南疆地區(qū)棗棉間作復(fù)合群體根系時空分布特征

李田甜， 孫 雪， 樊文霞， 王沛娟， 王 霜， 李燕芳， 萬素梅， 陳國棟

(塔里木大學農(nóng)學院，新疆阿拉爾 843300)

近年來，日益嚴重的人口問題和經(jīng)濟發(fā)展間的矛盾，引發(fā)了人們的憂慮，開始對以前在資源與環(huán)境方面采取的策略進行反省，為了在更廣闊的范圍內(nèi)研究并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的道路。間作、套作、林糧結(jié)合、果農(nóng)結(jié)合等復(fù)合農(nóng)業(yè)經(jīng)營系統(tǒng)正是在這種社會條件下發(fā)展起來的。農(nóng)林間作復(fù)合系統(tǒng)是典型的傳統(tǒng)的土地利用方式之一，正是因為農(nóng)林間作復(fù)合系統(tǒng)可以最大程度地發(fā)揮農(nóng)林業(yè)的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，提高有限資源的利用率和土壤利用率，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。我國塔里木盆地支柱型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)最早的是棉花和紅棗產(chǎn)業(yè)，該農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)如何在棗棉復(fù)合系統(tǒng)中，保證棉花有穩(wěn)定產(chǎn)量的同時減弱棗樹對棉花的負效應(yīng)是南疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要課題。棗棉間作成為了南疆綠洲地區(qū)近幾年興起的新型種植模式。

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中的各個組分對資源的競爭有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，各組分作物對水、肥、光、熱等的競爭在每個部分都存在。地下部的爭奪是對水肥資源的爭奪，而地上部的爭奪則是對光熱資源的爭奪。在生態(tài)系統(tǒng)中，植物地上部分各組分之間的相互作用不容忽視，但物種之間關(guān)系的本質(zhì)主要體現(xiàn)為地下根系對養(yǎng)分和水分的爭奪。在判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定時，地下部分的作用強度明顯比地上部分強。根系是間作系統(tǒng)中對水分和養(yǎng)分等資源吸收、運輸、儲存和利用的主要器官，也是植物地下部各組分吸收和代謝的十分重要的器官。土壤中養(yǎng)分可以通過樹木的根系被樹木吸收和利用。然而，由于樹木對土壤養(yǎng)分和水分利用的影響，根系的形態(tài)特征、空間分布和活力都會影響地上部分的產(chǎn)量。根系是作物從地下部獲取資源的主要器官，對在間作系統(tǒng)中的養(yǎng)分及水分的吸收利用有很大的影響作用，特別是在以灌溉農(nóng)業(yè)為主的南疆干旱地區(qū)，研究解決復(fù)合群體中對水分和養(yǎng)分資源的互補與競爭關(guān)系是農(nóng)林間作系統(tǒng)能否實現(xiàn)高效可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。王婷等通過對干旱地區(qū)棗棉復(fù)合系統(tǒng)中的根系時空分布特征進行研究，發(fā)現(xiàn)間作棗樹與棉花的根系分布，在空間上既有錯位又有重疊。許華森等研究了核桃與大豆間作細根地下競爭狀況和分布狀況，為晉西黃土區(qū)果農(nóng)間作科學種植提供了重要的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

農(nóng)作物與林木對土壤中水分、養(yǎng)分的吸收利用與競爭主要是通過其根系完成的。因此，本研究以南疆棗棉間作系統(tǒng)作為研究對象，分析各組分作物的地上部分生長特征，并從地下部分根系形態(tài)結(jié)構(gòu)與競爭作用著手，探明棗棉間作系統(tǒng)中各組分的相互作用與競爭互補機制，旨在為南疆棗棉間作復(fù)合系統(tǒng)土地高效利用方式、種間作用調(diào)節(jié)、株行距配置和田間管理措施的改進等提供依據(jù)，同時豐富農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中對根系的研究內(nèi)容。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗于塔里木大學園藝試驗站(40°32′20″N，81°17′57″E)進行。試驗地屬暖溫帶大陸干旱荒漠氣候區(qū)，光照時間長，日照時數(shù)為2 900 h/年，降水少，年均氣溫為10.8 ℃，≥10 ℃積溫為4 113 ℃，無霜期220 d，年降水量40.2～82.8 mm，年均蒸發(fā)量 1 977.6～2 568.9 mm，土壤為沙壤土，該地區(qū)是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。

試驗地棗樹為2012年種植的酸棗，于2014年嫁接頭年灰棗，株行距為1.5 m×3.0 m，棉花品種選用新陸中36號。目前棗棉間作是塔里木盆地農(nóng)作物種植的重要模式之一，相比其他種植模式棗棉間作經(jīng)濟效益較好。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年進行，共設(shè)3個處理：單作棗樹、單作棉花、棗棉間作。間作處理下，距離棗樹1.0 m處寬窄行內(nèi)種植4行棉花，株行距為12.5 cm×40.0 cm，間作中各處理分別選擇5株長勢較為均勻的棗樹作為標準樹，以選擇的標準樹為取樣中心，與樹行垂直，在距離標準樹0.1 m處選取第1個點，每個點間隔0.1 m，依次取到第5個點。在垂直于標準樹的樣方南北方向各取1個點，共7個點，用直徑為0.09 m、長0.1 m的根鉆在每個點分層(10 cm)取樣至 1.0 m。于4月13日播種棉花，采用地膜覆蓋和滴灌，試驗中其他管理措施與大田管理一致。

1.3 測定方法

在棉花、棗樹、棗棉處理中分別設(shè)置取樣點，在各個取樣點采用根鉆法取樣，將取出的土倒入 0.2 mm 篩子中，浸泡在水中約1 h左右，后用水清洗根系，取出植物根系置于密封袋中，放入-20 ℃冰柜內(nèi)保存。根系掃描時將棗樹和棉花的根先在常溫下緩慢解凍，使用去離子水沖洗根系后再進行掃描。使用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)進行掃描分析根系。將清洗干凈的根系置于105 ℃殺青30 min，在80 ℃條件下烘干，分別稱取根的干質(zhì)量。

取樣時期為10月12日，此時棗樹生育時期為果實成熟期，棉花為吐絮期。

1.4 計算指標

1.4.1 根長密度、根質(zhì)量密度 根長密度與根質(zhì)量密度是地下部生長發(fā)育的最直接指示，是反映生長狀況的重要指標。計算公式如下：

=/；

(1)

=/。

(2)

式中：為根長密度(cm/cm)；為根長(cm)；為根質(zhì)量密度(g/m)；為根干質(zhì)量；為土壤體積(cm)。

1.4.2 競爭能力指數(shù) 根據(jù)Levins提出的生態(tài)位重疊公式，計算棉花與棗的競爭力指數(shù)，公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：為物種對物種的競爭指數(shù)；為物種對于物種的競爭指數(shù)；為物種的生態(tài)位寬度指數(shù)；為物種的生態(tài)位寬度指數(shù)；為資源位數(shù)量；和分別是物種和物種的第個資源位置的利用率與資源位置總利用率的比值。和的閾值為[1，1]，和的閾值為[0，1]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進行整理，利用SPSS 22.0進行方差分析，采用法進行顯著性測驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 棗棉間作復(fù)合群體根系的空間分布特征

棗棉復(fù)合系統(tǒng)中，棗樹、棉花的根長密度垂直、水平分布情況如圖1所示。在水平方向上(圖1-A)，距離棗樹不同距離的土層，棉花的根長密度是 0.025～0.047 cm/cm，棗樹的根長密度是0.033～0.045 cm/cm。棗樹根長密度的水平分布，在0.1～1.0 m處均有分布，分別占總根長密度的25%、21%、25%、29%，分布較均勻。水平方向棗樹根長密度無顯著差異。棉花根系均分布在各個土層，且隨離樹間距的增大而增大，在0.1～0.3 m處最小，占到總根長密度的19%，在0.7～1.0 m處最大，占到總根長密度的35%，且較棗樹根長密度大。水平方向上棉花根長密度存在較大的差異。

由圖1-B可知，在垂直方向上，棗樹的根長密度主要分布在距地表0～0.3 m土層范圍內(nèi)，占棗樹總根長密度的43%，0.2～0.3 m土層內(nèi)根量最大，分別占17%、15%，0.4～0.6 m根量相差不多，分布相對比較均勻，0.7～1.0 m波動較大，但總體看來根長密度呈降低趨勢；在0～0.4 m土層范圍內(nèi)是棉花根長密度的主要分布土層，占總根長密度的68%，隨著深度的增加棉花根長密度呈減小趨勢。

2.2 棗棉間作復(fù)合群體地下部種間競爭關(guān)系

在整個試驗區(qū)內(nèi)，間作棉花與棗樹間，棉花的競爭能力都大于棗樹的競爭能力。從圖2-A可以發(fā)現(xiàn)，在水平方向上，隨距離棗樹的間距增大，棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)與棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)均增大，棗樹-棉花與棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)均存在顯著差異。在距棗樹0.1～0.7 m范圍內(nèi)，棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)均大于棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)，但差距較小；在0.7～1.0 m處，棗樹-棉花與棉花-棗樹的資源競爭能力指數(shù)均達到最大值，并且棗樹-棉花的資源競爭能力指數(shù)大于棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)。棉花、棗樹對該試驗區(qū)土層的資源利用程度幾乎相同，兩者的競爭作用一直存在，但沒有占優(yōu)勢的物種。由圖2-B可以看出，在垂直方向上，棗樹-棉花的資源競爭能力指數(shù)與棉花-棗樹的資源競爭能力指數(shù)均存在顯著性差異。棗樹-棉花的競爭能力指數(shù)隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，而棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)則呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。在0～0.3 m土層范圍內(nèi)，競爭能力指數(shù)均呈上升趨勢，且棉花-棗樹的競爭作用較棗樹-棉花有明顯的優(yōu)勢；但在0.4～0.6 m土層內(nèi)，棗樹-棉花與棉花-棗樹的競爭能力指數(shù)均無明顯的變化。

2.3 棗棉復(fù)合群體根系質(zhì)量密度分布特征

對棗棉間作系統(tǒng)中根系質(zhì)量密度水平分布特征的分析可知，棗樹根系質(zhì)量密度間無顯著性差異，棗樹根系質(zhì)量密度表現(xiàn)出離樹間距越近根系質(zhì)量密度越高的趨勢(圖3-A)。棗棉間作系統(tǒng)中，棗樹根質(zhì)量密度最高出現(xiàn)在0.3～0.5 m處，為 1 806.87 g/m，占總量的27.0%。0.1～0.3、0.5～0.7、0.7～1.0 m范圍的根系質(zhì)量密度分別為 1 768.29、1 478.70、1 644.88 g/m，分別占總量的26.4%、22.1%、24.6%；棉花根系質(zhì)量密度的分布波動性較小，在0.1～0.3、0.5～0.7 m處，分別為373.21、374.04 g/m，分別占總根質(zhì)量密度的26.8%、26.9%。棉花質(zhì)量密度在0.3～0.5、0.7～1.0 m 范圍內(nèi)分別為317.48、327.88 g/m，分別占總量的22.8%、23.5%。最后將棉花和棗樹的總根系質(zhì)量密度累加發(fā)現(xiàn)，棗樹的總根系質(zhì)量密度遠遠高于棉花的總根系質(zhì)量密度，分別為6 698.75、1 392.61 g/m。

由圖3-B可以看出，隨土層深度的增加，棗樹、棉花的根系質(zhì)量密度總體呈逐漸增加后逐漸減小的趨勢，其中，棗樹、棉花根系質(zhì)量密度最大值均出現(xiàn)在0.2 m處，分別為326.58、153.34 g/m。

棗棉間作系統(tǒng)中，棗樹的根系質(zhì)量密度主要集中在0～0.5 m土層范圍內(nèi)，占總量的63.04%，在0.5～1.0 m土層范圍內(nèi)，根系質(zhì)量密度占總量的36.96%；棉花的根系質(zhì)量密度主要分布在0～0.4 m土層范圍內(nèi)，占根系密度總量的86.53%，在0.4～0.7 m深度下，棉花根系質(zhì)量密度明顯降低，占總量的13.47%，而0.7～1.0 m范圍內(nèi)，沒有棉花根系。對比棉花和棗樹的根質(zhì)量密度，發(fā)現(xiàn)棗樹的根質(zhì)量密度遠大于棉花的根質(zhì)量密度，棉花的總根質(zhì)量密度為552.98 g/m，棗樹的總根質(zhì)量密度為 1 603.62 g/m。

2.4 棗棉復(fù)合系統(tǒng)地下部種間的競爭

植物生命活動是由2個部分共同完成，一部分是由根、莖、葉等部位組成的地上部分，另一部分是由根系組成的地下部分。由表1可知，單作棗樹的棗吊長度、莖粗和葉綠素含量均高于間作棗樹，而棉花的株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量均表現(xiàn)為間作棉花大于單作棉花。再結(jié)合棗棉間作中棉花、棗樹的地下根系空間分布特征，說明在棗棉間作中棉花為優(yōu)勢作物，表現(xiàn)出較明顯的間作優(yōu)勢。

表1 不同種植模式下棗樹和棉花地上部生長性狀比較

土地當量比(LER)=棗樹間作產(chǎn)量/棗樹單作產(chǎn)量+棉花間作產(chǎn)量/棉花單作產(chǎn)量，是用來衡量間作模式相對于單作模式增產(chǎn)能力的一種指標，當LER>1時，說明間作比單作的效率高。間作增產(chǎn)率=(-1)×100%。從表2可知，單作和間作的種植模式對棗樹和棉花的產(chǎn)量影響明顯。間作模式下，棗樹產(chǎn)量在間作模式下降低，棉花的籽棉產(chǎn)量也有一定的降低，但棗棉間作模式的增產(chǎn)率為33%，說明棗棉間作的種植模式可提高33%的土地利用率，生產(chǎn)優(yōu)勢明顯，可提高有限資源利用率及經(jīng)濟效益。

表2 不同種植模式下棗樹和棉花的產(chǎn)量

3 討論

3.1 棗棉間作復(fù)合群體根系空間分布特征

在垂直方向上，棗樹根長密度集中分布在距地表0～0.3 m土層內(nèi)，棗樹的根系質(zhì)量密度主要集中在0～0.5 m土層范圍內(nèi)；棉花的根系主要集中分布在0～0.4 m土層范圍內(nèi)，棉花的根系質(zhì)量密度主要集中在0～0.4 m土層范圍內(nèi)；在水平方向上，棗樹根長密度的分布隨與棗樹距離的增大而先減小后增大，在0.1～1.0 m土層處均有分布，且分布均勻；棉花根系分布在整個樣區(qū)，在0.1～0.3 m處最小，在0.7～1.0 m處最大。棗樹根系質(zhì)量密度分布最高范圍在0.3～0.5 m處，棉花根系質(zhì)量密度的分布波動性較大，這與王婷等的研究結(jié)果相似。

因為棉花與棗樹之間的距離較大，棗樹對棉花的抑制作用減弱，棉花具有足夠的生長空間。所以在水平方向上，離棗樹越遠棉花的根系就越長。棗樹受復(fù)合系統(tǒng)物種形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，其葉片小而稀，通風透光性好，可有效減弱棗樹對棉花的遮陰作用，能夠滿足棉花與棗對光、熱資源不同時期的不同需求；棗樹根系分布較為稀疏，棉花的主根扎根較深，這樣的分布能夠使雙方根系對地下資源的分層利用，很大程度地提高地下土壤資源的利用率。

3.2 棗棉間作復(fù)合群體種間競爭關(guān)系

生態(tài)位重疊是資源利用競爭的必要條件，但競爭只發(fā)生在根系接觸或根系重疊而生態(tài)位分化不發(fā)生時。并且一些生態(tài)學觀點表明，不同物種在同一生態(tài)系統(tǒng)中共享一定的資源，具有不同程度的競爭，競爭可以爭奪生存空間和特定資源，植物生態(tài)位彼此越接近物種之間的競爭就越激烈。

在南疆這樣的極端干旱區(qū)，水資源對農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要，也是發(fā)展果農(nóng)間作復(fù)合系統(tǒng)的重要影響因素。在研究中發(fā)現(xiàn)，水平方向上棗樹和棉花對該試驗區(qū)土層的資源利用程度幾乎相同，兩者的競爭作用一直存在，但沒有占絕對優(yōu)勢的物種。垂直方向0.1～0.3 m土層范圍內(nèi)，棉花與棗樹內(nèi)的競爭作用中棉花有明顯的競爭優(yōu)勢，棉花對棗樹和棗樹對棉花的競爭能力指數(shù)均呈上升趨勢。

種間競爭不僅包括種間競爭的影響，還包括種間競爭的后果。本研究發(fā)現(xiàn)，棉花的生長狀況較棗樹的生長狀況要占優(yōu)勢，棉花的地下部分競爭能力也強于棗樹，因此，在棗棉間作復(fù)合系統(tǒng)中，棉花較占優(yōu)勢。能夠?qū)е路N間競爭的原因有很多，可能是植物根系的形態(tài)和生理特性、系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分、植物不同發(fā)育階段等，隨著植物體的生長種間的競爭能力也逐漸增強，成熟階段的群落趨于穩(wěn)定，競爭力隨之降低。

4 結(jié)論

棗棉間作復(fù)合群體中，棗樹與棉花的根系分布特征在空間上存在一定的差異，在不同土壤空間上相互交錯分布。研究發(fā)現(xiàn)，在垂直方向上，距地表 0～0.4 m土層內(nèi)，是棉花根系集中分布的土層；棗樹根長密度集中分布在0～0.3 m土層內(nèi)。在水平方向上，在0.1～1.0 m處均勻分布；棉花根系分布在整個土層樣區(qū)，在0.1～0.3 m 處最小，在0.7～1.0 m 處最大。棗棉間作復(fù)合系統(tǒng)中棗樹和棉花對資源的競爭一直存在，總體上來說，棉花較棗樹具有較強的競爭優(yōu)勢。棗棉間作系統(tǒng)的土地利用率大于單作系統(tǒng)。分析確定復(fù)合系統(tǒng)中作物根系對地下資源吸收利用的變化特征，以實現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)化利用，解析棗棉間作系統(tǒng)各組分的相互作用與競爭性利用的過程機制，是未來地下種間關(guān)系需要進一步深入研究的問題。