痕量灌溉对棉花根系活力?生物量累积与供水关系的影响

陈立宇　路战远　咸丰　程玉臣　张建中　刘燕　叶君　张立峰

摘要 ［目的］针对内蒙古阿拉善地区棉田生产中存在的水资源短缺、水分低效问题，采用痕量灌溉方式揭示痕量灌溉下棉花生长发育和水分利用效率对田间供水方式的响应机制。［方法］通过田间小区试验，研究痕量灌溉不同埋深和水量对棉花根系活力、生物量累积的影响。［结果］棉花根系生物量呈“S”形曲线增长；自苗期至吐絮期，棉花根系生物量整体呈增加的趋势。痕灌处理棉花根系活力较膜下滴灌（CK）处理均有所提高。T1处理棉花根系活力最高，有助于促进根系下扎，形成合理的根系结构。［结论］蕾期和花铃期是植株快速生长期，灌溉供水是维持生育耗水的关键。

关键词 痕量灌溉；棉花；生物量；根系

中图分类号 S275.4 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）08-0180-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.043

Effect of Trace Irrigation on the Relationship Between Root Vigour，Biomass Accumulation and Water Supply in Cotton

CHEN Li-yu1，2，LU Zhan-yuan1，2，XIAN Feng1 et al

（1.Inner Mongolia Key Laboratory of Degradation Farmland Ecological Restoration and Pollution Control/Inner Mongolia Academy of Agricultural ＆ Animal Husbandry Sciences，Hohhot，Inner Mongolia 010031;2.Hebei Agricultural University，Baoding，Hebei  071000）

Abstract ［Objective］To address the problems of water shortage and water inefficiency in cotton field production in the Alashan region of Inner Mongolia.Trace irrigation was used，and it was proposed to reveal the response mechanisms of cotton growth and development and water use efficiency to field water supply methods under trace irrigation.［Method］The effect of trace irrigation on the vigour and biomass accumulation of cotton roots was investigated in a field plot experiment with different burial depths and water volumes.［Result］ Cotton root biomass showed an “S” type curve continuous growth;from the seedling stage to the spatulation stage，cotton root biomass showed an increase trend.The trace irrigation treatments all increased the root vigour of cotton compared with the sub-membrane drip irrigation （CK） treatment.T1 treatment had the highest root vigour，which helped to promote root undergrowth and create a reasonable root structure.［Conclusion］The bud stage and flowering and boll stage are the rapid growth periods of plants，and irrigation water supply is the key to growth water consumption during supporting period.

Key words Trace irrigation;Cotton;Biomass;Root

根系时空分布与生理活性决定作物对水分、养分的吸收，进而影响地上部分的生长与产量［1-2］。膜下滴灌下作物根系主要分布在0～40 cm浅土层，

棉花根长和根生物量随着埋管深度的增加而减小［3］。姜益娟等［4］研究表明使用沟灌灌溉棉花根系生长呈“垂直断面伞形”或者“扇形”，而膜下滴灌棉花根系分布则是密集朝向滴灌带的下方以及膜内侧，呈极不对称结构。汪江涛［5］、Liu等［6］研究表明与传统漫灌相比，膜下滴灌棉花盛花期—盛铃前期0～60 cm土壤含水量增加了4.80%～12.87%，较高的土壤水分使根系SOD活性增强，降低了MDA含量，减少了活性氧在根中的累积。张小朋等［7］发现土壤水分对植物的影响主要体现在根系上，水分影响根系的生长和分布、生理特征和生态特征。刘梅先等［8］研究膜下滴灌的滴管布置方式对棉花产量、水分、盐分的影响，结果表明滴管布置方式對棉花根系分布和土壤盐分含量有显著影响，微咸水和咸水滴灌时一膜一管的滴管布置方式有利于促进棉花根系生长、提高水分利用效率。Hu等［9］研究部分根区灌溉对玉米根系水力导度的影响，结果发现部分根区灌溉方式灌水侧根系水力导度比常规灌水方式提高49%～92%，而干旱侧根系水力导度显著下降。孔清华等［10］研究表明滴灌施肥对青椒根系分布起着调节作用，同时也促进了根系的生长。土壤水分影响着作物根系的形态及分布。该试验在明确棉田供水机制的基础上，系统研究了痕量灌溉处理下棉花根系生物量的动态累积特征、根系生物量的动态累积与棉田供水的关系、根系发育形态、根-水同位吻合度、根系活力的变化特征等，以探讨痕量灌溉下棉花的根系发育规律。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2016—2017年，在阿拉善盟额济纳旗内蒙古自治区农牧业科学院棉花试验示范基地（100°13′E，40°59′N）设置定位试验。

1.2 试验处理

以抗旱棉花品种“中棉所92”为试验材料，试验设置2种灌溉方式：膜下滴灌和膜下痕量灌溉。痕量灌溉设置地下埋管深度 30、40、50 cm，分别以D30、D40、D50表示；每种埋深处理设置5种灌水量，分别为360、330、300、270、240 mm，分别以I360、I330、I300、I270、I240表示；以膜下滴灌、灌水量360 mm为对照（CK）。试验共16个处理，每个处理重复3次，共计48个小区。灌水时间为2016年6月16日至9月13日、2017年6月13日至9月10日；田间管理同常规高产田。2016—2017年棉花生育时期如表1所示。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 根系形态。选择不同处理长势均匀的棉株在0～40、40～80 cm土层，采用挖掘法取出每层全部土壤，迅速收集、拣出根段，分置、洗净。将根样排放于盛满清水的透明玻璃盒中，利用根系专用扫描仪扫描成黑白对照的TIF图像文件。扫描好的文件采用WinRHIZO根系分析软件计算各土层根系的根长密度（root length density，RLD）。

1.3.2 根系生物量。将收集的根样完成扫描后，105 ℃杀青0.5 h，80 ℃条件下烘干至恒重后测定根系生物量。

1.3.3 根系活力。采用TTC 比色法測定根系活力。

1.3.4 根-水同位吻合度。棉花生育期根长密度表示根系需水势，同期土壤分层含水率表示土壤供水势，二者以适当倍率绘图，进行根-水同位吻合度比较。利用SigmaPlot 12.5软件计算出根系面积和水分面积，按以下公式计算：

根-水同位吻合度=根系与水分交集面积÷水分面积×100%

估算根-水同位吻合度，其最大值为100%，此时最吻合。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2010软件整理，使用GraphPad Prism 8软件绘图，使用SPSS 21.0统计软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 痕量灌溉对棉花根系活力的影响

2016年，痕灌管网埋深和灌水量处理下棉花各生育阶段根系活力见表2。由表2可知，与膜下滴灌（CK）处理相比，痕灌管网埋深和灌水量处理均提高了棉花根系活力。随着棉花生育期的推移，棉花不同生育期根系活力从蕾期至吐絮期呈逐渐降低的趋势。棉花根系活力随着灌水量的减少而降低，随着痕灌管网埋深的增加而降低的趋势不明显。棉花蕾期和吐絮期根系活力T1、T6、T11处理较高，膜下滴灌（CK）处理最低。①蕾期。相同痕灌管网埋深条件下，不同灌水量处理棉花根系活力随着灌水量的减少而降低。与膜下滴灌（CK）处理相比，各灌水量处理的棉花根系活力均有所提高，痕量灌溉处理D30、D40、D50下各处理棉花根系活力的增幅分别为19.02%～52.88%、14.49%～47.47%、22.34%～49.39%。在灌水量I360条件下，与膜下滴灌（CK）处理相比，T1、T6、T11处理棉花根系活力分别提高了52.88%、47.47%和49.39%。在灌水量I330条件下，T2、T7、T12处理棉花根系活力比CK处理提高了38.39%、43.80%和39.97%。在灌水量I300、I270、I240条件下，各处理棉花根系活力与灌水量I360、I330条件下呈现相似的变化趋势。②花铃期。与膜下滴灌（CK）处理相比，痕量灌溉处理的棉花根系活力均有所增加，D30、D40、D50下各处理棉花根系活力的增幅分别为3.32%～31.94%、9.60%～29.49%、4.36%～27.23%。灌水量I360条件下，T1、T6、T11处理棉花的根系活力比CK处理分别提高了31.94%、29.49%和27.23%。在灌水量I300条件下，T3、T8、T13处理棉花根系活力较CK处理分别提高了14.83%、20.59%和12.04%。在灌水量I270条件下，T4、T9、T14处理棉花根系活力分别较CK处理提高了5.93%、17.80%和9.08%。在灌水量I240条件下，T5、T10、T15处理较膜下滴灌（CK）处理棉花根系活力分别提高了3.32%、9.60%和4.36%。③吐絮期。痕灌管网埋深对棉花根系活力的影响不明显。灌水量I360条件下，T1、T6、T11处理棉花根系活力较CK处理分别提高了31.41%、30.15%和24.37%。痕灌管网埋深D30条件下，T1处理棉花的根系活力高于T2、T3、T4、T5处理；痕灌管网埋深D40、D50条件下，灌水量对棉花根系活力的影响与痕灌管网埋深D30条件下变化趋势相似。与膜下滴灌（CK）处理相比，D40、D50条件下各灌水量处理的棉花根系活力有所增加，增幅分别为2.01%～30.15%和7.04%～24.37%。

2017年，痕灌管网埋深与灌水量对各生育阶段棉花根系活力的影响见表2。由表2可知，相同痕灌管网埋深条件下，棉花根系活力在蕾期、花铃期均随着灌水量的减少呈降低的趋势。相同灌水量处理下，棉花根系活力在蕾期、花铃期、吐絮期均随着痕灌管网埋深的增加而降低的趋势不明显。①蕾期。与膜下滴灌（CK）处理相比，各灌水量处理的棉花根系活力均有所增加，痕灌管网埋深D30、D40、D50下各处理棉花根系活力较CK的增幅分别为9.91%～46.24%、4.22%～39.63%、11.56%～40.73%。在灌水量I360条件下，T1、T6、T11处理棉花根系活力均较高。在灌水量I330条件下，T2、T7、T12处理棉花根系活力较CK分别提高了30.83%、35.60%和30.64%。在灌水量I240条件下，T5、T10、T15处理棉花根系活力比CK处理分别提高了9.91%、4.22%、11.56%。②花铃期和吐絮期。相同痕灌管网埋深条件下，不同灌水量处理花铃期棉花根系活力随着灌水量的减少而降低。痕量灌溉D30、D40、D50下花铃期和吐絮期各处理棉花根系活力较CK处理的增幅分别为4.18%～38.00%、9.39%～34.03%、2.09%～30.27%和21.09%～55.78%、12.93%～45.58%、18.03%～41.84%。

综合来看，痕量灌溉各处理棉花在蕾期、花铃期和吐絮期具有较高的根系活力，有助于促进根系下扎，形成合理的根系结构。

2.2 棉花根系生物量动态累积与供水的关系

2016—2017年，痕灌管网埋深和灌水量处理下棉花各生育阶段根系生物量与土壤贮水量、灌溉量的关系见图1。从图1可以看出，棉花根系生物量呈“S”形曲线增长。蕾期与花铃期，I360各处理土壤贮水量为苗期的80.9%～100.6%，根系生物量为苗期的2.8～3.7倍；吐絮期，棉花根系生物量达到生育期最高值，土壤贮水量为花铃期的68.0%～89.0%。整个生育期，棉花根系生物量整体呈增加的趋势。

从图1可以看出，花铃期进入棉田高强度耗水期，各痕灌不同埋深处理土壤贮水量为膜下滴灌（CK）的81.5%～101.1%，在此期间高效率的土壤供水与灌溉水使根系生物量较CK处理提高了0.26%～23.39%。与I360各处理（T1、T6、T11）相比，T15处理在最小灌水量条件下蕾期与花铃期土壤贮水量较低，表明在此期间供水匮乏。

2017年，痕灌管网埋深和灌水量处理下棉花各生育阶段根系生物量与土壤贮水量、灌溉量的关系见图1。从图1可以看出，在灌水量I360条件（CK、T1、T6、T11）下棉花各生育期不同痕量灌溉处理根系生物量的变化趋势与2016年相似。与CK处理相比，T1处理棉花蕾期、花铃期、吐絮期根系生物量的增幅為28.96%、26.91%、27.51%，土壤贮水量较CK处理的变幅分别为0.53%、1.45%和-2.78%。

2.3 痕量灌溉下根-水同位性分析

以根系取样测定值为基础，参照棉花根系性状垂直分布特征，将代表性试验处理花铃期的不同土层根长密度绘成图2～3，并与该时期土壤分层含水率进行根-水同位吻合性比较。

由图2可知，2016年膜下滴灌（CK）处理土壤含水率随着土层深度的增加整体呈下降趋势，痕灌处理T1、T6、T11、T15棉花根长密度随土层深度的增加呈先增加后下降的趋势。

定量估算痕灌管网各埋深处理花铃期0～80 cm土层根长密度与土壤含水率的根-水同位吻合性（图2），结果表明膜下滴灌（CK）处理根-水同位吻合性约65.1%，T1、T6、T11、T15处理的根-水同位吻合性分别为93.9%、86.7%、85.0%和80.8%。以上结果表明，痕灌管网各埋深处理具有比膜下滴灌（CK）更好的根-水空间吻合效果，更有利于花铃期根系对水分的利用。

2017年痕灌管网埋深和灌水量处理下棉花花铃期根长密度与土壤含水率的关系见图3。从图3可以看出，在灌水量I360条件下棉花根长密度与土壤含水率的关系与2016年基本相似。2017年，膜下滴灌（CK）处理土壤含水率随着土层深度的增加整体呈下降趋势，痕灌处理T1、T6、T11、T15棉花根长密度随土层深度的增加呈先增加后下降的趋势。膜下滴灌（CK）与痕量灌溉T1、T6、T11和T15处理根-水同位吻合性分别为64.7%、88.8%、83.6%、81.2%和77.5%。痕量灌溉各处理的根-水同位吻合性较膜下滴灌（CK）更高。

3 讨论

3.1 棉花根系形成与供水的关系

水分是影响根系生长的重要因素。根系的形成不仅影响水分的吸收，而且与地上部器官的生长发育、作物产量等相关［11］。Guo等［12］研究表明，作物根系随土壤水分的变化而调整其结构和时空分布，进而影响作物产量及水分利用效率。Hu等［13］研究表明节水灌溉对棉花根系的生长发育有直接影响，若水分亏缺有助于提高根长和根生物量，提高根冠比，若水分盈余时反而影响较小。陈文岭［14］利用微根管监测膜下滴灌条件下棉花细根的生长形态，结果表明根长密度随着土壤深度的增加而先增大后减少，在 20～30 cm 土层达到最大值；吐絮期棉花根长密度最大、根系发育最好。罗宏海等［15］在北疆地区研究水分和氮素组合对棉花根系生物量的影响，结果表明各处理棉花吐絮期不同土层的根系生物量达到最大值。该试验前期较高的土壤贮水有利于棉花早期根系的形成，膜下滴灌处理上层湿润土层使根系可以轻易吸收水分，而痕量灌溉处理早期根系下扎更为明显。随着灌水量的增加，根重增加，并随着蕾期的灌溉，促使根系生长与土壤供水“根-水同步”，更有利于棉花的根系形成，从而使植株更加均衡地生长。该研究结果表明，棉花根系生物量从蕾期到吐絮期整体呈增加趋势，这与陈文岭［14］、罗宏海等［15］的研究结果相一致。

3.2 棉花根系土层分布与灌水的关系

根群土体空间分布影响作物对水分养分的吸收利用。汪江涛［5］研究膜下滴灌对新疆棉花根系生长、形态分布的影响，结果表明在滴灌带左右两侧20 cm、垂直0～40 cm土层内较高的土壤含水量有利于增加该区细根长和细根生物量。陈文岭［14］研究了微咸水膜下滴灌棉花根系、水分、盐分、微量元素之间的相互作用，结果表明膜下滴灌棉花根长密度随着土壤深度的增加呈现先增大后减小的趋势，根长密度的垂直分布主要集中在0～30 cm浅层土壤。Chen等［3］研究表明膜下滴灌棉田的土壤水分集中于0～60 cm土层，

棉花根长和根系生物量随土壤深度的增加而减少，棉花根系对水分的吸收发生在滴灌头附近较小的土壤范围内。李永山等［16］研究表明地膜覆盖条件下棉花80.6%～95.4%的根系集中在0～30 cm土层内。李少昆等［17］研究表明在北疆棉田高密度栽培条件下73.3%的棉花根系集中在0～40 cm土层内。李垚垚等［18］研究发现常规沟灌与膜下滴灌对棉株根系在土壤的分布无显著影响，根系生物量均主要分布在10～35 cm内。该试验结果表明，痕量灌溉与膜下滴灌（CK）相比更好地促进了根系生长与土壤供水的“根-水同位吻合性”，这成为痕量灌溉地下供水影响棉花根群分布的重要特征。

3.3 根系活性的变化特征

合理灌溉措施可以促进作物根系发育，增加其生理活性，延缓作物衰老［19-20］。罗振［21］研究发现部分根区灌溉灌水侧根系中MeJA含量比常规灌溉升高，说明促进了灌水侧根系的水分吸收。Hu等［13］对玉米进行了类似监测，结果发现灌水侧根系水力导度比常规灌水提高了49%～92%。Yi等［22］研究表明水氮供应可以显著增强棉花根系活力，提高根系及叶片抗氧化保护酶系活性。罗宏海等［15］采用土柱栽培法研究膜下滴灌條件下水氮供应对棉花根系及叶片衰老特性的调节，结果表明灌溉条件下蕾期前限量滴灌后恢复充分滴灌配合重施花铃期的水氮供应方式显著促进了棉花深层根系的生长，增强了根系活力。该试验结果表明，痕量灌溉埋深处理下棉花根系活力均显著高于膜下滴灌（CK）处理。这表明痕量灌溉处理有助于维持根系生理功能，从而为构建合理根群奠定基础。

4 结论

干旱区灌溉田棉花根系生物量呈“S”形曲线增长；苗期至吐絮期棉花根系生物量整体呈增长趋势。2016—2017年，痕量灌溉处理

棉花根系活力较膜下滴灌（CK）处理均有所提高。蕾期、花铃期、吐絮期，2016年痕灌各处理棉花根系活力较CK的增幅分别为14.49%～52.88%、3.32%～31.94%、2.01%～31.41%，2017年痕灌各处理棉花根系活力较CK的增幅分别为4.22%～46.24%、2.09%～38.00%、12.93%～55.78%。其中，T1处理棉花根系活力最高，有助于促进根系下扎，创建合理的根系结构。

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基金项目 内蒙古自治区科技计划项目（2020GG0061）；国家现代农业产业技术体系——棉花产业技术体系项目（CARS-18-30）。

作者简介 陈立宇（1986—），男，山西朔州人，高级农艺师，博士，从事集约持续农作制度研究。*通信作者，研究员，博士，博士生导师，从事抗逆栽培与保护性农业研究。

收稿日期 2023-05-09；修回日期 2023-06-18