不同土壤鹽分和施氮條件對向日葵的生根深度、動態(tài)根系分布的影響

 

河海大學的科研人員為了解不同土壤電導率（EC）和施氮量對向日葵生根深度、根系動態(tài)分布及其產量的影響，在河套灌區(qū)進行了為期三年的田間試驗。該實驗由三個初始鹽度 (IS) 水平和五種N比率組成。向日葵根系生長的動態(tài)由微型根管原位監(jiān)測，并揭示了其在不同處理中分布的靈活性。本研究的主要目的是:(1)了解向日葵根系深度、細根和產量對不同土壤鹽分水平和施氮量的響應;(2)建立鹽田細根分布動態(tài)模型(DRD-SF)，以描述在土壤鹽分和施氮量相互作用的影響下細根長度的動態(tài)變化。該模型所提供的信息將有助于從作物根系發(fā)育和產量生產潛力的角度優(yōu)化鹽田氮素管理。
 

文中根系生物量及根系動態(tài)研究方案：在 2015 年的田間研究中，在每個向日葵生長階段進行了破壞性測量：（i）苗期，（ii）芽期；(iii) 開花期；(iv) 收獲 。每塊地隨機選取三株向日葵，用螺旋鉆獲取所選植物在0-60厘米深度內的根部（圖1b），在實驗室從土壤顆粒中仔細分離并用自來水沖洗后，用 Epson 掃描儀掃描根部，并使用 WinRHIZO Pro軟件進行分析。
 

2016年和2017年，使用微根窗測量系統(tǒng)原位測量向日葵根系的動態(tài)生長。在每個地塊中，以100厘米的間隔安裝四個長200厘米、內徑6.4厘米的微型根管，與播種線平行（圖 1a），與地面成45度角，達到100厘米的垂直深度。2016年在苗期、花蕾和開花期期間每隔 7 天連續(xù)觀察一次，而2017年每隔10天觀察一次。在這兩年中，最后一次觀察分別在收獲時進行。
 

微根窗掃描儀以600dpi 生成360°、22cm×20cm的管-土壤界面圖像，用于分析。使用 WinRHIZO Tron軟件分析所有捕獲的圖像，該軟件提供不同直徑等級內的根長度。本研究僅考慮細根的長度（直徑≤2 mm），采用Johnson等人的方法將其轉化為FRLD。
 

Fig. 1. (a) Schematic diagram of the longitudinal soil profile with four minirhizotron tubes paralleled with the sowing line in 2016 and 2017, (b) the in-situ images captured by minirhizotron showing the dynamic root process of sunflower within 30-35 cm depth under S1N3 treatment in 2016.

研究結果：

圖 7 鹽田動態(tài)根分布模型 (DRD-SF) 在 (a-c)S0N4 下三個不同標準化發(fā)育階段 (DVS = 0.51, 0.65 和 2.00) 觀察和模擬的細根長度密度 (FRLD) 分布, (d-f) 2017 年的 S1N4 和 (g-i) S2N4 處理。觀察結果是通過微型根管原位獲得的，模擬是使用 DRD-SF 模型計算的。
 

結果表明，連續(xù)的原位觀察表明，向日葵細根生長的動態(tài)與土壤鹽分密切相關。縱向分析表明，鹽脅迫顯著降低了萌芽前的根系滲透率。根據 FRLD 觀察，隨著土壤鹽分的增加，衰老速率也降低。這可以看作是向日葵植物在鹽堿地生存的一種適應。同時，雖然N3在S2水平上明顯加重了鹽脅迫，加速了向日葵根系衰老，但在生殖生長期可刺激耐鹽性增強，促進根系垂直發(fā)育。利用2015年破壞性采樣數據和2017年原位數據進行驗證，結果表明，鹽田動態(tài)根分布模型 (DRD-SF)對不同IS水平和施氮量下向日葵FRLD的柔性分布具有良好的模擬性能。
 

文中利用微根窗技術原位觀察了根系的生長動態(tài)，減少了對植物根系生長的擾動，同時和根鉆法相比也有很好的相關性。這種方法已經越來越多的應用到根系的原位觀察實驗中。由澳作公司自主研發(fā)的AZR-300復合根系生長動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)就是一款的利用微根窗技術的根系原位觀測系統(tǒng)。
 

該系統(tǒng)集掃描和攝像技術于一體，掃描模式下，一次掃描可以觀察20cm深土層內根系生物量，1200dpi的分辨率完全可以滿足觀察大部分根系的需求。其攝像模式分辨率高達4800dpi，可對小至10um的根毛、菌絲做到清晰觀察。這樣就可以把直徑小于2mm的細根也納入測量范圍內。
 

兩種模式相結合大大提高了對根系生物量監(jiān)測的準確性。該系統(tǒng)可以測量根長度、根直徑、根面積、根總長、根總面積、根平均直徑、根數量，統(tǒng)計根系生物量、細根壽命、細根周轉率等。
 

同時，64 倍圖像放大功能，用于觀察植物根菌、真菌和土壤動物活動等。還配有紫外光源，用于區(qū)分活根和死根。