耕作方式對小麥根系構型及生長趨勢的影響

楊艷山， 丁啟朔， 趙亞平， 秦培亮， 吳 凡， 倪成功， 孫翠華

(1.蘇州農業職業技術學院，江蘇蘇州 215000； 2.南京農業大學工學院/江蘇省智能化農業裝備重點實驗室，江蘇南京 210031)

在耕種收全程機械化的背景下，機械耕作是改變土壤結構，水、氣、熱和養分供應的主要方式，耕作方式和耕作質量直接影響種子萌發、作物生長和產量。在農作物與土壤接觸的過程中，根系是直接接觸土壤的器官，耕作方式引發的土壤結構改變會對其生長、分布和功能的發育產生影響。因此研究作物根系生長狀態與耕作方式間的響應關系有利于完善耕作質量的評價方法，促進耕作機械的優化設計。

根系的構型分布能夠最為直觀地反映各根系的生長情況，依據研究根系的拓撲結構，能夠了解根系在土壤結構中的具體分布位置和伸展情況，拓撲結構也能夠分析出土壤結構對作物根系的貫穿、占據土體空間能力的影響。目前根系構型的研究方法主要有土壤剖面法、石料法、釘板法、探針法、根管法、溝渠法。量化指標主要是根干質量、根長、根直徑、根表面積以及根系結構。這些研究方法和量化指標在一定程度上可以有效反映根系實際的生長狀態，但是不能清晰直觀地表達出3D空間中作物根系的詳細分布情況。陳信信等建立了作物根系 3D 構型測試平臺，為研究根系構型提供了新思路。該平臺能夠對根系的3D 構型進行定量描述，對冬小麥根系構型的田間數據進行準確測量。但該研究僅停留在根系構型本身的定量分析和研究上，并沒有涉及耕作方式對根系構型影響的分析。

為了深入研究耕作方式對作物根系構型產生的影響并進行量化分析，本研究基于根系構型數字化平臺分析了不同耕作方式對小麥根系3D構型的影響，提出了一系列量化耕作方式和根系構型相互關系的評價指標，揭示了二者間的相互作用機理，以期為耕作機具的優化設計提供更加全面的理論支持。

1 材料與方法

1.1 種植與處理

本研究開始于2019年3月10日，小麥種植地點位于江蘇省南京市六合區八百橋鎮，前茬水稻秸稈不還田，采用全幅旋耕(FT)和帶狀耕作(ST)2種模式的耕作方式。帶狀耕作采用人工創造種溝的模式，采用不同的開挖工具，挖出的種溝深度為 6 cm，寬度為6.5 cm，種帶間距為20 cm。人工創造的2類種溝邊界見圖1，圖1-a所示的溝壁進行了人為涂抹記為ST1，圖1-b所示的溝壁粗糙記為ST2。這2種典型的溝壁狀態能夠方便研究作物根系構型在不同種溝邊界時受到的影響。以上2種耕作方式，均采用條播的播種方式，種植品種、密度、播種后管理方式均相同。

1.2 根系構型數據的采集及3D建模

本研究采用的田間取樣方法參照文獻[13]。綜合考慮小麥根系生長周期、分布特征、土壤恢復時間和取樣工作量，取樣時間開始于小麥植株具有2～3張葉片時，取樣周期設定為14 d，共計取樣4次，將根系樣本分別標記為0、14、28、42 d，為了確保數據準確，每次測量隨機抽取4株小麥根系。采用根系構型數字化儀對試樣數據進行采集，利用SolidWorks軟件將獲得的根系數據生成3D拓撲構型。

1.3 根系拓展趨勢分析方法

1.3.1 土體空間覆蓋面積差異系數 分別研究在平行、垂直于種溝方向上，作物根系的生長方向受不同耕作處理的影響，并將測量得到的冬小麥根系結構模型向深度方向(-投影面)投影，將投影面按照0.5 cm×0.5 cm的方格進行分割。對于帶狀耕作，設定中心范圍區域為6.5 cm×6.5 cm，并選定中心為種子所在位置，在-投影面上以種溝邊界和中心范圍區域為界限計算根覆蓋面積，對于全面旋耕處理，設置虛擬種子溝邊界來計算根覆蓋面積。

土體空間覆蓋面積差異系數()計算方法見式(1)，其中值越大，說明沿種溝邊界內的根系生長趨勢越明顯。值為正，說明小麥生長趨勢為沿種溝邊界方向。

(1)

式中：表示土體空間覆蓋面積差異系數；表示種溝邊界內且在中心范圍區域外含有根系的網格數量；表示種溝邊界外且在中心范圍區域外含有根系的網格數量。

1.3.2 根系構型拓展系數 根系構型拓展系數包括角度拓展系數和長度拓展系數。將測量得到的小麥根系構型分別沿著垂直、平行于種溝方向(圖2-a 中-和-面)進行投影。設置原點為種子目前所處的位置，以原點向下以每0.5 cm進行分層處理。由圖3可知，將整個區域按照坐標系分為2個部分，左側部分定義軸(或軸)的負方向為正向，定義右側部分以軸(或軸)的正向規定為正，按照分層對每個根系進行逐一測量，得出層內2點連線之間的水平根部拓展角與層內根部拓展長度。

對根系拓展角的余弦值和最大拓展長度進行方差分析，角度和長度拓展趨勢的期望值均設置為0，將左右 2個部分根系角度、長度拓展趨勢的方差值之和、作為量化指標來平均根系的生長趨勢。越小，角度拓展趨勢越大；越大，長度拓展趨勢越大。

具體計算公式如下：

(2)

(3)

=+。

(4)

式中：表示各根系在第層的拓展角余弦值均值；表示第1條根在第1層內的拓展角度，以此類推；表示角度拓展系數；表示層數；表示視圖根系的角度拓展系數；表示視圖右側部分的根系角度拓展系數；表示視圖左側部分的根系角度拓展系數。

(5)

(6)

=+。

(7)

式中：表示各根系在第層內的拓展長度均值；表示第1條根在第1層內的拓展長度，以此類推；表示長度延展趨勢；表示層數；表示整體長度拓展趨勢；表示投影面右側長度拓展趨勢；表示投影面左側長度拓展趨勢。

根系角度拓展趨勢差異系數和長度擴展趨勢差異系數定義為數量化根系平行于種溝方向(-視圖)和垂直于種溝方向(-視圖)生長趨勢之間的差別。、的絕對值越大，角度和長度的擴展趨勢差異也隨之越大，和值為正，說明小麥生長趨勢為沿種溝邊界方向。具體計算公式如下：

(8)

式中：表示角度拓展趨勢差異系數；-表示根系沿種溝方向上的角度拓展趨勢；-表示種溝垂直方向上根系的角度拓展趨勢。

(9)

式中：表示長度拓展趨勢差異系數；-表示根系沿種溝方向上的長度拓展趨勢；-表示種溝垂直方向上根系的長度拓展趨勢。

2 結果與分析

2.1 根系的3D構型

3種不同處理(FT、ST1、ST2)下各采樣時間節點處得到小麥根系3D構型到-投影平面的投影(俯視圖)見圖4。在第1次采樣時，小麥根系量差異在不同耕作處理下很小，根系結構無顯著差異。在第2次取樣時(距離苗期14 d)，小麥根系量呈暴發式增長，ST1和ST2處理小麥根系主要集中在種溝內部方向，FT處理小麥根系處于發散狀態。 隨著根系量的不斷增加和種間競爭的加劇，種溝邊界對根系生長趨勢的制約逐步衰減。 在最后一次取樣檢測時，3種耕作模式處理下根系生長趨勢沒有顯著差異。

2.2 根系生長趨勢

在平行(-投影面)和垂直(-投影面)2種種溝方向上，小麥根系試樣在各時間節點的土體空間覆蓋率的差異性見圖5。小麥根系在不同耕作處理方式下的生長趨勢不同，說明小麥根系的生長趨勢受耕作方式影響較大。從第2次取樣開始，ST1和ST2處理條件下小麥根系在平行于種溝方向(-投影面)的土體空間覆蓋率明顯增大，14 d時小麥根系土體空間覆蓋率差異系數分別高達139%和117%，在28 d時差異有所減小，但仍然明顯高于FT耕作處理。ST1與ST2處理相比較，ST1創造的種溝環境對根系生長的限制更為明顯，在距離苗期14、28 d時分別比ST2處理高78%、20%。

小麥根系在土體空間的角度和長度拓展趨勢見圖6、圖7。不同的耕作處理方式對小麥根系的角度拓展趨勢和長度拓展趨勢均有明顯影響。在采用全幅耕作處理(FT)時，小麥根系并沒有受到種溝邊界的任何限制，使其生長方向呈無規律性。在采用帶狀耕作處理時，小麥根系沿平行于種溝方向的生長趨勢明顯，如ST1處理在14、28 d時角度拓展趨勢分別高出全幅耕作處理4 520%、3 583%，長度拓展趨勢分別高出全幅耕作處理241%、740%。ST1、ST2處理相比較，ST1處理創造的種溝環境對根系生長的限制更為明顯，在距離苗期14、28 d時角度拓展趨勢分別比ST2處理高出88%、81%，長度拓展趨勢分別比ST2處理高出31%、37%。

3 討論與結論

試驗結果表明，耕作方式對作物根系的構型和生長趨勢有明顯影響。帶狀耕作處理(ST1、ST2)后種溝內土壤疏松多孔，造成種溝內外土壤容重和緊實度差異很大，因此對根系制約較大(圖4)。 全幅耕作處理 (FT) 創建的苗床土壤結構均一，沒有顯著差異性，根系因此呈隨機性生長趨勢，該試驗結果與前人研究結果具有統一性。李潮海等研究土壤結構的改變對玉米根系生長量和長度的影響，結果表明土壤容重值越大，根系數量也會越少、干質量和長度的降低也會越明顯。Millikin等同樣發現，作物細根生長于土壤容重低、氧氣充足的土層表面。Aggarwal等研究發現，土壤抗滲性也是影響根系生長的重要因素。

3種耕作處理相比之下，在第2次取樣時ST1、ST2處理的根系沿種溝方向生長趨勢最為明顯。這是因為，該階段根系數量增長明顯但個體并不大，種溝內的養分足以滿足根系的生長發育需求，種間競爭現象不明顯。隨著植株個體不斷生長和養分需求的不斷增加，植株之間的競爭更加激烈，種溝內的養分不能滿足植物生長發育的需要，根系開始向其他方向擴張以獲得更多的營養成分。因此，在取樣時間為28、42 d時，根系生長趨勢將會沿種溝方向逐漸衰減，但是帶狀耕作對根系生長趨勢的限制仍然大于全幅耕作。

帶狀耕作ST1和ST2處理相比發現，ST1處理模式下種溝會更為嚴重地限制根系的發育。這是在ST1模式下種溝壁涂抹嚴重導致的，這種涂抹層對種溝壁的土壤結構破壞嚴重，會顯著地降低種溝壁土壤的孔隙度，水分和氧氣的傳輸受到阻礙。在播種后溝壁土壤由濕轉干的過程會大大增加土壤的硬度和滲透性，增加根系穿透的難度，導致根系在土壤中的生長分布不均，破壞作物的正常發育過程。相比ST1處理，ST2處理形成的種溝壁表面相對粗糙，形成的種溝更有利于小麥根系前期的生長發育。

保護性耕作背景下，帶狀耕作以其極少的土壤結構擾動范圍和良好的種溝環境得到了廣泛的應用與推廣。鑒于2種帶狀耕作處理方式下根系生長趨勢的研究結果，本研究建議將種溝邊界質量納入帶狀耕作機具耕作部件優化設計指標，創造出更好的種溝環境，進而提高作物的產量和品質。

本研究基于根系構型數字化平臺分析了不同耕作方式對小麥根系3D構型和生長趨勢的影響，提出了根系體空間覆蓋面積差異系數、角度拓展系數、長度拓展系數等量化評價指標，揭示了耕作方式和根系3D構型兩者間的相互作用機理。

根據不同耕作處理下小麥根系空間擴展趨勢研究結果發現，小麥根系發展與土壤空間分布、種溝環境直接相關，小麥根系在帶狀處理下產生的種溝內空間分布和分布趨勢差異較大。在采用帶狀耕作處理時，小麥根系沿平行于種溝方向生長趨勢明顯，如ST1處理在14、28 d時角度拓展趨勢分別高出全幅耕作處理4 520%、3 583%，長度拓展趨勢分別高出241%、740%。ST1、ST2處理相比較，ST1創造的種溝環境對根系生長的限制更為明顯，在距離苗期14、28 d時土體空間覆蓋率分別比ST2處理高出78%、20%，角度拓展趨勢分別高出88%、81%，長度拓展趨勢分別高出31%、37%。

鑒于不同耕作處理方式下根系生長趨勢的研究結果，本研究建議將種溝邊界質量納入耕作質量評價體系并作為耕作機具耕作部件優化設計指標