河套灌区玉米根系对残膜的响应及根系分布模型

胡 琦，李仙岳，史海滨，陈 宁，张月红，马红雨

河套灌区玉米根系对残膜的响应及根系分布模型

胡 琦，李仙岳※，史海滨，陈 宁，张月红，马红雨

（内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018）

为明确土壤中不同残膜量对根系生长和分布的影响，该研究于2019—2020年在河套灌区九庄农业综合节水试验站设置了5个农膜残留量水平，分别为CK（0 kg/hm2）、T1（150 kg/hm2）、T2（300 kg/hm2）、T3（450 kg/hm2）和T4（600 kg/hm2），研究不同残膜量对玉米根长密度、不同径级根系分配及根系分布等影响，并引入残膜量，建立了适用于农膜残留农田的根系分布模型。结果表明，根系在水平分布时，侧根区的根系受残膜影响显著（＜0.05），当残膜量为300 kg/hm2（T2）时根长密度出现突降现象，降幅为75.98%；垂直分布时，根系随残膜量增加呈明显下降趋势，特别是在0～30 cm土层，当残膜量达到450 kg/hm2时，根长密度降低50.02%。另外，残膜减小了玉米粗根比例（＞2 mm，为根系直径），降幅为29.25%；增加了细根比例（≤2 mm），为4.80%。构建考虑残膜量的相对根长密度（Residual Plastic Film-Normalized Root Length Density，RPF-NRLD）分布模型精度较高，其中决定系数（2）为0.961，均方根误差（RMSE）为0.282，平均相对误差（MRE）为18.87%。同时考虑不同径级根系的RPF-NRLD分布模型模拟显示，玉米极细根和细根的MRE分别为14.91%和14.96%，粗根的MRE为35.41%。基于RPF-NRLD分布模型进行情景分析显示当农田残膜量控制在0～100 kg/hm2范围内，根系能够维持正常生长，特别是极细根和细根，根长密度未出现大幅下降。该研究对于残膜污染区作物生长的数值模拟研究及残膜回收政策的制定具有科学意义。

玉米；灌溉；空间分布；农膜残留；根系；相对根长密度；根系分布模型

0 引 言

塑料地膜覆盖在干旱区具有明显的保墒、降蒸、增温、高产等效益[1-4]，已成为旱作节水农业的主要技术措施[5]。然而，塑料地膜是一种高分子材料，很难自然降 解[6]，长期使用形成碎片化的残膜在土壤中累积后会改变土壤物理结构[7]和土壤水力特征[8]，影响土壤保水能力，同时改变土壤水分运动规律，产生优势水流或水分阻滞效应[9]，从而影响作物对水分和养分的吸收，降低水肥利用效率。另外，以微塑料形式滞留在土壤中的地膜碎片会吸附重金属、有机污染物等[10]，释放有毒的邻苯二甲酸酯[11]，降低作物发芽率，抑制根系正常生长，对农业生产造成负面影响[12-13]。

残膜通过改变土壤结构和土壤孔隙度，影响作物根系在水平和垂直方向的分布，其中残膜显著降低了0～ 30 cm土层的作物根系[14-15]，特别是在苗期，残膜的阻碍作用更明显[16]。此外，随着残膜量的增加，作物根系生长指标也会发生变化，比如根长、根直径、根表面积、根体积和根系活力，均随残膜量的增加而下降[17]，当残膜量为900 kg/hm2时，根表面积密度降幅高达216.50%。另外残膜还会影响根系形态，使棉花根系形态呈现鸡爪型和丛生型等畸形结构，而正常根系形态为直根型[18]。尽管众多学者关于残膜对根系生长进行了大量研究，但是在残膜对根系分布以及不同径级根系分配的影响研究较少，因此通过研究残膜对不同径级根系分配的影响，明确残膜胁迫下作物水分吸收贡献率对不同径级的响应，对于完善残膜条件下根系吸水理论具有重要意义。

作物根系分布特征的定量化是构建根系吸水及运移模型、计算根系吸水量不可缺少的手段和环节，故研究残膜条件下的根系分布模型对确立农膜残留农田根区水分最优调控措施具有十分重要的指导意义。目前根系分布模型主要表现形式为相对根长密度的分布模型[19-20]。Wu等[21]首次提出相对根长密度的概念，并建立了小麦、玉米和大豆等作物相对根长密度分布与相对根深的函数关系，准确描述了不同作物的根系分布规律。邹海洋等[22]通过归一化方法，建立了不同水肥组合下的玉米相对根长密度分布模型。为了适时掌握残膜赋存农田根系分布情况，需要构建农膜残留条件下根系分布模型以及不同径级根系分布模型。因此，本文在内蒙古河套地区进行 2 a田间试验，主要研究不同残膜量对玉米根长密度二维分布及不同径级根系分配比例的影响，并基于归一化方法建立考虑残膜量的根系分布模型，对不同残膜量下的根系分布进行表征，确定能够维持根系正常生长的残膜量范围，以期为农田残膜污染防治和残膜污染区农业的可持续发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年和2020年5—9月在内蒙古河套灌区九庄农业综合节水试验站（40º41’N, 107º18’E）进行，该地区为中温带半干旱大陆性季风气候，多年平均降水量约为138 mm，年平均潜在蒸发量约为1 900 mm。其中2019和2020年试验区玉米生长季（5－9月）降雨量分别为64.9和151 mm（图1）。2 a试验在同一地块进行，试验区土壤剖面（0～100 cm）平均容重为1.42 g/cm3，土壤类型为粉砂壤土。2019和2020年播种前，0～100 cm土层的初始土壤平均体积含水量分别为0.32和 0.31 cm3/cm3，初始土壤平均盐分浓度分别为1.27和 1.32 g/kg，平均地下水位深度分别为2.28和1.48 cm。

图1 2019和2020年玉米生育期内降雨量、灌溉量和气温

1.2 试验材料与设计

供试作物为“钧凯918”春玉米，2019和2020年分别在5月5日和5月4日播种，在9月24日和9月25日收获，生育期分别为143和145 d。试验小区农艺措施、灌溉施肥措施均一致，均采用覆膜滴灌耕作，株距30 cm，行距40 cm，采取“一膜一管两行”的布设方式（图2），膜宽80 cm，厚度0.01 mm。2 a灌水定额均为22.5 mm，灌水时间见图1，播种前均无灌溉，基肥为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）、硫酸钾（K2O 50%），追肥为尿素硝酸铵溶液液体肥（N 32%）。参考当地推荐玉米滴灌施肥量300-200-150 kg/hm2（N-P2O5-K2O），基肥在播前撒施后翻耕入土，追肥采用液体肥，整个生育期共施肥4次，每次施肥量占总施肥量分别为20%（苗期）、30%（拔节期）、30%（抽雄期）、20%（灌浆期），不同生育期时间划分见表1。

图2 玉米种植模式和根系取样示意图

表1 2019和2020年玉米各生育期时间范围

在已有研究农田残膜量区间[7-9]的基础上，为了预测长期覆膜对作物根系的影响，根据残膜量与覆膜年限之间存在的线性关系=5.546+47.840（2=0.871）[23]，设置5个残膜量处理，分别为CK（0 kg/hm2）、T1 （150 kg/hm2，覆膜18 a左右）、T2（300 kg/hm2，覆膜45 a左右）、T3（450 kg/hm2，覆膜72 a左右）和T4 （600 kg/hm2，覆膜100 a左右），小区面积均为75 m2，每个处理设置3次重复，采用随机区组排列。通过对该区域的调查，覆膜滴灌区农膜残留主要在0～30 cm土层，为了处理的一致性，选用新的聚乙烯塑料地膜，膜厚为0.01 mm，将地膜分割为64 cm2（8 cm×8 cm）、25 cm2（5 cm×5 cm）和4 cm2（2 cm×2 cm）3种大小的正方形，并根据小区面积计算对应的残膜量，以7﹕2﹕1的比例进行混合，然后用电子秤（精度：0.01 g）称质量待用，在整地前先将碎膜均匀铺撒在小区表面，再利用动力驱动耙将碎膜与0～30 cm耕层土壤进行混匀，然后，通过人工检查将混合不均匀的地方进行充分混匀，并利用土壤紧实度仪（SC-900, Spectrum Chemical Manufacturing Corp., USA）测0～30 cm土壤的紧实度，保证与田间土壤性质基本一致。

1.3 样品采集与测定方法

分别在拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期采用根钻法取样（图2），采集不同水平和垂直位置根系样本，根钻内径为10 cm。每小区随机选取3株，切除地上部植株，植株基部作为中心取样点b，随后以植株基部为中心在植株左右各设置1个取样点（a和c），共3个位置，另外，本研究将根系在水平方向上分为主根区（–10，10）和侧根区（（–20，10），（10，20））两个区域（图3）。以10 cm为一层，分别取至无根系土层。将根系样本中的草根，残根等杂物清除，装入保鲜袋中保存，然后用水冲洗根系，采用根系扫描仪（Epson Perfection 4870 Photo, Seiko Epson Crop., Japan）在500万像素下扫描成黑白的JPG图像文件供后期分析使用。用WinRHIZO分析软件进行分析，获得根系总长度和极细根（≤ 0.5 mm）、细根（0.5 mm＜≤ 2 mm）、粗根（＞2 mm）3个不同径级的根系长度，通过公式（1）计算得到根长密度。

RLD=RL/（1）

式中RLD为根长密度，cm/cm3；RL为根系长度，cm；为根钻体积，本研究为785 cm3。

注：横坐标轴0 cm处为图2中的植株基部。CK，残膜量为0 kg·hm-2；T1，残膜量为150 kg·hm-2；T2，残膜量为300 kg·hm-2；T3，残膜量为450 kg·hm-2；T4，残膜量为600 kg·hm-2；下同。

1.4 根长密度分布模型

本研究中不同生育期根系生长深度不同，为了便于计算作物的根长密度分布，采用归一化方法[18]，将不同生育期的玉米根系扎根深度均转换为0～1范围内的标准化根深，并用相对根长密度表示根长密度，表达式为

Z=Z/Zmax（2）

式中Z为标准化根系深度，变化范围为0～1；Z为不同土层深度，cm；max为最大扎根深度，不同生育期最大扎根深度为根系取样过程中取至无根系土层时的土壤深度（拔节期为60 cm、抽雄期为70 cm、灌浆期和成熟期均为80 cm）；RLD（Z）表示在Z处的实测根长密度值，cm/cm3；NRLD（Z）为相对根长密度值。

本研究在前人研究[21,24]的基础上，采用二阶多项式，对不同残膜量下拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期的标准化根深和相对根长密度进行拟合，表达式为

NRLD(Z)=aZ2+bZ+（4）

式中、、为模型回归参数。

1.5 模型验证与评价

本文采用均方根误差（RMSE）、平均相对误差（MRE）和决定系数（2）对模型的模拟效果进行评价。

1.6 数据处理

利用Excel 2010进行数据整理，SPSS 20.0进行数据的统计和方差分析，并用Surfer 15.0进行网格化处理，制作等值线图。

2 结果与分析

2.1 不同残膜量对玉米根长密度二维分布的影响

2019和2020年生育期内灌溉量相同，但2020年玉米生育期内的降雨量（151 mm）远高于2019年降雨量（64.9 mm），这是由于2020年阶段性降雨次数增加，特别是在2020年7月和8月（图1b）。此时玉米处于灌浆期，因此，2020年不同残膜处理的根长密度大于2019年。玉米根系在灌浆期根系高度发达，故选取2019和2020年灌浆期根系的根长密度分布进行分析（图3），发现残膜造成玉米根系水平分布的密集范围缩小，且缩小程度随着残膜量的增加而增大，在主根区（–10，10），与CK处理相比，T1、T2、T3和T4残膜处理的根长密度2 a平均分别减小8.89%、27.78%、49.44%和55.35%；对于侧根区（（–20，10），（10，20）），T1、T2、T3和T4残膜处理的根长密度分别减小15.57%、75.98%、80.12%和85.25%。分析发现残膜对侧根区的根系生长影响显著（＜0.05），当残膜量达到300 kg/hm2（T2）时，根长密度出现突降现象，而随着土壤中残膜量继续增加，不再出现类似 T2处理的突降现象，而是呈现明显的阶梯式下降趋势，可见残膜量的增加对水平方向上根系生长的影响并不是绝对的线性关系。玉米根系垂直分布在0～30 cm土层受残膜影响大于30～80 cm土层（图3）。0～30 cm土层，T1、T2、T3和T4残膜处理的根长密度较CK处理2 a平均分别减小9.06%、28.28%、50.02%和55.90%；30～80 cm土层，T1、T2、T3和T4残膜处理较CK处理2 a平均分别减小7.89%、25.20%、46.31%和52.39%。可见，当残膜量从300 kg/hm2（T2）增加为450 kg/hm2（T3）时，根长密度的下降幅度明显增加，而残膜量继续增加到600 kg/hm2（T4），根长密度下降趋势则有所减缓。

2.2 残膜对不同径级根系分配比例的影响

为了明确残膜对不同径级根系的影响，本研究中将根系直径（）分成极细根（≤ 0.5 mm）、细根（0.5 mm＜≤2 mm）和粗根（＞2 mm）3类。并分别计算了拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期不同残膜量下不同根径的根长密度占总根径的比例变化。从图4中可以看出，在2019和2020年的不同生育期内，粗根比例随残膜量增加均呈现下降趋势，T1、T2、T3和T4处理的2 a粗根比例较CK处理平均下降29.25%，不同残膜量处理间差异显著（＜0.05）；总体上，直径小于2 mm的细根比例随残膜量增加而增大，残膜处理较CK处理平均增加4.80%，其中T3和T4处理分别增加7.24%和8.65%，出现显著差异（＜0.05）。极细根比例在不同生育期影响有所不同，拔节期和成熟期，残膜会减小极细根比例，残膜量越大，极细根比例降幅越大，T1、T2、T3和T4处理较CK处理分别平均下降3.74%、4.87%、7.47%和8.50%；抽雄期和灌浆期，残膜会略微增加极细根比例，且在残膜量达到450 kg/hm2（T3）时，极细根比例增幅最大，高出CK处理5.80%，而残膜量继续增加到600 kg/hm2（T4），极细根比例仅高出CK处理4.73%，说明残膜对极细根的正面效应并未表现为残膜量越大越明显。不同生育期残膜对极细根的影响不同是由于拔节期根系对残膜的穿透力和抗逆性较低，而成熟期残膜阻碍极细根对水分和养分的吸收，根系会出现早衰，从而降低了极细根比例；反观抽雄期和灌浆期，这两个生育期是根系生长较为发达的时期，此时根系对残膜负面效应的抗逆性增强，且在一定残膜量阈值区间会产生不同程度的适应性反应，故增加了极细根比例。

2.3 不同残膜量下的玉米相对根长密度分布模型

本研究中不同生育期根系生长深度不一致，通过归一化处理，得到标准化根系深度（Z）和相对根长密度（Normalized Root Length Density，NRLD）（表2），通过对4个生育期（拔节、抽雄、灌浆和成熟期）NRLD 平均值（MN）、标准差（SD）和变异系数（CV）3个指标各自的平均值分析发现，随着残膜量的增加，MN呈现下降趋势，而SD和CV 2个指标则随残膜量增加而增大。不同残膜量水平下，不同生育期MN均随着取样深度的增加呈现递减趋势。此外，各处理在根区下半部分（土层深度≥30 cm）的CV均较大，不同生育期位置有所不同，拔节期（Z≥0.67）、抽雄期（Z≥0.57）、灌浆期和成熟期（Z≥0.50），不同生育期不同处理的CV变化范围在0.22～2.08间。造成这种现象可能是由于随着取样深度的增加，根系以细根为主，且越靠近最大扎根深度，根系越少，取样精度有所降低，产生了较大误差。但由于玉米根系主要分布上部土层，同时本研究中残膜埋设土层为0～30 cm，所以可以适当忽略下层根系的变异性。总体上，垂直方向上NRLD的变化规律可以描述不同残膜量下根系分布特征。

采用式（4）对2019年不同残膜量玉米实测相对根长密度（NRLD）值进行回归拟合，得到不同残膜量处理各自的NRLD分布模型，然而通过表2可以发现当Z=1（最大扎根深度）时并不能保证NRLD为0，降低了模型精度，且不同残膜量处理各自拟合的二阶函数并不具有普遍性，基于这两点考虑，本文引入残膜量（C），将不同残膜量间的NRLD值建立指数函数关系，并以无残膜处理（CK）的二阶拟合函数为基准，增加归0项（1-Z），建立适用于不同残膜量条件下玉米主要生育期的相对根长密度（Residual Plastic Film-Normalized Root Length Density，RPF-NRLD）分布模型（表3）。从表3 可以看出，玉米总径级和不同径级相对根长密度分布模型的决定系数（2）均大于0.90，MRE在10.01%～38.05%之间，RMSE在0.224～0.347之间，拟合效果较好，能够准确描述农膜残留条件下玉米NRLD分布。

图4 不同残膜量下玉米不同径级根系分配比例

表2 2019年不同残膜量（RPF）下玉米相对取样深度（Zr）处实测相对根长密度（NRLD）

注：MN，SD，CV分别表示平均值，标准差和变异系数。下同。

Note: MN, SD and CV represent mean value, standard deviation, and coefficient of variation, respectively. The same below.

表3 不同径级根系RPF-NRLD分布模型的模拟及验证

2.4 RPF-NRLD分布模型估算根长密度分布

以2020年灌浆期为例，将0～600 kg/hm2的残膜量以50 kg/hm2为步长值选定13个残膜量（0、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550和600 kg/hm2），通过表2中RPF-NRLD分布模型估算玉米根系的根长密度分布（图5）。总体上，各残膜处理的总径级和不同径级根系在土壤剖面上的分布规律基本一致，均可以分为3个残膜胁迫区间，其中0～150 kg/hm2为轻度胁迫区间，50、100和150 kg/hm2处理的总径级根长密度较0 kg/hm2处理分别降低5.40%、10.14%和13.50%；200～400 kg/hm2为中度胁迫区间，降幅范围为23.16%～41.99%；450～600 kg/hm2为重度胁迫区间，降幅范围为50.06%～56.27%。可以发现，轻中度胁迫区间，根长密度均呈递减趋势，而在重度胁迫区间，虽然残膜仍会降低根长密度，但降幅缩减，说明当土壤中残膜达到一定量后，继续增加残膜对根长密度的影响将会逐渐降低。另外，残膜对粗根根长密度分布的胁迫程度大于极细根和细根的根长密度分布，在轻度胁迫区间内，与0 kg/hm2处理相比，50和100 kg/hm2处理的粗根根长密度分别减小5.95%和12.21%，极细根的根长密度分别减小3.31%和6.59%，细根的根长密度分别减小3.04%和6.06%。因此，运用RPF-NRLD分布模型能够描述不同残膜量条件下总径级根系和不同径级根系的根长密度分布，根据前文对不同径级分配比例的分析发现当残膜量为150 kg/hm2对细根和极细根比例的影响未达到显著水平（＞0.05），说明残膜量≤150 kg/hm2时不会显著降低细根和极细根比例，同时结合RPF-NRLD分布模型情景分析结果，当残膜量为100 kg/hm2时，细根和极细根的根长密度降幅保持在6%左右，细根和极细根是玉米的主要吸水根系，残膜对细根和极细根的胁迫程度较轻，保证了根系对水分的吸收。综合分析后得到能够维持根系正常生长的残膜量范围为0～100 kg/hm2。

图5 RPF-NRLD分布模型估算2020年灌浆期玉米根长密度分布

3 讨 论

3.1 不同残膜量处理根长密度二维分布的差异性

根系的生长发育会受到土壤水分、养分以及土壤环境等因素的影响[25]，土壤中存在的残膜会改变原本的土壤环境，阻滞水分入渗[9]，造成表层土壤盐分积聚[26]，同时残膜还会改变土壤水分分布[27]，影响根系对水肥的吸收和利用，从而减弱了玉米的光合作用，降低光合作用产物的积累[15]，导致产量下降[17-18]。另外，残膜柔韧性较强，易与作物根系发生缠绕，危害根系正常生长发 育[28]。前人研究发现，根长密度随残膜量的增加而减 小[29-30]，这与本研究结果一致，0～30 cm土层，T1、T2、T3和T4残膜处理灌浆期的根长密度较CK处理2 a平均分别减小9.06%、28.28%、50.02%和55.90%，值得注意的是在本研究中，当残膜量为450kg/hm2（T3）时，根长密度显著降低，这与李元桥等[31]研究发现苗期玉米根长在残膜量为360 kg/hm2时显著降低的结果有所不同，这是因为本研究中选取的是玉米的灌浆期，此时玉米根系的发达程度远高于苗期，对残膜胁迫产生了抵抗性，同时由于李元桥等[31]采用柱形花盆进行室内模拟试验，玉米根系的生长空间存在局限性，根系发达程度偏低，而本研究为田间试验，玉米根系为自然生长状态，这些因素的不同使得显著影响作物根系生长的残膜量临界值存在差异。另外，本研究对水平方向上根系分布的结果表明，残膜对侧根区的根系生长影响较大，当残膜量达到300 kg/hm2（T2）时，根长密度出现突降现象，而随着土壤中残膜量继续增加，则呈现明显的阶梯式下降趋势，由于玉米根系属于须根系，在侧根区的根系一般为细根，对残膜碎片的穿透力较弱，且对残膜的敏感程度较高，当残膜量阈值达到300 kg/hm2（T2）时，根系生长空间严重缩减，使根系无法正常生长，根长密度大幅减小。

3.2 残膜对不同径级根系分配的影响

玉米不同径级根系的作用有所不同[32]，直径小于2 mm的细根主要功能是吸收水分和养分[33]，而大于2 mm的粗根主要功能是固定植株。本研究选取极细根、细根和粗根3种典型根系直径，明确残膜对不同径级根系的影响，结果显示粗根比例随残膜量增加呈现下降趋势，这是由于粗根主要分布在耕层（0～30 cm），而残膜也主要分布在该土层范围，阻碍了粗根向下生长，缩减了根系分布范围，导致粗根在径级分配中的比例下降。王树凤等[34]通过研究盐胁迫下麻栎根系生长时也发现粗根长度会出现明显下降，说明残膜胁迫与盐胁迫对植株根系生长存在相似的响应机制。另外，残膜对细根的生长具有促进作用，总体上来说直径小于2 mm的细根比例随残膜量的增加而增大，T1、T2、T3和T4处理较CK处理分别增加1.04%、2.26%、7.24%和8.65%，这有利于补偿残膜胁迫下根系对水分和养分的吸收，使得根系在逆境环境产生协调机制[34]，维持作物正常生长。姬文琴等[35]通过研究燕麦不同径级根系对干旱胁迫的响应发现干旱胁迫下光合产物被更多地输送给根系，增加了细根的长度和数量，利于燕麦适应干旱胁迫，与本研究残膜胁迫条件下对细根的影响效应相似。由此可见，残膜胁迫下，玉米不同径级根系存在不同反馈机制，粗根比例的下降减弱了植株的抗倒伏能力，而细根比例的增加使得植株对残膜胁迫产生了适应性。

3.3 玉米NRLD分布模型的比较与应用

由于根系取样工作较为繁杂，建立根系分布模型便于了解不同作物以及不同限制条件下根系的分布[22,24,36]。Wu等[21]运用归一化方法，将多年的实测根长密度（RLD）转换为相对根长密度（NRLD），分别建立小麦、玉米、棉花和豆类的三阶多项式函数，且决定系数（2）均达0.94以上。Ning等[24]将幂、指数和多项式模型拟合到小麦、玉米、水稻和棉花的NRLD剖面分布，发现三阶多项式模型对所有四种作物具有最低的RMSE和最高的2，较之于二者建立的玉米根系模型，本文采用的是二阶多项式对不同残膜量的NRLD进行了拟合，并建立了考虑残膜量的玉米总径级和不同径级相对根长密度分布模型（RPF-NRLD），模型中参数、、反映玉米根系生长的拟合情况（表3），本研究所构建的参数偏小，其中总径级根系的拟合参数为3.239，低于贾彪等[36]拟合值（为4.514），主要原因是贾彪等研究不同施氮量下玉米根系，本研究为农膜残留条件下的根系分布，根系生长受阻，使得模型参数发生变化。但本研究模拟结果与实测值一致性非常高，如总径级根系的2达到0.961，高于贾彪等的拟合精度（2为0.898），这是由于本研究中根系样本最深取至80 cm，根系样本数的增加提高了模型精度。值得注意的是，粗根的NRLD分布符合指数函数关系，且因为粗根仅在表层土壤中存在，NRLD数据变幅较大，降低了拟合精度，2为0.901，RMSE为0.335，MRE为35.41%。另外，运用该模型成功估算了不同残膜量处理在土壤剖面的RLD分布，明确了当农田残膜量控制在0～100 kg/hm2范围内，不会明显影响根系生长。这与李元桥等[31]残膜量高于90 kg/hm2，玉米根系生长指标随残膜量的增加显著降低的研究结果基本一致，因此，应该采取适当的残膜回收措施，减小残膜污染对土壤环境和作物生长的影响。

4 结 论

1）残膜减小玉米根系水平分布的密集范围，且缩小程度随着残膜量的增加而增大。残膜对侧根区的根系生长影响较大，当残膜量达到300 kg/hm2（T2）时，根长密度出现突降现象，T1、T2、T3和T4处理的根长密度较CK处理分别减小了15.57%、75.98%、80.12%和85.25%。另外，垂直方向上的玉米根系在0～30 cm土层受残膜影响大于30～80 cm土层，且当残膜量达到 450 kg/hm2时，玉米根系明显受阻。

2）残膜胁迫会减小粗根比例（＞2 mm），增加玉米细根比例（≤2 mm），T1、T2、T3和T4处理的粗根比例较CK处理平均减小了29.25%，细根比例平均增加了4.80%。

3）考虑了残膜量构建的玉米RPF-NRLD分布模型，模拟值与实测值一致性非常高，其中2为0.961，RMSE为0.282，MRE为18.87%，能精确模拟不同残膜量下玉米根系分布。考虑不同残膜量和不同径级根系的RPF-NRLD分布模型，极细根、细根和粗根的MRE分别为14.91%、14.96%和35.41%，其中极细根和细根相对根长密度分布符合二次函数关系，粗根符合指数函数关系。

4）运用RPF-NRLD分布模型估算不同残膜量处理根长密度分布，当残膜量为100 kg/hm2时，总径级、极细根、细根和粗根的根长密度分别下降10.14%、6.59%、6.06%和12.21%，将农田残膜量控制在0～100 kg/hm2有利于维持根系的正常生长。当残膜量增加为200和 450 kg/hm2，根长密度显著下降，为23.16%和50.06%。

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Response of maize root to residual plastic film and root distribution model in Hetao Irrigation District of Inner Mongolia

Hu Qi, Li Xianyue※, Shi Haibin, Chen Ning, Zhang Yuehong, Ma Hongyu

(010018)

Plastic film residues have posed a great threat to crop root growth and distribution in soil. The accumulation of agricultural wastes in the soil can also hinder the water and fertilizer migration in the farmland. Therefore, it is of great significance to clarify the effects of different Residual Plastic Film (RPF) amounts in soil on root growth and distribution. In this study, five levels of agricultural film residues were set at the Jiuzhuang Agricultural Comprehensive Water-Saving Experimental Station in Hetao Irrigation District from 2019 to 2020, including the control group, CK (0 kg/hm2), T1 (150 kg/hm2, plastic film covering for about 18 years), T2 (300 kg/hm2, plastic film covering for about 45 years), T3 (450 kg/hm2, plastic film covering for about 72 years), and T4 (600 kg/hm2, plastic film covering for about 100 years). A systematic investigation was also made on the effects of various RPF amounts on the Root Length Density (RLD) and the distribution of diameter classes for the maize roots. The RPF amount was then introduced to establish a root distribution model suitable for the farmland with the agricultural film residues. The results showed that the RPF effectively reduced the dense range of maize roots in the horizontal distribution, where the degree of reduction increased with the increase of RPF. The distribution of roots in the horizontal direction was divided into the main and the lateral root zone. The effect of RPF on the root system in the lateral root zone was greater than that in the main root zone, indicating a significant indigenous level (＜0.05). Specifically, the RLD decreased sharply, when the RPF amount was 300 kg/hm2(T2), 75.98% lower than that in the 0 kg/hm2(CK) treatment. In the vertical distribution, the root system showed a significant downward trend with the increase of RPF. The maize root system was more affected by the RPF in the 0-30 cm soil layer than in the 30-80 cm soil layer. Furthermore, the RLD decreased by 50.02%, when the RPF reached 450 kg/hm2. In addition, the RPF treatment reduced the coarse root ratio of maize (＞2 mm), decreased by 29.25% on average. The proportion of fine roots (≤2 mm) increased, with an average increase of 4.80%. A relative root length density (RPF-NRLD, Residual Plastic Film-Normalized Root Length Density) distribution model considering the RPF content presented a higher accuracy, in which the determination coefficient (2) was 0.961, the Root Mean Square Error (RMSE) was 0.282, and the Mean Relative Error (MRE) was 18.87%, thereby to accurately simulate the distribution of maize roots under different residual film amounts. Meanwhile, the RPF-NRLD distribution model was also considered the different diameter classes of roots. Specifically, the simulated values for very fine roots and fine roots of maize were highly consistent with the measured values, where the MRE of 14.91% and 14.96%, respectively, and the MRE of very coarse roots of 35.41%. Correspondingly, the relative root length density distribution of very fine roots (≤0.5 mm) and fine roots (0.5 mm＜≤2 mm) followed the quadratic function, whereas, the coarse roots followed the exponential function. A field experiment was also conducted to verify the RPF-NRLD distribution model. It was found that the root system maintained normal growth, especially the very fine root and fine root, when the amount of RPF in the farmland was controlled in the range of 0-100 kg/hm2. This finding can offer a scientific significance for the numerical simulation of crop growth and decision-making in the RPF-contaminated areas.

maize; irrigation; spatial distribution; residual plastic film; roots;normalized root length density; root distribution model

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.017

S15；S275

A

1002-6819(2021)-21-0143-10

胡琦，李仙岳，史海滨，等. 河套灌区玉米根系对残膜的响应及根系分布模型[J]. 农业工程学报，2021，37(21)：143-152.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.017 http://www.tcsae.org

Hu Qi, Li Xianyue, Shi Haibin, et al. Response of maize root to residual plastic film and root distribution model in Hetao Irrigation District of Inner Mongolia[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 143-152. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.017 http://www.tcsae.org

2021-07-23

2021-10-20

国家自然科学基金（51669020，51469022，51539005）；内蒙古自然科学基金（2016JQ06）

胡琦，博士生，研究方向为农业生态环境效应。Email：593802524@qq.com

李仙岳，教授，博士生导师，研究方向为农业生态环境效应研究。Email：lixianyue80@126.com