辣椒根系影响下的农地土壤水分空间运动分异特征.pdf

第39 卷第13期2023年7月农业工程学报Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringVol.39No.13July 2023141辣椒根系影响下的农地土壤水分空间运动分异特征杨婷1.2，陈晓冰1.2*，许昊34，秦梓城3-4，刘思佳34，刘俊杰3.4（1桂林理工大学广西岩溶地区水污染与用水安全保障协同创新中心，桂林5410 0 4；2 桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，桂林5410 0 4；3.广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，桂林5410 0 4；4桂林理工大学环境科学与工程学院，桂林5410 0 4）摘要：根系是土壤层中重要的组成结构，根土环境影响田间作物生长发育。为探究作物根系对农地土壤水分空间运动异质性的影响，进一步反映根土环境对农业生产的作用，该研究以辣椒为试验作物，于2 0 2 2 年9 月2 0 日一2 0 2 2 年9月2 3日开展野外染色示踪试验，结合形态学图像解析技术与灰色系统理论，对作物根系影响下的农地土壤水分空间运动变化进行分析。结果表明：辣椒根系接近鱼尾形结构，根系体积相对较大，根系扎根深度和根系广度（根系形态）与根系结构相关程度高（P0.05）。在相同外部供水条件下，非根区的水分整体分布在田间土壤表层（平均狭长度为0.89），而根区土壤水分在整个土壤深度（0 50 cm）空间内沿深度由整体向团状聚集状态再向“指状”（平均狭长度为0.6 1）形态转变。非根区和根区的土壤平均染色面积比均随土壤深度增加而减小，但根区平均染色面积比（36.8 4%）显著高于非根区（2 3.6 2%），土壤水分分布更集中。非根区水分沿土壤深度的增加，其运动变化程度（平均瑞动强度为116.0 9）显著高于根区（P10202030304040501.2染色示踪试验根据样地种植情况，随机选取3个种植垄作为染色示踪试验区，清理表面杂草，将长6 0 cm、宽6 0 cm、高30 cm和厚0.3cm的金属样方缓慢砸入试验区内（样方内植株具体布设位置见图1），砸入深度为15cm。100m60cm注：数字112 为剖面挖掘层数，黑色部分表示土壤染色部分。Note:The number of 1-12 is excavation layers,and the black part represents thesoil dyeing part.农业工程学报（http:/www.tcsae.org）表1研究样地土壤基本性质Table 1 Soil basic properties of the test plot有机质孔隙率organic matter/Bulk density/(mms-)(g:kg)0.1080.05516.895.480.0930.02614.765.020.0510.00612.253.560.0310.00710.632.880.0220.0018.532.09种植带方向Plantingbeltdirection60cm-H2.cm图1土壤染色剖面示意图Fig.1 Soil dyeing profile diagram2023年1材料与方法1.1亲辣椒种植概况研究区位于广西桂林市临桂区（2 517 N，11001E），属亚热带季风区，年平均温度为2 0，年平均降雨量为18 6 9 mm，近6 5%的降雨集中出现在4一7 月，大雨占比约2 6%。土壤以红壤土、石灰土和水稻土为主要土壤类型，土壤质地主要为粉壤土。选择研究区内长、宽分别为2 0 m和10 m的农用平地作为试验样地，种植前深翻土壤。研究地种植作物为辣椒（桂椒12号），于2 0 2 2 年4月上旬定植，8 一10 月收获，采用起垄深埋的种植方式，设置多个垄行，垄间距为15cm，垄宽为12 0 cm，垄高为15cm，采用垄上双株双行定植，株距50 cm，行距7 0 cm。施肥方式如下：底肥生物有机肥（有机质7 0%）30 0 kg/hm，追肥复合肥38 0 kg/hm（N质量分数15%、P2Os质量分数15%、K,O质量分数15%）。野外试验时间选择在辣椒成熟期，时间为2 0 2 2年9月2 0 日一2 0 2 2 年9月2 3日，试验期间野外未出现降雨现象。研究样地土壤基本性质如表1所示。容重颗粒组成Particlecomposition/%Porosity/%黏粒Clay(g:cm)1.230.061.350.061.300.071.360.081.390.07为了防止降雨等外界因素的干扰，试验前使用塑料薄膜对样方进行2 4h覆盖。2 4h后移除金属样方上的薄膜，使用带有稳定恒流泵的供水装置将10 L（含5%的损耗）浓度为4g/L的亮蓝溶液（以当地累计2 4h的降雨量2 5mm为配置标准）以150 mL/min均匀喷洒到样方内，喷洒结束后再用塑料薄膜覆盖样方2 4h。2 4h 后移除塑料薄膜，选择样方内植株前后10 cm区域，以20cm2cm水平宽度为一层，对试验区进行垂直剖面挖掘至最大染色深度处，当土壤剖面开始出现作物须根时，为减少挖掘过程对根系及其附近土壤染色剖面的影响，以1cm水平宽度缓慢向前挖掘，并配合使用毛刷等工具在根系生长区域缓慢刷去根系周围土壤并平整土壤剖面，使用1510 万像素的单反相机（CanonEOS50D）对剖面图像进行拍摄。土壤垂直剖面挖掘空间示意如图1所示。1.3根系采集与生物量测定利用铁锹、镊子、毛刷等工具，采用全挖法对观测区辣椒根系进行采集，将根系整体、缓慢地从土壤中取出，尽可能保证根系结构的完整性，并使用皮尺测量记录辣椒最大扎根深度，使用自封袋将采集的根系带回实验室，将根系清洗干净后，采用植物图像分析仪（M ICRO T EK Sc a n M a k e r i 8 0 0 p l u s）对根系进行扫描。将得到的根系扫描图导入万深LA-S系列植物图像分析系统分析根系内部连接数量、外部连接数量、根系长度、根系广度、平均根系直径、总根表面积等根系参数。然粉粒Powder39.852.232.710.9037.253.992.531.8937.822.383.191.6836.135.864.502.3634.364.466.601.83砂粒Sand90.160.487.111.2588.582.198.873.5988.034.498.775.8187.992.647.514.1187.712.535.692.41第13期后将样本置于8 0 烘箱中烘干至恒质量，获得辣椒根系干质量，分别计算出根系形态（根系削弱系数、比根长）指标和根系结构（拓扑指数、分形丰度、分枝强度）指标。1.4数据处理与分析1.4.1染色图像数据处理利用WGEO软件对垂直染色图像进行校正，再通过Photoshop2020进行裁剪、颜色替换，灰度调节，利用MATLABR2021b对处理后的图片进行根系和土壤染色的分割，获得50 0 50 0 像素的土壤垂直剖面染色图像。最后利用ImageProPlus6.0图像处理软件进行像素点的分割与数量的统计分析，分别获得0 2 55灰度级数值矩阵和仅含有0 和2 55的数值矩阵，用于后续土壤水分运动相关参数的计算。1.4.2土壤相关指标计算1）土壤染色形态狭长度土壤染色形态狭长度17 是指土壤剖面水平和垂直方向上染色形态外切边界平行线距离的最小值与最大值之比，反映土壤染色形态的细长程度，其值越小，土壤水分竖向分布越狭长。ArR=Emin/Emax式中AR为土壤染色形态狭长度；Emin为土壤染色形态最小外切边界平行线距离，cm；Em a x 为土壤染色形态最大外切边界平行线距离，cm。2）土壤剖面染色面积比土壤剖面染色面积比18 是土壤剖面染色面积占该剖面总面积的百分比，反映土壤中水流运动范围的大小。Dc=100D/(D+ND)(2)式中Dc为土壤剖面染色面积比，%；D为土壤剖面染色面积，cm；N,为土壤剖面未染色面积，cm。3）土壤水分动强度土壤水分动强度是各土层染色面积沿程累积面积变化幅度。用基于距离变化的沟道面积累计变化率19 来表征土壤空间内染色面积累计变化率（即速变程度），数值越大说明土壤染色面积波动越大，水分运动速变程度越强，数值越小说明水分运动相对稳定。Tx=Ir,Ki,Ki1lK=(Aa-Ab)/(Aa S ab)100%式中Tk为土壤水分动强度；K,和Ki+1为各土层染色面积变化率，%；n为土层数量；K为相邻土层间汇入距离的变化的土壤染色面积变化率，%；Aa、A b 为2 个相邻土层的染色面积，cm；Sa b 为相邻土层中心点之间的距离,cm。4）最大入渗深度最大入渗深度是指土壤水分最大入渗量，本研究中指采用部分染色达到的最深染色深度，cm。1.4.3根系形态与结构数据处理1）根系削弱系数根系削弱系数2 0 是根系在不同土壤深度中根系的分布状况。越小，表明根系在浅层土壤中分布的比例越大。杨婷等：辣椒根系影响下的农地土壤水分空间运动分异特征(1)1.4.4数据统计分析使用WEGO、Ph o t o s h o p 2 0 2 0、M A T LA B R2 0 2 1b和ImageProPlus6.0等软件对染色图像进行处理和数据提取；使用Excel2019软件对提取的数据进行分析整理；(3)使用SPSS21.0软件对数据进行方差分析、差异性分析(4)和相关性分析（=0.05）；土壤水分动强度与根系形态与构型的灰色关联使用SPSSAU进行计算；使用AutoCAD2020和OriginPro2020软件对数据分析结果进行图表绘制。2结果与分析2.1亲辣椒根系形态及结构特征2022年9 月对辣椒根系最大扎根深度进行实地调查发现，根系在土壤中平均最大扎根深度可达2 5cm。将野外采集的根系样品带回室内，通过植物图像分析系统计算分析了不同土壤深度下根系根径和比根长的变化，结果见表2。随着土壤深度的增加，根径逐渐减小，比根长也呈增加趋势且在 2 0 30 cm达到最大值，说明土143Y=1-d(5)式中Y为从地表到一定土层深度的根系生物量累计百分比；d为土层深度，cm；为根系削弱系数。2）比根长比根长2 1 为根系长度与根干质量的比值。比根长值越大，根越细小。SRL=l/m式中SRL为比根长，m/g；1为根系长度，m；m 为根系生物量，g。3）拓扑指数拓扑指数2 反映了不同植物根系的分支模式。植物根系分支介于鱼尾形分支和又状分支之间，其值越趋于1，根系越接近鱼尾形分支；越趋于0.5，根系越接近又状分支。T,=lgA/lgM式中T,为拓扑指数；A为根系内部连接总数；M为根系外部连接总数。4）分形丰度分形丰度2 3 是单位土体中植物根系的体积范围。其值越大，根系主根越发达，运输和吸收土壤水分和养分的能力越强。lgN,=-Fplgr+lgK式中N,为根系所截的正方形数目；r为正方形边长；F为根系分形维数；lgK为分形丰度。5）分枝强度分枝强度2 4 表示根系分叉数的密集程度，也是衡量根系对土壤资源利用能力的指标。分枝强度越大，侧根数量增多，减少植株间可利用资源的传输距离，提高土壤水分资源利用率。(9)式中B,为分枝强度；e为根系分又数；1为根系长度，mm。(6)(7)(8)B;=e/l144壤深度越深，辣椒根系越细小。表2 不同土壤深度根径和比根长变化Table 2 Changes of root diameter and specific root length indifferent soil depths土壤深度根径Soil depth/cmRoot diameter/mm051.160.17 a5100.980.06 a10150.670.08 b15200.580.08 b20250.610.05 b25300.500.10b注：表中数据为平均值土标准差；不同小写字母表示同一区域不同土壤深度之间差异显著（P0.05）；下同。Note:The soil moisture content in the table is mean standard deviation;differentlowercase letters indicated significant differences between different soil depths inthe same area(P0.05);Same as below.对辣椒根系整体进行根系形态（根径、根系广度和比根长）和根系结构（拓扑指数、分枝强度和分形丰度）分析可知，根系平均根径为0.47 mm，其生长平均广度为18.46 cm，比根长为14.7 2 m/g，细根较多。同时辣椒根系平均拓扑指数为0.8 7，趋于1，根系接近鱼尾形结构。根系平均分形丰度为14.45，分枝强度为0.53，辣椒根系分支较多，侧根密集，在土壤中拓展体积较大。对辣椒根系形态和根系结构进行相关性分析，结果见表3。扎根深度与分枝强度相关性最大（相关系数为0.8 9 9），x/cmx/cm1020.3040 50102030.40 50001010520203.300.30404050LA10203040500106203.304050 LA注：x为土壤水平宽度，为土壤深度；灰色部分为土壤染色部分，黑色部分为辣椒根系；A、B分别为非根区、根区，下同。Note:x is the horizontal width of soil,and y is the depth of soil;the gray part is the stained part of soil,and the black part is the root of pepper;A and B are non-rootzone and root zone respectively,the same below.由图2 可知，土壤染色形态在0 5cm土层范围内未分化，在5cm以下土层沿深度开始出现较明显的团块状分化现象，整体沿土壤深度呈现增加的变化趋势，且染色形态出现侧向偏移，表明土壤剖面中存在侧向水分运移通道，引起水分在下渗过程中发生侧向运动。当逐渐靠近辣椒主根剖面（剖面6）附近时，染色水流向主根附近发生聚集变化，土壤剖面染色形态呈现“指状”分化现象。而特定的根区对根土空间的影响至关重要，尽管根系、土壤、环境等因素影响根土环境到达平衡的农业工程学报（http:/www.tcsae.org）比根长相关程度更高。Specific root length/(mg)2.911.02 bc5.130.95 abc3.470.76 abc2.530.42 c8.853.22 a 8.324.52 ax/cm010203040B50LA1x/cmB72023年根系广度与分枝强度相关系数为0.8 8 3，表现为根系广度越广，分枝强度越大。根系广度与分形丰度存在极显著相关关系（P 30 50 c m）。非根区在0 10 cm染色多以整体入渗为主，10 2 0 cm由整体入渗向集中入渗过渡，2 0 30cm土层出现散点状的染色形态，且在 30 50 cm土层土壤未出现染色。相较于非根区，根区土壤染色图像在0 30 cm土层呈现集中聚集分布特征，在辣椒主根附近（剖面6）的 30 50 cm土层出现了“指状”染色形0.085-0.6740.293x/cm10 20 30 4050010200.3040B50LA4x/cm1020.304050010200.3040B50LA9b.剖面7 12b.Profile No.7-120.0620.3000.417B50LA5x/cm10 20 30 40 500102040B50LA10B6x/cm10 20 30.40500102040B50LA11B12第13期态的水分分布状况，并贯穿土壤剖面。非根区土壤染色形态平均狭长度为0.8 9，是根区（0.6 1）的1.5倍（图3），二者之间差异显著（P 10 30cm土层中随着土壤深度增加，染色面积比波动较大，在 30 40 cm土层中染色面积比逐渐趋于0，说明该土层是非根区水分运动能到达的平均最大深度范围。而根区染色面积比呈现随土壤深度增加而减少的趋势，相较于非根区，染色面积比变化较为平缓（10 杨婷等：辣椒根系影响下的农地土壤水分空间运动分异特征土壤水分速变程度整体较弱。染色面积比Dyeing area ratio/%2040608801000104050AB区域Area图3辣椒地土壤染色形态狭长度Fig.3Pepper soil dyeing form narrow degree145远大于根区（2 2.33），说明非根区水分竖向速变程度较高，水分入渗相对减少。在 40 50 cm土层，非根区湍动强度减弱，根区土壤水分逐渐到达平均最大入渗深度，湍动强度持续增强，在此深度下非根区达到31.0 4。结合土壤染色图像，非根区在 2 0 40 cm土层的水分空间活跃程度高。辣椒地非根区土壤水分平均湍动强度为116.0 9，是根区（8 3.9 0）的1.4倍（P4050304020301020010土壤深度Soil depth/cm20cm土壤深度），水流运动范围无较大变化，且在3050cm土层中发生拖尾现象，根区染色沿土壤深度呈现集中运动。根区在 2 0 50 cm土层中，染色面积比快速下降，说明土壤侧向运移通道减少，水分以垂直向下的非均匀流形式快速运动，且根区最大水流到达深度范围（40 50 cm）显著大于非根区（P0.05）。根区土壤平均总染色面积比为36.8 4%，是非根区（2 3.6 2%）的1.6 倍（P 2 0 40 cm）增加，非根区和根区的水分动强度均逐渐增强，非根区瑞动强度达到最大值34.10，注：图中数值均为平均值；样本数为36。Note:The values in the figure are average;sample size is 36.图5辣椒地土壤水分湍动强度Fig.5 Turbulence intensity of soil moisture in pepper field2.3新辣椒根系形态结构对土壤水分空间运动变化的影响动强度量化反映了土壤水分空间运动的速变程度，为定量分析根系形态及结构对土壤水分空间运动分异特征的影响，以根区土壤水分湍动强度和根系形态及结构分别作为参考序列和比较序列，对根区土壤水分动强度进行灰色关联分析（表4）。反映根系形态状况的根系比根长对土壤水分湍动强度影响最大，关联度为0.9 8 4，其次为反映根系结构的根系分枝强度，关联度为0.7 2 0，根径（关联度为0.48 6）影响最小。而根系广度、拓扑指数和分形丰度对土壤水分湍动强度影响相差不大，关联度分别为0.6 8 4、0.6 8 7 和0.6 6 9，均高于根系扎根深度（0.555）。整体而言，根系形态对土壤水分的空间运动异质性影响较大，而根系结构对土壤水分的变化影响程度相对较小，且表征根系结构的特征参数影响程度相似。146表4辣椒根系形态及结构与土壤水分动强度的灰色关联Table 4 Grey correlation between characteristic parameters of rootdevelopment of chili and turbulence intensity of soil moisture指标Index关联度Correlationdegree根径Root diameter0.486比根长Specific root length0.984根系广度Rootwidth0.684扎根深度Rooting depth0.555分形丰度Fractal abundance0.669拓扑指数Topological index0.687分枝强度Branching intensity0.720为进一步量化根系对土壤水分空间运动的影响，对辣椒地非根区和根区土壤染色图像进行灰度值提取，灰度值的大小可以反映土壤染色的深浅变化，进而表征土壤水分含量的大小（即染色越深，灰度值越小，土壤水分含量越高）。而灰度值频率描述了单位空间内某一灰度值出现的次数，不同灰度值出现的频率表征根区和非根区水分含量的高低。由图6 可知，在土壤0 50 cm水平宽度内，土壤染色平均总灰度值整体呈现“下降-上升-下降-上升”的变化趋势，在水平宽度41.6 cm处平均总灰度值总最小（9 9 1513），说明该位置处土壤颗粒染色最深，土壤水分含量最高。非根区和根区土壤染色平均灰度值频率在灰度级范围内均呈现先增加后降低，随后在一定范围内波动的变化趋势，但在51153灰度级范围内，根区平均灰度值频率显著高于非根区。非根区平均总灰度值整体呈下降趋势，其平均总灰度值为1251648，平均灰度值频率在5110 2 灰度级范围内下降到最小值0.0 9%后出现小范围的增加趋势（10 2 153灰度级范围内），最后保持“锯齿形”波动状态。而根区整体呈“V”字型变化趋势，越靠近辣椒主根定植区域，平均总灰度值越小，表明主根附近土壤含水量越高。根区平均总灰度值为10 9 9 9 6 1，平均灰度值频率下降到0.2 3%附近（5110 2 灰度级范围）后，在102153灰度级范围内保持在0.2 3%附近平稳波动状态。根区平均总灰度值频率（51153灰度级范围）为31.34%，是非根区（19.36%）的1.6 倍。因此，在相同外部供水环境下，根区的土壤水分运动分布程度更高，水分运动更活跃。1.4010%1.3510%01.20 x101.1510%51.10 x1001.0010%9.501050土壤宽度Soilwidth/cma.总灰度a.Total grey注：图中数值均为平均值；样本数为3。Note:The values in the figure are average;sample size is 3.图6 辣椒地土壤染色灰度直方图Fig.6Gray histogram of soil dyeing in pepper field综上，根区土壤含水量显著高于非根区土壤含水量。根系削弱系数可表征根系在土壤垂直空间内的分布特征，其与土壤水分间的相互作用量化反映了水分运动状况。农业工程学报（http:/www.tcsae.org）Soil depth/cm055101015152020252530注：样本数为3。Note:Sample size is 3.3 讨 论3.1亲辣椒根系分布对土壤染色形态特征的影响根系通过自身形态及结构来适应土壤空间内的水分环境2 6 ，同时改变了土壤水分分布状况，使得根系生长区域范围内的土壤剖面内出现不同的染色形态分化现象。本研究中的辣椒根系虽然接近鱼尾形分支结构，但随着扎根深度的增加，根系广度变广，根系分形丰度增高，而较高的分形丰度表明辣椒根系细根占比多，分支多且分枝强度更大，侧根更密集，根系在土壤中拓展的体积更大2 3，能够在更大的水平空间内获取土壤水分，从而使土壤染色形态在辣椒根系生长区域出现集中聚集分布形态。通过对非根区和根区辣椒地土壤染色形态特征分析发现，根系生长区域染色呈聚集状分布，水分主要分布在0 30 cm土层内，非根系生长区域表层土壤以整体分布为主，表明根系的生长会对土壤原有结构产生扰动，形成以作物根系为主的根土结构环境，并与现有的土壤水分孔隙路径相连通，增强水流在土壤竖向空间内的运1.6合B0.80.60.40.210203040502023年从表5可知，根系削弱系数随着土层深度逐渐增大，在2030cm最接近1，在0 2 0 cm土壤深度相对较小，说明辣椒根系在浅层土壤（0 2 0 cm）中分布比例较大。同时，在0 2 0 cm土层中，土壤含水率呈上升趋势，含水率差异显著（P0.05），而从15cm到30 cm土层土壤含水率降低，说明在辣椒根系浅层分布区，土壤水分状态相对活跃，且土壤水分呈现集中分布状态。表5不同土壤深度根系削弱系数及土壤含水率Table 5 Root reduction coefficient and soil moisture content atdifferent soil depths土层深度根系削弱系数Root reduction coefficient0.9630.9790.9810.9820.9980.999动过程2 7 ，形成聚集的染色形态分布现象。本研究通过对同一土壤非根区和根区的染色形态狭长度分析发现根区水分分布范围更广，水流能到达的土壤深度更深，这与作物根系扎根深度和根系广度有关，研究表明2 8 ，当浅层土壤含水量无法保证作物生理需求，根系会向土壤051102153204255灰度值Grayvalueb.频率b.Frequency土壤含水率Soil moisture/%12.702.47 e16.732.31 d19.770.84 bc22.411.86 a21.260.72 ab19.541.12 bc深层生长，以吸收利用深层土壤水分。而非根区土壤表层富集水分较多，水分深层分布不显著，这可能是因为根区根系的生长对土壤颗粒存在压实作用，使非根区土壤水分呈现表层整体分布特征。同时，在整个土壤空间内，根系的生长极大增强了水分的入渗能力2 9 。3.2亲辣椒根系对土壤水分空间运动的影响本研究通过对0 50 cm土壤深度染色面积比图像进行分析发现，0 30 cm土层中非根区染色面积比波动大，根区水分运动范围变化平缓较小，而在深层土壤中，非第13期根区水分入渗较少，说明在同一供水条件下，根土及附近形成的土壤环境可以保持较好的水分入渗条件，使土壤具有高渗透性和良好的垂直连通性30 1，这与WU等31对不同植物根系土壤优先流入渗机制的研究结果一致。同时，本研究中根区土壤平均染色面积比是非根区（2 3.6 2%）的1.6 倍，且根区土壤水分瑞动强度弱，其空间运动范围速变程度平缓，水分运动连通性优于非根区，这可能是因为根区表层土壤水分优先通过根系收缩作用形成的根土间隙运至土壤深层，促进土壤水分快速运动。已有研究表明32 ，根土间隙是土壤大孔隙的重要组成部分，在土壤水分运动过程中发挥重要作用。本研究中作物根系分布在0 30 cm土层中，在此深度下根土间隙促进了水分的垂直入渗，但土壤的紧实性会影响水分的垂直入渗能力33。对于整个土壤空间而言，根系提高了表层土壤蓄水能力，同时也在一定程度上促进了水分的竖向入渗运动，这有助于土壤空间内的水分交换，提高作物的水分利用能力34。3.3辣椒根系与土壤水分空间运动分异的作用关系通过对根系形态及结构与土壤水分湍动强度进行灰色关联分析发现，表征根系形态的比根长对土壤水分湍动强度影响更大，其次为根系结构中的分枝强度，表明根系的存在增加了水流运动阻力35。比根长决定了作物根系利用土壤水分和养分的能力，研究表明2 1.36 ，作物能够通过增加比根长从而提高对水分和养分的吸收。本研究中辣椒作为主根粗、须根密集的作物，即使最大扎根深度无法穿透土壤深层，但根系对土壤产生的扰动使根区与深层土壤建立了竖向连通性，土壤深层水分运动以“指状”形式向下入渗，促进了深层土壤优先流的发育37 ，致使水分运动在含有根系的土壤空间内呈现明显的分异特征。辣椒根系的削弱系数在0 2 0 cm土层深度较小，趋于土壤浅层分布，促进了土壤表层蓄水能力。研究发现，相较于非根区，根区土壤含水量更高，且越靠近辣椒主根定植区域，土壤含水量越高，这是根系适应土壤环境从而满足自身吸收利用的体现。有研究发现38 ，由于根系在土体内的分布延展及渗透压的影响，将会把土壤水聚集在根系四周的利用区域内，有利于作物根系对土壤资源的吸收利用，且土壤含水率随着土壤深度增加呈现先增大后减小的变化特征。李惟婕等39 发现土壤水分与果树细根长密度呈负相关关系，这与本研究结果具有一定相似性。以往关于根系对土壤水分状况的研究较多基于在根系影响下的土壤环境（诸如结构、理化性质等）情况下分析所得，而本研究通过从作物自身特性出发，围绕根系的形态结构对土壤水分空间运动变化进行研究，同时对土壤空间进行非根区与根区的水流染色区域分割，细化揭示了了作物根系对农地土壤层中水分分布变化以及空间运动的影响。但在根土间隙区，根系如何在此微观空间内利用狭窄区域及自身生理特性影响土壤水分状况，且存在的根系分泌物和菌丝际及其他微生物与根系结合杨婷等：辣椒根系影响下的农地土壤水分空间运动分异特征2023,68(12):1567-1579.LI Shufeng,ZHAO Jiagang,ALEX FARNSWORTH,et al.The growth of the Tibetan Plateau shaped hydrologic cycle andecosystem in eastern Asia:Progress and perspectivesJ.Chinese Science Bulletin.,2023,68(12):1567-1579.(inChinese with English abstract)2秦诗洁，师登峰，高伟达.吉林南部不同耕作管理下土壤水分对降雨事件的响应J.农业工程学报，2 0 2 2，38(18)：147-155.QIN Shijie,SHI Dengfeng,GAO Weida.Responses of soilwater content to rainfall events under different tillagemanagement in Southern Jilin Province of ChinaJ.Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),2022,38(18):147-155.(in Chinese with English abstract)3 ZHAO X,LIU Z,CAI L,et al.Occurrence and distribution ofmicroplastics in surface sediments of a typical river with ahighly eroded catchment,a case of the Yan River,a tributary ofthe Yellow RiverJ.Science of the Total Environment,Amsterdam:Elsevier,2023,863:160932.4WANG S,YANG M,GAO X,et al.Comparison of the root-soil water relationship of two typical revegetation species along147形成的根际共同体40 是否对土壤水分空间分异产生影响，还需进一步探索研究。4结 论本研究通过野外染色示踪试验，结合形态学图像解析技术，分析了田间土壤根区和非根区的水分空间分布，探讨了辣椒根系影响下的农地土壤水分空间运动分异特征，得出如下结论：1）根系形态与结构存在相关关系，进而影响土壤水分空间运动，反映根系形态的根系扎根深度（相关系数为0.8 9 9）和根系广度（相关系数为0.8 8 3）对分枝强度的影响最大，根系广度与分形丰度极显著相关（P0.01）。2）在相同供水条件下，根区土壤水分在0 30 cm土壤深度范围内呈现聚集状态，深层土壤水分以“指状”形式分布。非根区土壤水分以土壤表层0 10 cm整体分布为主，深层无土壤水分分布，其土壤染色形态平均狭长度是根区的1.5倍（P0.05）。非根区土壤水分速变程度（平均土壤水分瑞动强度为116.0 9）强于根区（8 3.9 0），差异显著（P0.05），根区水分空间运动的整体性和连通性均较好，土壤水分竖向入渗程度高。3）根系形态相比根系结构对土壤水分空间运动分异特征影响程度更大，其中比根长对土壤水分运动影响最大（灰色关联度值为0.9 8 4），而根系结构对土壤水分变化的影响程度相接近。在51153灰度级范围内，根区平均总灰度值频率为31.34%，是非根区的1.6 倍，土壤含水量更高，根区土壤水分运动更活跃。参考文献1】李树峰，赵佳港，ALEXFARNSWORTH，等.新生代青藏高原生长对东亚水循环及生态系统的影响.科学通报，148aprecipitationgradient onthe Loess PlateauJ.Environmental Research Letters,IOP Publishing,2021,16(6):064054.5刘伟，徐冰，汤鹏程，等.土壤水热与根系吸水模型研究进展及其在西藏研究展望J.水资源与水工程学报，2 0 19，30(3):254-260.LIU Wei,XU Bing,TANG Pengcheng,et al.Researchprogress on models of soil water and heat and root wateruptake and prospect in TibetJ.Journal of Water Resourcesand Water Engineering,2019,30(3):254-260.(in Chinese withEnglish abstract)6赵引，李国安，夏江宝，等.覆膜和灌水量对制种玉米根系分布及产量的影响J.农业工程学报，2 0 2 2，38(15)：104-114.ZHAO Yin,LI Guoan,XIA Jiangbao,et al.Effects of filmmulching and irrigation amount on the root distribution andyield of seed-maizeJ.Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2022,38(15):104-114.(in Chinese with English abstract)7介飞龙，费良军，李山，等.基于根系层水分状态的旱区净灌溉需水量模型构建和应用J.农业工程学报，2 0 2 2，38(13):105-113.JIE Feilong,FEI Liangjun,LI Shan,et al.HAN Shiyu,et al.Constructing and applying the net irrigation water requirementmodel for arid areas using water state of root zoneJJ.Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),2022,38(13):105-113.(in Chinese with English abstract)8 SIX J,BOSSUYT H,DEGRYZE S,et al.A history of researchon the link between(micro)aggregates,soil biota,and soilorganic matter dynamicsJ.Soil and Tillage Research,2004,79(1):7-31.9 岳伶俐，夏雄，胡德勇，等.基于氢氧同位素的油茶果实生长高峰期水分来源量化J.农业工程学报，2 0 2 1，37(20):154-161.YUE Lingli,XIA Xiong,HU Deyong,et al.Quantifying thewater sources of Camellia oleifera during fruit growth peakperiod using hydrogen and oxygen isotopes JJ.Transacti