《Agricultural Water Management》：Developing effective deep-rooted winter wheat cultivars improves adaptation to stored-soil-water irrigation in the North China Plain
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本研究针对华北平原地下水超采严重与冬小麦生产高度依赖灌溉的矛盾，探讨了品种更替对土壤储水灌溉（W1）适应性的影响。通过两年田间试验结合APSIM模型模拟，发现现代品种虽提升了水分利用效率（WUE），但未同步优化深根系统；W1灌溉可诱导根系向深层土壤（50–150 cm）扩展，模拟表明深根改良可显著提升产量。研究为节水灌溉下冬小麦育种策略提供了关键理论依据。
华北平原是中国最重要的冬小麦产区，贡献了全国超过50%的产量。然而，该地区冬小麦生产严重依赖灌溉，因为季节性降水无法满足作物需水要求。这种依赖性导致了地下水的严重超采，从2002年到2022年，地下水储量以每年约-1.81厘米的速度下降。这种可持续性危机促使农业向节水灌溉转变。近年来，一种称为土壤储水灌溉（W1）的新灌溉制度被引入，其特点是在小麦播种前进行一次充分灌溉，生长期间不再补充灌溉。在W1模式下，小麦生长前期2米土层土壤水分充足，而生长后期0-1米表层土壤则处于缺水状态。此外，夏季集中的降雨会将氮素淋溶至1米以下土层，使其对夏季作物无效。因此，为了充分利用W1制度下的深层水分和氮素储备，具有深广根系的冬小麦品种显得尤为重要。
尽管根系构型对于作物抗旱性的重要性已被广泛认可，但根性状因其“隐藏”于地下、表型鉴定成本高且技术复杂，以及其与产量的关系受环境因素强烈调控，在育种项目中历来被忽视。因此，根系性状的变化很大程度上是间接选择的结果。一个可能的后果是，过去几十年间小麦根系尺寸可能减小，包括水力导度降低和在某些地区根系变浅，这可能会影响水分吸收。然而，不同研究结果存在矛盾，表明深根性状并未成为一致、系统的育种目标。虽然结合品种和灌溉处理的田间研究提供了有价值的见解，但验证所提出的根系理想型的实际产量效益仍然具有挑战性。作物模型，如APSIM模型，有助于弥补这一差距。
为了解决上述问题，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心的研究团队在《Agricultural Water Management》上发表论文，旨在：（1）检验华北平原近几十年来主导冬小麦品种根系构型的变化趋势；（2）评估它们对W1实践的适应性；（3）利用APSIM模型模拟，量化W1下增强深根性的潜在产量效益。
研究人员在位于华北平原的中国科学院栾城农业生态系统试验站进行了连续两年（2020-2021和2021-2022年度）的田间试验。试验采用裂区设计，主区为灌溉制度（常规充分灌溉W3和土壤储水灌溉W1），副区为品种。选用了9个1978年至2021年间释放的当地主栽冬小麦历史品种。测量了土壤水分动态、蒸散量（ET）、根系性状（根质量密度RMD、根长密度RLD等）、谷物产量和水分利用效率（WUE）。并利用经过本地校准的APSIM模型，通过调整水分提取参数（LL和KL），模拟了深根改良对产量的潜在提升作用。
3.1 土壤水分的时空变化
W1处理创造了独特的土壤水分剖面：生长后期，0-40厘米土层土壤含水量降至0.12 cm3·cm-3以下，而40-160厘米土层则保持了相对较高的水分（约47-53%的田间持水量），证实W1在关键的灌浆期在底土中保存了可利用的水库。
3.2 品种更替对谷物产量、水分利用效率和蒸散量的影响
在W1条件下，品种更替使谷物产量每年显著增加约23 kg·ha-1，WUE每年显著增加8.2-8.4 g·m-3。然而，这种产量增益主要源于WUE的提高，而非总耗水量（ET）的增加。品种与灌溉在产量上存在显著交互作用，表明新品种在节水条件下的减产幅度更小。
3.3 品种更替对根性状的影响
尽管品种对多数根性状有显著主效应，但线性回归分析显示，品种更替并未导致RMD、RLD在不同土层的分布、节根数或比根长出现显著的一致性趋势。品种与年份间存在显著交互作用，表明根系性状的任何微小变化在不同环境间并不一致。 decades的品种更替并未系统性地改变华北平原冬小麦的根系深度或构型。
3.4 根性状、ET、WUE和产量之间的关系
相关分析表明，在W1下，深层（50-150 cm）的RMD和RLD与ET呈稳定正相关（相关系数>0.6），说明更发达的根系促进了土壤储水库中水分的提取。根性状与WUE或产量的关系则不一致。比根长与WUE和产量呈稳定负相关，而节根数则呈稳定正相关。
3.5 根系对不同灌溉处理的响应
W1灌溉显著促进了根系向深层土壤的生长。与W3相比，W1使50-100厘米土层的RMD和RLD分别增加27.3%和9.7%，使100-150厘米土层的RMD和RLD分别增加24.5%和25.6%，同时使单位面积节根数减少33.6%。这种响应模式在不同品种间基本一致，表明冬小麦对节水灌溉表现出适应性根系可塑性。
3.6 模拟改良根性状对小麦产量的影响
APSIM模拟显示，通过增强深层土壤水分提取能力（调整KL和LL参数）的根系改良基因型（RMG），在W1下能更有效地促进深根生长和水分吸收，从而带来更大的产量提升（平均增产14%），显著高于W3下的增产幅度（3%）。回归分析表明，在W1下，每多吸收1毫米水，产量可增加37.5 kg·ha-1。根据田间实测土壤水分数据估算，充分挖掘深层储水潜力可带来175-945 kg·ha-1的理论增产空间。但模拟也提示，深根增加与产量提升并非简单的线性关系，在低降雨年份，根系过度增大可能导致增产效益下降，表明适度的深根改良和水分利用时期的合理分配至关重要。
研究结论与讨论部分强调，华北平原冬小麦品种更替在提升W1下产量和WUE方面取得了成功，但这并非通过战略性增强深根系统实现，而是主要依靠水分利用效率的提高，这可能掩盖了水分吸收能力的内在限制。W1灌溉制度本身能够诱导根系向深层土壤适应性生长，以获取储存的底土水。APSIM模型模拟证实，增强深层水分获取具有显著的未开发产量潜力。然而，实现这一潜力需要育种策略与节水灌溉实践（如W1）特定的土壤水分动态相匹配。未来的育种计划必须将深根性状作为直接选择目标，同时结合深层土壤资源管理（如解决底土氮素匮乏问题），通过基因型-管理措施协同设计，才能完全释放节水灌溉和遗传改良的协同潜力，这对于应对华北平原的水资源危机和保障小麦生产可持续性具有重要意义。
