辣椒根系影響下的農地土壤水分空間運動分異特征

楊 婷，陳曉冰※，許 昊，秦梓城，劉思佳，劉俊杰

（1.桂林理工大學廣西巖溶地區水污染與用水安全保障協同創新中心，桂林 541004；2.桂林理工大學廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，桂林 541004；3.廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室科教結合科技創新基地，桂林 541004；4.桂林理工大學環境科學與工程學院，桂林 541004）

0 引言

土壤水作為農地水分循環的重要組成部分，也是影響田間作物生長發育的關鍵因子，對農業生態系統的物質能量流動具有重要意義[1]。因此，如何充分且高效地利用土壤水資源，實現農作物的提質增收是當前農業生產領域關注的研究熱點。

目前，對于提高田間土壤水分的相關研究主要集中在探索耕作方式[2]、土壤環境[3]和作物類型[4]等方面上。土壤水分變化是影響作物需用水特性的重要因素之一[5]，同時作物根系也對土壤水分特征產生影響[6]。根系生長過程中的穿插、繞結、擠壓與腐爛死亡產生的通道引起土壤孔隙結構變化，從而改變土壤水分的分布狀況[7]。同時，植物利用其根系分泌物和土壤微生物群落相互作用，從而膠結土壤顆粒以改善土壤微團聚體等結構狀況[8]，影響水分在土壤空間內的分布變化。當前關于根系影響下的水分狀況，以分析其引起的土壤環境改變（諸如土壤理化性質、土壤結構等）進而影響土壤水分狀況變化的研究居多。此外，相關研究發現根系生長會通過調節自身狀態對土壤水分的吸收利用策略[9]，從而影響地上作物生長和產量。根系的提水作用能夠在植物生長期與土壤水分保持相對穩定的內在關系[10]，通過實現水分再分配，使根土水環境維持平衡狀態的同時也提高了根區從深層土壤得到水分補給的能力[11]。土壤水分運動作為反映田間水分狀況的重要內容，會隨著根土環境的改變發生變化[12]，但其如何受到根系的影響作用，目前更多地是從根系影響下形成的土壤環境角度出發開展相關分析，鮮有從作物根系自身（根系形態、結構等）特性來進行水分運動作用關系闡述。而根系形態結構的可塑性[13]是植物在生長發育過程中主動適應土壤水分異質性環境、實現土壤水資源高效利用的體現，這對開展根系自身特性與土壤水分的協同調控機理的研究具有重要作用。因此，進一步闡明根系自身特性對田間土壤水分狀況，特別是與其中的水分運動過程之間的作用關系，對于全面認識作物根系對田間土壤水分狀況的影響，開展合理的田間作物灌溉具有重要的現實指導作用。

隨著鄉村振興的大力發展，廣西正逐步成為中國重要的南菜北運基地。其中辣椒作為廣西種植面積較大的蔬菜品種之一，已經成為當地農業經濟收入的重要來源[14]。近年來受氣候變化的影響，廣西災害性天氣加劇，高溫干旱、暴雨洪澇等氣象災害頻發[15]，導致田間水熱條件相對較差，嚴重影響辣椒生產。而辣椒作為主根粗、須根密集的一種作物，對土壤環境中水分狀況極其敏感[16]，不良的土壤水熱環境一定程度上影響了廣西辣椒種植。因此，本研究從解決當前廣西辣椒種植產業的實際問題出發，以田間辣椒為研究對象，基于形態學圖像解析技術、灰色關聯等分析方法，定量細化田間根區和非根區的土壤水分空間分布、運動變化特征，揭示作物根系對土壤水分運動的影響，為開展田間辣椒精準灌溉，提高辣椒水分利用效率，實現辣椒提質增收提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 辣椒種植概況

研究區位于廣西桂林市臨桂區（25°17′N，110°01′E），屬亞熱帶季風區，年平均溫度為20 ℃，年平均降雨量為1 869 mm，近65%的降雨集中出現在4—7 月，大雨占比約26%。土壤以紅壤土、石灰土和水稻土為主要土壤類型，土壤質地主要為粉壤土。選擇研究區內長、寬分別為20 m 和10 m 的農用平地作為試驗樣地，種植前深翻土壤。研究地種植作物為辣椒（桂椒12 號），于2022 年4 月上旬定植，8—10 月收獲，采用起壟深埋的種植方式，設置多個壟行，壟間距為15 cm，壟寬為120 cm，壟高為15 cm，采用壟上雙株雙行定植，株距50 cm，行距70 cm。施肥方式如下：底肥生物有機肥（有機質≥70%）300 kg/hm2，追肥復合肥380 kg/hm2（N 質量分數15%、P2O5質量分數15%、K2O 質量分數15%）。野外試驗時間選擇在辣椒成熟期，時間為2022年9 月20 日—2022 年9 月23 日，試驗期間野外未出現降雨現象。研究樣地土壤基本性質如表1 所示。

1.2 染色示蹤試驗

根據樣地種植情況，隨機選取3 個種植壟作為染色示蹤試驗區，清理表面雜草，將長60 cm、寬60 cm、高30 cm 和厚0.3 cm 的金屬樣方緩慢砸入試驗區內（樣方內植株具體布設位置見圖1），砸入深度為15 cm。

圖1 土壤染色剖面示意圖Fig.1 Soil dyeing profile diagram

為了防止降雨等外界因素的干擾，試驗前使用塑料薄膜對樣方進行24 h 覆蓋。24 h 后移除金屬樣方上的薄膜，使用帶有穩定恒流泵的供水裝置將10 L（含5%的損耗）濃度為4 g/L 的亮藍溶液（以當地累計24 h 的降雨量25 mm 為配置標準）以150 mL/min 均勻噴灑到樣方內，噴灑結束后再用塑料薄膜覆蓋樣方24 h。24 h 后移除塑料薄膜，選擇樣方內植株前后10 cm 區域，以2 cm 水平寬度為一層，對試驗區進行垂直剖面挖掘至最大染色深度處，當土壤剖面開始出現作物須根時，為減少挖掘過程對根系及其附近土壤染色剖面的影響，以1 cm 水平寬度緩慢向前挖掘，并配合使用毛刷等工具在根系生長區域緩慢刷去根系周圍土壤并平整土壤剖面，使用1 510 萬像素的單反相機（Canon EOS50D）對剖面圖像進行拍攝。土壤垂直剖面挖掘空間示意如圖1 所示。

1.3 根系采集與生物量測定

利用鐵鍬、鑷子、毛刷等工具，采用全挖法對觀測區辣椒根系進行采集，將根系整體、緩慢地從土壤中取出，盡可能保證根系結構的完整性，并使用皮尺測量記錄辣椒最大扎根深度，使用自封袋將采集的根系帶回實驗室，將根系清洗干凈后，采用植物圖像分析儀（MICROTEK ScanMaker i800 plus）對根系進行掃描。將得到的根系掃描圖導入萬深LA-S 系列植物圖像分析系統分析根系內部連接數量、外部連接數量、根系長度、根系廣度、平均根系直徑、總根表面積等根系參數。然后將樣本置于80 ℃烘箱中烘干至恒質量，獲得辣椒根系干質量，分別計算出根系形態（根系削弱系數、比根長）指標和根系結構（拓撲指數、分形豐度、分枝強度）指標。

1.4 數據處理與分析

1.4.1 染色圖像數據處理

利用WGEO 軟件對垂直染色圖像進行校正，再通過Photoshop 2020 進行裁剪、顏色替換，灰度調節，利用MATLAB R2021b 對處理后的圖片進行根系和土壤染色的分割，獲得500×500 像素的土壤垂直剖面染色圖像。最后利用Image Pro Plus 6.0 圖像處理軟件進行像素點的分割與數量的統計分析，分別獲得0～255 灰度級數值矩陣和僅含有0 和255 的數值矩陣，用于后續土壤水分運動相關參數的計算。

1.4.2 土壤相關指標計算

1）土壤染色形態狹長度

土壤染色形態狹長度[17]是指土壤剖面水平和垂直方向上染色形態外切邊界平行線距離的最小值與最大值之比，反映土壤染色形態的細長程度，其值越小，土壤水分豎向分布越狹長。

式中AR為土壤染色形態狹長度；Emin為土壤染色形態最小外切邊界平行線距離，cm；Emax為土壤染色形態最大外切邊界平行線距離，cm。

2）土壤剖面染色面積比

土壤剖面染色面積比[18]是土壤剖面染色面積占該剖面總面積的百分比，反映土壤中水流運動范圍的大小。

式中DC為土壤剖面染色面積比，%；D為土壤剖面染色面積，cm2；ND為土壤剖面未染色面積，cm2。

3）土壤水分湍動強度

土壤水分湍動強度是各土層染色面積沿程累積面積變化幅度。用基于距離變化的溝道面積累計變化率[19]來表征土壤空間內染色面積累計變化率（即速變程度），數值越大說明土壤染色面積波動越大，水分運動速變程度越強，數值越小說明水分運動相對穩定。

式中TK為土壤水分湍動強度；Ki和Ki+1為各土層染色面積變化率，%；n為土層數量；K為相鄰土層間匯入距離的變化的土壤染色面積變化率，%；Aa、Ab為2 個相鄰土層的染色面積，cm2；Sab為相鄰土層中心點之間的距離，cm。

4）最大入滲深度

最大入滲深度是指土壤水分最大入滲量，本研究中指采用部分染色達到的最深染色深度，cm。

1.4.3 根系形態與結構數據處理

1）根系削弱系數

根系削弱系數[20]是根系在不同土壤深度中根系的分布狀況。β越小，表明根系在淺層土壤中分布的比例越大。

式中Y為從地表到一定土層深度的根系生物量累計百分比；d為土層深度，cm；β為根系削弱系數。

2）比根長

比根長[21]為根系長度與根干質量的比值。比根長值越大，根越細小。

式中SRL為比根長，m/g；l為根系長度，m；m為根系生物量，g。

3）拓撲指數

對傳感器提供的信號評估和處理是生產高質量注塑件的先決條件，當然高精度注塑模具也是必不可少的，例如想要使生產部件公差小于30 μm，就必須使用誤差低于10 μm的注塑模具。此外，還需要用于模具補償的測量傳感器，例如Carl Zeiss工業測量儀器公司就為此發開了一種用于表面反饋的創新軟件。

拓撲指數[22]反映了不同植物根系的分支模式。植物根系分支介于魚尾形分支和叉狀分支之間，其值越趨于1，根系越接近魚尾形分支；越趨于0.5，根系越接近叉狀分支。

式中TI為拓撲指數；A為根系內部連接總數；M為根系外部連接總數。

4）分形豐度

分形豐度[23]是單位土體中植物根系的體積范圍。其值越大，根系主根越發達，運輸和吸收土壤水分和養分的能力越強。

式中Nr為根系所截的正方形數目；r為正方形邊長；FD為根系分形維數；lgK為分形豐度。

5）分枝強度

分枝強度[24]表示根系分叉數的密集程度，也是衡量根系對土壤資源利用能力的指標。分枝強度越大，側根數量增多，減少植株間可利用資源的傳輸距離，提高土壤水分資源利用率。

式中BI為分枝強度；e為根系分叉數；l為根系長度，mm。

1.4.4 數據統計分析

使用WEGO、Photoshop 2020、MATLAB R2021b和Image Pro Plus 6.0 等軟件對染色圖像進行處理和數據提?。皇褂肊xcel 2019 軟件對提取的數據進行分析整理；使用SPSS 21.0 軟件對數據進行方差分析、差異性分析和相關性分析（α=0.05）；土壤水分湍動強度與根系形態與構型的灰色關聯使用SPSSAU 進行計算；使用AutoCAD 2020 和Origin Pro 2020 軟件對數據分析結果進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 辣椒根系形態及結構特征

2022 年9 月對辣椒根系最大扎根深度進行實地調查發現，根系在土壤中平均最大扎根深度可達25 cm。將野外采集的根系樣品帶回室內，通過植物圖像分析系統計算分析了不同土壤深度下根系根徑和比根長的變化，結果見表2。隨著土壤深度的增加，根徑逐漸減小，比根長也呈增加趨勢且在＞20～30 cm 達到最大值，說明土壤深度越深，辣椒根系越細小。

表2 不同土壤深度根徑和比根長變化Table 2 Changes of root diameter and specific root length in different soil depths

對辣椒根系整體進行根系形態（根徑、根系廣度和比根長）和根系結構（拓撲指數、分枝強度和分形豐度）分析可知，根系平均根徑為0.47 mm，其生長平均廣度為18.46 cm，比根長為14.72 m/g，細根較多。同時辣椒根系平均拓撲指數為0.87，趨于1，根系接近魚尾形結構。根系平均分形豐度為14.45，分枝強度為0.53，辣椒根系分支較多，側根密集，在土壤中拓展體積較大。對辣椒根系形態和根系結構進行相關性分析，結果見表3。扎根深度與分枝強度相關性最大（相關系數為0.899），根系廣度與分枝強度相關系數為0.883，表現為根系廣度越廣，分枝強度越大。根系廣度與分形豐度存在極顯著相關關系（P＜0.01），相關系數為0.986。整體而言，反映根系形態的根系扎根深度和根系廣度與根系結構的相關程度更高。

表3 根系形態與結構間相關性Table 3 Correlation between root morphology and structure

2.2 辣椒根系影響下的田間土壤水分空間運動

土壤剖面染色形態可在一定程度上表現土壤水分入滲的運動范圍，進而反映根系影響下的土壤水分空間分布狀況。對染色示蹤試驗獲得的36 張土壤垂直剖面染色圖像數據進行分析，選取最接近染色面積比均值（28.63%）的相對應觀測區的染色圖像進行土壤水分空間分布狀況展示分析，土壤染色相關指標計算采用全部土壤剖面染色數據，結果如圖2 所示。

圖2 辣椒地土壤垂直剖面染色圖像Fig.2 Dyeing image of chili pepper along soil vertical profile

由圖2 可知，土壤染色形態在0～5 cm 土層范圍內未分化，在5 cm 以下土層沿深度開始出現較明顯的團塊狀分化現象，整體沿土壤深度呈現增加的變化趨勢，且染色形態出現側向偏移，表明土壤剖面中存在側向水分運移通道，引起水分在下滲過程中發生側向運動。當逐漸靠近辣椒主根剖面（剖面6）附近時，染色水流向主根附近發生聚集變化，土壤剖面染色形態呈現“指狀”分化現象。而特定的根區對根土空間的影響至關重要，盡管根系、土壤、環境等因素影響根土環境到達平衡的時間，但潛在根系影響范圍幾乎保持不變[25]。因此結合染色實際形態與辣椒根系（平均）生長寬度，將染色剖面沿水平寬度方向分為非根區（0～30 cm）和根區（＞30～50 cm）。非根區在0～10 cm 染色多以整體入滲為主，＞10～20 cm 由整體入滲向集中入滲過渡，＞20～30 cm 土層出現散點狀的染色形態，且在＞30～50 cm 土層土壤未出現染色。相較于非根區，根區土壤染色圖像在0～30 cm 土層呈現集中聚集分布特征，在辣椒主根附近（剖面6）的＞30～50 cm 土層出現了“指狀”染色形態的水分分布狀況，并貫穿土壤剖面。非根區土壤染色形態平均狹長度為0.89，是根區（0.61）的1.5 倍（圖3），二者之間差異顯著（P＜0.05）。說明根區土壤染色形態較狹長，水分空間分布相對集中。結合土壤剖面染色圖像分析得出，非根區土壤水分多以整體和側向分布為主，而根區在淺層土壤中水分分布較集中，但隨著土壤深度增加，出現了上下貫通的垂向通道，深層土壤水分分布顯著。

圖3 辣椒地土壤染色形態狹長度Fig.3 Pepper soil dyeing form narrow degree

在野外染色示蹤試驗中，基于根系主導的水流運動范圍所形成的染色形態變化可以反映出水流入滲運動的空間分布特征，而土壤染色面積比可定量反映土壤水分的空間運動結果（圖4）。在0～10 cm 土層中，非根區染色面積趨于100%，染色面積變化較小，而＞10～30 cm 土層中隨著土壤深度增加，染色面積比波動較大，在＞30～40 cm 土層中染色面積比逐漸趨于0，說明該土層是非根區水分運動能到達的平均最大深度范圍。而根區染色面積比呈現隨土壤深度增加而減少的趨勢，相較于非根區，染色面積比變化較為平緩（＞10～20 cm 土壤深度），水流運動范圍無較大變化，且在＞30～50 cm 土層中發生拖尾現象，根區染色沿土壤深度呈現集中運動。根區在＞20～50 cm 土層中，染色面積比快速下降，說明土壤側向運移通道減少，水分以垂直向下的非均勻流形式快速運動，且根區最大水流到達深度范圍（＞40～50 cm）顯著大于非根區（P＜0.05）。根區土壤平均總染色面積比為36.84%，是非根區（23.62%）的1.6 倍（P＜0.05），表明在整個土壤空間內，根區土壤染色覆蓋變化范圍較小，染色分布較廣泛，水分空間運動范圍相對穩定。

圖4 辣椒地土壤染色面積比隨土壤深度的變化Fig.4 Changes of soil dyeing area ratio with soil depth in pepper field

為進一步表征辣椒根系影響下不同土層水分空間運動變化程度，對非根區和根區的土壤水分湍動強度進行分析（圖5）。非根區不同土層土壤水分湍動強度起伏大，整體呈“S”型曲線波動，而根區整體呈線性遞增。在0～20 cm 土層，非根區水分平均湍動強度為14.48，是根區（7.93）的1.6 倍，土壤水分活躍程度更高。隨著土層深度（＞20～40 cm）增加，非根區和根區的水分湍動強度均逐漸增強，非根區湍動強度達到最大值34.10，遠大于根區（22.33），說明非根區水分豎向速變程度較高，水分入滲相對減少。在＞40～50 cm 土層，非根區湍動強度減弱，根區土壤水分逐漸到達平均最大入滲深度，湍動強度持續增強，在此深度下非根區達到31.04。結合土壤染色圖像，非根區在＞20～40 cm 土層的水分空間活躍程度高。辣椒地非根區土壤水分平均湍動強度為116.09，是根區（83.90）的1.4 倍（P＜0.05），表明根系影響土壤水分的豎向運動，使土壤水分深層運動能力增強，但深層土壤側向運移通道相對表層土壤減少，土壤水分速變程度整體較弱。

圖5 辣椒地土壤水分湍動強度Fig.5 Turbulence intensity of soil moisture in pepper field

2.3 辣椒根系形態結構對土壤水分空間運動變化的影響

湍動強度量化反映了土壤水分空間運動的速變程度，為定量分析根系形態及結構對土壤水分空間運動分異特征的影響，以根區土壤水分湍動強度和根系形態及結構分別作為參考序列和比較序列，對根區土壤水分湍動強度進行灰色關聯分析（表4）。反映根系形態狀況的根系比根長對土壤水分湍動強度影響最大，關聯度為0.984，其次為反映根系結構的根系分枝強度，關聯度為0.720，根徑（關聯度為0.486）影響最小。而根系廣度、拓撲指數和分形豐度對土壤水分湍動強度影響相差不大，關聯度分別為0.684、0.687 和0.669，均高于根系扎根深度（0.555）。整體而言，根系形態對土壤水分的空間運動異質性影響較大，而根系結構對土壤水分的變化影響程度相對較小，且表征根系結構的特征參數影響程度相似。

表4 辣椒根系形態及結構與土壤水分湍動強度的灰色關聯Table 4 Grey correlation between characteristic parameters of root development of chili and turbulence intensity of soil moisture

為進一步量化根系對土壤水分空間運動的影響，對辣椒地非根區和根區土壤染色圖像進行灰度值提取，灰度值的大小可以反映土壤染色的深淺變化，進而表征土壤水分含量的大?。慈旧缴睿叶戎翟叫?，土壤水分含量越高）。而灰度值頻率描述了單位空間內某一灰度值出現的次數，不同灰度值出現的頻率表征根區和非根區水分含量的高低。由圖6 可知，在土壤0～50 cm水平寬度內，土壤染色平均總灰度值整體呈現“下降-上升-下降-上升”的變化趨勢，在水平寬度41.6 cm 處平均總灰度值總最?。?91 513），說明該位置處土壤顆粒染色最深，土壤水分含量最高。非根區和根區土壤染色平均灰度值頻率在灰度級范圍內均呈現先增加后降低，隨后在一定范圍內波動的變化趨勢，但在51～153 灰度級范圍內，根區平均灰度值頻率顯著高于非根區。非根區平均總灰度值整體呈下降趨勢，其平均總灰度值為1 251 648，平均灰度值頻率在51～102 灰度級范圍內下降到最小值0.09%后出現小范圍的增加趨勢（102～153 灰度級范圍內），最后保持“鋸齒形”波動狀態。而根區整體呈“V”字型變化趨勢，越靠近辣椒主根定植區域，平均總灰度值越小，表明主根附近土壤含水量越高。根區平均總灰度值為1 099 961，平均灰度值頻率下降到0.23%附近（51～102 灰度級范圍）后，在102～153 灰度級范圍內保持在0.23%附近平穩波動狀態。根區平均總灰度值頻率（51～153 灰度級范圍）為31.34%，是非根區（19.36%）的1.6 倍。因此，在相同外部供水環境下，根區的土壤水分運動分布程度更高，水分運動更活躍。

圖6 辣椒地土壤染色灰度直方圖Fig.6 Gray histogram of soil dyeing in pepper field

綜上，根區土壤含水量顯著高于非根區土壤含水量。根系削弱系數可表征根系在土壤垂直空間內的分布特征，其與土壤水分間的相互作用量化反映了水分運動狀況。從表5 可知，根系削弱系數隨著土層深度逐漸增大，在＞20～30 cm 最接近1，在0～20 cm 土壤深度相對較小，說明辣椒根系在淺層土壤（0～20 cm）中分布比例較大。同時，在0～20 cm 土層中，土壤含水率呈上升趨勢，含水率差異顯著（P＜0.05），而從15 cm到30 cm 土層土壤含水率降低，說明在辣椒根系淺層分布區，土壤水分狀態相對活躍，且土壤水分呈現集中分布狀態。

表5 不同土壤深度根系削弱系數及土壤含水率Table 5 Root reduction coefficient and soil moisture content at different soil depths

3 討論

3.1 辣椒根系分布對土壤染色形態特征的影響

根系通過自身形態及結構來適應土壤空間內的水分環境[26]，同時改變了土壤水分分布狀況，使得根系生長區域范圍內的土壤剖面內出現不同的染色形態分化現象。本研究中的辣椒根系雖然接近魚尾形分支結構，但隨著扎根深度的增加，根系廣度變廣，根系分形豐度增高，而較高的分形豐度表明辣椒根系細根占比多，分支多且分枝強度更大，側根更密集，根系在土壤中拓展的體積更大[23]，能夠在更大的水平空間內獲取土壤水分，從而使土壤染色形態在辣椒根系生長區域出現集中聚集分布形態。通過對非根區和根區辣椒地土壤染色形態特征分析發現，根系生長區域染色呈聚集狀分布，水分主要分布在0～30 cm 土層內，非根系生長區域表層土壤以整體分布為主，表明根系的生長會對土壤原有結構產生擾動，形成以作物根系為主的根土結構環境，并與現有的土壤水分孔隙路徑相連通，增強水流在土壤豎向空間內的運動過程[27]，形成聚集的染色形態分布現象。本研究通過對同一土壤非根區和根區的染色形態狹長度分析發現根區水分分布范圍更廣，水流能到達的土壤深度更深，這與作物根系扎根深度和根系廣度有關，研究表明[28]，當淺層土壤含水量無法保證作物生理需求，根系會向土壤深層生長，以吸收利用深層土壤水分。而非根區土壤表層富集水分較多，水分深層分布不顯著，這可能是因為根區根系的生長對土壤顆粒存在壓實作用，使非根區土壤水分呈現表層整體分布特征。同時，在整個土壤空間內，根系的生長極大增強了水分的入滲能力[29]。

3.2 辣椒根系對土壤水分空間運動的影響

本研究通過對0～50 cm 土壤深度染色面積比圖像進行分析發現，0～30 cm 土層中非根區染色面積比波動大，根區水分運動范圍變化平緩較小，而在深層土壤中，非根區水分入滲較少，說明在同一供水條件下，根土及附近形成的土壤環境可以保持較好的水分入滲條件，使土壤具有高滲透性和良好的垂直連通性[30]，這與WU 等[31]對不同植物根系土壤優先流入滲機制的研究結果一致。同時，本研究中根區土壤平均染色面積比是非根區（23.62%）的1.6 倍，且根區土壤水分湍動強度弱，其空間運動范圍速變程度平緩，水分運動連通性優于非根區，這可能是因為根區表層土壤水分優先通過根系收縮作用形成的根土間隙運至土壤深層，促進土壤水分快速運動。已有研究表明[32]，根土間隙是土壤大孔隙的重要組成部分，在土壤水分運動過程中發揮重要作用。本研究中作物根系分布在0～30 cm 土層中，在此深度下根土間隙促進了水分的垂直入滲，但土壤的緊實性會影響水分的垂直入滲能力[33]。對于整個土壤空間而言，根系提高了表層土壤蓄水能力，同時也在一定程度上促進了水分的豎向入滲運動，這有助于土壤空間內的水分交換，提高作物的水分利用能力[34]。

3.3 辣椒根系與土壤水分空間運動分異的作用關系

通過對根系形態及結構與土壤水分湍動強度進行灰色關聯分析發現，表征根系形態的比根長對土壤水分湍動強度影響更大，其次為根系結構中的分枝強度，表明根系的存在增加了水流運動阻力[35]。比根長決定了作物根系利用土壤水分和養分的能力，研究表明[21,36]，作物能夠通過增加比根長從而提高對水分和養分的吸收。本研究中辣椒作為主根粗、須根密集的作物，即使最大扎根深度無法穿透土壤深層，但根系對土壤產生的擾動使根區與深層土壤建立了豎向連通性，土壤深層水分運動以“指狀”形式向下入滲，促進了深層土壤優先流的發育[37]，致使水分運動在含有根系的土壤空間內呈現明顯的分異特征。

辣椒根系的削弱系數在0～20 cm 土層深度較小，趨于土壤淺層分布，促進了土壤表層蓄水能力。研究發現，相較于非根區，根區土壤含水量更高，且越靠近辣椒主根定植區域，土壤含水量越高，這是根系適應土壤環境從而滿足自身吸收利用的體現。有研究發現[38]，由于根系在土體內的分布延展及滲透壓的影響，將會把土壤水聚集在根系四周的利用區域內，有利于作物根系對土壤資源的吸收利用，且土壤含水率隨著土壤深度增加呈現先增大后減小的變化特征。李惟婕等[39]發現土壤水分與果樹細根長密度呈負相關關系，這與本研究結果具有一定相似性。

以往關于根系對土壤水分狀況的研究較多基于在根系影響下的土壤環境（諸如結構、理化性質等）情況下分析所得，而本研究通過從作物自身特性出發，圍繞根系的形態結構對土壤水分空間運動變化進行研究，同時對土壤空間進行非根區與根區的水流染色區域分割，細化揭示了了作物根系對農地土壤層中水分分布變化以及空間運動的影響。但在根土間隙區，根系如何在此微觀空間內利用狹窄區域及自身生理特性影響土壤水分狀況，且存在的根系分泌物和菌絲際及其他微生物與根系結合形成的根際共同體[40]是否對土壤水分空間分異產生影響，還需進一步探索研究。

4 結論

本研究通過野外染色示蹤試驗，結合形態學圖像解析技術，分析了田間土壤根區和非根區的水分空間分布，探討了辣椒根系影響下的農地土壤水分空間運動分異特征，得出如下結論：

1）根系形態與結構存在相關關系，進而影響土壤水分空間運動，反映根系形態的根系扎根深度（相關系數為0.899）和根系廣度（相關系數為0.883）對分枝強度的影響最大，根系廣度與分形豐度極顯著相關（P＜0.01）。

2）在相同供水條件下，根區土壤水分在0～30 cm土壤深度范圍內呈現聚集狀態，深層土壤水分以“指狀”形式分布。非根區土壤水分以土壤表層0～10 cm 整體分布為主，深層無土壤水分分布，其土壤染色形態平均狹長度是根區的1.5 倍（P＜0.05）。非根區土壤水分速變程度（平均土壤水分湍動強度為116.09）強于根區（83.90），差異顯著（P＜0.05），根區水分空間運動的整體性和連通性均較好，土壤水分豎向入滲程度高。

3）根系形態相比根系結構對土壤水分空間運動分異特征影響程度更大，其中比根長對土壤水分運動影響最大（灰色關聯度值為0.984），而根系結構對土壤水分變化的影響程度相接近。在51～153 灰度級范圍內，根區平均總灰度值頻率為31.34%，是非根區的1.6 倍，土壤含水量更高，根區土壤水分運動更活躍。