根钻不同取样法对估算根系分布特征的影响

刘凤山，周智彬，胡顺军，杜海燕，陈秀龙

（1.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆 乌鲁木齐830011；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；3.荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐830011；4.中国科学院研究生院，北京100049）

＊根系取样技术［1］有挖掘法、整段标本法、根钻法、剖面法、玻璃壁法、网袋法等。在这些取样技术中，根钻法是节省劳力和精确制取一定容积土壤－根系样品的最适宜方法，在根系研究中具有重要意义［1］。现有文献中用根钻法制取根系样品，水平方向上多为不连续取样，即根据植物生长的环境，选择有代表性的位置进行取样；而在垂直方向上则为分层完全取样，即将根系按土壤层次进行取样，层与层间并无间隔。因此该法制取的根系样品可以详细的描述根系的垂直分布特征，但对根系水平分布特征的描述并不一定精确，导致在估算根系总量的时候出现偏差。根钻法中根系水平分布特征准确性的研究对于准确描述根系的水平分布特征有重要意义，同时对于准确研究根系的分布状况及根系总量及模型中根系模块的精确度有重要的意义。

在农田生态系统中，土壤中的水分和养分分布具有较大的不均一性，作物根系受其影响在土壤中的分布存在较大差别［2］。用根钻法取样时，不同立地条件和不同取样范围的取样数有较大的差别［3］。膜下滴灌棉花（Gossypiumhirsutum）在不同的植物配置方式及灌溉系统条件下，土壤中水、肥、盐的分布与迁移模式具有很大的区别，进而影响到土壤中根系的分布特征有很大的区别［4］。采用根钻法研究棉花根系的分布及生长试验，多在裸行、窄行和宽行的中间进行取样。但是这些点的代表性并没有进行过研究，因此值得怀疑。首先这些点的水、肥、温度［5－7］及土壤条件有很大差别［8－12］，距滴灌带越远而减小（肥料随水入土）；其次根系响应环境条件在不同的位置有不同的分布特征，并存在不同的交叉现象，采样时不能有效的区分根系。为验证在该3孔取样能否代表根系的分布特征及何种取样方式更加合理，以膜下滴灌宽窄行配置的棉花为例，分析了取3孔、5孔和7孔条件下计算根系总干重的精确性，并分析了根系干重的分布特征，为根系研究中的合理取样提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计与方法

试验在中国科学院新疆生态与地理研究所阿克苏绿洲农田生态系统野外研究站（80°45′E，40°27′N）进行。采用大田试验，以“拓农1号”为供试棉花品种，种植密度24万株／hm2，实测密度20万株／hm2。棉花栽培模式为宽窄行（50 cm＋20 cm），塑料膜宽度为120 cm。滴灌系统滴头间距30 cm，滴头流量3.2 L／h，一条塑料膜下有一根滴灌带为4行棉花供水，即“一膜一管四行”。肥料随水施入土壤，生育期共施入尿素510 kg／hm2、多微二氢钾铵90 kg／hm2。滴灌从6月26日（蕾期）开始每隔7 d灌溉1次，全生育期共灌溉12次，至9月11日结束。

采用根钻法调查膜下滴灌棉花根系的分布特征。每个处理小区水平方向取7孔（图1），其中前3孔位于裸行，第4孔位于窄行，后3孔位于覆膜地，垂直方向以0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～70、70～90、90～110、110～130、130～150 cm确定土样。冲洗法获取每土层的根系后，烘干用万分之一天平称重获得干重。

图1 试验区示意图Fig.1 The sketch of experimental site

1.2 数据处理

数据分析采用Excel 2003，Mathematics和SPSS 13.0软件；作图采用Excel 2003和Origin 7.5。

2 结果与分析

7孔指1，2，3，4，5，6，7所有的取样点，5孔指1，3，4，5，7取样点，3孔为1，4，7取样点（图1）。取样时7孔的根钻孔紧密相连，将其视为完全采样，其值与相邻面积的乘积可以代表棉花根系的实际分布，选取的5孔和3孔的根系值与相应面积的乘积是对根系实际分布的估计，试验重点在于通过与7孔计算值的比较，分析其估计的精确性，为根系水平方向的取样合理数提供依据。

2.1 棉花根系干重水平合理取样数的确定

为分析根系干重合理取样数，利用7孔、5孔和3孔的根系值，分别计算了根系在裸行、窄行和宽行的分层干重。因为试验在窄行仅有一个取样点，即4号根钻孔，3种计算方式的根系值相等，因此表1中列出了裸行、宽行和总体的分层干重，并没有窄行处干重。与7孔计算值相比，总体分层干重5孔计算值比3孔计算值更加接近，尤其在50 cm深度以下，3孔计算值明显偏离了实际值，例如90～110 cm土层，3孔值仅为57.00 mg／株，而实际值为132.57 mg／株，是3孔值的2.3倍之多。相比于5孔计算值，3孔计算值偏离的更为严重，而且在不同的生境条件下，各计算方式有不同的差异。在宽行不同的土层，3孔计算值在50 cm以下有较大差异，但差异性低于总体，而在裸行，差异性从40 cm即开始显现，而且偏离更大。70～90 cm土层3孔值是29.89 mg／株，实际值是104.56 mg／株，是3孔值的3.5倍，而宽行差距最大的层次在110～130 cm，相差2.4倍。方差分析结果表明（表2），在整个土层，3种计算方式对裸行根系干重的估计达到显著水平，而对宽行和总体干重的估计没有达到显著水平；在30 cm土层以下，3种计算方式表现出更加明显的差异，但仅在裸行处3孔计算值与7孔计算值达到显著水平；在40 cm土层以下，3孔计算值的裸行干重与7孔计算值有显著差异。对于5孔计算值，在所有土层与7孔计算值没有达到显著水平。

根钻法获取根系样品中，水平方向选择不同的取样方式，对根系的估算会产生巨大的影响，尤其对于深层根系，其3孔计算值与7孔计算值达到显著水平。基于对表1数据的分析，发现3孔计算值不仅在总量上与7孔计算值达到显著水平，同时对于根系在土层中的分布特征也有较大的误差，为此采用回归分析进一步验证该3种计算方式的准确性。

回归分析表明（表3，4），从整个土层来看，3孔和5孔2种计算方式无论在裸行、宽行和总体都有较高的决定系数，而且差异显著。但在30和40 cm以下土层，不同计算方式有不同的差异性水平。其中5孔值在裸行、宽行和分层干重都有较高的决定系数，而且都达到了显著水平。3孔在各位置的决定系数较低，但仅在裸行处达到显著水平，如30～150 cm土层的决定系数为0.546 3，P＝0.058；40～150 cm的决定系数仅为0.143 3，P＝0.459。因此采用3孔计算单株根系干重，对其在裸行，尤其深层根系分布的估算将出现严重偏差。由于窄行计算值一致，且宽行偏离也较小，导致分层干重在30 cm以下土层的相关性较高，未达到极显著水平。从3种计算方式对单株根系干重分布特征的方差分析和回归分析结果看，采用3孔估算单株根系干重，可以较好的估计表层的根系干重，但对30 cm土层以下根系总量和分布的估算有较严重的偏离；而采用5孔估算各个土层的根系干重，都能达到较高的准确性。

表1 不同取样方法棉花单株干重分布特征Table 1 Distribution characteristics of root dry weight per cotton under different sampling method mg／株Plant

表2 单株棉花根系干重3孔与7孔的方差分析Table 2 Variance analysis of root dry weight per plant between 3 holes and 7 holes mg／株Plant

表3 单株棉花根系干重3孔与7孔的回归分析Table 3 Regression analysis of root dry weight per plant between 3 holes and 7 holes

表4 单株棉花根系干重5孔与7孔的回归分析Table 4 Regression analysis of root dry weight per plant between 5 holes and 7 holes

2.2 棉花根系分布特征

7孔计算值对根干重的垂直分布特征和水平分布特征进行分析（表1）。在水平方向上，10～20 cm土层宽行根系干重大于裸行根系干重；在垂直方向，根系干重呈单峰曲线，且峰值偏向表层。在40 cm土层以上，根系干重急剧下降，但在40 cm以下变化趋于缓和，而且在裸行70～90 cm处有小幅度的增加。

3 讨论与结论

根系是土壤和植物的动态界面，对植物和土壤均具有重要意义。但由于根系深处地下，受不透明介质土壤的阻隔，观测研究十分不便，导致根系研究在广度、深度上均落后于地上部分。随着对根系在生态系统以及全球碳平衡中重要作用的认识，根系渐渐成为国际相关领域的研究热点之一。土壤中水分、养分等营养物质移动距离很小，植物根系的分布特征决定了植物的水分和养分的供给状况［14－17］，因此研究根系分布特征具有重要的生态意义。但研究根系的方法至今没有较大发展，仍然以把根系从土壤中分离为主，其中根钻法是较为常用且省时省力的取样方法。对采用根钻法采样的精度问题进行了探讨，希望为根系研究方法的进一步发展提供基础，并为根系模型预测提供更好的方法。

根干重体现了植物生物量的分配策略［13，18］，对其的精确估计是了解作物生产力的基础。利用膜下滴灌宽窄行配置的棉花根系数据分析了取3孔、5孔和7孔条件下计算根系干重的精确度。结果表明，采用5孔估算根系干重有较高的准确性，在各土层、各位置都有较高的决定系数，而且达到极显著的水平；采用3孔估算根系干重，对30 cm土层以上根系有较好估计，但在30 cm土层以下有较低的准确性，尤其在裸行，其决定系数低，且未达到显著性水平，对于根系的估算有很大的偏差。从不同的位置分析，3孔计算值在裸行与7孔值的相关性较差，但在宽行的统计分析表明，这两者的相关性较好，且达到了显著性水平，说明在宽行取一点对于估算根系的分布有较好的代表性。

根系生长都具有向水性［19，20］。根干重在土壤中的分布既反映了土壤中水分的分布情况，也能通过分布的多寡反映土壤水分的有效性。在膜下滴灌条件下，水分呈椭圆形分布［21］，不仅表现出表层水分较多，下层水分较少，而且在宽行处分布较多且均匀，在裸行处少且分布相对不均，导致根系在表层分布相对均匀且多，下层分布不均且少；在裸行处的分布相对不均且少［22］，尤其靠近窄行处，根系分布较多，而宽行处相对均匀且多。因此，在裸行处选取一点不足以代表根系在该生境中的分布，计算的根系总干重也会失真，需要在该处加密取样，即取2孔；在宽行，取一点即可代表根系的分布。因此，考虑到在窄行处也需要选取一点，根钻法取样中获得准确的根系水平分布需要取4孔，即裸行2孔，宽行1孔，窄行1孔。

方怡向等［23］研究结果表明，根长和根表面积在土壤剖面中呈单峰型曲线，本研究与此有一致的变化趋势；干重受种植制度和灌溉条件不一致的影响，在表层有稍许差异，表现为单调递减趋势。膜下滴灌显著改善了土壤表层的水分状况，10～20 cm土层含水量相对较多［23］，使根系在此处及40 cm土层以上大量生长，其中40 cm土层以上集中了89.33%，91.29%和89.06%的根系干重、长度和表面积，是作物吸水最重要的部位。

选取的5孔（图1）并不是严格按照相等间距选取的，而是更加接近于窄行。这对于以后按照该方法等间距取样进行计算可能会产生一定的误差。同时计算结果仅针对试验中的膜下滴灌系统，即“一膜一管四行”，滴灌带位于膜下中间。由此导致的水分效应和密度效应不一致，使根系在土壤中的分布更加复杂。对于水分效应和密度效应相一致的作物配置方式，考虑到人力物力等因素，该结果的应用需要慎重。同时不同作物配置方式有不同的计算方法，但均基于其特有的根系分布特征，研究中计算根系总量采用的是“测量值＊面积”的方式，仅适合于分布复杂的根系，对于分布简单的根系可能有其简便、准确的计算方法，没有考虑。通过以上分析，仍有大量的工作需要继续进行，即不仅研究不同作物配置方式的根系计算，还要注意计算方法上的差异，但本研究无疑为后续研究提供了新思路和依据。

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