不同灌溉方式对棉花根系分布的影响研究

盛统民， 张胜江，苟欢欢

(1.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049；2.新疆农业节水工程技术研究中心，乌鲁木齐 830049；3.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

根系是作物吸收水分和养分最活跃的地下营养器官，不仅为植株的生长提供能量，也是植株氨基酸、激素等微量化合物合成与转化的场所，对于作物的生长发育和果实的形成起到十分关键的作用[1]。1727年首位德国学者Hales采用易于操作的挖掘法对根系系统进行研究，分析不同作物根系在土壤中的空间分布特征。此后作物根系的研究逐渐拉开了序幕，但由于根系生长在地下，远不如地上植株利于观测，因此给研究者带来了一定的困扰，同时对它的了解还远远落后于地上植株的研究[2]。自1980年开始，随着人们对根系理论认识的不断加强，研究方法及手段的不断改进，作物根系研究取得了突破性进展[3]。棉花根系的生长受品种[4]、土壤条件、肥水条件[5]、灌水方式、管理技术措施[6]等因素影响很大，不同生长条件下，棉花根系在土壤中的分布特征也有一定程度的差别。如何采用适宜的灌水方式来控制根系生长，提高水肥利用效率以到达节水增产之目的值得研究。近几年众多学者对多种作物不同灌水方式的根系分布情况进行了研究，膜下滴灌技术根系主要分布浅层土壤，这不仅影响了作物的水分、养分的利用效率，还影响作物生长发育及产量的提高。孙浩等研究滴灌条件下土壤湿润区与作物根系分布之间的关系，小滴头流量下棉花根系结构紧凑，分布特征呈现窄而深，而大滴头流量的棉花根系呈宽浅式分布，根系结构稀疏[7]。方仪向、李明思等[8-10]对膜下滴灌条件下棉花根系分布特征的研究结果表明，由于滴灌灌水深度浅，棉花根系较常规沟灌根系分布浅，且根系生物量的分布表现为指数关系，棉花细根生物量、根长、根表面积垂向分布呈“单峰型”曲线变化规律。仵峰等研究国内外地下滴灌应用现状，地下滴灌优点较多，可减少地表的灌溉水无效蒸发，方便田间管理，有利于根系对水分的吸收利用[11]。孔繁明等研究地下滴灌棉花总干物质量与膜下滴灌相比差异不显著，而地下滴灌促进了根系的下扎深度，根系干重也略高于膜下滴灌，根冠比明显提高[12]。海兴岩等研究滴灌和漫灌对棉花细根动态变化的影响，在滴灌条件下，滴灌细根周长与漫灌相比较高，且棉花根系的生命活动旺盛指数更高[13]。本文采用逐日地下滴灌对棉花根系空间分布特征的影响研究，鲜有报道。为此采用根系剖面挖掘法，以逐日地下滴灌为重点研究不同灌溉方式对棉花根系空间分布特征的影响，以期为塔里木盆地东北缘棉区，建立科学合理的灌溉制度及节水农业发展提供理论依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 试验地点及试验材料

试验地点于塔里木盆地东北缘区新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理处下属灌溉试验站内。地处库尔勒市西尼尔镇，地理坐标为北纬41°35′～41°37′，东经86°09′～86°12′之间。地表高程在895～903 m之间。区域内光热资源丰富，降雨少，昼夜温差大，多年平均降水量53.3～62.7 mm之间，多年平均蒸发量2 273～2 788 mm之间，蒸降比达43.6，≥10 ℃年积温4 427 ℃，无霜期210 d，属暖温带大陆荒漠性气候。试验区土壤质地为粉沙壤土，土壤肥力较低，地下水埋深在6～8 m之间。

供试棉花品种为“新陆中55号”，采用有底测坑，底部设有排水设施，面积为2 m×3.3 m，测坑土壤为沙壤土，土壤体积质量1.45 g/cm3，田间持水率(体积含水率)26.98%，孔隙度41.66%。实验开始前对测坑进行浅耕，并将残留地膜及棉花根系捡出，防止对实验结果产生误差。

1.2 试验设计

2017年4月15日测坑施底肥尿素75 kg/hm2、复合肥600 kg/hm2、二胺750 kg/hm2、硫酸钾75 kg/hm2、尿素75 kg/hm2，浅耕后进行春灌。棉花种植模式为：1膜2管4行，覆膜宽度1.2 m，行距：20 cm+45 cm+20 cm(见图1)；膜间距60 cm，株距10 cm。灌水方式设以下5个处理(见表1)，痕量灌溉(Ⅰ)、逐日地下滴灌(Ⅱ)、膜下滴灌(Ⅲ)、常规地下滴灌(Ⅳ)和地面灌(Ⅴ)，所有处理均为覆膜种植模式。每处理设置为3个重复，滴灌带为坎儿井薄壁内镶贴片式，壁厚0.2 mm，设计滴头流量2.2 L/h(痕量灌为0.6 L/h)，滴头间距30 cm，沿测坑纵向距棉花行10 cm铺设，其中痕量灌溉、逐日地下滴灌和常规地下滴灌采用地下滴灌方式，滴灌带埋设深度均为25 cm，每日灌水处理，灌水定额根据生育阶段的不同进行设定，其中处理Ⅰ～Ⅳ灌溉定额为390 mm，处理Ⅴ对照处理灌溉定额为465 mm，其中处理Ⅴ灌水量参考当地普遍灌水量而定。灌水水源均为地下水，平均矿化度为2.21 g/L，生育期内追肥7次，共计追肥量825 kg/hm2(尿素675 kg/hm2+磷酸二氢钾150 kg/hm2),试验具体详细计划如表2～表4所示。

表1 试验处理设置表

表2 灌水计划设置表(处理Ⅰ、Ⅱ)

表3 灌水计划设置表(处理Ⅲ、Ⅳ)

表4 灌水计划设置表(处理Ⅴ)

图1 棉花种植模式

1.3 根系取样位置及方法

取样位置及方法：

(1)取样位置的确定。各处理棉花根系的取样位置为棉花的窄行，认为膜内棉花根系生长对称，所以选择各处理有代表性的2株棉花(内外各1株)，最好为生育期定株观测植株棉花。

(2)取样方法及分析。采用切片法取样，取样位置见图1，横向宽度为70 cm，纵向深度50 cm，取样单元为立方体(长×宽×高)：10 cm×10 cm*×10 cm，即：每10 cm为一层，纵向深度为5个立方体，横向宽度为7个立方体，每个处理取样共35个立方体，每种灌水技术取3个重复，为减少误差每个处理为3个重复的平均值。每层被挖出的立方体土块均依次编号分样装袋收集，将立方体过100目筛网，用自来水冲洗干净将棉花根系挑出，然后将根系置于75℃烘箱烘干至恒重，分别称重，即可得到每个处理的根系干物质量。

1.4 数据处理

基础数据及作图采用Excel及suffer软件完成，采用SPSS20.0对试验数据进行统计分析。

2 结果分析

2.1 不同灌水方式对棉花根系干物质量的影响

由图2可知，不同灌水方式对棉花根系干物质量有明显差异的影响。土层0～50 cm范围内根系总干物质量大小顺序为处理Ⅴ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ，且处理Ⅴ根系干重显著高于其他处理，处理Ⅱ显著高于处理Ⅰ、Ⅲ和处理Ⅳ，处理Ⅰ和处理Ⅲ高于处理Ⅳ，但两者之间差异不显著。处理Ⅴ地面灌溉根系干重是处理Ⅰ～Ⅳ的1.25～2.60倍，说明根系干重随着灌水定额的增加而增加。逐日地下滴灌处理Ⅱ根系干物质量积累显著优于逐日痕量灌溉及常规灌溉的处理Ⅲ和Ⅳ，分析每日灌溉的灌水方式处理Ⅰ和Ⅱ棉花根重，说明大滴头流量有助于根系生长。对比分析逐日地下滴灌处理与膜下滴灌处理和常规地下滴灌处理棉花根系干重，随着灌水方式的不同棉花根系干重逐渐递减，逐日地下滴灌处理根系干重较膜下滴灌及地下滴灌分别增长了48%和113.6%。

图2 不同灌水方式棉花根系干物质量累计

2.2 不同灌水方式棉花根系垂直方向变化特征

从根系垂向分布表5及表6可以看出，棉花总根系垂向分布范围在0～50 cm内，不同处理根系在垂直方向分布呈显著差异，根重随着土层深度的增加而逐渐减小，而d<2 mm根系各处理在土层0～50 cm内与总根系垂向分布不同，各处理总体均呈现先增大后减小的变化趋势，在20～30 cm土层范围内达到最大值。在0～20 cm土层内，膜下滴灌总根系垂向分布占比最大且稍高于其他处理，占总根量的比重76.91%，其他处理比重大小依次为：地面灌、逐日地下滴灌、痕量灌和常规地下滴灌处理，分别占总根重的76.40%、75.71%、74.36%和73.80%，d<2 mm该土层内根系分布占比与总根系稍有不同，各处理间差异不显著，痕量灌垂向最大且稍高于其他处理，说明相同灌水量不同灌水方式对棉花根系浅层分布影响不大，痕量灌及逐日地下灌溉技术有助于增加浅层毛根垂向分布占比。20～40 cm土层总根系及d<2 mm根系质量分布占比均表现为逐日地下滴灌最高，占比分别为22.10%及47.95%，其他处理及d<2 mm根系分布占比稍有不同，总根系质量比重依次为痕量灌、常规地下滴灌、地面灌和膜下滴灌处理，d<2 mm根系质量比重依次为膜下滴灌、常规地下滴灌、痕量灌及地面灌，占比范围为40.71～45.75%，说明滴头流量越大水分入渗深度越深，有助于该根系层毛根的生长。在40～50 cm土层内，常规地下滴灌根系质量百分比最大，占根系总重量的6.40%，其他依次为地面灌、膜下滴灌、痕量灌和逐日地下滴灌处理，每日灌水的痕量灌和逐日地下滴灌处理受灌水方式的影响主要分布于表层，深层根系重量占比较低，说明每日灌水会导致根系分布变浅。

表5 不同灌水方式下棉花总根系质量垂直分布

表6 不同灌水方式下棉花根系质量垂直分布(<2 mm根系)

2.3 不同灌水方式棉花根系水平方向变化特征

由表7及表8可知，膜下滴灌棉田土壤水分呈明显的带状化分布，因此不同灌水方式棉花根系在水平方向0～70 cm以内呈显著的向水性分布。不同灌水技术总根系集中分布在膜下窄行和膜间区域内，其中逐日滴灌技术棉花根系水平分布与其他处理相比较为均匀，膜下宽行、膜下窄行和膜间根重百分比，分别为32.95%、30.87%和39.12%，其他处理膜下窄行和膜间根重占比较高。膜下滴灌及常规地下滴灌处理膜间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间，小于2 mm棉花根系水平方向分布与总根系分布基本一致。棉花根系水平分布在0～20 cm膜下宽行范围内，逐日滴灌处理水平方向根系质量百分比最大，占总根重的32.95%，其他依次为膜下滴灌、常规地下滴灌、痕量灌和地面灌处理，根重占比分别为：28.27%、8.46%、5.50%和4.01%。在20～40 cm膜下窄行范围内，地面灌及痕量灌处理根重占比较大，分别为69.59%、61.85%，其他处理根重占比依次为常规地下滴灌、逐日地下滴灌和膜下滴灌处理，分别为45.65%、30.87%和21.77%。在40～70 cm膜间范围内，常规地下滴灌根重占比最大，占总根质量的45.90%，其他依次为膜下滴灌、逐日地下滴灌、痕量灌和地面灌处理，分别占根重质量百分比的44.22%、39.12%、32.63%和24.39%，说明不同灌水方式影响棉花根系水平分布，膜下滴灌及常规地下滴灌处理单次灌水量越大，膜间根系分布越多。

表7 不同灌水方式下棉花总根系质量水平分布

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月中下旬为例，棉花吐絮期不同灌水方式下灌前土壤剖面含水率测定结果(图3)可知，土层深度0～10 cm范围内不同灌水方式下土壤含水率稍有差别，由于膜下滴灌滴灌带铺设于地表，表层土壤含水率稍高于其他处理，各处理10～20 cm土层土壤含水率均高于0～10 cm，说明灌溉水分受重力作用，逐渐向深层土壤运移，同时结合表1该土层棉花垂向分布占比最高，水分消耗量较大，导致土壤含水率低于30～40 cm土层。痕量灌及逐日地下滴灌条件下，土壤含水率在30～60 cm土层范围内，由于受每日灌水的影响土壤含水率变化不大；膜下滴灌及常规地下滴灌条件下，土壤含水率在30～60 cm土层范围内变化相对较大，呈现先增加后减小变化趋势；对照处理地面灌条件下，在30～40 cm土层范围内，土壤含水率受重力的影响逐渐增加，在40～60 cm土层范围内，土壤含水率基本不变，说明灌水量对60 cm土层影响不大；在60～100 cm土层范围内，处理Ⅰ～Ⅲ土壤含水率基本保持一致，说明水分为达到该土层范围内，而处理Ⅳ在土层深度60～100 cm土壤含水率逐渐增加，说明水量有继续下渗的趋势，而根系深度未达到该土层范围内。

图3 不同灌水方式土壤剖面灌前含水率

3 讨 论

根系是植物直接与土壤接触最为紧密的营养器官，也是植物吸收水分和养分的重要组成部分，对于地上植株的生长发育及生物量的积累起着至关重要的作用。作物根系的特征受到众多物理、化学、灌水量和灌水方式等外界因素的影响[13]。不同程度灌溉不仅导致棉花根系在根重、根长、根表面积及根冠比等参数的差异，更重要的是还影响根系在土壤空间分布特征。胡晓棠等认为采用田间持水率75%作为下限进行灌溉，棉花根系所占总根重在0～30 cm土层范围内比例最高，根系集中分布于土壤浅层区，窄行根重占比较大[14]。不同滴灌量处理下棉花根系生物量沿垂直方向随土壤深度的增加呈逐渐减小的趋势，且棉花根系生物量与土层深度成负指数关系[8, 15]。不同灌溉方式下棉花根系空间分布呈现多重变化，膜下滴灌根系随滴头流量不同而不同，滴头流量较小根系呈窄而深且根系结构紧凑，滴头流量大根系呈宽浅式分布且根系结构疏松[16]。姜益娟研究得出不同灌溉方式想根系干重、主根重、侧根重均为常规沟灌最大，膜下滴灌次之，膜下渗灌最小[17,18]。本试验中，根系干重大小顺序为地面灌>逐日地下滴灌>痕量灌>膜下滴灌>常规地下滴灌，此结论与姜益娟所的结论相一致。相关研究显示，通过增加土壤湿度深层灌溉，可以诱导玉米[19]、小麦[20]等作物根系向土壤深层下扎。本研究结果表明，地面灌处理棉花根系在50～60 cm相比其他处理根系干重相对较重，说明灌水量较大，有助于棉花根系向土壤纵深进行下扎。柴付军[21]等研究表明，滴灌会导致棉花浅层根系垂向上移；水平方向滴头附近浅层根系聚积较多，且呈现不对称分布。本试验结果表明，不同灌溉方式条件下，棉花根系在水平方向呈不对称分布，在垂直方向上随着土层深度的增加根系干物质量逐渐减小，此结果与柴付军所得结论基本一致。

4 结 论

(1)不同灌水方式对棉花根系干物质量有明显差异的影响。逐日地下滴灌处理根系干重显著高于痕量灌及常规地下滴灌。逐日地下滴灌处理与膜下滴灌及常规地下滴灌根系干重相比，分别增加了48%和113.6%。

(2)不同灌溉方式条件下棉花根系垂向分布范围在0～50 cm范围内，属于浅根性作物，不同土层垂向分布呈显著性差异。各处理根系在0～20 cm范围内占比较高，占总根重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随着土层深度的增加逐渐减小。此结果符合作物根系垂向分布规律，且与前人研究的结论相一致[15,18]。每日灌溉的痕量灌和逐日地下滴灌处理根系主要分布与表层，深层根系占比较小，说明每日灌水处理会导致根系变浅。

(3)不同灌水方式条件下棉花根系在水平方向0～70 cm范围内呈显著的向水性分布，逐日地下滴灌处理水平分布较为均匀，其他各处理膜下宽行、膜下窄行及膜间根重占比均不等，在水平方向呈不对称分布，根系水平方向集中分布于窄行与膜间土壤，窄行相对于膜间根重占比相对更大，体现了根系向水性生长的特性。

(4)不同灌水技术条件下土层0～10 cm范围内膜下滴灌含水率稍高于其他处理，10～20 cm范围内由于根系分布较多，土壤含水率相对低于30～40 cm土层，土层30～60 cm范围内不同灌水方式对于土壤含水率影响变幅较大，膜下滴灌及常规地下滴灌处理土壤含水率变化相对于逐日滴灌技术处理波动较大，60～100 cm土层由于几乎不存在根系，加之深层土壤蒸发损失小，土壤含水率基本一致，说明灌溉水未发生深层渗漏，从而提高了灌溉水有效利用率。