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.     

新型根系分泌物采样装置的介绍与应用

根系分泌物在土壤-植物养分循环和缓解植物环境胁迫方面具有重要作用。根系分泌物的收集是研究植物根系过程和相应机制的基础。通常所用的溶液收集法简单易操作,但由于人为扰动大,不能反应根系分泌物的真实情况。介绍了一种新型根系分泌物原位连续采样装置,该装置由根系生长箱和根系分泌物收集装置二部分组成。根系生长箱中土壤和根系之间由滤膜隔开,土壤中的营养元素可以透过滤膜供应植物生长,带有真空抽气泵的根系分泌物收集装置可以实现用去离子水原位淋洗根系、收集根系分泌物的目的。该收集装置外源葡萄糖加标回收率为89%±2%。小麦种植在根系生长箱中,在小麦生长42 d期间,用新型采样装置和溶液收集法分别收集了根系分泌物,研究了小麦根系分泌DOC能力随生长时间的变化。结果表明,收集方法不同,小麦根系分泌DOC能力随生长时间变化不同。在新型收集装置法中,小麦根系分泌DOC能力随着生长时间呈现降低的态势,而溶液收集法则呈现出上升的态势。新型采样装置能实现植物土壤生长条件下原位收集根系分泌物,采样中扰动小,为根系分泌物研究提供了较好的收集方法。但也存在设备复杂、采样流量不易控制等缺点,是今后需要改进的方向。     

不同秸秆还田方式对春玉米产量、水分利用和根系生长的影响

为探究耕作方式和秸秆还田对春玉米产量、土壤水肥及根系分布的影响,通过连续两年设置耕作方式(旋耕、翻耕)与秸秆还田方式(秸秆还田、秸秆不还田)两因素田间定位试验,研究了春玉米产量和水分利用效率、根系及土壤水肥分布的特性。结果表明:旋耕和翻耕处理春玉米产量和水分利用效率差异不显著,但前者显著增加了干旱年份(2015年)0—30cm土层的根长密度、根表面积密度和根干重密度,而后者显著降低了10—30cm土层的土壤容重和紧实度,降低了0—40cm土层的土壤含水量、有效磷和速效钾含量,提高了干旱年份30—60cm和湿润年份(2016年)0—60cm土层的根长密度、根表面积密度和根干重密度;秸秆还田较秸秆不还田处理显著增加了春玉米产量和水分利用效率,增加幅度分别为9.5%和7.3%,促进了干旱年份0—60cm土层的根长密度和湿润年份30—60cm土层的根长密度、根表面积密度和根干重密度的增加,还提高了0—60cm土层的土壤含水量、硝态氮、有效磷和速效钾含量。因此,实施旋耕秸秆还田和翻耕秸秆还田可以改善土壤水肥分布,促进深层根系发育,提高春玉米的产量和水分利用效率。     

一种新型根系分泌物收集装置与收集方法的介绍

根系分泌物在养分活化、改善环境胁迫方面具有重要作用,很多科技工作者对根系分泌物的研究表现出极大兴趣,取得了一系列进展。但土壤栽培条件下,根系分泌物收集是一个难点。本文介绍了一种新型根系分泌物的收集装置与收集方法。该装置由根系生长箱和分泌物收集箱组成,植物在生长箱土壤中生长,通过定向引导作用,根系从生长箱穿过琼脂层进入收集箱中生长,待收集箱内积累一定根系后,通过淋洗收集箱内的介质,实现根系分泌物收集。研究发现,利用该装置收集分泌物,植物总根尖数的90%分布在收集箱。外源有机酸加样回收率可达70%以上。土壤栽培条件下,随生长时期延长,大豆有机酸分泌量逐渐增加,苹果酸分泌量高于柠檬酸。而且土壤栽培条件下大豆柠檬酸和苹果酸分泌量是溶液栽培时的11.4倍和6.7倍。上述研究表明,该装置可以用于土壤栽培条件下根系有机酸的分泌研究。     

玉米生长后期的根系分布研究

为了研究玉米生长后期根系的生长发育规律,利用中国气象局固城农业气象试验站大型根剖面系统,采用微根管观测系统及方形整段标本法和地下根系室玻璃窗,对‘屯玉46号’玉米根系的生长状况进行了试验研究。结果表明:垂直方向上,方形整段标本法和微根管法测得的根长密度占整层总根长密度比例的变化趋势一致,相关系数分别为0.987和0.717,且两种方法在0~20 cm土层的根长密度比例均为最大。0~60 cm土层为玉米根系生长活跃区,方形整段标本法测得根长密度生长量为其余层的4倍。两种方法测得的根长密度无显著差异,相关系数为0.830,均匀性水平较好。玉米成熟期根系的水平幅度较乳熟期窄,下层根系仍处于生长中,垂直深度增加。玻璃窗与方形整段标本法观测的根深测定结果存在差异,这可能与观测环境条件不一致有关。     

酸枣根系构型特征研究

对半干旱地区酸枣根系构型的研究结果表明:酸枣的根系水平分布可达300 cm,主要分布于0—60 cm范围内;60—240 cm范围根表面积和细根数量变化不大,二级侧根和细根分布比较均匀,在接近侧根末端,根长度、根表面积和细根长度数值明显增大,二级侧根数量增加。垂直方向根系分布可达120 cm,但主要分布在0—60 cm的土层中。0—60 cm土层含水量高,与根系在土层中的主要分布深度一致,因此,酸枣主要吸收土壤浅层和中层水分。尽管在深层土壤中细根的比例很少,但对酸枣吸收水分发挥着非常重要的作用,在干旱季节土壤浅层水分不足时,60 cm以下深层土壤中的水分能够维持酸枣的生存和生长。     

植物微根系原位观测方法研究进展

植物根系是固定植株、获取水分和营养物质的主要器官。作为连接植物体与土壤环境的枢纽,根系的发育状况直接关系着地上部分的形态建成。由细根及其根毛组成的微根系是根系功能的关键组织。由于土壤中根系的非直观性和根系自身的复杂立体构型,常规研究方法很难准确测定根系的变化动态。微根系原位观测技术、方法的出现为原位根系研究提供了可能的手段。近年来,可用于观测微根系二维形态与立体构型的多种类型的原位生长系统、装置被研制出来,一些根系图像分析软件也不断开发和改进,大大提升了原位根系研究的准确性。本文介绍了几种用于原位微根系观测的装置和图像分析软件与计算方法,并比较了不同方法与软件之间的优劣,指出原位观测研究技术的应用和发展趋势,以期对后续植物微根系研究提供参考。     

毛乌素沙地三种荒漠灌木根系分布特征与土壤水分研究

用全根系挖掘法,调查研究了风沙地生境中的黑沙蒿、杨柴、沙木蓼的根系分布特征;对根际不同土层土壤水分含量进行了观测,确定3种植物根系分布和土壤水分的响应特征。结果表明:杨柴的根系分布范围为地下0-280cm,主要分布在20-110cm,占总根重的65.86%;沙木蓼的根系分布范围0-180 cm,主要分布在0-80cm,占总根重的68.29%;黑沙蒿的根系分布范围0-240cm,主要分布在0-60cm,占总根重的62.14%。3种不同植物根系垂直分布形态特征,杨柴为“V”型分布,黑沙蒿为“伞”型分布,相比之下沙木蓼分布比较均匀。各土层中,除杨柴0-20cm土层根系分布较少外,黑沙蒿和沙木蓼表层根系分布较多;0-60cm土层中分布的根系密度最大,均表现为从土壤表层到深层逐次递减趋势;植物根系分布对土壤水分的响应显著,根系集中分布区域土壤含水量明显减小;黑沙蒿根际平均土壤水分含量最大,沙木蓼次之,杨柴最小,其与根系分布、水分利用策略密切相关。在水分资源竞争中,植物根系分布特征起到重要的作用。     

温室番茄开花结果期根系与土壤水分变化关系

对番茄开花结果期初、中、后期三个阶段根系变化进行数量统计及长度测定,研究了番茄开花结果期不同生长阶段根系生长分布规律。同时对番茄根系层空间不同位置土壤含水率进行测定,分析了根系生长发育与对应区域土壤含水率变化规律和关系,从而为温室番茄种植提供指导。结果表明:开花结果初期到后期,随着时间推移,总根数及最长根长度均有明显增加。番茄主要根系长度从0~5cm生长为5~15cm。开花结果期初期根系在水平及垂直方向伸长生长均较明显,开花结果期后期根系以垂直生长为主,水平方向生长相对减弱。土壤含水率的变化与主根系分布表现为较高的一致性,在整个开花结果期,土壤含水率的主要变化区域为径向0—20cm,纵向0—30cm,并表现为距植株水平距离越大,变幅越小。随土层深度增加,根系层含水率变幅递减的规律。由此得出番茄开花结果期的土壤水分敏感区域为径向距植株0—20cm,纵向地表以下5—30cm深度土层,距植株水平距离5cm处10—20cm土层土壤含水率可作为指导开花结果期番茄灌溉的指标。     

根系提水作用的土壤水分变异及养分有效性

采用根箱法，在人工气候室培养条件下，研究谷子根系提水作用，根系吸收以及隔水层对土壤水分变异、土壤墒情的影响。结果表明，谷子具有根系提水作用，即在黑夜蒸腾蒸发量小的情况下，深层的根可以吸收深层（隔水层下）土壤水分，并释放到上部干土层，增加土含水量。黑夜１２ｈ根箱１０ｃｍ＾２地表１０ｃｍ土壤剖面中增加了２．６９ｍｌ水。根系吸收可使根区不同部位土壤水势变异，表现在Ｃ１至Ｃ８根区土壤含水量出现规律性变化。     

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。     

施肥对黄土高原旱地冬小麦根系生长的影响

田间试验表明,旱地冬小麦根系集中分布在0～20cm土层中,约占0～60cm土层总根重的60.7%;根系生育规律以根重变化表示在0～20cm土层中,呈逆变态,表现为快、较慢、慢的生长过程,20～40cm土层呈突变态、较慢、快、慢的生长过程,40～60cm土层呈稳定状态,表现为慢、快、慢的生长过程。不同肥料处理对冬小麦根系的影响是:氮肥有增加表层根系的作用,平均日增加4.05g/cm²,影响深度达40cm;磷肥利于根系下扎,可达80cm土层以下;氮磷有机肥并施显着增加根重和生长量,有利于吸收深层水分和养分;旱地冬小麦根系下扎深度为220～240cm,吸收利用土壤水分能力范围在180～210cm。     

浅层施肥对水稻苗期养分吸收及土壤养分分布的影响

采用盆栽土柱试验研究不同施肥深度对水稻秧苗生物量、养分吸收及土壤养分分布的影响,以期为水稻育秧合理施肥提供理论依据。结果表明:播种后10天,各处理水稻生物量无显著差异;播种后20天,施肥深度1 cm处理生物量与其他处理相比平均显著增加80.6%;播种后40天,施肥深度1 cm和5 cm处理与10 cm处理相比分别显著增加70.9%和30.7%。养分吸收结果与生物量表现一致,播种后20天,施肥深度1 cm处理秧苗氮、磷、钾素吸收量分别平均提高86.9%、156.9%和202.7%;播种后40天,施肥深度1 cm和5 cm处理与10 cm处理相比分别增加52.3%和24.8%、23.8%和20.4%、50.5%和43.1%。随着生育进程的推进,土壤有效养分含量均逐渐下降,且有向下迁移的趋势;其中施肥深度1 cm和5 cm处理0~10 cm土层中无机氮、速效磷、速效钾含量显著高于其他处理。适宜的浅层施肥明显促进水稻秧苗的生长发育,浅层施肥方式施入的速效养分主要集中于土壤上层,利于秧苗生长对养分的吸收,提高秧苗养分含量,增加养分吸收量,有利于提高养分资源利用效率。     

桑粮间作田条桑根系分布格局及其对土壤水分、养分的影响

条桑在河北省东部平原沙地和丘陵梯田广泛种植,与农作物间作是其主要栽培模式。2006年在河北省迁安市进行了桑粮间作田条桑根系断面积、根量、根系直径分布特征及其对土壤水分、养分影响的研究。结果表明：根系分布主要集中在20～40 cm土层内,此范围内的根系重量占总根量的60%～80%。根系以直径小于3 mm的细根居多,占总根量的30%～40%,大于7 mm的粗根数量很少,占总根数的5%～15%。平原沙地条桑根系主要分布在距桑丛中心100 cm范围内,桑丛外缘100 cm处的根量仅为总根量的6.52%,水平延伸幅度较窄,根系垂直分布明显;丘陵梯田条桑根系水平延伸可达桑丛外250 cm处,只有少量根系垂直深入岩石中,水平分布趋势明显。条桑根量、根系直径、根系断面积分布依立地条件及土层深度的不同而异。桑丛中心外1 m处深层土壤含水量增加,桑丛附近2.5 m内没有存在严重的土壤水分亏缺。平原沙地和丘陵梯田桑丛附近条桑富集土壤养分作用明显。     

Image analysis for non‐destructive and non‐invasive quantification of root growth and soil water content in rhizotrons

Studies aiming at quantification of roots growing in soil are often constrained by the lack of suitable methods for continuous, non‐destructive measurements. A system is presented in which maize (Zea mays L.) seedlings were grown in acrylic containers — rhizotrons — in a soil layer 6‐mm thick. These thin‐layer soil rhizotrons facilitate homogeneous soil preparation and non‐destructive observation of root growth. Rhizotrons with plants were placed in a growth chamber on a rack slanted to a 45° angle to promote growth of roots along the transparent acrylic sheet. At 2‐ to 3‐day intervals, rhizotrons were placed on a flatbed scanner to collect digital images from which root length and root diameters were measured using RMS software. Images taken during the course of the experiment were also analyzed with QUACOS software that measures average pixel color values. Color readings obtained were converted to soil water content using images of reference soils of known soil water contents. To verify that roots observed at the surface of the rhizotrons were representative of the total root system in the rhizotrons, they were compared with destructive samples of roots that were carefully washed from soil and analyzed for total root length and root diameter. A significant positive relation was found between visible and washed out roots. However, the influence of soil water content and soil bulk density was reflected on seminal roots rather than first order laterals that are responsible for more than 80 % of the total root length. Changes in soil water content during plant growth could be quantitifed in the range of 0.04 to 0.26 cm³ cm^—3 if image areas of 500 x 500 pixel were analyzed and averaged. With spatial resolution of 12 x 12 pixel, however, soil water contents could only be discriminated below 0.09 cm³ cm^—3 due to the spatial variation of color readings. Results show that this thin‐layer soil rhizotron system allows researchers to observe and quantify simultaneously the time courses of seedling root development and soil water content without disturbance to the soil or roots.     

不同耕作深度对土壤物理性状及烤烟根系 空间分布特征的影响

为探讨不同耕作深度对烤烟产量产值的影响,揭示烟田深耕增产增效机理,以烤烟‘K326’品种为材料,基于田间定位试验,设置对照翻耕20 cm(GS20)、翻耕30 cm(GS30)和翻耕40 cm(GS40)3个处理,研究不同耕作深度对烟叶产量产值、烟田土壤物理性状和烤烟根系空间分布特征的影响。结果表明:深耕措施对改良土体结构、促进土壤蓄水、优化烤烟根系构型和增加烟叶产量产值有较好效果。深耕处理显著降低亚表层20~40 cm土壤容重,同时显著增加该土层土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度。其中,与GS20处理相比,GS30和GS40处理土壤容重分别降低8.4%和9.4%,总孔隙度分别提高15.6%和13.1%,毛管孔隙度分别提高25.8%和24.8%。与对照GS20相比,GS30和GS40处理显著增加团棵期表层0~20 cm土壤含水量,显著增加旺长期、成熟期亚表层20~40 cm土壤含水量。深耕处理不仅显著增加烤烟根系绝对量,还促进根系向深层土壤生长,提高烤烟根系根深指数。其中,GS30和GS40处理根系生物量鲜重分别比GS20高31.2%和89.2%,根深指数分别提高7.6%和4.5%。与对照GS20相比,GS30和GS40处理烟叶产量分别提高7.0%和27.3%,均价分别提高1.8%和6.2%,上等烟比例分别提高10.4%和24.4%,产值分别提高9.0%和35.1%,其中GS40与GS20存在显著性差异。研究发现,深耕措施首先作用于土壤容重、空隙等物理结构,然后影响烟田土壤蓄水储熵,促进烤烟早生快发,优化烤烟根系空间分布构型,进而作用于地上部形态建成,最终影响烟叶产量产值。     

灌水下限与毛管埋深对温室番茄生长的影响

为探明番茄根系生长与水分分布之间的互反馈机制,通过日光温室地下滴灌试验,设置了4种毛管埋深(0 cm、10 cm、20 cm和30 cm)和3种灌水下限(保持土壤含水量为50%、60%和75%田间持水量),研究了不同灌水下限与毛管埋深对番茄根系生长及干物质分配的影响。研究结果表明,轻度、中轻度水分亏缺(灌水下限为75%和60%田间持水量)时,毛管埋深对番茄耗水量有显著影响,10~20 cm毛管埋深提高番茄耗水量。毛管埋深增加会减少0~20 cm土层根系分布,促进20~60 cm土层根系生长;毛管埋深对0~10 cm、20~30 cm、30~40 cm土层根系生长影响显著,对50~60 cm土层根系生长无显著影响。灌水下限对细根(d1 mm)、粗根(d1mm)的根长与根表面积影响显著,毛管埋深对细根的根长与根表面积有显著影响;轻度水分亏缺及20 cm毛管埋深有利于细根根长和根表面积生长,减少粗根比例。本研究结果表明,轻度水分亏缺及毛管埋深为20 cm更有利于全株干物质积累,灌水下限为75%田间持水量能够增加根系干物质分配比例,而20 cm毛管埋深则能促进干物质向茎叶转移且减少根系干物质的分配比例。     

地下滴灌埋管深度对冬小麦根冠生长及水分利用效率的影响

在试验室内，进行了地下滴灌埋管深度对不同生育时期冬小麦根系生长和地上部分生长影响的试验研究。结果表明：20 cm和40 cm埋管深度的水分分布特征，在生育早期抑制地上部分营养生长，促进冬小麦蹲苗；而中后期则促进生殖生长，产量和水分利用效率较高。不考虑犁底层影响时，在重壤土上40 cm是冬小麦进行地下滴灌的较好埋深。     

不同封孔方式对番茄缓苗期土壤水盐分布及番茄生长的影响

为探究不同封孔方式对番茄幼苗成活率的影响,试验以传统土封孔为对照,设置不封孔和沙封孔两个处理,对比研究3个处理方式下土壤水盐分布特征及番茄幼苗的生长状况。结果表明:不同处理棵间各土层土壤含水量和含盐量差异不显著。不封孔和沙封孔较土封孔显著降低了番茄根系区土壤含水量,0～10 cm和10～20 cm含水量平均较土封孔低12.82%、9.61%和11.39%、10.13%,为番茄幼苗的生长提供了适宜的土壤水分条件;根系区0～10 cm和10～20 cm含盐量平均较土封孔低30.17%、34.64%和30.26%、28.29%,抑制了土壤盐分表聚,为幼苗的生长提供了相对淡化的土壤环境。不同处理间番茄植株生长状况基本一致,但不封孔和沙封孔促进了幼苗根系的伸长,并显著提高了幼苗成活率,幼苗扎根深度平均较土封孔高13.74%和9.16%,成活率高10.36%和11.06%。河套灌区番茄定植栽培宜采用不封孔或沙封孔。