根鉆不同取樣法對估算根系分布特征的影響

劉鳳山，周智彬，胡順軍，杜海燕，陳秀龍

（1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；3.荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830011；4.中國科學(xué)院研究生院，北京100049）

＊根系取樣技術(shù)［1］有挖掘法、整段標(biāo)本法、根鉆法、剖面法、玻璃壁法、網(wǎng)袋法等。在這些取樣技術(shù)中，根鉆法是節(jié)省勞力和精確制取一定容積土壤－根系樣品的最適宜方法，在根系研究中具有重要意義［1］?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中用根鉆法制取根系樣品，水平方向上多為不連續(xù)取樣，即根據(jù)植物生長的環(huán)境，選擇有代表性的位置進(jìn)行取樣；而在垂直方向上則為分層完全取樣，即將根系按土壤層次進(jìn)行取樣，層與層間并無間隔。因此該法制取的根系樣品可以詳細(xì)的描述根系的垂直分布特征，但對根系水平分布特征的描述并不一定精確，導(dǎo)致在估算根系總量的時(shí)候出現(xiàn)偏差。根鉆法中根系水平分布特征準(zhǔn)確性的研究對于準(zhǔn)確描述根系的水平分布特征有重要意義，同時(shí)對于準(zhǔn)確研究根系的分布狀況及根系總量及模型中根系模塊的精確度有重要的意義。

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中的水分和養(yǎng)分分布具有較大的不均一性，作物根系受其影響在土壤中的分布存在較大差別［2］。用根鉆法取樣時(shí)，不同立地條件和不同取樣范圍的取樣數(shù)有較大的差別［3］。膜下滴灌棉花（Gossypiumhirsutum）在不同的植物配置方式及灌溉系統(tǒng)條件下，土壤中水、肥、鹽的分布與遷移模式具有很大的區(qū)別，進(jìn)而影響到土壤中根系的分布特征有很大的區(qū)別［4］。采用根鉆法研究棉花根系的分布及生長試驗(yàn)，多在裸行、窄行和寬行的中間進(jìn)行取樣。但是這些點(diǎn)的代表性并沒有進(jìn)行過研究，因此值得懷疑。首先這些點(diǎn)的水、肥、溫度［5－7］及土壤條件有很大差別［8－12］，距滴灌帶越遠(yuǎn)而減?。ǚ柿想S水入土）；其次根系響應(yīng)環(huán)境條件在不同的位置有不同的分布特征，并存在不同的交叉現(xiàn)象，采樣時(shí)不能有效的區(qū)分根系。為驗(yàn)證在該3孔取樣能否代表根系的分布特征及何種取樣方式更加合理，以膜下滴灌寬窄行配置的棉花為例，分析了取3孔、5孔和7孔條件下計(jì)算根系總干重的精確性，并分析了根系干重的分布特征，為根系研究中的合理取樣提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)在中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所阿克蘇綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野外研究站（80°45′E，40°27′N）進(jìn)行。采用大田試驗(yàn)，以“拓農(nóng)1號”為供試棉花品種，種植密度24萬株／hm2，實(shí)測密度20萬株／hm2。棉花栽培模式為寬窄行（50 cm＋20 cm），塑料膜寬度為120 cm。滴灌系統(tǒng)滴頭間距30 cm，滴頭流量3.2 L／h，一條塑料膜下有一根滴灌帶為4行棉花供水，即“一膜一管四行”。肥料隨水施入土壤，生育期共施入尿素510 kg／hm2、多微二氫鉀銨90 kg／hm2。滴灌從6月26日（蕾期）開始每隔7 d灌溉1次，全生育期共灌溉12次，至9月11日結(jié)束。

采用根鉆法調(diào)查膜下滴灌棉花根系的分布特征。每個(gè)處理小區(qū)水平方向取7孔（圖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確定土樣。沖洗法獲取每土層的根系后，烘干用萬分之一天平稱重獲得干重。

圖1 試驗(yàn)區(qū)示意圖Fig.1 The sketch of experimental site

1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2003，Mathematics和SPSS 13.0軟件；作圖采用Excel 2003和Origin 7.5。

2 結(jié)果與分析

7孔指1，2，3，4，5，6，7所有的取樣點(diǎn)，5孔指1，3，4，5，7取樣點(diǎn)，3孔為1，4，7取樣點(diǎn)（圖1）。取樣時(shí)7孔的根鉆孔緊密相連，將其視為完全采樣，其值與相鄰面積的乘積可以代表棉花根系的實(shí)際分布，選取的5孔和3孔的根系值與相應(yīng)面積的乘積是對根系實(shí)際分布的估計(jì)，試驗(yàn)重點(diǎn)在于通過與7孔計(jì)算值的比較，分析其估計(jì)的精確性，為根系水平方向的取樣合理數(shù)提供依據(jù)。

2.1 棉花根系干重水平合理取樣數(shù)的確定

為分析根系干重合理取樣數(shù)，利用7孔、5孔和3孔的根系值，分別計(jì)算了根系在裸行、窄行和寬行的分層干重。因?yàn)樵囼?yàn)在窄行僅有一個(gè)取樣點(diǎn)，即4號根鉆孔，3種計(jì)算方式的根系值相等，因此表1中列出了裸行、寬行和總體的分層干重，并沒有窄行處干重。與7孔計(jì)算值相比，總體分層干重5孔計(jì)算值比3孔計(jì)算值更加接近，尤其在50 cm深度以下，3孔計(jì)算值明顯偏離了實(shí)際值，例如90～110 cm土層，3孔值僅為57.00 mg／株，而實(shí)際值為132.57 mg／株，是3孔值的2.3倍之多。相比于5孔計(jì)算值，3孔計(jì)算值偏離的更為嚴(yán)重，而且在不同的生境條件下，各計(jì)算方式有不同的差異。在寬行不同的土層，3孔計(jì)算值在50 cm以下有較大差異，但差異性低于總體，而在裸行，差異性從40 cm即開始顯現(xiàn)，而且偏離更大。70～90 cm土層3孔值是29.89 mg／株，實(shí)際值是104.56 mg／株，是3孔值的3.5倍，而寬行差距最大的層次在110～130 cm，相差2.4倍。方差分析結(jié)果表明（表2），在整個(gè)土層，3種計(jì)算方式對裸行根系干重的估計(jì)達(dá)到顯著水平，而對寬行和總體干重的估計(jì)沒有達(dá)到顯著水平；在30 cm土層以下，3種計(jì)算方式表現(xiàn)出更加明顯的差異，但僅在裸行處3孔計(jì)算值與7孔計(jì)算值達(dá)到顯著水平；在40 cm土層以下，3孔計(jì)算值的裸行干重與7孔計(jì)算值有顯著差異。對于5孔計(jì)算值，在所有土層與7孔計(jì)算值沒有達(dá)到顯著水平。

根鉆法獲取根系樣品中，水平方向選擇不同的取樣方式，對根系的估算會產(chǎn)生巨大的影響，尤其對于深層根系，其3孔計(jì)算值與7孔計(jì)算值達(dá)到顯著水平?；趯Ρ?數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)3孔計(jì)算值不僅在總量上與7孔計(jì)算值達(dá)到顯著水平，同時(shí)對于根系在土層中的分布特征也有較大的誤差，為此采用回歸分析進(jìn)一步驗(yàn)證該3種計(jì)算方式的準(zhǔn)確性。

回歸分析表明（表3，4），從整個(gè)土層來看，3孔和5孔2種計(jì)算方式無論在裸行、寬行和總體都有較高的決定系數(shù)，而且差異顯著。但在30和40 cm以下土層，不同計(jì)算方式有不同的差異性水平。其中5孔值在裸行、寬行和分層干重都有較高的決定系數(shù)，而且都達(dá)到了顯著水平。3孔在各位置的決定系數(shù)較低，但僅在裸行處達(dá)到顯著水平，如30～150 cm土層的決定系數(shù)為0.546 3，P＝0.058；40～150 cm的決定系數(shù)僅為0.143 3，P＝0.459。因此采用3孔計(jì)算單株根系干重，對其在裸行，尤其深層根系分布的估算將出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。由于窄行計(jì)算值一致，且寬行偏離也較小，導(dǎo)致分層干重在30 cm以下土層的相關(guān)性較高，未達(dá)到極顯著水平。從3種計(jì)算方式對單株根系干重分布特征的方差分析和回歸分析結(jié)果看，采用3孔估算單株根系干重，可以較好的估計(jì)表層的根系干重，但對30 cm土層以下根系總量和分布的估算有較嚴(yán)重的偏離；而采用5孔估算各個(gè)土層的根系干重，都能達(dá)到較高的準(zhǔn)確性。

表1 不同取樣方法棉花單株干重分布特征Table 1 Distribution characteristics of root dry weight per cotton under different sampling method mg／株P(guān)lant

表2 單株棉花根系干重3孔與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P(guān)lant

表3 單株棉花根系干重3孔與7孔的回歸分析Table 3 Regression analysis of root dry weight per plant between 3 holes and 7 holes

表4 單株棉花根系干重5孔與7孔的回歸分析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孔計(jì)算值對根干重的垂直分布特征和水平分布特征進(jìn)行分析（表1）。在水平方向上，10～20 cm土層寬行根系干重大于裸行根系干重；在垂直方向，根系干重呈單峰曲線，且峰值偏向表層。在40 cm土層以上，根系干重急劇下降，但在40 cm以下變化趨于緩和，而且在裸行70～90 cm處有小幅度的增加。

3 討論與結(jié)論

根系是土壤和植物的動態(tài)界面，對植物和土壤均具有重要意義。但由于根系深處地下，受不透明介質(zhì)土壤的阻隔，觀測研究十分不便，導(dǎo)致根系研究在廣度、深度上均落后于地上部分。隨著對根系在生態(tài)系統(tǒng)以及全球碳平衡中重要作用的認(rèn)識，根系漸漸成為國際相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。土壤中水分、養(yǎng)分等營養(yǎng)物質(zhì)移動距離很小，植物根系的分布特征決定了植物的水分和養(yǎng)分的供給狀況［14－17］，因此研究根系分布特征具有重要的生態(tài)意義。但研究根系的方法至今沒有較大發(fā)展，仍然以把根系從土壤中分離為主，其中根鉆法是較為常用且省時(shí)省力的取樣方法。對采用根鉆法采樣的精度問題進(jìn)行了探討，希望為根系研究方法的進(jìn)一步發(fā)展提供基礎(chǔ)，并為根系模型預(yù)測提供更好的方法。

根干重體現(xiàn)了植物生物量的分配策略［13，18］，對其的精確估計(jì)是了解作物生產(chǎn)力的基礎(chǔ)。利用膜下滴灌寬窄行配置的棉花根系數(shù)據(jù)分析了取3孔、5孔和7孔條件下計(jì)算根系干重的精確度。結(jié)果表明，采用5孔估算根系干重有較高的準(zhǔn)確性，在各土層、各位置都有較高的決定系數(shù)，而且達(dá)到極顯著的水平；采用3孔估算根系干重，對30 cm土層以上根系有較好估計(jì)，但在30 cm土層以下有較低的準(zhǔn)確性，尤其在裸行，其決定系數(shù)低，且未達(dá)到顯著性水平，對于根系的估算有很大的偏差。從不同的位置分析，3孔計(jì)算值在裸行與7孔值的相關(guān)性較差，但在寬行的統(tǒng)計(jì)分析表明，這兩者的相關(guān)性較好，且達(dá)到了顯著性水平，說明在寬行取一點(diǎn)對于估算根系的分布有較好的代表性。

根系生長都具有向水性［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況，也能通過分布的多寡反映土壤水分的有效性。在膜下滴灌條件下，水分呈橢圓形分布［21］，不僅表現(xiàn)出表層水分較多，下層水分較少，而且在寬行處分布較多且均勻，在裸行處少且分布相對不均，導(dǎo)致根系在表層分布相對均勻且多，下層分布不均且少；在裸行處的分布相對不均且少［22］，尤其靠近窄行處，根系分布較多，而寬行處相對均勻且多。因此，在裸行處選取一點(diǎn)不足以代表根系在該生境中的分布，計(jì)算的根系總干重也會失真，需要在該處加密取樣，即取2孔；在寬行，取一點(diǎn)即可代表根系的分布。因此，考慮到在窄行處也需要選取一點(diǎn)，根鉆法取樣中獲得準(zhǔn)確的根系水平分布需要取4孔，即裸行2孔，寬行1孔，窄行1孔。

方怡向等［23］研究結(jié)果表明，根長和根表面積在土壤剖面中呈單峰型曲線，本研究與此有一致的變化趨勢；干重受種植制度和灌溉條件不一致的影響，在表層有稍許差異，表現(xiàn)為單調(diào)遞減趨勢。膜下滴灌顯著改善了土壤表層的水分狀況，10～20 cm土層含水量相對較多［23］，使根系在此處及40 cm土層以上大量生長，其中40 cm土層以上集中了89.33%，91.29%和89.06%的根系干重、長度和表面積，是作物吸水最重要的部位。

選取的5孔（圖1）并不是嚴(yán)格按照相等間距選取的，而是更加接近于窄行。這對于以后按照該方法等間距取樣進(jìn)行計(jì)算可能會產(chǎn)生一定的誤差。同時(shí)計(jì)算結(jié)果僅針對試驗(yàn)中的膜下滴灌系統(tǒng)，即“一膜一管四行”，滴灌帶位于膜下中間。由此導(dǎo)致的水分效應(yīng)和密度效應(yīng)不一致，使根系在土壤中的分布更加復(fù)雜。對于水分效應(yīng)和密度效應(yīng)相一致的作物配置方式，考慮到人力物力等因素，該結(jié)果的應(yīng)用需要慎重。同時(shí)不同作物配置方式有不同的計(jì)算方法，但均基于其特有的根系分布特征，研究中計(jì)算根系總量采用的是“測量值＊面積”的方式，僅適合于分布復(fù)雜的根系，對于分布簡單的根系可能有其簡便、準(zhǔn)確的計(jì)算方法，沒有考慮。通過以上分析，仍有大量的工作需要繼續(xù)進(jìn)行，即不僅研究不同作物配置方式的根系計(jì)算，還要注意計(jì)算方法上的差異，但本研究無疑為后續(xù)研究提供了新思路和依據(jù)。

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