鄧永輝，兗 攀，鄭強(qiáng)卿，陳奇凌，王振東，王文軍，王晶晶，張錦強(qiáng)

（新疆農(nóng)墾科學(xué)院林園研究所，新疆石河子 832000）

2022 年，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)香梨產(chǎn)量62.41 萬t，較2021 年增長7.0%[1]，第二師鐵門關(guān)市是兵團(tuán)香梨主產(chǎn)區(qū)，且種植面積逐年增加。干旱缺水和水資源利用效率低是影響當(dāng)?shù)叵憷娈a(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一[2]。根系是果樹生長發(fā)育的根本，尤其是直徑小于2 mm 的吸收根承擔(dān)著從土壤中吸收水分和礦質(zhì)元素的重要任務(wù)，對果樹的生長和果實(shí)的產(chǎn)量品質(zhì)都有決定性影響。研究不同樹齡庫爾勒香梨的根系分布，有利于了解根系的生長發(fā)育規(guī)律，明確根系的集中分布區(qū)，為制定科學(xué)的水肥管理制度提供理論依據(jù)。目前對梨根系的研究較少，已有的研究主要是圍繞不同品種、水肥和地表管理措施對根系分布的影響。研究表明，梨不同土層或相同土層不同品種的根系分布表現(xiàn)差異化[3]。吸收根表現(xiàn)出較強(qiáng)的向水性，有向滴灌濕潤區(qū)集中的趨勢，并且濕潤體內(nèi)的根系密度隨滴灌濕潤比增大而遞增[4]。水分脅迫和不同覆蓋物影響根系分布，水分脅迫后恢復(fù)充分灌溉，促進(jìn)滴灌濕潤區(qū)與非濕潤區(qū)內(nèi)香梨吸收根系的發(fā)育[5-6]，行間種植三葉草與覆膜處理下梨樹根長、根表面積、根體積均高于清耕[7]。樹齡和株行距不同也是梨根系分布深度和廣度存在差異性的重要原因，隨樹齡和株行距增加根系分布的廣度和深度呈擴(kuò)大趨勢，成齡期庫爾勒香梨樹的吸收根在地表以下20—60 cm 最為密集[4-5,8]，株行距較大的盛果期在80—90 cm 深度土層根系最密集[9]。密植條件下，8 年生梨樹根系水平方向主要分布在距樹干30—90 cm 的范圍[7]，15 年生梨樹主要分布在0—120 cm 范圍[10]，垂直方向上差異小，均集中分布在0—60 cm的土層。現(xiàn)階段關(guān)于幼樹期庫爾勒香梨根系分布和生長發(fā)育規(guī)律，以及梨根系垂直方向分層分布特征形成過程還不清楚。通過研究不同樹齡庫爾勒香梨的根系分布，揭示幼樹期庫爾勒香梨根系在土壤空間中的生長發(fā)育規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)水肥精準(zhǔn)供給，提高水肥利用率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試材

試驗(yàn)地位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第二師29 團(tuán)(41.8°N，85.7°E)，海拔900 m，屬溫帶大陸性干旱氣候，四季分明。年日照時(shí)數(shù)2990 h，年無霜期210天，年平均氣溫11.4℃，近2 年平均高溫17℃，極端高溫35℃，平均低溫6℃，極端低溫-23℃，年平均降水量58.6 mm，年最大蒸發(fā)量2788.2 mm。于2021 年4 月在第二師29 團(tuán)，選擇1～6 年的庫爾勒香梨園進(jìn)行調(diào)查，各樹齡分別選取3 株接近平均基徑的香梨樹作為樣株，6 個(gè)香梨園土壤條件相近，均為壤土，pH 7.99，全鹽2022 μs/cm，有機(jī)質(zhì)6.5 g/kg，全氮0.40 g/kg，有效磷7.6 mg/kg，速效鉀323 mg/kg。砧木為杜梨，樹形為主干形，東西行向，株行距1.0 m×4.0 m。全年漫灌5 次，單次灌水定額2250 m3/hm2，全年灌水定額11250 m3/hm2。1～6 年每年11 月中旬施基肥1 次，距離主干1 m 遠(yuǎn)開溝25 cm 深，1～6 年施羊糞分別為30、30、45、60、75、90 m3/hm2，第5 年開始施基肥時(shí)添加復(fù)合肥450 kg/hm2，生長季追復(fù)合肥600 kg/hm2。

1.2 試驗(yàn)方法

采用剖面挖掘法[8]，分層采集不同土層和水平距離根系土樣。梨園為主干結(jié)果形寬行密植栽培，株距窄，水肥管理措施一般在行間開展，調(diào)查區(qū)域以樹干為中心，垂直于行向方向，挖一個(gè)長1.6 m、寬0.2 m、深1.0 m 的剖面，在剖面上使用自制取樣器(長20 cm、寬20 cm、高20 cm)取帶根土樣，采樣立方為20 cm×20 cm×20 cm，具體方法如圖1 所示，垂直方向和水平方向每20 cm 為1 個(gè)采樣立方，每株樹總計(jì)40 個(gè)采樣立方。將帶根土樣倒入0.1 mm篩進(jìn)行浸泡、沖洗，利用WinRHIZO 根系分析系統(tǒng)對采集的各采樣立方根系進(jìn)行掃描分析，根據(jù)根系的功能、形態(tài)將梨根系分為吸收根(直徑＜2 mm)、輸導(dǎo)根(2 mm≤直徑＜10 mm)、粗根(直徑≥10 mm)[9-11]，分析不同徑級根系在各采樣立方的根長、根表面積、根體積指標(biāo)。總根長、總根表面積、總根體積為整個(gè)采樣剖面根系之和。不同深度和水平距離土層根長密度、根表面積密度、根體積密度為該土層所有采樣立方總根長、總根表面積、總根體積與該土層土體體積的比值。

圖1 根系采樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of root sampling

按照以下公式計(jì)算單個(gè)采樣立方的根長、根表面積和根體積密度：

根長密度(mm/cm3)＝根長/土體體積(8000 cm3)

根表面積密度(mm2/cm3)＝根表面積/土體體積(8000 cm3)

根體積密度(mm3/cm3)＝根體積/土體體積(8000 cm3)

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和SP SS 19 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，用Origin、Surfer 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 梨各根系指標(biāo)隨樹齡變化

由圖2 可知，隨樹齡增長采樣剖面內(nèi)各根系指標(biāo)呈“階梯”式增長，且存在顯著差異性。2 年梨樹根系各指標(biāo)較上年增長不明顯。3 年梨樹根長和根表面積分別較上年增長了2.50、3.09 倍，第4 年較前年增長不明顯。5、6 年梨樹根長和根表面積顯著增長，根長分別較上年增長1.67、1.05 倍，根表面積分別增長1.11、0.61 倍。根體積在3、4、6 年顯著增長，分別較上年增長5.27、1.74、1.53 倍。

圖2 梨根長、根表面積和根體積隨樹齡變化Fig.2 Changes in root length, root surface area, and root volume of pears with tree age

從根系構(gòu)成分析發(fā)現(xiàn)，不同直徑根系增長不同步。不同樹齡梨樹吸收根根長占比86%～95%，根長增長始終以吸收根為主，吸收根在3、5、6 年顯著增長。根表面積增長是不同徑級根系共同作用的結(jié)果，以吸收根為主，不同樹齡梨樹吸收根根表面積占比為41%～77%，輸導(dǎo)根次之，占比22%～33%。根體積增長以粗根和輸導(dǎo)根為主，3 至6 年粗根和輸導(dǎo)根根體積占比分別為20%～76%、19%～59%。3、5 年輸導(dǎo)根根體積增量占總根體積增量的59%以上，輸導(dǎo)根生長較快，4、6 年粗根根體積增量占總根體積增量的86.08%，粗根增長較快，兩類根體積增長不同步。

2.2 不同樹齡梨根長密度在垂直和水平方向分布

由圖3 可知，不同深度和水平距離土層梨根長隨樹齡增長表現(xiàn)出差異性。1～4 年，根系向下和遠(yuǎn)處延伸生長，第4 年延伸至整個(gè)采樣剖面區(qū)域?？偢L顯著增長的3、5、6 年，垂直方向根長密度增長以0—60 cm 深度土層為主，3 年，0—60 cm 深度土層根長密度顯著增長，5 至6 年根系布滿整個(gè)采樣剖面，根長增長較快，分別以0—40、20—60 cm深度土層根長增長為主。水平方向上，3 年根長在20—60、80—120 cm 水平距離顯著增長，5 年根長在距離主干較近0—40 cm 和較遠(yuǎn)處100—160 cm 顯著增長，6 年根長在40—160 cm 水平距離顯著增長。

圖3 不同樹齡梨根長密度在不同土層深度和水平方向分布Fig.3 Distribution of root length density of pear trees at different ages with soil depth and horizontal distance

由表1 可知，不同樹齡梨根長密度整體上隨土層加深先增大后減小，呈“單峰型”變化，隨水平距離增加而減小，或呈“雙峰型”變化，有2 個(gè)密度較高的區(qū)域。垂直方向上根長主要分布在0—60 cm 深度的土壤，占整個(gè)采樣剖面總根長的76.46%以上。根長增長較快的3、5、6 年根長密度相對占比漲幅最大分別是40—60、0—20、40—60 cm 深度土層，說明不同深度土層根長隨樹齡增長表現(xiàn)出差異性。水平方向上，0—20 cm 土壤根長密度占比最高，1年和2 年分別占比71.93%、41.62%，3 至5 年占比為25.73%～34.05%，6 年占比僅為18.54%，隨樹齡增長，根長密度最高的區(qū)域占比呈下降趨勢，根長密度在水平方向上差異變小。距離主干40 cm 以內(nèi)水平距離土壤根系生長旺盛，1 至5 年根長占比39.56%以上，對整個(gè)采樣區(qū)域根長密度增長貢獻(xiàn)較大，2至5 年，根長在水平方向20 cm 以外，存在1 個(gè)根長密度相對占比高于11.14%區(qū)域，根長密度隨水平距離增加呈“雙峰型”變化。

表1 不同深度和水平距離土層根長密度占比 (%)Table 1 The proportion of root length density in different soil depth and horizontal distances

2.3 梨根系在土壤中的分布情況

由根長和根表面積密度分布(圖4)可知，在水平方向40 cm 以內(nèi)根長和根表面積密集區(qū)域重合或相鄰，40 cm 以外的區(qū)域密集區(qū)重合，整體分布相似。不同樹齡梨根系主要分布在0—60 cm 深度土層，水平方向存在多個(gè)不相鄰的根系密集區(qū)。2、4 年根系密度沒有明顯增長，表現(xiàn)在水平方向分布范圍快速擴(kuò)張，4 年根系延伸至長1.6 m、深1 m 的采樣剖面區(qū)域。總根長和根表面積漲幅較大的3、5 年，在靠近主干水平距離0—40 cm 密集區(qū)域，根系均表現(xiàn)旺盛生長，其根長和根表面積密度遠(yuǎn)高于40 cm 以外根系密集區(qū)。6 年梨根系密集區(qū)域連接成片，0—60 cm 深度、120 cm 水平距離以內(nèi)的根系密集區(qū)域根長密度達(dá)到0.9 mm/cm3以上，表現(xiàn)出垂直方向集中分布的特征。

圖4 不同樹齡梨樹總根長、根表面積和體積密度沿土壤深度和主干距離的分布Fig.4 The distribution of density of total root length, root surface area and volume of pear trees of different ages along soil depthand horizontal distances from the tree trunks

由根體積分布可知，在0—40 cm 水平距離、0—60 cm 深度土壤空間根體積密度較高，是根系生物量集中分布區(qū)域。在0—20 cm 表層土壤，根系主要集中在0—20 cm 水平距離，在20—60 cm 深度土層，根體積隨樹齡增長在水平方向上不斷向外延伸，在60—100 cm 深層土壤中，水平距離0—40 cm 的根體積更高。說明距離樹干較近的根系向下生長能力強(qiáng)，20—60 cm 深度土層根系水平方向延伸能力強(qiáng)。

2.4 不同直徑梨根系在土壤空間中的分布

由圖5 可知，不同直徑的根系在土壤空間分布存在差異性。粗根集中分布在水平方向0—40 cm 區(qū)域，隨樹齡向水平方向延伸生長能力弱，在距離樹干較近處向下生長能力強(qiáng)。吸收根和輸導(dǎo)根向外延伸生長能力強(qiáng)，2～4 年，吸收根和輸導(dǎo)根密集區(qū)域相似，在距離樹干較遠(yuǎn)處形成根系密集區(qū)域，并隨樹齡增長，不斷向外分布。5 年吸收根繼續(xù)向外延伸生長，6 年吸收根在深度20—60 cm、水平方向40—140 cm 的土壤區(qū)域快速增長，表現(xiàn)出垂直方向集中分布的特征。5～6 年，輸導(dǎo)根主要分布在水平方向0—80 cm 的區(qū)域，與吸收根分布密集區(qū)表現(xiàn)出差異性。

圖5 不同徑級根系根長密度在土壤空間中的分布Fig.5 The distribution of root length density of different diameter classes along soil depth and horizontal distances from tree trunks

3 討論

3.1 根系生長及構(gòu)成隨樹齡變化

本研究發(fā)現(xiàn)幼樹期庫爾勒香梨根長增長始終以吸收根為主，根表面積增長是不同直徑根系共同作用的結(jié)果，根體積增長以粗根和輸導(dǎo)根為主，這與前人研究結(jié)果[10,12]相符。本研究發(fā)現(xiàn)輸導(dǎo)根和粗根隨樹齡增長表現(xiàn)出增長不同步的現(xiàn)象，輸導(dǎo)根生長對于樹體擴(kuò)大養(yǎng)分利用空間、養(yǎng)分運(yùn)輸有重要影響[9]，粗根是樹體儲存養(yǎng)分的重要器官[10]，影響果樹開花坐果，這種增長不同步說明幼樹期供給根系生長的養(yǎng)分有限，吸收根和輸導(dǎo)根生長消耗大量營養(yǎng)時(shí)，粗根生物量積累變緩。5 年生梨總根體積沒有顯著增長，可能是前一年開花結(jié)果生殖生長消耗大量能量，根系貯藏營養(yǎng)減少。6 年生梨樹的吸收根根長和粗根體積均大幅增長，可能與上年11 月份增施基肥和基肥中添加復(fù)合肥有關(guān)，同時(shí)隨地上部分枝葉生長樹體光合能力增強(qiáng)，根系獲得光合產(chǎn)物增加，粗根生物量進(jìn)一步積累。因此，梨樹定植第4 年進(jìn)入初結(jié)果期，需要控制花量和坐果數(shù)，適當(dāng)在基肥中添加復(fù)合肥，可以促進(jìn)根系快速生長，提高根系貯存營養(yǎng)水平。

3.2 根系在水平和垂直方向上的分布特征

吸收根是土壤養(yǎng)分吸收的主要根系[13-14]，其空間分布特征決定了果樹從土壤中獲取礦質(zhì)養(yǎng)分和水分資源的能力，是果樹科學(xué)水肥管理措施的重要依據(jù)[15]。本研究結(jié)果表明吸收根根長和根表面積占比最高，總根表面積、根長密集區(qū)與吸收根根長密集區(qū)分布相似，這與前人研究結(jié)果[9,11]一致。對總根長在垂直和水平方向上分布的結(jié)果表明，不同樹齡梨根長集中分布在0—60 cm 深度土層，占比76.46%以上，水平方向上根長密度整體上隨水平距離增加而減小，與前人研究結(jié)果[5,9-11]一致。植物根系構(gòu)型明顯受環(huán)境營養(yǎng)狀況的影響[16]，尤其是0—60 cm 的深度土壤理化性質(zhì)受水肥管理措施影響，該土層養(yǎng)分和水分較充足，是棗、蘋果等果樹根系密集生長區(qū)域。丁闊等[17]研究表明梨園有機(jī)質(zhì)、氮和磷隨土層深度增加而下降，表層土壤養(yǎng)分含量高，但梨根長密度往往在20—60 cm 深度土層最高，本研究發(fā)現(xiàn)0—20 cm 表層土壤根系在水平方向上分布范圍窄，主要原因是在距主干60 cm 外土壤根系被旋耕破壞導(dǎo)致。梨和蘋果果園行間覆草和覆膜，0—20 cm 的表層土壤根長密度遠(yuǎn)高于清耕，且在距主干140 cm 的區(qū)域仍保持較高的密度[7,18]，說明梨樹在0—20 cm 表層土壤具有較強(qiáng)的延伸生長能力。新疆地區(qū)冬季寒冷，采用清耕方式有利于根系向下分布，以增強(qiáng)根系的抗寒性，是地表管理的重要措施。所以，20—60 cm 深度土層是梨水肥管理的重要區(qū)域，施肥深度在地表20 cm 以下為宜。

3.3 根系分布結(jié)構(gòu)形成過程

根系分布是水肥管理的重要依據(jù)，關(guān)于品種、水肥管理措施下的根系分布差異化研究較多，對不同時(shí)間尺度上的多種徑級根系變化研究缺乏[19]。對果樹的根系垂直方向時(shí)空分布研究發(fā)現(xiàn)，隨樹齡增長果樹吸收根分布有向下密集的趨勢，但0—60 cm 深度土層始終是根系主要分布區(qū)域，梨和蘋果集中分布在20—60 cm 的土層[6,10,20]，紅棗分布較淺，集中分布在0—40 cm 的淺層土壤[21-23]。本研究發(fā)現(xiàn)，漫灌條件下幼樹期梨樹根系主要分布在0—60 cm 深度的土層，隨樹齡增長梨根系分布有向下密集的趨勢。梨根系在垂直方向上隨樹齡變化較小，幼樹期梨根系結(jié)構(gòu)改變主要是在水平方向上變化。

本研究發(fā)現(xiàn)，幼樹期梨粗根在水平方向延伸生長慢，根體積主要分布在水平方向0—40 cm 的區(qū)域，這與樊雨[24]研究結(jié)果相似。輸導(dǎo)根和吸收根延伸能力強(qiáng)，存在多個(gè)不相鄰的密集區(qū)域。有研究認(rèn)為局部田間差異[7]或行間根系交叉[20]導(dǎo)致果樹根系在水平方向不均勻分布，本研究結(jié)果表明2 至4 年，梨根系主要表現(xiàn)為延伸生長，吸收根和輸導(dǎo)根在距離樹干較遠(yuǎn)處形成密集區(qū)域，密集區(qū)位于120 cm 以內(nèi)，顯然不是行間根系交叉所致。說明距離主干較遠(yuǎn)處的根系具有較強(qiáng)的生長勢，漫灌條件下幼樹期梨樹輸導(dǎo)根和吸收根優(yōu)先占據(jù)更大土壤空間，表現(xiàn)根長和根表面積距離樹干較遠(yuǎn)處形成密集區(qū)域、中間區(qū)域密度較小的分布特征，有利于擴(kuò)大養(yǎng)分吸收空間范圍。本研究還發(fā)現(xiàn)主干附近0—40 cm 水平距離，吸收根生長旺盛，1～5 年根長占比39.56%以上，對整個(gè)采樣區(qū)域根長密度增長貢獻(xiàn)較大，這可能與養(yǎng)分就近供應(yīng)有關(guān)，葉片光合產(chǎn)物就近運(yùn)輸至主根附近，有利于主根附近的輸導(dǎo)根和吸收根生長。目前，主干結(jié)果形密植梨園多在距主干100 cm處開溝施肥，主干附近0—40 cm 水平距離根系密集區(qū)作用被忽略。采用漫灌導(dǎo)致大量水分蒸發(fā)，李朝陽等[25]和胡家?guī)浀萚26]研究發(fā)現(xiàn)，漫灌改滴灌可顯著提高紅棗產(chǎn)量和灌溉水分利用效率，對于漫灌改滴灌的幼樹期梨園，建議在距離主干40 cm 處鋪設(shè)滴灌帶能充分利用主干附近的密集區(qū)根系，有利于提高水分利用率。

根系密集區(qū)施肥有利于養(yǎng)分吸收與積累[27-28]，不同位置施氮影響氮素吸收和樹體營養(yǎng)分配，肖元松等[29]認(rèn)為桃樹樹冠外圍根系吸收的氮素主要分配到新生器官，近樹干部位根系吸收的氮素主要分配到貯藏器官，許海崗等[30]認(rèn)為蘋果樹冠內(nèi)層施肥處理氮利用率顯著高于中層和外層施肥處理，對營養(yǎng)分配影響不大。本研究發(fā)現(xiàn)，6 年生梨輸導(dǎo)根系主要分布在距主干水平距離80 cm 以內(nèi)，同樣吸收根根長密度下，密集的輸導(dǎo)根更有利于養(yǎng)分的運(yùn)輸，可能是不同位置施氮影響?zhàn)B分吸收和分配原因之一。根據(jù)1～6 年庫爾勒香梨根系分布特征，建議1～4 年幼樹期梨園在水平方向上逐年擴(kuò)大水肥管理措施范圍，1 年生梨樹施肥在40 cm 左右，施肥位置以每年20 cm 外移，以促使根系延伸生長，盡快擴(kuò)大養(yǎng)分吸收區(qū)域，5～6 年，在距主干40 cm 處施肥，以增加樹體營養(yǎng)貯存，促進(jìn)翌年開花坐果，穩(wěn)定產(chǎn)量。

4 結(jié)論

長期漫灌條件下，幼樹期庫爾勒香梨距主干較遠(yuǎn)處的根系具有較強(qiáng)的生長勢，并形成根長和根表面積密集區(qū)域，輸導(dǎo)根和吸收根優(yōu)先占據(jù)更大土壤空間，有利于擴(kuò)大養(yǎng)分吸收空間范圍。6 年生梨樹根系密集區(qū)連接成片，水平方向分布較均勻，在20—60 cm 土層集中分布。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)樹齡逐年擴(kuò)大水肥管理范圍，主干附近0—40 cm 水平距離，吸收根生長旺盛，也是水肥管理的重要區(qū)域。