新疆沙區油莎豆根系構型及產量對覆膜響應

鄭旭　郝東梅　陳瑞江　李魯華　張澤　張鳳華　王家平

摘要：研究南疆沙區油莎豆（Cyperus esculentus L.）對膜下滴灌的響應機制，為構建南疆沙區油莎豆高產栽培管理模式提供借鑒。通過設置覆膜（PF）和無膜（OF）處理，研究覆膜對土壤溫度、土壤含水量、油莎豆根系分布、產量及產量構成的影響。結果表明：與無膜相比，覆膜處理苗期至結豆初期15 cm土層土壤溫度和含水量分別提高3.76 ℃～4.33 ℃和2.66%～3.00%。覆膜栽培油莎豆根生物量、總根長、根系總表面積、根系平均直徑和根系總體積較無膜栽培分別提高32.7%、13.3%、66.1%、17.2%和64.9%（P< 0.05）。覆膜處理產量、單穴粒重、單穴粒數和百粒重均高于無膜，分別增加76.2%、147.3%、79.1%和18.0%。0～10 cm土層油莎豆根生物量、根長和根表面積與產量呈正相關關系。因此，覆膜提高了油莎豆生育前期的土壤溫度和含水量，優化了根系構型，是產量提高的關鍵因素。

關鍵詞：覆膜；油莎豆；根系分布；產量

中圖分類號：中圖分類號S565.9文獻標志碼：A文獻標識碼

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

綠洲沙漠交錯帶風沙土可作為后備土壤資源，其土壤貧瘠、質地粗、蓄水能力低，漏水漏肥嚴重，土地生產力低，但具有增溫快，晝夜溫差大，適宜地下塊莖作物生長的特點［1-2］。油莎豆（Cyperus esculentus L.）是原產于非洲的莎草科莎草屬多年生草本植物，20世紀60年代初引入我國廣泛種植，因其根系發達，分蘗能力強，生育期短，生物量大，抗逆性強，且適應范圍廣，是一種優質、高產、高附加值的新型生態經濟作物［3-4］。油莎豆根系發達并且在土壤中分布密集，適合在沙區進行種植，對土體進行有效固結和支撐，具備防風固沙作用［5］，改善當地生態環境，已列入農業農村部《十四五種植業發展規劃》特色油料作物。因此，研究油莎豆在風沙前沿區域的生長適應性和關鍵栽培種植技術，對增加當地農民收入、充分發揮其經濟和生態效益具有重要意義。

覆膜栽培由于其良好的保溫保墑功能，是農業生產中的一項節水增產的栽培措施，在我國的農業生產中已被廣泛推廣和應用［6］。覆膜栽培能夠提高作物生長前期地溫［7］，創造早播條件，延長作物生長時間。同時還能夠提高肥料利用效率，減少土壤水分蒸發［8-9］，研究［10-11］發現，覆膜可大幅度提高棉花（Gossypium hirsutum L.）和玉米（Zea mays L.）的水分利用效率和產量，增加玉米干物質運轉率、光合速率和氮素吸收效率［8］。覆膜阻斷了土壤水分與外界的直接交換，減少土壤水分蒸發散失，提高了耕層土壤含水量，作物可利用水分增加［6］。王建國等［12］研究表明，覆膜處理增加0～40 cm土層根系長度、根表面積和根體積，提高了根系在深層土壤的分布比例。覆膜通過增加積溫，降低水分蒸發，創造適宜的土壤環境，促進作物地上地下協調發展，提高作物產量［1，6，13］。Zhang等［9］研究表明，覆膜重塑根系根長、根體積和根生物量等指標，提高了玉米對氮肥利用效率。Lu等［14］研究發現，覆膜提高了玉米生育期5～15 cm土層的土壤溫度和0～100 cm土層的土壤含水量，玉米產量提高15.2%～23.2%。查麗等［15］研究表明，壟作與覆膜促使根系生長，提高根系對深層土壤空間的分布，促進玉米植株的生長和籽粒的灌漿結實，提高產量。Li等［6］通過對36篇覆膜對根系性狀綜合影響的研究發現，覆膜延長了根系的生長周期，根長、根質量密度和根系平均直徑對產量影響最大。可見，根系生長發育和分布對作物產量的形成具有重要意義。

目前，關于覆膜的研究主要集中在土壤理化特性、微生物變化、作物生長發育和產量方面［3，16］，關于覆膜對油莎豆根系分布的影響及其產量形成的研究相對較少。本研究通過設置覆膜與無膜處理，對油莎豆根系采用分層取樣法，分析覆膜對沙區油莎豆根系空間分布與產量的影響，為新疆沙區油莎豆高產栽培提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在新疆生產建設兵團第三師54團3連進行（38°38′N，77°6′E），屬暖溫帶大陸性氣候。2021年平均氣溫12.3 ℃，年平均降雨量56.6 mm，年平均蒸發量2246 mm，無霜期192 d。供試土壤類型為風沙土，0～20cm土壤pH值8.9～9.2，有機質為1.90～2.32 g·kg-1，堿解氮為5.9～7.7 mg·kg-1，速效磷8.52～9.33 mg·kg-1，速效鉀35.67～37.66 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗設2個處理，即覆降解地膜處理（Plastic film，PF）和無膜處理（Open field，OF），覆膜方法為將薄膜平鋪后在薄膜邊緣覆土。試驗采用隨機區組設計，3次重復，共6個小區。每個小區15 m×8 m，共120 m2。地膜為厚0.015～0.020mm、寬205 cm的降解地膜。

油莎豆在2021年5月12日播種，5月18日出苗。播種方式為機播，株距10 cm，行距37 cm，種植密度為142 860株·hm-2。采用一管兩行滴灌模式，灌水量為3750 m3·hm-2，全生育期灌水12次，灌水周期平均7 d/次，肥料隨水滴施。施純N量80 kg·hm-2、施P2O5量75 kg·hm-2，施K2O量50 kg·hm-2。供試肥料分別為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。其它栽培管理措施與當地高產田保持一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤溫度測定

2021年5—9月，采用FDR-101土壤溫濕傳感器（LAYTION，中國）進行測量記錄，在試驗小區布置后將探針埋入土壤15 cm深度，每隔 30 min記錄一次。

1.3.2 根系性狀測定

分別在苗期（6月5日）、分蘗期（7月1日）、結豆初期（8月5日）、結豆盛期（8月25日）和成熟期（9月15日）采用根系分層取樣方法［20］，選擇具有代表性的 1 株油莎豆植株及根系取樣。將每一土塊中所有根系分別取出，把根系表面清洗干凈后放入自封袋中，帶回實驗室。用Epson Perfection V700 型根系掃描儀（分辨率為1200 dpi），將根系樣品掃描成圖片文件，然后用根系分析軟件（WinRhizo，Rengent Instruments Inc.， Canada）測定根系長度、根系平均直徑、根系表面積和根系體積。

1.3.3 產量性狀測定

成熟后每個小區選取長勢均勻1 m2植株測產，將收獲塊莖沖洗干凈，自然風干7 d后，在45℃烘箱中烘至恒重測定塊莖產量和百粒重。同時每小區隨機取10株考種，測定單株塊莖數和單穴重。

1.4 數據處理

1.4.1 根長密度

根長密度分布比例（%）= 不同土層根系長度/整個土層總根系長度×100。（1）

1.4.2 根系垂直分布模型

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

Y = 1-βd（2）

公式（2）中Y為從地表到深度d的根系根長累計分數（分數值在 0～1 之間）；d 為土層深度（cm）；β為根系根長削弱系數。β高說明根系在深層土壤中分布比例大；β低則說明根系集中分布于接近地表的土層中。還可以通過此方程計算D50和D90，分別表示根長累積 50 %和90 %時的深度。

1.5 統計與分析

采用 IBM Statistics SPSS21.0軟件進行數據處理，用LSD進行差異性檢驗（P＜0.05），相關圖表的繪制在Origin 2021b中完成。

2 結果與分析

2.1 覆膜對油莎豆土壤溫度和含水量的影響

由圖1可知，覆膜處理可以顯著提高油莎豆生育前期土壤溫度和土壤水分。在油莎豆生育期，覆膜顯著增溫主要集中在苗期、分蘗期和結豆初期，之后覆膜增溫逐漸不顯著。在苗期、分蘗期和結豆初期，覆膜較無膜分別增溫3.97℃、4.33℃和3.76℃，達顯著性差異水平。結豆盛期和成熟期覆膜處理較無膜處理溫度提高0.43℃和0.52℃，無顯著性差異。

土壤含水量變化特征與土壤溫度變化一致，各生育期均表現為覆膜處理>無膜處理。苗期至結豆初期，覆膜處理土壤含水量比無膜處理高2.77%、3.00%和2.66%（P <0.05）；結豆盛期和成熟期，覆膜處理土壤含水量比無膜處理高0.73%和0.35%。

2.2 覆膜對油莎豆根系形態的影響

由圖2可知，各處理總根長、根表面積和根體積隨生育期增加而增加，覆膜處理顯著高于無膜處理（P<0.05）。結豆初期，根長增長率達到最大，覆膜處理較無膜處理高16.5%，且差異性顯著（P<0.05）。結豆盛期，覆膜處理根表面積和根體積增長率達到最大，分別為3.24 cm2·d-1和0.22 cm3·d-1。成熟期，根長、根表面積和根體積以覆膜處理最高，無膜處理最低，二者差異均達到顯著水平。

2.3 覆膜對油莎豆根系空間分布的影響

由表1可見，覆膜與無膜處理間的根系形態差異隨油莎豆生長呈現縮小的趨勢，但5個時期覆膜處理的根長、根表面積和根體積均顯著高于無膜處理。

覆膜和無膜處理根系形態隨土層深度逐漸降低（0～10 cm>10～20 cm>20 cm以下）。覆膜處理0～20 cm土層土層深度為0～20 cm時，覆膜處理的根長、根表面積和根體積均高于無膜處理，二者之間差異顯著（P<0.05）。通過對根系垂直分布模型的根系削弱系數β及D50、D90的分析，覆膜處理和無膜處理的β分別為0.9130和0.8858，覆膜處理和無膜處理的根系削弱系數相差較大，且達到顯著性差異。覆膜處理下90%根系分布于0～25.19 cm，較無膜處理增加了32.72%。覆膜處理可加大根系垂直分布深度，促進根系下扎，根系削弱系數（β）上升，根系集中分布層逐漸下降（表2）。

2.4 覆膜對油莎豆根長密度的影響

根長密度是衡量植物吸收水分、養分速率的重要指標之一。圖3表明，整個生育期，根長密度主要分布在0～20cm土層，比例為81.62%～100.00%。分蘗期，覆膜處理10～20 cm根長密度顯著高于無膜處理（P<0.05）。結豆初期至成熟期，覆膜對0～10 cm土層根長密度比例無顯著影響，但覆膜栽培10～20cm土層和20 cm以下根長密度比例較無膜栽培分別高了3.83%～6.27%和4.81%～10.23%，表明覆膜提高了10 cm以下土層內根長密度，增加了根系吸收水分和養分的接觸面積，進而提高了10 cm以下土層的水分和養分利用效率和強度。

2.5 覆膜對油莎豆根系生物量和產量的影響

由圖4可知，覆膜對全生育期油莎豆根生物量具有顯著影響。全生育期不同處理土層根系生物量大小分布依次為0～10 cm>10～20 cm>20cm以下，且覆膜措施顯著提高了各土層油莎豆根生物量（P<0.05），擴大了根系在土壤垂直方向上的分布。苗期，各處理根系主要生物量分在0～10 cm土層，覆膜栽培根系生物量較無膜栽培提高4.52 %。分蘗期，覆膜處理0～10 cm土層根生物量較無膜處理增加了16.67%（P <0.05），10～20 cm土層增加了9.22%（P <0.05）。結豆初期覆膜處理根系生物量比無膜處理增加47.89%（P <0.05）。成熟期覆膜處理0～20 cm和20 cm以下土層根系生物量較無膜栽培分別提高32.71%和64.47%。說明覆膜措施促進油莎豆根系在深層土壤的分配比例，有利于根系對深層土壤水分和養分的吸收。覆膜處理對油莎豆產量和其構成因素均有顯著影響（表3）。覆膜處理單穴粒數、單穴粒重和百粒重與無膜處理相比，分別提高9.17%、147.37%和21.95%，增產76.22%。

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 覆膜對根系形態特征的影響

根系是作物吸收土壤水分和養分的重要器官，其形態建成和分布易受土壤環境因子的影響［17］，適宜的栽培措施和水肥管理可以為根系提供一個良好的生長環境［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、總長度、表面積和體積。Zhang等［9］在大豆玉米間作系統研究表明，覆膜改善了玉米根系的生長環境，較無膜處理玉米根長和生物量分別增加了10.68%和8.30%。本研究中，覆膜栽培總根長、根系總表面積、根系總體積、根系平均直徑顯著高于無膜栽培，這與前人的研究結論相一致［9］，這是因為覆膜減少土壤蒸發，增加了土壤含水量，促進了根系生長。

根系形態特征，如深層根系分布，提供了根系在深土層分布信息［9］。查麗等［15］研究發現，覆膜有利于根系生長，增加根系對深層土壤空間的分布，為玉米高產提供了一定的基礎。本研究發現，與無膜處理相比，覆膜處理的深層土壤根長占比明顯增加。無膜種植大部分根系分布于表層土壤，并且隨著土層深度的增加，根系逐漸減少［17］。而本研究發現覆膜處理根系隨土壤深度減小幅度小于無膜，導致20cm以下土層根長占比增大（表1），與覆膜后土壤溫度增加和水分保持有著密且關系。

3.1.2 覆膜對根系空間分布的影響因素

根系的空間分布是反映植物地下部對外界環境響應的重要指標之一［6，20］，同時也是根系分布的直接體現［21］。覆膜會引起土壤溫度和濕度的變化，從而改變根系空間分布特征［22］。本研究結果表明，覆膜可以顯著提高0～15 cm土層土壤溫度，為根系生長提供適宜環境，促進根系向20 cm以下土層延伸，這與前人研究結果一致［6，9］。覆膜處理下0～20 cm土層根體積和根干重顯著高于無膜處理，這可能是覆膜提高了土壤溫度和含水率，為根系提供了更好的生長環境，促進了根系生長［23］。查麗等［15］在覆膜對丘陵玉米根系分布研究發現覆膜使玉米根系向深層土壤發展，深層土壤根系占比增加，這是為了增加根系與土壤的接觸面積，提高根系對水分、養分的吸收能力［6，10］。

苗期至結豆初期，覆膜處理土壤含水量和溫度顯著高于無膜處理，表明覆膜增溫促進了油莎豆根系生長發育，提高吸收水分和養分的能力降低了土壤水分蒸發，阻斷了土壤與空氣的熱交換。結豆初期至成熟期，覆膜處理和無膜處理土壤含水量和溫度均沒有顯著差異，因為生育后期地上部分被植株葉片全部覆蓋，覆膜帶來的保水保墑作用降低。Fang等［20］研究得出，覆膜提高玉米苗期0～30 cm土壤溫度和濕度，促進根系向深土層延伸。本研究表明覆膜各土層根生物量顯著高于無膜（表1），說明覆膜促使根系向深層土壤發展，提高了水分、養分的吸收與運輸能力［6，21］，同時，本研究發現覆膜栽培深處土壤根系分布顯著高于無膜栽培（表2，圖3）。

3.1.3 根系性狀與分布對油莎豆產量的影響

油莎豆產量與根系形態和根系生物量呈顯著正相關關系（表4），作物產量與根系性狀密切相關。與前人研究玉米［9］、水稻［24］、小麥［25］得出產量與根系總長、不同土層根生物量占根系總生物量比率均呈顯著正相關或極顯著正相關關系結果一致。Fang等［20］研究表明，玉米根長、根干重、根表面積與土壤水分利用效率、養分利用效率顯著提高了產量。大量研究表明，作物根系分布對作物生長和產量形成具有重要作用［6，20］，張寅等［26］研究發現覆膜栽培增加20～40 cm土層的玉米根長密度，產量提高9.0%。覆膜顯著改變了油莎豆根系生長和根系分布（表1），油莎豆單穴粒數和百粒重（表3）顯著增加，從而提高了油莎豆產量。

本實驗研究了覆膜對油莎豆根系分布及產量的影響，但是對覆膜條件下水肥調控根系生長與分布并未進行分析，無法進一步分析水肥對根系的調節作用，進而對產量形成的影響，因此在后續研究中應該關注不同水肥耦合條件下油莎豆根系生長、分布及產量的變化，以期進一步探尋最優水肥配置，這可能是提高沙地油莎豆產量的有效途徑之一。

3.2 結論

通過研究覆膜處理下油莎豆全生育期根系形態、產量及產量構成因素，發現覆膜顯著影響新疆沙區不同土層油莎豆根系分布特征和產量，促進根系向深土層生長，提高了根系在深層土壤分布比例，提高了根系對深層土壤水分的吸收，促進油莎豆生長發育，實現增產。覆膜處理根系性狀和產量均高于無膜處理，覆膜后油莎豆根長、根體積、根表面積和平均根直徑顯著提高，較無膜處理增加30.93%、7.58%、8.07%和12.58%，產量、單穴粒數、單穴粒重和百粒重分別由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。合理的栽培技術，改善了土壤環境，為根系生長發育和根系形態構建提供了基礎，促進了根系向深層土壤生長，從而優化根系空間布局，提高根系對養分和水分的獲取，為增產增效提供保障。本研究結果可為沙區油莎豆高產栽培提供參考依據，但關于覆膜對根系分布和產量的影響機制現需要進一步深入研究。

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（責任編輯：編輯郭蕓婕）

收稿日期：中文收稿日期2022-04-27

基金項目：中央引導地方科技發展資金項目（2060404），第三師圖木舒克市科技計劃項目（S202102GG036）

作者簡介：鄭旭（1996—），男，碩士研究生，專業方向為綠洲生態與農作制度。

*通信作者：王家平（1984—），男，副教授，從事農田生態環境與農作制度方向的研究，e-mail： 2006wjp@163.com。