氮肥和土壤質地對滴灌棉花根系分布及產量的影響①

張 澤，馬革新，海興巖，張東明，張國龍，王 飛，張 強，呂 新

?

氮肥和土壤質地對滴灌棉花根系分布及產量的影響①

張 澤，馬革新，海興巖，張東明，張國龍，王 飛，張 強，呂 新*

(石河子大學農學院，新疆石河子 832003)

通過大田二因素隨機區組試驗，研究了滴灌條件下不同質地棉田土壤棉花根長密度和根表面積的垂直分布特征及其對產量的影響。結果表明：①施肥、灌水都可以顯著降低棉花根長密度和根表面積，其關系表現為顯著負相關；②花期之前棉花在0 ~ 20 cm土層根長密度表現為砂土>黏土>壤土，花期之后表現為砂土>壤土>黏土；在20 ~ 40 cm土層表現為壤土>黏土>砂土，且深層土壤砂土中棉花根長密度下降勢顯著高于壤土、黏土；在不同質地土壤中，粗根表面積均表現為N2(施氮量360 kg/hm2)>N3(施氮量480 kg/hm2)>N1(施氮量240 kg/hm2)>CK(不施氮處理)；③根系分布特征參數與籽棉產量相關性分析結果顯示，根長密度、根表面積對籽棉產量的形成均有顯著影響，棉花籽棉產量的有效提高手段之一是在某些特定生育期適度地降低根系特征參數。

氮肥；土壤質地；滴灌；根系特性；產量；棉花

土壤質地是土壤重要的物理性狀之一，對作物的根系生長及分布有重要影響。賈麗華等[1]研究了土壤類型與花生根系生長和產量的關系，結果表明砂土和壤土中花生根干物質量各時期均顯著高于黏土，但生育后期黏土中花生根系干物質量比砂土和壤土下降相對較慢；李潮海等[2]通過池栽的方式對不同質地玉米根系狀況進行了研究，結果表明玉米根系彎曲度、平均根徑大小表現為輕黏土>中壤土>輕壤土，各質地土壤中隨著物理性黏粒的增加，根量在上層土壤中所占的比例增大；曾艷[3]研究結果表明，引起茶樹根系氮濃度差異的原因可能是不同土壤質地造成茶苗根系構型的不同進而影響根系氮濃度，根長較長、體積較大的根系更容易對養分吸收利用；王聰和章建新[4]研究了滴水量對超高產大豆根系生長的影響，隨著滴水量的增加，0 ~ 20 cm土層根干重密度和側根長密度增幅最大；閔偉等[5]通過研究灌溉水鹽度和施氮量對棉花根系分布的影響，發現施氮量可顯著增加棉花根的質量，使85% 以上的棉花根系主要分布在0 ~ 20 cm土層，并且淡水灌溉的情況下，棉花根表面積、根體積和平均直徑均隨著施氮量的增加而顯著降低。閆映宇等[6]研究表明不同灌水處理間棉花根長密度空間分布總特征一致，寬、窄行間根長密度基本相同，但明顯大于膜間；花鈴期、吐絮期各土層棉花根長密度與產量呈顯著的二次相關關系。余炳鳳等[7]通過微根管技術研究了棉花根系與產量的關系，結果表明棉花根長密度與根表面積指數隨生育期的推進表現出先增后降的趨勢，籽粒產量與根長密度和根表面積指數呈顯著負相關。齊廣平和張恩和[8]研究了灌水量對番茄根系分布和產量的關系，結果表明番茄根系生物量、根長、根表面積在土壤中的垂直分布都呈“單峰型”曲線變化規律；方怡向等[9]通過分層土柱挖掘法研究了水分對棉花根系分布特征的影響，表明不同灌溉處理的根系生物量的分布與土層深度呈顯著的負指數關系。漆棟良等[10]研究了施氮方式對玉米根系生長和氮素利用的影響，玉米根系主要集中在0 ~ 40 cm土層，隨著土層深度的增加，根長密度呈遞減趨勢；陳東等[11]研究了水分脅迫及土壤質地對新銀合歡幼苗根系生長的影響，結果顯示在相同的土壤質地條件下，水分脅迫程度與根系長度、表面積呈顯著負相關，而在相同水分條件下，土壤黏粒含量越低，對根系特征參數的促進作用越明顯。

目前，大多數國內外學者對滴灌條件下(包括室內土柱模擬法)氮肥的施用量、施用頻率以及水肥耦合效應等對肥料利用率的影響做了較多研究，但其中大部分是在單一土壤質地條件下進行的研究，對于滴灌施肥后不同質地土壤的棉花栽培技術卻鮮有報道。為此，通過滴灌大田試驗，研究氮肥和土壤質地對滴灌棉花根系分布特征參數及產量的影響，可在確保高產的情況下對不同質地棉田的灌溉施肥技術進行進一步優化。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2016年4—10月在新疆維吾爾自治區瑪納斯縣六戶地鎮創田地(86°07′36′′E，44°39′15′′N)進行。試驗地位于新疆古爾班通古特沙漠的南部邊緣地帶，日照時長為2 800 ~ 3 000 h，年平均氣溫5℃，≥10℃有效積溫為3 500 ~ 4 100℃，無霜期180 d。試驗區土壤質地(按國際分類制分類)分別為砂土、壤土、黏土。供試棉花品種為新陸早45號。土壤顆粒組成及肥力狀況如表1所示。

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗方案 試驗為二因素試驗，分別為土壤質地和氮素水平。其中土壤質地因素設置3個水平，即砂土、壤土、黏土；施氮量設置4個氮素(純氮)水平，即0、240、360、480 kg/hm2，并分別以CK、N1、N2、N3表示。試驗采用全組合設計，共12個處理，其中每處理設置3個重復，共計36個小區，小區規劃如圖1所示。

表1 供試土壤顆粒組成及養分狀況

圖1 小區規劃

試驗小區設計為一膜6行，種植行距配置模式為66 cm + 10 cm(機采模式)，膜寬2.05 m，膜間距0.5 m，整個生育期滴灌設計灌溉量5 400 m3/hm2，各質地處理均實行等額灌水。施肥量為鉀肥(K2O)95 kg/hm2、磷肥(P2O5)105 kg/hm2，均作為基肥一次性施入；氮肥(尿素)中基肥占30%，其余部分作追肥隨水每10 d灌溉1次，各批次滴灌水量和氮肥用量占總用水量和追肥總量的比例如表2所示。

1.2.2 微根管埋設 本試驗采用微根管技術對棉花根系分布特征進行研究。在棉花幼苗期安裝CI-600根系監測系統(CID Bio-science,Camas,WA,USA)，使用底部密封的透明塑料根管(與CI-600配套，內徑64 mm，長度1 000 mm)用于監測棉花根系。微根管埋設夾角與地面呈45°，埋設好的微根管中心線的水平投影正好位于棉花行的縱切面上。根管密封的一端插入到土壤中，另一端的蓋子可以拿掉，管子需露出地面10 cm左右。不測時蓋上黑色塑料蓋子以防止其他雜物落入管中，并在外管壁包被黑色膠帶以阻止光線透過根管傳播而影響棉花根系生長。微根管埋設示意圖如圖2所示。

表2 水氮分配表

在每次滴灌施肥后5 d，用CI-600根系監測系統配備的掃描儀在棉花盛蕾期、盛花期、盛鈴期、吐絮期伸入每個根管內部，從上往下每20 cm掃描一次，獲取0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60 cm三個垂直深度土層的根系圖片。每次獲取的圖片面積為21.60 cm×15.60 cm，像素密度為300 dpi，以bmp格式保存在便攜式電腦上，然后在實驗室利用系統配備的WINRHI-ZOTRON 2013c圖像分析系統獲取相關根系參數。

1.2.3 數據測定及處理 為了與根鉆法等傳統研究方法所獲取的細根數據進行比較，本研究以棉花細根的體積根長密度(root length density per unit volume，RLDV，mm/cm3)和根表面積(root Surface Area，RSA，cm2)作為基本參數。用公式(1)計算棉花細根的體積根長密度；公式(2)計算每個土層根的表面積。

圖2 微根管布設示意圖

RLDV= [RL / (××)]×sin45° (1)

式中：RL(mm)為觀測界面內的細根根長(fine-root length)；(cm)和(cm)分別為CI-600所拍攝圖片的寬度(width)和總高度(total height)；(cm)為觀測界面的土壤厚度(取=0.2 cm)。由于微根管埋設夾角與地面成45°，所以根據公式(1)得出的是垂直分布的棉花細根體積根長密度。

=∑××2/4 (2)

式中：表示根表面積(cm2)；為細根橫切面周長(cm)；為每條細根長度(cm)；為土層厚度(取=0.2 cm)。

產量測定：棉花吐絮期測定籽棉產量及產量構成因素，最后實收計產。

采用Microsoft Excel 2007和IBM Statistics SPSS17.0軟件進行數據處理和統計分析，Origin8.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 不同質地條件下棉花根長密度垂直分布

從圖3可以看出，棉花根系的根長密度呈“單峰型”變化曲線。在0 ~ 20 cm土層棉花根長密度隨著生育期的推進表現為先降低后升高，砂土、壤土中根長密度最小值出現在出苗后70 d左右，而黏土中則出現在出苗后85 d左右；棉花平均根長密度在花期以后表現為砂土>壤土>黏土，花期之前表現為砂土>黏土>壤土。在20 ~ 40 cm土層，隨著生育期的推進以及灌水施肥頻次的增加棉花平均根長密度表現為壤土>黏土>砂土，較0 ~ 20 cm土層各質地土壤中棉花根長密度都顯著地降低，砂土、壤土、黏土分別降低了58.66%、15.75%、21.61%；其根長密度的最大值都出現在盛花期左右，并且隨著生育期的推進，壤土、黏土根長密度不再發生顯著性變化，但砂土根長密度在花期到鈴期降低了19.72%。在40 ~ 60 cm土層，棉花根長密度總體表現為砂土>壤土>黏土，其最大值都出現在盛鈴期左右，但壤土和黏土根長密度較20 ~ 40 cm土層有顯著性降低。砂土在鈴期到吐絮期之間根長密度的下降勢大于壤、黏土，這主要是由于隨著土層深度的增加壤土與黏土根系在深層的分布急劇降低，而砂土土壤孔隙較大且砂土的保水保肥性較低而使水肥下滲速率增大所致。

圖3 常規滴灌下不同質地土壤棉花根系根長密度垂直分布

2.2 不同質地條件下棉花根表面積的垂直分布

從圖4可以看出，棉花粗根表面積較細根而言都處在較低水平，這在砂土、壤土、黏土中表現是一致的，粗根表面積在整個土壤剖面上表現為黏土>壤土>砂土；隨著土層深度的增加，粗根在總根表面積中所占的比例明顯下降。在不同質地土壤中，粗根表面積均表現為N2>N3>N1>CK，對于N2處理，又表現為砂土>黏土>壤土。

對細根表面積，壤土在不同土層上表現為先增后降的趨勢，細根表面積在20 cm處最高，其次為30 cm，而10 cm處細根表面積較20 cm處降低20.59%，對于不同施氮處理，N2處理最高，較CK增加24.23%。砂土N2處理在20 cm處根表面積較壤土高2.97%，砂土N3處理在50 cm處細根表面積較壤土下降幅度很大，達到了67.05%。黏土20 cm處細根表面積表現為逐漸增加，N3處理最大，為572.13 cm2，其余土層均為先增加后降低，其中N2處理最大，黏土50 cm和60 cm處細根表面積較砂、壤土顯著降低，分別降低了44.03%、51.16% 和54.59%、61.48%，說明黏土不利于棉花根系生長，其分布這要集中在0 ~ 20 cm土層。

圖4 施氮對不同質地滴灌棉田棉花根表面積的影響

2.3 土壤質地對滴灌棉花籽棉產量的影響

由表3可以看出，3種土壤質地下籽棉產量均表現出N2>N1>N3>CK，N2處理下砂土、壤土、黏土棉花產量均達到最大值分別為6 428.70、6 869.70、5 647.69 kg/hm2，較CK處理分別增產41.49%、41.51%、82.86%。施氮處理的單株鈴數和單鈴重幾乎都高于CK處理；就株數而言，砂土N2、N3處理差異不顯著；壤土N1、N3處理間差異不顯著。單株鈴數砂土N2、N3處理和黏土N1、N3處理間差異不顯著，而壤土各處理間差異顯著。單鈴重壤土N1、N3處理差異不顯著?？傮w來說，壤土N2處理平均籽棉產量為6 869.70 kg/hm2，較相同栽培條件下砂土和黏土分別增產6.86% 和21.64%，這進一步說明相同栽培條件下壤土較砂、黏土增產效果明顯。

表3 不同質地土壤棉花產量

注：同列不同小寫字母表示處理間差異在<0.05水平顯著。

2.4 根系性狀與籽粒產量的相關性分析

由表4可以看出，棉花籽棉產量和根長密度、根表面積顯著負相關，砂土、壤土、黏土棉花根長密度最大相關系數分別出現在蕾期、盛花期、盛鈴期；根表面積最大相關系數分別出現在盛花期、盛鈴期、盛花期。說明棉花根長密度、根表面積對產量的形成均有顯著影響，所以在棉花不同生育期優化根系性狀(具體表現為適當減小砂土蕾期根長密度、盛花期根表面積；壤土盛花期根長密度、盛鈴期根表面積；黏土盛花期根長密度和根表面積)，是棉花高產的有效栽培措施。

表4 棉花籽棉產量與根系性狀相關性分析

注：* 表示在<0.05水平顯著相關；** 表示在<0.01水平極顯著相關。

3 討論

3.1 不同質地滴灌棉田棉花根系分布的特征參數

目前新疆生產建設兵團棉花生產過程中粗獷式的施肥過程，導致了肥料的當季利用率低和化肥帶來的環境污染。所以施肥過程前一定要針對土壤質地類型、土壤中各營養元素的存在形態等進行研究[12]。有研究指出，棉花平均根長密度在0 ~ 20 cm土層上表現為先減小后增加，根長密度隨施氮量的增加顯著降低；氮肥能提高玉米根系活力[13]。本研究中滴灌棉花根系在0 ~ 20 cm土層上同樣表現出以上趨勢，隨著生育期的推進，砂、壤土中根長密度最小值出現在出苗后70 d左右，而黏土則出現在出苗后85 d左右，這主要是由于黏土中微團聚體和大團聚體較多，毛管水移動困難，灌溉肥液難以下滲而使犁底層或黏粒積聚層形成上層滯水而影響棉花根系的細根生長，而在生育后期隨著灌溉施肥比例的下降以及土壤膠體對營養元素離子的吸附性降低，使得棉花細根數量及活性得到提升。

粗根表面積在整個土壤剖面上表現為黏土>壤土>砂土，這表明隨著土壤中黏粒含量的增加，土壤孔隙往往被水占據而影響土壤通氣，好氣微生物活動受到抑制而影響棉花根系下扎及側根生長。砂土N2處理在20 cm處根表面積較壤土高2.97%，砂土N3處理在50 cm處細根表面積較壤土下降幅度很大，達到了67.05%，這表明隨著施氮量的增加，砂土淺層根系對氮素的吸收優于深層根系，同時也表明灌水量相同的條件下砂土更有利于根系下扎，從而抑制了側根生長。

3.2 不同質地滴灌棉田的棉花產量

通過不同質地滴灌棉田上的氮肥梯度試驗，回歸分析結果表明，砂土、壤土、黏土分別以256.00、287.34、374.12 kg/hm2的施氮量能夠達到最高目標產量。砂、壤、黏土最高理論經濟產量分別為6 341.12、6 846.42、5 512.39kg/hm2。

本研究只在棉花單一品種下進行了研究，且只研究了棉花根系分布情況與產量的關系，而沒有考慮有關土壤質地引起的生物與化學性質差異對棉花氮素吸收和產量形成的影響，這些方面還有待進一步加強。要提高試驗結論的說服力，需要進行跨區域、跨年際大田試驗驗證數據的可靠性。

4 結論

1) 壤土棉花根系分布均勻度優于砂、黏土；隨施氮量的增加，砂土淺層根系對氮素的吸收優于深層根系；黏土不利于棉花根系生長，分布主要集中在0 ~ 20 cm土層。

2) 棉花籽棉產量和根長密度、根表面積顯著負相關，在一些特定(負相關系數較大)的生育期適當優化棉花根系結構，有助于增產。

3) 在本研究條件下，追求砂、壤、黏土最高理論經濟產量的最優施氮量分別為256.00、287.34、374.12 kg/hm2，該施氮量可作為研究區不同質地土壤棉花栽培過程中氮素投入量的參考值。

[1] 賈麗華, 趙長星, 王月福, 等. 不同質地土壤對花生根系生長、分布和產量的影響[J]. 植物生態學報, 2013, 37(7): 684–690

[2] 李潮海, 李勝利, 王群, 等. 不同質地土壤對玉米根系生長動態的影響[J]. 中國農業科學, 2004, 37(9): 1334– 1340

[3] 曾艷. 氮肥、土壤質地對茶樹根系生長特性影響的研究[D]. 成都: 四川農業大學, 2014

[4] 王聰, 章建新. 滴水量對新大豆27號根系生長及產量的影響[J]. 干旱地區農業研究, 2015, 33(5): 169–174

[5] 閔偉, 侯振安, 冶軍, 等. 灌溉水鹽度和施氮量對棉花根系分布影響研究[J]. 棉花學報, 2014, 26(1): 58–65

[6] 閆映宇, 盛鈺, 馮省利, 等. 膜下滴灌的土壤水分對棉花根長密度分布及產量的影響[J]. 灌溉排水學報, 2008, 27(5): 45–47

[7] 余炳鳳, 王海江, 侯振安, 等. 膜下滴灌水氮對不同生育期棉花根系與產量的影響[J]. 石河子大學學報, 2015, 33(3): 265–269

[8] 齊廣平, 張恩和. 膜下滴灌條件下不同灌溉量對番茄根系分布和產量的影響[J]. 中國沙漠, 2009, 29(3): 463–467

[9] 方怡向, 趙成義, 串志強, 等. 膜下滴灌條件下水分對棉花根系分布特征的影響[J]. 水土保持學報, 2007, 21(5): 96–100

[10] 漆棟梁, 吳雪, 胡田田. 施氮方式對玉米根系生長、產量和氮素利用的影響[J]. 中國農業科學, 2014, 47(14): 2804–2813

[11] 陳東, 王道杰, 郭靈輝, 等. 水分脅迫及土壤質地對新銀合歡幼苗根系生長的影響[J]. 中國水土保持, 2012(6): 34–38

[12] 譚勇, 張炎, 李磐, 等. 土壤對養分離子吸附特性初步研究. 土壤通報, 2006, 37(3): 465–469

[13] 杜紅霞, 馮浩, 吳普特, 等. 水、氮調控對夏玉米根系特性的影響. 干旱地區農業研究, 2013, 1(31): 89–100

Effect of Nitrogen Fertilization and Soil Texture on Cotton Root Traits and Yields Under Conventional Drip Irrigation

ZHANG Ze, MA Gexin, HAI Xingyan, ZHANG Dongming, ZHANG Guolong, WAN Fei, ZHANG Qiang, LV Xin*

(College of Agronomy, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832003, China)

A field experiment was conducted to study the effects of N fertilization and soil textures on cotton root characteristics and yield under conventional drop irrigation by using the method of minirhizotron technique and randomized field plots. The results showed that N fertilization and drop irrigation significantly reduced cotton length density and surface area, a significant negative correlation existed between fertigation and the two root parameters. Cotton root length densities in 0-20 cm were in an order of sand soil > clay soil > loam soil before flowering stage, but in an order of sand soil > loam soil > clay soil after flowering stage; Cotton length densities in 20-40 cm were in an order of loam soil > clay soil > sand soil, and it decreased significantly in sand soil than in other soil textures. The surface areas of coarse roots were in order of N2 (N 360 kg/hm2) > N3 (N 480 kg/hm2) > N1 (N 240 kg/hm2) > CK (no nitrogen). Correlation analyses showed that cotton root length density and surface area significantly influenced cotton yield, which indicates that decreasing cotton root length density and surface area is conducive to promoting cotton yield.

Nitrogen fertilizer; Soil texture; Drop irrigation; Root trait; Yield; Cotton

國家自然科學基金項目(31360301)資助。

(lxshz@126.com)

張澤(1983—)，男，河北廊坊人，博士，副教授，主要從事農業信息化與精準農業研究。E-mail：zhangze1227@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.03.025

S562

A