、36.00%。说明轻度水分胁迫促进细根生长, 减少粗根比例, 而中轻度水分胁迫表现相反。d > 1 mm根长随毛管埋深增加呈先增加后减小趋势, 而d < 1 mm根长随毛管埋深增加总体呈先减小后增加趋势。与其余埋深比较, 20 cm埋深提高d < 1 mm根长比例, 降低d > 1 mm根长比例。
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表3 不同灌水下限与毛管埋深番茄不同直径 (d) 根系的根长与根表面积 Table 3 Effects of irrigation threshold and lateral depth on the length and surface area of tomatodifferent diameters (d) roots |
对d < 1 mm根, 根表面积随灌水下限增加呈显著增加趋势, 20 cm埋深根表面积较其余处理显著增加。d > 1 mm时, I60处理根表面积达最大值, 除I50外, 其余处理10~20 cm埋深的根表面积低于0 cm、30 cm毛管埋深。与I50、I60处理相比, I75处理提高d < 1 mm的根表面积比例, 减小d > 1 mm的根表面积比例, 而I60根径为d > 1 mm的根表面积比例最大。与0 cm、10 cm、30 cm埋深相比, 20 cm埋深增加d < 1 mm的根表面比例分别为10.65%、4.89%和12.51%, 减少d > 1 mm根表面比例为21.91%、10.07%和25.75%。说明20 cm毛管埋深有利于细根系生长发育, 减少粗根系。
方差分析表明, 灌水下限与毛管埋深对d < 1 mm根长、根表面积的影响达极显著水平, 且灌水下限作用大于毛管埋深作用。灌水下限对d > 1 mm根长、根表面积的影响也达极显著水平, 而毛管埋深对d > 1 mm根长与根表面积的影响均不显著, 两者交互作用对不同直径根长与根表面积影响极显著。说明水分胁迫是影响根系生长的主要影响因素, 毛管埋深主要是影响细根系生长。综上所述, 灌水下限对细根、粗根的根长和根表面积均有显著影响, 毛管埋深仅对细根生长产生影响。轻度水分亏缺和20 cm毛管埋深有利于细根系根长与根表面积生长, 减少粗根系比例。
2.4 不同灌水下限与毛管埋深对番茄干物质的影响表 4为成熟期不同水分亏缺下毛管埋深对番茄干物质分配的影响。由表 4可知, 20 cm埋深处理全株干重显著高于其他处理, 0 cm埋深与30 cm埋深的全株干重无显著差异。同等埋深下, 番茄全株干重随灌水下限增加呈显著增加趋势。说明20 cm毛管埋深下, 与实施轻度水分亏缺灌溉 (灌水下限为I75) 时有利于番茄干物质积累。
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表4 不同灌水下限和毛管埋深对番茄干物质分配的影响 Table 4 Effects of irrigation threshold and lateral depth on dry matter distribution of tomato |
方差分析表明, 灌水下限对番茄根、茎叶、果干重影响极显著。I60处理的根平均干重高于灌水下限I50与I75, 较I50、I75增加36.01%、13.30%;茎叶、果干重随灌水下限增加而增加, I60、I75处理茎叶、果干重显著高于I50处理, I60茎叶重与I75无显著差异, 0 cm、20 cm埋深时I60果干重显著低于I75处理。毛管埋深对番茄根、果干重影响不显著, 对茎叶干重的影响达极显著水平。I75时, 各器官干重随毛管埋深增加呈先增加后减小趋势, 20 cm埋深根干重占干物质总重比例最低, 茎叶干重占干物质总重比例较大。I60处理下, 20 cm埋深茎叶、果干重及茎叶干重占干物质总重比例高于其余处理, 而果干重占干物质总重比例最低但较其余处理差异较小; 埋深30 cm根干重所占比例最大, 较0 cm、10 cm与20 cm埋深分别增加16.01%、5.84%、7.55%。I50处理下10 cm埋深根、果干重占干物质总重比例最高。与10 cm、30 cm埋深处理相比, 0 cm、20 cm埋深根干重与叶干重占干物质总重比例较低, 而茎叶干重占比较高。灌水下限与毛管埋深交互作用对全株干重、茎叶干重与果干重显著影响, 对根干重及根冠比影响不显著。
根冠比是反映植物根系与地上部分生长协调性的重要指标。在各水分处理下, I60的根冠比显著高于I50处理。而I75处理下, 各毛管埋深平均根冠比与I50、I60并无显著差异。毛管埋深对番茄根冠比无显著性影响, 20 cm毛管埋深处理番茄根冠比低于其余毛管埋深处理, I50和I60处理下, 10 cm、30 cm毛管埋深根冠比高于其余埋深下的根冠比。综上所述, 轻度水分亏缺有利于干物质向根系运移, 而20 cm毛管埋深能减小干物质向根系运移, 促进干物质在茎叶上积累。
3 讨论本研究得出轻度与中轻度水分亏缺时10~20 cm毛管埋深更有利于番茄对土壤水分的吸收利用。其原因可能是适度水分亏缺可增加深层土壤根系量, 提高根系活力与深层土壤贮水的吸收利用量[16], 再加上番茄根系主要集中分布于地下30 cm范围内, 这与10~20 cm埋深形成湿润体的位置大小密切相关, 两者相匹配能使根系生长处于最佳环境, 更利于根系对土壤剖面水分吸收利用[17]。
前人研究表明, 深层土壤水分可诱导根系向下深扎, 致使表土层根系分布相对减少[18]。本研究表明, 随地下滴灌毛管埋深的增加, 土壤最大含水率出现位置呈下移趋势, 导致深土层根系分布增加和表土层根系分布相对较少, 且在毛管埋深所在的位置尤为显著。各层土壤含水量与根系分布存在正相关关系[19], 因此土壤含水量的差异必然影响根系分布的数量。本试验毛管埋深对0~10 cm、20~30 cm、30~40 cm土层根长密度有显著性影响, 而对50~60 cm土层深度内根系影响相对较弱。这可能是由于随毛管埋深的增加, 运移至表层和深层土壤水分含量差异较大[12], 毛管埋深浅会使表层水分含量高, 由于根系生长具有向水性, 造成根系集中分布于表层土壤; 而毛管埋深较深会使深层水分增加, 促使表层根系减少而深土层根系分布增加[20], 从而对表层及深层土壤根系生长影响程度大。当达到一定土层深度时, 超出根系集中分布范围, 对深层贮存水分消耗强度较小, 因此对根系生长影响程度也较小[21]。
细根 (直径小于1 mm根系) 是作物主要的吸水根, 其数量与分布影响作物对水分的吸收利用, 是引起产量差异的原因之一[3]。前人研究表明, 灌水量对番茄细根系生长的影响达到显著水平, 灌水过少不利于细根根系生长[22]。本研究结果同样也表明, 不同灌溉下限引起灌水量差异对不同直径根长与根表面积的影响达到显著水平, 重度水分亏缺会抑制不同直径根系的生长。有研究表明, 透气性好的土壤会使一级侧根根系长度和根系平均直径减小, 细根量显著增加[23]。本试验研究还表明, 20 cm毛管埋深有利于细根系生长, 减少粗根系生长比例。这可能是由于20 cm埋深能形成适宜的水、肥、气、热生长环境, 使土壤保持良好的透气性, 能及时补充根系活动所需的氧气, 进而促进细根生长, 提高细根表面积与吸收面积。
土壤水分能够影响到植株各部分干物质的分配比例, 控制在最佳的根冠比范围内是实现水分高效利用与提高产量的基础[24]。前人对番茄、小麦等作物研究表明, 适度水分亏缺能促进番茄植株干物质积累, 利于根系干物质积累[25-26]。本试验表明, 在中轻度水分亏缺条件下有利于番茄干物质积累并促进干物质向根系的转移。本试验还发现, 毛管埋深为20 cm能够促进干物质积累, 并提高叶片干重在总干重中所占的比例, 但减少了根系的干物质分配比例。可能是由于20 cm毛管埋深导致湿润体总体下移, 减小了表土层土壤水分的无效蒸发, 提高了植株的光合作用[27]。同时20 cm毛管埋深还能够减少表层土壤根系的分布, 降低植株对土壤干旱和根化学信号的敏感性, 这会减少干物质量向根系的过度分配, 促进植株地上部分的生长[28]。
本研究通过温室滴灌试验研究了不同灌水方式对土壤水分、土壤根系生长及干物质分配的影响, 对温室番茄的水分管理具有重要的指导意义。由于本试验在温室大棚内进行, 对于更为复杂的田间试验条件下, 需进一步研究关注。
4 结论1) 毛管埋深增加会使土壤最大含水率出现位置呈下移现象, 对地表及20~40 cm土层含水率影响较大, 对50~60 cm土层含水率影响较小。轻度、中轻度水分亏缺时, 毛管埋深对番茄耗水量有显著影响, 10~20 cm毛管埋深提高番茄耗水量。
2) 毛管埋深增加会减少0~20 cm土层根系分布, 促进20~60 cm土层根系生长, 且在毛管埋深位置有集中分布的特征。毛管埋深对0~10 cm、20~30 cm、30~40 cm土层根系生长显著影响, 对50~60 cm土层根系生长无显著影响。
3) 灌水下限对细根、粗根的根长和根表面积均有显著影响, 毛管埋深对细根生长影响显著。灌水下限为75%田间持水量和20 cm毛管埋深有利于细根根长和根表面积生长, 减少粗根系比例。
4) 灌水下限为75%田间持水量及毛管埋深为20 cm更有利于全株干物质积累, 灌水下限为75%田间持水量能够增加根系干物质分配比例, 20 cm毛管埋深能促进干物质向叶片转移且减少根系干物质的分配比例。
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