痕量灌溉對棉花根系活力?生物量累積與供水關(guān)系的影響

陳立宇　路戰(zhàn)遠　咸豐　程玉臣　張建中　劉燕　葉君　張立峰

摘要 ［目的］針對內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)棉田生產(chǎn)中存在的水資源短缺、水分低效問題，采用痕量灌溉方式揭示痕量灌溉下棉花生長發(fā)育和水分利用效率對田間供水方式的響應機制。［方法］通過田間小區(qū)試驗，研究痕量灌溉不同埋深和水量對棉花根系活力、生物量累積的影響。［結(jié)果］棉花根系生物量呈“S”形曲線增長；自苗期至吐絮期，棉花根系生物量整體呈增加的趨勢。痕灌處理棉花根系活力較膜下滴灌（CK）處理均有所提高。T1處理棉花根系活力最高，有助于促進根系下扎，形成合理的根系結(jié)構(gòu)。［結(jié)論］蕾期和花鈴期是植株快速生長期，灌溉供水是維持生育耗水的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞 痕量灌溉；棉花；生物量；根系

中圖分類號 S275.4 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）08-0180-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.043

Effect of Trace Irrigation on the Relationship Between Root Vigour，Biomass Accumulation and Water Supply in Cotton

CHEN Li-yu1，2，LU Zhan-yuan1，2，XIAN Feng1 et al

（1.Inner Mongolia Key Laboratory of Degradation Farmland Ecological Restoration and Pollution Control/Inner Mongolia Academy of Agricultural ＆ Animal Husbandry Sciences，Hohhot，Inner Mongolia 010031;2.Hebei Agricultural University，Baoding，Hebei? 071000）

Abstract ［Objective］To address the problems of water shortage and water inefficiency in cotton field production in the Alashan region of Inner Mongolia.Trace irrigation was used，and it was proposed to reveal the response mechanisms of cotton growth and development and water use efficiency to field water supply methods under trace irrigation.［Method］The effect of trace irrigation on the vigour and biomass accumulation of cotton roots was investigated in a field plot experiment with different burial depths and water volumes.［Result］ Cotton root biomass showed an “S” type curve continuous growth;from the seedling stage to the spatulation stage，cotton root biomass showed an increase trend.The trace irrigation treatments all increased the root vigour of cotton compared with the sub-membrane drip irrigation （CK） treatment.T1 treatment had the highest root vigour，which helped to promote root undergrowth and create a reasonable root structure.［Conclusion］The bud stage and flowering and boll stage are the rapid growth periods of plants，and irrigation water supply is the key to growth water consumption during supporting period.

Key words Trace irrigation;Cotton;Biomass;Root

根系時空分布與生理活性決定作物對水分、養(yǎng)分的吸收，進而影響地上部分的生長與產(chǎn)量［1-2］。膜下滴灌下作物根系主要分布在0～40 cm淺土層，

棉花根長和根生物量隨著埋管深度的增加而減?。?］。姜益娟等［4］研究表明使用溝灌灌溉棉花根系生長呈“垂直斷面?zhèn)阈巍被蛘摺吧刃巍?，而膜下滴灌棉花根系分布則是密集朝向滴灌帶的下方以及膜內(nèi)側(cè)，呈極不對稱結(jié)構(gòu)。汪江濤［5］、Liu等［6］研究表明與傳統(tǒng)漫灌相比，膜下滴灌棉花盛花期—盛鈴前期0～60 cm土壤含水量增加了4.80%～12.87%，較高的土壤水分使根系SOD活性增強，降低了MDA含量，減少了活性氧在根中的累積。張小朋等［7］發(fā)現(xiàn)土壤水分對植物的影響主要體現(xiàn)在根系上，水分影響根系的生長和分布、生理特征和生態(tài)特征。劉梅先等［8］研究膜下滴灌的滴管布置方式對棉花產(chǎn)量、水分、鹽分的影響，結(jié)果表明滴管布置方式對棉花根系分布和土壤鹽分含量有顯著影響，微咸水和咸水滴灌時一膜一管的滴管布置方式有利于促進棉花根系生長、提高水分利用效率。Hu等［9］研究部分根區(qū)灌溉對玉米根系水力導度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分根區(qū)灌溉方式灌水側(cè)根系水力導度比常規(guī)灌水方式提高49%～92%，而干旱側(cè)根系水力導度顯著下降。孔清華等［10］研究表明滴灌施肥對青椒根系分布起著調(diào)節(jié)作用，同時也促進了根系的生長。土壤水分影響著作物根系的形態(tài)及分布。該試驗在明確棉田供水機制的基礎上，系統(tǒng)研究了痕量灌溉處理下棉花根系生物量的動態(tài)累積特征、根系生物量的動態(tài)累積與棉田供水的關(guān)系、根系發(fā)育形態(tài)、根-水同位吻合度、根系活力的變化特征等，以探討痕量灌溉下棉花的根系發(fā)育規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

2016—2017年，在阿拉善盟額濟納旗內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院棉花試驗示范基地（100°13′E，40°59′N）設置定位試驗。

1.2 試驗處理

以抗旱棉花品種“中棉所92”為試驗材料，試驗設置2種灌溉方式：膜下滴灌和膜下痕量灌溉。痕量灌溉設置地下埋管深度 30、40、50 cm，分別以D30、D40、D50表示；每種埋深處理設置5種灌水量，分別為360、330、300、270、240 mm，分別以I360、I330、I300、I270、I240表示；以膜下滴灌、灌水量360 mm為對照（CK）。試驗共16個處理，每個處理重復3次，共計48個小區(qū)。灌水時間為2016年6月16日至9月13日、2017年6月13日至9月10日；田間管理同常規(guī)高產(chǎn)田。2016—2017年棉花生育時期如表1所示。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 根系形態(tài)。選擇不同處理長勢均勻的棉株在0～40、40～80 cm土層，采用挖掘法取出每層全部土壤，迅速收集、揀出根段，分置、洗凈。將根樣排放于盛滿清水的透明玻璃盒中，利用根系專用掃描儀掃描成黑白對照的TIF圖像文件。掃描好的文件采用WinRHIZO根系分析軟件計算各土層根系的根長密度（root length density，RLD）。

1.3.2 根系生物量。將收集的根樣完成掃描后，105 ℃殺青0.5 h，80 ℃條件下烘干至恒重后測定根系生物量。

1.3.3 根系活力。采用TTC 比色法測定根系活力。

1.3.4 根-水同位吻合度。棉花生育期根長密度表示根系需水勢，同期土壤分層含水率表示土壤供水勢，二者以適當倍率繪圖，進行根-水同位吻合度比較。利用SigmaPlot 12.5軟件計算出根系面積和水分面積，按以下公式計算：

根-水同位吻合度=根系與水分交集面積÷水分面積×100%

估算根-水同位吻合度，其最大值為100%，此時最吻合。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2010軟件整理，使用GraphPad Prism 8軟件繪圖，使用SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 痕量灌溉對棉花根系活力的影響

2016年，痕灌管網(wǎng)埋深和灌水量處理下棉花各生育階段根系活力見表2。由表2可知，與膜下滴灌（CK）處理相比，痕灌管網(wǎng)埋深和灌水量處理均提高了棉花根系活力。隨著棉花生育期的推移，棉花不同生育期根系活力從蕾期至吐絮期呈逐漸降低的趨勢。棉花根系活力隨著灌水量的減少而降低，隨著痕灌管網(wǎng)埋深的增加而降低的趨勢不明顯。棉花蕾期和吐絮期根系活力T1、T6、T11處理較高，膜下滴灌（CK）處理最低。①蕾期。相同痕灌管網(wǎng)埋深條件下，不同灌水量處理棉花根系活力隨著灌水量的減少而降低。與膜下滴灌（CK）處理相比，各灌水量處理的棉花根系活力均有所提高，痕量灌溉處理D30、D40、D50下各處理棉花根系活力的增幅分別為19.02%～52.88%、14.49%～47.47%、22.34%～49.39%。在灌水量I360條件下，與膜下滴灌（CK）處理相比，T1、T6、T11處理棉花根系活力分別提高了52.88%、47.47%和49.39%。在灌水量I330條件下，T2、T7、T12處理棉花根系活力比CK處理提高了38.39%、43.80%和39.97%。在灌水量I300、I270、I240條件下，各處理棉花根系活力與灌水量I360、I330條件下呈現(xiàn)相似的變化趨勢。②花鈴期。與膜下滴灌（CK）處理相比，痕量灌溉處理的棉花根系活力均有所增加，D30、D40、D50下各處理棉花根系活力的增幅分別為3.32%～31.94%、9.60%～29.49%、4.36%～27.23%。灌水量I360條件下，T1、T6、T11處理棉花的根系活力比CK處理分別提高了31.94%、29.49%和27.23%。在灌水量I300條件下，T3、T8、T13處理棉花根系活力較CK處理分別提高了14.83%、20.59%和12.04%。在灌水量I270條件下，T4、T9、T14處理棉花根系活力分別較CK處理提高了5.93%、17.80%和9.08%。在灌水量I240條件下，T5、T10、T15處理較膜下滴灌（CK）處理棉花根系活力分別提高了3.32%、9.60%和4.36%。③吐絮期。痕灌管網(wǎng)埋深對棉花根系活力的影響不明顯。灌水量I360條件下，T1、T6、T11處理棉花根系活力較CK處理分別提高了31.41%、30.15%和24.37%。痕灌管網(wǎng)埋深D30條件下，T1處理棉花的根系活力高于T2、T3、T4、T5處理；痕灌管網(wǎng)埋深D40、D50條件下，灌水量對棉花根系活力的影響與痕灌管網(wǎng)埋深D30條件下變化趨勢相似。與膜下滴灌（CK）處理相比，D40、D50條件下各灌水量處理的棉花根系活力有所增加，增幅分別為2.01%～30.15%和7.04%～24.37%。

2017年，痕灌管網(wǎng)埋深與灌水量對各生育階段棉花根系活力的影響見表2。由表2可知，相同痕灌管網(wǎng)埋深條件下，棉花根系活力在蕾期、花鈴期均隨著灌水量的減少呈降低的趨勢。相同灌水量處理下，棉花根系活力在蕾期、花鈴期、吐絮期均隨著痕灌管網(wǎng)埋深的增加而降低的趨勢不明顯。①蕾期。與膜下滴灌（CK）處理相比，各灌水量處理的棉花根系活力均有所增加，痕灌管網(wǎng)埋深D30、D40、D50下各處理棉花根系活力較CK的增幅分別為9.91%～46.24%、4.22%～39.63%、11.56%～40.73%。在灌水量I360條件下，T1、T6、T11處理棉花根系活力均較高。在灌水量I330條件下，T2、T7、T12處理棉花根系活力較CK分別提高了30.83%、35.60%和30.64%。在灌水量I240條件下，T5、T10、T15處理棉花根系活力比CK處理分別提高了9.91%、4.22%、11.56%。②花鈴期和吐絮期。相同痕灌管網(wǎng)埋深條件下，不同灌水量處理花鈴期棉花根系活力隨著灌水量的減少而降低。痕量灌溉D30、D40、D50下花鈴期和吐絮期各處理棉花根系活力較CK處理的增幅分別為4.18%～38.00%、9.39%～34.03%、2.09%～30.27%和21.09%～55.78%、12.93%～45.58%、18.03%～41.84%。

綜合來看，痕量灌溉各處理棉花在蕾期、花鈴期和吐絮期具有較高的根系活力，有助于促進根系下扎，形成合理的根系結(jié)構(gòu)。

2.2 棉花根系生物量動態(tài)累積與供水的關(guān)系

2016—2017年，痕灌管網(wǎng)埋深和灌水量處理下棉花各生育階段根系生物量與土壤貯水量、灌溉量的關(guān)系見圖1。從圖1可以看出，棉花根系生物量呈“S”形曲線增長。蕾期與花鈴期，I360各處理土壤貯水量為苗期的80.9%～100.6%，根系生物量為苗期的2.8～3.7倍；吐絮期，棉花根系生物量達到生育期最高值，土壤貯水量為花鈴期的68.0%～89.0%。整個生育期，棉花根系生物量整體呈增加的趨勢。

從圖1可以看出，花鈴期進入棉田高強度耗水期，各痕灌不同埋深處理土壤貯水量為膜下滴灌（CK）的81.5%～101.1%，在此期間高效率的土壤供水與灌溉水使根系生物量較CK處理提高了0.26%～23.39%。與I360各處理（T1、T6、T11）相比，T15處理在最小灌水量條件下蕾期與花鈴期土壤貯水量較低，表明在此期間供水匱乏。

2017年，痕灌管網(wǎng)埋深和灌水量處理下棉花各生育階段根系生物量與土壤貯水量、灌溉量的關(guān)系見圖1。從圖1可以看出，在灌水量I360條件（CK、T1、T6、T11）下棉花各生育期不同痕量灌溉處理根系生物量的變化趨勢與2016年相似。與CK處理相比，T1處理棉花蕾期、花鈴期、吐絮期根系生物量的增幅為28.96%、26.91%、27.51%，土壤貯水量較CK處理的變幅分別為0.53%、1.45%和-2.78%。

2.3 痕量灌溉下根-水同位性分析

以根系取樣測定值為基礎，參照棉花根系性狀垂直分布特征，將代表性試驗處理花鈴期的不同土層根長密度繪成圖2～3，并與該時期土壤分層含水率進行根-水同位吻合性比較。

由圖2可知，2016年膜下滴灌（CK）處理土壤含水率隨著土層深度的增加整體呈下降趨勢，痕灌處理T1、T6、T11、T15棉花根長密度隨土層深度的增加呈先增加后下降的趨勢。

定量估算痕灌管網(wǎng)各埋深處理花鈴期0～80 cm土層根長密度與土壤含水率的根-水同位吻合性（圖2），結(jié)果表明膜下滴灌（CK）處理根-水同位吻合性約65.1%，T1、T6、T11、T15處理的根-水同位吻合性分別為93.9%、86.7%、85.0%和80.8%。以上結(jié)果表明，痕灌管網(wǎng)各埋深處理具有比膜下滴灌（CK）更好的根-水空間吻合效果，更有利于花鈴期根系對水分的利用。

2017年痕灌管網(wǎng)埋深和灌水量處理下棉花花鈴期根長密度與土壤含水率的關(guān)系見圖3。從圖3可以看出，在灌水量I360條件下棉花根長密度與土壤含水率的關(guān)系與2016年基本相似。2017年，膜下滴灌（CK）處理土壤含水率隨著土層深度的增加整體呈下降趨勢，痕灌處理T1、T6、T11、T15棉花根長密度隨土層深度的增加呈先增加后下降的趨勢。膜下滴灌（CK）與痕量灌溉T1、T6、T11和T15處理根-水同位吻合性分別為64.7%、88.8%、83.6%、81.2%和77.5%。痕量灌溉各處理的根-水同位吻合性較膜下滴灌（CK）更高。

3 討論

3.1 棉花根系形成與供水的關(guān)系

水分是影響根系生長的重要因素。根系的形成不僅影響水分的吸收，而且與地上部器官的生長發(fā)育、作物產(chǎn)量等相關(guān)［11］。Guo等［12］研究表明，作物根系隨土壤水分的變化而調(diào)整其結(jié)構(gòu)和時空分布，進而影響作物產(chǎn)量及水分利用效率。Hu等［13］研究表明節(jié)水灌溉對棉花根系的生長發(fā)育有直接影響，若水分虧缺有助于提高根長和根生物量，提高根冠比，若水分盈余時反而影響較小。陳文嶺［14］利用微根管監(jiān)測膜下滴灌條件下棉花細根的生長形態(tài)，結(jié)果表明根長密度隨著土壤深度的增加而先增大后減少，在 20～30 cm 土層達到最大值；吐絮期棉花根長密度最大、根系發(fā)育最好。羅宏海等［15］在北疆地區(qū)研究水分和氮素組合對棉花根系生物量的影響，結(jié)果表明各處理棉花吐絮期不同土層的根系生物量達到最大值。該試驗前期較高的土壤貯水有利于棉花早期根系的形成，膜下滴灌處理上層濕潤土層使根系可以輕易吸收水分，而痕量灌溉處理早期根系下扎更為明顯。隨著灌水量的增加，根重增加，并隨著蕾期的灌溉，促使根系生長與土壤供水“根-水同步”，更有利于棉花的根系形成，從而使植株更加均衡地生長。該研究結(jié)果表明，棉花根系生物量從蕾期到吐絮期整體呈增加趨勢，這與陳文嶺［14］、羅宏海等［15］的研究結(jié)果相一致。

3.2 棉花根系土層分布與灌水的關(guān)系

根群土體空間分布影響作物對水分養(yǎng)分的吸收利用。汪江濤［5］研究膜下滴灌對新疆棉花根系生長、形態(tài)分布的影響，結(jié)果表明在滴灌帶左右兩側(cè)20 cm、垂直0～40 cm土層內(nèi)較高的土壤含水量有利于增加該區(qū)細根長和細根生物量。陳文嶺［14］研究了微咸水膜下滴灌棉花根系、水分、鹽分、微量元素之間的相互作用，結(jié)果表明膜下滴灌棉花根長密度隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，根長密度的垂直分布主要集中在0～30 cm淺層土壤。Chen等［3］研究表明膜下滴灌棉田的土壤水分集中于0～60 cm土層，

棉花根長和根系生物量隨土壤深度的增加而減少，棉花根系對水分的吸收發(fā)生在滴灌頭附近較小的土壤范圍內(nèi)。李永山等［16］研究表明地膜覆蓋條件下棉花80.6%～95.4%的根系集中在0～30 cm土層內(nèi)。李少昆等［17］研究表明在北疆棉田高密度栽培條件下73.3%的棉花根系集中在0～40 cm土層內(nèi)。李垚垚等［18］研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)溝灌與膜下滴灌對棉株根系在土壤的分布無顯著影響，根系生物量均主要分布在10～35 cm內(nèi)。該試驗結(jié)果表明，痕量灌溉與膜下滴灌（CK）相比更好地促進了根系生長與土壤供水的“根-水同位吻合性”，這成為痕量灌溉地下供水影響棉花根群分布的重要特征。

3.3 根系活性的變化特征

合理灌溉措施可以促進作物根系發(fā)育，增加其生理活性，延緩作物衰老［19-20］。羅振［21］研究發(fā)現(xiàn)部分根區(qū)灌溉灌水側(cè)根系中MeJA含量比常規(guī)灌溉升高，說明促進了灌水側(cè)根系的水分吸收。Hu等［13］對玉米進行了類似監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)灌水側(cè)根系水力導度比常規(guī)灌水提高了49%～92%。Yi等［22］研究表明水氮供應可以顯著增強棉花根系活力，提高根系及葉片抗氧化保護酶系活性。羅宏海等［15］采用土柱栽培法研究膜下滴灌條件下水氮供應對棉花根系及葉片衰老特性的調(diào)節(jié)，結(jié)果表明灌溉條件下蕾期前限量滴灌后恢復充分滴灌配合重施花鈴期的水氮供應方式顯著促進了棉花深層根系的生長，增強了根系活力。該試驗結(jié)果表明，痕量灌溉埋深處理下棉花根系活力均顯著高于膜下滴灌（CK）處理。這表明痕量灌溉處理有助于維持根系生理功能，從而為構(gòu)建合理根群奠定基礎。

4 結(jié)論

干旱區(qū)灌溉田棉花根系生物量呈“S”形曲線增長；苗期至吐絮期棉花根系生物量整體呈增長趨勢。2016—2017年，痕量灌溉處理

棉花根系活力較膜下滴灌（CK）處理均有所提高。蕾期、花鈴期、吐絮期，2016年痕灌各處理棉花根系活力較CK的增幅分別為14.49%～52.88%、3.32%～31.94%、2.01%～31.41%，2017年痕灌各處理棉花根系活力較CK的增幅分別為4.22%～46.24%、2.09%～38.00%、12.93%～55.78%。其中，T1處理棉花根系活力最高，有助于促進根系下扎，創(chuàng)建合理的根系結(jié)構(gòu)。

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基金項目 內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目（2020GG0061）；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系——棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目（CARS-18-30）。

作者簡介 陳立宇（1986—），男，山西朔州人，高級農(nóng)藝師，博士，從事集約持續(xù)農(nóng)作制度研究。*通信作者，研究員，博士，博士生導師，從事抗逆栽培與保護性農(nóng)業(yè)研究。

收稿日期 2023-05-09；修回日期 2023-06-18