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(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西晉中學(xué)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(guó)北方干旱和半干旱地區(qū)[1,2]，蓄水坑灌法通過(guò)蓄水坑壁將果樹所需要的水分、氮等養(yǎng)分直接作用于果樹的根區(qū)土壤進(jìn)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(dāng)?shù)亟涤陱搅?、減小水土流失，促進(jìn)深層根系的生長(zhǎng)發(fā)育。同時(shí)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(jié)水、保水保肥的特點(diǎn)[3,4]。

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一, 它是果樹生長(zhǎng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[5,6]。而根作為作物重要的吸收合成器官，具有吸收水分養(yǎng)分促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要作用。蘋果根系具有較強(qiáng)可塑性，氮素作為極其重要的養(yǎng)分，其變化會(huì)使根系的生長(zhǎng)發(fā)育和生理功能產(chǎn)生相應(yīng)的變化[7]。通過(guò)觀測(cè)計(jì)算得到根長(zhǎng)密度(RLD)和根表面積密度(RSAD)，作為反映蘋果樹地下部分生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，RLD和RSAD在一定程度上可以反映蘋果樹根系對(duì)土壤水分、養(yǎng)分等利用能力的強(qiáng)弱[8]。增施氮肥可以有效改善土壤肥力，對(duì)果樹的根系生長(zhǎng)發(fā)育起到了極大的調(diào)控和促進(jìn)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(zhǎng)度、根尖數(shù)、根系活力等根系指標(biāo)均是先升高后降低[9,10]；龍遠(yuǎn)莎等研究發(fā)現(xiàn)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(duì)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(duì)氮素的研究主要集中在氮素分布和水氮運(yùn)移，但對(duì)施氮是否可以促進(jìn)蘋果樹根系生長(zhǎng)發(fā)育的相關(guān)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在山西省農(nóng)科院果樹研究所節(jié)水灌溉示范園進(jìn)行，該果園位于山西省太谷縣北洸鄉(xiāng)(東經(jīng)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(wú)霜期175 d，屬于典型的大陸性半干旱氣候。試驗(yàn)地灌溉水源主要為地下水，田間持水率平均為30%。試驗(yàn)地土壤以粉沙壤土為主，土層0～40、40～80、80～120 cm對(duì)應(yīng)的土壤容重分別為1.4、1.47、1.37 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取15棵生長(zhǎng)狀況良好，長(zhǎng)勢(shì)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(shè)置CK(地面施肥對(duì)照組)以及T1、T2、T3、T4(蓄水坑灌試驗(yàn)處理組)共5個(gè)處理，每一個(gè)處理設(shè)有3個(gè)重復(fù)。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(shí)間為2018年5月24號(hào)(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(gè)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(shí)對(duì)蓄水坑坑壁進(jìn)行防坍塌固定，蓄水坑底鋪上土工布，防止水下滲。根系測(cè)點(diǎn)布置在2個(gè)蓄水坑中間距離樹干50 cm處，微根管在實(shí)驗(yàn)開始前半年的時(shí)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(yáng)光直射，同時(shí)用蓋子蓋緊微根管，保證其密封性防止水進(jìn)入管內(nèi)，避免損壞探頭和相機(jī)。具體布置圖及根系測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

表1 施氮方案Tab.1 Nitrogen application schedule

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：cm)Fig.1 Layout diagram of measuring point

1.3 試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目與方法

用BTC微根管根系生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在試驗(yàn)田對(duì)根系進(jìn)行360°的圖像采集，每隔45°采集一張，每個(gè)位置共采集8張圖片。具體采集對(duì)象：以施肥當(dāng)天作為基準(zhǔn)點(diǎn)，觀測(cè)施肥前1個(gè)月(BF30d)、施肥后1個(gè)月(AF30d)以及施肥后第2個(gè)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(jìn)行分析計(jì)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(zhǎng)速率RLDr、RSADr，具體計(jì)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(zhǎng)，mm；n為圖片數(shù)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(cè)到的土壤厚度，mm，通過(guò)實(shí)際測(cè)定并參考文獻(xiàn)[15]，本研究中取為2 mm;S為根表面積，cm2；RLDn+1為第n+1次測(cè)得的根長(zhǎng)密度值，mm/cm3；RLDn為第n次測(cè)得的根長(zhǎng)密度值，mm/cm3；T為取樣間隔時(shí)間；RSADn+1為第n+1次測(cè)得的根表面積密度值，cm2/cm3；RSADn為第n次測(cè)得的根表面積密度值，cm2/cm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果樹根長(zhǎng)密度對(duì)不同氮素水平的響應(yīng)

圖2為BF30d、AF30d及AF60d各處理在不同深度土層(0～100 cm)的根長(zhǎng)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(zhǎng)密度明顯大于CK處理。主要是因?yàn)榈孛婀喔鹊耐寥浪趾偷刂饕挥谕寥辣韺?，而蓄水坑灌水分和氮素主要位于土壤中深層[11]，說(shuō)明蓄水坑灌更利于土壤中深層根系的生長(zhǎng)發(fā)育。施肥后在0～100 cm深度土層，各處理果樹根長(zhǎng)密度均顯著增加，說(shuō)明施用氮肥可以促進(jìn)根系的生長(zhǎng)發(fā)育。蓄水坑灌和地面灌溉果樹根長(zhǎng)密度在垂向上的分布規(guī)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(jié)果一致[16]，地面灌溉根長(zhǎng)密度高值區(qū)位于0～40 cm的土層，蓄水坑灌根長(zhǎng)密度高值區(qū)位于20～80 cm。

為進(jìn)一步分析蘋果樹根長(zhǎng)密度對(duì)不同氮素水平的響應(yīng)，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(zhǎng)速率(RLDr)，以及各處理之間的差異性分析結(jié)果。由圖3可知：蓄水坑灌試驗(yàn)組中，BF30d-AF30d各處理RLDr隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后略微減小的規(guī)律，其大小關(guān)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(shuō)明T3蘋果樹根系發(fā)育情況最好，施氮可以有效地促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育，施氮量的增加對(duì)促進(jìn)根系生長(zhǎng)的作用更顯著，而施氮過(guò)多在一定程度上會(huì)抑制蘋果樹根系對(duì)氮素的吸收利用從而影響根的生長(zhǎng)和發(fā)育，這與沙建川等人的研究結(jié)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(gè)處理差異性明顯，證實(shí)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(shuō)明蓄水坑灌對(duì)中深層根系的生長(zhǎng)發(fā)育更有利。AF60d各處理根系生長(zhǎng)死亡速率大于生長(zhǎng)速率，RLDr為負(fù)，這是因?yàn)榈搅诵律彝L(zhǎng)期，蘋果樹的果實(shí)、枝條等地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育需要吸收大量的氮素等養(yǎng)分，在一定程度上抑制了果樹根系的生長(zhǎng)[17]。 其絕對(duì)值大小關(guān)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?yàn)門3土壤中氮素含量高，水肥狀況良好，根系生長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)不同氮素水平的響應(yīng)

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(guī)律均為隨著土層深度的增加先增大后減小，區(qū)別是地面灌溉RSAD高值區(qū)位于0～40 cm的土層，蓄水坑灌RSAD高值區(qū)相對(duì)下移位于20～80 cm的土層。施氮肥后，各處理RSAD明顯增大，說(shuō)明施氮可以有效促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育，沙建川等在平邑甜茶蘋果樹上得到過(guò)相似的結(jié)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(yàn)組；在20～100 cm深度的土層，施肥前后蓄水坑灌試驗(yàn)組的RSAD明顯大于CK。主要是因?yàn)榈孛婀喔鹊耐寥浪趾偷刂饕挥谕寥辣韺?，蓄水坑灌水分和氮素主要位于土壤中深層，說(shuō)明蓄水坑灌更利于土壤中深層根系的生長(zhǎng)發(fā)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(zhǎng)速率(RSADr)，以及各處理之間的差異性分析結(jié)果。由圖5可知：蓄水坑灌試驗(yàn)組中，BF30d-AF30d各處理RSADr隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，其大小關(guān)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(shuō)明T3根系生長(zhǎng)發(fā)育情況最好，施氮可以有效促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育，施氮量的增加對(duì)促進(jìn)根系生長(zhǎng)的作用更顯著，而施氮過(guò)多會(huì)抑制根系的生長(zhǎng)和發(fā)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(gè)處理差異性顯著，說(shuō)明蓄水坑灌更利于中深層根系的生長(zhǎng)，這與張學(xué)琴等的研究結(jié)果一致[18]。AF60d各處理RSADr為負(fù)，說(shuō)明各處理根系生長(zhǎng)速率小于死亡速率，這是因?yàn)榇藭r(shí)蘋果樹地面部分的生長(zhǎng)發(fā)育需要水分養(yǎng)分，限制了根系的生長(zhǎng)[18]。RSADr的絕對(duì)值大小關(guān)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?yàn)門3土壤中氮素含量高，水肥狀況良好，根系生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jié) 論

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)蓄水坑灌下蘋果樹根系生長(zhǎng)對(duì)不同氮素水平響應(yīng)的研究分析可得出以下結(jié)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(zhǎng)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(zhǎng)密度和根表面積密度的凈生長(zhǎng)速率隨之先增大后略減小,T3根系凈生長(zhǎng)速率最大，T4施氮量最大，生長(zhǎng)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(duì)CK處理根系生長(zhǎng)的促進(jìn)作用更好，在20～100 cm土層，施氮促進(jìn)蓄水坑灌根系生長(zhǎng)的效果更明顯。

(4)本試驗(yàn)中T3處理(20 kg/hm2)更利于蘋果樹根系的生長(zhǎng)發(fā)育。