不同覆蓋措施對枸杞根系生長和土壤環(huán)境的影響*

胥生榮, 張恩和, 馬瑞麗, 王 琦, 劉青林, 王鶴齡

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不同覆蓋措施對枸杞根系生長和土壤環(huán)境的影響*

胥生榮1, 張恩和1**, 馬瑞麗1, 王 琦2, 劉青林1, 王鶴齡3

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 蘭州 730070; 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 蘭州 730070; 3. 中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/中國氣象局干旱氣候變化重點(diǎn)開放實(shí)驗室/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗室 蘭州 730020)

耐旱枸杞是西北干旱地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物, 為了進(jìn)一步了解不同覆蓋時間和覆蓋材料對枸杞土壤環(huán)境和水分利用的影響, 為枸杞抗旱節(jié)水栽培與水分高效利用研究提供理論依據(jù), 以3年生‘寧杞1號’為試驗材料, 研究了秸稈和地膜在春季和秋季進(jìn)行覆蓋后, 枸杞根系生理特性和分布、土壤儲水量和溫度等根系和土壤環(huán)境的變化規(guī)律。結(jié)果表明: 地膜和秸稈覆蓋都可以提高土壤儲水量, 秋季覆蓋更有利于冬季水分儲存, 使土壤儲水量在早春分別增大到裸地對照的117.1%和114.4%; 地膜和秸稈秋季覆蓋使土壤平均溫度比裸地對照高18.0%和7.1%, 春季覆蓋使平均溫度比裸地對照分別高6.4%和2.3%; 不同覆蓋處理均可以增大根系比導(dǎo)率年平均值, 秋季覆膜比導(dǎo)率變化最顯著, 達(dá)裸地對照的109.95%, 春季覆秸稈比導(dǎo)率變化最小, 僅為裸地對照的100.3%; 覆蓋處理在低溫季節(jié)可以使根系活力升高, 而在高溫季節(jié)可以使根系活力降低; 根冠比在秋季和春季覆膜后變化最顯著, 分別為裸地對照的87.42%和90.35%; 表層0~20 cm和水平距離40~60 cm處, 細(xì)根分布比例最大的均為秋季覆膜, 分別達(dá)裸地對照的133.5%和116.7%, 細(xì)根分布比例最小的均為春季秸稈覆蓋。綜合分析表明, 覆蓋模式與植株根系的生長、分布和土壤水分狀況密切相關(guān), 使土壤環(huán)境和根系分布發(fā)生變化, 更有利于利用土壤淺層和橫向較遠(yuǎn)處的水分和營養(yǎng)物質(zhì)。

枸杞; 覆蓋材料; 覆蓋季節(jié); 根系; 土壤環(huán)境; 水分利用率; 根系比導(dǎo)率; 根系活力

干旱半干旱地區(qū)水資源短缺已成為影響生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展和限制農(nóng)作物生長發(fā)育的主要因素, 如何提高有限水資源的利用效率和控制水土流失是高效節(jié)水農(nóng)業(yè)急需解決的問題, 通過改變耕作方式和種植模式來實(shí)現(xiàn)植物節(jié)水生產(chǎn)已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用。

覆蓋技術(shù)作為一項提高植物水分生產(chǎn)力的耕作措施, 在旱作農(nóng)業(yè)方面展現(xiàn)出巨大的潛力。秸稈和地膜覆蓋能夠較好地控制冬春風(fēng)蝕, 蓄水保墑, 增加土壤含水量。地膜覆蓋可明顯提高地溫, 增強(qiáng)植株從土壤中吸收養(yǎng)分和水分的能力, 促進(jìn)早熟, 彌補(bǔ)冬前積溫不足, 降低越冬死亡率[1]。秸稈覆蓋可以減小土壤溫度的變化幅度, 土壤的升溫速率和降溫速率也顯著低于裸地對照, 使越冬前期平均溫度升高[2]。通過高溫時節(jié)的“低溫效應(yīng)”和低溫時節(jié)的“增溫效應(yīng)”, 使土壤溫度的季、日變化均趨向緩和, 有效地緩解溫度變化對作物的傷害[3], 能夠改變農(nóng)田下墊面的性質(zhì)和能量平衡, 改善土壤水分狀況, 對提高作物水分利用效率具有顯著作用[4]。

根系對土壤-植物-大氣(SPAC)循環(huán)系統(tǒng)中水分和物質(zhì)運(yùn)輸利用起關(guān)鍵作用, 直接影響植物的養(yǎng)分水分吸收能力。根系對植物適應(yīng)環(huán)境的能力和生態(tài)策略有顯著影響[5-6], 了解根系形態(tài)和結(jié)構(gòu)是提高作物水分和養(yǎng)分吸收效率的關(guān)鍵。根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官, 細(xì)根最能反映根系生長發(fā)育狀態(tài), 細(xì)根根量占總根量比例的大小是衡量植株生活力強(qiáng)弱的標(biāo)志[7]。植物根系的形態(tài)與分布特征可以影響根系的吸收功能與效率, 根的應(yīng)力分布最終決定于根的形態(tài)特征[8-9], 在土壤中的分布狀況是農(nóng)田灌水、施肥等需要考慮的重要因素[10-11]。地膜覆蓋可以使蘋果()根系顯著上浮, 覆草則會增大根系水平分布范圍和垂直深度[12], 改變根系的分形維數(shù)[13]。研究根系的空間分布特征, 對于進(jìn)一步研究根系吸水時空分布規(guī)律及其影響機(jī)制, 改進(jìn)田間水分管理措施, 發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有十分重要的意義。

寧夏枸杞()屬于茄科(Solanaceae)多年生落葉灌木, 其根系發(fā)達(dá), 適應(yīng)性強(qiáng), 并具有改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力等作用。作為干旱地區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要樹種, 覆蓋條件下枸杞土壤與植物的水分關(guān)系, 尤其是土壤微環(huán)境與根系分布和水力學(xué)特性的相關(guān)性研究仍相對較少。本研究對不同覆蓋處理下枸杞根圍土壤環(huán)境、根系導(dǎo)水率和分布, 以及根系水分利用狀況與土壤環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行探討, 研究了不同時節(jié)和材料覆蓋對枸杞根系水分運(yùn)輸利用的影響, 以期為枸杞抗旱節(jié)水栽培與水分高效利用研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗于2016年9月至2017年10月在甘肅省古浪縣枸杞示范園(37.30°N, 103.29°E)進(jìn)行。試驗區(qū)海拔1 760 m, 屬干旱氣候, 年平均氣溫5.6 ℃, 年均降水量300 mm, 無霜期140 d。土壤有機(jī)質(zhì)含量14.5 g×kg-1、速效磷28.5 mg×kg-1、速效鉀396.9 mg×kg-1、硝態(tài)氮38.1 mg×kg-1、銨態(tài)氮1.34 mg×kg-1, 土壤肥力均勻, 土壤容重1.32 g×cm-3。

以3年生枸杞‘寧杞1號’植株為供試材料, 株行距為1 m×3 m, 株高1.5 m。選擇樹勢均勻一致的枸杞植株作為試材。試驗設(shè)4種覆蓋處理模式: 春季地膜覆蓋(PMs)、秋季地膜覆蓋(PMa)、玉米秸稈春季覆蓋(SMa)、玉米秸稈秋季覆蓋(SMs), 以裸地作為對照(CK)。玉米秸稈覆蓋前用鍘刀切成長10~20 cm的短節(jié), 覆蓋量為4 500 kg×hm-2; 地膜用寬1.5 m的白色地膜。秸稈和地膜均覆蓋于樹冠周圍及行間。秋季覆蓋于秋季施肥和冬剪結(jié)束后、地表封凍前進(jìn)行, 覆蓋時間為2016年11月1日; 春季覆蓋于地表解凍15 cm、氣溫達(dá)5 ℃左右進(jìn)行, 覆蓋時間為2017年3月20日。試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計, 每個處理設(shè)置3個重復(fù), 每個處理為1個小區(qū)。所有試驗小區(qū)除覆蓋處理, 其余耕作、施肥、病蟲害防治處理均相同。2016年10月至2017年10月, 所有處理和對照地塊每2個月取樣1次, 每次取樣重復(fù)3次, 每個處理共取樣7次, 取樣后根據(jù)試驗需要分別測定各項指標(biāo)。

1.2 指標(biāo)測定

土壤儲水量: 在距離樹干30 cm處用鉆頭直徑38 mm的土鉆取0~150 cm土層土樣, 每10 cm為一個層次。每次取樣隨機(jī)選擇3棵長勢良好的樹, 在樹體四周不同方向等距離取3個重復(fù)。用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量。土壤儲水量是指一定土層厚度的土壤總含水量, 以土層深度(mm)表示[14]。計算公式:

土壤儲水量(mm)=(1×1×1+2×2×2+…+C×

M×D)×10(1)

式中:為土壤質(zhì)量含水量(%),為土壤容重(g×cm-3),為土層厚度(cm),=15, 10為計算系數(shù)。

土壤溫度: 不同覆蓋處理在距離樹干30 cm的行間和行內(nèi)均勻布置曲管地溫計(DWJ-112, FJZD), 每個處理重復(fù)3次, 于上午10:00—11:00分別記錄不同處理5~25 cm土壤溫度。

樹冠和根系: 于2017年10月, 采用土壤剖面法調(diào)查根系分布, 橫向距離樹干0~60 cm內(nèi)每10 cm為一個取樣段, 縱向在土層0~80 cm內(nèi)每20 cm為一個取樣段, 每棵樹在行間和行內(nèi)不同方向等距離挖取根系, 抖落非根際土后用清水沖洗干凈。樹冠從主干出地面5 cm處剪取, 剪成10~15 cm短截。根據(jù)Reubens等[15]的根系分類, 將根系直徑<3 mm的細(xì)根和根系直徑>3 mm的粗根分開收集。樹冠和洗凈分級后的根系在105 ℃殺青5 min, 然后在80 ℃恒溫烘干24 h至恒重, 用精度為0.000 1 g的電子天平進(jìn)行稱重, 獲得樹冠和根系干質(zhì)量, 每個處理取3個重復(fù)[16-17]。

根系活力: 于2017年春季覆蓋結(jié)束后的4月份和秋季9月份各采樣1次, 采集距樹干20 cm、深10~20 cm處細(xì)根, 采用TTC染色法測定根系活力, 用單位鮮重根在單位時間內(nèi)還原的TTC毫克數(shù)來表示[18]。

導(dǎo)水率: 用美國Dynamax公司生產(chǎn)的高壓流速儀(high pressure flow meter, HPFM)進(jìn)行田間原位測定。從地面以上5 cm處截去枸杞植株地上部分, 將高壓流速儀與莖干基部連接測定根系絕對導(dǎo)水率(hydraulic conductivity,h)。根系比導(dǎo)率(special conductivity,s)為絕對導(dǎo)水率(h)除以莖干木質(zhì)部橫截面積(stem)所得的比率(s=h/stem)。植株的莖干基部直徑用精度為0.01 mm的數(shù)字游標(biāo)卡尺測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析及處理

所得數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 首先對不同處理間進(jìn)行方差分析, 若差異顯著, 再進(jìn)一步進(jìn)行LSD多重比較, 采用Microsoft Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋處理對土壤儲水量和地溫的影響

不同材料和時間覆蓋對土壤水分蒸發(fā)和降雨的下滲都有不同程度的影響, 直接影響著土壤與作物之間的水分供需關(guān)系。圖1A為覆蓋后0~150 cm土層在不同生長時期的儲水量。儲水量總體變化趨勢是封凍前至開春時為土壤水分積累儲存時期, 待植株開春發(fā)芽時土壤水分消耗量不斷增大。秋季覆蓋有利于冬季水分的儲存, 在開春2月, 秋季地膜和秸稈覆蓋使土壤儲水量顯著高于裸地對照, 分別為裸地對照的117.1%和114.4%; 4月, 春季地膜和秸稈覆蓋的土壤儲水量均高于裸地對照, 但差異不顯著, 分別為裸地對照的104.9%和107.1%; 隨著溫度的升高和植株對水分消耗的增大, 從4月開始, 土壤儲水量逐漸減小; 8月至10月, 除秋季覆膜處理儲水量與裸地對照差異顯著外, 其余處理差異均不顯著。

土壤溫度是影響果樹根系生長、微生物活性、土壤養(yǎng)分有效性的最重要因素之一。圖1B為不同覆蓋情況下樹冠周圍土壤5~25 cm處的土壤平均溫度, 覆蓋處理對土壤溫度有顯著影響。土壤溫度總體變化趨勢與環(huán)境溫度一致, 整個試驗階段, 土壤溫度先降低后逐漸回升, 秋季地膜和秸稈覆蓋使平均地溫比裸地對照分別高16.0%和5.3%; 春季地膜和秸稈覆蓋使平均地溫比裸地對照分別高6.4%和2.3%。在開春2月, 秋季地膜和秸稈覆蓋使土壤溫度顯著高于裸地對照, 分別升高到裸地對照的152.8%和131.5%; 由于地膜的破壞和秸稈的腐化, 覆蓋處理8月至10月遮光和保溫的作用降低, 地膜和秸稈覆蓋各處理間差異逐漸減小。地膜和秸稈覆蓋年平均溫度均高于裸地對照, 且秋季覆蓋高于春季覆蓋。

圖1 不同覆蓋處理對枸杞不同生長時期0~150 cm土壤儲水量及5~25 cm土壤平均溫度的影響

不同字母表示不同處理在同一取樣時間差異顯著(<0.05)。Different letters indicate significant differences among treatments at the same sampling time (< 0.05). CK: control treatment; PMs: plastic film mulching from spring of the second year; PMa: plastic mulched from autumn of the first year; SMs: stalk mulching from spring of the second year in spring; SMa: stalk mulching from autumn of the first year.

2.2 不同覆蓋處理對枸杞根系導(dǎo)水率的影響

比導(dǎo)率是絕對導(dǎo)水率與莖段截面積的比值, 反映植株器官輸水系統(tǒng)效率。在植物莖部橫截面積一定的情況下, 比導(dǎo)率越大, 單位有效面積輸水能力越強(qiáng)。從圖2可以看出, 枸杞根系比導(dǎo)率隨著季節(jié)呈現(xiàn)周期性的變化, 在冬春氣溫降低期間根系比導(dǎo)率減小, 當(dāng)夏秋季節(jié)溫度升高時逐漸增大。秋季覆膜使根系比導(dǎo)率年平均值最大, 顯著高于裸地對照和春季秸稈覆蓋處理, 為裸地對照的109.9%; 春季覆秸稈處理的根系比導(dǎo)率增大幅度最小, 與裸地對照差異不顯著, 僅為裸地對照的100.3%; 春季覆膜和秋季覆秸稈對根系比導(dǎo)率的影響介于以上兩者之間, 分別為裸地對照的103.9%和102.8%。地膜和秸稈秋季覆蓋使當(dāng)年12月份開始越冬和翌年4月份開春時根系比導(dǎo)率顯著增大。經(jīng)過覆蓋處理后, 植株在翌年10月準(zhǔn)備越冬時春季覆膜處理的根系比導(dǎo)率顯著高于對照和其他處理。

圖2 不同覆蓋處理對枸杞不同生長時期根系比導(dǎo)率的影響

不同字母表示不同處理在同一取樣時間差異顯著(<0.05)。Different letters indicate significant differences among treatments at the same sampling time (< 0.05). CK: control treatment; PMs: plastic film mulching from spring of the second year; PMa: plastic mulched from autumn of the first year; SMs: stalk mulching from spring of the second year in spring; SMa: stalk mulching from autumn of the first year.

2.3 不同覆蓋處理對枸杞根系活力的影響

由圖3可以看出, 在春季枸杞苗木發(fā)芽時, 地膜和秸稈秋季覆蓋使植株根系活力顯著高于裸地對照, 分別為裸地對照的146.4%和124.6%; 地膜和秸稈春季覆蓋使根系活力變化不顯著, 分別為裸地對照的108.7%和106.7%。在秋季, 裸地對照的根系活力最大, 覆蓋處理使根系活力均有不同程度地減小, 變化最顯著的是覆膜處理, 秸稈覆蓋處理使根系活力減小程度相對較小, 秋季和春季覆膜植株根系活力分別減小到對照的76.1%和70.3%, 覆秸稈分別減小到對照的87.4%和91.3%。

圖3 不同覆蓋處理對枸杞不同生長時期根系活力的影響

不同字母表示不同處理在同一取樣時間差異顯著(<0.05)。Different letters indicate significant differences among treatments at the same sampling time (< 0.05). CK: control treatment; PMs: plastic film mulching from spring of the second year; PMa: plastic mulched from autumn of the first year; SMs: stalk mulching from spring of the second year in spring; SMa: stalk mulching from autumn of the first year.

2.4 不同覆蓋處理對枸杞根冠比的影響

由圖4可以看出, 地膜覆蓋處理對植株根系和地上部分生長發(fā)育的促進(jìn)作用均顯著高于裸地對照, 地膜秋季和春季覆蓋處理的植株總干重分別為裸地對照的127.9%和123.1%, 而根冠比分別為對照的87.4%和90.3%; 秸稈覆蓋對植株地上部分生長發(fā)育的促進(jìn)作用顯著高于裸地對照, 但對根系的促進(jìn)作用不顯著, 秸稈秋季和春季覆蓋處理的植株總干重分別為裸地對照的116.6%和112.2%, 而根冠比分別為對照的93.47%和92.62%。

圖4 不同覆蓋處理對枸杞根系和地上部干重及根冠比的影響

不同字母表示不同處理在同一取樣時間差異顯著(<0.05)。Different letters indicate significant differences among treatments at the same sampling time (< 0.05). CK: control treatment; PMs: plastic film mulching from spring of the second year; PMa: plastic mulched from autumn of the first year; SMs: stalk mulching from spring of the second year in spring; SMa: stalk mulching from autumn of the first year.

2.5 不同覆蓋處理對枸杞根系生長的影響

2.5.1 對根系縱向生長的影響

圖5為覆蓋處理后細(xì)根在不同深度土壤中的分布情況。在0~20 cm土層, 秋季覆膜處理細(xì)根分布比例最大, 顯著高于裸地對照和其他覆蓋處理, 達(dá)到裸地對照的133.5%; 細(xì)根分布比例最小的為秸稈春季覆蓋處理, 達(dá)到裸地對照的107.4%。在20~60 cm土層, 細(xì)根分布比例在春季覆膜、秋季覆膜和秋季覆秸稈3個處理之間差異不顯著, 分別為裸地對照的103.1%、102.9%和103.3%, 春季秸稈覆蓋處理在20~60 cm土層細(xì)根分布比例與對照之間差異不顯著, 為對照的100.2%。在60~80 cm土層, 細(xì)根分布比例最大的為春季秸稈覆蓋, 為裸地對照的94.4%, 最小的為秋季覆膜處理, 為裸地對照的69.2%。

圖5 不同覆蓋處理對枸杞根系生物量縱向分布的影響

不同字母表示不同處理在同一取樣時間差異顯著(<0.05)。Different letters indicate significant differences among treatments at the same sampling time (< 0.05). CK: control treatment; PMs: plastic film mulching from spring of the second year; PMa: plastic mulched from autumn of the first year; SMs: stalk mulching from spring of the second year in spring; SMa: stalk mulching from autumn of the first year.

2.5.2 對根系水平生長的影響

枸杞細(xì)根在水平方向上的生物量指標(biāo)與水平距離的關(guān)系用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。由圖6可以看出, 各處理細(xì)根生物量在水平距離上的分布與水平距離均顯著相關(guān); 在水平距離40~60 cm處, 細(xì)根生物量最大的為秋季覆膜, 其次為春季覆膜和秋季覆秸稈, 均顯著高于裸地對照, 分別為裸地對照的116.7%、106.7%和110%; 春季覆秸稈對細(xì)根分布的影響作用較小, 與裸地對照差異不顯著。

3 討論

不同覆蓋材料對土壤水分蒸發(fā)和降水入滲具有不同程度的影響, 地膜可以減少土壤水分的蒸發(fā); 秸稈覆蓋能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[19], 改善土壤結(jié)構(gòu)[20], 增加雨水入滲、減少徑流及水分無效蒸發(fā), 從而提高土壤保水能力[21]。秋季覆蓋有利于冬季水分的儲存, 同時減少開春季風(fēng)對土壤水分蒸發(fā)的影響, 使土壤儲水量在封凍前至開春時不斷增大, 顯著高于裸地對照和準(zhǔn)備春季覆蓋的地塊; 春季覆蓋同樣可以減少春季風(fēng)對土壤水分蒸發(fā)的影響, 使土壤儲水量在開春階段高于裸地對照。在秋季高溫季節(jié), 由于行間農(nóng)事操作和風(fēng)化破壞, 覆蓋保墑效果弱化, 但由于地膜覆蓋具有更顯著的增溫效果, 蒸騰耗水增加, 使土壤儲水量減小幅度更顯著。由于秋季覆蓋對冬季水分的儲存作用, 使整個試驗階段的平均土壤儲水量顯著高于春季覆蓋和裸地對照處理, 而春季覆蓋的平均土壤儲水量與裸地對照差異不顯著。

圖6 不同覆蓋處理對枸杞根系生物量水平方向分布的影響

CK: control treatment; PMs: plastic film mulching from spring of the second year; PMa: plastic mulched from autumn of the first year; SMs: stalk mulching from spring of the second year in spring; SMa: stalk mulching from autumn of the first year.

土壤溫度是影響植物根系生長、微生物活性、土壤養(yǎng)分有效性的最重要因素之一。本試驗土壤溫度先降低后回升, 地膜和秸稈覆蓋使年平均地溫比裸地對照高, 且秋季覆蓋比春季覆蓋更高。小麥()、棉花(spp)、玉米()、大豆()等作物地膜和秸稈覆蓋后, 都會出現(xiàn)前期低溫季節(jié)增溫, 后期高溫季節(jié)降溫的雙重效應(yīng), 并可以平抑地溫在季節(jié)間和晝夜間的劇烈變化[22-23]。本試驗地膜覆蓋使土壤溫度在夏季顯著升高, 并未發(fā)現(xiàn)高溫季節(jié)降溫的雙重效應(yīng); 而秸稈覆蓋出現(xiàn)高溫季節(jié)緩解土壤高溫的現(xiàn)象。秋季地膜覆蓋在植株生長前期增溫效果顯著, 生長后期覆膜的增溫效應(yīng)逐漸降低; 秋季降溫時延緩?fù)寥罍囟冉档? 提高冬季根系生理活性, 有利于根系營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和儲藏[24]。由于行間操作和陽光照曬分化, 使地膜覆蓋的冬季保墑作用和土壤升溫的作用較低。秸稈秋季覆蓋會減緩春季土壤升溫速度, 減緩植株春季發(fā)芽生長, 有可能導(dǎo)致苗木生育延遲, 營養(yǎng)生長受到限制[25], 但在高溫季節(jié)有利于降低土壤溫度, 減少土壤水分蒸發(fā)和植株呼吸作用水分的消耗, 促進(jìn)植株在高溫季節(jié)的生長和發(fā)育。

比導(dǎo)率是絕對導(dǎo)水率與莖段截面積的比值, 反映植株器官輸水系統(tǒng)效率, 在植物莖段橫截面積一定的情況下, 比導(dǎo)率越大, 單位有效面積輸水能力越強(qiáng)[26-27]。有研究發(fā)現(xiàn), 環(huán)境溫度降低能夠降低小麥幼苗根系的導(dǎo)水率[28]; 隨著根區(qū)溫度在一定范圍內(nèi)的升高, 美國南部4種松樹(、、和)的根系導(dǎo)水率隨之增大[29]?？梢娡寥罍囟葘Ω祵?dǎo)水率具有顯著影響。覆蓋可以減少土壤水分蒸發(fā), 使含水量增大, 進(jìn)而促進(jìn)植株導(dǎo)水率升高。枸杞根系導(dǎo)水率隨著季節(jié)呈現(xiàn)周期性的變化, 在冬春氣溫降低時根系比導(dǎo)率減小, 當(dāng)夏秋季節(jié)溫度升高時逐漸增大。秋季覆膜使根系比導(dǎo)率年平均值最大, 春季覆秸稈使根系比導(dǎo)率變化較小, 春季覆膜和秋季覆秸稈對根系比導(dǎo)率的影響介于以上兩者之間。覆蓋使植株在春季發(fā)芽和越冬時根系比導(dǎo)率增大, 能促使當(dāng)年植株早發(fā)芽和越冬前地上部分營養(yǎng)物質(zhì)回流至根系。

根系是植物吸收土壤水分的主要器官, 根系活力反映根系的生長發(fā)育狀況, 影響根系對土壤水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收, 反映根系與土壤環(huán)境之間的動態(tài)關(guān)系和植株的吸收功能。孫文泰等[30]研究發(fā)現(xiàn), 隨著覆膜時間的延長, 深層土壤透氣性逐漸變差, 覆膜材料導(dǎo)熱系數(shù)高, 膜下空間相對密閉, 夏季土壤升溫過高過快和地溫不穩(wěn)定都會對根系產(chǎn)生傷害。溫度過高會加快土壤水分的蒸騰散失, 加快根系老化, 酶蛋白的活性下降, 而溫度過低會降低植株根系活力, 不利于植株對水分、礦質(zhì)元素和營養(yǎng)物質(zhì)等的吸收利用。春季苗木發(fā)芽時, 秋季地膜和秸稈覆蓋使土壤含水量和溫度升高, 有利于根系酶活性的升高, 使植株根系活力顯著高于裸地對照, 春季覆蓋時對土壤含水量和溫度的影響不明顯, 根系活力變化不顯著。秋季高溫季節(jié), 地膜覆蓋使土壤含水量和溫度顯著升高, 導(dǎo)致根系老化, 部分酶失活, 根系活力下降; 秸稈覆蓋在土壤含水量升高的同時使土壤升溫變緩, 根系酶活性穩(wěn)定, 根系活力保持一定水平。

植株地上部分和根系是一個相互作用、相互依賴的有機(jī)結(jié)構(gòu), 根系的生長發(fā)育對地上部分的營養(yǎng)生長和生殖生長都有直接的影響。土壤含水量較高時, 根系可以從土壤表層獲得所需的水分, 根系生長量較小; 土壤水分虧缺時, 為獲得足夠的水分和營養(yǎng)物質(zhì), 會促進(jìn)根系的生長[31-32]。Kaspar等[33]研究發(fā)現(xiàn), 隨著土壤溫度的升高, 玉米和美洲山核桃()根系生長速度逐漸加快, 在30 ℃時生長速率達(dá)最大, 溫度再升高會加快根系的衰老。土壤溫度會影響根系的生長、分枝和生長方向[34]。覆蓋是旱作農(nóng)業(yè)常用的土壤保水保溫的主要措施, 能夠促進(jìn)根系的生長, 提高根系總生物量[35]。枸杞覆蓋處理使土壤含水量和溫度升高, 植株生長速率加快, 使植株總干重顯著高于裸地對照; 但在土壤水分充足條件下, 根系生長速率相對地上部分緩慢, 使植株根冠比減小。

根系是植物吸收土壤水分和養(yǎng)分的主要器官, 了解根系形態(tài)和結(jié)構(gòu)是提高作物水分和養(yǎng)分吸收率的關(guān)鍵。每一種植物的根系都有其自身的生長特性, 植物的生長環(huán)境可以改造根系的結(jié)構(gòu)。作為植株與土壤進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)的主要載體, 根系的深度和分布決定了植株吸收土壤水分的潛在來源[36], 不同深度根系的生物量是體現(xiàn)根系分布的重要指標(biāo), 良好的根系分布有利于植株地上部分的生長。覆蓋處理使土壤淺層0~40 cm范圍內(nèi)細(xì)根分布比例為秋季覆蓋> 春季覆蓋>裸地對照, 土壤深層40~80 cm范圍內(nèi)細(xì)根分布比例為秋季覆蓋<春季覆蓋<裸地對照, 春季覆蓋與裸地對照之間的差異不顯著, 且地膜覆蓋和秸稈覆蓋之間沒有明顯差異。根系生物量分布隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢, 在0~20 cm和60~80 cm處分布量較少, 在20~60 cm處分布量較多, 這與甘卓亭[37]對果樹根系分布的研究結(jié)果一致。根系生長具有向水性, 其生長發(fā)育和分布在很大程度上取決于土壤水分條件, 在一定范圍內(nèi), 隨著土壤含水量的增加, 根系將朝著有水的地方生長, 其分布量也增加[38]。覆蓋處理使淺層土壤含水量升高, 根系可以從淺層獲得所需的水分, 不需要根系從土壤深層吸取水分, 導(dǎo)致根系在淺層分布量增大。枸杞地塊細(xì)根在水平方向上的生物量指標(biāo)與水平距離的關(guān)系用指數(shù)函數(shù)統(tǒng)計分析均表現(xiàn)顯著相關(guān), 在水平距離40~60 cm處, 覆膜處理細(xì)根分布生物量高于秸稈覆蓋和裸地對照, 春季覆秸稈對細(xì)根分布的影響作用最小。細(xì)根具有很強(qiáng)的可塑性, 可以通過地面覆蓋改變土壤環(huán)境來影響根系的發(fā)育和生理代謝[39-40], 土壤環(huán)境很小的變化都可以影響細(xì)根的生長分布和形態(tài)功能[41-42]。土壤表層的細(xì)根主要功能是吸收養(yǎng)分[43], 深層的細(xì)根起吸收水分的作用[44], 根系在更大范圍內(nèi)分布, 有利于植株利用遠(yuǎn)距離土壤水分, 提高水分利用效率, 減少土壤水分無效蒸發(fā)。

4 結(jié)論

地膜和秸稈覆蓋都可以提高土壤儲水量, 秋季覆蓋更有利于冬季水分儲存, 同時減少開春季風(fēng)對土壤水分蒸發(fā)的影響, 但由于行間操作和陽光照曬分化, 在秋季需水量變大時保水效果較春季覆蓋差。秋季覆蓋在降溫時更有利于延緩?fù)寥罍囟冉档? 提高冬季根系生理活性, 促進(jìn)地上部分營養(yǎng)物質(zhì)向根系的運(yùn)輸和儲藏; 春季覆蓋較年前秋季覆蓋更有利于當(dāng)年越冬水分的儲藏, 地膜覆蓋比秸稈覆蓋更有利于根系和地上部分的生長。秋季覆蓋使植株在越冬和春季發(fā)芽時根系比導(dǎo)率顯著增大, 有利于根系為植株地上部分提供水分和營養(yǎng)物質(zhì); 春季覆膜使植株在當(dāng)年越冬前的根系比導(dǎo)率高, 有利于地上部分營養(yǎng)物質(zhì)回流至根系。覆蓋可以在低溫季節(jié)使根系活性升高, 但在高溫季節(jié), 地膜覆蓋土壤溫濕度高, 導(dǎo)致根系老化, 根系活力下降。根系生長發(fā)育受到覆蓋處理的影響, 秋季覆蓋較春季覆蓋更有利于細(xì)根在土壤淺層的生長, 使根系在樹干四周更大范圍內(nèi)分布, 有利于植株利用遠(yuǎn)距離土壤淺層水分。

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Effects of mulching patterns on root growth and soil environment of*

XU Shengrong1, ZHANG Enhe1**, MA Ruili1, WANG Qi2, LIU Qinglin1, WANG Heling3

(1. College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 2. College of Grassland Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 3. Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration / Key Open Laboratory of Arid Climatic Change and Disaster Reduction of China Meteorological Administration / Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster of Gansu Province, Lanzhou 730020, China)

is the main commercial crop across arid lands in northwestern China. In order to further understand the effects of different mulching patterns on root growth and soil environment, a mulching experiment was conducted at the Agricultural Demonstration Site in Gulang, Gansu Province (37.30°N, 103.29°E). The experiment consisted of four treatments — plastic film mulching from spring of the second year (PMs), plastic film mulching from autumn of the first year (PMa), stalk mulching from spring of the second year (SMs) and stalk mulching from autumn of the first year (SMa). Root physiological characteristics and distribution, soil water storage and temperature of three-year-old plants of ‘Ningqi 1’were studied. The results showed that both plastic film mulching and straw mulching improved soil water storage, and autumn mulching was better for winter soil water storage, which increased to 117.1% and 114.4% of that of CK (no mulching), respectively, in the next early spring. PMa and SMa respectively increased average temperature of soil by 18.0% and 7.1%, while PMs and SMs increased average temperature of soil by 6.4% and 2.3%, compared with CK. Both plastic film mulching and straw mulching improved annual specific conductivity of root, and the change in specific conductivity was most significant under PMa, reaching 109.95% of CK. Also change in specific conductivity was smallest in FMs, 100.3% of CK. While mulching treatment increased root activity in low temperature seasons, it decreased root activity in high temperature seasons. Change in root/shoot ratio was most significantly under plastic film mulching, with PMa and PMs values of 87.42% and 90.35% of that of CK, respectively. Within 0-20 cm soil layer and 40-60 cm horizontally around the plants, the largest proportion of fine roots was under PMa (reaching respectively 133.5% and 116.7% of CK) and the smallest proportion was under FMs. It suggested that mulching pattern was closely related with root growth and distribution. Also soil moisture changed soil environment and root distribution. Mulching was good for water and nutrient utilization in shallow soils and in horizontal far from.

; Mulching materials; Mulching time; Root system; Soil environment; Water use efficiency; Root specific conductivity; Root activity

, E-mail: zhangenhe@gsau.edu.cn

Mar. 27, 2018;

Jul. 13, 2018

Q945.17; S567

A

1671-3990(2018)12-1802-09

10.13930/j.cnki.cjea.180305

* 國家自然科學(xué)基金項目(31560380)資助

張恩和, 主要研究方向為根系營養(yǎng)和根際微生態(tài)節(jié)水農(nóng)業(yè)。E-mail: zhangenhe@gsau.edu.cn

胥生榮, 主要研究方向為作物根際微生態(tài)節(jié)水農(nóng)業(yè)。E-mail: xushengrong888@163.com

2018-03-27

2018-07-13

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31560380).

胥生榮, 張恩和, 馬瑞麗, 王琦, 劉青林, 王鶴齡. 不同覆蓋措施對枸杞根系生長和土壤環(huán)境的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(12): 1802-1810

XU S R, ZHANG E H, MA R L, WANG Q, LIU Q L, WANG H L. Effects of mulching patterns on root growth and soil environment of[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1802-1810