不同连作年限对棉花根系形态和产量的影响

叶祖鹏，白旭明，陈波浪

(农业部西北绿洲农业环境重点实验室，新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830052)

新疆是我国最早植棉的地区之一，从1950年兵团开始大面积种植棉花以来，通过引进棉花新品种和提高棉花种植技术，新疆棉花的种植面积和产量不断增加。矮化、密植和膜下滴灌等技术的推广，使得新疆在2016年的棉花种植面积达到了215.49万hm2，占新疆农作物种植面积的34.66%，产量约为 420 万 t，平均单产为 4 879 kg·hm-2［1］。棉花已经成为新疆不可替代的支柱产业，是农民增收的主要来源之一，但受限于新疆地质特点、气候条件、种植习惯及经济利益驱动等因素，使得新疆棉花种植不可避免地选择了连作模式，并且连作时间极长。棉田长期连作易导致土壤养分失调、理化性质恶化以及病虫害增多，使得棉花早衰、减产和品质下降等连作障碍凸显，严重制约着新疆棉花产业的可持续发展［2-3］。

根系不仅对作物起固定、支持和吸收养分的作用，更是作物与土壤直接接触的器官，连作导致的土壤环境变化将直接或间接作用于根系，进而影响作物的生长发育。作物根系生长受环境尤其是土壤环境中许多因素的限制，包括养分、水分以及土壤物理特性等因素［4-7］，氮磷钾养分供应不足会抑制根系的生长，适宜的水分供给有利于根系的生长，过高或者过低的土壤容重都会造成根长、根体积的减少。张文明等［8］的研究发现，马铃薯受到连作障碍时可以通过刺激根系的生长、提高根长以及根表面积等方式适应连作带来的环境胁迫。根长密度与根表面积指数是根系吸收养分能力的重要指标，研究表明，根长密度与根表面积指数越大，根系吸收养分的能力就越强［9］。覆膜植棉长期连作后造成大量不易分解的地膜残留在棉田土壤中，残膜改变土壤理化性质，增加了土壤容重，阻碍了棉花根系生长，使棉花根系呈现丛生型和鸡爪型等畸变根型［10-11］。

目前，有关连作的研究大多集中在马铃薯［8，12］、大豆［13］、玉米［14］等农作物上，并取得了很多研究成果。有关棉花连作的研究主要集中在土壤理化性质［15-16］、肥力演变［17-18］、微生态环境［19-20］以及化感物质［21］等方面。根系作为作物与土壤之间的纽带，是作物吸收养分，水分和感知环境的重要器官。连作是否影响棉花根系形态?不同直径范围内根系形态如何响应连作?这些科学与生产问题还有待研究。因此，本文通过空间网格取样法，精确定量田间棉花根系的土壤空间分布，探讨不同连作年限对棉花根系形态变化特征的影响，为生产上减轻连作障碍，建立科学的栽培制度，实现新疆棉花高产优质和持续化生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在新疆北部典型棉区玛纳斯县新湖农场(44°79＇E，86°44＇N)进行，该地区属于温带大陆性气候，气温温差较大，年平均气温7.2℃，气温最高月(7月)平均气温24.4℃，气温最低月(1月)平均气温-18.4℃，极端最高气温 39.6℃，极端最低气温-37.4℃。年日照时间可达2 500～3 000 h，气候较为干燥，年降水量较低，无霜期为160～180 d。2016年棉花生育期月平均气温与月平均降水量状况见图1。

图1 棉花月平均气温和月降水量Fig.1 Average monthly temperature and precipitation in the cotton growing area

1.2 试验设计

在新湖农场一连四队棉花种植区域内选取土壤质地和种植管理模式相近的不同连作年限棉田进行田间试验，其处理依次为连作5 a(A1、A2)、连作 10 a(B1、B2)、连作 20 a(C1、C2)。供试土壤类型为灰漠土，棉田土壤基本理化性质见表1。棉花品种为新陆早45，种植模式采用1膜6行的膜下滴灌模式，膜宽2.2 m，膜间宽0.5 m，宽窄行(66 cm+10 cm)，株距10 cm，理论株数为27万株·hm-2，一膜三管，灌溉统一为6 000 m3·hm-2。氮肥用尿素，用氮量按N 300 kg·hm-2，40%作为基肥在播前施入，60%分8～10次随水滴施，磷肥用量为P2O5150 kg·hm-2，钾肥用量为 K2O 75 kg·hm-2，磷、钾肥作为基肥施入，水肥管理及农艺措施与农场的生产管理模式保持一致。

1.3 样品采集与测定

在棉花根系生长和养分吸收的关键时期——花铃期(8月20日)采集植物样品，每个地块选取长势相近的棉株随机采集3个点，利用直径为8 cm的根钻，以两株棉株为中心(采取土样前先将地上部分剪除)，分别在左(2钻)、中(1钻)、右(2钻)取不同层次(0～5、5～10、10～20、20～40 cm)的根和土壤，装入自封袋中。后将每个自封袋中肉眼可见的根系挑出，用去离子水冲洗，采用WinRHIZOron MF 2011年软件分析、扫描，获得数据化图像，得到根长、根表面积以及直径分级为≤0.4 mm(细根)、0.4～1.2 mm(中根)、≥1.2 mm(粗根)范围内的根系长度、表面积等根系参数［22］。根系样品扫描后放入纸袋中，在105℃杀青30 min，然后70℃烘干至恒重，称量根系干物质质量(g·株-1)，并计算每株棉花的根系平均质量。在吐絮期后进行测产，测产方法为各个年限地块随机选择棉花植株长势均匀的3个小区(面积为22 m2)进行计数，获得每个小区内的全区株数、单株结铃数。每个小区分3次采收每株上、中、下部共90朵完全吐絮棉桃，测定平均单铃重。皮棉产量根据每公顷棉株数、单株的平均结铃数和平均单铃重计算各小区产量，折算出单位面积产量。

1.4 数据处理

用Excel 2013进行数据整理，用SPSS13.0进行单因素分析(LSD法)，用Orgin 18.0软件作图。根长密度(RLD)和根表面积指数(RAI)用Surfer 8.0软件以等高线形式呈现。根长密度为单位土壤体积内的根系长度［22］，单位为cm·cm-3;根表面积指数为单位土体面积上根表面积［23］，单位为 cm2·cm-3。

2 结果与分析

2.1 不同连作年限对棉花单株根干重的影响

图2显示，棉花根干重随着连作年限的增加而增加，连作10 a处理和连作20 a处理的平均根干重较连作5 a处理分别增加了57.16%和50.80%。表2结果进一步显示，0～5 cm土层中连作10 a处理的根干重显著高于连作5 a处理，平均增加了46.90%;5～10 cm土层中平均根干重表现为连作20 a处理＞连作10 a处理＞连作5 a处理;10～20 cm土层中根干重无明显差异;20～40 cm土层根干重与0～5 cm土层一致，即连作10 a处理的根干重显著高于连作5 a处理。根干重随着土壤深度的增加而下降，主要分布在0～10 cm土层，约占总根质量的74.38%～87.83%。

表1 供试区域土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soils in the study area

2.2 不同连作年限对棉花根长密度的影响

图2 不同连作年限对棉花单株根干重的影响Fig.2 Effects of different continuous cropping years on dry root weight of cotton root per plant

表2 不同深度土层下棉花根干重的分布特征Table 2 Distribution characteristics of cotton root dry weight in different soil layers

图3 不同连作年限对棉花根长密度的影响Fig.3 Effect of different continuous cropping years on cotton root length density(RLD)

从图3可知，随着连作年限的增加，棉花根长密度呈先增加后减少的趋势。在0～5 cm土层中连作10 a处理与连作20 a处理棉花的平均根长密度分别是连作5 a处理的3.90倍和2.82倍;在5～10 cm土层中连作10 a处理与连作20 a处理的根长密度分别是连作5 a处理的1.34倍和1.15倍;在10～20 cm和20～40 cm土层中连作5、10、20 a的棉田根长密度分别为 0.125、0.307、0.149、0.049、0.203、0.085 cm·cm-3。根系在水平方向以棉株为原点逐渐向两边递减分布，垂直方向根系随着土层深度的增加而减少，根系主要分布于0～10 cm土层。

由表3可知，棉花以直径为0～0.4 mm的根系最多，约占棉花根长的54.66%～64.16%。连作年限对棉花0～0.4 mm和0.4～1.2 mm根系根长影响显著，但对不同直径根系分配比例无显著影响，其中连作10 a的处理0～0.4 mm根系根长最多，达611.28～684.69 cm·株-1。

2.3 不同连作年限对棉花根表面积指数的影响

由图4可知，连作对棉花根系总表面积指数的影响显著，0～40 cm土层连作10 a处理的根表面积指数最大，分别比连作5 a和连作20 a处理提高130.93%和50.52%。0～5 cm、5～10 cm土层中连作10 a与连作20 a的处理分别较连作5 a处理根表面积提高了163.39%、81.85%和50.97%、11.09%;在10～20 cm和20～40 cm土层中，连作5、10、20 a处理的表面积指数分别为 0.009、0.019、0.011 cm2·cm-3和0.004、0.014、0.007 cm2·cm-3。随着土壤深度的增加，土壤根表面积指数逐渐下降，连作5、10、20 a处理0～5 cm土层根表面积指数分别是20～40 cm土层的3.2～7.1、1.8～11.8倍和3.5～5.4倍。

2.4 不同连作年限对产量的影响

图5显示，棉花产量随着连作年限的增加呈现先增加后降低的趋势，连作10 a处理的产量(平均产量为5 633.90 kg·hm-2)显著高于连作20 a处理和连作5 a处理(P＜0.05)，较其平均值分别提高了14.96%和26.53%。

表3 不同连作年限对不同直径棉花根系的影响Table 3 Effects of continuous cropping years on cotton roots with different diameters

图4 不同连作年限对棉花根表面积指数的影响Fig.4 Effects of different continuous cropping years on root surface area index(RAI)of cotton

图5 不同连作年限对棉花产量的影响Fig.5 Effects of different continuous cropping years on cotton yield

2.5 皮棉产量和根系性状相关性分析

表4显示，棉花产量和根长密度、根表面积密度以及细根长呈极显著正相关，与中根长显著相关，与根干重和粗根长无显著相关性。由此表明，棉花根系，尤其是细根长对棉花产量贡献最大。

3 讨 论

长期连作会导致植棉土壤理化性质改变、养分严重失衡、自毒有害物质积累等土壤微环境的变化。这些变化会不同程度地限制根系生长并使之处于胁迫环境中［24］。根系作为植物重要的代谢器官，根系生长的好坏将直接影响作物的生长状况以及最终产量的形成。作物根系形态反映根系生长发育的基本状况，根干重、根长密度和根表面积作为根系形态的主要指标，是最常用的估计参数［25］。本研究发现，不同连作年限处理间棉花根系干重有显著性差异，随着连作年限的增加棉花根干重呈增加趋势，连作10 a和连作20 a地块较连作5 a地块根系干重平均增加了57.16%和50.80%，0～10 cm土层中连作10 a处理的根干重显著大于连作5 a处理;随着连作年限增加棉花根长密度和根系表面积指数表现为先增加后减少，连作10 a处理的根长密度和根表面积指数较连作5 a处理和连作20 a处理分别平均增加了 134.23%、48.67%和 130.93%、50.52%;棉花根系主要集中在0～10 cm土层，连作10 a处理在0～10 cm土层中的平均根长密度分别是连作20 a处理与连作5 a处理的2.10倍和1.27倍，平均根表面积指数分别是1.87倍和1.15倍。这些结果表明棉花根系形态对连作的响应存在一个年限阈值，这与张文明等［8］在马铃薯上报道相似(马铃薯连作阈值为2 a)，产生这一结果原因可能与棉花连作在土壤肥力特征［26-27］、土壤物理组成［28-29］、土壤物理特性［15，30］等方面存在年限阈值并间接影响根系形态有关。如玉苏甫·买买提等［16］的研究，连作棉花土壤肥力特征的年限阈值约为10～15 a，其有机质含量较连作5 a和连作20 a分别增加了4.04 g·kg-1和3.28 g·kg-1;土壤全氮含量较连作5 a和连作20 a分别增加了1.41 g·kg-1和0.044 g·kg-1;土壤速效磷含量较连作5 a和连作20 a分别增加了1.09 mg·kg-1和 8.31 mg·kg-1。买合皮热提·吾拉木等［29］的研究发现，连作10～15 a棉田表层土壤的粘粒和粉粒含量最高，沙粒含量最低。徐文修等［31］的研究发现，连作12 a的棉田土壤容重最低，其土壤容重值比连作5 a降低4.4%，较连作15 a土壤容重值降低了6.4%;万素梅等［30］的研究也发现，连作10 a的土壤容重较连作3 a和15 a的降低了0.022 g·cm-3和0.192 g·cm-3。另外，根系的调节受土壤供肥能力和土壤理化性质调控，据崔佩佩等［4］的研究发现，适宜的 N、P、K 配施能够显著提高根系的生物量、根长和根表面积;孙玉莲［32］和宋家祥［33］等的研究发现在 1.1～1.5 g·cm-3容重范围内，棉花根系总根长呈现先升高后降低的趋势，适宜的土壤容重有利于棉花根系生长，过高或过低的容重会阻碍根系的生长和分布［34］。

表4 棉花根系形态与产量的相关系数Table 4 Correlation of yield with cotton root morphological characteristics

不同直径范围根系的养分吸收能力存在着差异，普遍认为细根的养分吸收能力强于中根和粗根。本研究发现，连作10 a处理的细根长和中根长显著高于连作5 a处理和20 a处理。但各处理的细根长和中根长占总根长的比例无明显变化，连作10 a处理的粗根长占总根长比例显著低于连作5 a处理和连作20 a处理。这可能是由于连作导致了土壤肥力、土壤物理组成、土壤物理特性等环境的改变，作物为适应这些变化，通过调节根系构型(如根直径的大小和比例)来获取更多的养分和水分来满足植株的生长需求。据崔佩佩等［4］的研究发现，与只施用NP、NK肥的处理相比，NPK配施处理显著提高了高粱细根根长;王德玉等［35］的研究发现，机械压实土壤，增大土壤容重能够显著抑制黄瓜根系的伸长生长和侧根的发生，并且土壤紧实胁迫可促进根系的加粗生长，使黄瓜的根平均直径增大。本试验结合棉花根系分布(图3、图4)以及根直径大小和比例(表3)的结果发现，连作10 a地块的棉花根系形态较优。另外，通过对棉花根系形态参数与产量的相关分析进一步表明，良好的根系系统(如根长密度、根表面积指数、细根长等)是作物高产、高效的必要保障［36］。本研究发现，棉花产量与根系形态参数变化趋势一致，均在连作10 a达最大值。