微根管法監測膜下滴灌棉花根系生長動態

陳文嶺，靳孟貴，劉延鋒，鮮 陽，黃金甌,3

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微根管法監測膜下滴灌棉花根系生長動態

陳文嶺1,2，靳孟貴1,2※，劉延鋒2，鮮 陽1,2，黃金甌2,3

（1. 中國地質大學盆地水文過程與濕地生態恢復學術創新基地，武漢430074；2. 中國地質大學環境學院，武漢430074； 3. 浙江省地質環境監測院，杭州310007）

為了精細監測膜下滴灌條件下棉花（.）細根生長形態，于2014年在巴州灌溉試驗站開展大田試驗，采用微根管法原位監測棉花根系生長，并與傳統網格法作對比。分析棉花根系生長動態，構建微根管法測定的形態參數與網格法所測定形態參數的回歸模型。結果表明：花期到吐絮期，利用微根管監測10～20 cm處根系生長得到的棉花根長更新速率為1.844 mm/d，期間棉花老根不斷死亡和分解。微根管法與網格法測得的根系深度為50 cm，根長密度隨著深度增加先增大后減少，根長密度在20～30 cm處最大。兩種方法監測得的根長密度具有較好的線性相關，由微根管法測得的剖面根長密度，可通過線性回歸方程換算得到實際的體積根長密度。利用微根管法能可靠地監測棉花根系的生長動態變化，今后的研究可進一步加大微根管監測范圍和頻率，精細監測細根生長全過程，通過構建根系生長模型分析膜下滴灌條件下棉花根系生長時空動態。

棉花；生長；監測；細根；微根管法；網格法；根長密度；根系生長動態

0 引 言

細根是作物根系系統中最為活躍的組成部分，是作物吸收水分、養分，并與環境交換礦物質及有機質和釋放根分泌物的重要器官[1-3]。作物細根數目、總根長、根比表面積、體積、根尖數和生長周期不同將影響作物吸收水分和營養，從而影響作物生長[4-8]。準確掌握作物細根生長動態，是構建根系生長模型的關鍵[9]。通過建立根系生長模型可進一步探清根區土壤生境與作物根系之間的動態響應，為尋求節水和高產穩產農業途徑提供可靠依據[10-15]。由于作物根系生長隱藏于地下，研究根系生長動態分布比較困難。研究根系生長的傳統方法如網格法，通過網格剖分對土壤根區進行挖掘，破壞了作物的根系生長形態，難以實現對根系生長的原位監測，工作量大，在后期洗根過程中往往會遺漏細根造成誤差。而隨著對根系形態、生理和生態方面研究的深入及觀測方法的改進，精細監測作物根系生長動態已成為可能[16-17]。

微根管法（minirhizotron）是一種基本不破壞根系，能野外原位連續監測細根生長動態的研究方法[18]，因定位準確成為監測根系生長的最優選擇[19-20]。Garre等[21]利用微根管監測大麥根系生長，得到相關根系生長模型參數并構建改進的大麥3D根系生長動態模型；Karna等[22]將微根管技術運用于監測不同品種作物之間的細根生物量、根長和根系周轉率的差異；Bernhard和Markus[23]利用微根管技術分析作物細根周轉與作物根系參與環境碳循環關系；Taylor等[24]通過監測火炬松（）細根的分布和實際直徑，分析微根管監測管壁可視剖面的實際觀測深度。張志山等[25]利用微根管法觀測檸條（）根系生長動態并探討根系生長與土壤水分變化的關系；周青云等[26]利用微根管法揭示根系分區交替滴灌條件下葡萄（）根系的分布特征及生長動態。但是，利用微根管監測作物根系生長，因根管埋設改變了土壤的實際結構，另外作物根系圍繞根管管壁生長與根系在土壤中實際生長情況不同，對作物根系生長將造成一定干擾，監測得到的根系生長情況與實際的根系生長存在一定差異。廖榮偉等[27]基于微根管技術，結合挖掘法監測玉米（）根系生長，驗證了微根管法監測根系的準確性；Rytter等[28]通過根鉆法與微根管法相結合監測灰榿木（）根系生長，得到利用微根管法監測的根系數目比利用根鉆法實際監測得到的根系多。

膜下滴灌是將滴灌和覆膜種植結合在一起的新型節水灌溉技術，近年來隨著節水灌溉技術的推廣，膜下滴灌技術成為新疆棉花主產區重要的農業節水種植方式。縱觀國內外研究，對棉花這種密集種植作物根系生長的研究很少見有運用微根管監測膜下滴灌條件下棉花根系生長的報道。而將傳統方法實地獲得的根系生長數據和微根管法獲得的數據對比，驗證微根管法監測膜下滴灌條件下棉花根系生長的可靠性，進而利用微根管技術實現對棉花根系持續原位監測的研究，也少見報道。因此，基于微根管法技術監測根系的優點，于2014年在巴州灌溉試驗站采用微根管法監測膜下滴灌條件下棉花根系形態，并與網格法作對比，分析根系生長動態、構建微根管測定形態參數與網格法所測形態參數的回歸模型，修正微根管對根系生長形態的影響；實現由微根管法監測的剖面根長換算得到實際空間的體積根長，為今后利用微根管法原位精細監測膜下滴灌條件下棉花根系時空生長動態、進一步構建根系生長模型等奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所國家重點灌溉試驗站（簡稱巴州灌溉試驗站）內，（41°35′14″N，86°10′24″E）。該區地處天山南麓塔里木盆地邊緣孔雀河沖積平原帶，地勢平緩，海拔900 m左右，屬典型的暖溫帶大陸性干旱氣候，降雨稀少，蒸發強烈，晝夜溫差大，試驗區內光照充足，全年平均日照時數為3 036.2 h。平均氣溫11.48 ℃，最低氣溫?30.9 ℃，最高氣溫42.2 ℃。年降水量為53.3～62.7 mm，蒸發量為2 273～2 788 mm。年平均風速為2.4 m/s，最大風速為22 m/s。用于試驗的淡水取自渠水，為孔雀河來水，2014年礦化度為0.50～0.76 g/L，pH值為6.60～6.76，水化學類型為HCO3·SO4·Cl-Na·Ca·Mg型水。試驗區灌溉水主要離子含量見表1。試驗地土質以壤土為主，土質較均一，容重為1.63 g/cm3[29]。

1.2 試驗布置與監測方法

1.2.1 試驗布置

試驗于2014年4月至10月在巴州灌溉試驗站進行，設置了淡水灌溉處理小區，小區面積為30×20.8 m2。試驗地棉花采用一膜雙管四行的種植方式（見圖1），棉花株距為10 cm，一膜寬110 cm，膜間距40 cm，窄行距為20 cm，寬行距為50 cm。試驗大田棉花于2014年5月3日播種，5月8日出苗，6月16日入蕾期，7月10日入花期，8月10日入盛鈴期，8月29日入吐絮期。在棉花生育期內采用膜下滴灌，滴頭間距為30 cm，滴頭流量為2.0 L/h，期間共13次灌水，每次灌水定額根據棉花不同生長階段需水規律分配[30]，花鈴期灌水定額最大，蕾期和吐絮期灌水定額相對較少，生育期總灌水量為525 mm。底肥施用有機肥1 800 kg/hm2，養分含量：N+P2O5+K2O≥4%，有機質質量分數≥30%；施用磷酸二銨300 kg/hm2，總養分N+P2O5≥64%；農用鉀肥150 kg/hm2，養分質量分數：K2O≥51%，Mg≥2.0%。生育期追加尿素266.4 kg/hm2分6次隨灌溉水滴施。具體的試驗灌水及施肥情況見表2。

1.2.2 微根管法

微根管法是利用BTC根系生態監測系統（BTC-100，USA）和微根管技術定點直接觀測根系，在不干擾細根生長過程的前提下，連續監測細根從出生到死亡的變化過程。該監測系統由埋入土壤中的微根管，高倍電子窺鏡攝像頭，定位手柄和I-CAP圖像采集系統組成。試驗于淡水灌溉處理小區，待棉花出苗后，選定棉苗長勢良好的典型田塊于5月10日安裝4根微根管，共設置2個微根管監測剖面。本次試驗所選用根管每根長92 cm，外徑6.5 cm，按照Johnson等[19]建議的微根管安裝方法與地面傾斜成60°安裝。每根微根管上部留22 cm露出地面以供后期監測固定系統的定位手柄，露出部分用黑色膠布纏好并蓋好防水管蓋，防止光照透過管壁對根系生長造成影響，并避免灰塵、水分進入微根管內影響窺鏡攝像頭采集根系生長圖片。微根管垂向監測深度為60 cm，監測剖面布置見圖2。為減少因微根管的埋設對土壤造成干擾，淡水灌溉處理小區的兩個微根管監測剖面沿同一膜的滴灌帶布局方向相距40 cm。

BTC根系生態監測系統觀測前按電子窺鏡攝像頭能拍攝到清晰的圖像為原則，通過調整焦距，預先獲取參照圖像，根據參照圖像的實際網格數（每個網格面積為1 mm×1 mm），得到監測系統獲取的每張圖像實際大小為12 mm×16 mm。之后保持電子窺鏡攝像頭焦距不變進行根系圖像采集。電子窺鏡攝像頭連接定位手柄在根管內每前進一格為13.5 mm，根據所埋設根管角度，利用定位手柄系統刻度值即可定位拍攝記錄微根管內任意深度的根系圖像。待棉花根系在微根管管壁周圍定居，能觀測到根系生長圖像后，于花期的8月7日進行觀測，到吐絮期的9月6日結束，每隔10 d觀測1次，期間共觀測4次。后期利用WinRHIZOTron MF 2012（Regent, Quebee, Canada）圖像分析軟件處理根系圖像，得到每個圖像中的剖面根長、根投影面積、根比表面積及其他根系形態參數。根據監測得到的每張根系圖像實際大小，由剖面根長即可算得對應的剖面根長密度。

1.2.3 網格法

為驗證實際根系形態，分別于棉花的花期（7月16日）、鈴期（8月17）和吐絮期（9月6日）在淡水灌溉處理小區，微根管埋設區附近選擇長勢相似的一膜挖土獲取棉花根樣。從寬行中心位置開始，垂直于滴灌帶方向布置70×20×60 cm3的取樣空間（見圖3），取樣深度為60 cm，每個根系樣品為10 cm×10 cm×20 cm，每次取根樣共42件。之后進行洗根，人工去除老根和雜質，將棉花根從土壤中篩選出，自然風干后，利用根系掃描儀（Perfection V700 photo, Epson,suwa, Japan）在400 dpi分辨率下掃描成TIF格式圖像文件（見圖4），再用WinRHIZOTron Pro 2009（Regent, Quebee, Canada）根系分析軟件對獲得的根系圖像進行分析，得到每件樣品根長及其他根系形態參數。根據根樣體積（2 000 cm3）和獲取的根長計算對應的體積根長密度。

2 結果與分析

2.1 微根管法測定根系形態參數動態變化

試驗于棉花花期（8月7日）、鈴期（8月17日和8月27日）和吐絮期（9月6日），利用微根管法獲取淡水灌溉處理小區的根系形態圖像，圖5為該小區代表性的一根管監測深度為10～20 cm處采集的棉花根系形態圖像變化信息。從圖5中可以直觀地看出，在膜下滴灌條件下淡水灌溉處理的棉花根系從花期到吐絮期的根系生長動態。圖中新生棉花根系為乳白色，是主要吸水根系；老根為褐色，是死亡或衰弱的棉花根系，通過內皮層細胞釋放酚類化合物氧化的結果[31]。本次主要關注圖中乳白色根系的生長變化過程。新生的棉花根及死亡或衰弱的老根根長和直徑大小變化也能從圖中直觀地反映出，期間棉花新根和老根根系生長參數變化見表3和表4。

表3 不同時期的棉花新根生長參數變化

由表3可見，10～20 cm處的棉花新根總根長隨時間的推移而增加，花期到鈴期（8月7日到8月17日）總根長增加明顯，從鈴期到吐絮期（8月27日到9月6日）總根長變化趨于穩定。花期到吐絮期（8月7日到9月6日）棉花根長更新速率為1.844 mm/d。棉花新根平均直徑隨時間推移逐漸增大，到吐絮期的9月6日新根平均直徑最大，新根的總投影面積、總比表面積和總體積隨時間的變化規律與平均直徑的變化規律相同。

表4 不同時期的棉花老根生長參數變化

由表4可見，10～20 cm處的棉花根系從花期到鈴期（8月7日到8月17日）衰弱成老根的量增多，老根總根長增加。鈴期（8月17日到8月27日）部分老根開始死亡和分解，老根總根長減少，鈴期到吐絮期（8月27日到9月6日）老根總根長變化趨于穩定。花期到吐絮期（8月7日到9月6日），隨著老根不斷的死亡、分解，老根不斷萎縮，使得老根平均直徑不斷減少，老根的總投影面積、總比表面積和總體積隨時間的變化規律與平均直徑的變化規律相同。

2.2 棉花根長密度分布動態特征

本次微根管法觀測到50 cm深度以下未見根系附著微根管管壁生長，利用網格法50 cm深度以下也鮮見棉花根系，可見兩種方法觀測的最大根深為50 cm。由微根管法所測棉花根長密度動態分布變化（圖6a）可以看出，淡水灌溉處理不同時刻的棉花最大根長密度在20～30 cm處，不同時刻根長密度隨不同深度土層的變化規律為，隨著深度的增加先增大后減少。花期（8月7日）、鈴期（8月17日和8月27日）和吐絮期（9月6日）棉花總根長密度分別為5.49、5.90、5.59和4.49 cm/cm2，淡水灌溉處理棉花根量隨著時間的推移，花期到鈴期（8月7日到8月17日）棉花新根量增多，鈴期（8月17日）的新根量最大，之后新根量減少，到吐絮期（9月6日）新根量最小。由網格法測試結果（圖6b）可以看出，淡水處理不同時刻的棉花最大根長密度在20～30 cm處，不同時刻體積根長密度隨不同深度土層的變化規律與微根管法相同，隨著深度的增加先增大后減少。花期（7月16日）、鈴期（8月17）和吐絮期（9月6日）棉花總根長密度分別為3.29、5.14和5.78 cm/cm3，隨著時間的推移，總根長密度增加，到吐絮期（9月6日）棉花總根長密度最大、根系發育最好。

2.3 微根管法與網格法對比

由2.2的結果可知，微根管法與網格法所監測的棉花根長密度最大值都在20～30 cm處，且根長密度隨土層深度的變化規律基本一致，具有較好的相關性。因此，選取鈴期（8月17日）和吐絮期（9月6日）的2種方法監測得到的棉花根系生長資料，以微根管法獲得的單位剖面根長密度為自變量，挖掘法獲得的單位體積根長密度為因變量，利用Microsoft Excel軟件擬合線性方程（圖7）。擬合的線性方程為

=1.631 9?0.486 6 （1）

=74.76>0.01(1,18)=8.28，回歸方程顯著；在顯著性水平0.01條件下，回歸系數通過檢驗，決定系數2=0.805 9，表明兩種監測方法的數據具有很高的相關性，可見利用微根管法可以比較準確測得棉花根系生長過程。因此，通過微根管原位長期動態監測棉花根系的生長發育特征，利用所建回歸模型修正微根管所造成的影響，獲得實際的根長密度值等參數。在利用微根管法觀測得到的剖面根長密度為，換算得到的實際體積根長密度在置信水平為0.95的預測區間見方程2。另外由線性方程斜率的倒數可算得微根管監測的管壁剖面深度[25]，本次微根管法監測的管壁剖面深度為0.613 mm。

3 結論與討論

1）利用微根管法在不破壞棉花根系生長的前提下，通過原位觀測獲取棉花根系生長圖像可以直觀地反映棉花根系生長情況，利用根系分析軟件處理能精確得到棉花細根周轉速率及相關根系形態參數動態變化過程。花期到吐絮期，利用微根管監測10～20 cm處根系生長得到的棉花根長更新速率為1.844 mm/d，期間棉花老根不斷死亡和分解。

2）微根管法與網格法得到膜下滴灌條件下棉花根長密度隨深度的分布變化規律基本一致，2種方法得到的最大根長密度在20～30 cm處。利用微根管法監測得到的棉花根量隨著時間推移，花期到鈴期棉花新根量增多，鈴期的新根量最大，之后新根量減少，到吐絮期新根量最小。利用網格法得到的棉花總根長密度隨著時間的推移，總根長密度增加，到吐絮期的棉花總根長密度最大、根系發育最好。

3）將微根管法與網格法得到的根長密度參數進行對比，2種方法監測得到的根長密度具有很好的相關性。由微根管法測得的剖面根長密度，可通過線性回歸方程換算得到相應的體積根長密度。本次試驗采用微根管法監測的管壁剖面深度為0.613 mm。

利用微根管法在基本不破壞棉花根系的同時能原位、定點長期監測棉花細根生長形態，從獲取的棉花根系圖像可以直觀地看出細根時空生長動態過程，且后期易于利用根系分析軟件量化根系形態參數。本試驗研究結果表明利用微根管法能可靠地監測膜下滴灌條件下棉花根系生長動態過程，與傳統的網格法相比具有較好的應用優勢。本次試驗棉花生育前期的根系生長動態因儀器故障未能監測到，只監測到棉花生育后期的根系生長動態。今后的研究還必須進一步根據膜下滴灌棉花種植方式及根系生長特征改進根管的埋設方式，利用長根管（180 cm）和短根管（92 cm）相結合的埋設方式加大根管的監測范圍。同時注意減少根管對土壤的擾動，使根管管壁與土壤緊密接觸，保證棉花根系能較好地定居在微根管管壁上生長。并通過加大監測頻率，更精細地捕捉到不同空間上細根從出生到死亡的全過程，以期準確獲取相關根系生長模型參數，通過構建根系生長模型進一步精細研究膜下滴灌條件下棉花根系生長時空動態變化。

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Monitoring cotton root growth dynamics under mulched drip irrigation using monirhizotron technique

Chen Wenling1,2, Jin Menggui1,2※, Liu Yanfeng2, Xian Yang1,2, Huang Jinou2,3

(1.430074; 2.430074; 3.310007)

Fine roots are the most important and active part of the root system. Due to the inaccessibility of root systems, special techniques are required to investigate the fine root distribution and root growth parameters. Conventional method to study the root system such as the quadrate monolith method always consume large labors, cause destruction to the root system, can’t monitor the root growth in suit and will cause the error of the measurement. While minirhizotron technique provides a nondestructive, in situ method for viewing roots growth images and is one of the best tools available for directly studying root system. In order to meticulously investigate the growth dynamic of cotton fine root under film mulch drip irrigation, a field experiment was conducted in 2014 by using minirhizotron technique to measure the growth of cotton root in situ at the Bazhou Experimental Station in Korla, Xinjiang, China. Reference standard used in this experiment was quadrate monolith method. The minirhizotron and quadrate monolith methods were applied to analysis the growth of cotton root under mulched drip irrigation with fresh water, and the root growth parameters of the two methods were analyzed to establish a regression model. Results showed that, the cotton new root and dying root could be judged by the colour of root from the root images, and the variation parameters of length and diameter of cotton new root and dying root can also be directly estimated from the cotton root growth images collected from one of the minirhizotron tubes at the depth of 10-20 cm. The cotton new root growth turn over at the depth of 10-20 cm was 1.844 mm/d with minirhizntron method, more and more root turned to be dying root as time gone on in the periods of blooming stage to boll opening stage. The parameters of mean diameter, total projection area and total surface area of cotton new root increased with time increasing, while those parameters of dying root decreased with time increasing. The deepest growth of cotton root in soil was observed at 50 cm through the two methods. The total root length density determined by using minirhizotron technique in the blooming stage (08-07), boll stage (08-17 and 08-27), and boll opening stage (09-06) were 5.49, 5.90, 5.59 and 4.49 cm/cm2respectively. The total root length density determined by quadrate monolith method in the blooming stage (07-16), boll stage (08-17) and boll opening stage (09-06) were 3.29, 5.14 and 5.78 cm/cm3respectively. The distributions of cotton root length density at different depth of soil were the same observed through the two methods, root length density was increased with the increase of soil depth between 0-30 cm, the maximum root length density was observed at the depth of 20-30 cm, root length density was decreased with the increase of soil depth between 30-50 cm. The results of the root length density among two methods were significant correlation at 0.99 confidence level. The equation of linear regression could be used to estimate the actual root length growth parameter after we acquired the root length growth parameter with minirhizotron method. It further showed that the minirhizotron technique could provid as a reliable, nondestructive and in suit method for directly viewing and studied the growth of cotton fine root change within soil under mulched drip irrigation, and by using the root processing software (WinRHIZOTron MF 2012) we could easily acquire the root parameters after collected the root growth images. For better understanding the meticulous growth dynamic of cotton fine root, steps must be taken to insure good soil/minirhizotron tubes contact without disturbing the soil; increasing the monitoring scope and the frequency of cotton root growth images collection through different periods of cotton growth will be needed in further research.

cotton; growth; monitoring; fine root; monirhizotron; quadrate monolith method; root length density; root growth dynamic

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.012

S154.4

A

1002-6819(2017)-02-0087-07

2016-05-26

2016-11-25

國家自然科學基金項目（41172218; U1403282）

陳文嶺，男，福建廈門人，博士生，研究方向為水文循環與生態環境、水流與溶質運移。武漢 中國地質大學環境學院，430074。 Email：chenwl0807@163.com

靳孟貴，男，安徽舒城人，教授，博士生導師，主要從事地下水與環境的研究。武漢 中國地質大學環境學院，430074。 Email：mgjin@cug.edu.cn

陳文嶺，靳孟貴，劉延鋒，鮮 陽，黃金甌. 微根管法監測膜下滴灌棉花根系生長動態[J]. 農業工程學報，2017，33(2)：87－93. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.012 http://www.tcsae.org

Chen Wenling, Jin Menggui, Liu Yanfeng, Xian Yang, Huang Jinou. Monitoring cotton root growth dynamics under mulched drip irrigation using monirhizotron technique[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 87－93. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.012 http://www.tcsae.org