不同滴灌水肥配施模式對土壤硝態氮與棉花根系形態的影響

任江靜,呂 新,祁力敏，王藝晗,阮世進,劉 陽,張 強,張 澤

(1.石河子大學 農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832003；2.新疆生產建設兵團第八師石河子總場，新疆石河子 832003)

棉花是中國重要的經濟作物，是關系國計民生的戰略物資。新疆棉花種植面積約占全國的73.2%，產量占全國83.8%，是中國最大的優質商品棉生產基地[1]。氮素是維持植物正常生長的重要元素[2]，氮肥的不合理施用會導致棉花蕾鈴脫落、徒長、產量和品質及肥料利用率降低等問題[3-5]。因此，合理施氮對作物生長及氮素利用率提高起著重要作用。根系是植物吸收氮素的重要器官，其各形態指標均受到土壤氮素質量分數影響[6]，因此，通過監測根系生長可以較好地反映氮素對根系生長的作用效果[7]。根管法在不破壞根系生長的情況下監測棉花整個生育期內土壤中活體根系形態，包括根系長度、平均直徑、表面積、投影面積、根體積、根量等參數[8-9]，可實現全生育期作物根系生長的動態監測，為根系與土壤養分互作效應提供數據支撐。

膜下滴灌是國內外農業生產中較先進的灌溉技術[10]。研究表明，滴灌棉花細根的生長速率與死亡速率均高于漫灌，棉花生育期內細根動態表現為生死同步，且生長處于優勢地位，與漫灌相比，滴灌使棉花根系的生命活動更加旺盛[11]。索俊宇等[12]研究表明，在滴灌模式下，選擇優化施氮量，有利于降低棉田土壤無機氮的殘留量，從而降低氮向90cm以下土壤淋洗的風險，減少氮的浪費，有利于氮素集中于根系吸收的有效范圍內。陶垿[13]研究表明，在滴灌棉田中，高頻灌溉施肥，對土壤中硝態氮向深層土積累有堆積作用，選擇優化施氮有助于降低土壤無機氮的殘留量，從而降低硝態氮向更深土層淋洗的風險，最終證明N-W-N(施肥過程中先施氮肥，再灌清水，最后再施氮肥)的滴灌水肥配施模式棉花產量最高。

因此，本試驗基于前人研究，通過不同滴灌水肥配施模式處理對土壤硝態氮質量分數和棉花根系生長的影響研究，明確不同滴灌水肥配施模式條件下不同土層硝態氮的累積規律，進而闡明其對根系形態指標的影響效果，最終篩選出適合棉花生長的最優滴灌水肥配施策略，為棉花高產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年在新疆生產建設兵團第八師石河子總場進行(86°01′E，44°26.5′N)，該區海拔429 m，年日照時數2 721～2 818 h，無霜期168～171 d，≥10 ℃的活動積溫為3 570～ 3 729 ℃，屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱。試驗區土壤質地為壤土，土壤基礎理化性狀為：有機質19.90 g/kg，堿解氮 60.88 mg/kg，有效磷17.95 mg/kg，有效鉀134 mg/kg，前茬作物為棉花。

1.2 試驗設計

棉花品種為‘新陸早50號’，采用膜下滴灌灌溉方式。2018年4月中旬播種。采用小區試驗，膜寬205 cm，種植模式為66 cm+10 cm，1膜3管6行。試驗采用隨機區組設計，在N-W-N的滴灌水肥配施模式下設置水肥時間處理(W表示滴水，N表示滴肥)。在施肥時間不變的情況下，將總時間分成3個時間段，例如W1(1/3，1/3， 1/3)表示在施肥總時間的前1/3時間內滴肥，中間1/3時間只灌清水，后1/3時間繼續滴肥，設置4個處理表示為W1(1/3，1/3，1/3)、W2(1/2， 1/4，1/4)、W3(1/4，1/4，1/2)、W4(1/4，1/2， 1/4)，整個過程一直保持灌水狀態，每個處理重復3次，共設置12個小區。在棉花關鍵生育時期(盛蕾期、盛花期、盛鈴期、吐絮期)，按20 cm間隔采集0～60 cm土層土樣，以測定土壤硝態氮質量分數。利用CI-600根系檢測系統對0～20、20～40、40～60 cm土層根系進行掃描，后期利用軟件對掃描的根系圖片予以處理。

試驗根據N-W-N的施肥原則，將施肥時間按比例分為3個梯度，即將每個時期各處理下的施肥量分成兩部分(例：W1處理前1/3時間和后1/3時間滴肥，即2次投肥用量為1∶1，因此每次施肥對應2個肥量數據)，每一部分對應滴肥時間來進行肥料投放。4次施肥所用的肥料總量均為422.60 kg/hm2(大田常規施氮量)，每一次肥料用量分別為78.26 kg/hm2、93.91 kg/hm2、 117.39 kg/hm2、133.04 kg/hm2，表1為不同時期不同處理下的氮肥分配情況。

表1 不同滴灌水肥配施模式下氮肥分配情況Table 1 Nitrogen fertilizer distribution under different drip fertigation models

1.3 測定指標及方法

1.3.1 各土層根系形態監測 試驗于2018年4月中旬播種，待棉花出苗后，各處理分別選擇長勢良好的植株進行微根管安裝。一共安裝4根微根管，每根總長120 cm，與地面傾斜60°。每根微根管上部留出大約20 cm露出地面，用黑色膠布纏好并蓋上管蓋，以防止陽光暴曬或雨水灰塵等 進入管內影響后期的測量，微根管布置如圖1 所示。

本試驗自蕾期開始進行根系掃描，每10 d測定1次，每根微根管掃描3次，每次共掃描12張根系圖片，將圖片保存為BMP格式文件，再利用WinRHIZOTron根系分析軟件對掃描根系圖進行分析，得到根系長度(L)、平均直徑(AD)、表面積(SA)、根體積(V)、根尖數(NTips)的參數，建立根系數據庫再對各指標加以分析。

圖1 根系檢測Fig.1 The root system monitoring

1.3.2 各土層硝態氮測定 2018-06-24進行大田第1次施肥，施肥前后5 d進行土樣采集，每個處理選擇棉花長勢大致相同的3個區域進行打點采樣，每個樣點采集0～20、20～40、40～60 cm土層土壤，每次一共采集36個土樣，密封標記好，立刻帶回實驗室處理。每份土樣提取一份清澈浸提液，裝入小白瓶內，利用德國艾本德公司生產的連續流動分析儀進行硝態氮質量分數的測定。

1.4 數據處理

運用Microsoft Excel 2010軟件進行數據計算和作圖，采用SPSS 19.0軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05，α=0.01)，利用WinRHIZOTron根系分析軟件對掃描根系圖進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 不同滴灌水肥配施模式對土壤硝態氮的 影響

不同處理下各土層硝態氮質量分數呈先增后減再增最后穩定的趨勢(見圖2)。6月18日至7月10日各土層硝態氮質量分數逐漸增多，從7月19日開始隨著施肥量的增加，理論上硝態氮積累量應繼續增多，但從圖中可以明顯看出此時測得的40 cm土層硝態氮質量分數驟降，主要是由于此時處于棉花營養生長最旺盛的階段，棉花根系需要從土壤中攝取充足的養分來供應地上部分以達到保蕾保鈴的目的。從8月1日開始，棉花營養生長逐漸停止，逐步進入生殖生長時期，光合能力降低，各器官對養分吸收能力減弱，土壤養分再次積累，呈現出上升趨勢至后期趨于穩定。從各土層來看，在不同處理情況下，不同土層硝態氮積累量大致表現為W4>W3>W2>W1。在整個生育期內，不同時期的硝態氮均在40～60 cm土層積累最多，20～40 cm土層積累最少，表明20～40 cm土層硝態氮對棉花根系的供氮效果最好。從8月10開始植株生長逐漸停止，各水肥配施處理對硝態氮積累影響降低。

2.2 不同滴灌水肥配施模式對棉花根系形態參數的影響

2.2.1 棉花根系長度 由圖3可以看出，在不同處理下，各土層根長隨時間變化整體呈現先上升后下降的趨勢。6月18日至7月19日(此時處于蕾鈴期)，隨著時間的推移根系持續伸長，并且根系長度均在7月19日達到峰值，表明在此期間根系對土壤養分吸收效果最佳。7月19日至8月30日(鈴期至吐絮期)，根系生長逐漸衰退至最終穩定。按總體來看，W1處理下根系總長度在 0～1 000 cm范圍波動，最小值為9.86 cm，最大值為143.49 cm，較其他處理變動幅度大。整體來看，不同處理下的根系長度均在40 cm土層中表現最佳。

2.2.2 棉花根系表面積 由圖4可以看出，不同處理下，不同土層的根系表面積隨時間變化整體呈現先上升后下降的變化趨勢。6月18日至7月19日保持上升，并且均在7月19日達到峰值，此時地下根系需肥量最大，吸收土壤養分最多，生長最為旺盛。W1處理下，根系表面積在0～700 cm2，最大值為608.7 cm2，表明此處理下的根系養分吸收面積最大，同理，W4處理下根系養分吸收面積最小。整體來看，不同處理下的根系表面積均在40 cm土層中表現最佳。

2.2.3 棉花根系體積 由圖5可知，在不同處理下，不同土層的根系體積隨時間變化整體呈現先上升后下降的變化趨勢。同樣，不同土層根系體積均在7月19日達到峰值，表明此時根部吸收養分最旺盛，吸收效率最高。7月19日之后由于根系衰老萎縮死亡等原因，導致根系體積逐漸下降。W1處理下的根系總體積在0～40 cm3,最大值為38.72 cm3，長勢效果最好，W4處理的效果較其他處理差。整體來看，不同處理下的根系在40 cm土層中長勢最佳。

2.2.4 棉花根系直徑 由圖6可知，在不同處理下，不同土層的根系平均直徑隨時間變化整體呈先上升后下降最后保持穩定的變化趨勢。與其他根系形態指標不同的是，各處理之間根系直徑相差不大，均是在7月10日至7月19日有一個“突增”的現象，主要是由于在6月18日至7月19日處于棉花的盛蕾鈴期，各器官需肥量均達到了整個生育期的最大量，根系發育旺盛，在7月19日時生長達到峰值。7月19日后根系直徑開始下降，8月1日后由于棉花進入吐絮期，地上生長變緩慢，地下的生長同樣如此，因此根系直徑逐漸保持穩定。總體來看，4個處理下根系直徑生長均大致處于1.5～2.7 mm，且在40 cm土層生長狀況最佳。

圖3 不同滴灌水肥配施模式對根系長度的影響Fig.3 Effects of different drip fertigation patterns on root length

圖4 不同滴灌水肥配施模式對根系表面積的影響Fig.4 Effects of different drip fertigation patterns on root surface area

圖5 不同滴灌水肥配施模式對根系體積的影響Fig.5 Effects of different drip fertigation patterns on root volume

圖6 不同滴灌水肥配施模式對根系直徑的影響Fig.6 Effects of different drip fertigation patterns on root diameter

2.2.5 棉花根尖數 由圖7可知，棉花根尖數在整個生育期內呈現先增加后降低最后穩定的變化趨勢，同樣在7月19日時達到峰值。W1與W3處理下的20 cm和40 cm土層之間根尖數差異明顯，W2與W4處理下各土層之間根尖數差異不大。W1處理下的根尖數最多，W4處理下最少。總體來看，不同處理下的根系在40 cm土層生長狀況最佳。

2.3 不同處理的水肥配施模式優化篩選

2.3.1 不同土層間根系形態變化 由表3可知，不同土層水平下，對根系總根長、總根表面積、總根體積、根平均直徑、根尖數的影響均達到顯著水平。20～40 cm土層的總根長、總根表面積、根平均直徑、根尖數最大，分別為453.59 cm、258.68 cm2、13.08 cm3、1.70 mm、115.09，其中，0～20 cm土層中的總根長、總根表面積、總根體積與根尖數均與20～40 cm和40～60 cm土層根系指標呈顯著關系，20～40 cm與40～60 cm土層各根系指標表現為不顯著，根平均直徑在這3個土層表現均為不顯著。總體表明，棉花根系生長在 20～40 cm土層最為旺盛，直接證明了土壤養分大多集中在這一土層中。

2.3.2 不同處理間根系形態變化 本試驗將土壤分為3個不同土層，表4是在相同土層的不同處理下對根系形態進行分析。由表4可知，不同處理水平對總根長、總根表面積、總根體積、根尖數的影響均達到顯著水平。W1處理的總根長、總根表面積、總根體積、總根平均直徑、根尖數均高于其他處理，分別為518.57 cm、305.11 cm2、15.72 cm3、1.80 mm、114.04，其中，總根長、總根表面積、總根體積均與W2、W3、W4差異顯著。在5%水平下，W2處理的總根表面積、總根體積、根尖數均顯著大于W3、W4處理。W3與W4處理下的總根表面積、總根體積、根尖數并無顯著差異性。W2與W4處理下的總根長顯著大于W3，但二者之間差異并不顯著。在1%水平下，W2處理的總根長、總根表面積、根尖數與W3、W4處理均無顯著差異性，但總根體積顯著大于W3、W4處理，W3與W4處理的各項指標之間均無顯著差異。而所有處理條件下的根平均直徑之間未表現出顯著差異性。表明在W1處理下根系各形態生長達到最佳狀態，總根長、總根表面積、總根體積、根尖數有明顯變化，但對根平均直徑的影響并不明顯。

圖7 不同滴灌水肥配施模式對根尖數的影響Fig.7 Effects of different drip fertigation patterns on root tip number

2.3.3 不同滴灌水肥配施模式篩選結果 土壤硝態氮的積累情況始終對根系生長具有一定影響。圖2表明，隨著生育期的推進，不同處理的硝態氮質量分數表現為W4>W3>W2>W1。圖3～圖7表明，根系各形態指標均隨生育期推進呈現先上升后下降的趨勢，不同處理下表現為 W1>W2>W3>W4，表明由于W1處理下的土壤硝態氮被根系有效地吸收利用，因此使其在土壤中的質量分數最少。由此篩選出W1(1/3,1/3, 1/3)為N-W-N處理下的最優滴灌水肥配施模式。

表3 相同處理下不同土層間根系形態指標變化Table 3 Changes of root morphological indexes in different soil layer of the same treatment

注：不同字母表示5%(小寫字母)和1%(大寫字母)水平差異顯著，下同。

Note:Different letters indicates significant difference between 5%(lower case) and 1%(upper case),the same below.

表4 相同土層不同處理間根系形態指標變化Table 4 Changes of root morphological indexes in different treatments of the same soil layer

3 討論與結論

根系是植物吸收水分和養分的重要器官，利用微根管技術檢測棉花根系生長形態可以直觀地觀測根系動態生長情況[14]。張鋆鋆等[15]在植物根系研究進展中得出，根系形態特征與生理特性與地上部分各器官生長、發育、產量等都有著密不可分的聯系。因此，把握好根系在各土層的生長狀況，尤其是在與施肥方式的結合下更有利于植物養分的吸收[16]。本研究得出，在不同的滴灌水肥配施模式下，隨著棉花生育期的推進，棉花根系生長集中在20～40 cm土層，這與陳文嶺等[17]研究的利用微根管測得滴灌棉花根系密度主要分布在20～30 cm土層結論相符合。此外，本研究還發現根系在20～40 cm土層的各指標生長狀況優于0～20 cm與40～60 cm土層，通過測定0～60 cm土層硝態氮質量分數可知，20～40 cm土層硝態氮質量分數較其他土層低。這可能是由于根系對20～40 cm土層的硝態氮需求量最大，吸收效率高，根系生長最旺盛，最終導致該層硝態氮質量分數最低。同時，本研究還發現在不同水肥配施模式處理下，根系的總根長、總根表面積、總根體積、根平均直徑、根尖數各指標整體呈先上升后下降最終穩定的生長趨勢，且均在7月19日達到最大值；而各土壤硝態氮質量分數整體呈先增后減再增最后穩定的趨勢，且均在7月19日達到最低值。可能是由于7月19日處于棉花生長的蕾鈴期，對氮素吸收比苗期大幅度增加，這與王釗[18]研究滴灌棉花在花鈴期需肥量最大的結論相符。

氮素作為根系生長所需的重要養分元素，對產量提高的一個關鍵因素就在于根系對地下養分的利用情況[19]。本試驗以陶垿等[20]的N-W-N研究結果為基礎設定的試驗方案，再將水肥配施模式進行細分，發現W1(1/3,1/3,1/3)的水肥時間配比最能降低氮肥淋失的風險，提高根系對肥料利用率。這與唐志強等[21]得出的合理的施肥模式能夠使根系對養分更加高效利用的結論相符。本研究通過比較不同滴灌水肥配施模式下土壤硝態氮的積累情況以及根系生長狀況發現，采用N-W-N的施肥模式加上1/3,1/3,1/3等量的水肥配施時間比能夠進一步提高棉花對土壤養分的吸收效率，但由于試驗品種單一，只考慮到了根系形態與土壤硝態氮分布的關系而沒有考慮對根系其他生理活性的影響，因此還需對棉花根系生長進行更深入的探究。