蓄水坑灌下蘋果樹根系生長對不同氮素水平的響應

張人天，馬娟娟，孫瑞峰，高 娟，孫西歡,2，郭向紅

(1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.山西晉中學院，山西 晉中 030619)

蓄水坑灌法是一種中深層立體灌溉的新方法，適用于我國北方干旱和半干旱地區[1,2]，蓄水坑灌法通過蓄水坑壁將果樹所需要的水分、氮等養分直接作用于果樹的根區土壤進行水肥一體化灌溉。該方法可以有效改善土壤通透性，充分利用當地降雨徑流、減小水土流失，促進深層根系的生長發育。同時蓄水坑灌條件下氮素溶解充分且氮素分布均勻，具有抗旱、節水、保水保肥的特點[3,4]。

氮素是植物生長發育必需的大量營養元素之一, 它是果樹生長的重要物質基礎[5,6]。而根作為作物重要的吸收合成器官，具有吸收水分養分促進作物生長發育的重要作用。蘋果根系具有較強可塑性，氮素作為極其重要的養分，其變化會使根系的生長發育和生理功能產生相應的變化[7]。通過觀測計算得到根長密度(RLD)和根表面積密度(RSAD)，作為反映蘋果樹地下部分生長的重要指標，RLD和RSAD在一定程度上可以反映蘋果樹根系對土壤水分、養分等利用能力的強弱[8]。增施氮肥可以有效改善土壤肥力，對果樹的根系生長發育起到了極大的調控和促進作用。大量研究表明隨著供氮水平的提高，平邑甜茶蘋果樹的根系長度、根尖數、根系活力等根系指標均是先升高后降低[9,10]；龍遠莎等研究發現蓄水坑灌條件下氮素分布均勻、氮素溶解充分，有利于氮素溶解、保肥性好[11,12]。目前針對蓄水坑灌條件下蘋果樹根系的研究主要集中在根系分布和根系吸水方面，對氮素的研究主要集中在氮素分布和水氮運移，但對施氮是否可以促進蘋果樹根系生長發育的相關研究仍不夠全面。本文利用微根管法研究蓄水坑灌條件下蘋果樹根長密度和根表面積在不同氮素水平作用下的變化情況，探究蓄水坑灌條件下蘋果樹根系的生長特征，旨在為確定蓄水坑灌蘋果樹施氮的合理范圍提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在山西省農科院果樹研究所節水灌溉示范園進行，該果園位于山西省太谷縣北洸鄉(東經112°32′,北緯37°23′),海拔約為800 m，年平均氣溫9.8 ℃，年均降雨量約為463 mm,無霜期175 d，屬于典型的大陸性半干旱氣候。試驗地灌溉水源主要為地下水，田間持水率平均為30%。試驗地土壤以粉沙壤土為主，土層0～40、40～80、80～120 cm對應的土壤容重分別為1.4、1.47、1.37 g/cm3。

1.2 試驗設計

選取15棵生長狀況良好，長勢基本一致的7 a生矮砧密植紅富士蘋果樹，株、行距為2 m×4 m，以施氮量為控制因子，設置CK(地面施肥對照組)以及T1、T2、T3、T4(蓄水坑灌試驗處理組)共5個處理，每一個處理設有3個重復。所施氮肥為尿素(氮含量46.7%)，磷鉀肥采用磷酸二氫鉀，各處理施入量相同為17 kg/hm2。CK采用地面撒施的方式，T1、T2、T3、T4采用肥料充分融于水后灌入蓄水坑中，具體灌溉時間為2018年5月24號(花后)，每組具體施氮量和灌水量見表1。蓄水坑的具體布置為：每棵樹均勻布置4個直徑30 cm，深度40 cm的圓柱形蓄水坑，蓄水坑中心距樹干距離為75 cm，同時對蓄水坑坑壁進行防坍塌固定，蓄水坑底鋪上土工布，防止水下滲。根系測點布置在2個蓄水坑中間距離樹干50 cm處，微根管在實驗開始前半年的時間安裝。將微根管與垂直方向成45°角[13]，打入地下。安裝完微根管之后將露出地面的部分和管蓋用黑色塑料袋包裹緊，避免陽光直射，同時用蓋子蓋緊微根管，保證其密封性防止水進入管內，避免損壞探頭和相機。具體布置圖及根系測點布置見圖1。

表1 施氮方案Tab.1 Nitrogen application schedule

圖1 測點布置示意圖(單位：cm)Fig.1 Layout diagram of measuring point

1.3 試驗測定項目與方法

用BTC微根管根系生態監測系統在試驗田對根系進行360°的圖像采集，每隔45°采集一張，每個位置共采集8張圖片。具體采集對象：以施肥當天作為基準點，觀測施肥前1個月(BF30d)、施肥后1個月(AF30d)以及施肥后第2個月(AF60d)的各處理0～100 cm土層深度的蘋果根系。采集圖片完畢后由 WinRHIZOTRON 圖像分析軟件進行分析計算，把所采集圖片中白色以及黃褐色的根視為活根，黑色的根視為死根[14]，最終得到RLD、RSAD和分別基于RLD、RSAD的根系生長速率RLDr、RSADr，具體計算公式如下：

RLD=L/(nAST)

(1)

RSAD=S/(nAST)

(2)

RLDr=(RLDn+1-RLDn)/T

(3)

RSADr=(RSADn+1-RSADn)/T

(4)

式中：L為根總長，mm；n為圖片數量；A為每張圖片的觀察范圍(1.4 cm×1.8 cm)；ST為微根管能觀測到的土壤厚度，mm，通過實際測定并參考文獻[15]，本研究中取為2 mm;S為根表面積，cm2；RLDn+1為第n+1次測得的根長密度值，mm/cm3；RLDn為第n次測得的根長密度值，mm/cm3；T為取樣間隔時間；RSADn+1為第n+1次測得的根表面積密度值，cm2/cm3；RSADn為第n次測得的根表面積密度值，cm2/cm3。

2 結果與分析

2.1 蘋果樹根長密度對不同氮素水平的響應

圖2為BF30d、AF30d及AF60d各處理在不同深度土層(0～100 cm)的根長密度(RLD)。由圖2可知：在0～20 cm深度的土層，施肥前后CK的RLD均明顯大于T1、T2、T3、T4處理；在20～100 cm深度的土層，施肥前后T1、T2、T3、T4處理的果樹根長密度明顯大于CK處理。主要是因為地面灌溉的土壤水分和氮素主要位于土壤表層，而蓄水坑灌水分和氮素主要位于土壤中深層[11]，說明蓄水坑灌更利于土壤中深層根系的生長發育。施肥后在0～100 cm深度土層，各處理果樹根長密度均顯著增加，說明施用氮肥可以促進根系的生長發育。蓄水坑灌和地面灌溉果樹根長密度在垂向上的分布規律相近，均是隨著土層深度的增加先增加后減小，這與郝鋒珍等的研究結果一致[16]，地面灌溉根長密度高值區位于0～40 cm的土層，蓄水坑灌根長密度高值區位于20～80 cm。

為進一步分析蘋果樹根長密度對不同氮素水平的響應，圖3為各處理不同深度土層BF30d-AF30d和AF60d的基于RLD的根系凈生長速率(RLDr)，以及各處理之間的差異性分析結果。由圖3可知：蓄水坑灌試驗組中，BF30d-AF30d各處理RLDr隨著施氮量的增加呈現先增加后略微減小的規律，其大小關系為 T3>T4>T2>T1，其中T3和T4差異性不顯著，又與T1和T2的差異性顯著，說明T3蘋果樹根系發育情況最好，施氮可以有效地促進根系生長發育，施氮量的增加對促進根系生長的作用更顯著，而施氮過多在一定程度上會抑制蘋果樹根系對氮素的吸收利用從而影響根的生長和發育，這與沙建川等人的研究結果一致[9]。0～20 cm土層，CK處理與施氮量相同的T2相比，CK的RLDr明顯更大；20～100 cm土層，CK處理與施氮量相同的T2相比，T2的RLDr更大且2個處理差異性明顯，證實了地面灌溉的氮素主要集中在土壤表層而蓄水坑灌氮素主要集中在土壤中深層，說明蓄水坑灌對中深層根系的生長發育更有利。AF60d各處理根系生長死亡速率大于生長速率，RLDr為負，這是因為到了新梢旺長期，蘋果樹的果實、枝條等地上部分的生長發育需要吸收大量的氮素等養分，在一定程度上抑制了果樹根系的生長[17]。 其絕對值大小關系為T3>T4>T2>T1，T3和T4差異性不顯著，又與T1和T2的差異性顯著。因為T3土壤中氮素含量高，水肥狀況良好，根系生長代謝速率快，所以T3的RLDr也大，而T1土壤水肥狀況不好，根系生長代謝較慢，因此RLDr較低。

圖2 各處理不同土層RLDFig.2 Root length density of different soil layers

圖3 各處理不同土層的RLDrFig.3 Root length density growth rate of different soil layers 注：圖中不同小寫字母表示顯著性差異P<0.05。

2.2 蘋果樹根表面積密度對不同氮素水平的響應

圖4為BF30d、AF30d及AF60d各處理在不同深度土層(0～100 cm)的根表面積密度(RSAD)。由圖4可知：地面灌溉和蓄水坑灌RSAD在垂向上的分布規律均為隨著土層深度的增加先增大后減小，區別是地面灌溉RSAD高值區位于0～40 cm的土層，蓄水坑灌RSAD高值區相對下移位于20～80 cm的土層。施氮肥后，各處理RSAD明顯增大，說明施氮可以有效促進根系生長發育，沙建川等在平邑甜茶蘋果樹上得到過相似的結論[8]。在0～20 cm深度的土層，施肥前后CK的RSAD均明顯大于蓄水坑灌試驗組；在20～100 cm深度的土層，施肥前后蓄水坑灌試驗組的RSAD明顯大于CK。主要是因為地面灌溉的土壤水分和氮素主要位于土壤表層，蓄水坑灌水分和氮素主要位于土壤中深層，說明蓄水坑灌更利于土壤中深層根系的生長發育。

圖5為各處理不同深度土層BF30d-AF30d和AF60d的基于根表面積密度的根系凈生長速率(RSADr)，以及各處理之間的差異性分析結果。由圖5可知：蓄水坑灌試驗組中，BF30d-AF30d各處理RSADr隨著施氮量的增加呈現先增加后減小的規律，其大小關系為 T3>T4>T2>T1，其中T3和T4差異性不顯著，又分別與T1和T2的差異性顯著。說明T3根系生長發育情況最好，施氮可以有效促進根系生長發育，施氮量的增加對促進根系生長的作用更顯著，而施氮過多會抑制根系的生長和發育。CK與施氮量相同的T2相比，0～20 cm土層CK的RSADr更大；20～100 cm土層T2的RSADr更大且2個處理差異性顯著，說明蓄水坑灌更利于中深層根系的生長，這與張學琴等的研究結果一致[18]。AF60d各處理RSADr為負，說明各處理根系生長速率小于死亡速率，這是因為此時蘋果樹地面部分的生長發育需要水分養分，限制了根系的生長[18]。RSADr的絕對值大小關系為 T3>T4>T2>T1，T3和T4差異性不顯著，又分別與T1和T2的差異性顯著。因為T3土壤中氮素含量高，水肥狀況良好，根系生長代謝速率快，所以T3的RSADr大，而T1土壤水肥狀況不好，根系生長代謝較慢，因此RSADr較低。

圖4 各處理不同土層RSADFig.4 Root surface area density of different soil layers

3 結 論

本試驗通過對蓄水坑灌下蘋果樹根系生長對不同氮素水平響應的研究分析可得出以下結論。

圖5 各處理不同土層RSADrFig.5 Root surface area density growth rate of different soil layers 注：圖中不同小寫字母表示顯著性差異P<0.05。

(1)施氮后，各處理根長密度和根表面積密度均顯著增大。

(2)隨著施氮量的增加，各處理基于根長密度和根表面積密度的凈生長速率隨之先增大后略減小,T3根系凈生長速率最大，T4施氮量最大，生長速率反而小于T3但與T3處理差異不顯著。

(3)同等施氮水平下，在0～20 cm土層，施氮對CK處理根系生長的促進作用更好，在20～100 cm土層，施氮促進蓄水坑灌根系生長的效果更明顯。

(4)本試驗中T3處理(20 kg/hm2)更利于蘋果樹根系的生長發育。