南疆一膜三行栽培棉花根系分布对灌水频次的响应

2023-04-26骆磊肖琼董合林徐文修李鹏程马云珍1孙淼邵晶晶张元臣郑苍松

棉花学报 2023年1期

骆磊，肖琼，董合林，徐文修，李鹏程，马云珍1,，孙淼，邵晶晶，张元臣，郑苍松*

（1.新疆农业大学农学院/ 教育部棉花工程研究中心，乌鲁木齐 830052；2.中国农业科学院棉花研究所/ 棉花生物学国家重点实验室，河南安阳 455000；3.安阳工学院，河南安阳 455000）

根系能够锚定植株，还可以帮助作物在生育时期内抵抗外力对植株造成的打击[1]。根系的另一重要作用则是对土壤中水分、养分进行吸收与运输，同时，根系在作物生长过程中保障多数主要激素和有机酸的合成，对作物产量和品质的形成具有重要影响[2-5]。棉花是直根系作物，由深入土层的主根和分布较广的侧根组成发达的根系网，但其吸收区域仅限于各级侧根和主根的根尖部分，来获取足够的水分和养分保证植株生长发育[5]。灌溉条件的变化直接影响根系构型。而棉花光合能力受根系构型的显著影响，根系生物量的减少会造成细胞分裂素输送至叶片的速率降低，从而加快植株衰老，降低棉花产量及纤维品质[6-7]。因此，棉花根系在土壤中的空间分布和形态可以作为种植密度和水肥管理的指导依据[8-9]。

棉花根系的空间分布与土壤含水率有密切关系，而灌溉是影响土壤含水率的主要因素之一，不同灌溉方式对根干物质质量有显著影响[10]。单日灌水量为390 mm 时，膜下滴灌棉花的根系较常规灌溉的棉花根系在0～70 cm 土壤中分布更广[11]。相比于逐日地下滴灌与常规地下滴灌模式，膜下滴灌模式下0～10 cm 土壤更能保持相对湿润，且根系在10～20 cm 土层分布更广[12]。前人研究[13]表明，2 700～2 850 m3·hm－2亏缺灌溉定额下，常规地面灌溉和膜下滴灌棉田在生育期灌溉期间0～60 cm 土层范围内均表现为积盐状态，而棉花根系更加倾向集中分布在相对“淡化”的浅层土壤中。因此，通过合理的灌溉管理措施保持0～60 cm 土层良好的水分持有量，防止土壤积盐、促进棉花根系分布范围扩展[13]，优化棉花根系形态与结构，改善生理特性，加强单株水肥吸收能力，提高水肥利用效率，是干旱条件下高效植棉的主要途径[14-15]。在南疆干旱区一膜六行栽培模式下，灌溉定额大于2 577.8 m3·hm－2能有效控制土壤盐渍化；灌溉定额为4 200 m3·hm－2，每5～7 d 灌溉1 次，可获得较高皮棉产量，实现土壤盐分淋洗和土壤养分吸收利用的平衡[16-17]。

相较于一膜四行和一膜六行栽培模式，一膜三行栽培模式的棉花株高和第一果枝节位高度更具优势，叶面积指数更高，产量表现也较为突出，是更适宜生产优质机采棉的栽培配置模式[18]。然而，一膜三行栽培模式下的高效水肥管理是大面积推广该模式的重要组成部分。因此，针对一膜三行模式，研究等量灌溉定额下田间灌水频次对棉花根系构型和分布的影响，可以为该栽培模式下棉花生育期水分管理提供指导。

试验地点位于中国农业科学院棉花研究所新疆阿拉尔综合试验站内，所在地区属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候区，平均海拔1 100 m，年均气温10.8 ℃，≥10 ℃积温4 112 ℃。降雨稀少，年降水量50 mm 左右，地表蒸发强烈，光热资源丰富，年平均日照时间约为2 900 h，日照率为58%～69%。

供试棉花品种为中棉所96A，2020 年4 月25 日播种，按一膜三行76 cm 等行距种植，株距7 cm，播种密度为18 万株·hm－2。灌溉定额为3 900 m3·hm－2，采用膜下滴灌，2020 年6 月14日第一次灌水。设置4 个灌溉频次：灌水6 次（T6），单次灌水量为650.0 m3·hm－2，每次间隔14 d；灌水8 次（T8），单次灌量为487.5 m3·hm－2，每次间隔10 d；灌水10 次（T10），单次灌水量为390.0 m3·hm－2，每次间隔8 d；灌水12 次（T12），单次灌水量为325.0 m3·hm－2，每次间隔7 d。试验采用随机区组排列，每个处理重复3 次，每个重复面积为136.8 m2，小区之间设置保护行。春季施用基肥，撒施后当天犁地，犁地深度为30 cm（耕作层0～30 cm）。基肥及其用量为尿素300 kg·hm－2、重过磷酸钙375 kg·hm－2、硫酸钾180 kg·hm－2，现蕾期第一水滴施尿素300 kg·hm－2，初花期随水滴施尿素300 kg·hm－2。化学调控、打顶、防虫等田间管理措施与当地大田管理措施相一致，各处理同日进行。

于吐絮期（9 月21 日）采集中间行棉花根系，如图1 所示将0～60 cm 的土层划分6 个根系采集层，每层纵向深度10 cm（分别记为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm 和50～60 cm 土层）、行向20 cm（含3 株棉花）、宽度76 cm，体积为0.015 2 m3，进行土体采集并筛选根系。每个处理进行3 次土体挖取记为3 个重复。将收集的根系在水中浸泡、清洗干净后，置于盛水的透明器皿中，使根系均匀分散，利用EPSON 根系扫描仪进行扫描，再利用根系分析软件WinRHIZO 获取直径小于等于1 mm（记为≤1 mm）、大于1 mm 小于等于2 mm（记为1 ～2 mm）、大于2 mm 小于等于3 mm（记为2～3 mm）、大于3 mm 小于等于4 mm（记为3～4 mm）和大于4 mm（记为＞4 mm）的根系的长度、表面积、体积，将各土层棉花根系的根长、表面积、体积除以各层土壤体积（0.0 152 m3）得出根长密度、表面积密度、体积密度。最后，将根系置于烘箱于70 ℃烘干至质量恒定，使用分析天平称量根干物质质量。

图1 土壤根系挖掘示意图Fig.1 Schematic diagram of soil root excavation

应用MicrosoftExcel2016 和IBMSPSSStatistics 26 进行数据运算与方差分析，采用邓肯多重范围检验（邓肯氏新复极差法）进行差异显著性分析，利用Graphpad Prism 8.0 制图、Microsoft Excel 2016 制表。

由表1 可以看出，不同灌溉频次下，耕作层（0～30 cm 土层）棉花根长明显高于非耕作层（30～60 cm 土层）的根长，表明在犁底层和灌溉模式的双重作用下，棉花根系主要分布在0～30 cm土层。耕作层的棉花根长受灌水频次影响明显，T6 和T12 处理下耕作层棉花根长随土层加深呈先下降后上升趋势，T8 和T10 处理在0～30 cm土层的根长随土层加深而降低。各处理在0～10 cm 土层的根长均高于10～20 cm 和20～30 cm 土层，其中T6 处理在0～10 cm 土层的根长最长，达到89.30 m，T12 处理的最短，仅为52.23 m；T10 处理在20～30 cm 土层的根长仅为16.55 m，显著低于其他处理的根长。4 个处理下，棉花在非耕作层的根长均随土层加深逐渐减小。

表1 不同处理下棉花在各土层的根长Table 1 Cotton root length in different soil layers of different treatments m

4 个灌水频次下棉花的根长密度分别是：T6为11 662.7 m·m－3，T8 为9 629.8 m·m－3，T10为9 685.8 m·m－3，T12 为8 388.7 m·m－3；T6 处理的最高，T12 处理的最低，T12 处理较T6 处理低28%（图2A）。对于0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 土层，上层10 cm 的根长密度均高于下层10 cm 的根长密度。在0～10 cm 土层中，根长密度表现为T6＞T10＞T8＞T12，与各处理在0～60 cm 土层的总根长密度表现一致。10～20 cm土层中，根长密度表现为T10＞T8＞T6＞T12，分别为3 136 m·m－3、2 648.4 m·m－3、2 135 m·m－3和1 961.1 m·m－3。30～60 cm 土层中，根长密度表现为T10＞T6＞T8＞T12，分别为1 090.5 m·m－3、940.7 m·m－3、859.4 m·m－3和525.3 m·m－3。

T6、T8、T10 和T12 处理下直径小于等于1 mm 棉花根系的根长分别占总根长的95.1%、94.9%、94.6%和93.4%，平均为94.5%。各处理不同直径下的根系均主要分布在耕作层（图2B～F）。从图2B 可以看出，T6 处理下直径小于等于1 mm 的根系的根长密度最大，分别比T8、T10 和T12 处理高出17.6%、17.4%和29.4%。T8 和T10处理下，直径小于等于1 mm 根系的根长密度随着土层深度的增加而降低，而T6 与T12 处理下则呈现先降低再增加后降低的趋势。除了T10 处理中20～30 cm 土层直径小于等于1 mm 根长密度显著小于其余处理的，其他土层中各处理直径小于等于1 mm 根系的根长密度无显著差异。20～30 cm 土层中，T6 处理下直径1～2 mm 棉花根系的根长密度显著高于T10 处理；30～40 cm 土层中，T10 处理下直径1～2 mm 棉花根系的根长密度显著高于T8 和T10 处理（图2C）。灌水频次对直径2～3 mm 根系的根长密度无显著影响（图2D）。T10 处理在50～60 cm 土层中直径3～4 mm 根系的根长密度显著高于T8 和T12处理，与T6 处理无显著差异（图2E）。从图2F 可以看出，所有处理下直径大于4 mm 的根系的根长密度均随土层深度增加而降低。

图2 棉花根长密度对灌水频次的响应Fig.2 Response of cotton root length density to irrigation frequency

表2 表明，4 个灌水频次下0～30 cm 土层的棉花根表面积远大于30～60 cm 土层的根表面积。0～10 cm 土层中，T6 处理的根表面积最大，比其余处理的根表面积高0.024 7～0.029 4 m2，但各处理间均无显著差异；20～30 cm 土层中，T10 处理的根表面积显著低于其余处理；30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm 土层中，T12 处理的棉花根表面积低于其余处理，但各处理间均无显著差异。棉花根总表面积随着灌水频次的增加而减少，即T6＞T8＞T10＞T12。

从表2 和图3A 可以看出，本研究中0～60 cm 土层棉花根表面积密度随着灌水频次的增加而降低。在0～10 cm 土层中，T6 处理的棉花根表面积密度最大，T8、T10、T12 处理与T6 处理相比分别低22.5%、21.8%和26.0%。在10～20 cm 土层中T12 处理的棉花根表面积密度最小。在20～30 cm 土层中，T12 处理的棉花根表面积密度最大。在30～40 cm 土层，T8 处理的根表面积密度达到1.91 m2·m－3，相较于其余处理高0.98 ～1.49 m2·m－3。在40～50 cm 土层和50～60 cm 土层中，各处理的根表面积无明显差异。

表2 不同处理下各土层中棉花根表面积Table 2 Cotton root surface area in different treatments at different soil layers m2

在0～60 cm 土层，不同直径的棉花根系的表面积占总表面积的比例从大到小依次为：≤1 mm（71.9%）、1～2 mm（13.8%）、＞4 mm（9.0%）、2～3 mm（3.6%）、3～4 mm（1.7%）。随着土层深度的增加，T6、T8、T12 处理下直径小于等于1 mm 的根系表面积密度呈现先降低后升高再降低的趋势，而T10 处理呈现降低的趋势（图3B）。图3C表明，在20～30 cm 土层，T12 处理中直径1～2 mm 的根系的表面积密度显著高于T10 处理。图3D 表明，在0～10 cm 土层，T10 处理直径2～3 mm 根系的表面积密度小于其他处理，而在10～20 cm 土层大于其余处理。图3E 表明，直径3～4 mm 棉花根系的表面积密度在10～30 cm土层中对灌水频次的响应不同，在10～20 cm 土层中根表面积密度高的处理在20～30 cm 土层中的根表面积密度则低。从图3F 可以看出，不同处理间直径大于4 mm 的棉花根系的表面积密度无显著差异，且随着土层深度的增加而降低。

从表3 可以看出，不同灌水频次下，0～30 cm 土层的棉花根体积大于30～60 cm 土层的体积。T12 处理在0～10 cm 土层的根体积最大，但在30～60 cm 土层最小，在20～30 cm 土层中的根体积显著高于T8 和T10 处理、与T6 处理无显著差异。0～60 cm 土层各处理的根体积分别为T6：33.29×10－6m3、T8：31.29×10－6m3、T10：27.94×10－6m3、T12：33.10×10－6m3，随着灌水频次的增加先降低后升高。

表3 和图4A 表明，随灌水频次增加，0～60 cm 土层中棉花根体积呈现先降低后升高的趋势，T6 处理的根体积最大。各处理在0～10 cm土层的根体积最大，在0～30 cm 土层中根体积密度随灌水频次的增加呈现先减小后增加的趋势，在30～60 cm 土层中根体积密度随灌水频次的增加呈现先增加后降低的趋势。

表3 不同处理下各土层棉花根体积Table 3 Root volume of different treatments at different soil layers 10－6 m3

图4B 表明，T6、T8 和T12 处理直径小于等于1 mm 的根体积密度在20～30 cm 土层显著高于T10 处理，且比10～20 cm 土层的根体积密度有所增加，其中T12 处理增幅最大，增加了80.08%。图4C 表明，在20～30 cm 土层，T12 处理的直径1～2 mm 根体积密度显著高于T10 处理。图4D 表明，直径2～3 mm 根系中，T12 处理的根体积密度在10～20 cm 土层显著低于T10处理。图4E 表明，与10～20 cm 土层相比，20～30 cm 土层中的T6 处理中直径3～4 mm 棉花根的体积密度增加，其他处理的根体积密度均降低。从图4F 可以看出，所有处理大于4 mm 的根系均主要分布在0～10 cm 土层中，少量分布在10～30 cm 土层中，极少量分布在30～60 cm 土层中。

图4 棉花根体积密度对灌水频次的响应Fig.4 Response of cotton root volume density to irrigation frequency

图5 可以看出，0～60 cm 土层内，T6 处理的棉花根干物质质量高于其他处理。0～30 cm 土层（耕作层）棉花根干物质质量在0～60 cm 土层根干物质质量中的占比均超过94%（T6：95.7%、T8：95.4%、T10：94.2%、T12：97.3%），表明棉花根系主要分布在0～30 cm 土层；其中，0～10 cm 土层根干物质质量在根总干物质质量中的占比超过72%（T6：74.3%、T8：74.3%、T10：72.1%、T12：72.2%），T6 处理的根干物质质量最大，T8、T10、T12 处理的根干物质质量较为相近。在10～20 cm土层中T10 处理的根干物质质量最大；但在20～30 cm 土层中T10 处理的根干物质质量最低，显著低于其他3 个处理。在30～60 cm 土层，不同灌水频次下根干物质质量表现为：T10＞T6＞T8＞T12。

图5 不同处理下各土层下的棉花根干物质质量Fig.5 Cotton root dry matter mass of different treatments at different soil layers

作物主要依靠根系汲取土壤中的养分和水分，并通过输导组织传输到地上部，从而进行营养生长和生殖生长[19]。水肥管理措施对根长密度、根表面积密度、根体积密度、根尖数有显著影响[20]。研究表明，合理的水肥调控技术能够调节土壤中水盐分布[21]，从而改变棉花根系的生长分布，并协同增加地上部干物质质量，促进棉花高产[22]。

本研究通过分析3 900 m3·hm－2的灌溉定额下不同灌水频次对棉花根系生长发育的影响，发现单次灌水量最大的T6 （单次灌水量650.0 m3·hm－2）处理的根长最长。研究表明，在灌溉总量为3 750～4 500 m3·hm－2条件下，增加灌水频次至12～16 次，膜下滴灌浅层土壤含水量较高，有利于维持土壤较为湿润的状态，从而促进土壤浅层根长的增加和深层根长的降低[23-24]。在一膜三行栽培模式下，棉花群体数量较低，需要充分发挥单株优势，增强根系生长以促进地上部生长发育。但受到犁底层的影响，本研究中不同灌水频次处理下棉花根系均集中在0～30 cm 土层。研究发现，田间不同灌水频次会改变不同时期的土壤水分分布，从而诱导马铃薯根茎呈现出不同的根长密度分布[25]；而棉花根域范围内根长密度则呈现随棉花植株生长而增加的趋势[26]。但是本研究只是针对固定时期、固定位置和固定土壤体积内棉花根系的分析，下一步需要对棉花生育进程中的根系样本进行收集、分析研究。

棉花根表面积与水分吸收能力密切相关。根系吸附表面积、根系活跃表面积及表皮层的增加，可以增加根系与土壤的接触面积，有利于根系对水分和养分的吸收[27]。本研究表明，减少灌水频次、增加单次灌水量有助于棉花根长和根表面积的增加。刘梅先等[28]的研究结果表明，高频率灌溉使得0～20 cm 土层含水量较高，有利于根表面积的增加，但深层土壤得不到充足的水分保障。间隔10 d 进行1 次灌水处理的棉田后期会出现缺水现象，而单次大量灌溉利于水分向深层和侧根处渗透，使深层根系生长出较多的侧根。但本研究中T6 处理并没有显著地增加深层土壤中根长密度，但表层的根系分布高于T8 与T10 处理，这可能与棉田薄膜覆盖的保水增温效果、本研究灌溉定额可满足当地棉花需水量以及节水灌溉等有关[29]。

作物地上部的生长发育离不开地下部的支持，因此根干物质积累可以为作物高产提供基础保障[30]。同时根系的干物质分布规律对指导合理水肥管理及作物株行距配置有重要的参考意义[31]。Coelho 等[32]研究表明在综合根系水分胁迫、土壤阻力等因素的根系生长模型下的根干物质分布与土壤深度呈显著的负相关，与本研究基本一致。吴凤全等[33]研究指出，灌溉频率的改变会影响根冠比，表现为随着灌水频次增加根干物质质量占比逐渐降低，低灌溉频率有利于深层根干物质质量的积累。本研究中，棉花根系生长及分布对不同灌水频次的响应存在差别，T6 处理的棉花根干物质质量较大。单次充分供水能够引导根系对养分和水分的汲取利用，而少量多次供水则能够调控土壤中的根系扩展，避免因水分胁迫造成的根系过度下扎、营养生长偏向根系生长的根系冗余问题[34-36]。

前人研究发现，0～30 cm 土壤深度中氮、磷、钾的分布最多，在30～40 cm 的过渡层逐步降低，40 cm 以下土层中氮、磷、钾含量很低[37]。本研究中，在30～60 cm 土层所有处理的根干物质质量、根长、根表面积及根体积占比均急剧降低，可能由于试验地春季翻耕深度为30 cm，导致犁底层以下根系的干物质质量、根长、根表面积及体积均低于0～30 cm 土层。合理设置单次灌量和灌水频率能优化棉花根系在土壤下的生长分布，形成有效合理的植株地下部体系，因此后续将结合地上部干物质发育情况深入开展研究。