不同連作年限對棉花根系形態和產量的影響

葉祖鵬，白旭明，陳波浪

(農業部西北綠洲農業環境重點實驗室，新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆烏魯木齊830052)

新疆是我國最早植棉的地區之一，從1950年兵團開始大面積種植棉花以來，通過引進棉花新品種和提高棉花種植技術，新疆棉花的種植面積和產量不斷增加。矮化、密植和膜下滴灌等技術的推廣，使得新疆在2016年的棉花種植面積達到了215.49萬hm2，占新疆農作物種植面積的34.66%，產量約為 420 萬 t，平均單產為 4 879 kg·hm-2［1］。棉花已經成為新疆不可替代的支柱產業，是農民增收的主要來源之一，但受限于新疆地質特點、氣候條件、種植習慣及經濟利益驅動等因素，使得新疆棉花種植不可避免地選擇了連作模式，并且連作時間極長。棉田長期連作易導致土壤養分失調、理化性質惡化以及病蟲害增多，使得棉花早衰、減產和品質下降等連作障礙凸顯，嚴重制約著新疆棉花產業的可持續發展［2-3］。

根系不僅對作物起固定、支持和吸收養分的作用，更是作物與土壤直接接觸的器官，連作導致的土壤環境變化將直接或間接作用于根系，進而影響作物的生長發育。作物根系生長受環境尤其是土壤環境中許多因素的限制，包括養分、水分以及土壤物理特性等因素［4-7］，氮磷鉀養分供應不足會抑制根系的生長，適宜的水分供給有利于根系的生長，過高或者過低的土壤容重都會造成根長、根體積的減少。張文明等［8］的研究發現，馬鈴薯受到連作障礙時可以通過刺激根系的生長、提高根長以及根表面積等方式適應連作帶來的環境脅迫。根長密度與根表面積指數是根系吸收養分能力的重要指標，研究表明，根長密度與根表面積指數越大，根系吸收養分的能力就越強［9］。覆膜植棉長期連作后造成大量不易分解的地膜殘留在棉田土壤中，殘膜改變土壤理化性質，增加了土壤容重，阻礙了棉花根系生長，使棉花根系呈現叢生型和雞爪型等畸變根型［10-11］。

目前，有關連作的研究大多集中在馬鈴薯［8，12］、大豆［13］、玉米［14］等農作物上，并取得了很多研究成果。有關棉花連作的研究主要集中在土壤理化性質［15-16］、肥力演變［17-18］、微生態環境［19-20］以及化感物質［21］等方面。根系作為作物與土壤之間的紐帶，是作物吸收養分，水分和感知環境的重要器官。連作是否影響棉花根系形態?不同直徑范圍內根系形態如何響應連作?這些科學與生產問題還有待研究。因此，本文通過空間網格取樣法，精確定量田間棉花根系的土壤空間分布，探討不同連作年限對棉花根系形態變化特征的影響，為生產上減輕連作障礙，建立科學的栽培制度，實現新疆棉花高產優質和持續化生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在新疆北部典型棉區瑪納斯縣新湖農場(44°79＇E，86°44＇N)進行，該地區屬于溫帶大陸性氣候，氣溫溫差較大，年平均氣溫7.2℃，氣溫最高月(7月)平均氣溫24.4℃，氣溫最低月(1月)平均氣溫-18.4℃，極端最高氣溫 39.6℃，極端最低氣溫-37.4℃。年日照時間可達2 500～3 000 h，氣候較為干燥，年降水量較低，無霜期為160～180 d。2016年棉花生育期月平均氣溫與月平均降水量狀況見圖1。

圖1 棉花月平均氣溫和月降水量Fig.1 Average monthly temperature and precipitation in the cotton growing area

1.2 試驗設計

在新湖農場一連四隊棉花種植區域內選取土壤質地和種植管理模式相近的不同連作年限棉田進行田間試驗，其處理依次為連作5 a(A1、A2)、連作 10 a(B1、B2)、連作 20 a(C1、C2)。供試土壤類型為灰漠土，棉田土壤基本理化性質見表1。棉花品種為新陸早45，種植模式采用1膜6行的膜下滴灌模式，膜寬2.2 m，膜間寬0.5 m，寬窄行(66 cm+10 cm)，株距10 cm，理論株數為27萬株·hm-2，一膜三管，灌溉統一為6 000 m3·hm-2。氮肥用尿素，用氮量按N 300 kg·hm-2，40%作為基肥在播前施入，60%分8～10次隨水滴施，磷肥用量為P2O5150 kg·hm-2，鉀肥用量為 K2O 75 kg·hm-2，磷、鉀肥作為基肥施入，水肥管理及農藝措施與農場的生產管理模式保持一致。

1.3 樣品采集與測定

在棉花根系生長和養分吸收的關鍵時期——花鈴期(8月20日)采集植物樣品，每個地塊選取長勢相近的棉株隨機采集3個點，利用直徑為8 cm的根鉆，以兩株棉株為中心(采取土樣前先將地上部分剪除)，分別在左(2鉆)、中(1鉆)、右(2鉆)取不同層次(0～5、5～10、10～20、20～40 cm)的根和土壤，裝入自封袋中。后將每個自封袋中肉眼可見的根系挑出，用去離子水沖洗，采用WinRHIZOron MF 2011年軟件分析、掃描，獲得數據化圖像，得到根長、根表面積以及直徑分級為≤0.4 mm(細根)、0.4～1.2 mm(中根)、≥1.2 mm(粗根)范圍內的根系長度、表面積等根系參數［22］。根系樣品掃描后放入紙袋中，在105℃殺青30 min，然后70℃烘干至恒重，稱量根系干物質質量(g·株-1)，并計算每株棉花的根系平均質量。在吐絮期后進行測產，測產方法為各個年限地塊隨機選擇棉花植株長勢均勻的3個小區(面積為22 m2)進行計數，獲得每個小區內的全區株數、單株結鈴數。每個小區分3次采收每株上、中、下部共90朵完全吐絮棉桃，測定平均單鈴重。皮棉產量根據每公頃棉株數、單株的平均結鈴數和平均單鈴重計算各小區產量，折算出單位面積產量。

1.4 數據處理

用Excel 2013進行數據整理，用SPSS13.0進行單因素分析(LSD法)，用Orgin 18.0軟件作圖。根長密度(RLD)和根表面積指數(RAI)用Surfer 8.0軟件以等高線形式呈現。根長密度為單位土壤體積內的根系長度［22］，單位為cm·cm-3;根表面積指數為單位土體面積上根表面積［23］，單位為 cm2·cm-3。

2 結果與分析

2.1 不同連作年限對棉花單株根干重的影響

圖2顯示，棉花根干重隨著連作年限的增加而增加，連作10 a處理和連作20 a處理的平均根干重較連作5 a處理分別增加了57.16%和50.80%。表2結果進一步顯示，0～5 cm土層中連作10 a處理的根干重顯著高于連作5 a處理，平均增加了46.90%;5～10 cm土層中平均根干重表現為連作20 a處理＞連作10 a處理＞連作5 a處理;10～20 cm土層中根干重無明顯差異;20～40 cm土層根干重與0～5 cm土層一致，即連作10 a處理的根干重顯著高于連作5 a處理。根干重隨著土壤深度的增加而下降，主要分布在0～10 cm土層，約占總根質量的74.38%～87.83%。

表1 供試區域土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soils in the study area

2.2 不同連作年限對棉花根長密度的影響

圖2 不同連作年限對棉花單株根干重的影響Fig.2 Effects of different continuous cropping years on dry root weight of cotton root per plant

表2 不同深度土層下棉花根干重的分布特征Table 2 Distribution characteristics of cotton root dry weight in different soil layers

圖3 不同連作年限對棉花根長密度的影響Fig.3 Effect of different continuous cropping years on cotton root length density(RLD)

從圖3可知，隨著連作年限的增加，棉花根長密度呈先增加后減少的趨勢。在0～5 cm土層中連作10 a處理與連作20 a處理棉花的平均根長密度分別是連作5 a處理的3.90倍和2.82倍;在5～10 cm土層中連作10 a處理與連作20 a處理的根長密度分別是連作5 a處理的1.34倍和1.15倍;在10～20 cm和20～40 cm土層中連作5、10、20 a的棉田根長密度分別為 0.125、0.307、0.149、0.049、0.203、0.085 cm·cm-3。根系在水平方向以棉株為原點逐漸向兩邊遞減分布，垂直方向根系隨著土層深度的增加而減少，根系主要分布于0～10 cm土層。

由表3可知，棉花以直徑為0～0.4 mm的根系最多，約占棉花根長的54.66%～64.16%。連作年限對棉花0～0.4 mm和0.4～1.2 mm根系根長影響顯著，但對不同直徑根系分配比例無顯著影響，其中連作10 a的處理0～0.4 mm根系根長最多，達611.28～684.69 cm·株-1。

2.3 不同連作年限對棉花根表面積指數的影響

由圖4可知，連作對棉花根系總表面積指數的影響顯著，0～40 cm土層連作10 a處理的根表面積指數最大，分別比連作5 a和連作20 a處理提高130.93%和50.52%。0～5 cm、5～10 cm土層中連作10 a與連作20 a的處理分別較連作5 a處理根表面積提高了163.39%、81.85%和50.97%、11.09%;在10～20 cm和20～40 cm土層中，連作5、10、20 a處理的表面積指數分別為 0.009、0.019、0.011 cm2·cm-3和0.004、0.014、0.007 cm2·cm-3。隨著土壤深度的增加，土壤根表面積指數逐漸下降，連作5、10、20 a處理0～5 cm土層根表面積指數分別是20～40 cm土層的3.2～7.1、1.8～11.8倍和3.5～5.4倍。

2.4 不同連作年限對產量的影響

圖5顯示，棉花產量隨著連作年限的增加呈現先增加后降低的趨勢，連作10 a處理的產量(平均產量為5 633.90 kg·hm-2)顯著高于連作20 a處理和連作5 a處理(P＜0.05)，較其平均值分別提高了14.96%和26.53%。

表3 不同連作年限對不同直徑棉花根系的影響Table 3 Effects of continuous cropping years on cotton roots with different diameters

圖4 不同連作年限對棉花根表面積指數的影響Fig.4 Effects of different continuous cropping years on root surface area index(RAI)of cotton

圖5 不同連作年限對棉花產量的影響Fig.5 Effects of different continuous cropping years on cotton yield

2.5 皮棉產量和根系性狀相關性分析

表4顯示，棉花產量和根長密度、根表面積密度以及細根長呈極顯著正相關，與中根長顯著相關，與根干重和粗根長無顯著相關性。由此表明，棉花根系，尤其是細根長對棉花產量貢獻最大。

3 討 論

長期連作會導致植棉土壤理化性質改變、養分嚴重失衡、自毒有害物質積累等土壤微環境的變化。這些變化會不同程度地限制根系生長并使之處于脅迫環境中［24］。根系作為植物重要的代謝器官，根系生長的好壞將直接影響作物的生長狀況以及最終產量的形成。作物根系形態反映根系生長發育的基本狀況，根干重、根長密度和根表面積作為根系形態的主要指標，是最常用的估計參數［25］。本研究發現，不同連作年限處理間棉花根系干重有顯著性差異，隨著連作年限的增加棉花根干重呈增加趨勢，連作10 a和連作20 a地塊較連作5 a地塊根系干重平均增加了57.16%和50.80%，0～10 cm土層中連作10 a處理的根干重顯著大于連作5 a處理;隨著連作年限增加棉花根長密度和根系表面積指數表現為先增加后減少，連作10 a處理的根長密度和根表面積指數較連作5 a處理和連作20 a處理分別平均增加了 134.23%、48.67%和 130.93%、50.52%;棉花根系主要集中在0～10 cm土層，連作10 a處理在0～10 cm土層中的平均根長密度分別是連作20 a處理與連作5 a處理的2.10倍和1.27倍，平均根表面積指數分別是1.87倍和1.15倍。這些結果表明棉花根系形態對連作的響應存在一個年限閾值，這與張文明等［8］在馬鈴薯上報道相似(馬鈴薯連作閾值為2 a)，產生這一結果原因可能與棉花連作在土壤肥力特征［26-27］、土壤物理組成［28-29］、土壤物理特性［15，30］等方面存在年限閾值并間接影響根系形態有關。如玉蘇甫·買買提等［16］的研究，連作棉花土壤肥力特征的年限閾值約為10～15 a，其有機質含量較連作5 a和連作20 a分別增加了4.04 g·kg-1和3.28 g·kg-1;土壤全氮含量較連作5 a和連作20 a分別增加了1.41 g·kg-1和0.044 g·kg-1;土壤速效磷含量較連作5 a和連作20 a分別增加了1.09 mg·kg-1和 8.31 mg·kg-1。買合皮熱提·吾拉木等［29］的研究發現，連作10～15 a棉田表層土壤的粘粒和粉粒含量最高，沙粒含量最低。徐文修等［31］的研究發現，連作12 a的棉田土壤容重最低，其土壤容重值比連作5 a降低4.4%，較連作15 a土壤容重值降低了6.4%;萬素梅等［30］的研究也發現，連作10 a的土壤容重較連作3 a和15 a的降低了0.022 g·cm-3和0.192 g·cm-3。另外，根系的調節受土壤供肥能力和土壤理化性質調控，據崔佩佩等［4］的研究發現，適宜的 N、P、K 配施能夠顯著提高根系的生物量、根長和根表面積;孫玉蓮［32］和宋家祥［33］等的研究發現在 1.1～1.5 g·cm-3容重范圍內，棉花根系總根長呈現先升高后降低的趨勢，適宜的土壤容重有利于棉花根系生長，過高或過低的容重會阻礙根系的生長和分布［34］。

表4 棉花根系形態與產量的相關系數Table 4 Correlation of yield with cotton root morphological characteristics

不同直徑范圍根系的養分吸收能力存在著差異，普遍認為細根的養分吸收能力強于中根和粗根。本研究發現，連作10 a處理的細根長和中根長顯著高于連作5 a處理和20 a處理。但各處理的細根長和中根長占總根長的比例無明顯變化，連作10 a處理的粗根長占總根長比例顯著低于連作5 a處理和連作20 a處理。這可能是由于連作導致了土壤肥力、土壤物理組成、土壤物理特性等環境的改變，作物為適應這些變化，通過調節根系構型(如根直徑的大小和比例)來獲取更多的養分和水分來滿足植株的生長需求。據崔佩佩等［4］的研究發現，與只施用NP、NK肥的處理相比，NPK配施處理顯著提高了高粱細根根長;王德玉等［35］的研究發現，機械壓實土壤，增大土壤容重能夠顯著抑制黃瓜根系的伸長生長和側根的發生，并且土壤緊實脅迫可促進根系的加粗生長，使黃瓜的根平均直徑增大。本試驗結合棉花根系分布(圖3、圖4)以及根直徑大小和比例(表3)的結果發現，連作10 a地塊的棉花根系形態較優。另外，通過對棉花根系形態參數與產量的相關分析進一步表明，良好的根系系統(如根長密度、根表面積指數、細根長等)是作物高產、高效的必要保障［36］。本研究發現，棉花產量與根系形態參數變化趨勢一致，均在連作10 a達最大值。