滴灌與溝灌對楊樹細根空間分布的影響

秘洪雷，蘭再平，彭晶晶，馬 鑫

（1. 天津泰達鹽堿地綠化研究中心有限公司，天津 300457；2. 中國林業科學研究院，北京 100091）

楊樹Populus為中國重要的速生豐產林造林樹種，其中歐美楊107Populus×euramericana‘Neva’因其材性好、干型美、抗性強和產量高等特點，在中國淮河、黃河流域及遼河流域以南等地區廣泛栽植。灌溉是歐美楊人工林生產力維持的重要技術措施，滴灌可根據植物需水規律及時補充根部水分，顯著促進林木生長，獲得較高的經濟效益和生態效益[1-3]，該技術在國外的人工林培育方面已有較廣泛的應用[4-5]。近年來，國內關于滴灌栽培人工林的研究也相繼開展。賀勇等[6]研究發現：滴灌栽培條件下2、3年生歐美楊107幼齡林的蓄積量分別為溝灌的2.22和1.68倍。席本野等[7]研究指出：滴灌使6、7年生的毛白楊Populus tomentosa林分生產力分別較不灌溉平均提高了24%和28%。根系分布和形態特征反映了植物對土壤資源的利用狀況，通常認為直徑小于2 mm的細根是根系吸收功能的重要部分[8]。細根的生長和分布受樹木自身生長特性、土壤的水養條件、溫濕度及其他外界環境條件的影響[9-12]，其分布也可以反映土壤中水分營養的分配格局[13]及地下部分對土壤資源的利用程度[14-15]，這將直接影響林木地上部分的生長和生態效益的發揮[16]。滴灌可以大幅度提高根系數量，影響根系的分布特征[17-18]，改善土壤條件[19]，提高林地生產力[6-7]。但以往開展滴灌對林木細根的研究，多采用距樹干特定距離或隨機取樣的方法，不能在空間維度反映細根的分布特征。本研究以滴灌和溝灌栽培的5年生歐美楊107為研究對象，對比分析在不同的取樣方向、水平距離和土壤深度上細根的空間分布特征，探究不同灌溉方式對細根生長和分布的影響，為河流故道沙地等干旱地區人工林的灌溉調控和合理經營提供依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究地位于北京市大興區林場，處于永定河故道沙地 (39°26′～39°51′N，116°13′～116°43′E)。該區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均氣溫為11.6 ℃，年均降水量為550 mm，年均蒸發量為1 100 mm，無霜期為180～200 d。土壤為永定河故道沖積沙土，地下水位深為36 m，土壤容重為(1.46±0.15) g·cm-3，田間持水量為10%，蓄水能力差，土壤堿解氮質量分數為25.65 mg·kg-1，速效磷質量分數為2.36 mg·kg-1，速效鉀質量分數為22.12 mg·kg-1，有機質質量分數為1.50 g·kg-1，從地表向地下1.2 m處均無明顯腐殖質層。

1.2 試驗設計

以5年生歐美楊107人工林為研究對象。該林分于2011年利用滴灌技術扦插造林，株行距3 m×5 m，滴頭流量為4 L·h-1，滴頭間距為60 cm，滴灌管沿株間鋪設。結合土壤濕度傳感器，于每年的5-9月，當20 cm土層土壤相對含水量低于60%時進行灌溉，灌溉量由灌溉時長控制，每次灌溉量為6～9 mm，灌溉總量為250 mm。滴灌后能在株間方向形成寬度為1.0～1.2 m，深度為60～70 cm的連續濕潤帶[19]。溝灌栽培的試驗林于2012年造林成活后撤去滴灌管，沿株間方向挖寬1 m、深15 cm的灌溉溝進行灌溉。灌溉量由流量計控制，每次灌溉量為50 mm，春季、秋季各灌溉1次，夏季3次，灌溉總量為250 mm。

1.3 取樣與測定

于2015年10月下旬，分別在滴灌和溝灌栽培的試驗林內設置3個面積為30 m×20 m的標準地，每個標準地內有樣木40株，在各標準地內每木檢尺后選取1株標準木作為研究對象(表1)。取樣采用根鉆法，根鉆內徑10 cm，高10 cm，以樣木樹干為中心，分別選取株間、行間和對角3個方向距樹干20、50、100、150 cm處鉆取土芯，取樣深度為60 cm，每10 cm為1個土層。具體取樣點位如圖1所示，共計432個土樣分別裝入標號的塑封袋后帶回實驗室。

表1 標準木基本特征Table 1 Basic characteristics of standard wood

圖1 根系取樣示意圖Figure 1 Sampling positions of fine roots

將土樣在清水中浸泡后，過0.8 mm孔徑篩沖洗，分離土樣中的根系并用鑷子撿取所有活根系。按照傳統的根系分類標準[20]，以直徑≤2 mm作為劃分細根的閾值，應用Epson Twain Pro根系掃描系統和WinRhizo根系圖像分析系統測定細根長(m)；將細根在80 ℃烘箱中烘干至恒量(24 h)，用電子天平(精確到0.001 g)測定細根生物量(g)。

1.4 指標計算

細根生物量密度(g·m-3)=M土芯/V土芯，細根根長密度(m·m-3)=L土芯/V土芯，比根長(m·g-1)=L土芯/M土芯。其中：M土芯為土芯內細根質量(g)，L土芯為土芯內細根長(m)，V土芯為土芯內土壤體積(m3)。V土芯=πr2h10-6，其中r為根鉆半徑，取值5 cm，h為根鉆高度，取值10 cm。

1.5 數據處理

利用Excel和SPSS 19.0對數據進行統計分析，分別以同一水平距離處不同土層細根指標的累加值作為該水平距離處的細根特征值，采用單因素方差分析比較同一灌溉方式下細根的空間分布特征，采用t檢驗分析不同灌溉方式下同一水平距離處的細根分布特征。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式下細根生物量密度空間分布特征

滴灌和溝灌條件下細根生物量密度的分布特征如圖2所示。株間方向(圖2A)，滴灌條件下距樹干20、50、100和150 cm處的細根生物量密度分別是溝灌的2.55、2.95、3.17和3.91倍(P＜0.05)，且隨水平距離增加差異增大；滴灌和溝灌條件下距樹干20和50 cm處的細根分布較多，細根生物量密度差異不顯著，但均顯著高于距樹干100和150 cm處的細根生物量密度(P＜0.05)。對角方向(圖2B)，滴灌條件下距樹干20、50、100和150 cm處的細根生物量密度分別是溝灌的2.42、1.56、1.36和1.10倍，隨水平距離的增加差異減?。坏喂鄺l件下細根生物量密度在距樹干20 cm處最大，為2 014.77 g·m-3, 然后隨水平距離增加顯著減小(P＜0.05)；溝灌條件下距樹干20和50 cm處的細根生物量密度分別為832.25和733.35 g·m-3，差異不顯著，但均顯著高于距樹干100和150 cm處的細根生物量密度(P＜0.05)。行間方向(圖2C)，滴灌和溝灌條件下細根生物量密度差異的分布特征與對角方向相同，在距樹干20 cm處差異最大(P＜0.05)，然后隨水平距離的增加不斷減?。坏喂嗪蜏瞎鄺l件下細根生物量密度均在距樹干20 cm處最大，分別為1 707.73和631.25 g·m-3，然后隨水平距離的增加顯著減小(P＜0.05)。由此可知，滴灌和溝灌條件下的細根均呈沿灌溉方向為長軸的半橢球狀分布，滴灌條件下細根分布的橢球體大于溝灌，且扁率大于溝灌。

圖2 細根生物量密度的空間分布特征Figure 2 Spatial distribution characteristics of fine root biomass density

滴灌和溝灌條件下細根生物量密度在不同土層的分布差異明顯。滴灌條件下株間方向(圖2A)，距樹干20 cm處的細根生物量密度隨土層加深呈先增大后減小的分布特征，10～20 cm土層細根生物量密度最大，距樹干50、100和150 cm處的細根生物量密度均在0～10 cm土層最大，然后隨土層加深不斷減小，不同水平距離處細根生物量密度均在40～50 cm土層減小明顯；對角和行間方向(圖2B，圖2C)不同水平距離處的細根生物量密度均在10～20 cm土層最大，隨土層呈先增大后減小的垂直分布特征。溝灌條件下，在株間、對角和行間方向的不同水平距離處，細根生物量密度在10～30 cm土層最大，隨土層呈先增大后減小的垂直分布特征，0～10 cm土層細根生物量密度較小。

2.2 不同灌溉方式下細根根長密度空間分布特征

滴灌和溝灌條件下細根根長密度的分布特征如圖3所示。株間方向(圖3A)，滴灌條件下距樹干20、50、100和150 cm處的細根根長密度分別是溝灌的1.37、1.52、2.42和4.40倍(P＜0.05)，且隨水平距離的增加差異增大；滴灌和溝灌條件下細根根長密度均在距樹干50 cm處最大，分別為42 102.00和19 372.16 m·m-3，表現出先增大后減小的水平分布特征，其中滴灌條件下距樹干50 cm處的細根根長密度分別是距樹干20、100、150 cm處的1.29、1.49和1.72倍(P＜0.05)；而溝灌條件下距樹干50 cm處的細根根長密度是距樹干20 cm處的1.04倍，差異不顯著，是距樹干100和150 cm處的細根根長密度的1.48和2.18倍(P＜0.05)。對角方向(圖3B)，滴灌條件下距樹干20 cm處的細根根長密度是溝灌的1.57倍，差異最大(P＜0.05)，然后隨水平距離增加而差異減小，在距樹干150 cm處，滴灌條件下的細根根長密度小于溝灌，但差異不顯著；滴灌和溝灌條件下的細根根長密度均表現出隨水平距離增加不斷減小的水平分布特征，在距樹干20 cm處最大，分別為26 670.71和17 025.94 m·m-3，均與距樹干50 cm處差異不顯著，與距樹干100和150 cm處差異顯著(P＜0.05)。行間方向(圖3C)，滴灌和溝灌條件下細根根長密度差異的分布特征與對角方向相同，距樹干20 cm處滴灌條件下的細根根長密度顯著大于溝灌(P＜0.05)，然后隨水平距離增加差異減小，滴灌條件下距樹干150 cm處的細根根長密度小于溝灌，且差異顯著(P＜0.05)；滴灌條件下距樹干20 cm處的細根根長密度為23 003.91 m·m-3，隨水平距離的增加顯著減小(P＜0.05)，溝灌條件下距樹干20 cm處的細根根長密度為13 444.44 m·m-3，是距樹干50 cm處的1.07倍，差異不顯著，與距樹干100和150 cm處的細根根長密度差異顯著(P＜0.05)。

圖3 細根根長密度的空間分布特征Figure 3 Spatial distribution characteristics of fine root length density

滴灌條件下的株間方向(圖3A)，不同水平距離處的細根根長密度均在0～10 cm土層最大，然后隨土層加深不斷減小，在40～50 cm土層減小明顯；對角和行間方向(圖3B，圖3C)不同水平距離處細根根長密度隨土層加深表現出先增大后減小的分布特征，10～20 cm土層的細根根長密度最大。溝灌條件下，株間、對角和行間方向的細根根長密度均呈先增大后減小的垂直分布特征，不同水平距離處細根根長密度的最大值出現在10～30 cm土層。

2.3 不同灌溉方式下細根比根長空間分布特征

與細根生物量密度和細根根長密度的分布特征不同，比根長在不同方向的不同水平距離處均表現為溝灌大于滴灌。株間方向(圖4A)，溝灌條件下不同水平距離處的比根長均顯著高于滴灌(P＜0.05)，在距樹干20 cm處差異最大，是滴灌的1.51倍，距樹干50 cm處的差異最小，是滴灌的1.41倍；對角方向(圖4B)，溝灌和滴灌條件下比根長在距樹干20 cm處的差異最大(P＜0.05)，距樹干50 cm處最小且差異不顯著；行間方向(圖4C)，比根長的水平分布特征與對角方向類似，距樹干20 cm處差異最大(P＜0.05)，距樹干50 cm處差異最小且不顯著。滴灌條件下，比根長在不同方向均表現出隨水平距離增加而增大的水平分布特征，溝灌條件下比根長的水平分布特征與滴灌相同。以株間方向(圖4A)為例，滴灌條件下距樹干150 cm處的比根長最大，為120.74 m·g-1，分別是距樹干20、50、100 cm處的1.63、1.36和1.22倍(P＜0.05)；溝灌條件下比根長的最大值也在距樹干150 cm處，為175.07 m·g-1，分別是距樹干20、50、100 cm處的1.56、1.40和1.18倍(P＜0.05)。在不同方向，溝灌條件下比根長大于滴灌且表現出隨水平距離先減小后增加的水平分布特征，這說明土壤水分條件是影響比根長的重要因素。

圖4 細根比根長的空間分布特征Figure 4 Spatial distribution characteristics of fine specific root length

由圖4可知：在株間、對角和行間方向距樹干20 cm處的0～10 cm土層中，溝灌條件下的比根長分別是滴灌的1.53、1.67和1.55倍，差異明顯。在各方向的不同水平距離處，10～20 cm土層的比根長也與滴灌有較大差異，尤其以株間方向(圖4A)最大。在距樹干20、50、100和150 cm處，溝灌條件下10～20 cm土層的比根長分別是滴灌的1.97、1.65、1.60和1.96倍，其差異明顯大于其他土層。

3 討論

滴灌對細根生物量密度影響顯著。與溝灌相比，滴灌對細根生物量密度的促進作用主要集中在株間方向以及對角和行間方向距樹干50 cm的范圍內，這與滴灌后形成濕潤帶范圍基本一致，說明土壤水分條件是影響細根生物量積累的重要因素。楊秀云等[21]研究指出：土壤含水量與細根生物量呈顯著的正相關關系，土壤水分是影響林木細根分布的重要因素，這與本研究的結果一致，土壤的水分條件在一定程度上影響細根的空間分布格局。本研究表明：滴灌和溝灌條件下0～40 cm土層的細根生物量分別占0～60 cm土層的81%和73%，細根在0～40 cm土層分布集中，這與閆小莉等[22]、閆美芳等[23]關于細根垂直分布特征的研究結論一致，說明滴灌沒有改變細根在垂直方向的分布范圍，滴灌對細根生物量的促進作用主要在于量的增加。滴灌條件下株間方向的細根生物量密度在垂直方向表現為表土層最大，對角和行間方向細根生物量密度隨土層加深先增大后減小的垂直分布特征與溝灌一致，滴灌改變了株間方向細根生物量在不同土層的積累特征，說明土壤水分條件影響細根的垂直分布。滴灌條件下細根生物量密度在株間、對角和行間方向的水平分布特征與溝灌條件下的細根在不同方向的水平分布特征一致，說明滴灌能促進細根生物量的積累，但未能改變其在水平方向的分布規律，環境條件是影響細根生長和周轉的重要因素。這也與楊秀云等[24]關于細根生物量水平分布格局的研究結果一致，但與謝明明等[25]對板栗Castanea mollissima細根水平分布特征的研究結果不同。這可能是受樹種本身遺傳特性的影響。

滴灌對細根根長密度的影響主要在株間方向以及對角和行間方向距樹干50 cm的范圍內，這與滴灌對細根生物量密度影響的范圍一致。滴灌條件下濕潤帶范圍內的細根根長密度均顯著高于溝灌，滴灌對細根根長的促進作用明顯，土壤的水分條件顯著影響細根的生長[21]。滴灌和溝灌條件下不同水平距離處0～40 cm土層的細根根長占所有土層的比例分別為85%和80%，說明0～40 cm土層是細根在垂直方向的集中分布范圍[22-23]，這也說明細根的分布范圍受林木自身生長調控。滴灌條件下，株間方向細根根長密度隨土層不斷減小，而對角和行間方向細根根長密度的垂直分布與溝灌條件下細根根長密度隨土層加深先增大后減小的分布特征一致，說明滴灌改變了細根根長在株間方向的垂直分布特征。對角和行間方向，滴灌條件下細根根長密度的水平分布特征與溝灌一致，均隨水平距離的增大而減小，而在株間方向，滴灌條件下細根根長密度表現出先增加后減少的分布特征，與溝灌條件下細根根長密度的水平分布差異顯著，說明細根根長受灌溉方式的影響大于細根生物量，滴灌改變了細根根長在株間方向的分布特征，水分條件是影響細根根長的重要因素。

比根長是表征細根生理功能與形態特征的重要指標，可以指示根系生理活性的大小，能反映根系的生理功能和吸收能力[26]。不同灌溉方式對細根比根長影響顯著，溝灌條件下不同水平距離處的比根長均大于滴灌，這說明常規灌溉條件下單位質量的細根吸收水分和養分的能力大于滴灌。與滴灌相比，溝灌條件下細根分布較少，要滿足林木生長需求就要以盡可能少的細根投入獲得盡可能多的水分，進而造成了比根長的差異。不同灌溉方式下比根長的差異隨水平距離的增大先減小后增加，這可能是受不同灌溉方式下細根分布量差異的影響，滴灌條件下的細根分布顯著高于溝灌，加上較高的灌溉頻率，改善了土壤水分、溫度等條件，細根系統吸收的水分營養滿足林木的生長需求，造成了單位質量細根吸收能力的差異。比根長隨水平距離增大的趨勢與甘雅文等[27]的研究結果一致，這是受林木自身生長特性的影響。

細根生長受土壤資源有效性的影響[15,28]。滴灌條件下細根生物量和根長與溝灌的差異，是受不同灌溉方式下土壤資源異質性的影響。在河流故道沙地的立地條件下，滴灌由于較高的灌溉頻率使表土層保持濕潤的狀態，改變了土壤的水分、溫度等條件，有利于細根的生長和周轉，同時適宜的土壤溫度和水分也有助于林地內凋落物的分解，進而改善土壤條件，進一步促進細根分布和積累。本研究中，滴灌條件下林木的平均胸徑為15.70 cm，平均樹高為17.28 m，分別是溝灌的1.17和1.11倍，滴灌栽培條件下的林木蓄積量比溝灌高28.5 m3·hm-2。滴灌條件下楊樹人工林更多的細根分布，可以更充分地利用土壤資源，吸收水分營養，進而促進林木生長，提高林地生產力。

4 結論

滴灌對楊樹人工林細根生長和積累的促進作用明顯，尤其在濕潤帶范圍內對細根量的促進作用顯著。滴灌條件下鋪設滴灌管的株間方向細根呈先增加后減少的水平分布特征，在距樹干50 cm處分布最多，與溝灌條件下細根隨水平距離增大而減少的分布特征不同。對角和行間方向細根分布與溝灌相同，在距樹干20 cm處分布最多，然后隨水平距離的增加而減少。滴灌條件下細根在0～40 cm土層分布集中，滴灌沒有改變細根在垂直方向的分布范圍，但改變了株間方向細根的垂直分布特征。隨水平距離增大，滴灌和溝灌條件下的細根比根長均不斷增大，其差異在距樹干20 cm處最大，然后呈先減小后增加的分布特征。滴灌能明顯改善河流故道沙地的土壤條件，提高土壤資源有效性，促進細根的生長和周轉，進而提高林地生產力。