南疆地区枣棉间作复合群体根系时空分布特征

李田甜， 孙 雪， 樊文霞， 王沛娟， 王 霜， 李燕芳， 万素梅， 陈国栋

(塔里木大学农学院，新疆阿拉尔 843300)

近年来，日益严重的人口问题和经济发展间的矛盾，引发了人们的忧虑，开始对以前在资源与环境方面采取的策略进行反省，为了在更广阔的范围内研究并实现可持续发展的道路。间作、套作、林粮结合、果农结合等复合农业经营系统正是在这种社会条件下发展起来的。农林间作复合系统是典型的传统的土地利用方式之一，正是因为农林间作复合系统可以最大程度地发挥农林业的生态效益和经济效益，提高有限资源的利用率和土壤利用率，现已被广泛应用。我国塔里木盆地支柱型农业经济产业最早的是棉花和红枣产业，该农业产业如何在枣棉复合系统中，保证棉花有稳定产量的同时减弱枣树对棉花的负效应是南疆农业经济发展的重要课题。枣棉间作成为了南疆绿洲地区近几年兴起的新型种植模式。

农林复合系统中的各个组分对资源的竞争有地上部分竞争以及地下部分竞争，其地下部分的竞争尤为激烈，各组分作物对水、肥、光、热等的竞争在每个部分都存在。地下部的争夺是对水肥资源的争夺，而地上部的争夺则是对光热资源的争夺。在生态系统中，植物地上部分各组分之间的相互作用不容忽视，但物种之间关系的本质主要体现为地下根系对养分和水分的争夺。在判断系统是否稳定时，地下部分的作用强度明显比地上部分强。根系是间作系统中对水分和养分等资源吸收、运输、储存和利用的主要器官，也是植物地下部各组分吸收和代谢的十分重要的器官。土壤中养分可以通过树木的根系被树木吸收和利用。然而，由于树木对土壤养分和水分利用的影响，根系的形态特征、空间分布和活力都会影响地上部分的产量。根系是作物从地下部获取资源的主要器官，对在间作系统中的养分及水分的吸收利用有很大的影响作用，特别是在以灌溉农业为主的南疆干旱地区，研究解决复合群体中对水分和养分资源的互补与竞争关系是农林间作系统能否实现高效可持续发展的关键。王婷等通过对干旱地区枣棉复合系统中的根系时空分布特征进行研究，发现间作枣树与棉花的根系分布，在空间上既有错位又有重叠。许华森等研究了核桃与大豆间作细根地下竞争状况和分布状况，为晋西黄土区果农间作科学种植提供了重要的理论基础和依据。

农作物与林木对土壤中水分、养分的吸收利用与竞争主要是通过其根系完成的。因此，本研究以南疆枣棉间作系统作为研究对象，分析各组分作物的地上部分生长特征，并从地下部分根系形态结构与竞争作用着手，探明枣棉间作系统中各组分的相互作用与竞争互补机制，旨在为南疆枣棉间作复合系统土地高效利用方式、种间作用调节、株行距配置和田间管理措施的改进等提供依据，同时丰富农林复合系统中对根系的研究内容。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验于塔里木大学园艺试验站(40°32′20″N，81°17′57″E)进行。试验地属暖温带大陆干旱荒漠气候区，光照时间长，日照时数为2 900 h/年，降水少，年均气温为10.8 ℃，≥10 ℃积温为4 113 ℃，无霜期220 d，年降水量40.2～82.8 mm，年均蒸发量 1 977.6～2 568.9 mm，土壤为沙壤土，该地区是典型的灌溉农业区。

试验地枣树为2012年种植的酸枣，于2014年嫁接头年灰枣，株行距为1.5 m×3.0 m，棉花品种选用新陆中36号。目前枣棉间作是塔里木盆地农作物种植的重要模式之一，相比其他种植模式枣棉间作经济效益较好。

1.2 试验设计

试验于2019年进行，共设3个处理：单作枣树、单作棉花、枣棉间作。间作处理下，距离枣树1.0 m处宽窄行内种植4行棉花，株行距为12.5 cm×40.0 cm，间作中各处理分别选择5株长势较为均匀的枣树作为标准树，以选择的标准树为取样中心，与树行垂直，在距离标准树0.1 m处选取第1个点，每个点间隔0.1 m，依次取到第5个点。在垂直于标准树的样方南北方向各取1个点，共7个点，用直径为0.09 m、长0.1 m的根钻在每个点分层(10 cm)取样至 1.0 m。于4月13日播种棉花，采用地膜覆盖和滴灌，试验中其他管理措施与大田管理一致。

1.3 测定方法

在棉花、枣树、枣棉处理中分别设置取样点，在各个取样点采用根钻法取样，将取出的土倒入 0.2 mm 筛子中，浸泡在水中约1 h左右，后用水清洗根系，取出植物根系置于密封袋中，放入-20 ℃冰柜内保存。根系扫描时将枣树和棉花的根先在常温下缓慢解冻，使用去离子水冲洗根系后再进行扫描。使用WinRHIZO根系分析系统进行扫描分析根系。将清洗干净的根系置于105 ℃杀青30 min，在80 ℃条件下烘干，分别称取根的干质量。

取样时期为10月12日，此时枣树生育时期为果实成熟期，棉花为吐絮期。

1.4 计算指标

1.4.1 根长密度、根质量密度 根长密度与根质量密度是地下部生长发育的最直接指示，是反映生长状况的重要指标。计算公式如下：

=/；

(1)

=/。

(2)

式中：为根长密度(cm/cm)；为根长(cm)；为根质量密度(g/m)；为根干质量；为土壤体积(cm)。

1.4.2 竞争能力指数 根据Levins提出的生态位重叠公式，计算棉花与枣的竞争力指数，公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：为物种对物种的竞争指数；为物种对于物种的竞争指数；为物种的生态位宽度指数；为物种的生态位宽度指数；为资源位数量；和分别是物种和物种的第个资源位置的利用率与资源位置总利用率的比值。和的阈值为[1，1]，和的阈值为[0，1]。

1.5 数据分析

使用Excel 2016对试验数据进行整理，利用SPSS 22.0进行方差分析，采用法进行显著性测验。

2 结果与分析

2.1 枣棉间作复合群体根系的空间分布特征

枣棉复合系统中，枣树、棉花的根长密度垂直、水平分布情况如图1所示。在水平方向上(图1-A)，距离枣树不同距离的土层，棉花的根长密度是 0.025～0.047 cm/cm，枣树的根长密度是0.033～0.045 cm/cm。枣树根长密度的水平分布，在0.1～1.0 m处均有分布，分别占总根长密度的25%、21%、25%、29%，分布较均匀。水平方向枣树根长密度无显著差异。棉花根系均分布在各个土层，且随离树间距的增大而增大，在0.1～0.3 m处最小，占到总根长密度的19%，在0.7～1.0 m处最大，占到总根长密度的35%，且较枣树根长密度大。水平方向上棉花根长密度存在较大的差异。

由图1-B可知，在垂直方向上，枣树的根长密度主要分布在距地表0～0.3 m土层范围内，占枣树总根长密度的43%，0.2～0.3 m土层内根量最大，分别占17%、15%，0.4～0.6 m根量相差不多，分布相对比较均匀，0.7～1.0 m波动较大，但总体看来根长密度呈降低趋势；在0～0.4 m土层范围内是棉花根长密度的主要分布土层，占总根长密度的68%，随着深度的增加棉花根长密度呈减小趋势。

2.2 枣棉间作复合群体地下部种间竞争关系

在整个试验区内，间作棉花与枣树间，棉花的竞争能力都大于枣树的竞争能力。从图2-A可以发现，在水平方向上，随距离枣树的间距增大，枣树-棉花的竞争能力指数与棉花-枣树的竞争能力指数均增大，枣树-棉花与棉花-枣树的竞争能力指数均存在显著差异。在距枣树0.1～0.7 m范围内，棉花-枣树的竞争能力指数均大于枣树-棉花的竞争能力指数，但差距较小；在0.7～1.0 m处，枣树-棉花与棉花-枣树的资源竞争能力指数均达到最大值，并且枣树-棉花的资源竞争能力指数大于棉花-枣树的竞争能力指数。棉花、枣树对该试验区土层的资源利用程度几乎相同，两者的竞争作用一直存在，但没有占优势的物种。由图2-B可以看出，在垂直方向上，枣树-棉花的资源竞争能力指数与棉花-枣树的资源竞争能力指数均存在显著性差异。枣树-棉花的竞争能力指数随着土层深度的增加呈现出逐渐增大的趋势，而棉花-枣树的竞争能力指数则呈现先增加后减小的变化趋势。在0～0.3 m土层范围内，竞争能力指数均呈上升趋势，且棉花-枣树的竞争作用较枣树-棉花有明显的优势；但在0.4～0.6 m土层内，枣树-棉花与棉花-枣树的竞争能力指数均无明显的变化。

2.3 枣棉复合群体根系质量密度分布特征

对枣棉间作系统中根系质量密度水平分布特征的分析可知，枣树根系质量密度间无显著性差异，枣树根系质量密度表现出离树间距越近根系质量密度越高的趋势(图3-A)。枣棉间作系统中，枣树根质量密度最高出现在0.3～0.5 m处，为 1 806.87 g/m，占总量的27.0%。0.1～0.3、0.5～0.7、0.7～1.0 m范围的根系质量密度分别为 1 768.29、1 478.70、1 644.88 g/m，分别占总量的26.4%、22.1%、24.6%；棉花根系质量密度的分布波动性较小，在0.1～0.3、0.5～0.7 m处，分别为373.21、374.04 g/m，分别占总根质量密度的26.8%、26.9%。棉花质量密度在0.3～0.5、0.7～1.0 m 范围内分别为317.48、327.88 g/m，分别占总量的22.8%、23.5%。最后将棉花和枣树的总根系质量密度累加发现，枣树的总根系质量密度远远高于棉花的总根系质量密度，分别为6 698.75、1 392.61 g/m。

由图3-B可以看出，随土层深度的增加，枣树、棉花的根系质量密度总体呈逐渐增加后逐渐减小的趋势，其中，枣树、棉花根系质量密度最大值均出现在0.2 m处，分别为326.58、153.34 g/m。

枣棉间作系统中，枣树的根系质量密度主要集中在0～0.5 m土层范围内，占总量的63.04%，在0.5～1.0 m土层范围内，根系质量密度占总量的36.96%；棉花的根系质量密度主要分布在0～0.4 m土层范围内，占根系密度总量的86.53%，在0.4～0.7 m深度下，棉花根系质量密度明显降低，占总量的13.47%，而0.7～1.0 m范围内，没有棉花根系。对比棉花和枣树的根质量密度，发现枣树的根质量密度远大于棉花的根质量密度，棉花的总根质量密度为552.98 g/m，枣树的总根质量密度为 1 603.62 g/m。

2.4 枣棉复合系统地下部种间的竞争

植物生命活动是由2个部分共同完成，一部分是由根、茎、叶等部位组成的地上部分，另一部分是由根系组成的地下部分。由表1可知，单作枣树的枣吊长度、茎粗和叶绿素含量均高于间作枣树，而棉花的株高、茎粗、叶面积、叶绿素含量均表现为间作棉花大于单作棉花。再结合枣棉间作中棉花、枣树的地下根系空间分布特征，说明在枣棉间作中棉花为优势作物，表现出较明显的间作优势。

表1 不同种植模式下枣树和棉花地上部生长性状比较

土地当量比(LER)=枣树间作产量/枣树单作产量+棉花间作产量/棉花单作产量，是用来衡量间作模式相对于单作模式增产能力的一种指标，当LER>1时，说明间作比单作的效率高。间作增产率=(-1)×100%。从表2可知，单作和间作的种植模式对枣树和棉花的产量影响明显。间作模式下，枣树产量在间作模式下降低，棉花的籽棉产量也有一定的降低，但枣棉间作模式的增产率为33%，说明枣棉间作的种植模式可提高33%的土地利用率，生产优势明显，可提高有限资源利用率及经济效益。

表2 不同种植模式下枣树和棉花的产量

3 讨论

3.1 枣棉间作复合群体根系空间分布特征

在垂直方向上，枣树根长密度集中分布在距地表0～0.3 m土层内，枣树的根系质量密度主要集中在0～0.5 m土层范围内；棉花的根系主要集中分布在0～0.4 m土层范围内，棉花的根系质量密度主要集中在0～0.4 m土层范围内；在水平方向上，枣树根长密度的分布随与枣树距离的增大而先减小后增大，在0.1～1.0 m土层处均有分布，且分布均匀；棉花根系分布在整个样区，在0.1～0.3 m处最小，在0.7～1.0 m处最大。枣树根系质量密度分布最高范围在0.3～0.5 m处，棉花根系质量密度的分布波动性较大，这与王婷等的研究结果相似。

因为棉花与枣树之间的距离较大，枣树对棉花的抑制作用减弱，棉花具有足够的生长空间。所以在水平方向上，离枣树越远棉花的根系就越长。枣树受复合系统物种形态结构的影响，其叶片小而稀，通风透光性好，可有效减弱枣树对棉花的遮阴作用，能够满足棉花与枣对光、热资源不同时期的不同需求；枣树根系分布较为稀疏，棉花的主根扎根较深，这样的分布能够使双方根系对地下资源的分层利用，很大程度地提高地下土壤资源的利用率。

3.2 枣棉间作复合群体种间竞争关系

生态位重叠是资源利用竞争的必要条件，但竞争只发生在根系接触或根系重叠而生态位分化不发生时。并且一些生态学观点表明，不同物种在同一生态系统中共享一定的资源，具有不同程度的竞争，竞争可以争夺生存空间和特定资源，植物生态位彼此越接近物种之间的竞争就越激烈。

在南疆这样的极端干旱区，水资源对农业发展至关重要，也是发展果农间作复合系统的重要影响因素。在研究中发现，水平方向上枣树和棉花对该试验区土层的资源利用程度几乎相同，两者的竞争作用一直存在，但没有占绝对优势的物种。垂直方向0.1～0.3 m土层范围内，棉花与枣树内的竞争作用中棉花有明显的竞争优势，棉花对枣树和枣树对棉花的竞争能力指数均呈上升趋势。

种间竞争不仅包括种间竞争的影响，还包括种间竞争的后果。本研究发现，棉花的生长状况较枣树的生长状况要占优势，棉花的地下部分竞争能力也强于枣树，因此，在枣棉间作复合系统中，棉花较占优势。能够导致种间竞争的原因有很多，可能是植物根系的形态和生理特性、系统中土壤养分、植物不同发育阶段等，随着植物体的生长种间的竞争能力也逐渐增强，成熟阶段的群落趋于稳定，竞争力随之降低。

4 结论

枣棉间作复合群体中，枣树与棉花的根系分布特征在空间上存在一定的差异，在不同土壤空间上相互交错分布。研究发现，在垂直方向上，距地表 0～0.4 m土层内，是棉花根系集中分布的土层；枣树根长密度集中分布在0～0.3 m土层内。在水平方向上，在0.1～1.0 m处均匀分布；棉花根系分布在整个土层样区，在0.1～0.3 m 处最小，在0.7～1.0 m 处最大。枣棉间作复合系统中枣树和棉花对资源的竞争一直存在，总体上来说，棉花较枣树具有较强的竞争优势。枣棉间作系统的土地利用率大于单作系统。分析确定复合系统中作物根系对地下资源吸收利用的变化特征，以实现系统资源的最优化利用，解析枣棉间作系统各组分的相互作用与竞争性利用的过程机制，是未来地下种间关系需要进一步深入研究的问题。