棗棉間作復合系統(tǒng)細根分布及對種間地下競爭的影響

王沛娟 李玲 翟云龍 曹娟 李燕芳 吳全忠 萬素梅 陳國棟

摘要：為給新疆地區(qū)棗棉間作系統(tǒng)的配置提供技術(shù)依據(jù)，本試驗設棉花距樹行間距1.45m（Int2）、1.0m（Int4）、0.5m（Int6）3個間作處理，以棗樹單作為對照（CK），采用分層取樣法對棗棉間作系統(tǒng)、棗樹單作進行根系取樣，定量研究間作棗樹和間作棉花細根分布和種間地下競爭狀況。結(jié)果表明：棗棉間作系統(tǒng)及棗樹單作，棗樹的細根在水平方向0.5～1.0m區(qū)域和垂直方向土層深度為0～60cm處分布最密集;棉花細根分布隨著不同配置模式的變化而變化，各處理垂直方向細根主要分布在0～40cm土層，而水平方向Int2處理主要分布在1.5m處，Int4處理分布在1.0～1.5m處，Int6處理在整個取樣區(qū)域均有分布。相關(guān)分析表明，棗樹單作、棉花Int2處理根長密度在兩個方向上的差異均未達顯著水平，棗樹Int4處理根長密度的相關(guān)性最大，而棉花根長密度Int6處理的相關(guān)性最大。整個取樣區(qū)內(nèi)，除Int4處理水平方向及各處理水平方向1.0～1.5m處棉花-棗樹的競爭能力強于棗樹-棉花的競爭能力外，其余均為棗樹-棉花的地下資源競爭占絕對優(yōu)勢。根長密度的相關(guān)性分析及間作系統(tǒng)種間地下競爭分析表明，最適合推廣種植的棗棉間作復合系統(tǒng)為Int4處理，即兩行棗樹間作4行棉花，其種間地下競爭較其它處理都小。

關(guān)鍵詞：棗棉間作;細根分布;相關(guān)性分析;種間地下競爭

中圖分類號：S562.047+S665.14+6 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2021）12-0025-08

農(nóng)林復合系統(tǒng)各組分對資源的競爭分為地上部分競爭以及地下部分競爭，其地下部分的競爭尤為激烈[1-3]。根系是間作復合系統(tǒng)對水分和養(yǎng)分等地下資源吸收、傳輸、儲存和利用的主要器官[4-6]，是間作系統(tǒng)中作物發(fā)生資源競爭與補償?shù)年P(guān)鍵區(qū)域，也是對群體土地資源利用的直接參與者和作物產(chǎn)量形成的重要貢獻者[7，8]。在間作系統(tǒng)中，各作物根系對資源利用能力的強弱受內(nèi)外因共同作用影響，包括作物自身生長發(fā)育特性和人為種植密度、邊行設置、田間管理及自然環(huán)境效應這三大因素。

間作復合系統(tǒng)中作物種間相互作用很大程度上通過作物根系之間的相互作用而進行，并且間作系統(tǒng)中作物對資源競爭的激烈程度又依賴于根系生長發(fā)育階段和發(fā)育特性[9]。玉米大豆間作系統(tǒng)的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，苗期間作對大豆根系的生長抑制較大，其總根長、總根表面積、根體積、根直徑和根干重等指標較單作有一定下降，而到花期，以上指標與單作趨于一致，說明隨著生育時期的推進，間作大豆通過根系的自我調(diào)整來緩解間作競爭的不利影響[10]。不同禾豆間作研究發(fā)現(xiàn)，小麥蠶豆間作和小麥菜豆間作全生育時期根系干重按生育進程有明顯差異變化，生育前期間作系統(tǒng)中作物根系在土層空間分布范圍要大于單作，生育后期間作系統(tǒng)根系分布范圍淺于單作[11]。地下根系的相互作用是平衡大麥豌豆兩種間作作物種間競爭與互補關(guān)系的有效途徑，通過增加大麥種植密度來調(diào)控種間競爭力，是間作獲得高產(chǎn)的有效途徑[12]。對3年生棗樹與棉花的間作研究表明，在水平方向0.1～0.3m、垂直方向0.3～0.5m土層內(nèi)，二者地下種間競爭最為激烈，且棉花競爭能力強于棗樹[13]。在油茶-鼠茅草復合系統(tǒng)中，除0～60cm的水平區(qū)域和10～40cm垂直土層外，鼠茅草對油茶的競爭能力總體上強于油茶對鼠茅草的競爭能力。這些研究均能提供復合系統(tǒng)中供試作物間地下競爭的理論依據(jù)，但隨著物種生長發(fā)育的變化，間作系統(tǒng)各組分的細根分布及地下競爭狀況也隨之改變，因此要準確反映棗樹-棉花間作系統(tǒng)（下稱棗棉間作）各組分細根分布變異及地下競爭狀況，還需對其進行大量研究。

棗棉間作系統(tǒng)是南疆地區(qū)分布最廣的果農(nóng)間作系統(tǒng)之一，在土地資源節(jié)約利用、高產(chǎn)高效等方面起到巨大作用。但是，一些不合理的種植模式會導致種間資源競爭激烈，影響整個間作系統(tǒng)功能的發(fā)揮，造成產(chǎn)量、經(jīng)濟效益的降低。本試驗以棗棉間作系統(tǒng)為對象，研究其各組分根系的空間分布特征，探究棗樹與棉花的相互作用機制，解析其地下資源的競爭狀況，以期對棗棉間作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置及評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及材料

試驗于2019年在塔里木大學園藝試驗站棗園（40°32′20″N，81°17′57″E，平均海拔1015m）進行。試驗地為沙壤土，含有機質(zhì)11.2g/kg、全氮1.51g/kg、速效磷58.7mg/kg、速效鉀107.34mg/kg，pH值為7.90。

該地位于塔里木河上游，屬暖溫帶大陸干旱荒漠氣候區(qū)，光照時間長，太陽輻射年均559.4～612.1kJ/cm2，年日照時數(shù)約為2900h，日均氣溫10.8℃，≥10℃積溫4113℃，4—10月每天平均日照時長9.5h，無霜期220d，2019年降水量為93.1mm。冬季少雪，地表蒸發(fā)強烈，年均蒸發(fā)量為1976.6～2558.9mm，地下水埋深3m以下。該地是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，空氣十分干燥，風沙浮塵天氣經(jīng)常發(fā)生（主要出現(xiàn)在春季和夏季），春季升溫快但不穩(wěn)定，秋季降溫迅速。

供試棗樹：2012年酸棗直播建園，2014年嫁接頭年灰棗，棗樹株行距配置為1m×3m。供試棉花品種為新陸中36號。

1.2 試驗設計

試驗設棗棉間作、棗樹單作2種種植模式。其中棗棉間作又設3種田間配置方式（圖1），分別為：兩行棗樹間種植2行棉花（Int2，棗棉間距為1.45m，棉花行距為10cm、兩行棗樹間種植4行棉花（Int4，棗棉間距為1.0m，棉花行距分別為20cm 和60cm）、兩行棗樹間種植6行棉花（Int6，棗棉間距為0.5m，棉花行距分別為20cm和70cm），棉花株距均為11.5cm，棗樹單作為對照（CK，棗樹間距為3.0m）。試驗采用隨機完全區(qū)組設計，共4個處理，重復3次。小區(qū)面積30m2（10m×3m）。

棉花于4月13日播種，地膜覆蓋栽培，滴灌方式灌溉，10月20日收獲。試驗中其它管理措施與當?shù)亓晳T水平相同。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 根長 于10月初棉花吐絮期（紅棗成熟期）用直徑9cm的根鉆在每個點按10cm分層取樣，取樣深度1.0m。所取土壤倒入0.2mm土壤篩中，并在水盆中浸泡約1h，然后用水小心將土壤中的根洗出繼而挑揀細根（直徑2mm以下），再根據(jù)顏色區(qū)分棗樹根（灰白色）和棉花根（紅褐色），將分揀出的根置于密封袋中，于-20℃冰柜內(nèi)保存。將棗樹和棉花的根先在常溫下緩慢解凍，再用去離子水沖洗，后用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)分別掃描分析，獲取根長。

1.3.2 根長密度 根長密度計算公式為：DRL=Ld/Vs。式中，DRL為根長密度（cm/cm3），Ld為根系長度（cm），Vs為土壤體積（cm3）。

1.3.3 競爭能力指數(shù) 采用Levins等[14]提出的生態(tài)位重疊公式計算棗樹與棉花間的競爭能力指數(shù)，計算公式為：

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)用MicrosoftExcel2010進行整理，用SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，用最小顯著差數(shù)法（LSD）和單因素方差分析法（onewayANOVA）比較數(shù)據(jù)間的差異性，用Origin9.0和Office2019軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 棗棉間作系統(tǒng)對棗樹細根分布的影響

棗樹總根長密度最大和最小處理分別為CK（單作）、Int4，CK總根長密度比間作處理Int2和Int6分別高24.03%、39.7%（圖2）。對棗樹各處理距樹行0.5～1.5m（水平方向）、土層深度0～100cm（垂直方向）的根長密度進行分析看出：垂直方向上，棗樹根長密度隨著土層加深，總體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，其中CK、Int2、Int4處理在0～20cm土層細根分布最廣，Int6處理在40～60cm土層根長密度均大于其它土層;水平方向上，除CK外其它處理離樹越近細根分布越密。Int2處理在距樹行0.5m時根系分布最多;Int6處理在距樹行0.5m、40～60cm土層的根長密度最大，其次是距樹行1.5m、40～60cm土層處;而CK根長密度除距樹行0.5m、0～20cm土層處根長密度較大外，在距樹行1.0m、80～100cm土層根長密度最大，距樹行1.5m處的根系密集分布于40～60cm區(qū)域。

綜上所述，各處理棗樹根系在水平方向0.5～1.0m處及垂直方向0～60cm土層區(qū)域分布最廣。

2.2 棗棉間作系統(tǒng)對棉花細根分布的影響

圖3顯示，各處理棉花根長密度，水平方向隨其與樹間距的增加呈遞增趨勢，垂直方向隨土層深度的增加總體呈遞減趨勢。垂直方向上，Int2處理各土層的根長密度相對較小，根系主要分布在0～20cm土層，其它土層為棉花根系稀疏區(qū);Int4處理除距樹行1.0m外，根長密度隨著土層的增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，0～40cm處為根系密集區(qū)域;Int6處理的根長密度隨著土層的增加而逐漸降低，其細根主要分布在0～60cm土層，占總根長密度的64.6% ～68.9%。

水平方向上，距樹行0.5m處，Int2處理幾乎無根系分布，距樹行1.5m處，根長密度最大;Int4處理棉花根系主要分布于1.0～1.5m處;Int6處理棉花細根分布于整個取樣區(qū)域。距樹行1.0m處，Int2處理棉花根長密度隨土層深度的增加呈先增加后降低趨勢，Int4處理則逐漸降低，Int6處理呈先降低后增加趨勢，且80～100cm處根長密度達到最大。距樹行1.5m處，各處理棉花根長密度隨著土層深度的增加而逐漸降低。

2.3 根長密度與距樹行距離、土層深度的相關(guān)性

對單作、間作系統(tǒng)內(nèi)的棗樹和棉花，于水平方向距樹行0.5～1.5m處、垂直方向0～100cm土層的根長密度進行相關(guān)分析，結(jié)果見表1。水平方向上，除CK外，Int2、Int6處理棗樹根長密度與距樹行距離均為顯著負相關(guān)，Int4處理達到極顯著負相關(guān);除Int2處理外，Int4、Int6處理棉花根長密度與距樹行距離均呈顯著正相關(guān)，Int6處理相關(guān)系數(shù)最大。

垂直方向上，除Int6處理和CK外，Int2處理棗樹根長密度與土層深度呈顯著負相關(guān)，Int4處理呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.935;除Int2處理外，其余處理棉花根長密度與土層深度均呈極顯著負相關(guān)，處理Int6的相關(guān)系數(shù)最大。

綜上所述，水平方向與垂直方向根長密度的相關(guān)分析表明，棗樹Int4處理的顯著性最為明顯，棉花則是Int6處理最為顯著。

2.4 棗棉間作系統(tǒng)種間地下競爭關(guān)系分析

復合系統(tǒng)作物生態(tài)位重疊和資源共享必然會引起種群競爭。由圖4可以看出，Int2處理整個取樣區(qū)間內(nèi)，除1.0～1.5m水平方向外，棗樹-棉花的競爭能力（即棗樹相對棉花的競爭能力，下同）均強于棉花-棗樹的競爭能力（即棉花相對棗樹的競爭能力，下同），水平方向1.0～1.5m與0.1～0.5、0.5～1.0m土壤區(qū)域有顯著差異;棗樹-棉花及棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)隨距樹行距離的增加而增大。水平方向上，在距樹行間距0.1～1.0m范圍內(nèi)棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)、棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)均無顯著性差異，0.1～0.5m之間棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)約為棉花-棗樹的2倍，棗樹的競爭能力高于棉花，0.5～1.0m土壤區(qū)域內(nèi)棗樹的競爭能力也明顯強于棉花。垂直方向上，棗樹-棉花、棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)隨土層深度的增加呈先增大后減小的趨勢變化，并且作物間的競爭在整個土層內(nèi)皆存在，其中10cm與20、30、40cm土層區(qū)域棗樹-棉花的競爭能力存在顯著差異，其它區(qū)域沒有顯著變化，且10cm與20～60cm土層區(qū)域棉花-棗樹的競爭能力存在顯著差異;棉花-棗樹的競爭能力在30cm土層區(qū)域達到最大值。

水平方向上，整個取樣區(qū)間內(nèi)Int4處理棉花-棗樹的競爭能力強于棗樹-棉花的競爭能力，且1.0～1.5m與0.1～0.5、0.5～1.0m土壤區(qū)域內(nèi)作物的競爭能力有顯著差異，并處于最大值;與Int2相同的是兩者競爭能力指數(shù)均隨距樹行距離的增加而增大，0.1～1.0m范圍內(nèi)棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)、棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)均無顯著性差異。垂直方向上，棗樹-棉花、棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)均隨土層深度的增加呈逐漸增大趨勢，10～30cm土層之間作物間的競爭能力沒有表現(xiàn)出明顯差異。

水平方向上，0.1～1.0m范圍內(nèi)Int6處理棗樹-棉花的競爭能力均強于棉花-棗樹的競爭能力。垂直方向上，棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)隨土層深度的增加呈先增大后減小的趨勢變化，30cm處競爭能力指數(shù)達到最大，而棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)隨土層深度的增加呈逐漸增大的趨勢。作物間的競爭能力在整個取樣深度內(nèi)存在顯著差異，但40～60cm區(qū)域各土層棗樹對棉花的競爭能力、棉花對棗樹的競爭能力差異小于其它土層。

以上分析可知，各處理中，水平方向上0.1～1.0m范圍內(nèi)棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)、棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)均無顯著性差異，Int4處理棉花-棗樹的競爭能力為優(yōu);垂直方向上，棗樹-棉花的競爭能力均強于棉花-棗樹的競爭能力。在整個取樣區(qū)內(nèi)，棗樹-棉花的競爭能力總體上占絕對優(yōu)勢。

3 討論

大量研究人員從根系生態(tài)學和根系生理學角度對間作復合系統(tǒng)作物根系的理化性狀、形態(tài)特征、空間分布和水根耦合機理等進行研究，并取得一定進展[8，15，16]。李陸生等[17]研究表明，棗樹大部分細根分布于地表0～0.6m土層，根長密度均隨土層深度增加而遞減。與傳統(tǒng)棉花單作相比，間作模式中棉花根系入土更深，主要分布在水平0～40cm、垂直0～40cm范圍內(nèi)[13]。孫于卜等[18]研究表明，間作促使蘋果細根向深層土壤移動，而間作大豆細根向上層土壤移動。棗棉間作復合系統(tǒng)中，棗樹遮陰對棉花根系生長有抑制作用[19]。本研究表明，棗樹和棉花根系分布既有重疊也有錯位：棗樹細根在整個取樣區(qū)域均有分布，水平方向距樹行0.5～1.0m及垂直方向0～60cm土層區(qū)域占主導地位，單作的細根較間作分布密度要大;而棉花細根集中分布于水平方向距樹行1.0～1.5m、垂直方向0～40cm土層內(nèi)，不同配置模式下棉花細根在距樹行1.0m與棗樹細根分布有重疊。相關(guān)性分析表明，水平方向上，棗樹根長密度與距樹行距離均為負相關(guān)，棉花根長密度與距樹行距離均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最高為Int6處理;垂直方向上，棗樹根系與棉花根系的分布均呈負相關(guān)。

農(nóng)林復合系統(tǒng)地下部分，物種間存在很大競爭關(guān)系。對核桃-小麥復合系統(tǒng)的研究表明，小麥根系在短期內(nèi)迅速占據(jù)土壤空間獲得競爭優(yōu)勢，而核桃根系隨著生長發(fā)育進程逐漸在競爭中勝出，說明核桃的競爭優(yōu)勢大于小麥[20]。椒草種間競爭分析表明，雜草的競爭能力顯著強于花椒[21]。在核桃和大豆種間地下競爭中，核桃對大豆的競爭能力總體上大于大豆對核桃的競爭能力，只有在小范圍內(nèi)大豆對核桃的競爭能力強于核桃對大豆的競爭能力[22]。合理的間作復合體系有利于作物根系的生長發(fā)育，并提高經(jīng)濟效益[23]。本研究表明，在垂直方向和水平方向上棗樹對棉花、棉花對棗樹均存在種間競爭，水平方向1.0～1.5m范圍棉花對棗樹的競爭能力均高于棗樹對棉花的競爭能力;垂直方向上，整個取樣區(qū)域，棗樹對棉花的競爭能力大于棉花對棗樹的競爭能力。

4 結(jié)論

田間種植方式配置的不同對棗樹、棉花細根分布的影響也不同。研究表明，水平方向隨距樹行間距增大，棗樹根長密度逐漸減小，總體上棉花則與此相反;垂直方向隨著土層的下移，根長密度也逐漸減小，即各處理兩者根系在離地表土層最淺區(qū)域分布最廣。各處理水平方向1.0～1.5m范圍棉花-棗樹的競爭能力均略大于棗樹-棉花的競爭能力，與其它兩個水平方向的競爭能力有顯著差異;垂直方向各處理在整個土層均是棗樹-棉花的競爭能力優(yōu)于棉花-棗樹的競爭能力。棗棉間作條件下，Int4處理較其它處理的種間地下競爭都小。因此，幼齡期棗樹間作棉花最合理的配置模式是Int4處理，這可為南疆棗棉間作和管理提供技術(shù)依據(jù)。