新疆沙区油莎豆根系构型及产量对覆膜响应

郑旭　郝东梅　陈瑞江　李鲁华　张泽　张凤华　王家平

摘要：研究南疆沙區油莎豆（Cyperus esculentus L.）对膜下滴灌的响应机制，为构建南疆沙区油莎豆高产栽培管理模式提供借鉴。通过设置覆膜（PF）和无膜（OF）处理，研究覆膜对土壤温度、土壤含水量、油莎豆根系分布、产量及产量构成的影响。结果表明：与无膜相比，覆膜处理苗期至结豆初期15 cm土层土壤温度和含水量分别提高3.76 ℃～4.33 ℃和2.66%～3.00%。覆膜栽培油莎豆根生物量、总根长、根系总表面积、根系平均直径和根系总体积较无膜栽培分别提高32.7%、13.3%、66.1%、17.2%和64.9%（P< 0.05）。覆膜处理产量、单穴粒重、单穴粒数和百粒重均高于无膜，分别增加76.2%、147.3%、79.1%和18.0%。0～10 cm土层油莎豆根生物量、根长和根表面积与产量呈正相关关系。因此，覆膜提高了油莎豆生育前期的土壤温度和含水量，优化了根系构型，是产量提高的关键因素。

关键词：覆膜；油莎豆；根系分布；产量

中图分类号：中图分类号S565.9文献标志码：A文献标识码

Response of tiger nut root distribution and yield to film mulching in Xinjiang sandy soils

ZHENG  Xu HAO  Dongmei CHEN  Ruijiang1，LI  Luhua ZHANG  Ze

ZHANG  Fenghua WANG  Jiaping 3*

（1 College of Agriculture， Shihezi University，Shihezi， Xinjiang 832003， China;

2 The Key Laboratory of Oasis Eco-agriculture， Xinjiang Production and Construction Group， Shihezi， Xinjiang 832003， China；

3 International S&T Cooperation

Base of China for Efficient Crop Production and Agricultural Environmental Protection in Oasis，Shihezi， Xinjiang 832003， China）

Abstract：  To study the mechanism of drip irrigation under plastic film （PF） on Cyperus esculentus L. on sandy soil will provide a reference of high-yield cultivation management mode in southern Xinjiang province. We conducted a field experiment to study the effects of PF and open field （OF） treatments on soil temperature， soil water content， root distribution， production and components. Compared with OF treatment， soil temperature and water content at 15 cm depth was increased from seedling stage to early bean formation stage， the values were 3.76 ℃～4.33 ℃ and 2.66%～3.00%， respectively. Root biomass， total root length， total root surface area， average root diameter and total root volume of PF treatment were significantly improved， the values were 32.7%， 13.3%， 66.1%， 17.2% and 64.9%， respectively. And the yield， grain weight per hole， grain number per hole and 100-grain weight of PF treatment were higher than those of OF treatment， the values were 76.2%， 147.3%， 79.1% and 18.0%， respectively. There was a positively correlation between yield and root biomass， root length， root surface area at 0～10cm soil depth. The soil temperature and water content were increased in the early growth period under PF treatment provide foundation that key factor of yield raised was by the optimization of root architecture.

Key words： plastic film;tiger nut;root distribution;yield

绿洲沙漠交错带风沙土可作为后备土壤资源，其土壤贫瘠、质地粗、蓄水能力低，漏水漏肥严重，土地生产力低，但具有增温快，昼夜温差大，适宜地下块茎作物生长的特点［1-2］。油莎豆（Cyperus esculentus L.）是原产于非洲的莎草科莎草属多年生草本植物，20世纪60年代初引入我国广泛种植，因其根系发达，分蘖能力强，生育期短，生物量大，抗逆性强，且适应范围广，是一种优质、高产、高附加值的新型生态经济作物［3-4］。油莎豆根系发达并且在土壤中分布密集，适合在沙区进行种植，对土体进行有效固结和支撑，具备防风固沙作用［5］，改善当地生态环境，已列入农业农村部《十四五种植业发展规划》特色油料作物。因此，研究油莎豆在风沙前沿区域的生长适应性和关键栽培种植技术，对增加当地农民收入、充分发挥其经济和生态效益具有重要意义。

覆膜栽培由于其良好的保温保墒功能，是农业生产中的一项节水增产的栽培措施，在我国的农业生产中已被广泛推广和应用［6］。覆膜栽培能够提高作物生长前期地温［7］，创造早播条件，延长作物生长时间。同时还能够提高肥料利用效率，减少土壤水分蒸发［8-9］，研究［10-11］发现，覆膜可大幅度提高棉花（Gossypium hirsutum L.）和玉米（Zea mays L.）的水分利用效率和产量，增加玉米干物质运转率、光合速率和氮素吸收效率［8］。覆膜阻断了土壤水分与外界的直接交换，减少土壤水分蒸发散失，提高了耕层土壤含水量，作物可利用水分增加［6］。王建国等［12］研究表明，覆膜处理增加0～40 cm土层根系长度、根表面积和根体积，提高了根系在深层土壤的分布比例。覆膜通过增加积温，降低水分蒸发，创造适宜的土壤环境，促进作物地上地下协调发展，提高作物产量［1，6，13］。Zhang等［9］研究表明，覆膜重塑根系根长、根体积和根生物量等指标，提高了玉米对氮肥利用效率。Lu等［14］研究发现，覆膜提高了玉米生育期5～15 cm土层的土壤温度和0～100 cm土层的土壤含水量，玉米产量提高15.2%～23.2%。查丽等［15］研究表明，垄作与覆膜促使根系生长，提高根系对深层土壤空间的分布，促进玉米植株的生长和籽粒的灌浆结实，提高产量。Li等［6］通过对36篇覆膜对根系性状综合影响的研究发现，覆膜延长了根系的生长周期，根长、根质量密度和根系平均直径对产量影响最大。可见，根系生长发育和分布对作物产量的形成具有重要意义。

目前，关于覆膜的研究主要集中在土壤理化特性、微生物变化、作物生长发育和产量方面［3，16］，关于覆膜对油莎豆根系分布的影响及其产量形成的研究相对较少。本研究通过设置覆膜与无膜处理，对油莎豆根系采用分层取样法，分析覆膜对沙区油莎豆根系空间分布与产量的影响，为新疆沙区油莎豆高产栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在新疆生产建设兵团第三师54团3连进行（38°38′N，77°6′E），属暖温带大陆性气候。2021年平均气温12.3 ℃，年平均降雨量56.6 mm，年平均蒸发量2246 mm，无霜期192 d。供试土壤类型为风沙土，0～20cm土壤pH值8.9～9.2，有机质为1.90～2.32 g·kg-1，碱解氮为5.9～7.7 mg·kg-1，速效磷8.52～9.33 mg·kg-1，速效钾35.67～37.66 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验设2个处理，即覆降解地膜处理（Plastic film，PF）和无膜处理（Open field，OF），覆膜方法为将薄膜平铺后在薄膜边缘覆土。试验采用随机区组设计，3次重复，共6个小区。每个小区15 m×8 m，共120 m2。地膜为厚0.015～0.020mm、宽205 cm的降解地膜。

油莎豆在2021年5月12日播种，5月18日出苗。播种方式为机播，株距10 cm，行距37 cm，种植密度为142 860株·hm-2。采用一管两行滴灌模式，灌水量为3750 m3·hm-2，全生育期灌水12次，灌水周期平均7 d/次，肥料随水滴施。施纯N量80 kg·hm-2、施P2O5量75 kg·hm-2，施K2O量50 kg·hm-2。供试肥料分别为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。其它栽培管理措施与当地高产田保持一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤温度测定

2021年5—9月，采用FDR-101土壤溫湿传感器（LAYTION，中国）进行测量记录，在试验小区布置后将探针埋入土壤15 cm深度，每隔 30 min记录一次。

1.3.2 根系性状测定

分别在苗期（6月5日）、分蘖期（7月1日）、结豆初期（8月5日）、结豆盛期（8月25日）和成熟期（9月15日）采用根系分层取样方法［20］，选择具有代表性的 1 株油莎豆植株及根系取样。将每一土块中所有根系分别取出，把根系表面清洗干净后放入自封袋中，带回实验室。用Epson Perfection V700 型根系扫描仪（分辨率为1200 dpi），将根系样品扫描成图片文件，然后用根系分析软件（WinRhizo，Rengent Instruments Inc.， Canada）测定根系长度、根系平均直径、根系表面积和根系体积。

1.3.3 产量性状测定

成熟后每个小区选取长势均匀1 m2植株测产，将收获块茎冲洗干净，自然风干7 d后，在45℃烘箱中烘至恒重测定块茎产量和百粒重。同时每小区随机取10株考种，测定单株块茎数和单穴重。

1.4 数据处理

1.4.1 根长密度

根长密度分布比例（%）= 不同土层根系长度/整个土层总根系长度×100。（1）

1.4.2 根系垂直分布模型

根系分布采用 Gale和Grigal提出的基于渐进方程式的根系垂直分布模型［21］：

Y = 1-βd（2）

公式（2）中Y为从地表到深度d的根系根长累计分数（分数值在 0～1 之间）；d 为土层深度（cm）；β为根系根长削弱系数。β高说明根系在深层土壤中分布比例大；β低则说明根系集中分布于接近地表的土层中。还可以通过此方程计算D50和D90，分别表示根长累积 50 %和90 %时的深度。

1.5 统计与分析

采用 IBM Statistics SPSS21.0软件进行数据处理，用LSD进行差异性检验（P＜0.05），相关图表的绘制在Origin 2021b中完成。

2 结果与分析

2.1 覆膜对油莎豆土壤温度和含水量的影响

由图1可知，覆膜处理可以显著提高油莎豆生育前期土壤温度和土壤水分。在油莎豆生育期，覆膜显著增温主要集中在苗期、分蘖期和结豆初期，之后覆膜增温逐渐不显著。在苗期、分蘖期和结豆初期，覆膜较无膜分别增温3.97℃、4.33℃和3.76℃，达显著性差异水平。结豆盛期和成熟期覆膜处理较无膜处理温度提高0.43℃和0.52℃，无显著性差异。

土壤含水量变化特征与土壤温度变化一致，各生育期均表现为覆膜处理>无膜处理。苗期至结豆初期，覆膜处理土壤含水量比无膜处理高2.77%、3.00%和2.66%（P <0.05）；结豆盛期和成熟期，覆膜处理土壤含水量比无膜处理高0.73%和0.35%。

2.2 覆膜对油莎豆根系形态的影响

由图2可知，各处理总根长、根表面积和根体积随生育期增加而增加，覆膜处理显著高于无膜处理（P<0.05）。结豆初期，根长增长率达到最大，覆膜处理较无膜处理高16.5%，且差异性显著（P<0.05）。结豆盛期，覆膜处理根表面积和根体积增长率达到最大，分别为3.24 cm2·d-1和0.22 cm3·d-1。成熟期，根长、根表面积和根体积以覆膜处理最高，无膜处理最低，二者差异均达到显著水平。

2.3 覆膜对油莎豆根系空间分布的影响

由表1可见，覆膜与无膜处理间的根系形态差异随油莎豆生长呈现缩小的趋势，但5个时期覆膜处理的根长、根表面积和根体积均显著高于无膜处理。

覆膜和无膜处理根系形态随土层深度逐渐降低（0～10 cm>10～20 cm>20 cm以下）。覆膜处理0～20 cm土层土层深度为0～20 cm时，覆膜处理的根长、根表面积和根体积均高于无膜处理，二者之间差异显著（P<0.05）。通过对根系垂直分布模型的根系削弱系数β及D50、D90的分析，覆膜处理和无膜处理的β分别为0.9130和0.8858，覆膜处理和无膜处理的根系削弱系数相差较大，且达到显著性差异。覆膜处理下90%根系分布于0～25.19 cm，较无膜处理增加了32.72%。覆膜处理可加大根系垂直分布深度，促进根系下扎，根系削弱系数（β）上升，根系集中分布层逐渐下降（表2）。

2.4 覆膜对油莎豆根长密度的影响

根长密度是衡量植物吸收水分、养分速率的重要指标之一。图3表明，整个生育期，根长密度主要分布在0～20cm土层，比例为81.62%～100.00%。分蘖期，覆膜处理10～20 cm根长密度显著高于无膜处理（P<0.05）。结豆初期至成熟期，覆膜对0～10 cm土层根长密度比例无显著影响，但覆膜栽培10～20cm土层和20 cm以下根长密度比例较无膜栽培分别高了3.83%～6.27%和4.81%～10.23%，表明覆膜提高了10 cm以下土层内根长密度，增加了根系吸收水分和养分的接触面积，进而提高了10 cm以下土层的水分和养分利用效率和强度。

2.5 覆膜对油莎豆根系生物量和产量的影响

由图4可知，覆膜对全生育期油莎豆根生物量具有显著影响。全生育期不同处理土层根系生物量大小分布依次为0～10 cm>10～20 cm>20cm以下，且覆膜措施显著提高了各土层油莎豆根生物量（P<0.05），扩大了根系在土壤垂直方向上的分布。苗期，各处理根系主要生物量分在0～10 cm土层，覆膜栽培根系生物量较无膜栽培提高4.52 %。分蘖期，覆膜处理0～10 cm土层根生物量较无膜处理增加了16.67%（P <0.05），10～20 cm土层增加了9.22%（P <0.05）。结豆初期覆膜处理根系生物量比无膜处理增加47.89%（P <0.05）。成熟期覆膜处理0～20 cm和20 cm以下土层根系生物量较无膜栽培分别提高32.71%和64.47%。说明覆膜措施促进油莎豆根系在深层土壤的分配比例，有利于根系对深层土壤水分和养分的吸收。覆膜处理对油莎豆产量和其构成因素均有显著影响（表3）。覆膜处理单穴粒数、单穴粒重和百粒重与无膜处理相比，分别提高9.17%、147.37%和21.95%，增产76.22%。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 覆膜对根系形态特征的影响

根系是作物吸收土壤水分和养分的重要器官，其形态建成和分布易受土壤环境因子的影响［17］，适宜的栽培措施和水肥管理可以为根系提供一个良好的生长环境［18］。研究［19］表明，甘薯覆膜栽培顯著提高了移栽后10 d和20 d后的干重、总长度、表面积和体积。Zhang等［9］在大豆玉米间作系统研究表明，覆膜改善了玉米根系的生长环境，较无膜处理玉米根长和生物量分别增加了10.68%和8.30%。本研究中，覆膜栽培总根长、根系总表面积、根系总体积、根系平均直径显著高于无膜栽培，这与前人的研究结论相一致［9］，这是因为覆膜减少土壤蒸发，增加了土壤含水量，促进了根系生长。

根系形态特征，如深层根系分布，提供了根系在深土层分布信息［9］。查丽等［15］研究发现，覆膜有利于根系生长，增加根系对深层土壤空间的分布，为玉米高产提供了一定的基础。本研究发现，与无膜处理相比，覆膜处理的深层土壤根长占比明显增加。无膜种植大部分根系分布于表层土壤，并且随着土层深度的增加，根系逐渐减少［17］。而本研究发现覆膜处理根系随土壤深度减小幅度小于无膜，导致20cm以下土层根长占比增大（表1），与覆膜后土壤温度增加和水分保持有着密且关系。

3.1.2 覆膜对根系空间分布的影响因素

根系的空间分布是反映植物地下部对外界环境响应的重要指标之一［6，20］，同时也是根系分布的直接体现［21］。覆膜会引起土壤温度和湿度的变化，从而改变根系空间分布特征［22］。本研究结果表明，覆膜可以显著提高0～15 cm土层土壤温度，为根系生长提供适宜环境，促进根系向20 cm以下土层延伸，这与前人研究结果一致［6，9］。覆膜处理下0～20 cm土层根体积和根干重显著高于无膜处理，这可能是覆膜提高了土壤温度和含水率，为根系提供了更好的生长环境，促进了根系生长［23］。查丽等［15］在覆膜对丘陵玉米根系分布研究发现覆膜使玉米根系向深层土壤发展，深层土壤根系占比增加，这是为了增加根系与土壤的接触面积，提高根系对水分、养分的吸收能力［6，10］。

苗期至结豆初期，覆膜处理土壤含水量和温度显著高于无膜处理，表明覆膜增温促进了油莎豆根系生长发育，提高吸收水分和养分的能力降低了土壤水分蒸发，阻断了土壤与空气的热交换。结豆初期至成熟期，覆膜处理和无膜处理土壤含水量和温度均没有显著差异，因为生育后期地上部分被植株叶片全部覆盖，覆膜带来的保水保墒作用降低。Fang等［20］研究得出，覆膜提高玉米苗期0～30 cm土壤温度和湿度，促进根系向深土层延伸。本研究表明覆膜各土层根生物量显著高于无膜（表1），说明覆膜促使根系向深层土壤发展，提高了水分、养分的吸收与运输能力［6，21］，同时，本研究发现覆膜栽培深处土壤根系分布显著高于无膜栽培（表2，图3）。

3.1.3 根系性状与分布对油莎豆产量的影响

油莎豆产量与根系形态和根系生物量呈显著正相关关系（表4），作物产量与根系性状密切相关。与前人研究玉米［9］、水稻［24］、小麦［25］得出产量与根系总长、不同土层根生物量占根系总生物量比率均呈显著正相关或极显著正相关关系结果一致。Fang等［20］研究表明，玉米根长、根干重、根表面积与土壤水分利用效率、养分利用效率显著提高了产量。大量研究表明，作物根系分布对作物生长和产量形成具有重要作用［6，20］，张寅等［26］研究发现覆膜栽培增加20～40 cm土层的玉米根长密度，产量提高9.0%。覆膜显著改变了油莎豆根系生长和根系分布（表1），油莎豆单穴粒数和百粒重（表3）显著增加，从而提高了油莎豆产量。

本实验研究了覆膜对油莎豆根系分布及产量的影响，但是对覆膜条件下水肥调控根系生长与分布并未进行分析，无法进一步分析水肥对根系的调节作用，进而对产量形成的影响，因此在后续研究中应该关注不同水肥耦合条件下油莎豆根系生长、分布及产量的变化，以期进一步探寻最优水肥配置，这可能是提高沙地油莎豆产量的有效途径之一。

3.2 结论

通過研究覆膜处理下油莎豆全生育期根系形态、产量及产量构成因素，发现覆膜显著影响新疆沙区不同土层油莎豆根系分布特征和产量，促进根系向深土层生长，提高了根系在深层土壤分布比例，提高了根系对深层土壤水分的吸收，促进油莎豆生长发育，实现增产。覆膜处理根系性状和产量均高于无膜处理，覆膜后油莎豆根长、根体积、根表面积和平均根直径显著提高，较无膜处理增加30.93%、7.58%、8.07%和12.58%，产量、单穴粒数、单穴粒重和百粒重分别由4736.3 kg·hm-2、85.0粒、31.96 g和40.62 g增加到8346.7 kg·hm-2、152.3粒、79.06 g和49.53 g。合理的栽培技术，改善了土壤环境，为根系生长发育和根系形态构建提供了基础，促进了根系向深层土壤生长，从而优化根系空间布局，提高根系对养分和水分的获取，为增产增效提供保障。本研究结果可为沙区油莎豆高产栽培提供参考依据，但关于覆膜对根系分布和产量的影响机制现需要进一步深入研究。

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（責任编辑：编辑郭芸婕）

收稿日期：中文收稿日期2022-04-27

基金项目：中央引导地方科技发展资金项目（2060404），第三师图木舒克市科技计划项目（S202102GG036）

作者简介：郑旭（1996—），男，硕士研究生，专业方向为绿洲生态与农作制度。

*通信作者：王家平（1984—），男，副教授，从事农田生态环境与农作制度方向的研究，e-mail： 2006wjp@163.com。