耕作方式對(duì)小麥根系構(gòu)型及生長趨勢(shì)的影響

楊艷山， 丁啟朔， 趙亞平， 秦培亮， 吳 凡， 倪成功， 孫翠華

(1.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215000； 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210031)

在耕種收全程機(jī)械化的背景下，機(jī)械耕作是改變土壤結(jié)構(gòu)，水、氣、熱和養(yǎng)分供應(yīng)的主要方式，耕作方式和耕作質(zhì)量直接影響種子萌發(fā)、作物生長和產(chǎn)量。在農(nóng)作物與土壤接觸的過程中，根系是直接接觸土壤的器官，耕作方式引發(fā)的土壤結(jié)構(gòu)改變會(huì)對(duì)其生長、分布和功能的發(fā)育產(chǎn)生影響。因此研究作物根系生長狀態(tài)與耕作方式間的響應(yīng)關(guān)系有利于完善耕作質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法，促進(jìn)耕作機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根系的構(gòu)型分布能夠最為直觀地反映各根系的生長情況，依據(jù)研究根系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠了解根系在土壤結(jié)構(gòu)中的具體分布位置和伸展情況，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也能夠分析出土壤結(jié)構(gòu)對(duì)作物根系的貫穿、占據(jù)土體空間能力的影響。目前根系構(gòu)型的研究方法主要有土壤剖面法、石料法、釘板法、探針法、根管法、溝渠法。量化指標(biāo)主要是根干質(zhì)量、根長、根直徑、根表面積以及根系結(jié)構(gòu)。這些研究方法和量化指標(biāo)在一定程度上可以有效反映根系實(shí)際的生長狀態(tài)，但是不能清晰直觀地表達(dá)出3D空間中作物根系的詳細(xì)分布情況。陳信信等建立了作物根系 3D 構(gòu)型測(cè)試平臺(tái)，為研究根系構(gòu)型提供了新思路。該平臺(tái)能夠?qū)Ω档?D 構(gòu)型進(jìn)行定量描述，對(duì)冬小麥根系構(gòu)型的田間數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。但該研究僅停留在根系構(gòu)型本身的定量分析和研究上，并沒有涉及耕作方式對(duì)根系構(gòu)型影響的分析。

為了深入研究耕作方式對(duì)作物根系構(gòu)型產(chǎn)生的影響并進(jìn)行量化分析，本研究基于根系構(gòu)型數(shù)字化平臺(tái)分析了不同耕作方式對(duì)小麥根系3D構(gòu)型的影響，提出了一系列量化耕作方式和根系構(gòu)型相互關(guān)系的評(píng)價(jià)指標(biāo)，揭示了二者間的相互作用機(jī)理，以期為耕作機(jī)具的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更加全面的理論支持。

1 材料與方法

1.1 種植與處理

本研究開始于2019年3月10日，小麥種植地點(diǎn)位于江蘇省南京市六合區(qū)八百橋鎮(zhèn)，前茬水稻秸稈不還田，采用全幅旋耕(FT)和帶狀耕作(ST)2種模式的耕作方式。帶狀耕作采用人工創(chuàng)造種溝的模式，采用不同的開挖工具，挖出的種溝深度為 6 cm，寬度為6.5 cm，種帶間距為20 cm。人工創(chuàng)造的2類種溝邊界見圖1，圖1-a所示的溝壁進(jìn)行了人為涂抹記為ST1，圖1-b所示的溝壁粗糙記為ST2。這2種典型的溝壁狀態(tài)能夠方便研究作物根系構(gòu)型在不同種溝邊界時(shí)受到的影響。以上2種耕作方式，均采用條播的播種方式，種植品種、密度、播種后管理方式均相同。

1.2 根系構(gòu)型數(shù)據(jù)的采集及3D建模

本研究采用的田間取樣方法參照文獻(xiàn)[13]。綜合考慮小麥根系生長周期、分布特征、土壤恢復(fù)時(shí)間和取樣工作量，取樣時(shí)間開始于小麥植株具有2～3張葉片時(shí)，取樣周期設(shè)定為14 d，共計(jì)取樣4次，將根系樣本分別標(biāo)記為0、14、28、42 d，為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，每次測(cè)量隨機(jī)抽取4株小麥根系。采用根系構(gòu)型數(shù)字化儀對(duì)試樣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用SolidWorks軟件將獲得的根系數(shù)據(jù)生成3D拓?fù)錁?gòu)型。

1.3 根系拓展趨勢(shì)分析方法

1.3.1 土體空間覆蓋面積差異系數(shù) 分別研究在平行、垂直于種溝方向上，作物根系的生長方向受不同耕作處理的影響，并將測(cè)量得到的冬小麥根系結(jié)構(gòu)模型向深度方向(-投影面)投影，將投影面按照0.5 cm×0.5 cm的方格進(jìn)行分割。對(duì)于帶狀耕作，設(shè)定中心范圍區(qū)域?yàn)?.5 cm×6.5 cm，并選定中心為種子所在位置，在-投影面上以種溝邊界和中心范圍區(qū)域?yàn)榻缦抻?jì)算根覆蓋面積，對(duì)于全面旋耕處理，設(shè)置虛擬種子溝邊界來計(jì)算根覆蓋面積。

土體空間覆蓋面積差異系數(shù)()計(jì)算方法見式(1)，其中值越大，說明沿種溝邊界內(nèi)的根系生長趨勢(shì)越明顯。值為正，說明小麥生長趨勢(shì)為沿種溝邊界方向。

(1)

式中：表示土體空間覆蓋面積差異系數(shù)；表示種溝邊界內(nèi)且在中心范圍區(qū)域外含有根系的網(wǎng)格數(shù)量；表示種溝邊界外且在中心范圍區(qū)域外含有根系的網(wǎng)格數(shù)量。

1.3.2 根系構(gòu)型拓展系數(shù) 根系構(gòu)型拓展系數(shù)包括角度拓展系數(shù)和長度拓展系數(shù)。將測(cè)量得到的小麥根系構(gòu)型分別沿著垂直、平行于種溝方向(圖2-a 中-和-面)進(jìn)行投影。設(shè)置原點(diǎn)為種子目前所處的位置，以原點(diǎn)向下以每0.5 cm進(jìn)行分層處理。由圖3可知，將整個(gè)區(qū)域按照坐標(biāo)系分為2個(gè)部分，左側(cè)部分定義軸(或軸)的負(fù)方向?yàn)檎颍x右側(cè)部分以軸(或軸)的正向規(guī)定為正，按照分層對(duì)每個(gè)根系進(jìn)行逐一測(cè)量，得出層內(nèi)2點(diǎn)連線之間的水平根部拓展角與層內(nèi)根部拓展長度。

對(duì)根系拓展角的余弦值和最大拓展長度進(jìn)行方差分析，角度和長度拓展趨勢(shì)的期望值均設(shè)置為0，將左右 2個(gè)部分根系角度、長度拓展趨勢(shì)的方差值之和、作為量化指標(biāo)來平均根系的生長趨勢(shì)。越小，角度拓展趨勢(shì)越大；越大，長度拓展趨勢(shì)越大。

具體計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

=+。

(4)

式中：表示各根系在第層的拓展角余弦值均值；表示第1條根在第1層內(nèi)的拓展角度，以此類推；表示角度拓展系數(shù)；表示層數(shù)；表示視圖根系的角度拓展系數(shù)；表示視圖右側(cè)部分的根系角度拓展系數(shù)；表示視圖左側(cè)部分的根系角度拓展系數(shù)。

(5)

(6)

=+。

(7)

式中：表示各根系在第層內(nèi)的拓展長度均值；表示第1條根在第1層內(nèi)的拓展長度，以此類推；表示長度延展趨勢(shì)；表示層數(shù)；表示整體長度拓展趨勢(shì)；表示投影面右側(cè)長度拓展趨勢(shì)；表示投影面左側(cè)長度拓展趨勢(shì)。

根系角度拓展趨勢(shì)差異系數(shù)和長度擴(kuò)展趨勢(shì)差異系數(shù)定義為數(shù)量化根系平行于種溝方向(-視圖)和垂直于種溝方向(-視圖)生長趨勢(shì)之間的差別。、的絕對(duì)值越大，角度和長度的擴(kuò)展趨勢(shì)差異也隨之越大，和值為正，說明小麥生長趨勢(shì)為沿種溝邊界方向。具體計(jì)算公式如下：

(8)

式中：表示角度拓展趨勢(shì)差異系數(shù)；-表示根系沿種溝方向上的角度拓展趨勢(shì)；-表示種溝垂直方向上根系的角度拓展趨勢(shì)。

(9)

式中：表示長度拓展趨勢(shì)差異系數(shù)；-表示根系沿種溝方向上的長度拓展趨勢(shì)；-表示種溝垂直方向上根系的長度拓展趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系的3D構(gòu)型

3種不同處理(FT、ST1、ST2)下各采樣時(shí)間節(jié)點(diǎn)處得到小麥根系3D構(gòu)型到-投影平面的投影(俯視圖)見圖4。在第1次采樣時(shí)，小麥根系量差異在不同耕作處理下很小，根系結(jié)構(gòu)無顯著差異。在第2次取樣時(shí)(距離苗期14 d)，小麥根系量呈暴發(fā)式增長，ST1和ST2處理小麥根系主要集中在種溝內(nèi)部方向，F(xiàn)T處理小麥根系處于發(fā)散狀態(tài)。 隨著根系量的不斷增加和種間競(jìng)爭(zhēng)的加劇，種溝邊界對(duì)根系生長趨勢(shì)的制約逐步衰減。 在最后一次取樣檢測(cè)時(shí)，3種耕作模式處理下根系生長趨勢(shì)沒有顯著差異。

2.2 根系生長趨勢(shì)

在平行(-投影面)和垂直(-投影面)2種種溝方向上，小麥根系試樣在各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的土體空間覆蓋率的差異性見圖5。小麥根系在不同耕作處理方式下的生長趨勢(shì)不同，說明小麥根系的生長趨勢(shì)受耕作方式影響較大。從第2次取樣開始，ST1和ST2處理?xiàng)l件下小麥根系在平行于種溝方向(-投影面)的土體空間覆蓋率明顯增大，14 d時(shí)小麥根系土體空間覆蓋率差異系數(shù)分別高達(dá)139%和117%，在28 d時(shí)差異有所減小，但仍然明顯高于FT耕作處理。ST1與ST2處理相比較，ST1創(chuàng)造的種溝環(huán)境對(duì)根系生長的限制更為明顯，在距離苗期14、28 d時(shí)分別比ST2處理高78%、20%。

小麥根系在土體空間的角度和長度拓展趨勢(shì)見圖6、圖7。不同的耕作處理方式對(duì)小麥根系的角度拓展趨勢(shì)和長度拓展趨勢(shì)均有明顯影響。在采用全幅耕作處理(FT)時(shí)，小麥根系并沒有受到種溝邊界的任何限制，使其生長方向呈無規(guī)律性。在采用帶狀耕作處理時(shí)，小麥根系沿平行于種溝方向的生長趨勢(shì)明顯，如ST1處理在14、28 d時(shí)角度拓展趨勢(shì)分別高出全幅耕作處理4 520%、3 583%，長度拓展趨勢(shì)分別高出全幅耕作處理241%、740%。ST1、ST2處理相比較，ST1處理創(chuàng)造的種溝環(huán)境對(duì)根系生長的限制更為明顯，在距離苗期14、28 d時(shí)角度拓展趨勢(shì)分別比ST2處理高出88%、81%，長度拓展趨勢(shì)分別比ST2處理高出31%、37%。

3 討論與結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，耕作方式對(duì)作物根系的構(gòu)型和生長趨勢(shì)有明顯影響。帶狀耕作處理(ST1、ST2)后種溝內(nèi)土壤疏松多孔，造成種溝內(nèi)外土壤容重和緊實(shí)度差異很大，因此對(duì)根系制約較大(圖4)。 全幅耕作處理 (FT) 創(chuàng)建的苗床土壤結(jié)構(gòu)均一，沒有顯著差異性，根系因此呈隨機(jī)性生長趨勢(shì)，該試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果具有統(tǒng)一性。李潮海等研究土壤結(jié)構(gòu)的改變對(duì)玉米根系生長量和長度的影響，結(jié)果表明土壤容重值越大，根系數(shù)量也會(huì)越少、干質(zhì)量和長度的降低也會(huì)越明顯。Millikin等同樣發(fā)現(xiàn)，作物細(xì)根生長于土壤容重低、氧氣充足的土層表面。Aggarwal等研究發(fā)現(xiàn)，土壤抗?jié)B性也是影響根系生長的重要因素。

3種耕作處理相比之下，在第2次取樣時(shí)ST1、ST2處理的根系沿種溝方向生長趨勢(shì)最為明顯。這是因?yàn)椋撾A段根系數(shù)量增長明顯但個(gè)體并不大，種溝內(nèi)的養(yǎng)分足以滿足根系的生長發(fā)育需求，種間競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象不明顯。隨著植株個(gè)體不斷生長和養(yǎng)分需求的不斷增加，植株之間的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，種溝內(nèi)的養(yǎng)分不能滿足植物生長發(fā)育的需要，根系開始向其他方向擴(kuò)張以獲得更多的營養(yǎng)成分。因此，在取樣時(shí)間為28、42 d時(shí)，根系生長趨勢(shì)將會(huì)沿種溝方向逐漸衰減，但是帶狀耕作對(duì)根系生長趨勢(shì)的限制仍然大于全幅耕作。

帶狀耕作ST1和ST2處理相比發(fā)現(xiàn)，ST1處理模式下種溝會(huì)更為嚴(yán)重地限制根系的發(fā)育。這是在ST1模式下種溝壁涂抹嚴(yán)重導(dǎo)致的，這種涂抹層對(duì)種溝壁的土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，會(huì)顯著地降低種溝壁土壤的孔隙度，水分和氧氣的傳輸受到阻礙。在播種后溝壁土壤由濕轉(zhuǎn)干的過程會(huì)大大增加土壤的硬度和滲透性，增加根系穿透的難度，導(dǎo)致根系在土壤中的生長分布不均，破壞作物的正常發(fā)育過程。相比ST1處理，ST2處理形成的種溝壁表面相對(duì)粗糙，形成的種溝更有利于小麥根系前期的生長發(fā)育。

保護(hù)性耕作背景下，帶狀耕作以其極少的土壤結(jié)構(gòu)擾動(dòng)范圍和良好的種溝環(huán)境得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。鑒于2種帶狀耕作處理方式下根系生長趨勢(shì)的研究結(jié)果，本研究建議將種溝邊界質(zhì)量納入帶狀耕作機(jī)具耕作部件優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，創(chuàng)造出更好的種溝環(huán)境，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

本研究基于根系構(gòu)型數(shù)字化平臺(tái)分析了不同耕作方式對(duì)小麥根系3D構(gòu)型和生長趨勢(shì)的影響，提出了根系體空間覆蓋面積差異系數(shù)、角度拓展系數(shù)、長度拓展系數(shù)等量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，揭示了耕作方式和根系3D構(gòu)型兩者間的相互作用機(jī)理。

根據(jù)不同耕作處理下小麥根系空間擴(kuò)展趨勢(shì)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小麥根系發(fā)展與土壤空間分布、種溝環(huán)境直接相關(guān)，小麥根系在帶狀處理下產(chǎn)生的種溝內(nèi)空間分布和分布趨勢(shì)差異較大。在采用帶狀耕作處理時(shí)，小麥根系沿平行于種溝方向生長趨勢(shì)明顯，如ST1處理在14、28 d時(shí)角度拓展趨勢(shì)分別高出全幅耕作處理4 520%、3 583%，長度拓展趨勢(shì)分別高出241%、740%。ST1、ST2處理相比較，ST1創(chuàng)造的種溝環(huán)境對(duì)根系生長的限制更為明顯，在距離苗期14、28 d時(shí)土體空間覆蓋率分別比ST2處理高出78%、20%，角度拓展趨勢(shì)分別高出88%、81%，長度拓展趨勢(shì)分別高出31%、37%。

鑒于不同耕作處理方式下根系生長趨勢(shì)的研究結(jié)果，本研究建議將種溝邊界質(zhì)量納入耕作質(zhì)量評(píng)價(jià)體系并作為耕作機(jī)具耕作部件優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)