作物正常的生长发育、产量形成过程是地上部光合作用和地下根群吸收养分、分水的有机统一过程。生产中改良土壤、施肥、灌水和中耕等大多数栽培措施均是直接作用于根系,从而调节地上部发育和实现最终产量的提高。因此,对根系的研究在高产栽培中愈来愈显得重要。
然而,由于根系深藏于土壤之中,研究难度大,以住在我区尚很少开展这方面的工作。我们从1988年起利用根系分析仪对本区棉花和玉米两大作物根系的构型、动态建成规律及生产措施对根系的影响等方面做了一系列研究,现综合报道如下,旨为新疆棉花、玉米的进一步高产提供一些理论依据和技术措施。
1 材料和方法
试验于1988～1993年在本校农学系试验站完成。试验地为壤土,0～500px耕层含有机质 1.50%。棉花供试品种为新陆早1号,共设置密度、灌溉和覆膜三组试验。种植方式均为60～750px宽窄行,文中常规种植密度为666.7m2(旧制1 亩,下同)1×104株,株距375px。玉米根系研究设置品种、密度和化控三组。1500px等行距种植,常规栽培系指品种为SC704,密度为 666.7m23705株,株距为750px。所有试验小区面积29.0～82.8m2,重复2～5次。生育期间保持无杂草,其它管理同一般大田。
根系生物量系采用双向切片法挖取,即在田间单株所占土地面积内,从地表向下每250px为一层切割, 挖至不见根段为止;每一层又以植株为中心,向两侧行间以250px为单位切割。挖出的每一土体土均全部收集,拣出根段、分置、洗净、烘干称重，利用根系分析 仪对作物的根系进行测定观察。各处理每期挖3～5株。所有被挖取的植株均测其绿叶面积和地上部各器官的重量,成熟期测产。烘干称重后的根样测定根系氮 (N)、磷(P2O5)、钾(K2O)和可溶性糖的含量。
2 结果与分析
2.1 根系的构型分布
1)纵向构型分布特点
通过对不同品种、生育期及多种调控措施处理条件下的研究表明,棉花与玉米根系的生物量在根土容积中的分布都是自上而下呈锥形负指数递减模式:
y=Ae-Bx,式中y为根重(mg),x为土层深(cm),A为常数,B为递减率,?B?值越 小,y值随x值增加而减少的值越少,土壤深层根量就越大。在大田常规栽培方式下,棉花新陆早1号花铃期根系的纵向分布为y=3294e- 0.0538x,r=0.916**;而根量最大的成熟期为y=2097e-0.0475x,r=0.822**;玉米根量最大的吐丝期SC704为 y=17114e-0.0532x,r=0.958**。
生育期不同,棉花和玉米根群分布的范围也不同。棉花苗期根系主要分布在地表1000px土层内,始蕾期 1000px以下土层中根重仅占总根量1.6%;现蕾后,根系迅速向下伸展,至始花期入土深度达3000px左右,花铃期可达3750px。进入吐絮成熟期后根系 几乎不再下扎。整个生育期分布于地表20和1000px土层内的根量分别在52.4%和73.3%以上。
玉米苗期根系分布也较浅,拨节前一周测定,1000px以下土层根重仅占总根量的1.8%。拨节以后, 根系迅速向下伸展,至吐丝期可下扎到4000px左右深的土层内,此后虽几乎不再下扎,但在较深层土壤中的根量仍有所增加。整个生育期分布于近地表500px 和1000px土层内的根量分别在69.2%和79.5%以上。
2)侧向构型分布特点
根系生物量(Y,根干重密度mg/cm3)随主茎侧向距离(x,cm)符合S形曲线方程模型 (y=1/A+Be-x)规律,如吐丝期SC704(37.5px株行距配置,模拟无株间相互影响)y=1/(0.1905-28.1071e- x),r=0.995**。在常规栽培条件下,棉花根量78.2%以上分布在植株两侧0～375px范围内,且该比例是随生育期的推延而不断的降低,至花铃 期达最低,吐絮成熟期又有所回升,这可能与后期棉株营养大量输入上部主根有关(表1)。玉米根系则90%左右集中分布在距植株0～500px范围内,且 SC704和石单早根群分布较新玉4号更紧凑(表2)植方式,其宽行中间250px区间分布着来自相邻两行不到10%的根量;而1500px等行距种植的玉米其 两行中间500px区间也分布着不到15%的根量,因此实行缩行增株,使群体根系均衡分布可能更有利于对土壤水分和养分的吸收。此外,综合纵、侧分布来看, 棉花和玉米根系均系上部土层根系占绝对量的构型类型,其中棉花根系的57%以上分布在植株两侧375px深1000px土体内,而玉米78%以上根量分布于距植 株500px深1000px的土体中。施肥应充分考虑这一特点,如象磷肥等移动性差的矿质肥料要施入距植株250px左右为宜,且穴施优于条施。另外,根据根系生 长的趋肥性,可通过深层施肥,以增加深层根量,充分利用土壤深层养分和水分,防止早衰而增产。
2.2 根系动态建成过程作物根系不仅所达深度,而且根量、根活力及根系营养等均随时间动态变化。
1)棉花根系生物量的动态变化
从出苗至拨杆,棉花根系生物量同地上部分一样随生育期推延呈S形曲线增加,至终絮期达最大。棉根的 消长大致可分为苗期缓慢增长,蕾期快速增长,花铃期平稳增长和吐絮成熟期减缓增长四个阶段。相应各阶段根系生长率(CGR)为6.9、84.6、37.4 和4.4mg/株·d,积累占总生物量的6.8%、52.2%、31.7%和7.3%。其中盛蕾期根量已超过总根量的一半;四个阶段地上部CGR相应为 208.8、454.
1、662.7和202.9mg/株·d,积累占总生物量的7.4%、21.2%、44.4%和 26.4%,以花铃期增长最快,生长高峰晚于根系(表3)。由此可见,棉花苗期应早松土、早施苗肥,促主根下扎和侧根快发,实现壮苗早发。蕾期根系生长最 旺盛的时期,应深施蕾肥,促根多发且深扎。花铃期保证耕层有足量肥水供应,充分发挥棉根旺盛生理功能,促地上部多结桃。吐絮成熟期要重视肥、水、气协调, 保护中下部叶片正常生理功能,防止根系生长减速的过早过快,以提高棉花的品质和产量。
2)玉米根系生物量的动态变化
从出苗至成熟,玉米根系重呈单峰曲线变化,在吐丝期达最大。其消长大致可分为苗期缓慢增长,拨节孕 穗期快速增长和灌浆成熟期衰亡消退三个阶段。相应各阶段根系CGR为49.4、437.6和-135.8mg/株·d。开花后随生长中心向籽粒转移,根系 开始衰亡,并且部分营养物质外运,成熟时根重减至吐丝期的71.4%。
同时,玉米地上部生物量则呈现S型曲线变化,在离乳期、拨节前一周、孕穗期、吐丝期、乳熟期和成熟 期分别达最大生物量的0.1%、1.0%、24.5%、50.1%和100.0%,地上部50%左右的生物量是在吐丝以后积累的,冠根比则随生育期推进而 增大(表4)。据此,生产上应于吐丝前建立强大的根系为高产做保证,并在开花、灌浆期供给充足的水分和养分,增强生育后期下层根的数量和根系的活力以防止 叶片早衰,为增加粒重夺丰产奠定基础。
3)棉花根系营养积累的特点
棉花根系中氮、磷、钾营养百分浓度是自苗期至花铃期逐渐下降,絮期又有所回升。棉根吸养最多的时期 是蕾期,与根系生物量的变化是一致的。据初花期测定,根系中氮、磷、钾的积累已分别达61.48%、65.06%和68.09%。而至花铃期,由于地上部 迅速生长,光合产物和矿质营养较集中地供应地上部生长,虽根系生物量仍不断增加,但根系营养积累却明显变缓(表5)。因此,生产实践中于花蕾期及时追施速 效肥,促进根系生长与营养积累,无疑对建造强大的根系,保证棉铃充分发育,防止后期早衰有良好的影响。
4)玉米根系营养积累特点
玉米根系所含营养浓度自出苗至成熟不断下降,如SC704拨节前一周、孕穗期、吐丝期、乳熟期和成 熟期测定,根系含氮量依次为2.06%、1.44%、1.32%、1.16%和0.88%;根系可溶性糖的含量则分别为5.91%、2.05%、 4.6%、3.32%和0.99%,在拨节前和吐丝期形成两个峰值。根系糖氮比值则相应为2.87、1.42、3.60、2.
86和1.13,变化趋势同可溶性糖含量,且均以吐丝期为最大。孕穗期根系可溶性糖含量及糖氮比呈 现低谷,可能是此时茎叶迅速生长及伸展、雌雄穗强烈分化,植株生长处于一生最快阶段,消耗糖多所致。此外,玉米根系营养积累量则同根重一样呈单峰曲线变 化,以吐丝期为最大,灌浆成熟期反而下降,可能与吐丝后根系衰亡及营养外运到地上部和籽粒有关。吐丝至成熟营养减少率为29.11%～44.87%,比生 物量减少的多,且三要素中以钾的减少量为最多,说明钾在植物体中有较大的再利用性(表6)。
5)成熟期根系生物量与营养的积累量
作物根茬留田是土壤有机质的重要来源,尤其在新疆干旱荒漠生态条件下留茬对改善农田生态和后作生长发育具有极为重要的作用。
本研究结果表明,种植新陆早1号棉花后每年666.7m2土壤中可残留根系干物质38.93kg, 含纯氮0.53kg,磷0.14kg和钾0.67kg;种植SC704玉米后可残留根系干物质71.4kg,含纯氮0.63kg、磷0.15kg、钾 0.63kg,而种植石单早玉米残留仅分别为27.97、0.33、0.08和0.24kg。上述残留量均普遍少于内地。
3 结语
为了挖掘棉花和玉米的增产潜力,对根系开展进一步更深入的研究是非常必要的。今后关于根系的研究要 注意不仅要有根系的数量而且更应在活性和功能方面综合考察根系的生长,以及其与地上部性状特别是与产量形成的关系。同时还应加强研究根系的遗传规律和环境 因素对根系的影响;作物的抗逆性与根系形态生理的关系;根系生理活性与根际微生物活动的关系等问题,出台根系调控技术硬件,为改进根系的水、肥利用率、增 加产量而服务。
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