南疆地區棗棉間作復合群體根系時空分布特征

李田甜， 孫 雪， 樊文霞， 王沛娟， 王 霜， 李燕芳， 萬素梅， 陳國棟

(塔里木大學農學院，新疆阿拉爾 843300)

近年來，日益嚴重的人口問題和經濟發展間的矛盾，引發了人們的憂慮，開始對以前在資源與環境方面采取的策略進行反省，為了在更廣闊的范圍內研究并實現可持續發展的道路。間作、套作、林糧結合、果農結合等復合農業經營系統正是在這種社會條件下發展起來的。農林間作復合系統是典型的傳統的土地利用方式之一，正是因為農林間作復合系統可以最大程度地發揮農林業的生態效益和經濟效益，提高有限資源的利用率和土壤利用率，現已被廣泛應用。我國塔里木盆地支柱型農業經濟產業最早的是棉花和紅棗產業，該農業產業如何在棗棉復合系統中，保證棉花有穩定產量的同時減弱棗樹對棉花的負效應是南疆農業經濟發展的重要課題。棗棉間作成為了南疆綠洲地區近幾年興起的新型種植模式。

農林復合系統中的各個組分對資源的競爭有地上部分競爭以及地下部分競爭，其地下部分的競爭尤為激烈，各組分作物對水、肥、光、熱等的競爭在每個部分都存在。地下部的爭奪是對水肥資源的爭奪，而地上部的爭奪則是對光熱資源的爭奪。在生態系統中，植物地上部分各組分之間的相互作用不容忽視，但物種之間關系的本質主要體現為地下根系對養分和水分的爭奪。在判斷系統是否穩定時，地下部分的作用強度明顯比地上部分強。根系是間作系統中對水分和養分等資源吸收、運輸、儲存和利用的主要器官，也是植物地下部各組分吸收和代謝的十分重要的器官。土壤中養分可以通過樹木的根系被樹木吸收和利用。然而，由于樹木對土壤養分和水分利用的影響，根系的形態特征、空間分布和活力都會影響地上部分的產量。根系是作物從地下部獲取資源的主要器官，對在間作系統中的養分及水分的吸收利用有很大的影響作用，特別是在以灌溉農業為主的南疆干旱地區，研究解決復合群體中對水分和養分資源的互補與競爭關系是農林間作系統能否實現高效可持續發展的關鍵。王婷等通過對干旱地區棗棉復合系統中的根系時空分布特征進行研究，發現間作棗樹與棉花的根系分布，在空間上既有錯位又有重疊。許華森等研究了核桃與大豆間作細根地下競爭狀況和分布狀況，為晉西黃土區果農間作科學種植提供了重要的理論基礎和依據。

農作物與林木對土壤中水分、養分的吸收利用與競爭主要是通過其根系完成的。因此，本研究以南疆棗棉間作系統作為研究對象，分析各組分作物的地上部分生長特征，并從地下部分根系形態結構與競爭作用著手，探明棗棉間作系統中各組分的相互作用與競爭互補機制，旨在為南疆棗棉間作復合系統土地高效利用方式、種間作用調節、株行距配置和田間管理措施的改進等提供依據，同時豐富農林復合系統中對根系的研究內容。

1 材料與方法

1.1 試區概況

試驗于塔里木大學園藝試驗站(40°32′20″N，81°17′57″E)進行。試驗地屬暖溫帶大陸干旱荒漠氣候區，光照時間長，日照時數為2 900 h/年，降水少，年均氣溫為10.8 ℃，≥10 ℃積溫為4 113 ℃，無霜期220 d，年降水量40.2～82.8 mm，年均蒸發量 1 977.6～2 568.9 mm，土壤為沙壤土，該地區是典型的灌溉農業區。

試驗地棗樹為2012年種植的酸棗，于2014年嫁接頭年灰棗，株行距為1.5 m×3.0 m，棉花品種選用新陸中36號。目前棗棉間作是塔里木盆地農作物種植的重要模式之一，相比其他種植模式棗棉間作經濟效益較好。

1.2 試驗設計

試驗于2019年進行，共設3個處理：單作棗樹、單作棉花、棗棉間作。間作處理下，距離棗樹1.0 m處寬窄行內種植4行棉花，株行距為12.5 cm×40.0 cm，間作中各處理分別選擇5株長勢較為均勻的棗樹作為標準樹，以選擇的標準樹為取樣中心，與樹行垂直，在距離標準樹0.1 m處選取第1個點，每個點間隔0.1 m，依次取到第5個點。在垂直于標準樹的樣方南北方向各取1個點，共7個點，用直徑為0.09 m、長0.1 m的根鉆在每個點分層(10 cm)取樣至 1.0 m。于4月13日播種棉花，采用地膜覆蓋和滴灌，試驗中其他管理措施與大田管理一致。

1.3 測定方法

在棉花、棗樹、棗棉處理中分別設置取樣點，在各個取樣點采用根鉆法取樣，將取出的土倒入 0.2 mm 篩子中，浸泡在水中約1 h左右，后用水清洗根系，取出植物根系置于密封袋中，放入-20 ℃冰柜內保存。根系掃描時將棗樹和棉花的根先在常溫下緩慢解凍，使用去離子水沖洗根系后再進行掃描。使用WinRHIZO根系分析系統進行掃描分析根系。將清洗干凈的根系置于105 ℃殺青30 min，在80 ℃條件下烘干，分別稱取根的干質量。

取樣時期為10月12日，此時棗樹生育時期為果實成熟期，棉花為吐絮期。

1.4 計算指標

1.4.1 根長密度、根質量密度 根長密度與根質量密度是地下部生長發育的最直接指示，是反映生長狀況的重要指標。計算公式如下：

=/；

(1)

=/。

(2)

式中：為根長密度(cm/cm)；為根長(cm)；為根質量密度(g/m)；為根干質量；為土壤體積(cm)。

1.4.2 競爭能力指數 根據Levins提出的生態位重疊公式，計算棉花與棗的競爭力指數，公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：為物種對物種的競爭指數；為物種對于物種的競爭指數；為物種的生態位寬度指數；為物種的生態位寬度指數；為資源位數量；和分別是物種和物種的第個資源位置的利用率與資源位置總利用率的比值。和的閾值為[1，1]，和的閾值為[0，1]。

1.5 數據分析

使用Excel 2016對試驗數據進行整理，利用SPSS 22.0進行方差分析，采用法進行顯著性測驗。

2 結果與分析

2.1 棗棉間作復合群體根系的空間分布特征

棗棉復合系統中，棗樹、棉花的根長密度垂直、水平分布情況如圖1所示。在水平方向上(圖1-A)，距離棗樹不同距離的土層，棉花的根長密度是 0.025～0.047 cm/cm，棗樹的根長密度是0.033～0.045 cm/cm。棗樹根長密度的水平分布，在0.1～1.0 m處均有分布，分別占總根長密度的25%、21%、25%、29%，分布較均勻。水平方向棗樹根長密度無顯著差異。棉花根系均分布在各個土層，且隨離樹間距的增大而增大，在0.1～0.3 m處最小，占到總根長密度的19%，在0.7～1.0 m處最大，占到總根長密度的35%，且較棗樹根長密度大。水平方向上棉花根長密度存在較大的差異。

由圖1-B可知，在垂直方向上，棗樹的根長密度主要分布在距地表0～0.3 m土層范圍內，占棗樹總根長密度的43%，0.2～0.3 m土層內根量最大，分別占17%、15%，0.4～0.6 m根量相差不多，分布相對比較均勻，0.7～1.0 m波動較大，但總體看來根長密度呈降低趨勢；在0～0.4 m土層范圍內是棉花根長密度的主要分布土層，占總根長密度的68%，隨著深度的增加棉花根長密度呈減小趨勢。

2.2 棗棉間作復合群體地下部種間競爭關系

在整個試驗區內，間作棉花與棗樹間，棉花的競爭能力都大于棗樹的競爭能力。從圖2-A可以發現，在水平方向上，隨距離棗樹的間距增大，棗樹-棉花的競爭能力指數與棉花-棗樹的競爭能力指數均增大，棗樹-棉花與棉花-棗樹的競爭能力指數均存在顯著差異。在距棗樹0.1～0.7 m范圍內，棉花-棗樹的競爭能力指數均大于棗樹-棉花的競爭能力指數，但差距較小；在0.7～1.0 m處，棗樹-棉花與棉花-棗樹的資源競爭能力指數均達到最大值，并且棗樹-棉花的資源競爭能力指數大于棉花-棗樹的競爭能力指數。棉花、棗樹對該試驗區土層的資源利用程度幾乎相同，兩者的競爭作用一直存在，但沒有占優勢的物種。由圖2-B可以看出，在垂直方向上，棗樹-棉花的資源競爭能力指數與棉花-棗樹的資源競爭能力指數均存在顯著性差異。棗樹-棉花的競爭能力指數隨著土層深度的增加呈現出逐漸增大的趨勢，而棉花-棗樹的競爭能力指數則呈現先增加后減小的變化趨勢。在0～0.3 m土層范圍內，競爭能力指數均呈上升趨勢，且棉花-棗樹的競爭作用較棗樹-棉花有明顯的優勢；但在0.4～0.6 m土層內，棗樹-棉花與棉花-棗樹的競爭能力指數均無明顯的變化。

2.3 棗棉復合群體根系質量密度分布特征

對棗棉間作系統中根系質量密度水平分布特征的分析可知，棗樹根系質量密度間無顯著性差異，棗樹根系質量密度表現出離樹間距越近根系質量密度越高的趨勢(圖3-A)。棗棉間作系統中，棗樹根質量密度最高出現在0.3～0.5 m處，為 1 806.87 g/m，占總量的27.0%。0.1～0.3、0.5～0.7、0.7～1.0 m范圍的根系質量密度分別為 1 768.29、1 478.70、1 644.88 g/m，分別占總量的26.4%、22.1%、24.6%；棉花根系質量密度的分布波動性較小，在0.1～0.3、0.5～0.7 m處，分別為373.21、374.04 g/m，分別占總根質量密度的26.8%、26.9%。棉花質量密度在0.3～0.5、0.7～1.0 m 范圍內分別為317.48、327.88 g/m，分別占總量的22.8%、23.5%。最后將棉花和棗樹的總根系質量密度累加發現，棗樹的總根系質量密度遠遠高于棉花的總根系質量密度，分別為6 698.75、1 392.61 g/m。

由圖3-B可以看出，隨土層深度的增加，棗樹、棉花的根系質量密度總體呈逐漸增加后逐漸減小的趨勢，其中，棗樹、棉花根系質量密度最大值均出現在0.2 m處，分別為326.58、153.34 g/m。

棗棉間作系統中，棗樹的根系質量密度主要集中在0～0.5 m土層范圍內，占總量的63.04%，在0.5～1.0 m土層范圍內，根系質量密度占總量的36.96%；棉花的根系質量密度主要分布在0～0.4 m土層范圍內，占根系密度總量的86.53%，在0.4～0.7 m深度下，棉花根系質量密度明顯降低，占總量的13.47%，而0.7～1.0 m范圍內，沒有棉花根系。對比棉花和棗樹的根質量密度，發現棗樹的根質量密度遠大于棉花的根質量密度，棉花的總根質量密度為552.98 g/m，棗樹的總根質量密度為 1 603.62 g/m。

2.4 棗棉復合系統地下部種間的競爭

植物生命活動是由2個部分共同完成，一部分是由根、莖、葉等部位組成的地上部分，另一部分是由根系組成的地下部分。由表1可知，單作棗樹的棗吊長度、莖粗和葉綠素含量均高于間作棗樹，而棉花的株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量均表現為間作棉花大于單作棉花。再結合棗棉間作中棉花、棗樹的地下根系空間分布特征，說明在棗棉間作中棉花為優勢作物，表現出較明顯的間作優勢。

表1 不同種植模式下棗樹和棉花地上部生長性狀比較

土地當量比(LER)=棗樹間作產量/棗樹單作產量+棉花間作產量/棉花單作產量，是用來衡量間作模式相對于單作模式增產能力的一種指標，當LER>1時，說明間作比單作的效率高。間作增產率=(-1)×100%。從表2可知，單作和間作的種植模式對棗樹和棉花的產量影響明顯。間作模式下，棗樹產量在間作模式下降低，棉花的籽棉產量也有一定的降低，但棗棉間作模式的增產率為33%，說明棗棉間作的種植模式可提高33%的土地利用率，生產優勢明顯，可提高有限資源利用率及經濟效益。

表2 不同種植模式下棗樹和棉花的產量

3 討論

3.1 棗棉間作復合群體根系空間分布特征

在垂直方向上，棗樹根長密度集中分布在距地表0～0.3 m土層內，棗樹的根系質量密度主要集中在0～0.5 m土層范圍內；棉花的根系主要集中分布在0～0.4 m土層范圍內，棉花的根系質量密度主要集中在0～0.4 m土層范圍內；在水平方向上，棗樹根長密度的分布隨與棗樹距離的增大而先減小后增大，在0.1～1.0 m土層處均有分布，且分布均勻；棉花根系分布在整個樣區，在0.1～0.3 m處最小，在0.7～1.0 m處最大。棗樹根系質量密度分布最高范圍在0.3～0.5 m處，棉花根系質量密度的分布波動性較大，這與王婷等的研究結果相似。

因為棉花與棗樹之間的距離較大，棗樹對棉花的抑制作用減弱，棉花具有足夠的生長空間。所以在水平方向上，離棗樹越遠棉花的根系就越長。棗樹受復合系統物種形態結構的影響，其葉片小而稀，通風透光性好，可有效減弱棗樹對棉花的遮陰作用，能夠滿足棉花與棗對光、熱資源不同時期的不同需求；棗樹根系分布較為稀疏，棉花的主根扎根較深，這樣的分布能夠使雙方根系對地下資源的分層利用，很大程度地提高地下土壤資源的利用率。

3.2 棗棉間作復合群體種間競爭關系

生態位重疊是資源利用競爭的必要條件，但競爭只發生在根系接觸或根系重疊而生態位分化不發生時。并且一些生態學觀點表明，不同物種在同一生態系統中共享一定的資源，具有不同程度的競爭，競爭可以爭奪生存空間和特定資源，植物生態位彼此越接近物種之間的競爭就越激烈。

在南疆這樣的極端干旱區，水資源對農業發展至關重要，也是發展果農間作復合系統的重要影響因素。在研究中發現，水平方向上棗樹和棉花對該試驗區土層的資源利用程度幾乎相同，兩者的競爭作用一直存在，但沒有占絕對優勢的物種。垂直方向0.1～0.3 m土層范圍內，棉花與棗樹內的競爭作用中棉花有明顯的競爭優勢，棉花對棗樹和棗樹對棉花的競爭能力指數均呈上升趨勢。

種間競爭不僅包括種間競爭的影響，還包括種間競爭的后果。本研究發現，棉花的生長狀況較棗樹的生長狀況要占優勢，棉花的地下部分競爭能力也強于棗樹，因此，在棗棉間作復合系統中，棉花較占優勢。能夠導致種間競爭的原因有很多，可能是植物根系的形態和生理特性、系統中土壤養分、植物不同發育階段等，隨著植物體的生長種間的競爭能力也逐漸增強，成熟階段的群落趨于穩定，競爭力隨之降低。

4 結論

棗棉間作復合群體中，棗樹與棉花的根系分布特征在空間上存在一定的差異，在不同土壤空間上相互交錯分布。研究發現，在垂直方向上，距地表 0～0.4 m土層內，是棉花根系集中分布的土層；棗樹根長密度集中分布在0～0.3 m土層內。在水平方向上，在0.1～1.0 m處均勻分布；棉花根系分布在整個土層樣區，在0.1～0.3 m 處最小，在0.7～1.0 m 處最大。棗棉間作復合系統中棗樹和棉花對資源的競爭一直存在，總體上來說，棉花較棗樹具有較強的競爭優勢。棗棉間作系統的土地利用率大于單作系統。分析確定復合系統中作物根系對地下資源吸收利用的變化特征，以實現系統資源的最優化利用，解析棗棉間作系統各組分的相互作用與競爭性利用的過程機制，是未來地下種間關系需要進一步深入研究的問題。