一种用于行栽作物土壤与根系二维制图的微破坏性方法

《Plant and Soil》：A minimally destructive method for 2-dimensional soil and root mapping in row crops

　　

研究人员针对田间地下土壤-植物互作监测困难、限制农业管理优化的问题，在一项长期小区试验中，开发了一种微破坏性的配对土壤-根系联合采样策略，用于构建土壤与根系性状的二维（2D）分布图。研究采用交错式配对采样设计，在3个6.86×6.10 m的玉米（Zea mays）小区中采集90份土壤与90份根系样品，以作物行中心构建76×30 cm的二维网格，测定容重（ρb）、重量含水量（θg）、pH、电导率（EC）、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、盐提有机氮、根系生物量、根长密度（RLD）与平均根直径（MRD），检验两个假设：H1为土壤与根系性状在作物行两侧呈镜像对称；H2为条耕与行内施肥会对行间区域产生局域效应。结果显示，3个小区的土壤与根系二维分布图整体一致，最优插值模型存在差异；H1得到部分支持，11项变量中有6项在行两侧显著相关；H2得到支持，11项变量中有8项受行管理影响，其中行内效应最强的是NH4+-N > 根系生物量、RLD > NO3--N > EC > ρb。该微破坏性联合采样与制图方法可在植株尺度（0.05–1 m）同步表征土壤与根系分布，适用于其他农作系统以评估行栽作物管理措施。

该研究发表于《Plant and Soil》，聚焦于解决田间原位观测地下土壤-根系互作的长期技术瓶颈。当前，尽管根箱与根系表型扫描技术推动了温室尺度的根系动态研究，但田间原位同步获取土壤与根系的高分辨率分布仍面临挑战：传统铲取抖根法破坏性大，微型根窗与根排除芯等方法难以实现植株尺度的土壤-根系配对采样，且无法适配现代精准农业中厘米级精度的条耕、带状施肥等管理措施的空间评估需求。为此，研究人员依托美国爱荷华州立大学索伦森农场的长期连续玉米试验平台，开发了微破坏性配对采样与二维制图技术，旨在实现植株尺度土壤-根系性状的同步可视化，并验证“作物行两侧土壤-根系性状对称”与“行管理产生局域效应”两个假设，为精准农业管理提供地下过程的可视化证据。

研究采用的关键技术方法包括：在玉米V6生长期，于3个位于地形序列上的连续玉米小区（土壤类型分别为Webster黏壤土、Nicollet壤土、Clarion壤土）开展交错式配对采样，以3.2 cm直径土钻在距作物行中心±38 cm范围内按5 cm水平间距、5 cm垂直分层采集样品，构建76×30 cm的二维伪网格（采样密度达395样/m2）；采用旋转冲洗法分离根系，结合RhizoVision Explorer软件量化根系形态指标；土壤样品同步测定物理、化学与氮组分指标；通过线性混合效应模型（LMM）检验行两侧对称性假设，以包含方差、相关系数、平均绝对误差与均方根误差的植物尺度剖面制图综合得分（PSMCS）优选反距离加权（IDW）、三次样条与普通克里金（OK）三种插值模型。

研究结果如下：

二维土壤与根系性状制图结果显示，玉米V6期根系生物量与根长密度变异性最高（变异系数>144%），土壤氮库中等变异，理化性质变异较低；三维插值模型优选结果表明，41%的变量最优拟合为三次样条，45%为高斯模型普通克里金，14%为反距离加权，且小区均值的最优模型选择常与单小区存在差异，反映空间变异特征对插值方法的依赖性。

假设1（对称轴）检验表明，11项变量中6项表现出显著对称性，其中土壤重量含水量（θ_g）对称性最强（Lin一致性相关系数0.767，伪R2=0.729），其次为pH、硝态氮（NO₃^--N）、根长密度（RLD）、根系生物量与电导率（EC）；盐提有机氮与微生物生物量氮无对称性，可能与微生物活动的空间异质性有关。

假设2（行效应）检验证实，条耕、行内施肥与根系生长的联合作用显著影响8项变量：行内铵态氮（NH₄⁺-N）较行间高62%，根长密度与根系生物量分别高59%与55%，容重（ρ_b）降低6%，pH降低2%；盐提有机氮、微生物生物量氮与平均根直径未表现显著行效应，可能源于耕作对微生物的负向抵消或生育期较早的限制。

讨论部分指出，该技术首次在田间实现植株尺度土壤-根系的微破坏性高分辨率联合制图，采样密度显著高于既往研究，且通过PSMCS框架平衡了插值模型的平滑度与噪声敏感性，避免了传统单一指标的偏差。二维分布图揭示了传统统计无法识别的管理偏移现象，例如氮肥在行右侧的局部富集热点，以及行间区域的容重升高（可能为未耕作区与机械压实共同导致），可直接指导施肥设备校准与耕作优化。研究同时发现，现代精准管理的均匀性并未完全消除土壤-根系的空间不对称性，微生物相关氮组分的响应滞后可能受耕作干扰与生育期的共同调控。结论强调，该方法可在最小化小区扰动的前提下，以0.05–1 m的植株尺度同步解析土壤-根系分布格局，适用于各类行栽作物的管理措施评估，为地下生态过程的精细化管理提供了可推广的技术范式。