不同土壤鹽分和施氮條件對(duì)向日葵的生根深度、動(dòng)態(tài)根系分布的影響

 

河海大學(xué)的科研人員為了解不同土壤電導(dǎo)率（EC）和施氮量對(duì)向日葵生根深度、根系動(dòng)態(tài)分布及其產(chǎn)量的影響，在河套灌區(qū)進(jìn)行了為期三年的田間試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)由三個(gè)初始鹽度 (IS) 水平和五種N比率組成。向日葵根系生長的動(dòng)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(xì)根和產(chǎn)量對(duì)不同土壤鹽分水平和施氮量的響應(yīng);(2)建立鹽田細(xì)根分布動(dòng)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(xì)根長度的動(dòng)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(chǎn)量生產(chǎn)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(dòng)態(tài)研究方案：在 2015 年的田間研究中，在每個(gè)向日葵生長階段進(jìn)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(jī)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(nèi)的根部（圖1b），在實(shí)驗(yàn)室從土壤顆粒中仔細(xì)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(jìn)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(dòng)態(tài)生長。在每個(gè)地塊中，以100厘米的間隔安裝四個(gè)長200厘米、內(nèi)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(dá)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(shí)進(jìn)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(jí)內(nèi)的根長度。本研究僅考慮細(xì)根的長度（直徑≤2 mm），采用Johnson等人的方法將其轉(zhuǎn)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(jié)果：

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

結(jié)果表明，連續(xù)的原位觀察表明，向日葵細(xì)根生長的動(dòng)態(tài)與土壤鹽分密切相關(guān)。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(jù) 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(yīng)。同時(shí)，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(qiáng)，促進(jìn)根系垂直發(fā)育。利用2015年破壞性采樣數(shù)據(jù)和2017年原位數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，鹽田動(dòng)態(tài)根分布模型 (DRD-SF)對(duì)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(shù)原位觀察了根系的生長動(dòng)態(tài)，減少了對(duì)植物根系生長的擾動(dòng)，同時(shí)和根鉆法相比也有很好的相關(guān)性。這種方法已經(jīng)越來越多的應(yīng)用到根系的原位觀察實(shí)驗(yàn)中。由澳作公司自主研發(fā)的AZR-300復(fù)合根系生長動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)就是一款的利用微根窗技術(shù)的根系原位觀測系統(tǒng)。
 

該系統(tǒng)集掃描和攝像技術(shù)于一體，掃描模式下，一次掃描可以觀察20cm深土層內(nèi)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(dá)4800dpi，可對(duì)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(xì)根也納入測量范圍內(nèi)。
 

兩種模式相結(jié)合大大提高了對(duì)根系生物量監(jiān)測的準(zhǔn)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(shù)量，統(tǒng)計(jì)根系生物量、細(xì)根壽命、細(xì)根周轉(zhuǎn)率等。
 

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