玉米根系在土壤剖面中的分布研究

玉米根系在土壤剖面中的分布是准确量化植被与气候相互作用不可缺少的参数,也是玉米生产科学管理和节水农业发展的重要科学依据.在中国气象科学研究院固城生态环境与农业气象实验站内的大型根系观测系统中,采用地下室玻璃窗观测法和方形整段标本法,观测了"屯玉46号"玉米的根深、根宽、根长和根重,分析了玉米根长、根长密度、根重密度和根系粗度等在土壤剖面中的分布状况.结果表明,玉米根长、根干重均随土壤深度的增加基本呈递减类型.吐丝期0～40 cm土层根长占整层根长51.5%,0～80 cm土层占76.2%,0～120 cm土层占90.5%.乳熟后期其分布趋势与吐丝期相似.玉米根系粗度随着土壤深度增加,在上层呈减少分布型,在下层呈增加分布型.乳熟后期,玉米最大根深可达230 cm,根长总量达8.288 km·m-2,显示出该玉米品种有较发达的根系.通过玻璃窗观测的根深大于远离玻璃窗处的根深.     

基于微根管技术的玉米根系生长监测

为了研究玉米根系生长规律,该文利用固城农业气象试验站内设置的大型根剖面系统,采用微根管观测法,对试验地上玉米主要生育期的根系生长动态进行定期直接跟踪监测,并以方形整段标本法作为参照标准,对试验数据采用MATLAB软件辅助图像处理和现代统计方法进行分析。结果表明：微根管法与方形整段标本法对得出的根长密度随深度增加呈递减型有较好的一致性,两者相关系数达到0.83以上,通过0.05的显著性检验;由观测数据建立的回归方程能较好地反映土壤中玉米根系生长规律,进一步表明微根管法是一种破坏性较小、可准确定位跟踪植物根系在土壤中生长动态变化的先进技术,对植物根系生长研究有较好的推广应用价值。     

微根管法监测膜下滴灌棉花根系生长动态

为了精细监测膜下滴灌条件下棉花(Gossypium hirsutum L.)细根生长形态,于2014年在巴州灌溉试验站开展大田试验,采用微根管法原位监测棉花根系生长,并与传统网格法作对比。分析棉花根系生长动态,构建微根管法测定的形态参数与网格法所测定形态参数的回归模型。结果表明:花期到吐絮期,利用微根管监测10~20 cm处根系生长得到的棉花根长更新速率为1.844 mm/d,期间棉花老根不断死亡和分解。微根管法与网格法测得的根系深度为50 cm,根长密度随着深度增加先增大后减少,根长密度在20~30 cm处最大。两种方法监测得的根长密度具有较好的线性相关,由微根管法测得的剖面根长密度,可通过线性回归方程换算得到实际的体积根长密度。利用微根管法能可靠地监测棉花根系的生长动态变化,今后的研究可进一步加大微根管监测范围和频率,精细监测细根生长全过程,通过构建根系生长模型分析膜下滴灌条件下棉花根系生长时空动态。     

基于微根管技术的盐胁迫下小麦根系生长原位监测方法

常用的作物根系生长监测一般采用破坏性采样方法,如土钻法和挖掘法等,虽然精度较高,但很难实现对作物根系生长的原位重复观测。采用桶栽法,利用微根管技术对分蘖期、返青期、拔节期和孕穗期的小麦根系进行了连续观测和采样,获取不同盐胁迫下小麦根长密度和根长等参数,研究不同生长时期小麦根系生长参数随土壤深度分布的规律。结果显示,微根管法获得的小麦根长密度与土钻法所得到的结果呈极显著正相关(r=0.91),且在拔节期和孕穗期二者的相关性最好。通过不同时期根系图像对比及根系参数分析发现,小麦根系在0～10 cm土层分布最多,并随深度增加而减少。此外,随着土壤盐含量的增加,各生长期根长变短;在分蘖期,土壤盐分含量最高(S5,盐分含量6.61 g·kg–1)的小麦根系长度不足对照处理的1/2,至孕穗期,其根系长度甚至低至对照处理的1/3,说明小麦根系受盐分胁迫影响较大,且以孕穗期受胁迫程度最严重,尤其当土壤盐含量超过3 g·kg–1时影响最明显。由此可见,与传统破坏性取样方法相比,微根管技术结合图像处理技术可更好地快速、无损获取小麦根系生长的相关参数,为盐渍化区域作物根系的原位观测研究提供了新的方法。     

东北玉米根系生物量模型的构建

开展根系生物量的观测和研究,建立通用性的根系生物量模型对于开展生态系统生物量的监测和评估具有重要意义。为得到根系生物量的实时信息,2016年9月末利用挖土法和根系扫描系统,获取玉米根系的生物量及生态指标,分析了玉米根系生物量的垂直分布特征并建立了根系生物量与根系生态指标之间的模拟方程。结果表明：玉米根系生物量主要集中于0~30 cm,占玉米根系垂直分布量的94.44%。利用普通最小二乘法建立根系生物量模型均存在异方差问题,增加根长作为自变量建立的根系生物量模型显著提高了模拟精度,决定系数（R²）达0.91以上。采用对数转换消除方程的异方差及比较不同的模拟方程后发现,玉米根系生物量与根径和根长的组合变量（D²H）建立的指数函数是模拟玉米根系生物量的最优方程,决定系数（R²）最高,为0.90,平均绝对误差（MAE）、估计值的标准误差（SEE）、平均预估误差（MPE）均最小,满足了模拟方程的精度要求。对该方程进一步验证发现,模拟值和实测值之间的相关系数为0.92,说明此模型能较好地模拟根系生物量。利用根系生物量模型结合微根管法,可解决根系生物量实时观测难的问题。     

适宜灌水施氮方式利于玉米根系生长提高产量

为研究不同灌水方式和施氮方式对玉米根系生长分布的影响,2011年在大田条件下采用垄植沟灌技术,设交替灌水、固定灌水、均匀灌水和交替施氮、固定施氮、均匀施氮2因素3水平的随机完全组合试验方案。分抽雄期、灌浆期和成熟期对0~100 cm土层监测植株正下方、植株正南侧和植株正北侧的根系生长状况。结果表明,灌水方式对各位置根长及根系总量影响均达显著水平,施氮方式只对植株南侧根长和根系总干质量影响显著,二者的交互作用只对植株北侧根长和总根长影响显著。交替灌水均匀施氮在监测时期内维持了较大总根长,并使得灌浆期植株不同位置根长、总根量(总根干质量除外)均较大,并最终获得较大的产量(11 524 kg/hm2)。而固定灌水固定施氮总根长最小,产量最低。各处理下0~40 cm土层根长所占整个土层根长比例均较高,该比值以交替灌水均匀施氮最大。对比发现,根系生长分布对灌水方式更加敏感,通过不同灌水与施氮调控玉米根系生长分布应集中在0~40 cm土层,交替灌水均匀施氮最有利于根系的生长和产量的提高,为垄植沟灌下较好的灌水施氮方式。该研究为通过不同灌水施氮方式调控作物根系生长并获得高产提供了一定理论依据。     

覆膜和灌水量对制种玉米根系分布及产量的影响

为探究制种玉米根系分布及产量对滴灌条件下地膜覆盖和灌溉量的动态响应，该研究于2017年和2018年在中国西北旱区石羊河流域，以制种玉米"Ganxin 630"为供试作物，设置覆膜与灌溉水量2个控制因素，覆膜包括透明膜全覆盖（M1）和不覆膜（M0）2个水平，灌溉水量设置WF、WM和WL 3个水平（分别为灌溉需水量的100%、70%和40%），共6个处理，通过监测制种玉米生育期内的土壤水分、土壤温度、根长密度、地上干物质量和产量状况，分析不同覆膜和灌水量条件下土壤水热动态、制种玉米根长密度分布和产量的变化规律。结果表明，在相同覆膜条件下，0～60 cm土层含水量随灌溉量的增加而增加。覆膜可改善土壤水热条件，在充分灌溉下覆膜增加土壤贮水量，而亏缺灌溉下覆膜降低土壤贮水量。覆膜明显提升播种后75 d内的土壤温度，对播种后75 d之后的土壤温度没有影响。制种玉米各个生育期不同覆膜和灌水量处理下的根长密度均随着土层深度的加深而降低，播种后95 d时，86.3%～96.7%的根系分布在0～60 cm土层，其中土层深度0～30 cm和距离植株基部水平方向0～15 cm范围内的根长密度高于1.0 cm/cm3，此空间范围以外则低于1.0 cm/cm3。充分灌溉有利于浅层根系生长，而水分亏缺有利于深层根系生长，其中WL处理10 cm深度处的根长密度比WF处理在各个生育期低19.6%～32.5%，深层根长密度则高0.2%～41.9%，产量和地上生物量基本随灌溉量的增加而增加。覆膜10 cm深度处的根长密度比不覆膜在各灌水处理下高4.4%～69.2%，产量高24.9%。制种玉米地上干物质量、产量与播种后75和95 d的0～20 cm土层的根长密度的关系较为密切，相关系数分别达0.883、0.804以上，保证该阶段良好的土壤环境、促进根系生长对制种玉米的生长至关重要。该研究可为石羊河流域科学地进行灌溉和和覆膜管理提供理论依据。     

增施有机肥改善黑土物理特性与促进玉米根系生长的效果

为改善东北黑土区粘重耕层的土壤物理特性,通过玉米秸秆还田基础上增施有机肥试验,拟明确增施有机肥对黑土物理特性和根系生长的提升效果。利用2015～2018年吉林省公主岭市和黑龙江省克山县黑土区的定位试验,测定了玉米抽雄期3种秸秆还田处理及其增施有机肥(旋耕秸秆还田+有机肥RSM、深翻秸秆还田+有机肥DSM、深松秸秆还田+有机肥SSM)处理的土壤物理指标;并采用微根管法原位测定了根系生长指标,计算出增施有机肥后各土壤物理特性与根系生长指标的变化量。结果表明,相比秸秆还田处理,增施有机肥降低了土壤容重、土壤紧实度,提升了土壤含水量,同时根长密度、根尖数密度和根平均直径均显著增加,其中根长密度和根尖数密度各土层平均增加了0.18 cm/cm~2和34.9×10~(-3)个/cm~2。不同秸秆还田方式增施有机肥后对黑土物理特性和根系生长的改善效果不同,其中0～15 cm土层RSM处理改善效果最明显,15～45 cm土层SSM和DSM处理改善效果最明显。有机肥和秸秆还田方式互作对黑土物理特性和促进根系生长指标具有显著的正向互作效应。上述结果表明,深松秸秆还田和深翻秸秆还田基础上增施有机肥模式更有利于改善黑土物理特性和促进根系生长,是改善东北黑土区粘重耕层的技术选择。     

间作模式下玉米/大豆的根系特征及其与团聚体稳定性的关系

通过玉米单作、大豆单作和玉米大豆间作种植,利用WINRHIZ软件分析不同种植模式下0-10 cm,10-20 cm,20-30 cm不同深度土层的作物根系的根系密度、根长、根表面积等根系特征指标,并采用湿筛法对各个土层团聚体稳定性进行分析,研究根系特征对团聚体稳定性的影响。结果表明:单间作条件下,玉米和大豆的根系密度、根长、根表面积、根长密度、根体积等随着土层深度的增加而减少,间作模式下根系密度、根体积在0-10 cm土层分别比单作增加了14.79%和11.74%。间作模式下各土层团聚体平均重量直径和平均几何直径显著高于单作模式,团聚体破坏率、可蚀性因子K值、分形维数（D）显著小于单作模式,0-10 cm土层差异表现为极显著,充分说明间作模式下团聚稳定性优于单作模式。且以上指标在0-10 cm土层内差异最显著,随土层深度增加差异呈减小趋势;通过相关性分析,团聚体破坏率与根体积,根尖数呈显著负相关,与根长,根表面积,根长密度,根杈数极显著相关,说明根长、根长密度、根表面积和根杈对提高团聚体稳定性具有一定作用。因此,间作模式可通过增大根表面积、根长等改变根系特征,从而提高土壤团聚体稳定性。     

河套灌区玉米根系对残膜的响应及根系分布模型

为明确土壤中不同残膜量对根系生长和分布的影响，该研究于2019—2020年在河套灌区九庄农业综合节水试验站设置了5个农膜残留量水平，分别为CK（0 kg/hm2）、T1（150 kg/hm2）、T2（300 kg/hm2）、T3（450 kg/hm2）和T4 （600 kg/hm2），研究不同残膜量对玉米根长密度、不同径级根系分配及根系分布等影响，并引入残膜量，建立了适用于农膜残留农田的根系分布模型。结果表明，根系在水平分布时，侧根区的根系受残膜影响显著（P＜0.05），当残膜量为300 kg/hm2（T2）时根长密度出现突降现象，降幅为75.98%；垂直分布时，根系随残膜量增加呈明显下降趋势，特别是在0～30 cm土层，当残膜量达到450 kg/hm2时，根长密度降低50.02%。另外，残膜减小了玉米粗根比例（d﹥2 mm，d为根系直径），降幅为29.25%；增加了细根比例（d≤2 mm），为4.80%。构建考虑残膜量的相对根长密度（Residual Plastic Film-Normalized Root Length Density，RPF-NRLD）分布模型精度较高，其中决定系数（R2）为0.961，均方根误差（RMSE）为0.282，平均相对误差（MRE）为18.87%。同时考虑不同径级根系的RPF-NRLD分布模型模拟显示，玉米极细根和细根的MRE分别为14.91%和14.96%，粗根的MRE为35.41%。基于RPF-NRLD分布模型进行情景分析显示当农田残膜量控制在0～100 kg/hm2范围内，根系能够维持正常生长，特别是极细根和细根，根长密度未出现大幅下降。该研究对于残膜污染区作物生长的数值模拟研究及残膜回收政策的制定具有科学意义。     

膜下滴灌不同灌水定额对玉米根系生长的影响

玉米根系的分布特征受多种因素的制约,其中影响最大的有土壤水分和生育期阶段等,通过分析不同灌水处理条件下,不同生育期,土壤深度与根长密度和根重密度的关系,研究膜下滴灌玉米各生育期根系在不同灌水定额处理下的分布规律,利用大田代表植株挖根试验得到的实测数据进行根长密度和根重密度计算。结果表明:根长在表层土壤中,随着水分的胁迫减轻,呈现增大趋势,深层反之,而且最大根深出现在80 cm处,在大喇叭期,处理1在20 cm土层根长密度最小（77.27 mm/cm³）,处理9最大（143.31 mm/cm³）,在40 cm土层,处理8的根长密度最小（16.11 mm/cm³）,处理1最大（24.89 mm/cm³）。根重密度与根长密度的规律基本一致,水分胁迫能促进根系向下伸长,在玉米拔节期,处理1在20 cm以上土层根干重仅占总根干重的67.9%,而处理9在20 cm则达到了90.2%。随着生育期的推进,表层根重密度随灌水量增大而增大,在大喇叭期,处理1的根重密度为8.16×10^-4 g/cm³,处理7为2.358×10^-3 g/cm³ 。水分胁迫使得根系深扎吸取水分来补偿亏缺,并且根变得较细较小,这说明根系自身会做出水分适应性环境调整,以达到重要机制的平衡。     

Yearly variation of root distribution with depth in relation to nutrient uptake and corn yield

Abstract

Root length and root distribution in the soil profile is important in determining the amount of nutrients and water taken up by the plant. Data about year to year variation of corn (Zea mays L.) root growth and its relation to nutrient uptake are limited. An evaluation of the importance of root system size and distribution on P and K uptake and corn yield was made from samples taken annually from a long‐term fertility experiment on Raub silt loam, fine silty, mixed, mesic Aquic Argiudolls. Root density varied with soil depth among years, whereas P and K fertilizer treatment had no measureable influence on total root length. Ear leaf P concentration was highly correlated with the amount of roots in the 0 to 15 cm layer which contained most of the available P. Since P was not appreciably limiting corn yield, no significant relation was found between yield and P content of the ear leaf. Yields on K deficient plots were positively correlated with root density in the topsoil. Correlations of root densities in the deeper soil layers with both yield and ear leaf nutrient concentration became increasingly smaller with depth in the soil profile. The results indicate that root length plus root distribution in the soil may influence year to year variation in yield particularily on soils having low available nutrient levels. This variation in root growth may be responsible for differences among years in the response of crops to applied P and/or K.     

氮肥和土壤质地对滴灌棉花根系分布及产量的影响

通过大田二因素随机区组试验,研究了滴灌条件下不同质地棉田土壤棉花根长密度和根表面积的垂直分布特征及其对产量的影响。结果表明:(1)施肥、灌水都可以显著降低棉花根长密度和根表面积,其关系表现为显著负相关;(2)花期之前棉花在0~20 cm土层根长密度表现为砂土黏土壤土,花期之后表现为砂土壤土黏土;在20~40 cm土层表现为壤土黏土砂土,且深层土壤砂土中棉花根长密度下降势显著高于壤土、黏土;在不同质地土壤中,粗根表面积均表现为N2(施氮量360 kg/hm~2)N3(施氮量480 kg/hm~2)N1(施氮量240 kg/hm~2)CK(不施氮处理);(3)根系分布特征参数与籽棉产量相关性分析结果显示,根长密度、根表面积对籽棉产量的形成均有显著影响,棉花籽棉产量的有效提高手段之一是在某些特定生育期适度地降低根系特征参数。     

Impact of tillage on maize rooting in a Cambisol and Luvisol in Switzerland

Soil conditions under no-tillage (NT) are often unfavorable for the growth of maize roots in comparison to conventional tillage (CT). In 1997 and 1999, the impacts of tillage on the morphology and spatial distribution of maize (Zea mays L.) roots at anthesis were investigated in a 5-year field trial at two sites (loamy silt and sandy loam soils) in the Swiss midlands. Four soil cores, perpendicular to the maize row, were taken to a depth of 100 cm in each plot; the root length density (RLD), the mean root diameter (MD), and the relative length per diameter-class distribution (LDD) of the roots were determined.

Roots were longer and thinner in 1999 than in 1997. The RLD was significantly higher and the MD was smaller on the loamy silt than on the sandy loam. The RLD and MD decreased with the distance from the plant row. Most of the maize roots, about 80% of the total root length, were in the layer from 0 to 40 cm, with maximum values from 5 to 10 cm; the thickest roots were in the soil layer from 10 to 50 cm. Significant differences in RLD with increasing distance from the row of plants were found in the top 30 cm.

Averaged over the whole soil profile, RLD was higher and MD was smaller under CT than under NT. The impact of tillage on RLD and MD interacted with spatial factors and years. Within the soil profile, RLD was significantly higher under NT than under CT at a depth of 5 cm, whereas it was higher under CT than under NT below 10 cm. Below 50 cm, there was no difference in RLD between the tillage systems. In a horizontal direction, MD was consistently higher in the row and lower in the mid-row under NT than under CT.

Our results show that differences in maize root growth between tillage systems, which were reported in previous studies, persist until anthesis. The accumulation of maize roots near the soil surface in NT suggests that subsurface-banding of starter fertilizer is a more efficient way of applying fertilizer (particularly immobile nutrients such as phosphorus) compared with broadcasting in order to supply sufficient nutrients for NT maize.     

Root growth dynamics of spring cereals with discontinuation of mouldboard ploughing

A vigorous root system is essential for efficient use of plant nutrients. This paper focuses on root growth and its response to tillage changes in the most fertile soil horizon, 0–40 cm depth. The field experiment was established in 1995 on clay soil, with 45–50% clay and 5.5% organic matter in the topsoil. Three tillage treatments were mouldboard plough to a depth of 20 cm (conventional), field cultivator to a depth of 8 cm, and no primary tillage (conservation). The field had an oat (Avena sativa L.)–barley (Hordeum vulgare L.) crop rotation. In 1997–1998 and 2000, root distribution during the growing season was evaluated by a non-destructive minirhizotron (MR) and video recording method. Root length density and root diameter were also measured once a season (1997 and 1998) by destructive root sampling and image analysis of washed roots. At shoot elongation, root numbers increased more under conventional than conservation tillage, at soil depth of 10–25 cm. The effect was clear for both barley (1997) and oat (2000) with maximum root numbers of 175 and 210 per 100 cm² by mouldboard ploughing, but 120 and 170 per 100 cm² under unploughed conditions (in the whole 0–0.4 m region). The suboptimal condition of unploughed soil was also indicated by lower shoot nutrient contents at tillering (studied in 1997) and by higher penetrometer resistance (studied in 1998, 2000) and lower macroporosity (studied in 2000) at 10–25 cm soil depth. Root growth dynamics were similar for both plant species. Root diameter was not significantly affected by the tillage treatments. Discontinuation of mouldboard ploughing reduced root growth (P<0.05) within this clay soil 5 years after the tillage change, although conservation tillage preserved more water for plant use. The data show that a clay soil can be too dense for optimal rooting during the 3rd–6th-years after discontinuation of ploughing.     

不同生育期烤烟根系固土能力特征研究

本研究选取云南省主要种植作物——烤烟为试验材料,分析烤烟不同生育期(团棵期、现蕾期、成熟期)的根系固土能力特征。应用锚杆拉力计和自行设计的剪切箱对不同生育期烤烟根系的固土能力在0~10 cm和0~20 cm土层进行原位测定。结果表明:同一生育期,根系密度表现为0~10 cm0~20 cm;同一土壤深度范围内,根系密度表现为成熟期现蕾期团棵期。相同深度范围内,固土能力表现为成熟期现蕾期团棵期;在现蕾期和成熟期,固土能力表现为0~10 cm0~20 cm,而团棵期由于根系尚未深扎至20 cm深度,只有在样方的塑性变形阶段的固土能力,表现为0~10 cm0~20 cm;同一生育期相同深度范围内,载荷与位移间呈现显著的直线相关关系(P0.01)。随着载荷的增加,将出现载荷临界点F1、F2和F3,F1为比例极限点,F2为屈服拉力点,F3为抗拉极限点。相同深度,F1与根系密度间无明显相关关系,F2和F3分别与根系密度间呈显著幂函数关系。在0~10 cm,F2与根系密度和F3与根系密度的相关方程分别为y=1.313x0.042和y=1.379x0.084;在0~20 cm,F2与根系密度和F3与根系密度的相关方程分别为y=1.389x0.048和y=1.638x0.077。该测定方法可以在水土保持上作为评价不同作物(植物)固土能力的有效参考手段,建立不同作物根系固土数据库,为坡耕地作物配置提供理论依据。     

Spatial Distribution Assessment of Maize Roots by 3D Monolith Sampling

Spatial distribution of roots is of paramount importance for nutrient acquisition by crop plants. The objective of this study was to assess the spatial distribution of root length density (RLD), root mass density (RMD), and root morphological parameters in maize. Soil monoliths were completely sampled in form of 84 cubic samples of 10-cm edge length. Total root length and mass were dominated by fine roots (<1 mm diameter). Root parameters revealed variability in all three spatial dimensions, notably also parallel to the plant row. Root morphological parameters depended more on the horizontal location with respect to location of plants than on depth. Multiple regression analysis indicated that RLD, proportion of fine roots, and root diameters can be predicted from RMD, soil depth, and distance to plant. These three-dimensional (3D) data could be utilized for evaluation of 3D root growth and nutrient uptake models.