根系分析仪对小麦根系的生长及活力研究
当前栽培条件下,限制小麦产量提高和高产突破的一个关键因素是小麦根系功能受到限制,因此,利用根系分析仪准确测定作物根系的发育特征对科学地估计作物产量和作物高产至关重要。
近年来国际上将根系研究作为进一步提高作物生产力的一个极具潜力的基础性研究课题,并在小麦根系的形态学、生理学等方面开展了不少研究,初步探明了小麦根系发生形态建成及其与地上部分的关系,研究了土壤水肥及其一些农艺栽培措施对根系生长发育及其活力 的影响,尤其是对根信号的研究,使根系研究进入了一个新的阶段。
现将利用根系分析仪对小麦根系的生长及活力研究综述如下。
1 小麦根长的动态变化
作物根系的长短、粗细对作物吸收养分和水分至关重要。已有研究表明,作物对养分的吸收不完全取决于根系重量,而主要取决于根长和根表面积,单作小麦的根长受土壤中水肥条件及其它环境条件的影响很大,尤其对土壤水分的反应较为敏感,土壤严重干旱(土壤相对含水量40%)时根的伸长生长严重受阻,土壤水分趋于良好则根长显著增加,土壤相对含水量达55%左右时根系最长。
很多试验表明,施肥可以促进作物根系生长,从而促进作物对深层土壤水分的吸收利用。P营养对根长的作用因土壤水分状况而异,在土壤严重缺水条件下,施P对促进根系生长具有极其显著的作用,随后随土壤含水量的提高肥效逐渐下降;此外,增施P肥不仅能增加根系的上层数量,而且能促进根系下扎,增加根长和根层数量,增强作物吸水力,提高抗旱力,且P肥对根长的影响大于N肥。研究认为,小麦根长对N肥的反应不太敏感,随土壤含水量的提高,N肥对根长的作用逐渐削弱。
栽培措施对小麦根系的生长与活力也有较明显的影响。深耕打破犁底层,有利于改善土壤的通透性,增加蓄水保墒能力,促进根系下扎;苗期适度干旱,也可促进根系下扎;单株次生根数随密度增加而减少,群体次生根数随密度增加而增加。地膜覆盖栽培有利于促进根系早期生长,增加根长、根数和根重,改善根系在土壤中的分布,有利于延长作物生长后期部分根系的吸收功能。地膜覆盖改善了麦田土壤环境,显著促进了根系生长。据报道,覆膜小麦种子根为(5.08±0.64)条,露地小麦为(3.79±0.43)条;地膜小麦次生根条数为10.6条,露地小麦为7.2条,差异达到极显著水平。
2 小麦根重的动态变化
一般认为小麦根系的数量和重量随分蘖的发生而不断增加,在最高分蘖期小麦根的数量最大,而在抽穗前 后根的总重量达最大,抽穗以后根逐渐死亡,根量减少,但根系的活动一直维持到最后。根系在土壤中的分布与有效磷在土壤中的分布集中区是一致的,根系的 80%分布在土壤耕层中。土壤水分对小麦根干重的影响是明显的。土壤相对含水量为40%时小麦根系严重受阻、根干重明显降低,土壤相对含水量在 55%～61%时根干重最大,以后土壤相对含水量越大,则根干重明显降低。说明根重与水分利用效率的关系极为密切。
N、P肥对根干重的影响与土壤水分有极大关系。研究结果表明,适量施N(276 kg/hm2)可增加总根重和深层土壤中的根重,有助于提高小麦的抗旱性;过量施N(690 kg/hm2)可增加上层根重。而在土壤水分严重亏缺时,施用N肥对提高小麦根干重不利。增施P肥可显著提高根干重,但在不同水分条件下,P促进根重增长所需的适宜用量不同。P肥对根干重的效应还与其施用的位置有一定的关系,且土壤严重干旱(土壤相对含水量为40%)时,P的效果最显著。N、P交互作用对 根干重有显著影响,当土壤中N和P其中一个元素维持在较高水平时,降低另一元素将增加根冠比,也就是说当土壤中N、P不平衡时根冠比将受到影响,根的生长 相对增加。有机、无机肥料配合施用,可提高冬小麦的根干重,特别是40～100 cm土层的根系干重。冬小麦覆膜有利于根重增加和根系下扎,吸收下层水分,达到以根调水。相同水分处理l m土层内地膜小麦的根重量比对照增加30.3%～48.6%,而且分布向深层发展。
3 小麦根表面积及根系活力
在大田条件下,根系吸收活力的强弱,不仅取决于根系吸收活力的空间分布,更重要的是取决于其单位土 体内根系活力的高低,大田冬小麦根系吸收活力的增加与减少,在水平方向上是按由近及远、垂直方向上是从上到下、整个土体空间内是从里到外的顺序进行变化 的,最后表现为整个根系活力的全面衰亡。根系吸收活力的空间扩展与根系的形态建成范围相一致。每年开花后冬小麦深层根增加时,上层土壤中都有一些衰老的根。其次,扬花期水分亏缺,造成根系活力下降早衰,直接影响籽粒产量,而前期缺水则影响营养体的大小,对产量影响很小,灌浆期缺水会导致干物质贮藏于茎 秆,降低粒茎比和收获指数。当土壤相对含水量在70%以上时,随P素水平的提高,根系呼吸作用增强;当土壤相对含水量在55%以下时,随P素水平的提高, 根系呼吸作用减弱。N素对根系呼吸作用的影响,在土壤相对含水量为40%～70%时,高N水平根系的呼吸强度始终高于低N水平,且不论供N水平高低,土壤 缺水条件下呼吸强度一直高于丰水条件下的呼吸强度。
小麦根系的活力受栽培措施的影响很大,稀植可提高根系活力,促进深层分布;秋季麦前实行1～2a的耙茬少耕,具有促根生长和提高深层土壤根系活力的作用,可使小麦增产。土壤水分条件对根系表面积产生剧烈影响且成抛物线分布。在不同P素营养水平下,土壤水分对根系表面积的作用不同:在不施P条件下,根系表面积在土壤相对含水量为57%时达到峰值;当P素水平为90 kg/hm2,土壤相对含水量为54%时根系表面积最大;当P素水平达180 kg/hm2时,根系表面积在土壤相对含水量为51%时达最大值。说明P肥可以明显提高根系的活性吸收面积。
因此根据土壤水分调节N、P肥的施用量,可以促进小麦根表面积的扩大。有机肥可以刺激小麦根系活力,从而改变了根系对磷的吸收动力特征,提高磷的吸收,但单纯使用有机肥其效应较短,而有机与无机肥配施能较长时间地维持这一效应,可有效地降低根系的膜 脂过氧化作用,增强根系活力;不同时期追施肥水对根系活性具有近期效应,拔节期肥水和孕穗期肥水可提高后期的根系活力,延缓叶片衰老,促进粒重增加。
4 小麦根系的空间动态分布变化
关于小麦根系空间动态变化的研究报道,因研究对象的不同而有所差异。旱地冬小麦抽穗期最大根系生物 量的垂直分布为0～20 cm表土层的约占85%,20～100 cm土层中根重减少到7.7%,100～200 cm为2.9%,200 cm以下至边缘层根系总量约占4.4%。水地冬小麦无论是根长还是根重,80%都分布在0～50 cm土层中,100 cm以下土层的根系不到总根系数量的6%。对不同抗旱性冬小麦品种抽穗期根系垂直分布的研究结果表明,根干重随地下土层的增加而减少,即0～15 cm>15～30 cm>30 cm以下;抗旱品种下层根干重所占比重增加。
小麦根系不论数量还是生物量(根重、根长度、根表面积、根体积)的垂直分布均呈指数函数递减模式 (y=A·e-BX,其中-B为递减率,是决定根系分布的重要参数;A为最大值);各层土壤中累计根重、根长的百分比随相对深度的变化符合双曲线函数形 式;根系总长度和总干重随时间的变化呈Logsitic曲线变化。而最适小麦根数生长曲线为三次多项式。
