小麥苗期根系對土壤水分的累積與遷移特征

小麥苗期根系對土壤水分的累積與遷移特征

在中國西北的干旱和半干旱地區(qū)，人們的糞便、肥料和其他農(nóng)業(yè)肥料的使用歷史悠久，土壤中積累了一定程度的氯離子。已有研究得出在施用農(nóng)家肥為主的農(nóng)田土壤中氯離子含量變幅在20～60mg·kg-1,以村莊為中心大體呈現(xiàn)同心圓式分布。干旱的氣候條件與強烈的水分蒸發(fā)與蒸騰使得土壤中氯離子累積作用大于向深層的淋溶作用。由此可見,該區(qū)農(nóng)田土壤上層不僅具備了氯離子累積的物質(zhì)條件,也具備了動力因素。土壤中氯離子的時空分布特征可能成為人類生活歷史和區(qū)域環(huán)境變遷的標(biāo)記符號,進(jìn)而以土壤氯離子為指示性元素來評估氣候、環(huán)境以及人類活動的長期作用對土壤質(zhì)量影響等。本研究設(shè)置了不同水分處理和根系處理的盆栽試驗,研究了在根系吸水和土壤蒸發(fā)過程中,氯離子在非飽和狀態(tài)下向根際遷移規(guī)律、作物對氯離子吸收累積以及對其生長發(fā)育的影響等情況,分析用氯離子為指示元素研究土壤水分條件與作物生長關(guān)系的可行性。1材料和方法1.1土壤基本理化性狀供試土樣采自陜西關(guān)中楊陵頭道塬農(nóng)田土婁土(系統(tǒng)分類名稱為土墊旱耕人為土,earth-cumulic-orthicanthrosols)的耕層0～20cm,土樣經(jīng)風(fēng)干、磨碎后分別過1、0.25mm篩備用,其土壤基本理化性狀見表1。1.2試驗設(shè)計與接種試驗設(shè)計:試驗土壤水分含量共設(shè)定11%(接近于萎蔫系數(shù))、14%、18%(毛管斷裂含水量)、22%、26%(田間持水量)5個水平,研究土壤水分條件與氯離子遷移對小麥生長的影響。培養(yǎng)缽準(zhǔn)備:為了探討根系吸水過程中氯離子隨質(zhì)流向根際遷移被小麥吸收的規(guī)律,試驗設(shè)置了限根(用尼龍網(wǎng))與不限根處理(對照)。試驗所用培養(yǎng)缽為高28cm、直徑10cm的PVC管桶,每桶裝過2mm篩土樣2700g,稱取土樣100g與12gCaCl2(過1mm篩)混合后置于桶底部,再裝入剩余土樣,土層厚度約27cm。播種:供試作物為小麥(小偃22),2003年10月16日播種,每桶播種8粒,每個處理重復(fù)3次,12月21日采集土樣和植株,生育期歷時66d。在試驗進(jìn)行的整個過程中用稱重法維持設(shè)計含水量水平,沿玻璃管直接將需要補充的水量灌入桶底部,以免影響根區(qū)氯離子的自然分布與遷移趨勢。1.3尼龍網(wǎng)土壤樣品的采集出苗率的調(diào)查采用播種后每天觀察出苗情況,待出苗穩(wěn)定后(12d)計算其出苗率。實驗結(jié)束后(歷時66d)分別采取植物組織和土壤樣品。植物組織沖根后用吸水紙吸去水分,然后用直尺測量株高,之后將植株分為根和地上部分,于105℃下殺青30min、70℃下烘干12h,稱量根干重、地上部干重。土壤樣品采集的是限根處理盆栽中、尼龍網(wǎng)下部(根系下層)土壤,用小土鉆從尼龍網(wǎng)處分層采取(每隔2cm),由于尼龍網(wǎng)上部土壤被沖洗掉,故未測定。土壤中氯離子測定用硝酸銀滴定法,植物組織中氯離子測定在干灰化后采用硝酸銀滴定法。2結(jié)果與分析2.1小麥種子出苗率影響因素水分是作物生長必需的條件之一,不同的水分含量首先對小麥的出苗和生長有著重要的影響。由于氯離子被施于底部土層,距種子約25cm左右,在出苗期間氯離子隨土壤水分蒸發(fā)移動能力極為有限,沒有影響到小麥出苗,因而小麥種子出苗率只受水分條件的影響。限根與不限根處理對小麥出苗也沒有影響,與含水量為18%以上的處理相比,均為土壤含水量為14%時,出苗推遲3d,而含水量為11%時,出苗推遲5d,并且出苗率均明顯下降。播后第12天,含水量為14%處理的出苗率達(dá)到80%,含水量為11%處理的出苗率僅達(dá)到30%,且兩種水平的水分處理小麥發(fā)芽均細(xì)小、瘦弱,根系生長受阻并影響到分蘗,整個生育期生長緩慢。其它水分含量水平處理小麥出苗率均為100%?？梢妼τ谛←溦０l(fā)芽出苗的土壤濕度下限為14%,適宜的土壤墑情確保小麥萌發(fā)出苗。2.2不同限根處理小麥根系排水效果從表2中可以看出,在相同水分含量條件下,整體上限根處理的小麥長勢優(yōu)于不限根處理,并且根干重和根冠比達(dá)到差異性顯著。除株高外,地上部分的干重、根長、根重和根冠比等生物學(xué)指標(biāo)在不同含水量條件下均是限根的高于不限根的,特別是在根的長勢上表現(xiàn)得尤為明顯,證實了土壤中氯離子對小麥生長發(fā)育有一定的影響。限根處理雖然縮小了小麥根系的覓水覓肥空間,不利于幼苗生長發(fā)育,然而,由于CaCl2施于土層底部,限根時小麥根系的活動空間非常有限,土壤中氯離子向根際的遷移能力和程度決定著對小麥根系的影響程度;而不限根處理小麥根系自身生長延伸和土壤氯離子遷移雙重效應(yīng),使得土壤中氯離子與小麥根系的接觸幾率相對較大,氯離子對小麥生長表現(xiàn)出了一定的抑制效果,其長勢表現(xiàn)較差。在試驗范圍內(nèi)不限根處理小麥的根長與土壤含水量關(guān)系不很明顯;而限根處理的小麥根長卻是先隨含水量增加而增加,當(dāng)含水量超過18%以后又有減小趨勢,但其受水分影響的差異不顯著。不限根處理的小麥根系覓水空間較廣,小麥苗期對土壤水分反應(yīng)不明顯;而限根的小麥在水分受到脅迫時,由于生理耗水作用,根外土壤水分在水勢梯度作用下移向根際,同時攜帶氯離子在根際附近聚集,低含水量范圍,水分移動性差,氯離子傳輸能力較低,水分移動對根系的促進(jìn)作用明顯;在較高含水量范圍,水分移動強必然傳輸了大量的氯離子到根際,氯離子對小麥生長產(chǎn)生的抑制效應(yīng)比水分的促進(jìn)作用大,才使植株根系生長受到了一定的影響。由此可見,在小麥根系吸水情況下,隨著水分遷移過程土壤中氯離子也向根際聚集,水分條件越好,聚集的速度就越快。可以得出用土壤剖面上氯離子含量的變化過程確定小麥根系水分利用的有效土層深度,以便準(zhǔn)確地計算水分生產(chǎn)效率。2.3不同土壤水分下小麥根系穩(wěn)定性分析小麥對氯離子吸收取決于其根系的分布空間和土壤中氯離子遷移能力兩個方面。限根與不限根處理小麥根系與氯離子接觸幾率差異較大,植株體內(nèi)的含氯量在不限根情況下一般大于限根,其差異在小麥的根部表現(xiàn)得更加明顯。水分含量不同影響到土壤中氯離子遷移速率和范圍,決定著小麥根系與氯離子的接觸幾率等。土壤水分條件對小麥根部氯離子的吸收與累積量影響很大(表3)。不限根的小麥根系氯離子累積量均大于限根,證實兩種處理小麥根系與土壤中氯離子接觸幾率不同;對于不限根處理小麥而言,當(dāng)土壤水分含量低于18%(毛管破裂濕度)時,小麥根系主動延伸到土層深處,在更廣泛的區(qū)域吸收水分來維持正常的生長,使得施于底部的氯離子被吸收進(jìn)入根部。隨土壤含水量增大,根系分布空間相對要小,進(jìn)入植株體內(nèi)的氯離子的含量也減少。但隨著含水量的進(jìn)一步增加,土壤的蒸騰力相應(yīng)增大,埋于底層的氯離子受蒸騰和蒸發(fā)共同影響,容易向根區(qū)遷移,使植株根系的吸氯量又呈增大趨勢。因此,植株對土壤氯離子吸收是作物根系生長的主動因素和氯離子遷移被動因素共同作用結(jié)果,在不同土壤含水量條件下兩種作用的比重有所不同,用氯離子示蹤技術(shù)可以反映作物生長與土壤含水量之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。對于植株地上部分而言,氯離子累積趨勢標(biāo)志著根系的吸收能力和植物體的蒸騰強度。表3可以看出,水分含量低于18%時限根處理制約著根系覓水空間,較低土壤水分含量又限制了氯離子遷移,才使不限根的小麥體內(nèi)氯離子累積量高于限根。特別是在土壤含水量為11%的處理,低的含水量限制著植物根系生長,也限制了氯離子遷移,使限根與不限根處理的小麥地上部分氯離子累積量差異不大。土壤含水量為14%和18%的兩個處理,不限根小麥根系明顯地延伸與擴(kuò)展,根系覓水空間較大,植株蒸騰量大,使小麥地上部分累積的氯離子顯著地高于限根處理。只有在土壤含水量高于18%以上時,土壤中氯離子向根區(qū)遷移能力較強,而根系生長量在限根與不限根處理間卻表現(xiàn)得不很明顯(表3),由于限根的小麥地上部分生長量相對較小,氯離子累積濃度才有可能高于不限根的。由此可以得出,用氯離子示蹤技術(shù)在研究土壤水分條件與植物生長的關(guān)系方面具有一定的可行性。2.4土層厚度對氯離子遷移、吸收和土壤殘留的影響田間土壤中氯離子遷移方式是以質(zhì)流為主,土壤水分條件是其遷移的主要介質(zhì),隨著土壤水分含量增加,氯離子在受水分移動的驅(qū)動力作用下,不斷遷移到根際被作物吸收。從圖1可以看出,在土層2cm以下,不同含水量處理的土壤中氯離子含量均隨土層深度的增加而增加,并且在同一深度處,含水量越低其氯離子含量越高;在0～2cm處則相反,表現(xiàn)為含水量越低氯離子含量越高。土壤水分條件對氯離子遷移、吸收和土壤殘留有很大影響。由于實驗是將氯離子施于盆子的最底部,限根處理的小麥對氯離子吸收主要依賴于氯離子在土壤中遷移作用。土壤含水量在22%以上,氯離子遷移量大,小麥吸收多,土壤殘留少。土壤含水量低于18%以下,土壤中氯離子遷移能力明顯地受到了抑制,小麥對氯離子吸收也少,土壤氯離子殘留量較大。由此可以證明,土壤水分含量18%成為在蒸騰與蒸發(fā)情況下供試土壤液態(tài)水強烈移動的臨界指標(biāo),在土壤物理學(xué)上將此水分參數(shù)稱為毛管破裂濕度,也是土壤易效水和難效水的分界點,也被稱為土壤水分脅迫點。3土壤水分條件小麥苗期根系中氯離子累積量決定于根系與氯離子的接觸機(jī)率,在植物地上部的分配依賴于蒸騰強度。在土壤含水量較低條件下,氯離子在根部累積明顯,向地上部移動不強,而在高含水量(18%)情況下,向地上部移動累積較為明顯。氯離子移動與累積反映了土壤水分條件與作物生長間的關(guān)系。不同土壤含水量條件下,小麥根系主動生長延伸和土壤水分移動是保證小麥根系吸收水分的主要機(jī)制,含水量低的情況下,根系以延伸覓水為主,在高含水量情況下,水分以向根區(qū)遷移為主,土壤含水量18%