种植密度对南疆匀播冬小麦根系时空分布的影响

张丽 张选 翟云龙 陈猛 梁雪齐 陈国栋 吴全忠

摘要 為明确匀播冬小麦根系对种植密度的响应，以多穗型冬小麦品种新冬22号为材料，设置了123万、156万、204万、278万、400万株/hm2共5个种植密度，研究了根长密度、根表面积、根系直径、根干质量密度时空分布。结果表明，新冬22号根长密度、根系表面积、根干质量密度均在抽穗期达到最大值，均呈先增加后降低的趋势，越冬期123万株/hm2处理的根长密度、根表面积和根干质量密度均大于其他处理。拔节期、抽穗期、成熟期根长密度、根表面积均由高到低依次为156万株/hm2处理、204万株/hm2处理、123万株/hm2处理、278万株/hm2处理、400万株/hm2处理。5种不同密度处理下0～60 cm土层根系分布最多，占总根长的95.13%～97.84%，说明匀播冬小麦根系主要分布在0～60 cm，随深度的增加根系急剧减少。越冬后，0～40 cm 土层的根系增长速率最为显著，拔节后 40～100 cm 土层根系显著增多。越冬期高密度条件下匀播冬小麦根量较大;拔节至抽穗期根系生长最旺盛，各处理由高到低依次为156万株/hm2处理、204万株/hm2处理、123万株/hm2处理、278万株/hm2处理、400万株/hm2处理，匀播条件下新冬22号根系集中分布在0～60 cm土层。

关键词 冬小麦;匀播;种植密度;根系

中图分类号 S 512.1+1;S 311  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）14-0039-04

Abstract To determine the response of roots of uniformly sowed winter wheat to the planting density in South Xinjiang area，multiple spike type winter wheat varieties of Xindong 22 were used as material，five planting density were designed，which were 123×104，156×104，204×104，278×104 and 400×104 plants/hm2.The root length，root surface area，root length density and root dry weight were investigated. Results showed that root length density，root surface area and root dry mass density of Xindong 22 reached the maximum value at heading period，showing the trend of firstly enhance and then reduce. At overwintering period，treatment of 123×104 plants/hm2 showed greater root length density，root surface area and root dry mass density than other treatments. Root length density and root surface area at jointing stage，heading period and mature period were in the order of 156×104 plants/hm2 treatment>204×104 plants/hm2 treatment>123×104 plants/hm2 treatment>278×104 plants/hm2 treatment>400×104 plants/hm2 treatment. Under 5 different density treatments，0-60 cm soil layer had the most root system distribution，accounting for 95.13%-97.84% of the total root length，showing that evenly sowing winter wheat root system was mainly distributed in 0-60 cm，the root system reduced sharply with the increase of soil layer. After wintering，increasing rate of root system at 0-40 cm soil layer was the most significant. After jointing，increasing rate of root system at 40-100 cm soil layer was the most significant. Root amount of uniformly sowed winter wheat was relatively great under highdensity condition at overwintering period. Root system grew the most vigorously from jointing stage to heading stage，showing the order of 156×104 plants/hm2 treatment>204×104 plants/hm2 treatment>123×104 plants/hm2 treatment>278×104 plants/hm2 treatment>400×104 plants/hm2 treatment. Under uniform sowing，root system of Xindong 22 was mainly distributed at 0-60 cm soil layer.

Key words Winter wheat;Uniform sowing;Planting density;Root system

基金项目 新疆生产建设兵团南疆重点产业支撑计划项目（2017DB010）。

作者简介 张丽（1985—），女，安徽界首人，硕士，从事作物高产理论与技术研究。*通信作者，副教授，博士，从事作物高产理论与技术研究。

收稿日期 2021-03-15

近年来随着其他经济作物的不断扩大，新疆小麦种植面积不断下降，且新疆维吾尔自治区和新疆生产建设兵团提出加强畜牧业发展的要求，造成南疆粮饲紧缺，产生粮食安全及畜牧业发展受限等问题，因此如何使小麦稳产、高产成为小麦的主要研究方向，而根系是小麦吸收水分和养分参与体内物质合成和转化过程的重要器官，其生长发育程度直接影响地上部生长状况及籽粒产量[1-6]。因此，探求小麦根系的形态特征及其在土壤中的生长分布动态对于优化根系构型以实现小麦产量潜力提高具有十分重要的现实意义。小麦匀播技术是一种有利于小麦生产节本增效的先进生产模式，但匀播技术是否适合新疆冬小麦的种植、不同品种类型冬小麦适合的匀播密度等方面研究较少。

目前冬小麦匀播技术的研究多集中在冬小麦地上部分和种植模式等方面[7-9]，对匀播小麦地下部分根系的研究还较少。植物根系结构分布及动态生长规律一直是根系研究领域的重要课题，近些年有关小麦根系的研究主要集中于不同品种类型[10-11]、耕作栽培措施[12-13]、水肥条件[14-16]、灌溉技术[17]及生长冗余[18]等方面。随着光学和微电子技术的不断成熟，借助于先进的图像分析技术，尤其是微根管技术，对细根的形态、分布、周转过程和生产力水平等进行合理评价成为可能，Waddington等[19]利用类似微根管技术观察了温室里盆栽小麦的根系生长情况。阎素红等[20]通过根钻取土，扫描仪扫描的方法对比分析了不同类型冬小麦的根系生长特性，指出不同类型冬小麦品种的根系生长特性存在明显差异;田中伟等[21]认为小麦品种类型与根系改良是高产高效栽培调控的重要目标。鉴于此，笔者以新疆广泛种植的多穗型冬小麦品种新冬22号为研究对象，研究了匀播不同种植密度下不同生育时期根系空间分布特征，分析了该品种密度效应及适宜密度范围，为确立并完善匀播冬小麦高产栽培模式提供理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况 试验于2019—2020年在塔里木大学农学试验站进行，试验点位于塔里木盆地西北边缘（40°33′N，81°16′E），海拔1 012.2 m，年平均气温11.4 ℃，年均降水量50.8 mm，年均蒸发量1 988.4 mm，年均相对湿度在55%以下，属典型暖温带内陆型气候，试验地土质为砂壤土。

1.2 试验材料与设计 该研究为田间试验，供试材料为多穗型冬小麦品种新冬22号，人工开沟定穴点播，均匀播种设置为5个密度，株、行距配置分别为M1处理（5 cm×5 cm）、M2处理（6 cm×6 cm）、M3处理（7 cm×7 cm）、M4处理（8 cm×8 cm）、M5处理（9 cm×9 cm），分别对应密度为400.0、277.8、204.1、156.3、123.5株/m2。2019年10月1日播种，2020年6月21日收获。分别在越冬期、拔节期、抽穗期、成熟期取样测定根长密度、根表面积、根干质量，每次每个处理以植株为中心取3个样点，每个样点分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm共5个土层深度，每个处理重复3次。

1.3 测试项目与方法

分别在冬小麦越冬期、拔节期、抽穗期、成熟期用根钻取样。根钻钻头直径为9 cm，长20 cm。按要求取出根系装入尼龙网袋后在水中浸泡30 min，然后再用自来水冲洗干净，用镊子去除杂质和杂根，之后将其按照不同土层平铺在根系扫描盘上，经根系扫描仪灰度模式扫描并以图形文件格式存储到计算机中，再用 WinRHIZO 根系分析系统软件进行分析，从而获得各处理不同阶段不同土层的根长、根平均直径，然后将根系分别装入信封，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，测定各层次根干重，即得根干质量。

1.4 数据处理 采用Excel 2003进行数据整理并制图。

2 结果与分析

2.1 不同处理冬小麦根长密度时空分布

不同生育时期冬小麦0～100 cm土层深度根长密度结果见图1。由图1可知，随着生育进程的推进，根长密度先增加后减小，抽穗期达最高峰。拔节期不同密度处理根长密度均呈缓慢增长趋势，各处理间无显著差异，M2、M4处理增长较快。拔节期到抽穗期根长密度增长显著，表现为M1处理>M3处理>M4处理>M5处理>M2处理，根长密度随密度变稀呈减小趋势。不同密度处理的根长密度都在抽穗期达到最大值，说明拔节期至抽穗期是根系生长最旺盛的时期。成熟期根長密度迅速减小，随密度变稀根长密度减小越快。

不同生育时期冬小麦不同土层单位体积总根长结果见图2。从图2可以看出，各生育时期根长密度随土层加深而逐渐减小，0～60 cm土层深度根长占总根长的96.59%。拔节期和抽穗期的根长分别占总根长的21.57%和51.9%。随着生育进程的推进，各层根长密度呈先增后减的趋势，在抽穗期达到最大值，成熟期根长密度开始迅速减小，说明成熟期根系生长速度减缓并衰亡。越冬期土壤各层中均表现为M1处理根长密度最大，而其他密度处理差别不大。拔节期0～40 cm土层深度根长密度M2、M4处理较大，20～40 cm土层深度M2处理根长密度最大，40～60 cm，M2、M4、M5处理根长密度较长。抽穗期在0～40 cm土层深度各处理的根长密度均达到最大值，M1处理增长速度最快、增值最大，20～40 cm 土层深度随种植密度变稀，根长密度变小，40～60 cm土层深度根长密度随种植密度变稀，呈先增后减。成熟期M1处理的根长密度最大，40～60 cm土层深度随种植密度变稀，根长密度先增后减，M2、M3处理根长密度较大。

2.2 不同处理冬小麦根表面积时空分布

不同生育时期冬小麦0～100 cm土层深度根表面积结果见图3。由图3可知，随着生育进程的推进，根表面积先增加后下降，抽穗期达最高峰。拔节期不同密度处理根长密度均呈缓慢增长状态，各处理间无显著差异。拔节期到抽穗期根表面积增长显著，表现为M1处理>M2处理=M3处理>M4处理>M5处理。根表面积随密度变稀呈减小趋势。不同密度处理的根表面积都在抽穗期达到最大值，说明拔节期至抽穗期是根系快速生长时期。成熟期根表面积迅速减小。

不同生育时期冬小麦根表面积垂直分布见图4。从图4可以看出，各生育时期根表面积随土层加深而递减，0～60 cm土层深度根表面积占总根系面积的95.21%。拔节期和抽穗期的根长分别占总根长的23.84%和49.35%。随着生育进程的推进，各层根表面积呈先增后减的趋势，在抽穗期达到最大值，成熟期根表面积开始迅速减小，说明成熟期根系生长减缓并衰亡。越冬期土壤各层中M1处理根表面积均为最大值。拔节期0～40 cm土层深度根表面积增大速度表现为随密度变稠而减小;40～60 cm土层深度根表面积随密度变稀而增加;60～100 cm土层深度，根表面积表现为随密度增加而先增后降，至M3处理最高。抽穗期在0～20 cm土层深度各密度的根表面积均达到最大值，0～40 cm土层深度中M1、M2处理根表面积最大，随种植密度变稀根表面积递减，40～60 cm土层深度M2处理根表面积较大。成熟期20～60 cm土层深度随种植密度变稀根表面积先减后增，60～80 cm土层深度M3处理根系生长较好。

2.3 不同处理冬小麦根系干质量密度时空分布

不同生育时期冬小麦根干质量密度垂直分布见图5。由图5可知，随着生育进程的推进，根干质量密度先增加后下降。越冬期M1处理根干质量密度最大;拔节期不同密度处理根干质量密度迅速增长，各处理间根干质量密度增长无显著差异;抽穗期根干质量密度依然处于高峰，表现为M1处理>M3处理>M2处理>M4处理>M5处理，差异不显著;不同密度处理的根干质量密度在拔节期、抽穗期达到最大值，说明拔节期至抽穗期是根系生长最旺盛的时期;成熟期根干质量密度除M3处理依然增加外，其他处理都迅速减小。

不同生育时期冬小麦根干质量垂直分布见图6。从图6可以看出，各生育时期根干质量密度除M3处理一直增加外，其他密度处理的根干质量密度都随土层加深而递减，0～60 cm土层深度根干质量密度占总根干质量密度的94.39%。拔节期和抽穗期的根干质量密度分别占总根干质量密度的34.31%和32.41%。随着生育进程推进，除M3处理一直增加外，各层根干质量密度呈先增后减的趋势，在抽穗期达到最大值，成熟期根干质量密度开始迅速减小。越冬期土壤各层中根干质量密度均随种植密度增加表现为先减后增;拔节期，0～40 cm土层深度根干质量密度增大速度表现为随密度变稠而减小，M5处理增长最快，20～40 cm、60～80 cm土层深度M3处理增长最快;抽穗期在0～40 cm土层深度各密度的根干质量密度均达到高峰，M1处理根干质量密度最大，20～40 cm土层根干质量密度随种植密度变稀表现为先增后减，M4处理根干质量密度达最大。成熟期M3处理根系依然在生长。

3 结论与讨论

根系分布影响营养、水分吸收，根系生长发育与作物产量有相关性[22]，该研究各密度处理根长密度、根表面积在拔节期和抽穗期均表现出种植密度越稠增加越多，成熟期表现出种植密度越稠减小越慢，而较缓的根系衰老有助于小麦粒质量增加[23]。新冬22号匀播越冬期高密度有利于根系生长，这与刘殿英[24]提出冬小麦生根量生育前期与密度呈正相关一致。一些研究认为，小麦根系多分布在0～60 cm，该试验结果新冬22号匀播干旱灌区根系生长集中分布在0～60 cm土层深度，这与之前研究结果一致，并与产量呈显著正相关。M2处理根系深层生长在不同生育期都优于其他处理，这与产量结果相符，说明小麦产量与深层根系关系密切[25]。

冬小麦根系随着土壤深度的增加，根长密度、根系表面积、根干质量密度减小;拔节期0～60 cm土层深度根长密度、根表面积增大速度表现为随密度变稠而减小，在整个土壤剖面上，随着种植密度增稠，根系各指标降低速度加快。随着冬小麦密度的变稠，根系根长密度、根表面积增加，且在抽穗时达最高值，这与其他研究人员的研究结果一致[25]，根长密度是单位土体中根的长度，是根系生长强弱的1个指标。卢振民等[ 23]指出，根长密度各生育期呈指数分布的相关性都很好。小麦根系表面积的大小表明根系活性高低。该试验结果表明，根系各项指标随小麦生育进程发展呈先升高后下降的变化趋势，并且除根干质量密度是在拔节期达到最大值外，其余指标均是拔节到抽穗期生长最快，各处理根系整体生长状态为M2处理>M3处理>M1处理>M4处理>M5处理，说明过密或者过稀的匀播密度都不利于新冬22号根系生长发育，该试验中最适宜的匀播密度为M2密度处理。

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