徐強 馬曉鵬 呂廷波 王東旺 白蒙 王澤林 牛靖冉

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滴灌條件下不同土壤質(zhì)地對水稻苗期根系生長和分布的影響

徐強1,3馬曉鵬2,4,*呂廷波1,3王東旺1,3白蒙1,3王澤林1,3牛靖冉1,3

(1石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2新疆農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，烏魯木齊 830000；3現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000；4農(nóng)業(yè)部西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，烏魯木齊 830000；*通訊聯(lián)系人，E-mail：xp.ma@qq.com)

【目的】研究滴灌條件下不同土壤質(zhì)地對水稻苗期根系生長和分布的影響，揭示土壤質(zhì)地對滴灌水稻苗期生長的重要作用，闡明滴灌水稻苗期生長發(fā)育機理。【方法】在石河子大學試驗場采用盆栽土柱試驗，設置重壤土、輕壤土、砂土共3個處理，每個處理重復3次，在播后10、20、30、40 d取樣，對比不同處理出苗率、根系形態(tài)、生物量、根系活力、根系分布等指標，分析不同土壤條件對滴灌水稻苗期根系生長及分布的影響?！窘Y(jié)果】砂土平均出苗率比重壤土、輕壤土分別高15.21和4.6個百分點；計算各項指標40 d平均值可知，重壤土處理根數(shù)比輕壤土、砂土處理分別高26.73%和15.67%；重壤土處理平均根長比輕壤土、砂土處理分別高4.52%和13.92%；重壤土處理根系體積比輕壤土、砂土處理分別高18.53%和43.15%；砂土處理最長根長比重壤土、輕壤土處理分別高38.44%和12.69%；重壤土處理總生物量比輕壤土、砂土處理分別高19.76%和41.48%。重壤土處理根系生物量比輕壤土、砂土處理分別高14.98%和35.83%。苗期根系活力表現(xiàn)為重壤土＞輕壤土＞砂土，重壤土處理40 d內(nèi)平均根系活力比輕壤土、砂土處理分別高3.54%和13.91%；滴灌水稻苗期根系分布情況表現(xiàn)為前期水稻根系集中在0?5 cm土層中，后期根系開始逐漸分布于0?20 cm土層?！窘Y(jié)論】不同的土壤質(zhì)地對滴灌水稻出苗率、根系形態(tài)、生物量、根系活力和根系分布影響顯著。因此，滴灌水稻的種植推廣過程中，不同土壤質(zhì)地應采取不同的播種量和相應的栽培措施，才能達到滴灌水稻的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效的目標。

土壤質(zhì)地；滴灌水稻；苗期；根系生長分布

作物的生長狀態(tài)與土壤環(huán)境息息相關(guān)，只有作物的生長需求與周圍環(huán)境條件相適應，才能表現(xiàn)出良好的生長狀態(tài)。根系是作物的主要吸收器官，其生長發(fā)育和土壤環(huán)境密切相關(guān)，并且影響著地上部分生長。傳統(tǒng)淹灌種植水稻的方式對土壤質(zhì)地要求低，而滴灌水稻是一種全新的水稻種植方式[6]。滴灌條件下作物的生長與土壤環(huán)境有密切聯(lián)系[7]。而土壤質(zhì)地是主要的環(huán)境因素，直接或間接地影響土壤水、肥、氣、熱狀況，從而影響作物對肥力的吸收和生長[1-5]。因此，對不同土壤質(zhì)地條件下滴灌水稻苗期根系的生長發(fā)育進行研究，將有助于理解滴灌條件下水稻苗期根系生長對土壤環(huán)境的反應特征。陳惠哲等[8]研究表明，水稻植株根系生長與土壤透水性關(guān)系較大，在前期往往表現(xiàn)為透水土壤的根系生長較好，根總量、白根數(shù)和深層根數(shù)均高于不透水對照，但后期根總量與對照相差不大，表明透水土壤易造成水稻生長后期營養(yǎng)不足。土壤容重影響土壤的通透性，從而影響根系的生長和分布,隨土壤容重提高，根系下扎能力減弱[10,17]。水稻旱作或水作條件下土壤質(zhì)地對根系影響的研究較多，但在滴灌條件下不同土壤質(zhì)地對水稻根系影響的研究鮮有報道。本研究通過盆栽方式進行，以滴灌水稻為研究對象，研究不同土壤質(zhì)地對水稻苗期根系生長動態(tài)的影響。通過比較不同土壤質(zhì)地條件下滴灌水稻苗期根系生長和分布的差異，以期為膜下滴灌水稻的推廣種植提供可靠的理論依據(jù)及改善途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年在新疆石河子大學現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室試驗基地(東經(jīng)85°59′47′′，北緯 44°19′29′′，海拔 412 m)進行，5月5日播種，6月15日試驗結(jié)束。該站區(qū)為溫帶大陸性干旱氣候。按照卡慶斯基土壤質(zhì)地劃分標準，瑪納斯河流域土壤質(zhì)地主要為砂土類和壤土類。本次研究選擇了瑪納斯河流域3種主要土壤質(zhì)地：砂土、輕壤土、重壤土。不同土壤質(zhì)地的物理性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設計

水稻品種采用新稻16號。采用盆栽土柱方式進行試驗，盆栽土柱由高30 cm、直徑35 cm的聚乙烯塑料管制成。試驗設置灌水定額6 mm/d，灌水頻率為每3天1灌，設置重壤土、輕壤土、砂土共3個處理，每個處理5個重復。施肥處理每盆的肥料用量為氮肥(折合純氮)0.35 kg，磷肥(折合成P2O5) 0.25 kg，鉀肥(折合成K2O) 0.20 kg用作基肥。每盆苗期分2~3次隨水滴施氮肥(純氮)0.3 g，磷肥(P2O5) 0.25 g、鉀肥(K2O) 0.15 g和鋅肥0.04 g。每盆播種4穴，播種方式為干播濕出，出苗后到2葉1心時期開始定苗，每穴留長勢相近的6株稻苗。

1.3 觀測項目

1.3.1 出苗率

播種方式為干播濕出，出苗以葉片露出土面2 cm為準，播種后10 d開始觀測出苗率，2周后結(jié)束，并將不同土壤質(zhì)地出苗率進行對比。

1.3.2 根系形態(tài)

播后每隔10 d取一次樣，苗期共取樣4次。用水沖去盆中泥土，將植株沖洗干凈，測根系條數(shù)；將根系放在背面貼有坐標紙的玻璃上測量根系長度；后使用排水法測量根系體積。

表1 不同土壤質(zhì)地的物理性質(zhì)

1.3.3 生物量

每隔10 d取一次樣，苗期共取樣4次。將水稻植株沖洗干凈，把根、冠分開，在恒溫箱中105℃下殺青30 min，70℃烘至恒重，使用萬分之一克感量電子天平稱量。

表2 不同土壤質(zhì)地對滴灌水稻出苗情況的影響

平均數(shù)±標準差(=9)。不同小寫字母者表示差異達到0.05顯著水平(LSD檢驗)。

Mean±SD(=9). Different lowercase letters indicate significant difference among the soils at 0.05 level(LSD test). The same as below.

1.3.4 根系活力

播后10、20、30、40 d共取4次樣，采用TTC法測定根系活力[11]。

1.3.5 根系分布

播后10、20、30、40 d共取4次樣，將土柱取出后，切開分為0?5 cm、5?10 cm、10?15 cm和15?20 cm 共4個土層，分別挑取各個土層中所有的根系，將其沖洗干凈。在烘箱中105℃下殺青30 min，70℃烘至恒重，稱量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003進行整理，采用Spass stitistic 19.0進行統(tǒng)計分析，使用Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)地對滴灌水稻出苗率的影響

由于不同土壤質(zhì)地具有特定的水、肥、氣、熱條件，對滴灌水稻的出苗會產(chǎn)生不同的影響。對不同土壤質(zhì)地中水稻的出苗率方差分析可知，不同土壤質(zhì)地間出苗率差異達極顯著水平，出苗率表現(xiàn)為砂土＞輕壤土＞重壤土，砂土中出苗率最高，平均出苗率比重壤土、輕壤土分別高15.21%和4.6%。

平均數(shù)±標準差(n=9)。不同小寫字母者表示差異達到0.05顯著水平(LSD檢驗)。

Fig. 1. Effect of different soil texture on root morphology index of rice under drip irrigation.

2.2 土壤質(zhì)地對苗期滴灌水稻根系形態(tài)的影響

隨著播后天數(shù)的逐漸增加，不同處理根系形態(tài)各項指標均呈明顯上升趨勢。不同階段升幅不同(圖1)。在播后10 d時，各項指標差異不顯著；播后20 d時，各項指標差異逐漸顯現(xiàn)出來。其中根系數(shù)量、根系體積表現(xiàn)為重壤土＞輕壤土＞砂土，而最長根長表現(xiàn)為砂土＞輕壤土＞重壤土；播后30 d各項指標的差異性進一步擴大，重壤土處理根數(shù)比輕壤土、砂土處理分別高21.95%和7.5%；重壤土處理平均根長比輕壤土、砂土處理分別高5.8%和15.41%；重壤土處理根系體積比輕壤土、砂土處理分別高19.04%和47.06%；播后40 d，重壤土處理根數(shù)比輕壤土、砂土處理分別高28.29%和29.54%；重壤土處理平均根長比輕壤土、砂土處理分別高4.99%和11.44%；重壤土處理根系體積比輕壤土、砂土處理分別高15.63%和37.04%。

苗期40 d內(nèi)各指標平均值顯示，重壤土處理根數(shù)比輕壤土、砂土處理分別高26.73%和15.67%；重壤土處理平均根長比輕壤土、砂土處理分別高4.52%和13.92%；重壤土處理根系體積比輕壤土、砂土處理分別高18.53%和43.15%；砂土最長根長比重壤土、輕壤土處理分別高38.44%和12.69%。

圖2 不同土壤質(zhì)地對滴灌水稻苗期生物量的影響

Fig. 2. Effect of different soil texture on total biomass of drip-irrigated rice at seedling stage.

2.3 土壤質(zhì)地對滴灌水稻苗期生物量的影響

滴灌水稻苗期的總生物量隨著生長，表現(xiàn)出不斷增加的趨勢，但不同階段升幅不同(圖2)。播種10 d后，各處理水稻總生物量無明顯差異；播種20 d后，各處理總生物量升幅增大，但不同處理升幅明顯不同。重壤土上升速率最快，砂土上升速率最慢。各處理播種后20、30、40 d都表現(xiàn)為重壤土＞輕壤土＞砂土，其中播后20 d時，重壤土處理總生物量比輕壤土、砂土處理分別增加5.69%和22.15%；播后30 d重壤土處理總生物量比輕壤土、砂土處理相比分別增加34.48%、81.39%；播種后40 d表現(xiàn)為重壤土處理總生物量比輕壤土、砂土處理分別增加14.79%和35.66%。計算各處理40 d內(nèi)平均總生物量，重壤土處理比輕壤土、砂土處理分別增加19.76%和41.48%。

播后10 d，各處理的根系生物量沒有顯著差別。隨著生長進程，水稻根系生物量呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢，增長速率在20 d之后明顯加快(圖2)。播后20 d，重壤土處理水稻根系生物量比輕壤土、砂土處理分別增加2.70%和58.33%；播后30 d，重壤土處理根系生物量比輕壤土、砂土處理分別增加25.00%和66.67%；播后40 d，重壤土處理根系生物量比輕壤土、砂土處理分別增加8.51%和27.50%；計算各處理40 d內(nèi)平均根系生物量，重壤土處理比輕壤土、砂土處理分別增加14.98%和35.83%。

2.4 土壤質(zhì)地對滴灌水稻苗期根系活力的影響

由圖3可知，隨著稻苗生長，水稻根系活力不斷增強，根系活力呈現(xiàn)先快速蹭強后平緩上升的趨勢，并且各處理同一時期的根系活力差異也達顯著水平。播后10 d，各處理根系活力差異不明顯，播后20、30和40 d，各處理之間差異明顯，其中重壤土處理始終保持較高的根系活力，砂土處理根系活力較差，輕壤土處理根系活力處于兩者之間。播后20 d時，重壤土處理根系活力比輕壤土、砂土處理分別增加7.5%和34.24%；播后30 d時，重壤土處理比砂土處理根系活力增加9.9%；播后40 d時，重壤土處理根系活力比輕壤土、砂土處理分別增加4.0%和11.89%。重壤土處理40 d內(nèi)平均根系活力最高，分別比輕壤土、砂土處理高3.54%和13.91%。由此可見，重壤土有利于提高苗期水稻根系活力。

圖3 不同土壤質(zhì)地對滴灌水稻苗期根系活力的影響

Fig. 3. Effect of different soil texture on root activity in drip-irrigated rice at seedling stage.

2.5 土壤質(zhì)地對滴灌水稻苗期根系分布的影響

播后不同天數(shù)的水稻根系分布情況如圖4所示。前期根系主要分布在0?5 cm的土層，隨著生長發(fā)育，水稻根系逐漸向下擴展，各處理間差異顯著。播種后10 d、20 d重壤土和輕壤土處理水稻根系全部分布0?5 cm土層，而砂土處理絕大部分根系處于0?5 cm土層，在5?10 cm土層也有少量分布，各處理間差異顯著，并且重壤土處理在0?5 cm土層根系量顯著高于其他處理；播后30 d，各處理在0?15 cm土層中都有根系分布，0?5 cm、5?10 cm、10?15 cm土層根系生物量占總生物量的比例分別為70.10%~80.69%、18.45%~26.22%、0%~3.7%。在各土層根系生物量表現(xiàn)出明顯的差異性，在0?5 cm土層表現(xiàn)為重壤土＞輕壤土＞砂土，而在5?10 cm土層和10?15 cm土層則表現(xiàn)為砂土＞輕壤土＞重壤土；播種后40 d，根系繼續(xù)下扎同時各土層的根系量持續(xù)增加，0?5 cm、5?10 cm、10?15 cm、15?20 cm和20?25 cm土層根系生物量占總生物量的比例分別為45.67%~52.69%、24.75%~31.75%、12.75%~ 14.02%、4.4%~6.13%和1.61%~3.1%。重壤土處理0?5 cm、0?10 cm土層中根系占比分別為49.36%、81.24%；其中輕壤土處理0?5 cm、0?10 cm土層中根系占比分別為52.69%、77.44%；其中砂土處理0?5 cm、0?10 cm土層中根系占比分別為45.67%、77.42%。

3 討論

砂土中出苗率最高，重壤土出苗率最低，輕壤土居中。這與惠靜夷等[12]研究結(jié)果一致。在重壤土和輕壤土中，由于水稻的出苗率較低，所以應適當加大播種量，促進水稻出苗、齊苗和壯苗，保證滴灌水稻的優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)；而砂土中出苗率較高，但砂土漏水漏肥，這就需要在滴灌水稻不同生育時期分期施肥和澆水。所以，不同的土壤質(zhì)地應采用不同的播種量和相應的栽培措施，才能達到滴灌水稻的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效的目標。

傳統(tǒng)淹灌稻田長期處于淹水狀態(tài)，長期的厭氧環(huán)境抑制了水稻根系正常的生長發(fā)育。而水稻滴灌后根系和地上部形態(tài)發(fā)生變化，水稻根系彎曲多，特別是粗分枝大量發(fā)生，根毛茂密[14]，增加了根長密度、根重密度及根系活力[15]。播種后20、30、40 d重壤土根系生物量及總生物量始終高于輕壤土和砂土。重壤土中苗期根系發(fā)生量大，為水稻后期的光合作用及細胞的生理生化反應都提供了強大的支持，對耕作層中的水分、養(yǎng)分利用更加高效。隨著稻苗生長，根系活力不斷增強，水稻根系活力前期增加快速后期平緩，這與錢永德等[15]、李麗等[16]發(fā)現(xiàn)水稻根系氧化力都呈先增大、后減小，分蘗期以后根系氧化力開始呈現(xiàn)不斷下降趨勢一致。

3個處理土壤容重為重壤土＞輕壤土＞砂土，根系下扎能力表現(xiàn)為砂土＞輕壤土＞重壤土。質(zhì)地不同的土壤容重不同，致使根系在其中的穿透阻力差別很大，從而影響根系的生長和分布,隨土壤容重提高 ,根系下扎能力減弱[9]。重壤土中水稻苗期根系的最長根長較小，但根系體積、根系數(shù)量大于輕壤土、砂土中的根系，這一點與以前的研究結(jié)論是一致的[9]。

水稻幼苗前期生長發(fā)育所需要的養(yǎng)分主要是從胚乳中獲得，根系以地表廣度擴展為主，對根系垂直分布影響較小。所以試驗中播種后10 d各處理分布沒有表現(xiàn)出明顯差異。水稻生長初期根系主要分布于土壤的表層，之后開始向深度擴展，表現(xiàn)為前期水稻根系集中在0?5 cm土層中，后期根系開始逐漸分布于0?20 cm土層。播后40 d時0?5 cm土層中根系占比為45.67%~52.69%，滴灌水稻苗期根系向土壤深層下扎明顯。這與顧東祥等[21]水稻苗期0?5 cm土層根系占比始終最大的研究結(jié)果不一致。滴灌條件下水稻根系層間占比與旱作水稻有差異，淺層根系占比有所下降，可能是滴灌條件下有利于構(gòu)建深層根系，深層根系有助于增強作物對土壤不良環(huán)境的適應能力,提高水稻抗逆性[12]，從而增強苗期水稻的水分和養(yǎng)分吸收能力。孫浩燕等[19]研究結(jié)果表明水稻苗期80%~90%根系生長在土層20 cm以內(nèi)，這與本研究結(jié)果相似。

圖4 不同土壤質(zhì)地對滴灌水稻苗期根系分布的影響

Fig. 4. Effect of different soil texture on root distribution of drip-irrigated rice at seedling stage.

滴灌條件下不同土壤質(zhì)地對水稻出苗率、根系形態(tài)、生物量、根系活力和根系分布影響顯著。重壤土中水稻苗期生物量、根系活力顯著提高，根系分布相對淺而量大，重壤土處理0－10 cm土層中的深層根系的比例及生物量顯著高于其他處理。這可能與重壤土中物理性黏粒含量較多（表1），粒間空隙小，毛管空隙多，保水、保肥性強，晝夜溫差小的特性有關(guān)[22]。水稻是水分敏感作物，重壤土的保水、保肥性可以為滴灌水稻苗期提供充足的水分及養(yǎng)分。

4 結(jié)論

1）不同土壤質(zhì)地對滴灌水稻出苗率影響顯著，表現(xiàn)為砂土處理的出苗率最高，重壤土出苗率最低，輕壤土居中。

2）不同土壤質(zhì)地對滴灌水稻苗期根系形態(tài)影響顯著，其中最長根長表現(xiàn)為砂土＞輕壤土＞重壤土，根系數(shù)量、根系平均根長、根系體積均表現(xiàn)一致為重壤土＞輕壤土＞砂土。

3）滴灌水稻苗期總生物量與根系生物量表現(xiàn)一致，隨著播后日期推進逐漸上升，具體表現(xiàn)為重壤土＞輕壤土＞砂土。

4）滴灌水稻苗期根系活力受土壤影響顯著，重壤土處理40 d內(nèi)平均根系活力比輕壤土和砂土處理分別高3.54%和13.91%。重壤土有利于提高苗期水稻根系活力。

5）滴灌水稻苗期根系主要分布于淺土層，苗期結(jié)束后各處理70%以上根系分布在0?10 cm淺土層之中，重壤土處理根系量顯著提高。

綜上所述，不同的土壤環(huán)境對滴灌水稻出苗率、根系形態(tài)、生物量、根系活力和根系分布影響顯著。因此，滴灌水稻的種植推廣過程中，不同土壤質(zhì)地采取不同的播種量和相應的栽培措施，才能達到滴灌水稻的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效的目標。

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Effects of Different Soil Texture on Root Growth and Distribution of Rice Seedlings Under Drip Irrigation

XU Qiang1,3, MA Xiaopeng2,4,*, Lü Tingbo1,3, WANG Dongwang1,3, BAI Meng1,3, WANG Zelin1,3, NIU Jingran1,3

(College of Water Conservancy and Building Engineering,,,;Institute of Fertilizer and Agricultural Water Saving,,,;Key Laboratory of Modern Water-saving Irrigation of Xinjiang Bingtuan,,;4,,,;Corresponding author,：)

【Objective】The effects of different soil textures on root growth and distribution of drip-irrigated rice during seedling stage were studied, and the important role of soil environment on rice seedling growth under drip irrigation was revealed.【Method】A potted soil column experiment was conducted in the experimental site of the Shihezi University. Three treatments, heavy loam, light loam and sandy soil, were designed. Each treatment was repeated for five times. Samples were taken 10, 20, 30 and 40 days after sowing. The seedling emergence rate, root morphology, biomass, root activity and root distribution under different treatments were compared and analyzed. Effects of soil conditions on root growth and distribution of rice seedlings under drip irrigation were analyzed. 【Result】The average seedling emergence rate in sandy soil was 15.21% higher than that in heavy loam soil and 4.6% higher than that in light loam soil, respectively. The root volume in heavy loam soil was 18.53% and 43.15% higher than that in light loam and sandy soil respectively; the longest root length in sandy soil treatment was 38.44% and 12.69% higher than that in heavy loam and light loam, respectively; the total biomass in heavy loam soil was 19.76% and 41.48% higher than that in light loam and sandy soils, respectively. The root biomass of heavy loam soil increased by 14.98% and 35.83% compared with that in light loam and sandy soils. The root activity in seedling stage followed the following trend: heavy loam soil > light loam soil > sandy soil, and the average root activity within 40 days in heavy loam soil was 3.54% and 13.91% higher than that in light loam soil and sandy soil, respectively. The proportion of roots in the soil at depth from 0 to 5 cm in each period was always the largest. 【Conclusion】 The results showed that different soil textures had significant effects on rice seedling emergence rate, root morphology, biomass, root activity and root distribution under drip irrigation. Therefore, in order to achieve the goal of high quality, high yield and high efficiency, different sowing amounts and corresponding cultivation practices should be taken in the process of popularizing drip irrigation.

soil texture; drip irrigation under mulch; rice; seedling stage; root growth and distribution

S511.043; S511.061

A

1001-7216(2019)03-0249-08

10.16819/j.1001-7216.2019.8096

2018-08-26；

2018-11-16。

國家自然科學基金資助項目(51569033，51669030)。