不同灌溉方式對(duì)棉花根系分布的影響研究

盛統(tǒng)民， 張勝江，茍歡歡

(1.新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049；2.新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830049；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

根系是作物吸收水分和養(yǎng)分最活躍的地下營(yíng)養(yǎng)器官，不僅為植株的生長(zhǎng)提供能量，也是植株氨基酸、激素等微量化合物合成與轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所，對(duì)于作物的生長(zhǎng)發(fā)育和果實(shí)的形成起到十分關(guān)鍵的作用[1]。1727年首位德國(guó)學(xué)者Hales采用易于操作的挖掘法對(duì)根系系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析不同作物根系在土壤中的空間分布特征。此后作物根系的研究逐漸拉開了序幕，但由于根系生長(zhǎng)在地下，遠(yuǎn)不如地上植株利于觀測(cè)，因此給研究者帶來了一定的困擾，同時(shí)對(duì)它的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于地上植株的研究[2]。自1980年開始，隨著人們對(duì)根系理論認(rèn)識(shí)的不斷加強(qiáng)，研究方法及手段的不斷改進(jìn)，作物根系研究取得了突破性進(jìn)展[3]。棉花根系的生長(zhǎng)受品種[4]、土壤條件、肥水條件[5]、灌水方式、管理技術(shù)措施[6]等因素影響很大，不同生長(zhǎng)條件下，棉花根系在土壤中的分布特征也有一定程度的差別。如何采用適宜的灌水方式來控制根系生長(zhǎng)，提高水肥利用效率以到達(dá)節(jié)水增產(chǎn)之目的值得研究。近幾年眾多學(xué)者對(duì)多種作物不同灌水方式的根系分布情況進(jìn)行了研究，膜下滴灌技術(shù)根系主要分布淺層土壤，這不僅影響了作物的水分、養(yǎng)分的利用效率，還影響作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的提高。孫浩等研究滴灌條件下土壤濕潤(rùn)區(qū)與作物根系分布之間的關(guān)系，小滴頭流量下棉花根系結(jié)構(gòu)緊湊，分布特征呈現(xiàn)窄而深，而大滴頭流量的棉花根系呈寬淺式分布，根系結(jié)構(gòu)稀疏[7]。方儀向、李明思等[8-10]對(duì)膜下滴灌條件下棉花根系分布特征的研究結(jié)果表明，由于滴灌灌水深度淺，棉花根系較常規(guī)溝灌根系分布淺，且根系生物量的分布表現(xiàn)為指數(shù)關(guān)系，棉花細(xì)根生物量、根長(zhǎng)、根表面積垂向分布呈“單峰型”曲線變化規(guī)律。仵峰等研究國(guó)內(nèi)外地下滴灌應(yīng)用現(xiàn)狀，地下滴灌優(yōu)點(diǎn)較多，可減少地表的灌溉水無效蒸發(fā)，方便田間管理，有利于根系對(duì)水分的吸收利用[11]?？追泵鞯妊芯康叵碌喂嗝藁偢晌镔|(zhì)量與膜下滴灌相比差異不顯著，而地下滴灌促進(jìn)了根系的下扎深度，根系干重也略高于膜下滴灌，根冠比明顯提高[12]。海興巖等研究滴灌和漫灌對(duì)棉花細(xì)根動(dòng)態(tài)變化的影響，在滴灌條件下，滴灌細(xì)根周長(zhǎng)與漫灌相比較高，且棉花根系的生命活動(dòng)旺盛指數(shù)更高[13]。本文采用逐日地下滴灌對(duì)棉花根系空間分布特征的影響研究，鮮有報(bào)道。為此采用根系剖面挖掘法，以逐日地下滴灌為重點(diǎn)研究不同灌溉方式對(duì)棉花根系空間分布特征的影響，以期為塔里木盆地東北緣棉區(qū)，建立科學(xué)合理的灌溉制度及節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)于塔里木盆地東北緣區(qū)新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理處下屬灌溉試驗(yàn)站內(nèi)。地處庫(kù)爾勒市西尼爾鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為北緯41°35′～41°37′，東經(jīng)86°09′～86°12′之間。地表高程在895～903 m之間。區(qū)域內(nèi)光熱資源豐富，降雨少，晝夜溫差大，多年平均降水量53.3～62.7 mm之間，多年平均蒸發(fā)量2 273～2 788 mm之間，蒸降比達(dá)43.6，≥10 ℃年積溫4 427 ℃，無霜期210 d，屬暖溫帶大陸荒漠性氣候。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為粉沙壤土，土壤肥力較低，地下水埋深在6～8 m之間。

供試棉花品種為“新陸中55號(hào)”，采用有底測(cè)坑，底部設(shè)有排水設(shè)施，面積為2 m×3.3 m，測(cè)坑土壤為沙壤土，土壤體積質(zhì)量1.45 g/cm3，田間持水率(體積含水率)26.98%，孔隙度41.66%。實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)測(cè)坑進(jìn)行淺耕，并將殘留地膜及棉花根系撿出，防止對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年4月15日測(cè)坑施底肥尿素75 kg/hm2、復(fù)合肥600 kg/hm2、二胺750 kg/hm2、硫酸鉀75 kg/hm2、尿素75 kg/hm2，淺耕后進(jìn)行春灌。棉花種植模式為：1膜2管4行，覆膜寬度1.2 m，行距：20 cm+45 cm+20 cm(見圖1)；膜間距60 cm，株距10 cm。灌水方式設(shè)以下5個(gè)處理(見表1)，痕量灌溉(Ⅰ)、逐日地下滴灌(Ⅱ)、膜下滴灌(Ⅲ)、常規(guī)地下滴灌(Ⅳ)和地面灌(Ⅴ)，所有處理均為覆膜種植模式。每處理設(shè)置為3個(gè)重復(fù)，滴灌帶為坎兒井薄壁內(nèi)鑲貼片式，壁厚0.2 mm，設(shè)計(jì)滴頭流量2.2 L/h(痕量灌為0.6 L/h)，滴頭間距30 cm，沿測(cè)坑縱向距棉花行10 cm鋪設(shè)，其中痕量灌溉、逐日地下滴灌和常規(guī)地下滴灌采用地下滴灌方式，滴灌帶埋設(shè)深度均為25 cm，每日灌水處理，灌水定額根據(jù)生育階段的不同進(jìn)行設(shè)定，其中處理Ⅰ～Ⅳ灌溉定額為390 mm，處理Ⅴ對(duì)照處理灌溉定額為465 mm，其中處理Ⅴ灌水量參考當(dāng)?shù)仄毡楣嗨慷?。灌水水源均為地下水，平均礦化度為2.21 g/L，生育期內(nèi)追肥7次，共計(jì)追肥量825 kg/hm2(尿素675 kg/hm2+磷酸二氫鉀150 kg/hm2),試驗(yàn)具體詳細(xì)計(jì)劃如表2～表4所示。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)置表

表2 灌水計(jì)劃設(shè)置表(處理Ⅰ、Ⅱ)

表3 灌水計(jì)劃設(shè)置表(處理Ⅲ、Ⅳ)

表4 灌水計(jì)劃設(shè)置表(處理Ⅴ)

圖1 棉花種植模式

1.3 根系取樣位置及方法

取樣位置及方法：

(1)取樣位置的確定。各處理棉花根系的取樣位置為棉花的窄行，認(rèn)為膜內(nèi)棉花根系生長(zhǎng)對(duì)稱，所以選擇各處理有代表性的2株棉花(內(nèi)外各1株)，最好為生育期定株觀測(cè)植株棉花。

(2)取樣方法及分析。采用切片法取樣，取樣位置見圖1，橫向?qū)挾葹?0 cm，縱向深度50 cm，取樣單元為立方體(長(zhǎng)×寬×高)：10 cm×10 cm*×10 cm，即：每10 cm為一層，縱向深度為5個(gè)立方體，橫向?qū)挾葹?個(gè)立方體，每個(gè)處理取樣共35個(gè)立方體，每種灌水技術(shù)取3個(gè)重復(fù)，為減少誤差每個(gè)處理為3個(gè)重復(fù)的平均值。每層被挖出的立方體土塊均依次編號(hào)分樣裝袋收集，將立方體過100目篩網(wǎng)，用自來水沖洗干凈將棉花根系挑出，然后將根系置于75℃烘箱烘干至恒重，分別稱重，即可得到每個(gè)處理的根系干物質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及作圖采用Excel及suffer軟件完成，采用SPSS20.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同灌水方式對(duì)棉花根系干物質(zhì)量的影響

由圖2可知，不同灌水方式對(duì)棉花根系干物質(zhì)量有明顯差異的影響。土層0～50 cm范圍內(nèi)根系總干物質(zhì)量大小順序?yàn)樘幚恝?Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，且處理Ⅴ根系干重顯著高于其他處理，處理Ⅱ顯著高于處理Ⅰ、Ⅲ和處理Ⅳ，處理Ⅰ和處理Ⅲ高于處理Ⅳ，但兩者之間差異不顯著。處理Ⅴ地面灌溉根系干重是處理Ⅰ～Ⅳ的1.25～2.60倍，說明根系干重隨著灌水定額的增加而增加。逐日地下滴灌處理Ⅱ根系干物質(zhì)量積累顯著優(yōu)于逐日痕量灌溉及常規(guī)灌溉的處理Ⅲ和Ⅳ，分析每日灌溉的灌水方式處理Ⅰ和Ⅱ棉花根重，說明大滴頭流量有助于根系生長(zhǎng)。對(duì)比分析逐日地下滴灌處理與膜下滴灌處理和常規(guī)地下滴灌處理棉花根系干重，隨著灌水方式的不同棉花根系干重逐漸遞減，逐日地下滴灌處理根系干重較膜下滴灌及地下滴灌分別增長(zhǎng)了48%和113.6%。

圖2 不同灌水方式棉花根系干物質(zhì)量累計(jì)

2.2 不同灌水方式棉花根系垂直方向變化特征

從根系垂向分布表5及表6可以看出，棉花總根系垂向分布范圍在0～50 cm內(nèi)，不同處理根系在垂直方向分布呈顯著差異，根重隨著土層深度的增加而逐漸減小，而d<2 mm根系各處理在土層0～50 cm內(nèi)與總根系垂向分布不同，各處理總體均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，在20～30 cm土層范圍內(nèi)達(dá)到最大值。在0～20 cm土層內(nèi)，膜下滴灌總根系垂向分布占比最大且稍高于其他處理，占總根量的比重76.91%，其他處理比重大小依次為：地面灌、逐日地下滴灌、痕量灌和常規(guī)地下滴灌處理，分別占總根重的76.40%、75.71%、74.36%和73.80%，d<2 mm該土層內(nèi)根系分布占比與總根系稍有不同，各處理間差異不顯著，痕量灌垂向最大且稍高于其他處理，說明相同灌水量不同灌水方式對(duì)棉花根系淺層分布影響不大，痕量灌及逐日地下灌溉技術(shù)有助于增加淺層毛根垂向分布占比。20～40 cm土層總根系及d<2 mm根系質(zhì)量分布占比均表現(xiàn)為逐日地下滴灌最高，占比分別為22.10%及47.95%，其他處理及d<2 mm根系分布占比稍有不同，總根系質(zhì)量比重依次為痕量灌、常規(guī)地下滴灌、地面灌和膜下滴灌處理，d<2 mm根系質(zhì)量比重依次為膜下滴灌、常規(guī)地下滴灌、痕量灌及地面灌，占比范圍為40.71～45.75%，說明滴頭流量越大水分入滲深度越深，有助于該根系層毛根的生長(zhǎng)。在40～50 cm土層內(nèi)，常規(guī)地下滴灌根系質(zhì)量百分比最大，占根系總重量的6.40%，其他依次為地面灌、膜下滴灌、痕量灌和逐日地下滴灌處理，每日灌水的痕量灌和逐日地下滴灌處理受灌水方式的影響主要分布于表層，深層根系重量占比較低，說明每日灌水會(huì)導(dǎo)致根系分布變淺。

表5 不同灌水方式下棉花總根系質(zhì)量垂直分布

表6 不同灌水方式下棉花根系質(zhì)量垂直分布(<2 mm根系)

2.3 不同灌水方式棉花根系水平方向變化特征

由表7及表8可知，膜下滴灌棉田土壤水分呈明顯的帶狀化分布，因此不同灌水方式棉花根系在水平方向0～70 cm以內(nèi)呈顯著的向水性分布。不同灌水技術(shù)總根系集中分布在膜下窄行和膜間區(qū)域內(nèi)，其中逐日滴灌技術(shù)棉花根系水平分布與其他處理相比較為均勻，膜下寬行、膜下窄行和膜間根重百分比，分別為32.95%、30.87%和39.12%，其他處理膜下窄行和膜間根重占比較高。膜下滴灌及常規(guī)地下滴灌處理膜間根系占比高于膜下窄行，而痕量灌根系占比膜下窄行高于膜間，小于2 mm棉花根系水平方向分布與總根系分布基本一致。棉花根系水平分布在0～20 cm膜下寬行范圍內(nèi)，逐日滴灌處理水平方向根系質(zhì)量百分比最大，占總根重的32.95%，其他依次為膜下滴灌、常規(guī)地下滴灌、痕量灌和地面灌處理，根重占比分別為：28.27%、8.46%、5.50%和4.01%。在20～40 cm膜下窄行范圍內(nèi)，地面灌及痕量灌處理根重占比較大，分別為69.59%、61.85%，其他處理根重占比依次為常規(guī)地下滴灌、逐日地下滴灌和膜下滴灌處理，分別為45.65%、30.87%和21.77%。在40～70 cm膜間范圍內(nèi)，常規(guī)地下滴灌根重占比最大，占總根質(zhì)量的45.90%，其他依次為膜下滴灌、逐日地下滴灌、痕量灌和地面灌處理，分別占根重質(zhì)量百分比的44.22%、39.12%、32.63%和24.39%，說明不同灌水方式影響棉花根系水平分布，膜下滴灌及常規(guī)地下滴灌處理單次灌水量越大，膜間根系分布越多。

表7 不同灌水方式下棉花總根系質(zhì)量水平分布

表8 不同灌水方式下棉花根系水平分布(<2 mm根系)

2.4 不同灌水方式下棉花吐絮期土壤含水量

土壤剖面含水率以8月中下旬為例，棉花吐絮期不同灌水方式下灌前土壤剖面含水率測(cè)定結(jié)果(圖3)可知，土層深度0～10 cm范圍內(nèi)不同灌水方式下土壤含水率稍有差別，由于膜下滴灌滴灌帶鋪設(shè)于地表，表層土壤含水率稍高于其他處理，各處理10～20 cm土層土壤含水率均高于0～10 cm，說明灌溉水分受重力作用，逐漸向深層土壤運(yùn)移，同時(shí)結(jié)合表1該土層棉花垂向分布占比最高，水分消耗量較大，導(dǎo)致土壤含水率低于30～40 cm土層。痕量灌及逐日地下滴灌條件下，土壤含水率在30～60 cm土層范圍內(nèi)，由于受每日灌水的影響土壤含水率變化不大；膜下滴灌及常規(guī)地下滴灌條件下，土壤含水率在30～60 cm土層范圍內(nèi)變化相對(duì)較大，呈現(xiàn)先增加后減小變化趨勢(shì)；對(duì)照處理地面灌條件下，在30～40 cm土層范圍內(nèi)，土壤含水率受重力的影響逐漸增加，在40～60 cm土層范圍內(nèi)，土壤含水率基本不變，說明灌水量對(duì)60 cm土層影響不大；在60～100 cm土層范圍內(nèi)，處理Ⅰ～Ⅲ土壤含水率基本保持一致，說明水分為達(dá)到該土層范圍內(nèi)，而處理Ⅳ在土層深度60～100 cm土壤含水率逐漸增加，說明水量有繼續(xù)下滲的趨勢(shì)，而根系深度未達(dá)到該土層范圍內(nèi)。

圖3 不同灌水方式土壤剖面灌前含水率

3 討 論

根系是植物直接與土壤接觸最為緊密的營(yíng)養(yǎng)器官，也是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要組成部分，對(duì)于地上植株的生長(zhǎng)發(fā)育及生物量的積累起著至關(guān)重要的作用。作物根系的特征受到眾多物理、化學(xué)、灌水量和灌水方式等外界因素的影響[13]。不同程度灌溉不僅導(dǎo)致棉花根系在根重、根長(zhǎng)、根表面積及根冠比等參數(shù)的差異，更重要的是還影響根系在土壤空間分布特征。胡曉棠等認(rèn)為采用田間持水率75%作為下限進(jìn)行灌溉，棉花根系所占總根重在0～30 cm土層范圍內(nèi)比例最高，根系集中分布于土壤淺層區(qū)，窄行根重占比較大[14]。不同滴灌量處理下棉花根系生物量沿垂直方向隨土壤深度的增加呈逐漸減小的趨勢(shì)，且棉花根系生物量與土層深度成負(fù)指數(shù)關(guān)系[8, 15]。不同灌溉方式下棉花根系空間分布呈現(xiàn)多重變化，膜下滴灌根系隨滴頭流量不同而不同，滴頭流量較小根系呈窄而深且根系結(jié)構(gòu)緊湊，滴頭流量大根系呈寬淺式分布且根系結(jié)構(gòu)疏松[16]。姜益娟研究得出不同灌溉方式想根系干重、主根重、側(cè)根重均為常規(guī)溝灌最大，膜下滴灌次之，膜下滲灌最小[17,18]。本試驗(yàn)中，根系干重大小順序?yàn)榈孛婀?逐日地下滴灌>痕量灌>膜下滴灌>常規(guī)地下滴灌，此結(jié)論與姜益娟所的結(jié)論相一致。相關(guān)研究顯示，通過增加土壤濕度深層灌溉，可以誘導(dǎo)玉米[19]、小麥[20]等作物根系向土壤深層下扎。本研究結(jié)果表明，地面灌處理棉花根系在50～60 cm相比其他處理根系干重相對(duì)較重，說明灌水量較大，有助于棉花根系向土壤縱深進(jìn)行下扎。柴付軍[21]等研究表明，滴灌會(huì)導(dǎo)致棉花淺層根系垂向上移；水平方向滴頭附近淺層根系聚積較多，且呈現(xiàn)不對(duì)稱分布。本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同灌溉方式條件下，棉花根系在水平方向呈不對(duì)稱分布，在垂直方向上隨著土層深度的增加根系干物質(zhì)量逐漸減小，此結(jié)果與柴付軍所得結(jié)論基本一致。

4 結(jié) 論

(1)不同灌水方式對(duì)棉花根系干物質(zhì)量有明顯差異的影響。逐日地下滴灌處理根系干重顯著高于痕量灌及常規(guī)地下滴灌。逐日地下滴灌處理與膜下滴灌及常規(guī)地下滴灌根系干重相比，分別增加了48%和113.6%。

(2)不同灌溉方式條件下棉花根系垂向分布范圍在0～50 cm范圍內(nèi)，屬于淺根性作物，不同土層垂向分布呈顯著性差異。各處理根系在0～20 cm范圍內(nèi)占比較高，占總根重73.80%～76.91%，其中膜下滴灌根系占比最大。根系干重沿垂直方向隨著土層深度的增加逐漸減小。此結(jié)果符合作物根系垂向分布規(guī)律，且與前人研究的結(jié)論相一致[15,18]。每日灌溉的痕量灌和逐日地下滴灌處理根系主要分布與表層，深層根系占比較小，說明每日灌水處理會(huì)導(dǎo)致根系變淺。

(3)不同灌水方式條件下棉花根系在水平方向0～70 cm范圍內(nèi)呈顯著的向水性分布，逐日地下滴灌處理水平分布較為均勻，其他各處理膜下寬行、膜下窄行及膜間根重占比均不等，在水平方向呈不對(duì)稱分布，根系水平方向集中分布于窄行與膜間土壤，窄行相對(duì)于膜間根重占比相對(duì)更大，體現(xiàn)了根系向水性生長(zhǎng)的特性。

(4)不同灌水技術(shù)條件下土層0～10 cm范圍內(nèi)膜下滴灌含水率稍高于其他處理，10～20 cm范圍內(nèi)由于根系分布較多，土壤含水率相對(duì)低于30～40 cm土層，土層30～60 cm范圍內(nèi)不同灌水方式對(duì)于土壤含水率影響變幅較大，膜下滴灌及常規(guī)地下滴灌處理土壤含水率變化相對(duì)于逐日滴灌技術(shù)處理波動(dòng)較大，60～100 cm土層由于幾乎不存在根系，加之深層土壤蒸發(fā)損失小，土壤含水率基本一致，說明灌溉水未發(fā)生深層滲漏，從而提高了灌溉水有效利用率。