楊 婷，陳曉冰※，許 昊，秦梓城，劉思佳，劉俊杰

（1.桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室，桂林 541004；3.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地，桂林 541004；4.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，桂林 541004）

0 引言

土壤水作為農(nóng)地水分循環(huán)的重要組成部分，也是影響田間作物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子，對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量流動具有重要意義[1]。因此，如何充分且高效地利用土壤水資源，實現(xiàn)農(nóng)作物的提質(zhì)增收是當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域關(guān)注的研究熱點。

目前，對于提高田間土壤水分的相關(guān)研究主要集中在探索耕作方式[2]、土壤環(huán)境[3]和作物類型[4]等方面上。土壤水分變化是影響作物需用水特性的重要因素之一[5]，同時作物根系也對土壤水分特征產(chǎn)生影響[6]。根系生長過程中的穿插、繞結(jié)、擠壓與腐爛死亡產(chǎn)生的通道引起土壤孔隙結(jié)構(gòu)變化，從而改變土壤水分的分布狀況[7]。同時，植物利用其根系分泌物和土壤微生物群落相互作用，從而膠結(jié)土壤顆粒以改善土壤微團聚體等結(jié)構(gòu)狀況[8]，影響水分在土壤空間內(nèi)的分布變化。當前關(guān)于根系影響下的水分狀況，以分析其引起的土壤環(huán)境改變（諸如土壤理化性質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)等）進而影響土壤水分狀況變化的研究居多。此外，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)根系生長會通過調(diào)節(jié)自身狀態(tài)對土壤水分的吸收利用策略[9]，從而影響地上作物生長和產(chǎn)量。根系的提水作用能夠在植物生長期與土壤水分保持相對穩(wěn)定的內(nèi)在關(guān)系[10]，通過實現(xiàn)水分再分配，使根土水環(huán)境維持平衡狀態(tài)的同時也提高了根區(qū)從深層土壤得到水分補給的能力[11]。土壤水分運動作為反映田間水分狀況的重要內(nèi)容，會隨著根土環(huán)境的改變發(fā)生變化[12]，但其如何受到根系的影響作用，目前更多地是從根系影響下形成的土壤環(huán)境角度出發(fā)開展相關(guān)分析，鮮有從作物根系自身（根系形態(tài)、結(jié)構(gòu)等）特性來進行水分運動作用關(guān)系闡述。而根系形態(tài)結(jié)構(gòu)的可塑性[13]是植物在生長發(fā)育過程中主動適應(yīng)土壤水分異質(zhì)性環(huán)境、實現(xiàn)土壤水資源高效利用的體現(xiàn)，這對開展根系自身特性與土壤水分的協(xié)同調(diào)控機理的研究具有重要作用。因此，進一步闡明根系自身特性對田間土壤水分狀況，特別是與其中的水分運動過程之間的作用關(guān)系，對于全面認識作物根系對田間土壤水分狀況的影響，開展合理的田間作物灌溉具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)作用。

隨著鄉(xiāng)村振興的大力發(fā)展，廣西正逐步成為中國重要的南菜北運基地。其中辣椒作為廣西種植面積較大的蔬菜品種之一，已經(jīng)成為當?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟收入的重要來源[14]。近年來受氣候變化的影響，廣西災(zāi)害性天氣加劇，高溫干旱、暴雨洪澇等氣象災(zāi)害頻發(fā)[15]，導(dǎo)致田間水熱條件相對較差，嚴重影響辣椒生產(chǎn)。而辣椒作為主根粗、須根密集的一種作物，對土壤環(huán)境中水分狀況極其敏感[16]，不良的土壤水熱環(huán)境一定程度上影響了廣西辣椒種植。因此，本研究從解決當前廣西辣椒種植產(chǎn)業(yè)的實際問題出發(fā)，以田間辣椒為研究對象，基于形態(tài)學(xué)圖像解析技術(shù)、灰色關(guān)聯(lián)等分析方法，定量細化田間根區(qū)和非根區(qū)的土壤水分空間分布、運動變化特征，揭示作物根系對土壤水分運動的影響，為開展田間辣椒精準灌溉，提高辣椒水分利用效率，實現(xiàn)辣椒提質(zhì)增收提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 辣椒種植概況

研究區(qū)位于廣西桂林市臨桂區(qū)（25°17′N，110°01′E），屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，年平均溫度為20 ℃，年平均降雨量為1 869 mm，近65%的降雨集中出現(xiàn)在4—7 月，大雨占比約26%。土壤以紅壤土、石灰土和水稻土為主要土壤類型，土壤質(zhì)地主要為粉壤土。選擇研究區(qū)內(nèi)長、寬分別為20 m 和10 m 的農(nóng)用平地作為試驗樣地，種植前深翻土壤。研究地種植作物為辣椒（桂椒12 號），于2022 年4 月上旬定植，8—10 月收獲，采用起壟深埋的種植方式，設(shè)置多個壟行，壟間距為15 cm，壟寬為120 cm，壟高為15 cm，采用壟上雙株雙行定植，株距50 cm，行距70 cm。施肥方式如下：底肥生物有機肥（有機質(zhì)≥70%）300 kg/hm2，追肥復(fù)合肥380 kg/hm2（N 質(zhì)量分數(shù)15%、P2O5質(zhì)量分數(shù)15%、K2O 質(zhì)量分數(shù)15%）。野外試驗時間選擇在辣椒成熟期，時間為2022年9 月20 日—2022 年9 月23 日，試驗期間野外未出現(xiàn)降雨現(xiàn)象。研究樣地土壤基本性質(zhì)如表1 所示。

1.2 染色示蹤試驗

根據(jù)樣地種植情況，隨機選取3 個種植壟作為染色示蹤試驗區(qū)，清理表面雜草，將長60 cm、寬60 cm、高30 cm 和厚0.3 cm 的金屬樣方緩慢砸入試驗區(qū)內(nèi)（樣方內(nèi)植株具體布設(shè)位置見圖1），砸入深度為15 cm。

圖1 土壤染色剖面示意圖Fig.1 Soil dyeing profile diagram

為了防止降雨等外界因素的干擾，試驗前使用塑料薄膜對樣方進行24 h 覆蓋。24 h 后移除金屬樣方上的薄膜，使用帶有穩(wěn)定恒流泵的供水裝置將10 L（含5%的損耗）濃度為4 g/L 的亮藍溶液（以當?shù)乩塾?4 h 的降雨量25 mm 為配置標準）以150 mL/min 均勻噴灑到樣方內(nèi)，噴灑結(jié)束后再用塑料薄膜覆蓋樣方24 h。24 h 后移除塑料薄膜，選擇樣方內(nèi)植株前后10 cm 區(qū)域，以2 cm 水平寬度為一層，對試驗區(qū)進行垂直剖面挖掘至最大染色深度處，當土壤剖面開始出現(xiàn)作物須根時，為減少挖掘過程對根系及其附近土壤染色剖面的影響，以1 cm 水平寬度緩慢向前挖掘，并配合使用毛刷等工具在根系生長區(qū)域緩慢刷去根系周圍土壤并平整土壤剖面，使用1 510 萬像素的單反相機（Canon EOS50D）對剖面圖像進行拍攝。土壤垂直剖面挖掘空間示意如圖1 所示。

1.3 根系采集與生物量測定

利用鐵鍬、鑷子、毛刷等工具，采用全挖法對觀測區(qū)辣椒根系進行采集，將根系整體、緩慢地從土壤中取出，盡可能保證根系結(jié)構(gòu)的完整性，并使用皮尺測量記錄辣椒最大扎根深度，使用自封袋將采集的根系帶回實驗室，將根系清洗干凈后，采用植物圖像分析儀（MICROTEK ScanMaker i800 plus）對根系進行掃描。將得到的根系掃描圖導(dǎo)入萬深LA-S 系列植物圖像分析系統(tǒng)分析根系內(nèi)部連接數(shù)量、外部連接數(shù)量、根系長度、根系廣度、平均根系直徑、總根表面積等根系參數(shù)。然后將樣本置于80 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，獲得辣椒根系干質(zhì)量，分別計算出根系形態(tài)（根系削弱系數(shù)、比根長）指標和根系結(jié)構(gòu)（拓撲指數(shù)、分形豐度、分枝強度）指標。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1.4.1 染色圖像數(shù)據(jù)處理

利用WGEO 軟件對垂直染色圖像進行校正，再通過Photoshop 2020 進行裁剪、顏色替換，灰度調(diào)節(jié)，利用MATLAB R2021b 對處理后的圖片進行根系和土壤染色的分割，獲得500×500 像素的土壤垂直剖面染色圖像。最后利用Image Pro Plus 6.0 圖像處理軟件進行像素點的分割與數(shù)量的統(tǒng)計分析，分別獲得0～255 灰度級數(shù)值矩陣和僅含有0 和255 的數(shù)值矩陣，用于后續(xù)土壤水分運動相關(guān)參數(shù)的計算。

1.4.2 土壤相關(guān)指標計算

1）土壤染色形態(tài)狹長度

土壤染色形態(tài)狹長度[17]是指土壤剖面水平和垂直方向上染色形態(tài)外切邊界平行線距離的最小值與最大值之比，反映土壤染色形態(tài)的細長程度，其值越小，土壤水分豎向分布越狹長。

式中AR為土壤染色形態(tài)狹長度；Emin為土壤染色形態(tài)最小外切邊界平行線距離，cm；Emax為土壤染色形態(tài)最大外切邊界平行線距離，cm。

2）土壤剖面染色面積比

土壤剖面染色面積比[18]是土壤剖面染色面積占該剖面總面積的百分比，反映土壤中水流運動范圍的大小。

式中DC為土壤剖面染色面積比，%；D為土壤剖面染色面積，cm2；ND為土壤剖面未染色面積，cm2。

3）土壤水分湍動強度

土壤水分湍動強度是各土層染色面積沿程累積面積變化幅度。用基于距離變化的溝道面積累計變化率[19]來表征土壤空間內(nèi)染色面積累計變化率（即速變程度），數(shù)值越大說明土壤染色面積波動越大，水分運動速變程度越強，數(shù)值越小說明水分運動相對穩(wěn)定。

式中TK為土壤水分湍動強度；Ki和Ki+1為各土層染色面積變化率，%；n為土層數(shù)量；K為相鄰?fù)翆娱g匯入距離的變化的土壤染色面積變化率，%；Aa、Ab為2 個相鄰?fù)翆拥娜旧娣e，cm2；Sab為相鄰?fù)翆又行狞c之間的距離，cm。

4）最大入滲深度

最大入滲深度是指土壤水分最大入滲量，本研究中指采用部分染色達到的最深染色深度，cm。

1.4.3 根系形態(tài)與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理

1）根系削弱系數(shù)

根系削弱系數(shù)[20]是根系在不同土壤深度中根系的分布狀況。β越小，表明根系在淺層土壤中分布的比例越大。

式中Y為從地表到一定土層深度的根系生物量累計百分比；d為土層深度，cm；β為根系削弱系數(shù)。

2）比根長

比根長[21]為根系長度與根干質(zhì)量的比值。比根長值越大，根越細小。

式中SRL為比根長，m/g；l為根系長度，m；m為根系生物量，g。

3）拓撲指數(shù)

對傳感器提供的信號評估和處理是生產(chǎn)高質(zhì)量注塑件的先決條件，當然高精度注塑模具也是必不可少的，例如想要使生產(chǎn)部件公差小于30 μm，就必須使用誤差低于10 μm的注塑模具。此外，還需要用于模具補償?shù)臏y量傳感器，例如Carl Zeiss工業(yè)測量儀器公司就為此發(fā)開了一種用于表面反饋的創(chuàng)新軟件。

拓撲指數(shù)[22]反映了不同植物根系的分支模式。植物根系分支介于魚尾形分支和叉狀分支之間，其值越趨于1，根系越接近魚尾形分支；越趨于0.5，根系越接近叉狀分支。

式中TI為拓撲指數(shù)；A為根系內(nèi)部連接總數(shù)；M為根系外部連接總數(shù)。

4）分形豐度

分形豐度[23]是單位土體中植物根系的體積范圍。其值越大，根系主根越發(fā)達，運輸和吸收土壤水分和養(yǎng)分的能力越強。

式中Nr為根系所截的正方形數(shù)目；r為正方形邊長；FD為根系分形維數(shù)；lgK為分形豐度。

5）分枝強度

分枝強度[24]表示根系分叉數(shù)的密集程度，也是衡量根系對土壤資源利用能力的指標。分枝強度越大，側(cè)根數(shù)量增多，減少植株間可利用資源的傳輸距離，提高土壤水分資源利用率。

式中BI為分枝強度；e為根系分叉數(shù)；l為根系長度，mm。

1.4.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用WEGO、Photoshop 2020、MATLAB R2021b和Image Pro Plus 6.0 等軟件對染色圖像進行處理和數(shù)據(jù)提取；使用Excel 2019 軟件對提取的數(shù)據(jù)進行分析整理；使用SPSS 21.0 軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析、差異性分析和相關(guān)性分析（α=0.05）；土壤水分湍動強度與根系形態(tài)與構(gòu)型的灰色關(guān)聯(lián)使用SPSSAU 進行計算；使用AutoCAD 2020 和Origin Pro 2020 軟件對數(shù)據(jù)分析結(jié)果進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒根系形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征

2022 年9 月對辣椒根系最大扎根深度進行實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，根系在土壤中平均最大扎根深度可達25 cm。將野外采集的根系樣品帶回室內(nèi)，通過植物圖像分析系統(tǒng)計算分析了不同土壤深度下根系根徑和比根長的變化，結(jié)果見表2。隨著土壤深度的增加，根徑逐漸減小，比根長也呈增加趨勢且在＞20～30 cm 達到最大值，說明土壤深度越深，辣椒根系越細小。

表2 不同土壤深度根徑和比根長變化Table 2 Changes of root diameter and specific root length in different soil depths

對辣椒根系整體進行根系形態(tài)（根徑、根系廣度和比根長）和根系結(jié)構(gòu)（拓撲指數(shù)、分枝強度和分形豐度）分析可知，根系平均根徑為0.47 mm，其生長平均廣度為18.46 cm，比根長為14.72 m/g，細根較多。同時辣椒根系平均拓撲指數(shù)為0.87，趨于1，根系接近魚尾形結(jié)構(gòu)。根系平均分形豐度為14.45，分枝強度為0.53，辣椒根系分支較多，側(cè)根密集，在土壤中拓展體積較大。對辣椒根系形態(tài)和根系結(jié)構(gòu)進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。扎根深度與分枝強度相關(guān)性最大（相關(guān)系數(shù)為0.899），根系廣度與分枝強度相關(guān)系數(shù)為0.883，表現(xiàn)為根系廣度越廣，分枝強度越大。根系廣度與分形豐度存在極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.986。整體而言，反映根系形態(tài)的根系扎根深度和根系廣度與根系結(jié)構(gòu)的相關(guān)程度更高。

表3 根系形態(tài)與結(jié)構(gòu)間相關(guān)性Table 3 Correlation between root morphology and structure

2.2 辣椒根系影響下的田間土壤水分空間運動

土壤剖面染色形態(tài)可在一定程度上表現(xiàn)土壤水分入滲的運動范圍，進而反映根系影響下的土壤水分空間分布狀況。對染色示蹤試驗獲得的36 張土壤垂直剖面染色圖像數(shù)據(jù)進行分析，選取最接近染色面積比均值（28.63%）的相對應(yīng)觀測區(qū)的染色圖像進行土壤水分空間分布狀況展示分析，土壤染色相關(guān)指標計算采用全部土壤剖面染色數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 辣椒地土壤垂直剖面染色圖像Fig.2 Dyeing image of chili pepper along soil vertical profile

由圖2 可知，土壤染色形態(tài)在0～5 cm 土層范圍內(nèi)未分化，在5 cm 以下土層沿深度開始出現(xiàn)較明顯的團塊狀分化現(xiàn)象，整體沿土壤深度呈現(xiàn)增加的變化趨勢，且染色形態(tài)出現(xiàn)側(cè)向偏移，表明土壤剖面中存在側(cè)向水分運移通道，引起水分在下滲過程中發(fā)生側(cè)向運動。當逐漸靠近辣椒主根剖面（剖面6）附近時，染色水流向主根附近發(fā)生聚集變化，土壤剖面染色形態(tài)呈現(xiàn)“指狀”分化現(xiàn)象。而特定的根區(qū)對根土空間的影響至關(guān)重要，盡管根系、土壤、環(huán)境等因素影響根土環(huán)境到達平衡的時間，但潛在根系影響范圍幾乎保持不變[25]。因此結(jié)合染色實際形態(tài)與辣椒根系（平均）生長寬度，將染色剖面沿水平寬度方向分為非根區(qū)（0～30 cm）和根區(qū)（＞30～50 cm）。非根區(qū)在0～10 cm 染色多以整體入滲為主，＞10～20 cm 由整體入滲向集中入滲過渡，＞20～30 cm 土層出現(xiàn)散點狀的染色形態(tài)，且在＞30～50 cm 土層土壤未出現(xiàn)染色。相較于非根區(qū)，根區(qū)土壤染色圖像在0～30 cm 土層呈現(xiàn)集中聚集分布特征，在辣椒主根附近（剖面6）的＞30～50 cm 土層出現(xiàn)了“指狀”染色形態(tài)的水分分布狀況，并貫穿土壤剖面。非根區(qū)土壤染色形態(tài)平均狹長度為0.89，是根區(qū)（0.61）的1.5 倍（圖3），二者之間差異顯著（P＜0.05）。說明根區(qū)土壤染色形態(tài)較狹長，水分空間分布相對集中。結(jié)合土壤剖面染色圖像分析得出，非根區(qū)土壤水分多以整體和側(cè)向分布為主，而根區(qū)在淺層土壤中水分分布較集中，但隨著土壤深度增加，出現(xiàn)了上下貫通的垂向通道，深層土壤水分分布顯著。

圖3 辣椒地土壤染色形態(tài)狹長度Fig.3 Pepper soil dyeing form narrow degree

在野外染色示蹤試驗中，基于根系主導(dǎo)的水流運動范圍所形成的染色形態(tài)變化可以反映出水流入滲運動的空間分布特征，而土壤染色面積比可定量反映土壤水分的空間運動結(jié)果（圖4）。在0～10 cm 土層中，非根區(qū)染色面積趨于100%，染色面積變化較小，而＞10～30 cm 土層中隨著土壤深度增加，染色面積比波動較大，在＞30～40 cm 土層中染色面積比逐漸趨于0，說明該土層是非根區(qū)水分運動能到達的平均最大深度范圍。而根區(qū)染色面積比呈現(xiàn)隨土壤深度增加而減少的趨勢，相較于非根區(qū)，染色面積比變化較為平緩（＞10～20 cm 土壤深度），水流運動范圍無較大變化，且在＞30～50 cm 土層中發(fā)生拖尾現(xiàn)象，根區(qū)染色沿土壤深度呈現(xiàn)集中運動。根區(qū)在＞20～50 cm 土層中，染色面積比快速下降，說明土壤側(cè)向運移通道減少，水分以垂直向下的非均勻流形式快速運動，且根區(qū)最大水流到達深度范圍（＞40～50 cm）顯著大于非根區(qū)（P＜0.05）。根區(qū)土壤平均總?cè)旧娣e比為36.84%，是非根區(qū)（23.62%）的1.6 倍（P＜0.05），表明在整個土壤空間內(nèi)，根區(qū)土壤染色覆蓋變化范圍較小，染色分布較廣泛，水分空間運動范圍相對穩(wěn)定。

圖4 辣椒地土壤染色面積比隨土壤深度的變化Fig.4 Changes of soil dyeing area ratio with soil depth in pepper field

為進一步表征辣椒根系影響下不同土層水分空間運動變化程度，對非根區(qū)和根區(qū)的土壤水分湍動強度進行分析（圖5）。非根區(qū)不同土層土壤水分湍動強度起伏大，整體呈“S”型曲線波動，而根區(qū)整體呈線性遞增。在0～20 cm 土層，非根區(qū)水分平均湍動強度為14.48，是根區(qū)（7.93）的1.6 倍，土壤水分活躍程度更高。隨著土層深度（＞20～40 cm）增加，非根區(qū)和根區(qū)的水分湍動強度均逐漸增強，非根區(qū)湍動強度達到最大值34.10，遠大于根區(qū)（22.33），說明非根區(qū)水分豎向速變程度較高，水分入滲相對減少。在＞40～50 cm 土層，非根區(qū)湍動強度減弱，根區(qū)土壤水分逐漸到達平均最大入滲深度，湍動強度持續(xù)增強，在此深度下非根區(qū)達到31.04。結(jié)合土壤染色圖像，非根區(qū)在＞20～40 cm 土層的水分空間活躍程度高。辣椒地非根區(qū)土壤水分平均湍動強度為116.09，是根區(qū)（83.90）的1.4 倍（P＜0.05），表明根系影響土壤水分的豎向運動，使土壤水分深層運動能力增強，但深層土壤側(cè)向運移通道相對表層土壤減少，土壤水分速變程度整體較弱。

圖5 辣椒地土壤水分湍動強度Fig.5 Turbulence intensity of soil moisture in pepper field

2.3 辣椒根系形態(tài)結(jié)構(gòu)對土壤水分空間運動變化的影響

湍動強度量化反映了土壤水分空間運動的速變程度，為定量分析根系形態(tài)及結(jié)構(gòu)對土壤水分空間運動分異特征的影響，以根區(qū)土壤水分湍動強度和根系形態(tài)及結(jié)構(gòu)分別作為參考序列和比較序列，對根區(qū)土壤水分湍動強度進行灰色關(guān)聯(lián)分析（表4）。反映根系形態(tài)狀況的根系比根長對土壤水分湍動強度影響最大，關(guān)聯(lián)度為0.984，其次為反映根系結(jié)構(gòu)的根系分枝強度，關(guān)聯(lián)度為0.720，根徑（關(guān)聯(lián)度為0.486）影響最小。而根系廣度、拓撲指數(shù)和分形豐度對土壤水分湍動強度影響相差不大，關(guān)聯(lián)度分別為0.684、0.687 和0.669，均高于根系扎根深度（0.555）。整體而言，根系形態(tài)對土壤水分的空間運動異質(zhì)性影響較大，而根系結(jié)構(gòu)對土壤水分的變化影響程度相對較小，且表征根系結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)影響程度相似。

表4 辣椒根系形態(tài)及結(jié)構(gòu)與土壤水分湍動強度的灰色關(guān)聯(lián)Table 4 Grey correlation between characteristic parameters of root development of chili and turbulence intensity of soil moisture

為進一步量化根系對土壤水分空間運動的影響，對辣椒地非根區(qū)和根區(qū)土壤染色圖像進行灰度值提取，灰度值的大小可以反映土壤染色的深淺變化，進而表征土壤水分含量的大?。慈旧缴?，灰度值越小，土壤水分含量越高）。而灰度值頻率描述了單位空間內(nèi)某一灰度值出現(xiàn)的次數(shù)，不同灰度值出現(xiàn)的頻率表征根區(qū)和非根區(qū)水分含量的高低。由圖6 可知，在土壤0～50 cm水平寬度內(nèi)，土壤染色平均總灰度值整體呈現(xiàn)“下降-上升-下降-上升”的變化趨勢，在水平寬度41.6 cm 處平均總灰度值總最?。?91 513），說明該位置處土壤顆粒染色最深，土壤水分含量最高。非根區(qū)和根區(qū)土壤染色平均灰度值頻率在灰度級范圍內(nèi)均呈現(xiàn)先增加后降低，隨后在一定范圍內(nèi)波動的變化趨勢，但在51～153 灰度級范圍內(nèi)，根區(qū)平均灰度值頻率顯著高于非根區(qū)。非根區(qū)平均總灰度值整體呈下降趨勢，其平均總灰度值為1 251 648，平均灰度值頻率在51～102 灰度級范圍內(nèi)下降到最小值0.09%后出現(xiàn)小范圍的增加趨勢（102～153 灰度級范圍內(nèi)），最后保持“鋸齒形”波動狀態(tài)。而根區(qū)整體呈“V”字型變化趨勢，越靠近辣椒主根定植區(qū)域，平均總灰度值越小，表明主根附近土壤含水量越高。根區(qū)平均總灰度值為1 099 961，平均灰度值頻率下降到0.23%附近（51～102 灰度級范圍）后，在102～153 灰度級范圍內(nèi)保持在0.23%附近平穩(wěn)波動狀態(tài)。根區(qū)平均總灰度值頻率（51～153 灰度級范圍）為31.34%，是非根區(qū)（19.36%）的1.6 倍。因此，在相同外部供水環(huán)境下，根區(qū)的土壤水分運動分布程度更高，水分運動更活躍。

圖6 辣椒地土壤染色灰度直方圖Fig.6 Gray histogram of soil dyeing in pepper field

綜上，根區(qū)土壤含水量顯著高于非根區(qū)土壤含水量。根系削弱系數(shù)可表征根系在土壤垂直空間內(nèi)的分布特征，其與土壤水分間的相互作用量化反映了水分運動狀況。從表5 可知，根系削弱系數(shù)隨著土層深度逐漸增大，在＞20～30 cm 最接近1，在0～20 cm 土壤深度相對較小，說明辣椒根系在淺層土壤（0～20 cm）中分布比例較大。同時，在0～20 cm 土層中，土壤含水率呈上升趨勢，含水率差異顯著（P＜0.05），而從15 cm到30 cm 土層土壤含水率降低，說明在辣椒根系淺層分布區(qū)，土壤水分狀態(tài)相對活躍，且土壤水分呈現(xiàn)集中分布狀態(tài)。

表5 不同土壤深度根系削弱系數(shù)及土壤含水率Table 5 Root reduction coefficient and soil moisture content at different soil depths

3 討論

3.1 辣椒根系分布對土壤染色形態(tài)特征的影響

根系通過自身形態(tài)及結(jié)構(gòu)來適應(yīng)土壤空間內(nèi)的水分環(huán)境[26]，同時改變了土壤水分分布狀況，使得根系生長區(qū)域范圍內(nèi)的土壤剖面內(nèi)出現(xiàn)不同的染色形態(tài)分化現(xiàn)象。本研究中的辣椒根系雖然接近魚尾形分支結(jié)構(gòu)，但隨著扎根深度的增加，根系廣度變廣，根系分形豐度增高，而較高的分形豐度表明辣椒根系細根占比多，分支多且分枝強度更大，側(cè)根更密集，根系在土壤中拓展的體積更大[23]，能夠在更大的水平空間內(nèi)獲取土壤水分，從而使土壤染色形態(tài)在辣椒根系生長區(qū)域出現(xiàn)集中聚集分布形態(tài)。通過對非根區(qū)和根區(qū)辣椒地土壤染色形態(tài)特征分析發(fā)現(xiàn)，根系生長區(qū)域染色呈聚集狀分布，水分主要分布在0～30 cm 土層內(nèi)，非根系生長區(qū)域表層土壤以整體分布為主，表明根系的生長會對土壤原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，形成以作物根系為主的根土結(jié)構(gòu)環(huán)境，并與現(xiàn)有的土壤水分孔隙路徑相連通，增強水流在土壤豎向空間內(nèi)的運動過程[27]，形成聚集的染色形態(tài)分布現(xiàn)象。本研究通過對同一土壤非根區(qū)和根區(qū)的染色形態(tài)狹長度分析發(fā)現(xiàn)根區(qū)水分分布范圍更廣，水流能到達的土壤深度更深，這與作物根系扎根深度和根系廣度有關(guān)，研究表明[28]，當淺層土壤含水量無法保證作物生理需求，根系會向土壤深層生長，以吸收利用深層土壤水分。而非根區(qū)土壤表層富集水分較多，水分深層分布不顯著，這可能是因為根區(qū)根系的生長對土壤顆粒存在壓實作用，使非根區(qū)土壤水分呈現(xiàn)表層整體分布特征。同時，在整個土壤空間內(nèi)，根系的生長極大增強了水分的入滲能力[29]。

3.2 辣椒根系對土壤水分空間運動的影響

本研究通過對0～50 cm 土壤深度染色面積比圖像進行分析發(fā)現(xiàn)，0～30 cm 土層中非根區(qū)染色面積比波動大，根區(qū)水分運動范圍變化平緩較小，而在深層土壤中，非根區(qū)水分入滲較少，說明在同一供水條件下，根土及附近形成的土壤環(huán)境可以保持較好的水分入滲條件，使土壤具有高滲透性和良好的垂直連通性[30]，這與WU 等[31]對不同植物根系土壤優(yōu)先流入滲機制的研究結(jié)果一致。同時，本研究中根區(qū)土壤平均染色面積比是非根區(qū)（23.62%）的1.6 倍，且根區(qū)土壤水分湍動強度弱，其空間運動范圍速變程度平緩，水分運動連通性優(yōu)于非根區(qū)，這可能是因為根區(qū)表層土壤水分優(yōu)先通過根系收縮作用形成的根土間隙運至土壤深層，促進土壤水分快速運動。已有研究表明[32]，根土間隙是土壤大孔隙的重要組成部分，在土壤水分運動過程中發(fā)揮重要作用。本研究中作物根系分布在0～30 cm 土層中，在此深度下根土間隙促進了水分的垂直入滲，但土壤的緊實性會影響水分的垂直入滲能力[33]。對于整個土壤空間而言，根系提高了表層土壤蓄水能力，同時也在一定程度上促進了水分的豎向入滲運動，這有助于土壤空間內(nèi)的水分交換，提高作物的水分利用能力[34]。

3.3 辣椒根系與土壤水分空間運動分異的作用關(guān)系

通過對根系形態(tài)及結(jié)構(gòu)與土壤水分湍動強度進行灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，表征根系形態(tài)的比根長對土壤水分湍動強度影響更大，其次為根系結(jié)構(gòu)中的分枝強度，表明根系的存在增加了水流運動阻力[35]。比根長決定了作物根系利用土壤水分和養(yǎng)分的能力，研究表明[21,36]，作物能夠通過增加比根長從而提高對水分和養(yǎng)分的吸收。本研究中辣椒作為主根粗、須根密集的作物，即使最大扎根深度無法穿透土壤深層，但根系對土壤產(chǎn)生的擾動使根區(qū)與深層土壤建立了豎向連通性，土壤深層水分運動以“指狀”形式向下入滲，促進了深層土壤優(yōu)先流的發(fā)育[37]，致使水分運動在含有根系的土壤空間內(nèi)呈現(xiàn)明顯的分異特征。

辣椒根系的削弱系數(shù)在0～20 cm 土層深度較小，趨于土壤淺層分布，促進了土壤表層蓄水能力。研究發(fā)現(xiàn)，相較于非根區(qū)，根區(qū)土壤含水量更高，且越靠近辣椒主根定植區(qū)域，土壤含水量越高，這是根系適應(yīng)土壤環(huán)境從而滿足自身吸收利用的體現(xiàn)。有研究發(fā)現(xiàn)[38]，由于根系在土體內(nèi)的分布延展及滲透壓的影響，將會把土壤水聚集在根系四周的利用區(qū)域內(nèi)，有利于作物根系對土壤資源的吸收利用，且土壤含水率隨著土壤深度增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化特征。李惟婕等[39]發(fā)現(xiàn)土壤水分與果樹細根長密度呈負相關(guān)關(guān)系，這與本研究結(jié)果具有一定相似性。

以往關(guān)于根系對土壤水分狀況的研究較多基于在根系影響下的土壤環(huán)境（諸如結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)等）情況下分析所得，而本研究通過從作物自身特性出發(fā)，圍繞根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)對土壤水分空間運動變化進行研究，同時對土壤空間進行非根區(qū)與根區(qū)的水流染色區(qū)域分割，細化揭示了了作物根系對農(nóng)地土壤層中水分分布變化以及空間運動的影響。但在根土間隙區(qū)，根系如何在此微觀空間內(nèi)利用狹窄區(qū)域及自身生理特性影響土壤水分狀況，且存在的根系分泌物和菌絲際及其他微生物與根系結(jié)合形成的根際共同體[40]是否對土壤水分空間分異產(chǎn)生影響，還需進一步探索研究。

4 結(jié)論

本研究通過野外染色示蹤試驗，結(jié)合形態(tài)學(xué)圖像解析技術(shù)，分析了田間土壤根區(qū)和非根區(qū)的水分空間分布，探討了辣椒根系影響下的農(nóng)地土壤水分空間運動分異特征，得出如下結(jié)論：

1）根系形態(tài)與結(jié)構(gòu)存在相關(guān)關(guān)系，進而影響土壤水分空間運動，反映根系形態(tài)的根系扎根深度（相關(guān)系數(shù)為0.899）和根系廣度（相關(guān)系數(shù)為0.883）對分枝強度的影響最大，根系廣度與分形豐度極顯著相關(guān)（P＜0.01）。

2）在相同供水條件下，根區(qū)土壤水分在0～30 cm土壤深度范圍內(nèi)呈現(xiàn)聚集狀態(tài)，深層土壤水分以“指狀”形式分布。非根區(qū)土壤水分以土壤表層0～10 cm 整體分布為主，深層無土壤水分分布，其土壤染色形態(tài)平均狹長度是根區(qū)的1.5 倍（P＜0.05）。非根區(qū)土壤水分速變程度（平均土壤水分湍動強度為116.09）強于根區(qū)（83.90），差異顯著（P＜0.05），根區(qū)水分空間運動的整體性和連通性均較好，土壤水分豎向入滲程度高。

3）根系形態(tài)相比根系結(jié)構(gòu)對土壤水分空間運動分異特征影響程度更大，其中比根長對土壤水分運動影響最大（灰色關(guān)聯(lián)度值為0.984），而根系結(jié)構(gòu)對土壤水分變化的影響程度相接近。在51～153 灰度級范圍內(nèi)，根區(qū)平均總灰度值頻率為31.34%，是非根區(qū)的1.6 倍，土壤含水量更高，根區(qū)土壤水分運動更活躍。