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  中国水土保持科学   2023, Vol. 21 Issue (3): 137-144.  DOI: 10.16843/j.sswc.2023.03.017
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引用本文 

张洪江, 付晓, 马思文, 程金花, 管凝. 重庆四面山不同作物农田土壤根系分布与水分入渗特征[J]. 中国水土保持科学, 2023, 21(3): 137-144. DOI: 10.16843/j.sswc.2023.03.017.
ZHANG Hongjiang, FU Xiao, MA Siwen, CHENG Jinhua, GUAN Ning. Root distribution and water infiltration characteristics of agricultural soils with different crops in the Simian Mountain of Chongqing[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2023, 21(3): 137-144. DOI: 10.16843/j.sswc.2023.03.017.

项目名称

国家自然科学基金"喀斯特地区土石二元结构下优先流对坡面水文过程影响机理"(32071839)

第一作者简介

张洪江(1955—), 男, 博士, 教授。主要研究方向: 土壤侵蚀, 森林水文。E-mail: zhanghj@bjfu.edu.cn

通信作者简介

管凝(1998—), 女, 硕士研究生。主要研究方向: 水土保持。E-mail: guanning2020@bjfu.edu.cn

文章历史

收稿日期：2022-10-31
修回日期：2023-02-12
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
重庆四面山不同作物农田土壤根系分布与水分入渗特征
张洪江 1, 付晓 2, 马思文 1, 程金花 1, 管凝 1     
1. 北京林业大学水土保持学院, 100083, 北京;
2. 北京联合大学应用文理学院城市科学系, 100191, 北京
收稿日期：2022-10-31; 修回日期：2023-02-12
项目名称：国家自然科学基金"喀斯特地区土石二元结构下优先流对坡面水文过程影响机理"(32071839)
第一作者简介：张洪江(1955—), 男, 博士, 教授。主要研究方向: 土壤侵蚀, 森林水文。E-mail: zhanghj@bjfu.edu.cn
通信作者简介：管凝(1998—), 女, 硕士研究生。主要研究方向: 水土保持。E-mail: guanning2020@bjfu.edu.cn
摘要：研究重庆四面山地区根系分布对农田土壤水分入渗的影响, 对当地的农田植被管理具有重要意义。选取玉米地、茄子地和南瓜地3种典型农田, 通过野外双环入渗实验测定土壤的水分入渗量和入渗率, 并分层采集土壤中的植物根系, 计算植物根系特征指标, 采用灰色关联度分析土壤根系与水分入渗的关系。结果表明: 1)玉米地、茄子地和南瓜地的初始入渗速率分别为258、213和285 mm/h, 平均入渗速率分别为154.99、136.84和203.07 mm/h。南瓜地的水分入渗量和入渗率相对最大, 茄子地相对最小; 2)3种农田的根系主要为直径3 mm以下的细根, 粗根数量较少, 各径级根长密度、根质量密度和根孔数量的最大值均出现在0~20 cm土壤处, 深层土壤的根系含量较少; 3)土壤中的植物根系对水分入渗有着一定影响, 各根系特征指标与各土壤水分入渗指标的灰色关联值均大于0.6, 细根对入渗的影响大于粗根。根系与外部供水在土壤中的运动息息相关, 在农田管理中, 作物根系是不可忽略的影响因素。
关键词：农田    植物根系    水分入渗    重庆四面山    
Root distribution and water infiltration characteristics of agricultural soils with different crops in the Simian Mountain of Chongqing
ZHANG Hongjiang 1, FU Xiao 2, MA Siwen 1, CHENG Jinhua 1, GUAN Ning 1     
1. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;
2. Department of Urban Science, College of Applied Arts and Sciences, Beijing Union University, 100191, Beijing, China
Abstract: [Background] Simian Mountain in Chongqing is an important ecological barrier and main water source of the Yangtze River, and it is also one of the sensitive ecological areas in China. Due to long-term over-cultivation and frequent human activities in recent years, the local ecological conditions are very fragile, which seriously affects the growth of vegetation and has a negative impact on agricultural development, thus the local ecological restoration is very important.Soil water infiltration, as an important factor affecting vegetation growth and groundwater circulation, is a key factor in local farmland vegetation management.Therefore, it is of great significance to study the influence of root distribution on farmland soil moisture infiltration in Simian Mountain of Chongqing to local farmland vegetation management. [Methods] Three typical farmlands, namely corn(Zea mays) field, eggplant (Solanum melongena)field and pumpkin (Cucurbita moschata)field, were selected to measure soil water infiltration amount and infiltration rate through double-ring infiltration experiments.After that, the root system was sampled by soil column method. The root length density and root weight density of root samples were calculated by Epson Perfection V370 digital scanner and root analysis software (Win-RHIZO 2008a). The relationship between soil root system and water infiltration was analyzed by grey correlation degree method. [Results] 1) The initial infiltration rates were 258, 213 and 285 mm/h in the maize, eggplant, and pumpkin fields respectively, and the average infiltration rates were 154.99, 136.84, and 203.07 mm/h. The infiltration volume and infiltration rate were relatively the highest in the pumpkin field and the lowest in the eggplant field. 2) The amount of water infiltration and infiltration rate of the three types of farmland were the highest in the pumpkin field and the lowest in the eggplant field. 2) The root systems of the three types of farmland were mainly fine roots less than 3 mm in diameter, with a low number of coarse roots. The maximum values of root length density, root weight density, and root pore number for each diameter class were all found at 0-20 cm of soil, with less root content in deeper soils. 3) Plant roots in the soil have a certain influence on water infiltration, and the grey correlation values between each root characteristic index and each soil water infiltration index are all greater than 0.6, and the influence of fine roots on infiltration is greater than that of coarse roots. [Conclusions] The root system is closely related to the movement of external water supplies through the soil and is an influential factor in on-farm management that cannot be ignored.
Keywords: farmland    plant root system    water infiltration    Simian Mountain of Chongqing    

重庆四面山位于三峡库区尾端。三峡库区地处长江中上游过渡地带，是长江流域经济由东向西逐步发展的重点开发区域，同时是长江中下游地区重要的生态屏障和主要水源地，也是我国的敏感生态区之一。由于长期的过度垦殖和近年来频繁的人类活动，三峡库区的生态条件十分脆弱，严重影响植被生长，对当地的农业发展也有着不可忽视的负面影响，因此当地的生态修复至关重要[1]。而土壤水分入渗作为植被生长和地下水循环的重要影响因素，是当地的生态环境恢复的关键因子；因此，研究三峡库区土壤水分入渗特征及其影响因素对当地的生态环境恢复和人文经济发展有着重要的指导意义。

土壤水分入渗是降雨、灌溉等外部供水参与水分循环的重要环节，对生态系统服务和植物生长有着重要影响[2]。土壤水分入渗受土壤孔隙度、有机质含量和植物根系等多方面的影响[3]，其中，植物根系在生长过程中形成的复杂三位空间结构会使土壤中形成多种类型的孔隙，为水分入渗提供通道[4]；同时根系分泌物的产生也会影响土壤中的养分含量，间接影响整个土壤结构[5]。而农田土壤与自然土壤相比，其作物的地上部分定期被收获携出，残留的根系对土壤具有一定影响；此外农作物根系往往具有代谢快且伸展范围大等特点，在其伸展的前缘部分，每时每刻都在产生大量的新根(白根)和根毛，密集分布于土粒间[6]。因此农作物根系对农田土壤水分入渗的影响不容忽视。

关于四面山地区的土壤水分入渗，目前已有了部分研究。吴煜禾等[7]研究了不同土地利用类型下的水分特征曲线，发现Gardner模型适用于四面山地区林地土壤水分特征曲线的模拟，van Genuchten模型适用于农耕地土壤水分特征曲线的模拟；何文华等[8]选用经典入渗模型，研究了四面山区人工林下的土壤入渗特性，发现Horton模型比Kostiakov模型及Philip模型模拟效果更好；姚晶晶等[9]研究了不同水量下草地的优先流入渗特征，发现入渗水量的增加可以促进水分向更深层运动, 最高可达60 cm；侯芳等[10]通过染色示踪实验发现阔叶林和针叶林下水分的运动范围高于灌木林和草地。以上研究均为重庆四面山地区的土壤水分入渗过程提供了理论支撑，但关于当地农田的水分入渗，以及农作物根系对其影响，仍缺乏相关研究。

针对以上问题，笔者以重庆四面山的3种典型农地为研究对象，基于野外双环入渗实验，同时挖取土壤中的植物根系，借助数理统计分析方法，对四面山地区典型农地下植物根系与土壤水分入渗特性进行灰色关联度定量评价，以期为该地区的农田植被管理提供一定的理论依据。

1 研究区概况

研究区位于北京林业大学四面山科学研究基地(E106°17′~106°30′、N28°31′~28°43′)，海拔500~1 780 m，四季分明、温暖湿润、雨量充沛，光照期和无霜期较长，属中亚热带湿润性季风气候。土壤类型主要包括紫色土、黄壤和黄棕壤等，土壤呈弱酸性至酸性，pH值在4.0~6.1之间，土壤有机质和磷含量都较低[11]。

2 研究方法 2.1 土壤水分入渗测量

选取玉米(Zea mays)地、茄子(Solanum melongena)地和南瓜(Cucurbita moschata)地3种农地类型。在每种农地中选取大小为10 m×10 m的样地，用于开展双环入渗实验。

每个样地选取3处相对平坦的样点进行野外土壤水分入渗实验。样点位置确定后，对地表枯落物进行清理，使地表裸露。在各样地取土进行测定，计算不同农地类型的土壤基本性质，结果见表 1。在选取的地块上放置贴有刻度尺的双环入渗仪，其外环直径为40 cm、内环直径为20 cm、高为15 cm。随后将双环入渗仪轻轻砸入地面5 cm左右，安装完成后，在外环加入一定量的水并保持外环中的水深后，在内环中通过马氏瓶持续供水，当内环中水深下降1 cm时重新加水至5 cm，并记录下渗1 cm水所用的时间(min)。入渗实验持续45 min，实验结束后，计算入渗速率：

表 1 土壤基本性质 Tab. 1 Basic properties of soil
$ i_{\mathrm{m}}=\Delta l / \Delta t 60。$ (1)

式中: im为基质入渗率，mm/h；Δl为Δt时间段内的内环累积入渗量, mm；Δt为入渗时间，min；60为单位转换因数[11]。

2.2 根系采集与分析

采用土柱法进行根系取样，从植株基部沿水平方向挖沟，随后在裸露的土壤剖面上挖掘土柱。按照距离植株0~0.1、0.1~0.2和0.2~0.3 m共3个水平距离，在0~10、10~20、20~30和30~40 cm共4个土层深度取样，取样宽度为10 cm，即土样规格为10 cm×10 cm×10 cm，分别将土样挖出。同时在根系收集过程中观察并记录各层的根孔数量。随后在实验室中用清水洗根并用吸水纸吸去表面水分。通过游标卡尺将植物根系分为5个径级，即≤1 mm，>1~3 mm，>3~5 mm，>5~10 mm和>10 mm。使用Epson Perfection V370数字化扫描仪，结合根系分析软件(Win-RHIZO 2008a)分别计算出不同径级根系的长度，得出每层土体内的根长密度，然后烘干、称量测定根系的根质量密度[12]。

$ R_{\mathrm{LD}}=L_{\mathrm{r}} / V ; $ (1)
$ R_{\mathrm{BD}}=W_{\mathrm{r}} / V。$ (2)

式中：RLD为根长密度，cm/cm3；Lr为根长, cm；V为根系所占土体体积, cm3；RBD为根质量密度, mg/cm3；Wr为根干质量，mg。

2.3 数据分析

本研究使用Microsoft Excel 2016对数据进行整合。借助MATLAB 2018进行灰色关联度分析。通过OriginPro 2019进行绘图。

3 结果与分析 3.1 农田土壤水分入渗特征

通过双环入渗实验，得出玉米、茄子和南瓜3种农田在45 min内的累积入渗量和入渗速率的变化。如图 1所示，重庆四面山3种典型农地下，入渗开始时的入渗速率均较高，在试验开始的5 min内入渗速率急剧下降，随后逐渐趋于平缓。比较3种农作物下的水分入渗过程，在入渗开始后10 s，玉米地、茄子地和南瓜地的累积入渗量分别为4.30、3.55和4.75 mm，入渗速率分别为258、213和285 mm/h；在入渗开始后的45 min，玉米地、茄子地和南瓜地的累积入渗量分别增加至111.45、109.15和188.55 mm，而入渗速率为3.30、6.50和18.10 mm/h，分别下降98.72%、96.95%和93.65%；通过计算，整个入渗过程中玉米地、茄子地和南瓜地的平均入渗速率分别为154.99、136.84和203.07 mm/h。总体而言，同一时段内，南瓜地的水分入渗量和入渗率要大于其他2种农地，这说明南瓜地土壤中存在更多的裂隙或大孔隙；茄子地的入渗量和入渗率相对最小，且其入渗率随着时间的推移呈单调递减变化，而其他两种农地的水分入渗率在一定时段内上下浮动。

图 1 农田土壤水分入渗特征 Fig. 1 Characteristics of soil water infiltration in farmland
3.2 农田土壤根系特征

将3种农地土壤中的根系分层取出，计算各层次土壤中的根系特征指标。由表 2可知，不同农作物土壤中，各层次的根系分布特征存在一定差异。总体而言，3种农田的根系直径主要集中在3 mm以下，5 mm以上的根系数量较少。玉米地和茄子地土壤中，随着土层深度的增加，各径级根长密度、根质量密度和根孔数量大多都逐渐降低；而在南瓜地中根孔数量的最大值同样在0~10 cm土层处，但各径级根长密度以及根质量密度的最大值均出现在10~20 cm土层处，其浅层土壤中的根系根长和根质量反而相对较小。

表 2 农田土壤根系特征 Tab. 2 Root characteristics of farmland

在玉米地土壤中，无直径10 mm以上的根系分布，＞5~10 mm直径的根系仅出现在20 cm以上的土层中；茄子地土壤中，取得的所有根系均≤5 mm，且＞3~5 mm直径的根系也仅出现在20 cm以上的土层；而在南瓜地土壤中，10~20 cm土壤中存在直径大于10 mm的根系，且其30~40 cm处的根长密度、根质量密度和根孔数量均大于其他两种农田，即南瓜地中粗根数量相对较多，且根系能生长至土壤中的较深层。

将3种典型农田下0~40 cm土层所有土样的根系特征指标进行加权平均计算(图 2)。

图 2 农田土壤根系特征 Fig. 2 Root characteristics of farmland

如图 2所示，3种农地的总根长密度、根质量密度和根孔数量大小均为南瓜地＞玉米地＞茄子地，根茎在≤1、＞3~5和＞10 mm的根系数量最大的均为南瓜地；根茎在＞1~3和＞5~10 mm的根系数量最大的为玉米地。因此，总体而言，南瓜地的根系较为密集，数量较多，而茄子地相对最少。

3.3 农田土壤根系与水分入渗关系

通过灰色关联度计算，得出了不同径级根长密度、根质量密度和根孔数量与土壤累积入渗量、初始入渗率和平均入渗率的关联值。如表 3所示，各根系特征指标与各土壤水分入渗指标的灰色关联值均大于0.6，说明土壤中的植物根系对水分入渗有着一定影响。根系与土壤水累积入渗量、初始入渗率和平均入渗率的关联值变化规律较为相似。各径级根长密度与水分入渗的关联值随着根系直径的增大而减小，这说明重庆四面山地区影响农田土壤水分入渗的主要是细根，粗根的影响相对较小。根孔数量与累计入渗量和平均入渗率的关联值分别为0.896和0.942，仅次于直径≤1 mm根系的根长密度；与初始入渗率的关联值为0.966，高于其他根系指标。

表 3 农田土壤根系特征与土壤水分入渗的关联值 Tab. 3 Grey relational degree between soil root characteristics and soil water infiltration in farmland
4 讨论

土壤水分入渗对于农田植被管理有着重要意义，本研究测定重庆四面山地区玉米地、茄子地和南瓜地3种典型农地类型下的土壤水入渗过程。3种农地下的水分初始入渗速率均较大，随后急剧下降，再逐渐趋于平缓，这与前人在晋西黄土区[13]和云南红壤区[14]的研究结果均相同。这是因为水分刚渗入土壤时，土壤的含水量较低，小于田间持水量，入渗水分主要受分子力作用，随后以毛管力和重力为主要驱动力，水分在土壤孔隙间做不规则运动，并逐步填充土壤孔隙，直到接近或达到饱和；在土壤水达到饱和后，水分在重力作用下运动，入渗速率大大降低[15]。相比之下，本研究中水分的入渗速率低于晋西黄土区，但高于云南红土区，这主要与土壤的机械组成有关，通常来说黏粒含量越高，越不利于水分的下渗[16]。

根系的空间分布是反映植物地下部分生长的重要指标，与外部供水在土壤中的运动息息相关。玉米、茄子和南瓜的根系往往可到地下1 m左右，但本研究中80%以上的根系分布在20 cm以上的农田土壤，这可能是由于玉米、茄子和南瓜的根系在土壤中呈分散式分布，须根和侧根较多，随着土层深度约的增加根系愈发稀疏，因此通过土柱获取根系的数量逐层减少[17]；此外，由于农田定期的施肥耕作，使得养分在土壤浅层聚集，作物根系为获取更多营养，会趋于在土壤浅层分布[18]。直径≤3 mm的细根在四面山地区农田根系系统的比例最高，粗根的数量相对较少，可能因为在农地土壤中，根系的生长空间以及水肥供给等相对充足，细根和粗根均能够充分生长，而作物为吸收更多的水分和养分，更偏向于生长更多的细根，因此使细根和粗根生物量的对比更为明显[19]。

根系与外部供水在土壤中的运动息息相关，本研究中各根系特征指标对水分入渗均有着一定影响。这与桑凯新等[20]的研究结果一致。原因在于根系是影响土壤大孔隙形成的重要因素之一，根系特征可以间接反映土壤内孔隙的数量、直径和大小[21]，根系一方面在土壤中的穿插、分割作用会增加土壤中的大孔隙，从而改善土壤渗透性能，另一方面根系的代谢活动还会产生有机化合物胶结土壤颗粒，促进团聚体的形成，进而影响土壤水分的渗透[22]。本研究中，细根对入渗的影响要大于粗根，这与闫东锋等[23]的研究结果相同。这主要是因为细根系的生长周期更短，生长及腐烂后会形成更多的孔隙通道，促进大孔隙的形成[24]；此外，细根是影响优先流形成的主要因素，粗根系并不能显著影响土壤中优先流的形成[25]，而优先流作为绕过土壤基质快速运动到土壤深层的水流运动方式，在入渗的水分中所占比例很高[19]。

土壤水分入渗的研究随着现代技术的发展已日益成熟。本研究对重庆四面山地区的玉米地、茄子地和南瓜地3种典型农田的入渗特征做了分析，并计算得出了根系分布对入渗情况的影响。然而土壤水分运动是个复杂的过程，在今后的研究中应尽可能地扩展相关指标，完善土壤水分入渗的主要影响因素，建立适用于当地的土壤入渗性能评价指标体系，为四面山地区土壤入渗性能评价提供理论依据。

5 结论

1) 重庆四面山地区玉米地、茄子地和南瓜地中，南瓜地的水分入渗量和入渗率要大于其他2种农地，茄子地的入渗量和入渗率相对最小。

2) 3种农田的根系主要为直径≤3 mm的细根，粗根数量较少，各径级根长密度、根质量密度和根孔数量的最大值均出现在0~20 cm土壤处，深层土壤的根系含量较少。

3) 重庆四面山地区农田土壤中的植物根系对水分入渗有着一定影响，是农田管理中不可忽视的重要因素。其中影响最大的主要是细根，粗根的影响相对较小，根孔数量对水分入渗也有着很大影响。

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