滴灌施肥對桃樹細根生長及氮素吸收的影響

張守仕，謝克英，常介田，韓 芳，喬寶營，柴夢穎，徐明輝

（河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，河南鄭州 451450）

水分和養(yǎng)分是果樹生長發(fā)育[1–2]、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[3–4]的兩個重要因素。滴灌施肥技術(shù)可將水肥一起輸送到作物根區(qū)[5]，不僅提高水肥利用效率[6–7]，還節(jié)約勞動力成本，是實現(xiàn)化肥、農(nóng)藥減量，提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率的綠色高新技術(shù)。目前，我國科研人員已從滴灌施肥量、灌水量等參數(shù)優(yōu)化方面做了大量工作[8–9]，也從滴灌施肥影響土壤養(yǎng)分供應(yīng)，土壤氮素揮發(fā)，作物養(yǎng)分利用方面做了大量工作。對滴灌施肥過程中尿素態(tài)氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的遷移、富集和轉(zhuǎn)化規(guī)律研究，提高了土壤中有效態(tài)氮素含量，減少了氮肥的損失[10–13]。根系中的新生細根是吸收水分、肥料的主要部位[14]，然而，滴灌施肥對地下部根系生長的影響研究較少，且多為破壞性取樣結(jié)果[15]。采用土鉆法進行的研究表明，滴灌施肥影響作物根長密度、根系分布、根系分型維數(shù)等形態(tài)指標[16]，但缺少滴灌施肥對根系生長動態(tài)的系統(tǒng)研究。微根系原位觀測技術(shù)、方法的出現(xiàn)為原位根系研究提供了可能的手段[17]。Zhang等[18]利用微根系原位觀測技術(shù)研究了袋控緩釋肥對桃樹細根生長、周轉(zhuǎn)、分布的影響，認為緩釋肥比撒施化肥提高了細根數(shù)量和分布。因此，本研究采用微根管觀察滴灌施肥技術(shù)下桃樹細根發(fā)生和生長情況，結(jié)合15N示蹤技術(shù)研究滴灌施肥技術(shù)對細根生長及氮素利用的影響，以期為滴灌施肥進一步推廣利用，桃產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于河南省大宗水果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系中牟綜合試驗站內(nèi)桃示范園，品種為中油蟠5號，平地栽培，南北行向，株行距為 2 m × 5 m，定植于2016年3月，樹體為主干形。

1.2 試驗處理

試驗設(shè)滴灌施肥、傳統(tǒng)肥水2個處理，處理小區(qū)面積 1600 m2(40 m×40 m)。滴灌施肥 N、P2O5、K2O施用量分別為83.2、42、64.5 g/tree，傳統(tǒng)肥水施用量分別為137.3、96、160 g/tree。滴灌施肥在桃樹行兩邊距離樹干60 cm處各鋪設(shè)一條內(nèi)鑲式滴灌帶，滴頭間距30 cm，滴頭流量為4 L/h。水溶肥為新洋豐水溶肥料，分別在花后 (4月中旬)、第一次膨果 (5月中旬)、硬核期 (6月上旬)、果實采收后 (8月上旬)隨水滴施 N–P2O5–K2O 為 30–10–10+微量元素、20–20–20+微量元素、16–6–36+微量元素和20–20–20+微量元素，每次用量為 75 kg/hm2，為和氮素利用率測定保持一致，每次滴灌施肥時添加1600 g (10 g/tree)尿素，施肥時先滴水 2 h、然后滴肥2 h、再滴水2 h。其他時間滴灌維持土壤含水量為最大持水量的60%～80%。傳統(tǒng)肥水分別在花前(3月上旬)和硬核期 (6月上旬)，沿東西、南北4個方向挖15 cm深、80 cm長放射溝，每條溝內(nèi)施入100 g 硫酸鉀型 N–P2O5–K2O 為 17–17–17 復(fù)合肥 (中化)和硫酸鉀型 N–P2O5–K2O 為 15–7–23 復(fù)合肥 (芭田)，為和氮素利用率測定保持一致，每次施肥時每條溝內(nèi)施入 2.5 g (10 g/tree)尿素，施肥后灌水，日常灌水方式為大水漫灌。

2018年2月25日挑選大小均勻一致桃樹10株，每處理5次重復(fù)，單株重復(fù)，在西南方向距樹干60 cm處埋入70 cm長、外直徑70 mm粗微根管。微根管技術(shù)將透明根管提前埋置在土壤中，根系伸長至根管周邊后，數(shù)碼相機定期拍攝根系圖片，記錄根系發(fā)生、變褐、死亡等情況，根系分析軟件可以獲取根長度、直徑等參數(shù)。微根管與地面呈45°夾角，管口露出地表5 cm左右，垂直埋入土中40 cm，安裝前管底密封，微根管露出地面部分先用黑色膠帶包裹，再加一層鋁箔，試驗過程中注意保護微根管，防止擾動。微根管安裝后穩(wěn)定一段時間，數(shù)據(jù)采集從2018年6月1日開始。每年3月到11月果樹生長季內(nèi)分別在每月1日和15日觀察，12月到翌年2月果樹休眠期內(nèi)只在每月15日觀察，數(shù)據(jù)一直采集到2020年底。采用CID-CI600植物根系生長監(jiān)測系統(tǒng)采集根系相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)微根管編號、觀測層次、取樣時間、細根編號建立細根數(shù)據(jù)庫。圖像采集面積為 21.59 cm × 19.57 cm，利用系統(tǒng)所帶ROOTSNAP根系圖像分析軟件進行根系數(shù)量、壽命分析，白色與褐色細根定義為活根，黑色或皺縮的根和兩次觀測期間消失的根定義為死根。

2018年在3月30日、6月1日、8月30日、11月30日用不銹鋼土鉆在桃樹樹冠外緣兩施肥溝中間取土樣，土樣分為0—20、20—40 cm層，土樣帶回實驗室冷藏保存，取樣結(jié)束后取新鮮土樣進行土壤無機氮 Nmin (NH4+-N、NO3?-N)測定。具體方法：土壤樣品過2 mm 篩后，用 2 mol/L KCl溶液浸提后用BDFIA8000流動注射分析儀銨態(tài)氮、硝態(tài)氮模塊進行測定。

于2018年8月底、11月底在東面、北面兩施肥溝中間用土鉆取土樣，土樣沖洗后保留根系，采用氯化三苯基四氮唑 (TTC)還原法測定細根活力。

另外挑選大小均勻一致桃樹6株進行氮素利用率測定，試驗處理與上面相同，滴灌施肥用自制重力滴灌器模擬滴灌處理。滴灌施肥每株每次施15N尿素 (上海化工研究院，豐度 10.10%) 3 g、普通尿素7 g、新洋豐肥料75 g，將每株樹所需肥料溶解在裝有300 L水塑料桶中，塑料桶置于距離地面1 m高處鐵架上，閥門調(diào)整塑料桶出水量，控制滴灌管出水流速，每次施肥先滴水2 h、然后滴肥2 h、再滴水2 h。傳統(tǒng)肥水每次施肥有15N尿素 (上海化工研究院，豐度 10.10%) 3 g，普通尿素 7 g，復(fù)合肥肥料用量和用法同上面撒施處理。冬季桃樹落葉后對植株進行破壞性取樣，整株解析為細根 (直徑<2 mm)、粗根 (直徑≥2 mm)、主干、多年生枝、一年生枝。樣品洗凈后，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，稱量干物質(zhì)質(zhì)量，不銹鋼電磨粉碎后過0.25 mm篩，混勻后裝入自封袋中備用。植株樣品采用Isoprime 100型質(zhì)譜儀測定15N豐度。植物樣品經(jīng)濃硫酸–過氧化氫消煮后，用BDFIA8000流動注射分析儀銨態(tài)氮模塊測定樣品含氮量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

細根壽命采用SPSS 19.0軟件生存函數(shù)Kaplan-Meier法進行分析計算，中值壽命指存活率為0.5時對應(yīng)的生存時間。細根年周轉(zhuǎn)率為年新根死亡量與年新根現(xiàn)存量之比。

Ndff (%)指植株器官從肥料中吸收分配到的15N量對該器官全氮量的貢獻率，它反映了植株器官對肥料15N的吸收征調(diào)能力，計算公式：

Ndff (%)=[樣品中15N 豐度 (%)–自然豐度 (0.366%)]/[肥料中15N 豐度 (%)–自然豐度 (0.366%)]×100；

總氮量=干物質(zhì)質(zhì)量×氮濃度；

吸收15N 量 (mg)=總氮量 (g)×Ndff (%)×1000；

氮素吸收利用率 (%)=Ndff (%)×植株總氮量 (g)/施15N 量 (g)×100。

文中所有數(shù)據(jù)和圖使用Excel 2019和SPSS 19.0軟件分析，不同處理間差異顯著性分析采用Duncan新復(fù)極差法檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌施肥對土壤無機氮 (Nmin)含量的影響

土壤中NH4+-N和NO3?-N能夠直接被果樹根系吸收，采樣結(jié)果表明肥水供應(yīng)方式影響土壤NH4+-N、NO3?-N含量，雖然傳統(tǒng)肥水處理是滴灌施肥處理施肥量的2.4倍，但傳統(tǒng)肥水處理土壤Nmin并沒有一直高于滴灌施肥處理 (表1、表2)。0—20 cm土層土壤NH4+-N含量滴灌施肥處理和傳統(tǒng)肥水處理生長季內(nèi)無顯著差異，落葉后(11月30日)采樣滴灌施肥處理高于傳統(tǒng)肥水處理。20—40 cm土層土壤NH4+-N含量滴灌施肥處理和傳統(tǒng)肥水處理6月1日、8月30日采樣無顯著差異，3月30日和落葉后采樣滴灌施肥處理高于傳統(tǒng)肥水處理。傳統(tǒng)肥水處理對土壤NH4+-N含量影響較小，肥料撒施后沒有明顯的提高，隨后受灌水、根系吸收、揮發(fā)等因素影響緩慢降低，但是傳統(tǒng)肥水處理對土壤NO3?-N含量影響大，肥料撒施后短期內(nèi)顯著提高，然后迅速下降，隨后受灌水、根系吸收等因素影響也表現(xiàn)為緩慢降低。0—20 cm土層傳統(tǒng)肥水處理施肥后土壤NO3?-N含量迅速提高，后又迅速降低，滴灌施肥處理0—20 cm土層除剛施肥后低于傳統(tǒng)肥水處理，其他采樣時間都高于傳統(tǒng)肥水處理，并且維持在較高水平。20—40 cm土層NO3?-N含量傳統(tǒng)肥水處理3月30日、6月1日取樣均顯著高于滴灌施肥處理，落葉后(11月30日)取樣反而低于滴灌施肥處理(表2)。

表1 不同施肥處理土壤銨態(tài)氮含量(mg/kg)Table 1 Soil NH4+-N content under different fertilizations

表2 不同施肥處理土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)Table 2 Soil NO3?-N content under different fertilizations

2.2 滴灌施肥對桃樹細根生長的影響

從圖1看出，滴灌施肥和傳統(tǒng)肥水下微根管技術(shù)拍攝到的桃樹的新生細根顏色為白色，隨著根系次生結(jié)構(gòu)的發(fā)育逐漸變?yōu)楹稚?/p>

圖1 不同施肥處理20—40 cm土層桃樹根系微根管觀察圖片F(xiàn)ig.1 Peach roots image taken by minirhizotron in 20–40 cm soil layer under different fertilizations

表3結(jié)果表明，圖像采集期內(nèi)各年份采集到的細根數(shù)量滴灌施肥為478條，明顯高于傳統(tǒng)肥水處理的334條，且微根管安放的當年(2018年)采集到細根數(shù)量較多，高于后面兩年(2019、2020年)。3年采集的細根數(shù)量均以滴灌施肥處理最多，傳統(tǒng)肥水處理較少，兩處理間差異明顯。圖2細根發(fā)生動態(tài)結(jié)果表明，根系發(fā)生新根數(shù)量有2次高峰，分別在夏季和秋季。

圖2 不同施肥處理下桃樹新生細根數(shù)量的變化Fig.2 Dynamics of peach fine root number under different fertilizations

表3 不同的施肥處理下的桃樹細根數(shù)量Table 3 The number of fine roots per peach tree under different fertilizations

2.3 滴灌施肥對桃樹細根變褐和壽命的影響

桃樹新發(fā)生的根顏色為白色，經(jīng)過一段時間后白色新根變成褐色，還有新根變?yōu)楹谏踔料АD3中細根褐變時間結(jié)果表明，根顏色由白色新根變?yōu)楹稚珪r間傳統(tǒng)肥水處理約38天，滴灌施肥處理約51天，兩處理差異顯著。

圖3 不同施肥處理下桃樹細根褐變所需的天數(shù)Fig.3 Days taken by fine peach roots to become pigmented under different fertilizations

圖4中細根存活率為50%時對應(yīng)的時間為細根中值壽命，結(jié)果表明，細根中值壽命滴灌施肥處理為147天，傳統(tǒng)肥水處理為107天，滴灌施肥處理明顯延長了細根中值壽命。

圖4 不同施肥處理下桃樹細根的存活率動態(tài)Fig.4 Dynamics of survival proportion of peach fine roots under different fertilizations

2.4 滴灌施肥對桃樹細根現(xiàn)存量和周轉(zhuǎn)率的影響

細根現(xiàn)存量為年周期內(nèi)觀察到細根扣除死亡細根數(shù)量。表4采樣結(jié)果表明，細根現(xiàn)存量隨時間推移呈上升趨勢，處理間以滴灌施肥處理最高，從2018年的194條提高到2020年的311條，傳統(tǒng)肥水處理從2018年的12條提高到2020年的82條。

表4 不同施肥處理下下桃樹細根的現(xiàn)存量Table 4 The number of standing peach fine roots under different fertilizations

表5結(jié)果表明，兩施肥處理間細根周轉(zhuǎn)率存在明顯差異，細根周轉(zhuǎn)率隨時間推移呈下降趨勢，滴灌施肥處理較低，從2018年的0.62次/年降低到2020年的0.06次/年，傳統(tǒng)肥水處理在微根管設(shè)置的當年(2018年)周轉(zhuǎn)率明顯高于后面兩年(2019、2020年)，從2018年的17.17次/年降低到2019年的0.80次/年和2020年的0.16次/年。

表5 不同施肥處理下桃樹細根的年周轉(zhuǎn)率(次/年)Table 5 The annual turnover rate of peach fine roots under different fertilizations (times/year）

2.5 滴灌施肥對桃樹細根活力的影響

圖5顯示，8月下旬滴灌施肥處理根系活力為39.47 mg/(g·h)，傳統(tǒng)肥水處理為 27.86 mg/(g·h)，兩處理間差異顯著。11月下旬的結(jié)果表明，各處理細根活力均處于較低狀態(tài)，處理間差異不顯著。

圖5 不同施肥處理下桃樹細根的根系活力Fig.5 Activities of peach fine root under different fertilizations

2.6 滴灌施肥對桃樹氮養(yǎng)分吸收的影響

表6結(jié)果表明，落葉后采樣時，兩處理間各器官生物量差異不顯著。粗根、主干和多年生枝氮濃度兩施肥處理間差異不顯著，細根和一年生枝氮濃度滴灌施肥處理均顯著高于傳統(tǒng)肥水處理。Ndff值表示來源于肥料的氮占總氮的比例，滴灌施肥處理各部位Ndff值顯著高于傳統(tǒng)肥水處理。氮利用率滴灌施肥處理達到17.89%，顯著高于傳統(tǒng)肥水處理的9.75%。

表6 滴灌施肥和傳統(tǒng)肥水下桃樹的氮素吸收和利用Table 6 Effects of fertigation and conventional fertilization on N uptake and utilization of peach trees

3 討論

果農(nóng)為追求果實個大、果園高產(chǎn)，在生產(chǎn)中過量施用化肥，加上不合理的灌溉，造成養(yǎng)分淋失、揮發(fā)損失，帶來一系列環(huán)境問題[19]，滴灌施肥有效解決了這些問題[11]。試驗中傳統(tǒng)肥水處理可以迅速提高土壤中NO3?-N含量，受土壤淋溶、硝化、反硝化等過程影響，土壤中NO3?-N含量下降也很快。土壤Nmin含量測定結(jié)果證明，傳統(tǒng)水肥處理肥料用量大，土壤氮素含量變化劇烈，滴灌施肥處理肥料用量遠小于撒施(傳統(tǒng)肥水)處理，隨水滲入土壤根系分布區(qū)域內(nèi)，土壤中NH4+-N和NO3?-N含量波動較小。

果樹根系比農(nóng)作物分布稀疏，不利于養(yǎng)分吸收、利用。細根吸收能力強，從提高肥料利用率考慮，應(yīng)該提高細根數(shù)量和細根壽命。王芬等[20]在蘋果幼樹上研究表明，通過牛糞和生物炭混施可以促進蘋果細根生長，根尖數(shù)增多，提高氮素利用率。Baldi 等[21]采用微根系原位觀測技術(shù)，研究了有機肥對桃樹細根發(fā)生、生長的影響，認為施有機肥通過改變土壤NO3?-N含量，比化肥撒施更能保持土壤養(yǎng)分穩(wěn)定，因此提高了細根發(fā)生數(shù)量。本試驗結(jié)果表明滴灌施肥處理細根發(fā)生數(shù)量最多，這與孫三民等[22]在棗樹上采用挖掘法得到的試驗結(jié)果一致，有機肥的施用提高了土壤中養(yǎng)分穩(wěn)定性，推測土壤養(yǎng)分穩(wěn)定有利于根系發(fā)生。肖元松等[23]通過給栽培桃樹根系區(qū)域通氣等方法增氧，挖掘根系發(fā)現(xiàn)增氧栽培顯著提高了土壤氧氣含量，提高了桃樹細根數(shù)量。滴灌施肥灌水量降低，土壤環(huán)境中氧濃度得到提高，因此細根發(fā)生數(shù)量增多和增加土壤氧含量有關(guān)[24]。年生長周期內(nèi)夏季和秋季是細根產(chǎn)生的兩個高峰期，但各年份之間在時間上有差異，這與Centinari等[25]在葡萄上及An等[26]在蘋果上的觀察結(jié)果一致，另外細根產(chǎn)生受溫度、水分、土層等其他因素影響，各年份間這些因素差異大。2018年桃樹少量坐果，2019年往后每年都結(jié)果，新根產(chǎn)生高峰的差異很可能與此有關(guān)。細根產(chǎn)生年份間變化較大，2018年細根產(chǎn)生多，2019年和2020年細根產(chǎn)生較少。這一方面與微根管的安裝有關(guān)[27]，因此微根管安裝后3個月才開始觀察，另一方面隨著時間的延長同一部位產(chǎn)生新根的能力逐漸變?nèi)鮗28]，同時隨著坐果量逐年增大根系生長受到影響。

桃樹新生細根顏色為白色，隨著根次生結(jié)構(gòu)的發(fā)育逐漸變?yōu)楹稚：稚男赂盏哪芰秃粑俾示陀诎咨毟鵞14]。Zhang等[18]研究肥料袋控緩釋對桃樹根系生長的影響，認為肥料袋控緩釋比肥料溝施土壤養(yǎng)分含量穩(wěn)定，延長了細根壽命，提高了細根現(xiàn)存量。本試驗中滴灌施肥處理土壤Nmin含量處于傳統(tǒng)肥水處理最高濃度和最低濃度之間，能夠一直維持在一個水平上，因此延長了細根至變褐的時間，提高了細根壽命和細根現(xiàn)存量。Balid等[21]在桃樹上研究表明，施用有機肥比施用化肥提高了細根現(xiàn)存量及其壽命，并得出這種差異是因為不同肥料導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量、穩(wěn)定性不同，硝態(tài)氮含量和細根現(xiàn)存量及其壽命顯著正相關(guān)。本研究中滴灌施肥處理新根數(shù)量提高，壽命延長，提高了細根現(xiàn)存量，與土壤中NO3?-N含量高且維持較為穩(wěn)定狀態(tài)有關(guān)。本研究中細根周轉(zhuǎn)率用細根年死亡量與細根現(xiàn)存量的比值表示，雖然不同處理間細根死亡量年度間有差異，但是細根現(xiàn)存量滴灌施肥處理遠高于傳統(tǒng)肥水處理，因此細根周轉(zhuǎn)率以滴灌施肥處理最低。

根系活力表征根系吸收能力，于坤等[29]在葡萄上研究表明，葡萄一側(cè)地下穴貯滴灌施肥一側(cè)地面滴灌施肥處理，提高了20—60 cm土層深度處的根活力。王璐等[30]利用多種有機物料混施，研究其對蘋果幼苗生長、氮素利用及土壤特性的影響，發(fā)現(xiàn)多種有機物料混施提高了土壤NH4+-N和NO3?-N 含量，提高了蘋果根系活力，提高了土壤氮庫調(diào)節(jié)能力。Zhang[18]研究發(fā)現(xiàn)，桃樹施用袋控緩釋肥后提高了土壤養(yǎng)分含量，且維持穩(wěn)定狀態(tài)，延長了細根至變褐時間，提高了根系活力。本試驗中滴灌施肥后土壤養(yǎng)分含量與袋控緩釋肥類似，因此根系活力能夠在8月份維持較高水平，進入休眠期后僅維持微弱吸收能力，11月下旬取樣結(jié)果表明各處理根系活力都處于較低水平。

本試驗15N示蹤試驗結(jié)果表明，滴灌施肥顯著提高了各器官Ndff (%)，提高了蘋果氮素養(yǎng)分吸收，這與田歌等[6]、彭玲等[31]試驗結(jié)果一致。本研究所用試材為2年生桃植株，多年生器官生物量處理間差異不顯著，主要因為桃幼樹期生長量大。新生器官氮濃度處理間有差異顯著，主要因為一年生器官在試驗期間養(yǎng)分多來源于當年吸收的肥料[32]。以往滴灌施肥對養(yǎng)分利用率影響的研究，主要從滴灌施肥改變土壤中養(yǎng)分供應(yīng)狀況角度考慮[10–11]，本研究15N示蹤試驗結(jié)果表明，滴灌施肥顯著提高了桃樹氮素養(yǎng)分吸收。氮素養(yǎng)分吸收利用率提高的原因除氮素養(yǎng)分供應(yīng)改變外，滴灌施肥對細根發(fā)生、生長的改變也是一個重要因素。

4 結(jié)論

滴灌施肥處理生長季內(nèi)土壤無機氮Nmin含量波動小，保持穩(wěn)定，提高了細根數(shù)量，延長了細根變褐時間以及細根壽命，降低了細根年周轉(zhuǎn)率，提高了生長季根系活力，這是桃樹氮素吸收利用率顯著提高的重要原因。