基于WinRHIZO的川中紫色土坡地冬小麥根系生長(zhǎng)發(fā)育

柯尊嵩，馮 波*，李 帆

(1.吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021； 2.長(zhǎng)安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054)

【研究意義】四川歷來(lái)是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地和國(guó)家農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體的重要組成部分，小麥和水稻在川中糧食產(chǎn)量上占到了60%。然而四川多山地丘陵，使得多種高效的機(jī)械化麥稻輪作系統(tǒng)不能得以應(yīng)用，所以在川中坡地上最常用到的依舊是人力鋤具耕作，但這種耕作方式效率低下，同時(shí)對(duì)土壤的耕作侵蝕效果非常嚴(yán)重[1]。土壤侵蝕會(huì)對(duì)耕地上植物上部產(chǎn)生直接影響，本研究對(duì)紫色土坡耕地上小麥根系的研究，對(duì)完善耕地侵蝕模型、保證國(guó)家糧食安全、提升農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值都具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】?jī)?chǔ)櫟泉等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在四川耕地中主要以坡耕地為主，坡耕地上壤中流造成的養(yǎng)分重分布具有時(shí)空性。蘇正安等[3]研究表明，紫色土具有土層淺薄、結(jié)構(gòu)性差和有機(jī)質(zhì)含量低的缺點(diǎn)，同時(shí)又是極不穩(wěn)定的土壤型。在長(zhǎng)期的風(fēng)吹日曬下極易發(fā)生風(fēng)蝕，并且土壤內(nèi)部養(yǎng)分會(huì)隨水流發(fā)生較大重分布。在線性坡面肥料一般是從坡耕地上部流失,在下部堆積[4]。國(guó)內(nèi)在紫色土區(qū)的土壤“淺薄化”對(duì)水肥影響方面也進(jìn)行了大量的研究。如馬勝蘭等將紫色土層厚度分為5個(gè)不同的級(jí)別進(jìn)行研究，指出60 cm以上厚度的紫色土可以維持基本穩(wěn)定的生產(chǎn)力水平，土層厚度對(duì)玉米影響格外顯著，超過(guò)60 cm厚度的土壤對(duì)小麥的生物量及根重差異不顯著[5]。以上結(jié)果對(duì)紫色土的土壤生產(chǎn)力就行了研究，但目前針對(duì)川中丘陵地區(qū)坡地紫色土層對(duì)于小麥根系的生長(zhǎng)研究仍然較為匱乏。小麥屬于禾本科植物，擁有豐富的根系[6]。根系是植株最重要的是營(yíng)養(yǎng)器官，在土壤中承擔(dān)了水肥吸收、植株無(wú)氧呼吸等重要過(guò)程[7]。近年來(lái)，大量的學(xué)者采用直接或者間接觀察的方法描述植株的根系生長(zhǎng)，但大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)多種條件固定的環(huán)境下進(jìn)行的，同時(shí)對(duì)植株的培養(yǎng)也都選擇以管栽、盆栽的方式進(jìn)行[8]。但作物在自然條件下的生長(zhǎng)狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有著明顯差異，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)根系實(shí)驗(yàn)忽視了植物根系對(duì)環(huán)境變化的自適應(yīng)性，使得作物根系形態(tài)研究具有很大的局限性。加之作物地下部分難以測(cè)量，使得植株根系發(fā)育特點(diǎn)以及可視化的研究一直嚴(yán)重滯后于地上植株[9]。另外，許多研究將注意力集中在無(wú)人擾動(dòng)的自然土體上的喬灌草根系上，而關(guān)于坡耕地尤其是紫色土區(qū)的坡耕地上農(nóng)作物的根系研究報(bào)道較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究以四川丘陵地區(qū)紫色土坡地上的小麥為研究對(duì)象，分析了小麥根系在不同坡位上的生長(zhǎng)狀況，結(jié)合機(jī)械化與傳統(tǒng)耕作模式，探討適合坡地耕作的形式。研究了在不同坡位處小麥根系所表現(xiàn)的根系表型性狀及不同直徑小麥根系對(duì)不同坡位的響應(yīng)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用根系表型性狀對(duì)川中丘陵區(qū)紫色土坡地上的小麥作生長(zhǎng)發(fā)育綜合性評(píng)價(jià)，揭示小麥根系在坡地上的發(fā)育規(guī)律，為川中丘陵區(qū)紫色土坡地上農(nóng)作物種植理論進(jìn)行理論補(bǔ)充。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)材料選用市售蜀麥830，于2018年11月中旬播種，種植在四川遂寧水土保持實(shí)驗(yàn)站內(nèi)。

1.2 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)選擇在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)的水土保持實(shí)驗(yàn)站內(nèi)，該站位于四川省遂寧市，地處北緯30°10′50″～31°10′50″，東經(jīng)105°03′26″～106°59′49″。該實(shí)驗(yàn)區(qū)域以亞熱帶的典型濕潤(rùn)季風(fēng)氣候?yàn)橹?，不存在凍土現(xiàn)象。試驗(yàn)區(qū)的坡耕地具有坡度大，耕地少而散，土壤為堿性，農(nóng)機(jī)難以進(jìn)入，水力侵蝕嚴(yán)重等特點(diǎn)。在該地區(qū)，傳統(tǒng)的鐵農(nóng)具(鎬頭，鐮刀，鏟子等)是該地區(qū)的主要農(nóng)具。為了方便耕作，經(jīng)常使用下坡耕作。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

前人的研究中，為了減小不可控因素的影響同時(shí)方便觀察，大多對(duì)作物進(jìn)行管栽、盆栽及溫室栽種[8]。但容器和比較理想條件下的自然條件是無(wú)法完全替代農(nóng)田土壤水庫(kù)以及農(nóng)田養(yǎng)分庫(kù)對(duì)水肥的緩沖作用，同時(shí)較小的種植空間對(duì)小麥的根系生長(zhǎng)發(fā)育起到了抑制作用，無(wú)法達(dá)到完全自然條件下小麥根系生長(zhǎng)過(guò)程中的性狀，本研究結(jié)合遂寧本地的氣候、工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，考慮到，不同耕作模式對(duì)團(tuán)聚體的擾動(dòng)效果不同[10]，采取傳統(tǒng)農(nóng)作與機(jī)械犁耕作的對(duì)比試驗(yàn)。在設(shè)置實(shí)驗(yàn)組時(shí)進(jìn)行了機(jī)械犁作組與傳統(tǒng)犁作組的對(duì)照設(shè)置，試驗(yàn)場(chǎng)從北向南定向，長(zhǎng)度約為10 m，土壤深度大于0.8 m，并且碎石大部分位于0.8 m以下，兩種種植方式的對(duì)照組平行排列。同時(shí)集中種植小麥，籽粒平均尺寸小于5 cm。進(jìn)行采樣時(shí)，所采樣的小麥處于乳熟期后期，根系保持完整。試驗(yàn)田周邊設(shè)置有1 m保護(hù)行，試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行箱式種植，帶有0.3 m排水溝系用以排水防澇。播前施加農(nóng)家肥4 cm，播種完成后取壓碎后的紫色土蓋籽。為確保采樣根系的完整性，方便對(duì)根系分布規(guī)律的研究，我們借鑒農(nóng)淦[11]等人的環(huán)式取土法(圖1)。同時(shí)使用鐵楸對(duì)半徑20 cm的土樣進(jìn)行整體采樣。采樣前，將坡地按景觀位置分為五個(gè)部分，分別為坡頂、坡肩、坡中、坡腳、坡趾，分別距離坡頂0、5、10、15、20 m，根據(jù)不同的景觀位置對(duì)小麥根系采樣，在每一個(gè)景觀位置上取其幾何中心(圖2)。每個(gè)區(qū)域，在幾何中心點(diǎn)采用農(nóng)淦的方法，在被取植物的中心畫(huà)一個(gè)半徑為10 cm的圓，并對(duì)被圓覆蓋的整個(gè)土壤體進(jìn)行環(huán)刀采樣。為了確保采樣不會(huì)互相影響，需要使用位于相同景觀位置的植物，相距20 cm以上。同地多次取樣，分別測(cè)算相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖件引自參考文獻(xiàn)[11]圖1 小麥根系環(huán)刀取土方式Fig.1 Soil sampling method of wheat ring cutter

圖2 坡地取樣點(diǎn)設(shè)置Fig.2 Sampling point setting of slope land

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 單根抗拉強(qiáng)度測(cè)量 植株收獲后，對(duì)小麥根系進(jìn)行清理后，將同一植株相同直徑的根系歸類(lèi)，將要測(cè)試的單個(gè)根放在拉力測(cè)試儀的兩個(gè)夾具之間，啟動(dòng)應(yīng)變控制式直剪儀(圖3)，然后以手動(dòng)勻速向上移動(dòng)上夾具，直到根斷開(kāi)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每0.01秒自動(dòng)記錄一次拉伸和位移，以分析單根的變形特性;實(shí)驗(yàn)后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)生成根部拉伸時(shí)的極限抗力F和斷裂時(shí)根系的伸長(zhǎng)率△L值，并通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算出單根拉伸強(qiáng)度(應(yīng)力)和應(yīng)變值，其中單根抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

P=4F/ΠD2

式中，P為抗拉強(qiáng)度(MPa)；F為抗拉力(N)；D為根系斷裂處直徑(mm)。在本研究中將根系根尖、根中、根末三處的直徑測(cè)得取均值作為最終的實(shí)驗(yàn)根徑。

圖3 ZJ型(EDJ-1)應(yīng)變控制式直剪儀Fig.3 ZJ (EDJ-1) strain controlled direct shear apparatus

1.4.2 單根軸向抗拉應(yīng)變計(jì)算公式

ε=△L/L

方法3：蒸發(fā)鑒別法。取一干凈、干燥的玻璃片，然后分別在不同位置滴等量水樣，待其完全蒸發(fā)后，白色殘留物多的水樣為硬水，反之為軟水。

式中，ε為應(yīng)變；△L為試驗(yàn)根在均勻拉力下導(dǎo)致的變形量(mm)；L為試驗(yàn)根初長(zhǎng)(mm)。

1.4.3 根系體積密度計(jì)算的公式

RVD=Vd/Vs

式中，RVD為根體積密度(cm3/125 cm3)；Vd為根系體積(cm3)；Vs為土壤積(cm3)，其中根鉆取土體積為125 cm3。

1.4.4 根系拓?fù)渲笖?shù)計(jì)算公式

Fitter[12]等和Bouma[13-14]等提出根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以魚(yú)尾狀分支和叉狀分支為主要分型模式。并提出拓?fù)渲笖?shù)表達(dá)式：

Ti=lgA/lgM

1.4.5 根系指標(biāo)測(cè)定 在將根系洗凈去除泥沙之后，采用數(shù)字化掃描儀器(Lenovo M7605D)對(duì)根系形態(tài)進(jìn)行掃描，掃描前小麥根系根系需分離壓實(shí)，以白色面板做底板(圖4)。并采用WinRHIZO (version4.0b,Rengent Instruments Inc.,Canada)根系分析系統(tǒng)對(duì)根系生物特性進(jìn)行測(cè)定，應(yīng)用Origin9.1對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作模式下小麥根系拓?fù)渲笖?shù)對(duì)景觀位置的響應(yīng)

不同耕作模式下，小麥根系的拓?fù)渲笖?shù)Ti呈現(xiàn)出差異。如表1所示，機(jī)械耕作組均值為0.947，傳統(tǒng)耕作組均值為0.948，兩組樣本Ti總體接近1，機(jī)械耕作組拓?fù)渲笖?shù)與傳統(tǒng)耕作組差異不顯著，表明在12°坡地上，機(jī)械耕作與傳統(tǒng)耕作對(duì)小麥根系總體不構(gòu)成顯著影響。機(jī)械耕作方式得到的小麥根系內(nèi)部數(shù)平均為45.2，外部數(shù)均值為55.6，傳統(tǒng)耕作方式下的小麥根系內(nèi)部數(shù)平均為54.8，外部數(shù)均值為 67，機(jī)械耕作方式小麥根系的內(nèi)部數(shù)與外部數(shù)均少于傳統(tǒng)耕作方式，表明在12°坡地上，傳統(tǒng)耕作下的小麥根系發(fā)育情況要更好于機(jī)械耕作。順坡方向上，機(jī)械耕作組小麥根系內(nèi)部數(shù)在坡頂與坡趾分別達(dá)到了最大值46和56，外部數(shù)分別達(dá)到了最大值56和69，傳統(tǒng)耕作組小麥根系內(nèi)部數(shù)在坡頂與坡趾分別達(dá)到了最大值72和55，外部數(shù)分別達(dá)到了最大值89和68，表明在順坡方向上，小麥根系在坡頂與坡趾分型發(fā)育最為明顯，傳統(tǒng)耕作模式下與機(jī)械耕作模式下小麥分叉數(shù)數(shù)量均表現(xiàn)出凹狀拋物線趨勢(shì)。順坡方向上，傳統(tǒng)耕作組中不同坡位小麥根系Ti保持,0.966～0.915，機(jī)械耕作組中不同坡位小麥根系Ti保持在0.954～0.935，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組Ti均更加靠近1，表明不同景觀位置的小麥根系存在較多的外部連接，根系近似于魚(yú)尾狀分支模式，主根明顯且分支較少。機(jī)械耕作組中小麥qa與qb略小于傳統(tǒng)耕作組，說(shuō)明傳統(tǒng)耕作組的小麥根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比機(jī)械耕作組復(fù)雜，有相對(duì)更多的次級(jí)分支。

圖4 小麥根系樣本Fig.4 Wheat root samples

表1 兩種耕作方式不同坡位處小麥根系拓?fù)渲笖?shù)

2.2 不同根徑域的根系抗拉力與拉裂距離的相關(guān)性研究

如圖5所示，0～0.1 mm根系抗拉強(qiáng)度抗拉力主要處在0.25～1.5 N之間，斷裂距離主要在0.25～1.25 mm之間，0.1～0.2 mm根系抗拉力大都處在0.5～4 N之間，斷裂距離大多在0.5～7 mm之間。0.2～0.3 mm根系抗拉力大多處在2～7 N之間，斷裂距離大多在1～4 mm之間。0～0.3 mm組根系中0.1～0.2 mm根系較0～0.1 mm根系在抗拉強(qiáng)度和斷裂距離方面都提高了2～4倍，0.2～0.3 mm總體的抗拉強(qiáng)度斷裂距離比0.1～0.2 mm增加了2～3倍，說(shuō)明0～0.3 mm組小麥根系抗拉力、拉伸距離均與直徑成正相關(guān)關(guān)系。0.3～0.4 mm根系抗拉強(qiáng)度大多在2～6 N之間，斷裂距離斷裂距離大多在2～7 mm之間，0.4～0.5 mm根系抗拉強(qiáng)度大多處在2～6 N之間，斷裂距離大多在1～6 mm之間。兩組變化趨勢(shì)總體比較平穩(wěn)，但0.3～0.4 mm組，變化值域明顯加大。>0.5 mm根系抗拉強(qiáng)度大多在4～8 N之間，斷裂距離在3～7 mm之間，變化范圍最不穩(wěn)定，說(shuō)明在>0.3 mm直徑域的小麥根系，根系抗拉力、斷裂距離與根徑?jīng)]有直接相關(guān)性，其中每個(gè)根徑域內(nèi)的根系在根系抗拉力、斷裂距離方面差異不顯著。

圖5 不同根徑域的根系抗拉力與斷裂距離Fig.5 Tensile strength and fracture distance of roots with different diameters

通過(guò)對(duì)不同直徑根系抗拉力與斷裂距離圖進(jìn)行匹配性分析， 0.3 mm以上根系的匹配性明顯降低，表明直徑增加匹配性降低，較細(xì)小的根系抗拉力與斷裂距離匹配性良好，具有較好的線性關(guān)系。0.3 mm及以上小麥根系抗拉強(qiáng)度均值為6 N，0.3 mm以下小麥抗拉強(qiáng)度均值為3 N，0.3 mm及以上小麥根系斷裂距離均值為3.5 mm，0.3 mm以下小麥斷裂距離均值為2 mm，表明在土體中0.3 mm及以上直徑的小麥能承擔(dān)更大的抗拉強(qiáng)度，其提供了植株對(duì)土體錨固作用的絕大部分。相關(guān)性方面，0.3 mm以上根系中存在抗拉力與斷裂距離線性關(guān)系差，表明較粗小麥根系的外層根皮與內(nèi)層細(xì)根具有明顯差異化的抗拉強(qiáng)度，小麥根系的外層根皮能夠?qū)?nèi)部細(xì)根起到的保護(hù)作用有限。

2.3 不同景觀位置小麥根系的生物表征比較

小麥根系的根系表面積、覆蓋面積與坡位正相關(guān)性明顯。在川中丘陵區(qū)紫色土坡地進(jìn)行機(jī)械種植條件下，小麥單株根系總表面積不超過(guò)10 cm2，均值不超過(guò)5 cm2，并且在順坡方向上，小麥根系的表面積逐漸增大，在坡腳位置達(dá)到最大值3.95 cm2，而坡趾處較坡腳處小麥根系表面積有所降低(圖6-d)。小麥單株根系覆蓋面積均值13 cm2,在坡腳位置達(dá)到最大值12.5 cm2(圖6-a)，在坡趾也比坡腳處小麥單株根系覆蓋面積更小，說(shuō)明在川中丘陵地區(qū)12°紫色土坡上，采用機(jī)械耕作后，小麥根系有利的生長(zhǎng)位置在坡肩以下，并且坡腳位置為最優(yōu)生長(zhǎng)位置，坡趾生長(zhǎng)較優(yōu)，但并不是最優(yōu)生長(zhǎng)位置。

圖6 不同景觀位置小麥根系生物表征與坡位擬合圖Fig.6 Biological characterization of wheat roots and slope fitting map at different landscape locations

小麥根系在單位體積土體中的根長(zhǎng)、根系體積與坡位也有明顯正相關(guān)性。單位體積土體中根長(zhǎng)最長(zhǎng)為44.5 cm，坡肩下部根長(zhǎng)均值為坡肩上部的1.3倍(圖6-b)。小麥體積在坡趾、坡中達(dá)到最大值0.235 cm3，坡肩與坡頂為0.15 cm3(圖6-c)，說(shuō)明坡地下部更加肥沃蓬松的土壤對(duì)小麥根系延伸與根系根徑的生長(zhǎng)更加有利。

2.4 小麥根系多因素相關(guān)性分析

對(duì)小麥根系各參數(shù)進(jìn)行多因素相關(guān)性分析，結(jié)論如表2所示：坡位與小麥根系面積、根系體積、不同根徑域的小麥根系抗拉強(qiáng)度均有顯著相關(guān)性(P<0.05)，且坡位與小麥根系面積、根系體積表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系(r>0)，坡位與不同根徑域的小麥根系抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)性(r<0),坡位與拓?fù)渲笖?shù)無(wú)明顯相關(guān)性(P>0.05)，說(shuō)明順坡方式向上，反應(yīng)根系面積與根系體積的指數(shù)逐漸增高，而不同根徑域的小麥根系抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)降低，根系的分型強(qiáng)度對(duì)坡位反應(yīng)不明顯。根系面積與根系體積、拓?fù)渲笖?shù)、>0.3 mm小麥根系抗拉強(qiáng)度有顯著相關(guān)性，與0～0.3 mm根系抗拉強(qiáng)度則無(wú)明顯相關(guān)性，且根系面積與根系體積呈正相關(guān)關(guān)系，與拓?fù)渲笖?shù)和>0.3 mm小麥根系抗拉強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明根系表面積與根系體積為直接相關(guān)因素，體積越大表面積一般也越大，而根系表面積的擴(kuò)大會(huì)抑制根系分型的發(fā)生，并且降低>0.3 mm小麥根系的抗拉強(qiáng)度。根系體積與根系拓?fù)渲笖?shù)和不同根徑域的小麥根系抗拉強(qiáng)度無(wú)顯著相關(guān)性，拓?fù)渲笖?shù)也與不同根徑域的小麥根系抗拉強(qiáng)度無(wú)顯著相關(guān)性。

3 討 論

Niu等[15]的研究表明，植株對(duì)水肥吸收主要受到植株根系的空間分布與形態(tài)差異的影響。作物的根系會(huì)在土壤中隨壤中流造成的水肥重分布變化而主動(dòng)發(fā)生適應(yīng)性的改變[16]。本實(shí)驗(yàn)中，在川中12°紫色土坡地上以機(jī)械耕作和傳統(tǒng)耕作兩種方式進(jìn)行小麥種植，發(fā)現(xiàn)以兩種耕作方式種植的小麥根系在紫色土坡地的極端條件下均呈魚(yú)尾狀分支結(jié)構(gòu)，順坡方向上，小麥根系在坡頂與坡趾分型發(fā)育最明顯，小麥分叉數(shù)量均呈凹狀拋物線趨勢(shì)，在不同景觀位置的小麥主根系明顯且分支較少，而對(duì)比兩種耕作模式下小麥根系的分型發(fā)育結(jié)果，傳統(tǒng)耕作模式下小麥根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，這是由于魚(yú)尾狀的根系分支結(jié)構(gòu)能夠有效提高根系的覆蓋面積，擴(kuò)大有效營(yíng)養(yǎng)吸收利用的空間，從而高效的在貧瘠且水土流失嚴(yán)重的紫色土坡地上獲取養(yǎng)分，根系的魚(yú)尾狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，有利于為拔節(jié)或灌漿提供物質(zhì)基礎(chǔ)[13,17]。

同時(shí)根系體內(nèi)部也擁有叉狀分支結(jié)構(gòu)，能在土層中形成比較牢固的土壤-根系復(fù)合體。在在坡地坡趾處土層疏松，更有利于小麥側(cè)根發(fā)育，而坡頂處水土流失嚴(yán)重，小麥根系受環(huán)境脅迫，被迫進(jìn)行主根供養(yǎng)，造成兩個(gè)不同景觀位置小麥主根上的分支少且主根明顯的特點(diǎn)。綜上所述，小麥根系所表現(xiàn)出的特征，與紫色土坡地的所處環(huán)境、土壤性質(zhì)密切相關(guān)。作物地下競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境的不均勻性,土壤理化狀態(tài)的空間變異性,或者水肥供應(yīng)的空間方向性,種子自身的品種特性等，均能造成根系在土體空間中的不均勻分布[18-20]。

表2 小麥根系形態(tài)學(xué)特征與力學(xué)特征相關(guān)性表

不同直徑小麥根系具有不同的力學(xué)特性。厲翔等[21]研究表明，植株在土體中的根系對(duì)于水土流失和土壤侵蝕的防治有很大的作用，在載荷相同的情況下，有根系存在的土塊會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)小于無(wú)根土塊的位移，并且小麥在達(dá)到成熟期以后根系對(duì)土體的固持能力明顯要好于其他生育期，同時(shí)越大的根土接觸面積會(huì)進(jìn)一步的提高水土保持效果。本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，0～0.3 mm根徑的小麥根系抗拉力、斷裂距離與根徑成正比，>0.3 mm根徑的小麥根系抗拉力、斷裂距離與根徑?jīng)]有直接相關(guān)性，并且>0.3 mm根徑域的小麥根系在根系抗拉力、斷裂距離方面幾乎差異不顯著，0～0.3 mm根徑的小麥根系抗拉力與斷裂距離的匹配性要好于>0.3 mm根徑域的小麥根系，但>0.3 mm根徑域的小麥根系抗拉力為0～0.3 mm根徑的小麥根系的兩倍。這是由于小麥根系的特定結(jié)構(gòu)決定的。小麥根系可以區(qū)分為較細(xì)根系和較粗根系兩類(lèi)，較粗根系相較于較細(xì)根系擁有很厚的根皮，這層根皮保證了內(nèi)根的較大延展性，當(dāng)進(jìn)行抗拉測(cè)試時(shí)斷裂的外皮會(huì)順著內(nèi)跟進(jìn)行滑移，從而防止了內(nèi)根的直接斷裂，這對(duì)小麥根系形成牢固的根土復(fù)合體起到了極其重要的作用[22]。

本實(shí)驗(yàn)中，小麥根系的根系表面積、覆蓋面積、單位土體根長(zhǎng)、根系體積與坡位正相關(guān)性明顯，均在坡腳處達(dá)到最大值；小麥根系在斜坡上的坡肩以下位置土體中，有更長(zhǎng)的單位土體根長(zhǎng)與根系體積。這是因?yàn)轫樒路较蛏纤蕰?huì)有向下堆積的趨勢(shì)，越向下部景觀位置，土壤肥力蓬松度越高，但坡趾處接近于排水溝渠，水土流失也比較嚴(yán)重[23]。

諸多研究表明，根系是植株最重要的營(yíng)養(yǎng)器官，作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育受到多種因素的綜合影響[24-27]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)坡位、小麥根系面積、根系體積、拓?fù)渲笖?shù)、不同根徑域的小麥抗拉強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)順坡方式向上，反應(yīng)根系面積與根系體積的指數(shù)逐漸增高，而不同根徑域的小麥根系抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)降低，根系拓?fù)渲笖?shù)對(duì)坡位反應(yīng)不明顯。根系面積與根系體積呈正相關(guān)關(guān)系，與拓?fù)渲笖?shù)和>0.3 mm小麥根系抗拉強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明根系表面積與根系體積為直接相關(guān)因素[28-29]，體積越大表面積一般也越大，而根系表面積的擴(kuò)大會(huì)抑制根系分型的發(fā)生，減小體積的進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)降低>0.3 mm小麥根系的抗拉強(qiáng)度。這與王宇蘊(yùn)等[30]人和陳楊[31]對(duì)小麥～蠶豆間作的研究結(jié)論也具有一致性,小麥可以顯著減少根系平均直徑,增加小麥根系表面積，以提高小麥產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

12°紫色土坡地上，相同景觀位置的小麥根系拓?fù)渲笖?shù)不受耕作模式的顯著影響，傳統(tǒng)耕作模式更有利于小麥根系分型發(fā)育；兩種耕作模式下的小麥根系均呈魚(yú)尾型分支結(jié)構(gòu)，且在順坡方向上呈凹狀拋物線趨勢(shì)，傳統(tǒng)耕作模式下的小麥根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較機(jī)械耕作更加復(fù)雜。不同根徑域的小麥根系抗拉力、斷裂距離有差別，0～0.3 mm根系根系抗拉力、斷裂距離與根徑成正相關(guān)，>0.3 mm根系差異不顯著；>0.3 mm根系為小麥根系中承擔(dān)“錨固作用”的主要部分，小麥根系較厚的外層表皮，能對(duì)內(nèi)層根系起到一定程度的保護(hù)作用。景觀位置與小麥根系生物表征有明顯的正相關(guān)關(guān)系，小麥根系有利的生長(zhǎng)位置在坡肩以下，并且坡腳位置為最優(yōu)生長(zhǎng)位置，坡趾生長(zhǎng)較優(yōu)，但并不是最優(yōu)生長(zhǎng)位置，坡肩以上不適于小麥根系生長(zhǎng)。多因素相關(guān)性分析顯示，坡位與小麥根系面積、根系體積正相關(guān)，與拓?fù)渲笖?shù)無(wú)明顯相關(guān)性，與不同根徑域的小麥抗拉強(qiáng)度為負(fù)相關(guān)；根系表面積與根系體積為直接相關(guān)因素，體積越大表面積一般也越大，而根系表面積的擴(kuò)大會(huì)抑制根系分型的發(fā)生，減小體積的進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)降低>0.3 mm小麥根系的抗拉強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)川中丘陵區(qū)紫色土坡地上小麥根系生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行研究，可作為坡耕地上作物研究的重要組成，一定程度對(duì)坡耕地上農(nóng)作物種植、管理提供指導(dǎo)。