灌溉方式對楊樹根系分布及硝態氮運移的影響

井 大 煒

(1.德州學院， 山東 德州 253023; 2.山東省林業科學研究院， 山東 濟南 250014)

植物對于水分的需求與其所處環境的水分條件經常處于矛盾之中，各種植物生長發育過程中，經常處于水分虧缺或水分過多的環境之中[1]。而生長在不同生態條件下的植物根系，其形態特征、分布狀況以及生長發育規律都有它自己的特點[2]。在灌水量較少的地區大多數植物都具有較發達的根系，盡管在深層土壤中僅有少量的根系存在，但它們對植物的水分吸收卻發揮著非常重要的作用[3-4]。水分條件的改變影響到植物根系擁有地下營養空間的大小和對土壤營養及水分的利用，也直接影響到地上部分產量的高低。

楊樹是北方平原與沙區營造防護林和用材林的主要樹種，品質繁多，栽培面積大，在生態環境治理和解決木材短缺方面均占有重要的地位。目前，雖然已經有比較成熟的微灌技術，但由于成本高，主要應用于黃瓜、番茄、棉花等農作物上[5-7]，而在林木生產上的應用較少。在大部分林木的造林管理中仍然以傳統的漫灌為主要的灌溉方式。關于不同灌溉方式對土層中硝態氮運移的研究主要集中在農作物方面[6,8]，而在楊樹方面的研究尚未見報道。為此，本文以5年生的歐美I-107楊為研究對象，對比分析在原有的漫灌方式與改進的畦灌方式下歐美I-107楊根系的垂直分布規律及硝態氮運移的變化特征，目的是在評價根系分布的同時，研究不同灌溉方式對環境(表層和深層土壤)的影響效果，為干旱區人工林的水分利用和合理調控灌溉提供理論支持和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

試驗地點設在山東省濟南市北郊林場，地理坐標為北緯36°40′，東經117°00′，屬暖溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，日照充分，年平均氣溫14 ℃，年平均降雨量650～700 mm。供試土壤為潮土，土壤速效N 19.65 mg/kg，速效P 14.32 mg/kg，速效K 45.79 mg/kg，有機質含量7.83 g/kg。所用化肥為尿素、磷酸一銨和氯化鉀，肥料用量為常規施肥量，相當于N 205.28 kg/hm2，P2O570.38 kg/hm2和K2O 58.65 kg/hm2的施肥水平。楊樹為5年生I-107歐美楊人工林，株行距2.5 m×5 m，南北行向，林木生長均勻，平均樹高12.75 m，平均胸徑12.36 cm。

1.2 試驗設計

2012年4月5日試驗開始進行，設2個處理：FI(根據農民的經驗灌水量設3 600 m3/hm2為灌溉定額，4, 6, 8, 10月每月900 m3/hm2)和BI(根據楊樹根系的水平分布和灌溉水的側滲距離，設定畦寬1.0 m，720 m3/hm2為灌溉定額，4—10月每月103 m3/hm2)。每個小區有楊樹30株，重復3次，隨機區組排列，管理措施相同。根據楊樹的生長發育狀況，以畦灌為基準確定灌水時間，兩種灌溉方式同時灌水，灌水量用精確度為0.01 m3的水表計量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量、水勢的測定及根系分布調查 2012年10月進行根系調查，在兩種不同灌溉方式下的楊樹中隨機各選取10株，對所選植株的根系采用分層分段挖掘法，以植株根莖為圓心，水平距離每30 cm為一段，自地表向下每20 cm為一層進行分層分段取土，挖掘過程中采用根系追蹤法和過篩法把每層的根系全部取出。挖掘根系之前，在所挖掘的植株附近利用1 m土鉆取土樣，每20 cm為一層，用烘干法測定土壤含水量，同時利用TRS-II便攜式土壤水勢測定儀對各個土層的水勢進行測定。將取回的各層各段根樣帶回實驗室內沖洗干凈，待根系恢復原狀后放入烘箱于80 ℃下烘干至恒重，然后稱重計算出各個層次的根系生物量。

1.3.2 0—100 cm土層硝態氮運移的測定 以畦灌的灌溉周期為參考，利用土鉆分別取灌水前、灌水當天及灌水后7，14，29 d的0—20，20—40，40—60，60—80和80—100 cm土壤，每個處理6次重復，同層混合均勻，用連續流動分析儀測定硝態氮含量。

1.4 數據分析

采用SPSS 17.0進行數據統計，利用Excel 2007和Sigmaplot 10.0分別進行數據計算和圖形制作。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式下土壤含水量、水勢的垂直變化

不同灌溉方式對楊樹樣地內土壤含水量和土壤水勢的影響如圖1所示。由圖1可見，漫灌和畦灌處理在0—20 cm表層的土壤含水量均是最低，隨著土層深度的增加，其土壤含水量均呈逐漸升高的趨勢。畦灌在40—60 cm土層的含水量與漫灌差異不顯著，而在0—20，20—40，60—80和80—100 cm土層分別比漫灌降低了10.18%，10.31%，14.97%和15.58%，差異均達顯著水平，并且隨著土層深度的增加，其差異呈逐漸增大的趨勢。這說明畦灌比漫灌的水分深層滲漏明顯減弱。土壤水勢與土壤含水量表現出基本一致的變化規律。畦灌在0—40和60—100 cm土層的土壤水勢均明顯低于漫灌，而在40—60 cm土層差異不顯著。

2.2 不同灌溉方式下根系生物量的垂直分布

從圖2可見，畦灌和漫灌條件下，楊樹根系生物量在土壤中垂直分布趨勢基本一致，即隨著深度的增加，根系生物量均逐漸減少。同時可以看出，大量根系分布在0—40 cm的土層內，40 cm以下各層根干重顯著減小，使根呈“倒金字塔”型分布。不同灌溉方式之間，楊樹根系垂直分布特征也有顯著差異。在0—20 cm土層，畦灌的根系生物量比漫灌降低了8.28%，差異達顯著水平；但隨著土層深度的增加，畦灌在20—80 cm土層的根系生物量卻比漫灌增加了35.87%，其中在20—40，40—60和60—80 cm土層分別比漫灌增加了22.97%，52.48%和116.76%，差異均達顯著水平，并且在0—80 cm土層的總根重也比漫灌增加了5.52%。通過觀察還發現，畦灌的根系扎根深度也明顯大于漫灌。此外，在0—20 cm土層中，漫灌方式下的根系生物量占總根重的68.74%，而畦灌只有59.75%。這表明漫灌使楊樹根系生物量向表層集中的趨勢很明顯，而畦灌能夠增加楊樹根系的總生物量，尤其是深層的根系生物量。

圖1 不同灌溉方式下土壤含水量及土壤水勢

圖2 不同灌溉方式下楊樹根系生物量的垂直分布

2.3 不同灌溉方式下根系垂直分布特征參數

Gale等[4]通過對不同樹種不同演替階段根系的分布特征的研究，提出了一個根系垂直分布模型：

Y=1-βd。

式中：Y——從地表到一定深度的根系生物量累積百分比；d——土層深度(cm);β——根系消弱系數。其中β值越大說明根系在深層土壤中分布的百分比越大； 反之，β值越小，則說明有更多的根系集中分布于接近地表的土層中。β值的大小與根系體積或根系密度無關，只是說明了根系垂直分布特征的關系，引入β值描述楊樹根系分布與土壤深度間的關系。利用Sigmaplot的函數擬合功能，對不同灌溉方式下楊樹根系垂直分布特征參數進行求解，計算出不同灌溉方式下的β值(表1)。從表1可知， 畦灌處理的消弱系數大于漫灌，說明畦灌方式下可以使楊樹根系在深層土壤中分布的百分比增大。

表1 不同灌溉方式下楊樹的根系消弱系數

2.4 不同灌溉方式下硝態氮的運移

對不同灌溉方式下0—100 cm土層灌溉前后土壤中硝態氮的測定結果如圖3所示。隨土層深度的增加，硝態氮含量逐漸降低且變化幅度減小；灌溉方式不同，硝態氮運移的規律不同，并且不同土層之間的差異也較明顯。對于0—20 cm土層而言，灌溉前畦灌與漫灌的硝態氮含量差異不顯著，灌溉當天兩個處理硝態氮含量均呈現降低的趨勢，漫灌的降低幅度較大，比灌溉前降低了36.49%，畦灌相對較小，比灌溉前減少了25.13%。灌溉后隨著蒸發的進行，兩個處理的硝態氮含量逐漸增加，其中漫灌增加的幅度較大，但灌溉周期結束(以畦灌的灌溉周期為參考)時硝態氮含量仍然是畦灌>漫灌。主要是因為漫灌灌水量大，淋洗量高，造成表層硝態氮含量較低，而畦灌灌水量少，淋洗量也少，使留在表層的硝態氮量相對較多。20—40 cm土層在灌溉周期內硝態氮的運移規律與0—20 cm基本一致，只是硝態氮含量相對較低。40—60 cm土層的硝態氮含量在兩種不同的灌溉方式下差異不顯著。60—80 cm土層，灌溉前畦灌與漫灌的硝態氮含量差異不顯著，灌溉當天漫灌顯著高于畦灌，灌溉后隨著蒸發的進行，兩個處理的硝態氮含量緩慢降低，但均是漫灌>畦灌。80—100 cm土層在灌溉前和灌溉當天，畦灌與漫灌的硝態氮含量均差異不顯著，但灌溉后隨著上層土壤的進一步淋溶，畦灌的硝態氮含量均顯著低于漫灌，在灌溉后7，14和29 d，畦灌的硝態氮含量分別比漫灌減少了21.84%，20.24%和19.53%。

3 討 論

3.1 灌溉方式與根系垂直分布及消弱系數

根系分布是指根在空間梯度或格點上的存在狀態。根系分布特征及對環境的抵御能力是植物生長和穩定性的主要因素，尤其在干旱、半干旱地區[3,9]。有研究表明，由于根系的分布深度影響到植物地下營養空間的大小和對土壤水分、養分的利用，進而直接影響到植物地上部分的生長和功能效益的發揮。

圖3 不同灌溉方式下硝態氮的運移情況

注：橫軸0為灌溉前； 1為灌溉當天； 8為灌溉后第7 d； 15為灌溉后第14 d； 30為灌溉后第29 d。

本試驗研究認為，不同灌溉方式下，楊樹根系生物量的垂直分布隨土壤深度的增加呈逐漸減少的趨勢，這符合植物根系垂直分布的普遍規律，與大多數研究者報道基本一致[10-12]。試驗還發現，在0—20 cm 土層，漫灌方式下的楊樹根系生物量顯著高于畦灌，并且根量占根系總量的百分比達到了68.74%，而畦灌只有59.75%；但在20—80 cm土層，畦灌的根系生物量卻比漫灌增加了35.87%，而且根系的扎根深度也明顯大于漫灌。根系垂直分布模型中消根系數β的變化也說明畦灌相比漫灌能使根系在深層土壤中分布的百分比增大。這主要是由于漫灌的灌水量較大，滿足了楊樹對水分的需求，根系向下伸展的“積極性”降低，根系生物量主要集中在上層，根系所占有的空間相對較小；而畦灌由于灌水量較小，楊樹為了獲取更多的水分維持其生長發育，根系向下伸展的較深，根系所占有的空間相對較大。

3.2 灌溉方式與硝態氮運移

有研究表明，灌溉方式影響了水分的運移規律，而土壤鹽分的變化與水分運動是分不開的，溫度勢梯度下土壤鹽分的遷移仍然以水分運動為基礎[13]。因此，灌溉方式還會對鹽分的運移產生影響。本文兩種不同的灌溉方式下硝態氮的運移規律有明顯的差異。在0—40 cm土層，畦灌的硝態氮含量顯著高于漫灌，這可能與該土層的含水量、水勢變化規律有關，隨著土壤含水量的降低，硝態氮含量呈增加的趨勢。這與孫麗萍等[8]的研究結果一致。在60—100 cm土層，畦灌的硝態氮含量顯著低于漫灌。可見，畦灌有助于表層硝態氮的累積，而楊樹根系主要分布在這個范圍，故有利于楊樹對養分的吸收利用，降低了硝態氮的深層淋失，提高了肥料利用率；而漫灌使較多的硝態氮向深層淋溶，這不僅造成了養分的大量流失而且還會對地下水環境的污染構成潛在的威脅。

4 結 論

畦灌使歐美I-107楊在0—40和60—100 cm土層的含水量、水勢均顯著降低，并且土層越深差異也越大，說明畦灌下的水分深層滲漏明顯減弱；隨著土層深度的增加，畦灌和常規漫灌下的根系生物量均逐層降低，大量根系集中在0—40 cm土層，其中在0—20 cm土層中，畦灌的根量比漫灌減少了8.28%，但在20—80 cm土層中根量卻增加了35.87%，并且在0—80 cm土層中的總根重增加了5.52%，同時消根系數β也大于漫灌。此外，畦灌使0—40 cm土層的硝態氮含量顯著升高，而60—100 cm土層的硝態氮含量卻明顯降低，其中在80—100 cm土層中，灌溉后7，14和29 d，畦灌的硝態氮含量分別比漫灌減少了21.84%，20.24%和19.53%。

由此可見，畦灌有利于楊樹根系的合理分布，擴大了根系對水分和養分的吸收空間，并且能減少硝態氮的深層淋溶，這對于提高楊樹潛在生產力、肥料利用率和保護地下水環境具有重要意義。

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