空间布局对间作棉花根系时空分布特征的影响*

孙 雪，卡依沙尔·热合曼，白明强，田玉刚，樊文霞，李燕芳，王沛娟，陈国栋

（塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

农林间作复合系统是一种传统的土地利用和经营方式，因其能最大限度地发挥林业和农业的经济效益与生态效益，能够提高土地利用效率，防止水土流失和提高有限资源的利用率，因而得到了广泛的应用[1]。枣棉间作复合生态系统是目前新疆南疆棉花主产区普遍推广应用的果棉立体间作模式之一，枣棉间作改变了以往单一枣树或棉花的平面种植，能有效提高土、水、热和光资源的利用率，有利于良性生态循环和农业可持续发展。但枣棉间作复合生态系统地上部分存在枣树对棉花一定程度的荫蔽效应，地下部分存在相互争水争肥的现象，在一定程度上限制了该模式在生产上的应用和推广，影响其效益的发挥，在农林间作系统中，如何从生物、生态以及农艺的角度来合理安排间作，从而协调复合群体光、热、营养等资源的利用，最大程度发挥其优势是目前亟需解决的问题[2]。南疆地区光热资源丰富，既是我国高产优质特色林果业生长带，也是我国最大的棉花生产基地。目前，制约南疆枣棉间作模式应用的主要原因是未能解决枣树和棉花在生长过程中争水争肥的问题。

根系是植物吸收养分和水分的主要器官，也是植物间发生养分和水分竞争的主要场所[3]。植物对土壤水分和养分的竞争能力则取决于植物根系所占据的土壤空间、根系的形态和生理塑性、植物根系在土壤中的时空分布格局等。因此，植物根系特征是选择合理的农林复合系统配置的标准，了解林木和作物的根系特征是农林复合系统成功的主要因素之一[4]。定量研究作物或果树根系的生长发育及时空分布特征是构建根系吸水模型与计算根系吸水量不可缺少的手段和环节，对于进一步研究根系吸水时空分布规律及其影响机制、改进田间水分管理措施和发展节水农业具有十分重要的意义。特别是在干旱、半干旱地区，研究解决农林种群间对水分和养分资源的竞争与吸收利用关系是农林复合系统能否实现高效可持续经营的关键问题[5]。

研究表明，农林间作研究的关键是弱化种间竞争和强化种间互补。在农林间作优势效益形成机理的研究中，致力于物种组合，地上与地下部作用、化感作用、空间布局、修剪、种植密度、施肥、水分等角度的研究持续而深入。本研究以枣棉间作为对象，研究空间布局对间作复合群体根系时空分布特征的影响，旨在通过农艺措施的调控来优化间作群体种间关系，弱化种间竞争，强化种间互补，提高间作资源利用效率。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年4月至11月在阿拉尔市塔里木大学园艺试验站（40°32′20″N，81°17′57″E）进行，该区位于新疆西部、塔里木盆地的西北部，平均海拔达1 015 m，属暖温带大陆干旱荒漠气候，降水稀少，光照时间长，年均太阳辐射610 KJ/cm2，年均气温10.8 ℃，≥10 ℃积温4 113 ℃，无霜期220 d，年日照时数2 900 h，4～10 月每天平均日照时长9.5 h，年降水量50 mm，是典型的灌溉农业区。枣园间作是当前塔里木盆地作物种植的重要模式之一，其中枣棉间作效益较好。

1.2 试验设计

幼龄枣园于2012年酸枣直播建园，枣树株行距配置为3.0 m×0.5 m。以枣/棉行比配置为主区，棉花株距配置为副区进行裂区排列。行比配置设2 ∶2行比（2 行枣树间种植2 行棉花，窄行种植，棉花种植距枣树1.5 m，记作C2）、2 ∶4 行比（2 行枣树间种植4行棉花，宽窄行种植，棉花种植距枣树1.0 m，记作C4）和2 ∶6 行比（2 行枣树间种植6 行棉花，宽窄行种植，棉花种植距枣树0.5 m，记作C6）3 个水平；株距配置设10.0 cm（R1）和12.5 cm（R2）2 个水平，组成6个间作处理，分别是C2R1、C2R2、C4R1、C4R2、C6R1 和C6R2，另设2 个单作棉花处理 （CR1 和CR2）作为对照，共8个处理，每处理重复3 次，小区面积为3 m×10 m。棉花采用地膜覆盖，灌溉方式为滴灌，试验其它管理措施与当地习惯水平相同。参试棉花品种新陆中36 号于4 月13 日播种，10 月20日收获。

1.3 测定指标和计算方法

1.3.1 根长密度和根质量密度

于棉花盛花期（7 月15 日）、盛铃期（8 月17日）和吐絮期（9 月15 日）分别在枣树与棉花行间以及棉花株间中央位置设置取样点，分层（20 cm）取样，深度为50 cm。将所取土样倒入0.2 mm 土壤筛中，置于水盆中浸泡1 h 左右，剔除杂质和死根后，区分开枣树和棉花的根系，用游标卡尺测量并选出直径2 mm 以下的根系，去离子水冲洗后用WinRHIZO根系分析系统扫描分析，获取根长；对清洗干净的根，在105 ℃下杀青30 min，之后在80 ℃下烘干至恒重，称取根干重。

式中：Ld 为根长，Wd 为根系干重（g）；Vs 为土壤体积（cm3）。

1.3.2 产量

收获期按小区实收计产，各小区收取正常开裂的50 个棉铃，测定单铃质量、籽棉质量、皮棉质量、衣分等产量性状。

1.4 数据统计

试验数据采用Microsoft Excel 2013 整理汇总，SPSS17.0进行方差分析及显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同生育时期不同处理棉花根长密度

对于每个植物来说，根长密度是反映作物地下部分生长的重要指标，也是根系生长发育的最直接指标。从表1可知，棉花的不同生育期和不同处理的根长密度和根的分布状况。根据根长密度分析可知，间作棉花根长密度随着生育期的推进呈现不断增加的趋势，空间布局对不同生育时期和不同土层深度间作棉花根长密度的影响不同。

单作棉花和间作棉花的根系都集中在0～50 cm的土层。但棉花生育期的不同根的分布也不一样，尤其是苗期，苗期根分布在0～30 cm 的土层中，同一处理的根长密度的差异并不太大。在苗期C4R1 和C2R2间作处理土层0～10 cm的根长密度较其他处理高，C4R2 和CR1 处理土层10～20 cm 的根长密度较其他处理高，C6R2和CR1处理土层20～30 cm的棉花根长密度较其他处理高。蕾期开始棉花根系下扎到50 cm，且空间布局方式对0～10 cm 土层的根长密度没有影响，但对10～50 cm土层的棉花根长密度影响显著，C4R2、C6R1 和CR2 处理土层10～20 cm 的根长密度较其他处理高，C2R1、C4R2、C6R2和CR2处理土层20～40 cm 的棉花根长密度较其他处理高，C4R1 和C4R2 处理土层40～50 cm的棉花根长密度较其他处理高。

开花期棉花进入生殖生长和营养生长并进阶段，根系继续生长，但主要分布在0～50 cm土层。开花期0～10 cm 土层的棉花根长密度受空间布局的影响不大，除C2R1和C6R2处理土层0～10 cm的根长密度较低外，其它处理间差异不显著；此时期间作处理10～20 cm土层的根长密度显著低于对应单作，且除C6R2 外其它间作处理间差异不显著；C4R1、C4R2和C6R2处理土层20～30 cm和40～50 cm的棉花根长密度较其他处理高，C6R1和CR2处理土层30～40 cm的棉花根长密度较其他处理高。花铃期C2R2处理土层0～10 cm的棉花根长密度显著高于其它处理，总体来看，此时期单作处理10～20 cm土层的棉花根长密度显著高于间作（C2R1 和C6R2 处理除外），种植4行棉花处理土层20～30 cm的根长密度较其他处理高，C4R2、C6R1、C6R2 和CR2 处理土层30～40 cm 的棉花根长密度较其他处理高，C6R2 处理土层40～50 cm 的棉花根长密度较其他处理高。

吐絮期棉花根长密度仍有增加的趋势，且主要增加土层20～40 cm的棉花根长密度。吐絮期C2R2和C4R2 处理土层0～10 cm 的棉花根长密度低于其它处理，C6R1和C6R2处理土层10～20 cm 的棉花根长密度低于其它处理，C2R1、C2R2、CR1 和CR2 处理土层20～30 cm 的棉花根长密度较其他处理高，C2R1、C2R2、C4R2 和C4R2 处理土层30～40 cm 的棉花根长密度较其他处理高，C4R2 处理土层40～50 cm的棉花根长密度较其他处理高。结果

表明，棉花生育期间从苗期到花铃期之间的根长密度不稳定，进入吐絮期C4R1处理根长密度稳定，吸收的水分和养分最高。

表1 不同生育时期不同处理棉花根长密度 cm/cm3

2.2 不同生育时期不同处理棉花根干重密度

根干重密度是反映根系生长发育的又一直接指标，能够间接反映作物吸收营养的能力。表2是不同生育时期不同处理的棉花根干重密度，总体来讲，间作条件下根干重密度高于单作，说明间作促进根系生物量的累积，能够较单作有更强的对于养分和水分的吸收能力，不同时期各处理棉花根干重密度随着土层深度的增加，空间布局对其的影响也在发生变化。

表2 不同生育时期不同处理棉花根干重密度 ×10-4g/cm3

表3 不同处理棉花产量及产量性状

棉花苗期根系主要分布在0～10 cm的土层，占到总干重的63.5%以上，且种植4行棉花的处理根干重密度显著高于其他处理；蕾期随着根系的不断下扎，根系分布主要在0～40 cm 土层，C4R1 和C4R2处理土层0～20 cm的棉花根干重密度较其他处理高，C2R2和C6R2 处理土层20～30 cm的棉花根干重密度较其他处理高，C2R1和C2R2 处理土层30～40 cm 的棉花根干重密度较其他处理高，C2R1和C6R1处理土层40～50 cm的棉花根干重密度较其他处理高。

开花期棉花0～10 cm 的根干重密度受空间布局的影响不大，除CR2 处理土层0～10 cm的根干重密度较低外，其它处理间差异不显著；此时期种植4 行和6 行棉花处理10～20 cm 土层的棉花根干重密度显著高于其他处理，C2R1、C2R2 和C4R1处理土层20～30 cm 的棉花根干重密度较其他处理高，C2R1、C2R2 和C6R1 处理土层30～40 cm 的棉花根干重密度较其他处理高，C2R1 和C2R2 处理土层40～50 cm 的棉花根干重密度较其他处理高。花铃期总体来看，此时期0～10 cm土层的棉花根干重密度占所有土层的38%～45%，10～20 cm的根干重密度占14%～17%，20～30 cm土层的棉花根干重密度占9%～14%。此时期空间布局对0～10 cm 土层的棉花根干重密度无较大影响，C4R1、C4R2 和C6R1 处理土层10～20 cm 的棉花根干重密度较其他处理的高，C2R1、C2R2 和C4R1 处理土层20～30 cm 的棉花根干重密度较其他处理高，C6R1 处理土层30～40 cm 的棉花根干重密度较其他处理高，C2R1处理土层30～40 cm的棉花根干重密度较其他处理高。

吐絮期棉花根干重密度继续增加，CR2 处理土层0～10 cm 的棉花根长密度低于其它处理，C4R1和C4R2 处理土层10～20 cm 的棉花根干重密度高于其它处理，C2R1、C2R2 和C4R1 处理土层20～30 cm 的棉花根干重密度较其他处理高，C2R1 和C6R1 处理土层30～40 cm 的棉花根干重密度较其他处理高，C2R1处理土层40～50 cm的棉花根干重密度较其他处理高。

2.3 不同处理棉花产量及产量性状

由表3可以看出，随着棉花种植行数的增加，棉花株数明显增大，6 行棉花的株数基本达到单作棉田株数水平，且随着棉花株距的增大，棉花株数也随之明显减小。6行棉花间作处理单株铃数显著低于单作，其他处理差异不明显，单株铃数随着株距的增加而增大；单株铃重受到空间布局的影响，间作条件下，随着棉花种植行数的增加，铃重呈降低趋势，但间作条件下的平均铃重高于单作。

空间布局明显影响间作棉花的衣分，种植行数增加，衣分随之降低，间作条件下的棉花衣分高于单作棉田，间作条件下棉花产量较单作低，差异明显，但可以看出，随着棉花行数的增加，间作和单作棉田产量的差距逐渐缩小，按净植棉面积算，种植4行和6行棉花的产量显著高于对照单作棉田。

2.4 间作棉花产量与根系指标的相关性分析

从表4对间作棉花产量与根长密度的相关性分析可以看出，蕾期到花铃期0～10 cm和20～30土层棉花根长密度越大，越不利于最终的产量累积，促进各时期（吐絮期除外）10～20 cm土层根长密度，有利于获得高产。苗期增加20～30 cm土层的根系分布有利于为棉花高产打下基础，到了吐絮期，能够控制大多数的根系分布在30～40 cm土层是高产的关键。

根长密度在一定程度上反映了根系的空间分布，与根长密度不同，根干重密度则反映作物在地下部的生长状况，由表5可以看出，除苗期外最终产量和0～10 cm土层根干重密度呈负相关关系，和深层40～50 cm根干重呈极显著正相关关系，说明棉花高产需要根系有一定的垂直分布，根系下扎越深，高产潜力越大。

表4 间作棉花产量与不同时期各土层根长密度的相关性分析

表5 间作棉花产量与不同时期各土层根干重的相关性分析

3 结论与讨论

农艺栽培条件是影响作物产量的重要因素，不同的种植密度、带型、作物配置以及空间结构都能够影响群体结构，最终影响产量构成[7]。本试验条件下，随着棉花种植行数的增加，间作棉花产量随着增加，表现出较强的间作优势。间作群体的纳密能力允许间作作物密度高于对应的单作，因此，理论上缩小行距不会影响到作物产量，但本试验的结果表明，在枣棉间作复合系统中，随着种植行数的增加，间作棉花的种植密度进一步增大不利于产量的形成。间作表现出一定的产量优势主要是增加了深层土壤的根系量[8]，棉花根系下扎到40～50 cm土层且分布较多是获得高产的关键。

研究表明[9]，枣棉间作系统中棉花随土层深度的增加，棉花根系则集中分布在0～50 cm土层范围。且随着土壤深度的增加而减少。一般认为[10]，农林复合系统中树种应该是深根性的，这样才能减少与作物在上层土壤中争夺水肥和提高资源的利用率，但实际上虽然林木与农作物相比属深根性植物，但多数吸收根分布在土层0～50 cm范围内，而深层根系的主要作用是在有水分胁迫条件下吸收深层水[11]。棉花具有复杂的根系系统，吸收根集中密集区是在0～50 cm土层，这与本试验的结果一致，本试验研究认为，通过农艺措施的手段使得棉花根系分布集中在40～50 cm的深层土壤是间作棉花高产潜力所在。

研究作物根系分布特征，了解根系不同层次对土壤水分和养分的吸收特性是作物高产栽培中种植模式和肥水运筹技术的重要依据[12]。一个合理的根系分布特征能使作物从土壤中吸取充足的养分和水分，而获得高产。在获得高产的诸多环节中，种植结构和空间布局是必须要考虑的。本试验中，研究结果显示0～50 cm 土层内根系总干重及总长度随棉花生育进程的推进逐渐减小。蕾期到花铃期0～10 cm 和20～30 cm 棉花土层棉花根长密度越大，越不利于最终的产量累积，促进棉花各时期10～20 cm土层根长密度，有利于获得高产。苗期增加20～30 cm土层的根系分布有利于为棉花高产打下基础，到了吐絮期，能够控制大多数的根系分布在30～40 cm土层是高产的关键。棉花高产需要根系有一定的垂直分布，根系下扎越深，高产潜力越大。复合群体单一作物产量受到2种或2种以上作物的共同影响，要进一步解析间作棉田高产机理需要将复合系统作物整体进行研究，此方面的工作将在后续阶段继续进行。