关于滴灌结合新型植物生长调节剂提升半干旱区玉米根系生长、抗根倒伏能力及生产力的研究
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究由来自中国农业大学、浙江师范大学、东北农业大学以及沙特阿拉伯国王大学的多位研究者合作完成。主要作者包括Haixing Zhang、Shahzad Ali、Yan Chen、Liyu Yang、Gang Pang、Mohamed E. Assal和Mohammed Rafi Shaik。该研究以论文形式发表于Field Crops Research期刊，卷333，于2025年出版，文章识别码为110097。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于农业科学领域，具体聚焦于作物生理学、水分管理与植物生长调节剂应用的交叉方向。全球气候变化导致干旱频发，严重威胁着以玉米为代表的主要粮食作物的生产。灌溉是缓解干旱胁迫的关键措施，但传统的漫灌方式往往伴随着水资源浪费、温室气体排放和土壤盐渍化等问题。因此，探索高效节水的灌溉管理策略至关重要。
根系是植物吸收水分和养分的关键器官，其形态、分布和活性直接影响地上部的生长和最终产量。特别是在半干旱地区，土壤水分在时空上的分布与根系生长的协调性，是决定玉米水分利用效率和抗倒伏能力（尤其是根倒伏）的核心因素。植物生长调节剂作为一种农艺措施，被认为具有调控植物形态、增强抗逆性的潜力。先前研究表明，乙烯利和矮壮素的混合物能有效改善玉米抗倒伏性，但可能伴随减产；而胺鲜酯则能降低株高、增强茎秆强度。然而，将特定的灌溉方式与新型植物生长调节剂组合使用，通过调控根系垂直分布来优化土壤水分利用，并系统评估其对玉米根系构型、生理活性、抗倒伏性及最终产量的综合影响，相关研究尚不充分。
基于此，本研究设定了以下核心目标：1）探究不同灌溉方式（滴灌、漫灌、雨养）结合两种新型植物生长调节剂（乙烯利+矮壮素混合物，胺鲜酯及其组合）对玉米根系生长、分布及根系伤流的影响；2）阐明上述处理对土壤水分动态、根系养分吸收能力及作物水分胁迫状况的调节作用；3）评估不同处理对玉米抗根倒伏性能及籽粒产量的最终效应，旨在为半干旱地区玉米生产提供一种通过优化根-水空间协调来实现节水增产的新策略。
三、 详细研究流程与方法
本研究于2022年和2023年在中国河南省进行田间试验，采用随机区组设计，每个处理重复三次。详细工作流程如下：
1. 试验设计与处理设置： 研究设置了3种灌溉方式与3种植物生长调节剂处理的完全组合，共9个处理。灌溉方式包括：D - 滴灌（灌水量150 mm，结合垄沟覆可降解地膜）；F - 漫灌（灌水量300 mm，结合垄沟覆可降解地膜）；R - 雨养（仅依靠自然降雨，结合垄沟覆可降解地膜）。植物生长调节剂处理包括：G1 - 喷施乙烯利和矮壮素混合物；G2 - 喷施胺鲜酯；G3 - 喷施乙烯利+矮壮素与胺鲜酯的混合剂。所有处理均种植玉米品种‘郑单958’，种植密度为75,000株/公顷。试验过程中，按统一标准施用氮、磷、钾肥。
2. 测定指标与实验方法： 研究涵盖了从土壤环境、根系形态生理到最终产量形成的多维度指标测定。 * 土壤水分含量：在玉米五个关键生育期，使用时域反射仪在0-160 cm土层，每20 cm间隔测定土壤体积含水量，每个处理重复四次。 * 根系形态指标：在开花期和成熟期，使用手持式土钻采集0-100 cm土层（每10 cm一层）的土壤根芯样本。根系经过清洗后，使用扫描仪获取图像，并利用WinRHIZO 5.0软件分析根长密度、根表面积密度、根体积密度、根干重密度和平均根直径等参数。计算公式依据文献标准进行。 * 根系与茎秆伤流液：在特定生育期，于傍晚切断植株，收集夜间至清晨从切口流出的伤流液，计量其流速（ml h⁻¹ root⁻¹），用以表征根系活力和压力。 * 伤流液养分浓度：使用电感耦合等离子体发射光谱仪和连续流动分析系统，测定伤流液中磷、钾、钙、镁、铁、锌、铵态氮和硝态氮的浓度，以评估根系的养分吸收与运输能力。 * 根系生长动态模型：利用Beta模型对总根干重、总根长和平均根直径的时间序列数据进行拟合，计算其最大生长量、达到最大生长量的时间、平均生长速率和最大生长速率等次级生长参数。 * 作物水分状况：在拔节期、开花期和灌浆期，测定叶片水势、根系水势，并计算作物水分胁迫指数，以量化植株所受的水分胁迫程度。 * 倒伏性状与产量：在蜡熟期调查植株的穗位高、重心高度，统计茎倒率、根倒率和总倒伏率。收获时，实测各处理小区的籽粒产量，并计算灌溉水利用效率和灌溉水生产力。 * 数据分析：所有数据采用SPSS 18.0软件进行方差分析，并使用最小显著差数法在P<0.05水平上进行多重比较。由于两年间主要根系参数无显著年际差异，故将两年数据合并分析以增强结论的稳健性。
四、 主要研究结果
1. 根系与茎秆伤流及养分运输： 在所有关键生育期，DG3处理（滴灌结合EC+DA-6混合调节剂）的根系和茎秆伤流液流速均显著高于其他处理。这表明该处理能最强效地促进根系代谢活性和水分吸收运输能力。对伤流液养分的分析进一步显示，DG3处理下，铁、锌、钾、磷、钙、镁、铵态氮和硝态氮的运输速率在V7期、开花期和灌浆期均保持最高水平。例如，在2022年开花期，DG3处理的钾离子运输速率达到721.1 µg h⁻¹ root⁻¹，显著高于FG3（618.4）和RG3（612.2）处理。这证实了DG3处理不仅能提升根系吸水能力，还显著增强了其对多种必需矿质养分的吸收与向上运输效率。
2. 土壤水分动态与根系空间分布： 不同处理显著影响了土壤水分状况。DG3处理在0-160 cm土层保持了较高的土壤含水量，尤其在开花期表现突出。更重要的是，DG3处理深刻改变了根系的垂直分布格局。在开花期和成熟期，DG3处理在0-60 cm的上层土壤中，其根长密度和根表面积密度均显著高于漫灌和雨养条件下的对应处理。例如，在开花期0-20 cm土层，DG3的根长密度比FG3和RG3处理高出约30%-50%。然而，在60 cm以下的深层土壤中，各处理间的根长密度和根表面积密度无显著差异。这表明DG3处理的主要效应是促进根系在水分和养分相对富集的上中层土壤中密集生长，而非一味地促使根系下扎。
3. 根系生长动态与结构特征： 在整个生育期内，DG3处理的根体积密度、根干重密度和平均根直径的增长均最为显著。Beta模型分析表明，DG3处理下，总根干重、总根长和平均根直径达到最大生长量的时间更早，且其平均生长速率、最大生长速率和最终最大值均显著高于其他处理。这说明DG3处理不仅加快了根系早期的建成的速度，也实现了更高的最终生物量积累和更粗壮的根系结构。粗壮的根系是增强锚定力、抵抗根倒伏的重要形态基础。
4. 植株水分状况与抗逆性： DG3处理在整个生育期维持了较高的叶片水势和根系水势，同时具有较低的作物水分胁迫指数。这意味着在该处理下，玉米植株经历的水分胁迫程度最轻，水分供需关系更为协调。较高的水势梯度（叶与根之间）有利于水分从土壤向叶片运输。
5. 抗倒伏性与最终产量： DG3处理在提高产量的同时，显著降低了倒伏风险。与RG3处理相比，DG3处理使茎倒率、根倒率和总倒伏率分别降低了12.1倍、31.5倍和43.6倍。其穗位高、重心高度等指标也得到优化。最终，DG3处理获得了最高的籽粒产量，两年平均比雨养条件下的最佳调节剂处理（RG3）增产26.9%，比漫灌条件下的最佳调节剂处理（FG3）增产17.4%。更重要的是，在产量提升的同时，其灌溉水利用效率和灌溉水生产力相较于FG3处理分别提高了55.7%和71.3%，实现了节水与高产的统一。
五、 研究结论与价值
本研究的核心结论是：在半干旱地区，采用滴灌技术结合喷施乙烯利+矮壮素与胺鲜酯的混合生长调节剂（DG3处理），能够通过优化根-水空间协调，有效改善玉米的根系构型和生理功能，从而在显著提高水分利用效率的同时，增强植株抗根倒伏能力，最终实现玉米产量的显著提升。
其科学价值在于：1）系统揭示了“滴灌+特定植物生长调节剂组合”这一农艺措施对玉米根系系统从形态建成、空间分布到生理活性的多层次影响机制；2）明确了该措施通过促进根系在上中层土壤的优化分布（而非盲目深扎），来高效捕获水分和养分，并降低水分胁迫的生理生态学原理；3）将根系伤流液养分分析、Beta生长模型与田间抗倒伏评价相结合，为综合评价根系功能提供了多维度的研究方法。
其应用价值突出：该研究为半干旱区玉米生产提供了一套具体、可操作的技术方案。即，采用垄沟覆可降解地膜下的滴灌系统，并在关键生育期（VT期）喷施EC与DA-6的混合生长调节剂。这一方案能够以更少的灌溉水量（150 mm滴灌 vs 300 mm漫灌），获得更高的产量和更强的抗倒伏性，对于应对水资源短缺、保障粮食安全具有重要的实践指导意义。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
研究还发现，单独使用胺鲜酯（G2）在滴灌条件下（DG2）也表现出良好的效果，仅次于DG3处理。这为生产上提供了另一种可能的选择。此外，研究强调了根系在0-60 cm土层的优化分布对于半干旱区玉米生产的重要性，挑战了“根系越深越抗旱”的简单认知，指出在有限供水下，促进根系在水分相对稳定层位的高效分布可能比追求深度更为关键。文末也指出，未来需要根据具体生产条件和需求进一步考量植物生长调节剂的特性，以完全克服其可能带来的不利影响。