空間布局對間作棉花根系時(shí)空分布特征的影響*

孫 雪，卡依沙爾·熱合曼，白明強(qiáng)，田玉剛，樊文霞，李燕芳，王沛娟，陳國棟

（塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

農(nóng)林間作復(fù)合系統(tǒng)是一種傳統(tǒng)的土地利用和經(jīng)營方式，因其能最大限度地發(fā)揮林業(yè)和農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益，能夠提高土地利用效率，防止水土流失和提高有限資源的利用率，因而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。棗棉間作復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)是目前新疆南疆棉花主產(chǎn)區(qū)普遍推廣應(yīng)用的果棉立體間作模式之一，棗棉間作改變了以往單一棗樹或棉花的平面種植，能有效提高土、水、熱和光資源的利用率，有利于良性生態(tài)循環(huán)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。但棗棉間作復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)地上部分存在棗樹對棉花一定程度的蔭蔽效應(yīng)，地下部分存在相互爭水爭肥的現(xiàn)象，在一定程度上限制了該模式在生產(chǎn)上的應(yīng)用和推廣，影響其效益的發(fā)揮，在農(nóng)林間作系統(tǒng)中，如何從生物、生態(tài)以及農(nóng)藝的角度來合理安排間作，從而協(xié)調(diào)復(fù)合群體光、熱、營養(yǎng)等資源的利用，最大程度發(fā)揮其優(yōu)勢是目前亟需解決的問題[2]。南疆地區(qū)光熱資源豐富，既是我國高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)特色林果業(yè)生長帶，也是我國最大的棉花生產(chǎn)基地。目前，制約南疆棗棉間作模式應(yīng)用的主要原因是未能解決棗樹和棉花在生長過程中爭水爭肥的問題。

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，也是植物間發(fā)生養(yǎng)分和水分競爭的主要場所[3]。植物對土壤水分和養(yǎng)分的競爭能力則取決于植物根系所占據(jù)的土壤空間、根系的形態(tài)和生理塑性、植物根系在土壤中的時(shí)空分布格局等。因此，植物根系特征是選擇合理的農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)配置的標(biāo)準(zhǔn)，了解林木和作物的根系特征是農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)成功的主要因素之一[4]。定量研究作物或果樹根系的生長發(fā)育及時(shí)空分布特征是構(gòu)建根系吸水模型與計(jì)算根系吸水量不可缺少的手段和環(huán)節(jié)，對于進(jìn)一步研究根系吸水時(shí)空分布規(guī)律及其影響機(jī)制、改進(jìn)田間水分管理措施和發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有十分重要的意義。特別是在干旱、半干旱地區(qū)，研究解決農(nóng)林種群間對水分和養(yǎng)分資源的競爭與吸收利用關(guān)系是農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)高效可持續(xù)經(jīng)營的關(guān)鍵問題[5]。

研究表明，農(nóng)林間作研究的關(guān)鍵是弱化種間競爭和強(qiáng)化種間互補(bǔ)。在農(nóng)林間作優(yōu)勢效益形成機(jī)理的研究中，致力于物種組合，地上與地下部作用、化感作用、空間布局、修剪、種植密度、施肥、水分等角度的研究持續(xù)而深入。本研究以棗棉間作為對象，研究空間布局對間作復(fù)合群體根系時(shí)空分布特征的影響，旨在通過農(nóng)藝措施的調(diào)控來優(yōu)化間作群體種間關(guān)系，弱化種間競爭，強(qiáng)化種間互補(bǔ)，提高間作資源利用效率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年4月至11月在阿拉爾市塔里木大學(xué)園藝試驗(yàn)站（40°32′20″N，81°17′57″E）進(jìn)行，該區(qū)位于新疆西部、塔里木盆地的西北部，平均海拔達(dá)1 015 m，屬暖溫帶大陸干旱荒漠氣候，降水稀少，光照時(shí)間長，年均太陽輻射610 KJ/cm2，年均氣溫10.8 ℃，≥10 ℃積溫4 113 ℃，無霜期220 d，年日照時(shí)數(shù)2 900 h，4～10 月每天平均日照時(shí)長9.5 h，年降水量50 mm，是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。棗園間作是當(dāng)前塔里木盆地作物種植的重要模式之一，其中棗棉間作效益較好。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

幼齡棗園于2012年酸棗直播建園，棗樹株行距配置為3.0 m×0.5 m。以棗/棉行比配置為主區(qū)，棉花株距配置為副區(qū)進(jìn)行裂區(qū)排列。行比配置設(shè)2 ∶2行比（2 行棗樹間種植2 行棉花，窄行種植，棉花種植距棗樹1.5 m，記作C2）、2 ∶4 行比（2 行棗樹間種植4行棉花，寬窄行種植，棉花種植距棗樹1.0 m，記作C4）和2 ∶6 行比（2 行棗樹間種植6 行棉花，寬窄行種植，棉花種植距棗樹0.5 m，記作C6）3 個(gè)水平；株距配置設(shè)10.0 cm（R1）和12.5 cm（R2）2 個(gè)水平，組成6個(gè)間作處理，分別是C2R1、C2R2、C4R1、C4R2、C6R1 和C6R2，另設(shè)2 個(gè)單作棉花處理 （CR1 和CR2）作為對照，共8個(gè)處理，每處理重復(fù)3 次，小區(qū)面積為3 m×10 m。棉花采用地膜覆蓋，灌溉方式為滴灌，試驗(yàn)其它管理措施與當(dāng)?shù)亓?xí)慣水平相同。參試棉花品種新陸中36 號(hào)于4 月13 日播種，10 月20日收獲。

1.3 測定指標(biāo)和計(jì)算方法

1.3.1 根長密度和根質(zhì)量密度

于棉花盛花期（7 月15 日）、盛鈴期（8 月17日）和吐絮期（9 月15 日）分別在棗樹與棉花行間以及棉花株間中央位置設(shè)置取樣點(diǎn)，分層（20 cm）取樣，深度為50 cm。將所取土樣倒入0.2 mm 土壤篩中，置于水盆中浸泡1 h 左右，剔除雜質(zhì)和死根后，區(qū)分開棗樹和棉花的根系，用游標(biāo)卡尺測量并選出直徑2 mm 以下的根系，去離子水沖洗后用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)掃描分析，獲取根長；對清洗干凈的根，在105 ℃下殺青30 min，之后在80 ℃下烘干至恒重，稱取根干重。

式中：Ld 為根長，Wd 為根系干重（g）；Vs 為土壤體積（cm3）。

1.3.2 產(chǎn)量

收獲期按小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn)，各小區(qū)收取正常開裂的50 個(gè)棉鈴，測定單鈴質(zhì)量、籽棉質(zhì)量、皮棉質(zhì)量、衣分等產(chǎn)量性狀。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013 整理匯總，SPSS17.0進(jìn)行方差分析及顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生育時(shí)期不同處理棉花根長密度

對于每個(gè)植物來說，根長密度是反映作物地下部分生長的重要指標(biāo)，也是根系生長發(fā)育的最直接指標(biāo)。從表1可知，棉花的不同生育期和不同處理的根長密度和根的分布狀況。根據(jù)根長密度分析可知，間作棉花根長密度隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，空間布局對不同生育時(shí)期和不同土層深度間作棉花根長密度的影響不同。

單作棉花和間作棉花的根系都集中在0～50 cm的土層。但棉花生育期的不同根的分布也不一樣，尤其是苗期，苗期根分布在0～30 cm 的土層中，同一處理的根長密度的差異并不太大。在苗期C4R1 和C2R2間作處理土層0～10 cm的根長密度較其他處理高，C4R2 和CR1 處理土層10～20 cm 的根長密度較其他處理高，C6R2和CR1處理土層20～30 cm的棉花根長密度較其他處理高。蕾期開始棉花根系下扎到50 cm，且空間布局方式對0～10 cm 土層的根長密度沒有影響，但對10～50 cm土層的棉花根長密度影響顯著，C4R2、C6R1 和CR2 處理土層10～20 cm 的根長密度較其他處理高，C2R1、C4R2、C6R2和CR2處理土層20～40 cm 的棉花根長密度較其他處理高，C4R1 和C4R2 處理土層40～50 cm的棉花根長密度較其他處理高。

開花期棉花進(jìn)入生殖生長和營養(yǎng)生長并進(jìn)階段，根系繼續(xù)生長，但主要分布在0～50 cm土層。開花期0～10 cm 土層的棉花根長密度受空間布局的影響不大，除C2R1和C6R2處理土層0～10 cm的根長密度較低外，其它處理間差異不顯著；此時(shí)期間作處理10～20 cm土層的根長密度顯著低于對應(yīng)單作，且除C6R2 外其它間作處理間差異不顯著；C4R1、C4R2和C6R2處理土層20～30 cm和40～50 cm的棉花根長密度較其他處理高，C6R1和CR2處理土層30～40 cm的棉花根長密度較其他處理高。花鈴期C2R2處理土層0～10 cm的棉花根長密度顯著高于其它處理，總體來看，此時(shí)期單作處理10～20 cm土層的棉花根長密度顯著高于間作（C2R1 和C6R2 處理除外），種植4行棉花處理土層20～30 cm的根長密度較其他處理高，C4R2、C6R1、C6R2 和CR2 處理土層30～40 cm 的棉花根長密度較其他處理高，C6R2 處理土層40～50 cm 的棉花根長密度較其他處理高。

吐絮期棉花根長密度仍有增加的趨勢，且主要增加土層20～40 cm的棉花根長密度。吐絮期C2R2和C4R2 處理土層0～10 cm 的棉花根長密度低于其它處理，C6R1和C6R2處理土層10～20 cm 的棉花根長密度低于其它處理，C2R1、C2R2、CR1 和CR2 處理土層20～30 cm 的棉花根長密度較其他處理高，C2R1、C2R2、C4R2 和C4R2 處理土層30～40 cm 的棉花根長密度較其他處理高，C4R2 處理土層40～50 cm的棉花根長密度較其他處理高。結(jié)果

表明，棉花生育期間從苗期到花鈴期之間的根長密度不穩(wěn)定，進(jìn)入吐絮期C4R1處理根長密度穩(wěn)定，吸收的水分和養(yǎng)分最高。

表1 不同生育時(shí)期不同處理棉花根長密度 cm/cm3

2.2 不同生育時(shí)期不同處理棉花根干重密度

根干重密度是反映根系生長發(fā)育的又一直接指標(biāo)，能夠間接反映作物吸收營養(yǎng)的能力。表2是不同生育時(shí)期不同處理的棉花根干重密度，總體來講，間作條件下根干重密度高于單作，說明間作促進(jìn)根系生物量的累積，能夠較單作有更強(qiáng)的對于養(yǎng)分和水分的吸收能力，不同時(shí)期各處理棉花根干重密度隨著土層深度的增加，空間布局對其的影響也在發(fā)生變化。

表2 不同生育時(shí)期不同處理棉花根干重密度 ×10-4g/cm3

表3 不同處理棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀

棉花苗期根系主要分布在0～10 cm的土層，占到總干重的63.5%以上，且種植4行棉花的處理根干重密度顯著高于其他處理；蕾期隨著根系的不斷下扎，根系分布主要在0～40 cm 土層，C4R1 和C4R2處理土層0～20 cm的棉花根干重密度較其他處理高，C2R2和C6R2 處理土層20～30 cm的棉花根干重密度較其他處理高，C2R1和C2R2 處理土層30～40 cm 的棉花根干重密度較其他處理高，C2R1和C6R1處理土層40～50 cm的棉花根干重密度較其他處理高。

開花期棉花0～10 cm 的根干重密度受空間布局的影響不大，除CR2 處理土層0～10 cm的根干重密度較低外，其它處理間差異不顯著；此時(shí)期種植4 行和6 行棉花處理10～20 cm 土層的棉花根干重密度顯著高于其他處理，C2R1、C2R2 和C4R1處理土層20～30 cm 的棉花根干重密度較其他處理高，C2R1、C2R2 和C6R1 處理土層30～40 cm 的棉花根干重密度較其他處理高，C2R1 和C2R2 處理土層40～50 cm 的棉花根干重密度較其他處理高。花鈴期總體來看，此時(shí)期0～10 cm土層的棉花根干重密度占所有土層的38%～45%，10～20 cm的根干重密度占14%～17%，20～30 cm土層的棉花根干重密度占9%～14%。此時(shí)期空間布局對0～10 cm 土層的棉花根干重密度無較大影響，C4R1、C4R2 和C6R1 處理土層10～20 cm 的棉花根干重密度較其他處理的高，C2R1、C2R2 和C4R1 處理土層20～30 cm 的棉花根干重密度較其他處理高，C6R1 處理土層30～40 cm 的棉花根干重密度較其他處理高，C2R1處理土層30～40 cm的棉花根干重密度較其他處理高。

吐絮期棉花根干重密度繼續(xù)增加，CR2 處理土層0～10 cm 的棉花根長密度低于其它處理，C4R1和C4R2 處理土層10～20 cm 的棉花根干重密度高于其它處理，C2R1、C2R2 和C4R1 處理土層20～30 cm 的棉花根干重密度較其他處理高，C2R1 和C6R1 處理土層30～40 cm 的棉花根干重密度較其他處理高，C2R1處理土層40～50 cm的棉花根干重密度較其他處理高。

2.3 不同處理棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀

由表3可以看出，隨著棉花種植行數(shù)的增加，棉花株數(shù)明顯增大，6 行棉花的株數(shù)基本達(dá)到單作棉田株數(shù)水平，且隨著棉花株距的增大，棉花株數(shù)也隨之明顯減小。6行棉花間作處理單株鈴數(shù)顯著低于單作，其他處理差異不明顯，單株鈴數(shù)隨著株距的增加而增大；單株鈴重受到空間布局的影響，間作條件下，隨著棉花種植行數(shù)的增加，鈴重呈降低趨勢，但間作條件下的平均鈴重高于單作。

空間布局明顯影響間作棉花的衣分，種植行數(shù)增加，衣分隨之降低，間作條件下的棉花衣分高于單作棉田，間作條件下棉花產(chǎn)量較單作低，差異明顯，但可以看出，隨著棉花行數(shù)的增加，間作和單作棉田產(chǎn)量的差距逐漸縮小，按凈植棉面積算，種植4行和6行棉花的產(chǎn)量顯著高于對照單作棉田。

2.4 間作棉花產(chǎn)量與根系指標(biāo)的相關(guān)性分析

從表4對間作棉花產(chǎn)量與根長密度的相關(guān)性分析可以看出，蕾期到花鈴期0～10 cm和20～30土層棉花根長密度越大，越不利于最終的產(chǎn)量累積，促進(jìn)各時(shí)期（吐絮期除外）10～20 cm土層根長密度，有利于獲得高產(chǎn)。苗期增加20～30 cm土層的根系分布有利于為棉花高產(chǎn)打下基礎(chǔ)，到了吐絮期，能夠控制大多數(shù)的根系分布在30～40 cm土層是高產(chǎn)的關(guān)鍵。

根長密度在一定程度上反映了根系的空間分布，與根長密度不同，根干重密度則反映作物在地下部的生長狀況，由表5可以看出，除苗期外最終產(chǎn)量和0～10 cm土層根干重密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，和深層40～50 cm根干重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明棉花高產(chǎn)需要根系有一定的垂直分布，根系下扎越深，高產(chǎn)潛力越大。

表4 間作棉花產(chǎn)量與不同時(shí)期各土層根長密度的相關(guān)性分析

表5 間作棉花產(chǎn)量與不同時(shí)期各土層根干重的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

農(nóng)藝栽培條件是影響作物產(chǎn)量的重要因素，不同的種植密度、帶型、作物配置以及空間結(jié)構(gòu)都能夠影響群體結(jié)構(gòu)，最終影響產(chǎn)量構(gòu)成[7]。本試驗(yàn)條件下，隨著棉花種植行數(shù)的增加，間作棉花產(chǎn)量隨著增加，表現(xiàn)出較強(qiáng)的間作優(yōu)勢。間作群體的納密能力允許間作作物密度高于對應(yīng)的單作，因此，理論上縮小行距不會(huì)影響到作物產(chǎn)量，但本試驗(yàn)的結(jié)果表明，在棗棉間作復(fù)合系統(tǒng)中，隨著種植行數(shù)的增加，間作棉花的種植密度進(jìn)一步增大不利于產(chǎn)量的形成。間作表現(xiàn)出一定的產(chǎn)量優(yōu)勢主要是增加了深層土壤的根系量[8]，棉花根系下扎到40～50 cm土層且分布較多是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。

研究表明[9]，棗棉間作系統(tǒng)中棉花隨土層深度的增加，棉花根系則集中分布在0～50 cm土層范圍。且隨著土壤深度的增加而減少。一般認(rèn)為[10]，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中樹種應(yīng)該是深根性的，這樣才能減少與作物在上層土壤中爭奪水肥和提高資源的利用率，但實(shí)際上雖然林木與農(nóng)作物相比屬深根性植物，但多數(shù)吸收根分布在土層0～50 cm范圍內(nèi)，而深層根系的主要作用是在有水分脅迫條件下吸收深層水[11]。棉花具有復(fù)雜的根系系統(tǒng)，吸收根集中密集區(qū)是在0～50 cm土層，這與本試驗(yàn)的結(jié)果一致，本試驗(yàn)研究認(rèn)為，通過農(nóng)藝措施的手段使得棉花根系分布集中在40～50 cm的深層土壤是間作棉花高產(chǎn)潛力所在。

研究作物根系分布特征，了解根系不同層次對土壤水分和養(yǎng)分的吸收特性是作物高產(chǎn)栽培中種植模式和肥水運(yùn)籌技術(shù)的重要依據(jù)[12]。一個(gè)合理的根系分布特征能使作物從土壤中吸取充足的養(yǎng)分和水分，而獲得高產(chǎn)。在獲得高產(chǎn)的諸多環(huán)節(jié)中，種植結(jié)構(gòu)和空間布局是必須要考慮的。本試驗(yàn)中，研究結(jié)果顯示0～50 cm 土層內(nèi)根系總干重及總長度隨棉花生育進(jìn)程的推進(jìn)逐漸減小。蕾期到花鈴期0～10 cm 和20～30 cm 棉花土層棉花根長密度越大，越不利于最終的產(chǎn)量累積，促進(jìn)棉花各時(shí)期10～20 cm土層根長密度，有利于獲得高產(chǎn)。苗期增加20～30 cm土層的根系分布有利于為棉花高產(chǎn)打下基礎(chǔ)，到了吐絮期，能夠控制大多數(shù)的根系分布在30～40 cm土層是高產(chǎn)的關(guān)鍵。棉花高產(chǎn)需要根系有一定的垂直分布，根系下扎越深，高產(chǎn)潛力越大。復(fù)合群體單一作物產(chǎn)量受到2種或2種以上作物的共同影響，要進(jìn)一步解析間作棉田高產(chǎn)機(jī)理需要將復(fù)合系統(tǒng)作物整體進(jìn)行研究，此方面的工作將在后續(xù)階段繼續(xù)進(jìn)行。