玉米根系在土壤剖面中的分布研究.docx

1、中曲，忘戒M任稼2009年5月第17卷第3期ChineseJournalofEco-Agriculture,May2009,17(3):517-521DOI:10.3724/SP.J.1011.2009.00517玉米根系在土壤剖面中的分布研究*劉晶淼安順清廖榮偉任三學(xué)梁宏(中國(guó)氣象科學(xué)研究院北京100081)摘要玉米根系在土壤割面中的分布是準(zhǔn)確量化植被與氣候相互作用不可缺少的參數(shù)，也是玉米生產(chǎn)科學(xué)管理和節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要科學(xué)依據(jù).在中國(guó)氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)氣象實(shí)驗(yàn)站內(nèi)的大型根系觀測(cè)系統(tǒng)中，采用地下室玻璃窗觀測(cè)法和方形整段標(biāo)本法，觀測(cè)了“屯玉46號(hào)”玉米的根深、根寬、根長(zhǎng)和根重，分

2、析了玉米根長(zhǎng)、根長(zhǎng)密度、根重密度和根系粗度等在土壤剖面中的分布狀況.結(jié)果表明，玉米根長(zhǎng)、根干重均隨土壤深度的增加基本呈遞減類型.吐絲期040cm土層根長(zhǎng)占整層根長(zhǎng)51.5%,080cm土層占76.2%,0120cm土層占90.5%.乳熟后期其分布趨勢(shì)與吐絲期相似.玉米根系粗度隨著土壤深度增加，在上層呈減少分布型，在下層呈增加分布型.乳熟后期.玉米最大根深可達(dá)230cm,根長(zhǎng)總量達(dá)8.288km如-七顯示出該玉米品種有較發(fā)達(dá)的根系.通過(guò)玻璃窗觀測(cè)的根深大于遠(yuǎn)高玻璃窗處的根深.關(guān)鍵詞玉米根系分布土壤剖面根長(zhǎng)根密度中圖分類號(hào):S513文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-3990(2009)03-051

3、7-05TemporalvariationandspatialdistributionoftherootsystemofcorninasoilprofileLIUJing-Miao,ANShun-Qing,LIAORong-Wei,RENSan-Xue,LIANGHong(ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China)AbstractThedevelopmentoftherootsystemofcominsoilprofileisanindispensableparameterfortheestimationofcomgr

4、owth.Thedistributionoftherootsystemcanbeusedtoevaluatetheinfluenceofclimateonvegetativegrowth.Thisconstitutesacreativescientificmanagementanddevelopmentsystemofwater-savingagriculture.IntheGuchengAgro-meteorologicalFieldExperimentalStationofChineseAcademyofMeteorologicalSciences,rootlength,rootareal

5、reach,rootdepthandrootdry-weightof*Tunyu46"cornwereobservedusingclodsamplingmethodandinstalledundergroundsurfaceglazing.Observationdataonthespatialandtemporaldistributioncharactersoftherootsysteminthesoilprofilewerethenanalyzed.Theresultsshowthatrootdry-weightandrootlengthdecreasewithincreasing

6、soildepth.Inspinsilkperiod,rootlengthinthe40cm,80cm,and120cmsoillayerisrespectively51.5%,76.2%and90.5%oftotalrootlength.Rootlengthtototalrootlengthratioinvarioussoillayersissimilarforbothspinsilkandlatemilkmaturityperiods.Rootthicknessdecreasesinuppersoillayerandincreasesinlowersoillayerwithincreasi

7、ngsoildepth.Inthelatemilkmaturityperiod,rootdepthmayreach230cm,andtotalcombinedrootlengthcanreach8.288kmm2.Clearlythus,rootdepthandthetotalrootlengthof,*Tunyu46"arelargerthanthoseofothercomvarieties.Rootdistributioncharacteristicsshowthattherootsystemof"Tunyu46Misalotmoredevelopedandrobust

8、fordefendingdrought.Basedondataobtainedfromtheinstalledglazing,rootdepthismuchdeeperthanthatobservedfarfromtheglazing.KeywordsCorn,Rootdistribution,Soilprofile.Rootlength.Rootdensity(ReceivedMay8,2008;acceptedAug.21,2008)玉米根系在土壤剖面中的分布決定了其吸收養(yǎng)作用不可缺少的參數(shù)。因此，研究玉米根系在土壤分和水分的能力，也是準(zhǔn)確量化植被與氣候問(wèn)相互剖面中的分布對(duì)玉米生產(chǎn)的科學(xué)管

9、理和節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)科學(xué)儀器設(shè)備升級(jí)改造項(xiàng)FK2OO5JG1()0520),公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY(QX)2007060301和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)U(40575057)資助劉晶森(1957),男.博士，博士生導(dǎo)師.主要從事氣候變化診斷及模擬和陸面過(guò)程參數(shù)化的研究。E-mail:jingmiaol收稿日期:2008-05-08接受日期:2008-08-21展具有重要意義，也可為全球變化研究中的區(qū)域土壤-植被-大氣系統(tǒng)碳、水分、養(yǎng)分傳輸過(guò)程提供基礎(chǔ)性資料。雖然因作物根系生長(zhǎng)在地下而導(dǎo)致研究其在土壤剖面中的分布存在許多困難，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的迫切需要，國(guó)內(nèi)外對(duì)玉米根

10、系的研究，特別是在土壤剖面中分布規(guī)律的研究仍取得了顯著進(jìn)展。在國(guó)外,Jackson等研究了全球范圍陸地生態(tài)系統(tǒng)中包括玉米在內(nèi)的主要植物群落的根系分布、密度和生物量，并比較了不同植物群落根系差異。Gale等給出描述根系在土壤剖面中分布的關(guān)系式。Teare等對(duì)玉米根深及其分布進(jìn)行了定量描述，玉米根系擴(kuò)展范圍一般為1.25m,大部分根系可達(dá)1.6m,有的接近2m,并指出玉米根系具有一種潛在逃避受早機(jī)能。Liedgens等回總結(jié)了玉米根系在土壤剖面中分布的4種類型，即隨土壤深度穩(wěn)定減少型；從土壤表層到較深土層根系急劇減少型；從土壤上層向下到最大根系生長(zhǎng)深度，隨著深度增加根量增加，再向下根量減少型；根系

11、隨深度分布呈無(wú)規(guī)律型。并指出，這些分布型是受玉米植株發(fā)育和土壤環(huán)境條件影響而形成的。國(guó)外在玉米根系研究方法上也有明顯進(jìn)展,近年來(lái)應(yīng)用微型根系觀測(cè)管技術(shù)觀測(cè)根生長(zhǎng)的空間和時(shí)間類型受到重視。與傳統(tǒng)的土壤采樣技術(shù)相比,微型根系觀測(cè)管是透明界面，旦觀測(cè)時(shí)不破壞土壤和根系oSchrdder等應(yīng)用微型根系觀測(cè)管技術(shù)系統(tǒng)地描述了玉米根系的空間分布，還有一些科學(xué)家應(yīng)用微型根系觀測(cè)管技術(shù)研究了干早、灌溉、施肥和耕作對(duì)玉米根系在土壤中分布的影響。在國(guó)內(nèi)，李少昆等研究了玉米根系干重在不同生育期的側(cè)向和垂直分布模型，并指出玉米成熟期根深可達(dá)160cm。張喜英研究了太行山山前平原冬小麥、夏玉米、谷子和高粱等作物的根系生

12、長(zhǎng)發(fā)育狀況，指出夏玉米最大根深為1.2m,80%以上的根系集中在040cm土層中。國(guó)內(nèi)在根系研究方法上長(zhǎng)期以來(lái)主要應(yīng)用土壤采樣技術(shù)，近年來(lái)少數(shù)單位開(kāi)始應(yīng)用地下玻璃窗觀測(cè)技術(shù)和微型根系觀測(cè)管技術(shù)町。本文根據(jù)在中國(guó)氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)氣象實(shí)驗(yàn)站大型根系觀測(cè)系統(tǒng)所觀測(cè)的部分資料，分析研究了“屯玉46號(hào)”玉米根系在土壤剖面中的分布狀況。1材料和方法1.1觀刪地點(diǎn)及設(shè)施觀測(cè)工作在河北省定興縣中國(guó)氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站的大型根系觀測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行。該系統(tǒng)包括地下根系觀測(cè)室、地上作物種植小區(qū)和大型電動(dòng)防雨棚3個(gè)主要部分。地下根系觀測(cè)室南北走向，深3.2m,寬2.5m。在東西兩側(cè)各

13、有12個(gè)鋼化玻璃觀測(cè)窗（高3m,寬1.5m,厚度20mm）,每個(gè)玻璃觀測(cè)窗與相應(yīng)的種植小區(qū)土壤緊密相連。觀測(cè)室頂部是用鋼筋作骨架并覆蓋泡沫塑料、瀝青板和土，起保溫遮光作用。地下室南進(jìn)入口設(shè)有兩道防盜門，地下室地面有兩條排水溝。在24個(gè)玻璃觀測(cè)窗中選取8個(gè)（東西側(cè)各4個(gè)）安裝根系微型觀測(cè)管（長(zhǎng)2.2m,外徑6.0cm）,在每個(gè)玻璃觀測(cè)窗的垂直中線部位自上而下在40cm.80cm、120cm、160cm、200cm處安裝5根管子，每個(gè)管向上傾斜10。29，插入作物種植小區(qū)土壤內(nèi),用電子窺鏡在管內(nèi)觀測(cè)小區(qū)不同土壤深度的根系生長(zhǎng)狀況。種梢小區(qū)共24個(gè)，東西兩側(cè)各12個(gè)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)4m,寬2m,各小區(qū)之

14、間用水泥墻隔離，深度為3m,小區(qū)內(nèi)I壤為原狀土。在安裝有微型根系觀測(cè)管的8個(gè)小區(qū)內(nèi)，安裝有觀測(cè)土壤濕度的TDR和土壤溫度自動(dòng)觀測(cè)儀。小區(qū)土壤為壤土,0-200cm土層平均田間持水抵為22.7%（占干土重），平均凋萎濕度為5.0%（占干土重），容重為1.37gcm-3。大型電動(dòng)防雨棚K30m.寬15m,高5m,降水時(shí)覆蓋小區(qū)，無(wú)雨時(shí)退出。1.2玉米品種、特性及生育期2（X）7年5月12日在24個(gè)小區(qū)播種“屯玉46號(hào)”雜交中晚熟玉米，行距50cm,株距30cm,人工灌溉供水，及時(shí)除草。玉米生育期為5月20日出苗，5月27日3葉，6月1007葉,6月21日拔節(jié),7月17日抽雄，7月20日開(kāi)花，7月2

15、3日吐絲，8月8日乳熟,8月27日成熟，整個(gè)生育期108do1.3觀測(cè)項(xiàng)目及方法觀測(cè)項(xiàng)目包括玉米生育期、根深、根寬、根長(zhǎng)、根重等。在地下室玻璃窗上觀測(cè)玉米根深和根寬，6月17日開(kāi)始觀測(cè)直到成熟期，共觀測(cè)7次。同時(shí),在地下觀測(cè)室應(yīng)用微型根系觀測(cè)管技術(shù)觀測(cè)不同深度根數(shù)、根K及根K密度。分別于8月4日（吐絲期）和8月25日（成熟期）應(yīng)用方形整段標(biāo)本法，在種植小區(qū)選取有代表性植株，以其為中心，取長(zhǎng)50cm,寬30cm的K方形，沿四周垂直挖土，形成有根樣的土柱，一直挖到無(wú)根為止，然后沿土柱自上而下每10cm取一土樣。將土樣用水浸泡、漂選和清洗,得到干凈根系樣品。之后吸干根樣表面水分，用萬(wàn)分之一精度電子天

16、平稱量:根重。再對(duì)粗根和細(xì)根進(jìn)行分類，粗根直接測(cè)M；細(xì)根先測(cè)址其總重量，然后選出一部分進(jìn)行稱重測(cè)量長(zhǎng)度.根據(jù)得出的長(zhǎng)度按照重址比例換算出細(xì)根總長(zhǎng)度。最后在電烘箱中烘干，稱其干重。這樣測(cè)出每層上壤中的根長(zhǎng)、根取，汁算根長(zhǎng)密度和根重密度。2結(jié)果與分析玉米根系一般按其發(fā)生時(shí)期、部位、形態(tài)和功能，分為初生根（胚根）、次生根和支持根。根量的大小主要表現(xiàn)在根重和根長(zhǎng)上。根重是抗倒性、抗旱性的主要指標(biāo)之一。根長(zhǎng)是衡鼠根系生長(zhǎng)和吸收能力的重要指標(biāo)。單位體積中的根長(zhǎng)即根長(zhǎng)密度是評(píng)估根系吸收水分和養(yǎng)分能力的重要依據(jù)。單株根K是衡量根系生長(zhǎng)能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)C2.1玉米根長(zhǎng)在土壤中的分布2007年8月4日和25日兩

17、次應(yīng)用方形整段標(biāo)本法所取得的土壤逐層根長(zhǎng)資料表明，玉米根K基本隨土壤深度增加而遞減，如8月4日（吐絲期，圖la）020cm土層根長(zhǎng)占整層根長(zhǎng)的34.5%,2040cm土層占17.0%,40-60cm土層占11.0%,6080cm上層占13.7%,80100cm±層占7.2%,100120cm土層占7.1%,120-140cm土層占5.7%,140160cm土層占2.9%,I60】70cm土層僅占0.3%。該期040cm土層玉米根長(zhǎng)占整層根長(zhǎng)的51.5%,080cm土層占整層的76.2%,0-120cm±層占整層的90.5%。8月25H（乳熟后期，圖lb）玉米根長(zhǎng)在土壤中的分

18、布趨勢(shì)與8月4日相似，只是最大深度達(dá)到230cm。玉米成熟期玉米根長(zhǎng)總量達(dá)8.288kmm2o比例Proportion（%）0510152025303540(E?-sdop二(E?-sdop二0-2020-4040-6060-808(M00100-120120-140140-160180-200p204220圖18月4日(a)和8月25日(b)不同厚度土層玉米根長(zhǎng)占整層根長(zhǎng)的比例Fig.1TheproportionsofcornrootlengthtototallengthinvarioussoillayerdepthsonAugust4(a)andAugust25(b),20072.2玉米根

19、長(zhǎng)密度在土壤中的分布根長(zhǎng)密度是單位土壤體積中的根長(zhǎng)，單位為cmcm-3,它是根系長(zhǎng)度的一種常用表示方法。本文每20cm厚土壤中的根長(zhǎng)密度用式求得：每20cm層總根長(zhǎng)50x30x20(1)(Eg-sdQP=osMw-Hpi(cmcm-3)=ffi28月4日(a)和8月25日(b)玉米根長(zhǎng)密度在土壤中的分布Fig.2DistributionofcornrootlengthdensityinvarioussoillayerdepthsonAugust4(a)andAugust25(b),2007由圖2可知，隨著深度增加，玉米根K密度基本上呈遞減型。8月4日020cm土層的根長(zhǎng)密度最大，達(dá)1.08cm

20、cmT,140160cm土層最小，僅為0.09cmcm%8月25日與8月4日相比，相應(yīng)層次的根K密度均較大，020cm土層達(dá)1.48cmcm-3,比8月4日大0.40cmcm_3o160cm以下土層根長(zhǎng)密度均小于0.042cm-cm%2.3玉米根重（干重）密度在土壤中的分布根重密度是指單位體積內(nèi)的根重，以g-cm-3為單位。文中每20cm厚土層的根重密度計(jì)算與根長(zhǎng)密度相同。其計(jì)算式為：Pg(gcmT)=20cm土層內(nèi)根重50x30x20由圖3可知，玉米根重密度基本上隨土壤深度增加而減少。8月4日020cm土層根重密度最大,為0.00066gcm：6080cm土層減少到0.00014g-cm：1

21、40160cm土層最小，僅為0.00002gcm-3。8月25日玉米根重密度在土壤剖面的分布趨勢(shì)與8月4日基本相似，只是深度達(dá)到230cmo根重密度Rootdryweightdensity(gemJ)0202(M0406060-8080100100-12012414014(160160-1808420020(220(un)fdap=os根系粗度Rootthickness(gem-1)00.00010.00020.00030.00040.00050.00060.0007圖38月4日(a)和8月25日(b)玉米根重密度在土壤中的分布Fig.3Distributionofcornrootdrywei

22、ghtdensityinvarioussoillayerdepthsonAugust4(a)andAugust25(b),2007E)-s§_os婪送安-H0-2020-4040-6060-8080-100l(X>>120120-140144160SWOOO21.0*000.0OEOO0.0冷000.02.4玉米根系粗度在土壤中的分布根系粗度是指單位根長(zhǎng)的重量，反映根系平均粗細(xì)，以g-cm"1為單位，它表示不同層次單位根重的根長(zhǎng)長(zhǎng)度，反映根系從表層到深層平均根系粗細(xì)的變化規(guī)律和趨勢(shì)。其計(jì)算式為：Pi(g-cml)=20cm土層內(nèi)根更20cmIE層內(nèi)根長(zhǎng)(3)由圖

23、4可知，玉米根系粗度隨土壤深度增加呈先減少后增加趨勢(shì)。8月4日020cm上層根系粗度為0.001163gcm",6080cm土層減少到0.000258g-cmf到140160cm土層增加到0.000542g-cm_,o8月25日玉米根系粗度在土壤剖面的分布趨勢(shì)與8月4LI基本相似，只是在200220cm土層仍達(dá)到0.00（）447g-cm。2.5玉米根系深度和根寬狀況根系深度與作物水分供給關(guān)系密切。地下觀測(cè)室24個(gè)小區(qū)的玻璃窗7次觀測(cè)資料顯示，玉米根系深度隨生育期的延長(zhǎng)而加深，大多小區(qū)在成熟期根深達(dá)300cm。如東側(cè)自北數(shù)第1小區(qū)（EN01）,6月17日（7葉期）根深為90cm,6月

24、29日（拔節(jié)期）為128cm,7月7日（拔節(jié)后期）為138cm,7月17日（抽雄期）為145cm,8月4日（吐絲期）為242cm,8月14日（乳熟期）為270cm,8月25日（乳熟后期）*290cmo玉米在不同生育期間其根系向下生長(zhǎng)的速率存在差異，其中7月17日到8月4日即抽雄期到吐絲期向0-202(M040-6060-8080-100100-120120-140140-)60160-180180-200200-220圖48月4日（a）和8月25日（b）玉米根系粗度在土填中的分布Fig.4Distributionofcornrootthicknessinvarioussoillayerdept

25、hsonAugust4（a）andAugust25（b）,2007下生長(zhǎng)速率最大，為5.39cm-dL其次為6月17日到6月29日期間，即7葉期到拔節(jié)期為3.17cm-d",生長(zhǎng)速率最小的為7月7日到7月17日,即拔節(jié)期到抽雄期，僅為0.7cm-dT。其他23個(gè)小區(qū)的觀測(cè)結(jié)果大多與EN01小區(qū)類似。根寬是玉米根系生長(zhǎng)狀況的另一個(gè)重要方面,它反映根系在水平方向上的分布狀況，影響水分和養(yǎng)分對(duì)植株的有效性。由地下室24個(gè)小區(qū)玻璃窗上的觀測(cè)結(jié)果顯示：根寬隨著玉米根的加深而變小。對(duì)于EN07小區(qū)的單株玉米根系，6月17日根深80cm,根寬為125cm;6月29日根深85cm,根寬為100cm;

26、7月7日根深100cm,根寬為71cm;7月17日根深122cm,根寬為75cm;8月4日根深215cm,根寬65cm;814日根深243cm,根寬65cm;8月25日根深290cm,根寬65cm。從以上分析結(jié)果可以看出，“屯玉46號(hào)”玉米根量（根長(zhǎng)和根干重）在土壤剖面中的分布基本上是隨著深度加深呈減少型，這與大多數(shù)玉米根量分布的研究結(jié)論相類似。但在數(shù)量和根深方面存在不同,如張喜英在太行山山前平原測(cè)得的夏玉米最大根深為1.2m左右，80%以上根系集中在040cm土層,成熟期根長(zhǎng)總量為4kmm2。而本文“屯玉46號(hào)”玉米8月25日實(shí)測(cè)的最大根深達(dá)230cm,040cm土層根長(zhǎng)占整層根K僅51.5

27、%,乳熟后期根長(zhǎng)總量達(dá)8.288kmm-2。這些明顯差異可能與玉米品種特性有關(guān)，因?yàn)楦档拇笮『蜕疃仁怯蛇z傳決定的,旦隨地上部分的改變而擴(kuò)大?！巴陀?6號(hào)”玉米生育期比一般夏玉米長(zhǎng)，屬于大株型，根系發(fā)達(dá)。另外，通過(guò)地下室玻璃窗觀測(cè)的玉米根深和根寬扯值能否代表實(shí)際的狀況呢？如果玻璃窗與小區(qū)土壤剖面緊密相連，則所觀測(cè)的結(jié)果應(yīng)該能代表。但本文中地下室玻璃窗在安裝時(shí)因與小區(qū)土壤剖面有間隙，只得用細(xì)土填在空隙中，因此在玻璃窗與土壤剖面連接處，環(huán)境條件與遠(yuǎn)離玻璃窗的小區(qū)上壤的環(huán)境條件有差異，因?yàn)閬V是第1年進(jìn)行觀測(cè),故觀測(cè)結(jié)果可能與實(shí)際狀況有差異。這從8月25日在EN01小區(qū)用兩種方法同時(shí)觀測(cè)的根深資料可看出，該日通過(guò)地下室玻璃窗觀測(cè)的最大根深為290cm,而在該小區(qū)應(yīng)用方形整段標(biāo)本法可獲得的最大根深為230cm,前者比后者深60cm。這種差異隨著時(shí)間的推移，當(dāng)界面處土壤環(huán)境與遠(yuǎn)離玻璃小區(qū)土壤環(huán)境接近時(shí)，觀測(cè)結(jié)果就會(huì)接近直實(shí)狀況。3小結(jié)本文應(yīng)用地下室玻璃窗觀測(cè)法和方形整段標(biāo)本法獲得“屯玉4號(hào)”玉米的根系資料，該玉米品種根鼠（根長(zhǎng)和根干重）在土壤剖面中隨深度增加呈減少分布型,根系粗度在土壤剖面中隨深度增加