根鉆不同取樣法對估算根系分布特征的影響

劉鳳山，周智彬，胡順軍，杜海燕，陳秀龍

（1.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆 烏魯木齊830011；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；3.荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊830011；4.中國科學院研究生院，北京100049）

＊根系取樣技術［1］有挖掘法、整段標本法、根鉆法、剖面法、玻璃壁法、網袋法等。在這些取樣技術中，根鉆法是節省勞力和精確制取一定容積土壤－根系樣品的最適宜方法，在根系研究中具有重要意義［1］。現有文獻中用根鉆法制取根系樣品，水平方向上多為不連續取樣，即根據植物生長的環境，選擇有代表性的位置進行取樣；而在垂直方向上則為分層完全取樣，即將根系按土壤層次進行取樣，層與層間并無間隔。因此該法制取的根系樣品可以詳細的描述根系的垂直分布特征，但對根系水平分布特征的描述并不一定精確，導致在估算根系總量的時候出現偏差。根鉆法中根系水平分布特征準確性的研究對于準確描述根系的水平分布特征有重要意義，同時對于準確研究根系的分布狀況及根系總量及模型中根系模塊的精確度有重要的意義。

在農田生態系統中，土壤中的水分和養分分布具有較大的不均一性，作物根系受其影響在土壤中的分布存在較大差別［2］。用根鉆法取樣時，不同立地條件和不同取樣范圍的取樣數有較大的差別［3］。膜下滴灌棉花（Gossypiumhirsutum）在不同的植物配置方式及灌溉系統條件下，土壤中水、肥、鹽的分布與遷移模式具有很大的區別，進而影響到土壤中根系的分布特征有很大的區別［4］。采用根鉆法研究棉花根系的分布及生長試驗，多在裸行、窄行和寬行的中間進行取樣。但是這些點的代表性并沒有進行過研究，因此值得懷疑。首先這些點的水、肥、溫度［5－7］及土壤條件有很大差別［8－12］，距滴灌帶越遠而減小（肥料隨水入土）；其次根系響應環境條件在不同的位置有不同的分布特征，并存在不同的交叉現象，采樣時不能有效的區分根系。為驗證在該3孔取樣能否代表根系的分布特征及何種取樣方式更加合理，以膜下滴灌寬窄行配置的棉花為例，分析了取3孔、5孔和7孔條件下計算根系總干重的精確性，并分析了根系干重的分布特征，為根系研究中的合理取樣提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計與方法

試驗在中國科學院新疆生態與地理研究所阿克蘇綠洲農田生態系統野外研究站（80°45′E，40°27′N）進行。采用大田試驗，以“拓農1號”為供試棉花品種，種植密度24萬株／hm2，實測密度20萬株／hm2。棉花栽培模式為寬窄行（50 cm＋20 cm），塑料膜寬度為120 cm。滴灌系統滴頭間距30 cm，滴頭流量3.2 L／h，一條塑料膜下有一根滴灌帶為4行棉花供水，即“一膜一管四行”。肥料隨水施入土壤，生育期共施入尿素510 kg／hm2、多微二氫鉀銨90 kg／hm2。滴灌從6月26日（蕾期）開始每隔7 d灌溉1次，全生育期共灌溉12次，至9月11日結束。

采用根鉆法調查膜下滴灌棉花根系的分布特征。每個處理小區水平方向取7孔（圖1），其中前3孔位于裸行，第4孔位于窄行，后3孔位于覆膜地，垂直方向以0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～70、70～90、90～110、110～130、130～150 cm確定土樣。沖洗法獲取每土層的根系后，烘干用萬分之一天平稱重獲得干重。

圖1 試驗區示意圖Fig.1 The sketch of experimental site

1.2 數據處理

數據分析采用Excel 2003，Mathematics和SPSS 13.0軟件；作圖采用Excel 2003和Origin 7.5。

2 結果與分析

7孔指1，2，3，4，5，6，7所有的取樣點，5孔指1，3，4，5，7取樣點，3孔為1，4，7取樣點（圖1）。取樣時7孔的根鉆孔緊密相連，將其視為完全采樣，其值與相鄰面積的乘積可以代表棉花根系的實際分布，選取的5孔和3孔的根系值與相應面積的乘積是對根系實際分布的估計，試驗重點在于通過與7孔計算值的比較，分析其估計的精確性，為根系水平方向的取樣合理數提供依據。

2.1 棉花根系干重水平合理取樣數的確定

為分析根系干重合理取樣數，利用7孔、5孔和3孔的根系值，分別計算了根系在裸行、窄行和寬行的分層干重。因為試驗在窄行僅有一個取樣點，即4號根鉆孔，3種計算方式的根系值相等，因此表1中列出了裸行、寬行和總體的分層干重，并沒有窄行處干重。與7孔計算值相比，總體分層干重5孔計算值比3孔計算值更加接近，尤其在50 cm深度以下，3孔計算值明顯偏離了實際值，例如90～110 cm土層，3孔值僅為57.00 mg／株，而實際值為132.57 mg／株，是3孔值的2.3倍之多。相比于5孔計算值，3孔計算值偏離的更為嚴重，而且在不同的生境條件下，各計算方式有不同的差異。在寬行不同的土層，3孔計算值在50 cm以下有較大差異，但差異性低于總體，而在裸行，差異性從40 cm即開始顯現，而且偏離更大。70～90 cm土層3孔值是29.89 mg／株，實際值是104.56 mg／株，是3孔值的3.5倍，而寬行差距最大的層次在110～130 cm，相差2.4倍。方差分析結果表明（表2），在整個土層，3種計算方式對裸行根系干重的估計達到顯著水平，而對寬行和總體干重的估計沒有達到顯著水平；在30 cm土層以下，3種計算方式表現出更加明顯的差異，但僅在裸行處3孔計算值與7孔計算值達到顯著水平；在40 cm土層以下，3孔計算值的裸行干重與7孔計算值有顯著差異。對于5孔計算值，在所有土層與7孔計算值沒有達到顯著水平。

根鉆法獲取根系樣品中，水平方向選擇不同的取樣方式，對根系的估算會產生巨大的影響，尤其對于深層根系，其3孔計算值與7孔計算值達到顯著水平。基于對表1數據的分析，發現3孔計算值不僅在總量上與7孔計算值達到顯著水平，同時對于根系在土層中的分布特征也有較大的誤差，為此采用回歸分析進一步驗證該3種計算方式的準確性。

回歸分析表明（表3，4），從整個土層來看，3孔和5孔2種計算方式無論在裸行、寬行和總體都有較高的決定系數，而且差異顯著。但在30和40 cm以下土層，不同計算方式有不同的差異性水平。其中5孔值在裸行、寬行和分層干重都有較高的決定系數，而且都達到了顯著水平。3孔在各位置的決定系數較低，但僅在裸行處達到顯著水平，如30～150 cm土層的決定系數為0.546 3，P＝0.058；40～150 cm的決定系數僅為0.143 3，P＝0.459。因此采用3孔計算單株根系干重，對其在裸行，尤其深層根系分布的估算將出現嚴重偏差。由于窄行計算值一致，且寬行偏離也較小，導致分層干重在30 cm以下土層的相關性較高，未達到極顯著水平。從3種計算方式對單株根系干重分布特征的方差分析和回歸分析結果看，采用3孔估算單株根系干重，可以較好的估計表層的根系干重，但對30 cm土層以下根系總量和分布的估算有較嚴重的偏離；而采用5孔估算各個土層的根系干重，都能達到較高的準確性。

表1 不同取樣方法棉花單株干重分布特征Table 1 Distribution characteristics of root dry weight per cotton under different sampling method mg／株Plant

表2 單株棉花根系干重3孔與7孔的方差分析Table 2 Variance analysis of root dry weight per plant between 3 holes and 7 holes mg／株Plant

表3 單株棉花根系干重3孔與7孔的回歸分析Table 3 Regression analysis of root dry weight per plant between 3 holes and 7 holes

表4 單株棉花根系干重5孔與7孔的回歸分析Table 4 Regression analysis of root dry weight per plant between 5 holes and 7 holes

2.2 棉花根系分布特征

7孔計算值對根干重的垂直分布特征和水平分布特征進行分析（表1）。在水平方向上，10～20 cm土層寬行根系干重大于裸行根系干重；在垂直方向，根系干重呈單峰曲線，且峰值偏向表層。在40 cm土層以上，根系干重急劇下降，但在40 cm以下變化趨于緩和，而且在裸行70～90 cm處有小幅度的增加。

3 討論與結論

根系是土壤和植物的動態界面，對植物和土壤均具有重要意義。但由于根系深處地下，受不透明介質土壤的阻隔，觀測研究十分不便，導致根系研究在廣度、深度上均落后于地上部分。隨著對根系在生態系統以及全球碳平衡中重要作用的認識，根系漸漸成為國際相關領域的研究熱點之一。土壤中水分、養分等營養物質移動距離很小，植物根系的分布特征決定了植物的水分和養分的供給狀況［14－17］，因此研究根系分布特征具有重要的生態意義。但研究根系的方法至今沒有較大發展，仍然以把根系從土壤中分離為主，其中根鉆法是較為常用且省時省力的取樣方法。對采用根鉆法采樣的精度問題進行了探討，希望為根系研究方法的進一步發展提供基礎，并為根系模型預測提供更好的方法。

根干重體現了植物生物量的分配策略［13，18］，對其的精確估計是了解作物生產力的基礎。利用膜下滴灌寬窄行配置的棉花根系數據分析了取3孔、5孔和7孔條件下計算根系干重的精確度。結果表明，采用5孔估算根系干重有較高的準確性，在各土層、各位置都有較高的決定系數，而且達到極顯著的水平；采用3孔估算根系干重，對30 cm土層以上根系有較好估計，但在30 cm土層以下有較低的準確性，尤其在裸行，其決定系數低，且未達到顯著性水平，對于根系的估算有很大的偏差。從不同的位置分析，3孔計算值在裸行與7孔值的相關性較差，但在寬行的統計分析表明，這兩者的相關性較好，且達到了顯著性水平，說明在寬行取一點對于估算根系的分布有較好的代表性。

根系生長都具有向水性［19，20］。根干重在土壤中的分布既反映了土壤中水分的分布情況，也能通過分布的多寡反映土壤水分的有效性。在膜下滴灌條件下，水分呈橢圓形分布［21］，不僅表現出表層水分較多，下層水分較少，而且在寬行處分布較多且均勻，在裸行處少且分布相對不均，導致根系在表層分布相對均勻且多，下層分布不均且少；在裸行處的分布相對不均且少［22］，尤其靠近窄行處，根系分布較多，而寬行處相對均勻且多。因此，在裸行處選取一點不足以代表根系在該生境中的分布，計算的根系總干重也會失真，需要在該處加密取樣，即取2孔；在寬行，取一點即可代表根系的分布。因此，考慮到在窄行處也需要選取一點，根鉆法取樣中獲得準確的根系水平分布需要取4孔，即裸行2孔，寬行1孔，窄行1孔。

方怡向等［23］研究結果表明，根長和根表面積在土壤剖面中呈單峰型曲線，本研究與此有一致的變化趨勢；干重受種植制度和灌溉條件不一致的影響，在表層有稍許差異，表現為單調遞減趨勢。膜下滴灌顯著改善了土壤表層的水分狀況，10～20 cm土層含水量相對較多［23］，使根系在此處及40 cm土層以上大量生長，其中40 cm土層以上集中了89.33%，91.29%和89.06%的根系干重、長度和表面積，是作物吸水最重要的部位。

選取的5孔（圖1）并不是嚴格按照相等間距選取的，而是更加接近于窄行。這對于以后按照該方法等間距取樣進行計算可能會產生一定的誤差。同時計算結果僅針對試驗中的膜下滴灌系統，即“一膜一管四行”，滴灌帶位于膜下中間。由此導致的水分效應和密度效應不一致，使根系在土壤中的分布更加復雜。對于水分效應和密度效應相一致的作物配置方式，考慮到人力物力等因素，該結果的應用需要慎重。同時不同作物配置方式有不同的計算方法，但均基于其特有的根系分布特征，研究中計算根系總量采用的是“測量值＊面積”的方式，僅適合于分布復雜的根系，對于分布簡單的根系可能有其簡便、準確的計算方法，沒有考慮。通過以上分析，仍有大量的工作需要繼續進行，即不僅研究不同作物配置方式的根系計算，還要注意計算方法上的差異，但本研究無疑為后續研究提供了新思路和依據。

［1］ 伯姆 W.Methods of studying root systems［M］.北京：科學出版社，1985.

［2］ Mark Coleman.Spatial and temporal patterns of root distribution in developing stands of four woody crop species grown with drip irrigation and fertilization［J］.Plant Soil，2007，299：195－213.

［3］ 李鵬，李占斌，趙忠.根系調查取樣點數確定方法的研究［J］.水土保持研究，2003，10（1）：146－149.

［4］ 康紹忠，胡笑濤，蔡煥杰，等.現代農業與生態節水的理論創新及研究重點［J］.水力學報，2004，12：1－8.

［5］ 謝志良，田長彥.膜下滴灌水氮對棉花根系形態和生物量分配變化的影響［J］.干旱區資源與環境，2010，24（4）：138－143.

［6］ 成文競，崔建宇，閔凡華，等.三種草坪草的根系分布特征及其對土壤養分的影響［J］.草業學報，2009，18（1）：179－183.

［7］ Mei L，Han Y，Yu S，etal.Impact factors on fine root seasonal dynamics inFraxinusmandsburicaplantations［J］.Frontiers of Forestry in China，2007，2（3）：298－304.

［8］ 李修倉，胡順軍，李岳坦，等.干旱區旱生蘆葦根系分布及土壤水分動態［J］.草業學報，2008，17（2）：97－101.

［9］ 黃曉露，劉君，楊志民.不同坪床配比百慕大t－419的生物量和根系分布特征研究［J］.草業學報，2009，18（5）：98－106.

［10］ 顏宏，趙偉，尹尚軍，等.羊草對不同鹽堿脅迫的生理響應［J］.草業學報，2006，15（6）：49－55.

［11］ Patt J，Carmeli D，Zafrir I.Influence of soil physical conditions on root development and on productivity of citrus trees［J］.Soil Science，1966，102（2）：82－84.

［12］ 路海東，薛吉全，馬國勝，等.陜西榆林春玉米高產田土壤理化性狀及根系分布［J］.應用生態學報，2010，4：895－900.

［13］ 張立楨，曹衛星，張思平，等.棉花根系生長和空間分布特征［J］.植物生態學報，2005，29（2）：266－273.

［14］ 李亞兵，張立楨.Dt－Scan在棉花根系研究中的應用［J］.中國棉花，1999，26（5）：37－38.

［15］ Hamblin A，Tennant D.Root length density and water uptake in cereals and grain legumes：how well are they correlated［J］.Australian Journal of Agricultural Research，1987，38（3）：513－527.

［16］ Mengel K，Steffens D.Potassium uptake of rye－grass（Loliumperenne）and red clover（Trifoliumpratense）as related to root parameters［J］.Biology and Fertility of Soils，1985，1（1）：53－58.

［17］ 李鵬，趙忠，李占斌，等.植被根系與生態環境相互作用機制研究進展［J］.西北林學院學報，2002，17（2）：26－32.

［18］ 張歲岐，徐炳成.根系與植物高效用水［M］.北京：科學出版社，2010.

［19］ 郭穎，韓蕊蓮，梁宗鎖.土壤干旱對黃土高原4個鄉土禾草生長及水分利用特性的影響［J］.草業學報，2010，19（2）：21－30.

［20］ 黃彩霞，柴守璽，趙德明，等.不同水分處理對冬小麥產量和水分利用效率的影響［J］.草業學報，2010，19（5）：196－203.

［21］ 危常州，馬富裕，雷詠雯，等.棉花膜下滴灌根系發育規律的研究［J］.棉花學報，2002，14（4）：209－214.

［22］ 秦文靜，梁宗鎖.四種豆科牧草萌發期對干旱脅迫的響應及抗旱性評價［J］.草業學報，2010，19（4）：61－70.

［23］ 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）：96－100，200.