新疆沙区油莎豆根系构型及产量对覆膜响应_郑旭.pdf

第 卷 第 期 年 月石河子大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：中央引导地方科技发展资金项目（），第三师图木舒克市科技计划项目（）作者简介：郑旭（），男，硕士研究生，专业方向为绿洲生态与农作制度。通信作者：王家平（），男，副教授，从事农田生态环境与农作制度方向的研究，：。：.文章编号：（）新疆沙区油莎豆根系构型及产量对覆膜响应郑旭，郝东梅，陈瑞江，李鲁华，张泽，张凤华，王家平，（石河子大学农学院，新疆 石河子；新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子；绿洲作物高效生产与农业环境保护国家国际科技合作基地，新疆 石河子）摘要：研究南疆沙区油莎豆（）对膜下滴灌的响应机制，为构建南疆沙区油莎豆高产栽培管理模式提供借鉴。通过设置覆膜（）和无膜（）处理，研究覆膜对土壤温度、土壤含水量、油莎豆根系分布、产量及产量构成的影响。结果表明：与无膜相比，覆膜处理苗期至结豆初期 土层土壤温度和含水量分别提高.和.。覆膜栽培油莎豆根生物量、总根长、根系总表面积、根系平均直径和根系总体积较无膜栽培分别提高.、.、.、.和.（.）。覆膜处理产量、单穴粒重、单穴粒数和百粒重均高于无膜，分别增加.、.、.和.。土层油莎豆根生物量、根长和根表面积与产量呈正相关关系。因此，覆膜提高了油莎豆生育前期的土壤温度和含水量，优化了根系构型，是产量提高的关键因素。关键词：覆膜；油莎豆；根系分布；产量中图分类号：.文献标志码：，（，；，；，）：（）（），.，.，.，.，.，.，.，.，：；绿洲沙漠交错带风沙土可作为后备土壤资源，其土壤贫瘠、质地粗、蓄水能力低，漏水漏肥严重，土地生产力低，但具有增温快，昼夜温差大，适宜地下块茎作物生长的特点。油莎豆（）是原产于非洲的莎草科莎草属多年生草本植物，世纪 年代初引入我国广泛种植，因其根系第 期郑旭，等：新疆沙区油莎豆根系构型及产量对覆膜响应 发达，分蘖能力强，生育期短，生物量大，抗逆性强，且适应范围广，是一种优质、高产、高附加值的新型生态经济作物。油莎豆根系发达并且在土壤中分布密集，适合在沙区进行种植，对土体进行有效固结和支撑，具备防风固沙作用，改善当地生态环境，已列入农业农村部十四五种植业发展规划特色油料作物。因此，研究油莎豆在风沙前沿区域的生长适应性和关键栽培种植技术，对增加当地农民收入、充分发挥其经济和生态效益具有重要意义。覆膜栽培由于其良好的保温保墒功能，是农业生产中的一项节水增产的栽培措施，在我国的农业生产中已被广泛推广和应用。覆膜栽培能够提高作物生长前期地温，创造早播条件，延长作物生长时间。同时还能够提高肥料利用效率，减少土壤水分蒸发，研究发现，覆膜可大幅度提高棉花（）和玉米（）的水分利用效率和产量，增加玉米干物质运转率、光合速率和氮素吸收效率。覆膜阻断了土壤水分与外界的直接交换，减少土壤水分蒸发散失，提高了耕层土壤含水量，作物可利用水分增加。王建国等研究表明，覆膜处理增加 土层根系长度、根表面积和根体积，提高了根系在深层土壤的分布比例。覆膜通过增加积温，降低水分蒸发，创造适宜的土壤环境，促进作物地上地下协调发展，提高作物产量，。等研究表明，覆膜重塑根系根长、根体积和根生物量等指标，提高了玉米对氮肥利用效率。等研究发现，覆膜提高了玉米生育期 土层的土壤温度和 土层的土壤含水量，玉米产量提高.。查丽等研究表明，垄作与覆膜促使根系生长，提高根系对深层土壤空间的分布，促进玉米植株的生长和籽粒的灌浆结实，提高产量。等通过对 篇覆膜对根系性状综合影响的研究发现，覆膜延长了根系的生长周期，根长、根质量密度和根系平均直径对产量影响最大。可见，根系生长发育和分布对作物产量的形成具有重要意义。目前，关于覆膜的研究主要集中在土壤理化特性、微生物变化、作物生长发育和产量方面，关于覆膜对油莎豆根系分布的影响及其产量形成的研究相对较少。本研究通过设置覆膜与无膜处理，对油莎豆根系采用分层取样法，分析覆膜对沙区油莎豆根系空间分布与产量的影响，为新疆沙区油莎豆高产栽培提供依据。材料与方法.试验区概况 试验在新疆生产建设兵团第三师 团 连进行（，），属暖温带大陆性气候。年平均气温.，年平均降雨量.，年平均蒸发量 ，无霜期 。供试土壤类型为风沙土，土壤 值.，有机质为.，碱解氮为.，速效磷.，速 效 钾.。.试验设计 试验设 个处理，即覆降解地膜处理（，）和无膜处理（，），覆膜方法为将薄膜平铺后在薄膜边缘覆土。试验采用随机区组设计，次重复，共 个小区。每个小区 ，共 。地膜为厚.、宽 的降解地膜。油莎豆在 年 月 日播种，月 日出苗。播种方式为机播，株距 ，行距 ，种植密度为 株 。采用一管两行滴灌模式，灌水量为 ，全生育期灌水 次，灌水周期 平 均 次，肥 料 随 水 滴 施。施 纯 量 、施 量 ，施 量 。供试肥料分别为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。其它栽培管理措施与当地高产田保持一致。.测定项目与方法.土壤温度测定 年 月，采用 土壤温湿传感器（，中国）进行测量记录，在试验小区布置后将探针埋入土壤 深度，每隔 记录一次。.根系性状测定分别在苗期（月 日）、分蘖期（月 日）、结豆初期（月 日）、结豆盛期（月 日）和成熟期（月 日）采用根系分层取样方法，选择具有代表性的 株油莎豆植株及根系取样。将每一土块中所有根系分别取出，把根系表面清洗干净后放入自封袋中，带回实验室。用 型根系扫描仪（分辨率为 ），将根系样品扫描成图片文件，然后用根系分析软件（，）测定根系长度、根系平均直径、根系表面积和根系体积。石河子大学学报（自然科学版）第 卷.产量性状测定成熟后每个小区选取长势均匀 植株测产，将收获块茎冲洗干净，自然风干 后，在 烘箱中烘至恒重测定块茎产量和百粒重。同时每小区随机取 株考种，测定单株块茎数和单穴重。.数据处理.根长密度根长密度分布比例（）不同土层根系长度整个土层总根系长度。（）.根系垂直分布模型根系分布采用 和 提出的基于渐进方程式的根系垂直分布模型：（）公式（）中 为从地表到深度 的根系根长累计分数（分数值在 之间）；为土层深度（）；为根系根长削弱系数。高说明根系在深层土壤中分布比例大；低则说明根系集中分布于接近地表的土层中。还可以通过此方程计算 和，分别表示根长累积 和 时的深度。.统计与分析 采用 .软件进行数据处理，用 进行差异性检验（.），相关图表的绘制在 中完成。结果与分析.覆膜对油莎豆土壤温度和含水量的影响 由图 可知，覆膜处理可以显著提高油莎豆生育前期土壤温度和土壤水分。在油莎豆生育期，覆膜显著增温主要集中在苗期、分蘖期和结豆初期，之后覆膜增温逐渐不显著。在苗期、分蘖期和结豆初期，覆 膜 较 无 膜 分 别 增 温.、.和.，达显著性差异水平。结豆盛期和成熟期覆膜处理较无膜处理温度提高.和.，无显著性差异。：苗期；：分蘖期；：结豆初期；：结豆盛期；：成熟期；：达到.显著水平；：未达到.显著水平。图 覆膜对油莎豆各生育时期土壤平均温度和含水率的影响 土壤含水量变化特征与土壤温度变化一致，各生育期均表现为覆膜处理无膜处理。苗期至结豆初期，覆膜处理土壤含水量比无膜处理高.、.和.（.）；结豆盛期和成熟期，覆膜处理土壤含水量比无膜处理高.和.。.覆膜对油莎豆根系形态的影响 由图 可知，各处理总根长、根表面积和根体积随生育期增加而增加，覆膜处理显著高于无膜处理（.）。结豆初期，根长增长率达到最大，覆膜处理较无膜处理高.，且差异性显著（.）。结豆盛期，覆膜处理根表面积和根体积增长率达到最大，分别为.和.。成熟期，根长、根表面积和根体积以覆膜处理最高，无膜处理最低，二者差异均达到显著水平。第 期郑旭，等：新疆沙区油莎豆根系构型及产量对覆膜响应 ：苗期；：分蘖期；：结豆初期；：结豆盛期；：成熟期；：达到.显著水平；：未达到.显著水平。图 覆膜对油莎豆根系形态的影响.覆膜对油莎豆根系空间分布的影响 由表 可见，覆膜与无膜处理间的根系形态差异随油莎豆生长呈现缩小的趋势，但 个时期覆膜处理的根长、根表面积和根体积均显著高于无膜处理。覆膜和无膜处理根系形态随土层深度逐渐降低（以下）。土层深度为 时，覆膜处理的根长、根表面积和根体积均高于无膜处理，二者之间差异显著（.）。通过对根系垂直分布模型的根系削弱系数 及、的分析，覆膜处理和无膜处理的 分别为.和.，覆膜处理和无膜处理的根系削弱系数相差较大，且达到显著性差异。覆膜处理下 根系分布于 .，较无膜处理增加了.。覆膜处理可加大根系垂直分布深度，促进根系下扎（表）。表 覆膜对不同时期油莎豆根系空间分布的影响项目土层深度 苗期分蘖期结豆初期结豆盛期成熟期无膜栽培 覆膜栽培 无膜栽培 覆膜栽培 无膜栽培 覆膜栽培 无膜栽培 覆膜栽培 无膜栽培覆膜栽培根长（）.根系体积（）.根系表面积（）.根系平均直径.注：不同小写字母表示不同处理间.水平上差异显著。石河子大学学报（自然科学版）第 卷表 覆膜栽培油莎豆根系垂直分布模型及削弱系数项目无膜栽培覆膜栽培模型.根系削弱系数.注：不同小写字母表示不同处理间.水平上差异显著。.覆膜对油莎豆根长密度的影响 根长密度是衡量植物吸收水分、养分速率的重要指标之一。图 表明，整个生育期，根长密度主要分布在 土层，比例为.。分蘖期，覆膜处理 根长密度显著高于无膜处理（.）。结豆初期至成熟期，覆膜对 土层根长密度比例无显著影响，但覆膜栽培 土层和 以下根长密度比例较无膜栽培分别高了.和.，表明覆膜提高了 以下土层内根长密度，增加了根系吸收水分和养分的接触面积，进而提高了 以下土层的水分和养分利用效率和强度。：苗期；：分蘖期；：结豆初期；：结豆盛期；：成熟期。图 覆膜对油莎豆根长密度分布比例的影响.覆膜对油莎豆根系生物量和产量的影响 由图 可知，覆膜对全生育期油莎豆根生物量具有显著影响。全生育期不同处理土层根系生物量大小分布依次为 以下，且覆膜措施显著提高了各土层油莎豆根生物量（.），扩大了根系在土壤垂直方向上的分布。苗期，各处理根系主要生物量分在 土层，覆膜栽培根系生物量较无膜栽培提高.。分蘖期，覆膜处理 土层根生物量较无膜处理增加了.（.），土层增加了.（.）。结豆初期覆膜处理根系生物量比无膜处理增加.（.）。成熟期覆膜处理 和 以下土层根系生物量较无膜栽培分别提高.和.。说明覆膜措施促进油莎豆根系在深层土壤的分配比例，有利于根系对深层土壤水分和养分的吸收。覆膜处理对油莎豆产量和其构成因素均有显著影响（表）。覆膜处理单穴粒数、单穴粒重和百粒重与无膜处理相比，分别提高.、.和.，增产.。：苗期；：分蘖期；：结豆初期；：结豆盛期；：成熟期；：达到.显著水平；：未达到.显著水平。图 覆膜对不同时期不同土层油莎豆根系生物量的影响表 覆膜对油莎豆产量及产量构成因素的影响处理单穴粒数 粒单穴粒重 百粒重 产量（）无膜栽培.覆膜栽培.注：不同小写字母表示不同处理间.水平上差异显著。讨论与结论.讨论.覆膜对根系形态特征的影响 根系是作物吸收土壤水分和养分的重要器官，其形态建成和分布易受土壤环境因子的影响，适宜的栽培措施和水肥管理可以为根系提供一个良好的生长环境。研究表明，甘薯覆膜栽培显著提高了移栽后 和 后的干重、总长度、表面积和体积。等在大豆玉米间作系统研究表明，覆膜改善了玉米根系的生长环境，较无膜处理玉米根长和生物量分别增加了.和.。本第 期郑旭，等：新疆沙区油莎豆根系构型及产量对覆膜响应 研究中，覆膜栽培总根长、根系总表面积、根系总体积、根系平均直径显著高于无膜栽培，这与前人的研究结论相一致，这是因为覆膜减少土壤蒸发，增加了土壤含水量，促进了根系生长。根系形态特征，如深层根系分布，提供了根系在深土层分布信息。查丽等研究发现，覆膜有利于根系生长，增加根系对深层土壤空间的分布，为玉米高产提供了一定的基础。本研究发现，与无膜处理相比，覆膜处理的深层土壤根长占比明显增加。无膜种植大部分根系分布于表层土壤，并且随着土层深度的增加，根系逐渐减少。而本研究发现覆膜处理根系随土壤深度减小幅度小于无膜，导致 以下土层根长占比增大（表），与覆膜后土壤温度增加和水分保持有着密且关系。.覆膜对根系空间分布的影响因素 根系的空间分布是反映植物地下部对外界环境响应的重要指标之一，同时也是根系分布的直接体现。覆膜会引起土壤温度和湿度的变化，从而改变根系空间分布特征。本研究结果表明，覆膜可以显著提高 土层土壤温度，为根系生长提供适宜环境，促进根系向 以下土层延伸，这与前人研究结果一致，。覆膜处理下 土层根体积和根干重显著高于无膜处理，这可能是覆膜提高了土壤温度和含水率，为根系提供了更好的生长环境，促进了根系生长。查丽等在覆膜对丘陵玉米根系分布研究发现覆膜使玉米根系向深层土壤发展，深层土壤根系占比增加，这是为了增加根系与土壤的接触面积，提高根系对水分、养分的吸收能力，。苗期至结豆初期，覆膜处理土壤含水量和温度显著高于无膜处理，表明覆膜降低了土壤水分蒸发，阻断了土壤与空气的热交换。结豆初期至成熟期，覆膜处理和无膜处理土壤含水量和温度均没有显著差异，因为生育后期地上部分被植株叶片全部覆盖，覆膜带来的保水保墒作用降低。等研究得出，覆膜提高玉米苗期 土壤温度和湿度，促进根系向深土层延伸。本研究表明覆膜各土层根生物量显著高于无膜（表），说明覆膜促使根系向深层土壤发展，提高了水分、养分的吸收与运输能力，同时，本研究发现覆膜栽培深处土壤根系分布显著高于无膜栽培（表，图）。.根系性状与分布对油莎豆产量的影响 油莎豆产量与根系形态和根系生物量呈显著正相关关系（表），作物产量与根系性状密切相关。与前人研究玉米、水稻、小麦得出产量与根系总长、不同土层根生物量占根系总生物量比率均呈显著正相关或极显著正相关关系结果一致。等研究表明，玉米根长、根干重、根表面积与土壤水分利用效率、养分利用效率显著提高了产量。大量研究表明，作物根系分布对作物生长和产量形成具有重要作用，张寅等研究发现覆膜栽培增加 土层的玉米根长密度，产量提高.。覆膜显著改变了油莎豆根系生长和根系分布（表），油莎豆单穴粒数和百粒重（表）显著增加，从而提高了油莎豆产量。表 产量与不同土层根系性状的相关系数土层深度 总土层.注：表示根系生物量；表示根系长度；表示根系表面积；表示根系体积；表示根系平均直径；，分别表示达到.和.显著水平。本实验研究了覆膜对油莎豆根系分布及产量的影响，但是对覆膜条件下水肥调控根系生长与分布并未进行分析，无法进一步分析水肥对根系的调节作用，进而对产量形成的影响，因此在后续研究中应该关注不同水肥耦合条件下油莎豆根系生长、分布及产量的变化，以期进一步探寻最优水肥配置，这可能是提高沙地油莎豆产量的有效途径之一。.结论 通过研究覆膜处理下油莎豆全生育期根系形态、产量及产量构成因素，发现覆膜显著影响新疆沙区不同土层油莎豆根系分布特征和产量，促进根系向深土层生长，提高了根系在深层土壤分布比例，提高了根系对深层土壤水分的吸收，促进油莎豆生长发育，实现增产。覆膜处理根系性状和产量均高于无膜处理，覆膜后油莎豆根长、根体积、根表面积和平均根直径显著提高，较无膜处理增加.、.、.和.，产量、单穴粒数、单穴粒重和百粒重分别由 .、.粒、.和.增加到.、.粒、.和.。合理的栽培技术，改善了土壤环境，为根系生长发育和根系形态构建提供了基础，促进了根系向深层土壤生长，从而优化根系空间布局，提高根系对养分和水分的获取，为增产增效提供保障。本研究结果可为沙区油莎豆高产栽培提供参考依 石河子大学学报（自然科学版）第 卷据，但关于覆膜对根系分布和产量的影响机制现需要进一步深入研究。参考文献（）顾桂栋，窦超银，孟维忠，等风沙土膜下滴灌氮肥运筹对玉米生长、干物质和产量的影响节水灌溉，（）：，（）：汤家喜，李玉，朱永乐，等生物炭与膨润土对辽西北风沙土理化性质的影响研究干旱区资源与环境，（）：，（）：刘亚兰，赵月，徐梦琦，等极端干旱区种植行距对油莎豆生长及土壤特性的影响草地学报，（）：，（）：杨帆，朱文学油莎豆研究现状及展望粮食与油脂，（）：，（）：傅胤榕，仉文岗土体含水率与根系埋深对银杏树苗抗拉拔性能的影响土木与环境工程学报（中英文），（）：，（）：，：，（），：罗上轲，刘婕，叶开梅，等覆膜方式与施氮量对春玉米产量、干物质和氮素积累与转运的影响玉米科学，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：王建国，张昊，李林，等不同钙肥梯度与覆膜对低钙红壤花生根系形态发育及产量的影响中国油料作物学报，（）：，（），（）：，：，（），（）：查丽，谢孟林，朱敏，等垄作与覆膜对川中丘陵春玉米根系分布及产量的影响应用生态学报，（）：，（）：徐接亮，张凤华，李变变，等施肥对油莎豆根际微生物群落特性的影响干旱区研究，（）：，第 期郑旭，等：新疆沙区油莎豆根系构型及产量对覆膜响应 ，（）：，：隋鹏祥，张文可，梅楠，等不同秸秆还田方式对春玉米产量、水分利用和根系生长的影响水土保持学报，（）：，（）：王翠娟，史春余，王振振，等覆膜栽培对甘薯幼根生长发育、块根形成及产量的影响作物学报，（）：，（）：，：孙明月滴灌施肥对土壤氮素及玉米根系空间分布的调控效应北京：中国农业科学院，孙梦媛，刘景辉，赵宝平，等全覆膜垄作种植对旱作马铃薯生长和土壤特性的影响水土保持学报，（）：，（）：，（）：李杰，张洪程，常勇，等高产栽培条件下种植方式对超级稻根系形态生理特征的影响 作物学报，（）：，（）：方燕，闵东红，高欣，等不同抗旱性冬小麦根系时空分布与产量的关系生态学报，（）：，（）：张寅，鄂继芳，孙明海秸秆覆盖对沟灌夏玉米根系分布及产量影响灌溉排水学报，（）：，（）：（责任编辑：郭芸婕）