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).在中國氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)氣象實驗站內(nèi)的大型根系觀測系統(tǒng)中，采用地下室玻璃窗觀測法和方形整段標(biāo)本法，觀測了“屯玉46號”玉米的根深、根寬、根長和根重，分

2、析了玉米根長、根長密度、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、根干重均隨土壤深度的增加基本呈遞減類型.吐絲期040cm土層根長占整層根長51.5%,080cm土層占76.2%,0120cm土層占90.5%.乳熟后期其分布趨勢與吐絲期相似.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.通過玻璃窗觀測的根深大于遠(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根密度中圖分類號:S513文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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相互剖面中的分布對玉米生產(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)備升級改造項FK2OO5JG1()0520),公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY(QX)2007060301和國家自然科學(xué)基金項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)分傳輸過程提供基礎(chǔ)性資料。雖然因作物根系生長在地下而導(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，國內(nèi)外對玉米根

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。國外在玉米根系研究方法上也有明顯進(jìn)展,近年來應(yīng)用微型根系觀測管技術(shù)觀測根生長的空間和時間類型受到重視。與傳統(tǒng)的土壤采樣技術(shù)相比,微型根系觀測管是透明界面，旦觀測時不破壞土壤和根系oSchrdder等應(yīng)用微型根系觀測管技術(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)用微型根系觀測管技術(shù)研究了干早、灌溉、施肥和耕作對玉米根系在土壤中分布的影響。在國內(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。國內(nèi)在根系研究方法上長期以來主要應(yīng)用土壤采樣技術(shù)，近年來少數(shù)單位開始應(yīng)用地下玻璃窗觀測技術(shù)和微型根系觀測管技術(shù)町。本文根據(jù)在中國氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)氣象實驗站大型根系觀測系統(tǒng)所觀測的部分資料，分析研究了“屯玉46號”玉米根系在土壤剖面中的分布狀況。1材料和方法1.1觀刪地點及設(shè)施觀測工作在河北省定興縣中國氣象科學(xué)研究院固城生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)氣象試驗站的大型根系觀測系統(tǒng)中進(jìn)行。該系統(tǒng)包括地下根系觀測室、地上作物種植小區(qū)和大型電動防雨棚3個主要部分。地下根系觀測室南北走向，深3.2m,寬2.5m。在東西兩側(cè)各

13、有12個鋼化玻璃觀測窗（高3m,寬1.5m,厚度20mm）,每個玻璃觀測窗與相應(yīng)的種植小區(qū)土壤緊密相連。觀測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個玻璃觀測窗中選取8個（東西側(cè)各4個）安裝根系微型觀測管（長2.2m,外徑6.0cm）,在每個玻璃觀測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)觀測小區(qū)不同土壤深度的根系生長狀況。種梢小區(qū)共24個，東西兩側(cè)各12個，每個小區(qū)長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管的8個小區(qū)內(nèi)，安裝有觀測土壤濕度的TDR和土壤溫度自動觀測儀。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。大型電動防雨棚K30m.寬15m,高5m,降水時覆蓋小區(qū)，無雨時退出。1.2玉米品種、特性及生育期2（X）7年5月12日在24個小區(qū)播種“屯玉46號”雜交中晚熟玉米，行距50cm,株距30cm,人工灌溉供水，及時除草。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日開花，7月2

15、3日吐絲，8月8日乳熟,8月27日成熟，整個生育期108do1.3觀測項目及方法觀測項目包括玉米生育期、根深、根寬、根長、根重等。在地下室玻璃窗上觀測玉米根深和根寬，6月17日開始觀測直到成熟期，共觀測7次。同時,在地下觀測室應(yīng)用微型根系觀測管技術(shù)觀測不同深度根數(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，用萬分之一精度電子天

16、平稱量:根重。再對粗根和細(xì)根進(jìn)行分類，粗根直接測M；細(xì)根先測址其總重量，然后選出一部分進(jìn)行稱重測量長度.根據(jù)得出的長度按照重址比例換算出細(xì)根總長度。最后在電烘箱中烘干，稱其干重。這樣測出每層上壤中的根長、根取，汁算根長密度和根重密度。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)在根重和根長上。根重是抗倒性、抗旱性的主要指標(biāo)之一。根長是衡鼠根系生長和吸收能力的重要指標(biāo)。單位體積中的根長即根長密度是評估根系吸收水分和養(yǎng)分能力的重要依據(jù)。單株根K是衡量根系生長能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)C2.1玉米根長在土壤中的分布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土層根長占整層根長的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土層玉米根長占整層根長的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）玉米根長在土壤中的分

18、布趨勢與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占整層根長的比例Fig.1TheproportionsofcornrootlengthtototallengthinvarioussoillayerdepthsonAugust4(a)andAugust25(b),20072.2玉米根

19、長密度在土壤中的分布根長密度是單位土壤體積中的根長，單位為cmcm-3,它是根系長度的一種常用表示方法。本文每20cm厚土壤中的根長密度用式求得：每20cm層總根長50x30x20(1)(Eg-sdQP=osMw-Hpi(cmcm-3)=ffi28月4日(a)和8月25日(b)玉米根長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算與根長密度相同。其計算式為：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長度，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。其計算式為：Pi(g-cml)=20cm土層內(nèi)根更20cmIE層內(nèi)根長(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。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。地下觀測室24個小區(qū)的玻璃窗7次觀測資料顯示，玉米根系深度隨生育期的延長而加深，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個小區(qū)的觀測結(jié)果大多與EN01小區(qū)類似。根寬是玉米根系生長狀況的另一個重要方面,它反映根系在水平方向上的分布狀況，影響水分和養(yǎng)分對植株的有效性。由地下室24個小區(qū)玻璃窗上的觀測結(jié)果顯示：根寬隨著玉米根的加深而變小。對于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”玉米根量（根長和根干重）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,成熟期根長總量為4kmm2。而本文“屯玉46號”玉米8月25日實測的最大根深達(dá)230cm,040cm土層根長占整層根K僅51.5

27、%,乳熟后期根長總量達(dá)8.288kmm-2。這些明顯差異可能與玉米品種特性有關(guān)，因為根系的大小和深度是由遺傳決定的,旦隨地上部分的改變而擴(kuò)大?！巴陀?6號”玉米生育期比一般夏玉米長，屬于大株型，根系發(fā)達(dá)。另外，通過地下室玻璃窗觀測的玉米根深和根寬扯值能否代表實際的狀況呢？如果玻璃窗與小區(qū)土壤剖面緊密相連，則所觀測的結(jié)果應(yīng)該能代表。但本文中地下室玻璃窗在安裝時因與小區(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，因為乂是第1年進(jìn)行觀測,故觀測結(jié)果可能與實際狀況有差異。這從8月25日在EN01小區(qū)用兩種方法同時觀測的根深資料可看出，該日通過地下室玻璃窗觀測的最大根深為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，觀測結(jié)果就會接近直實狀況。3小結(jié)本文應(yīng)用地下室玻璃窗觀測法和方形整段標(biāo)本法獲得“屯玉4號”玉米的根系資料，該玉米品種根鼠（根長和根干重）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