不同灌水定額下核桃樹吸水根系分布研究

趙經(jīng)華，李 丹，付秋萍(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

根系是陸生植物吸水的主要器官，它從土壤中吸收大量水分，用以滿足植物體的需要[1]。植物根系的形態(tài)與分布特征可以影響根系的吸收功能與吸收效率，根系在土壤中的分布狀況同樣是果園進(jìn)行灌水、施肥等需要考慮的重要因素[2-4]。有關(guān)研究表明，干旱區(qū)核桃根系主要分布范圍為垂直方向0～90 cm、水平方向0～120 cm，且有效根系分布函數(shù)在垂直方向?yàn)橹笖?shù)分布形式，而在水平方向則為多項(xiàng)式分布形式[5]，在單、間作種植模式下，核桃根系在垂直與水平方向分布相對(duì)一致，在垂直方向20～70 cm、水平方向0～110 cm根系密度分布較為集中[6]。但針對(duì)于不同灌水定額處理下的核桃根系研究，依然處于空白狀態(tài)。因此，作為新疆阿克蘇地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)果樹，關(guān)于核桃根系空間分布研究的進(jìn)一步完善，可以為灌水策略制定與調(diào)整提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)研究概況

試驗(yàn)于新疆阿克蘇地區(qū)紅旗坡新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林果試驗(yàn)基地(東經(jīng)80°14′，北緯41°16′，海拔1 133 m)進(jìn)行。該基地地處天山中段的托木爾峰南麓，塔里木盆地北緣，屬于典型的溫帶大陸性氣候，多年平均太陽(yáng)總輻射量544.115～590.156 kJ/cm2，多年平均年日照時(shí)間2 855～2 967 h，無(wú)霜期205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm，多年平均氣溫11.2 ℃。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)基本情況如表1所示。

表1 研究區(qū)土壤質(zhì)地組成Tab.1 Soil texture in the study area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試作物為8 a生核桃，品種為“溫185”，株行距為2 m×3 m。試驗(yàn)采用地面滴灌灌水方式，1行2管布置，壓力補(bǔ)償式滴灌管距樹均為0.5 m，滴頭流量3.75 L/h。試驗(yàn)區(qū)共設(shè)置3組灌水定額，分別為150 m3/hm2(C1處理)、300 m3/hm2(C2處理)和450 m3/hm2(C3處理)。試驗(yàn)組每組均選取長(zhǎng)勢(shì)均一的核桃樹3株，共計(jì)9株，并固定為試驗(yàn)樣樹。

1.3 測(cè)定方法

(1)根系取樣方法。于2015年9月10(核桃成熟期)進(jìn)行C1、C2、C3處理根系取樣。根區(qū)取樣均采用分層分段挖掘法進(jìn)行。取樣時(shí)，從樹干開始，向行間挖取一個(gè)長(zhǎng)150 cm、深120 cm的土壤剖面，并按照30 cm(長(zhǎng))×20 cm(寬)×20 cm(深)進(jìn)行分層挖掘，共計(jì)30個(gè)行向根區(qū)土樣，將田間大致篩取根樣裝入自封袋中并進(jìn)行標(biāo)號(hào)處理。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室中，用水沖洗各自封袋中根樣，并自然通風(fēng)晾干。按照有效吸水根系(細(xì)根，根徑<2 mm)以及輸導(dǎo)根系(粗根，根徑≥2 mm)分別進(jìn)行根系圖樣掃描，掃描設(shè)備為HP Scanjet 8200型掃描儀。掃描成圖后，通過(guò)Delta-T Scan軟件分析，得到不同根系徑級(jí)根長(zhǎng)數(shù)據(jù)。將掃描后的根樣分裝到不同標(biāo)號(hào)的鋁盒中，使用烘箱將根系烘至恒重，并稱取每份重量。鑒于核桃灌水考慮，本次試驗(yàn)均只針對(duì)于吸水根系(細(xì)根)進(jìn)行研究。

(2)根系密度計(jì)算。根長(zhǎng)密度是反映地下部分生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，是根系生長(zhǎng)發(fā)育的最直接指標(biāo)。其中，根長(zhǎng)密度(m/m3)為各根系取樣點(diǎn)總根長(zhǎng)度除以每次取土體積(30 cm×20 cm×20 cm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根長(zhǎng)密度垂直分布特征

將水平方向的4個(gè)根系測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，取得垂直一維方向0～120 cm的根長(zhǎng)密度分布(見表2)。對(duì)比3組處理可以看出，在垂直一維分布中，各根長(zhǎng)密度變化趨勢(shì)相似，均隨著土層深度的不斷增加，吸水根系根長(zhǎng)密度呈現(xiàn)先增大后減小之后又逐漸增大的趨勢(shì)。在各組灌水定額處理的不同土層深度中，C1處理垂向40～60 cm根長(zhǎng)密度分布最多，為5 480.042 m/m3；C2處理垂向20～40 cm根長(zhǎng)密度分布居多，為4 971.233 m/m3；C3處理0～20 cm根長(zhǎng)密度分布最多，為8 563.9 m/m3，說(shuō)明灌水定額不同會(huì)使根系生長(zhǎng)發(fā)生變化，由于灌水定額的不斷增加，表層土壤含水量的增大，吸水根系也會(huì)受到影響，生長(zhǎng)不斷趨于旺盛。總體來(lái)看，在垂直深度0～60 cm，C1、C2、C3處理根長(zhǎng)密度分布較大，累計(jì)百分比例分別達(dá)到55.63%、51.13%、60.94%，在80～120 cm土層，各處理根長(zhǎng)密度分布也相對(duì)較多，可能是由于灌水下滲造成，但相比較而言，0～60 cm土層更應(yīng)該加強(qiáng)灌水施肥管理。

表2 根長(zhǎng)密度垂直分布Tab.2 The vertical distribution of root length density

2.2 根長(zhǎng)密度水平分布特征

垂直方向6個(gè)土樣觀測(cè)點(diǎn)根長(zhǎng)密度數(shù)據(jù)進(jìn)行加和，得到水平方向根長(zhǎng)密度分布。由表3可以看出，根長(zhǎng)密度隨著距樹距離的不斷增大，C1處理呈拋物線變化趨勢(shì)，C2處理為先減后增再減再增加的波動(dòng)變化趨勢(shì)，C3處理根長(zhǎng)密度分布則為先增大后減小最后再稍稍增大的變化趨勢(shì)。其中在水平方向，C1處理的30～60 cm、C2處理的0～30 cm、C3處理的30～60 cm根長(zhǎng)密度分布最大，分別為5 554.733、4 956.800、7 688.350 m/m3。總體而言，在水平方向0～90 cm根長(zhǎng)密度分布最大，各處理累計(jì)比例分別為75.43%、75.66%、68.85%。

表3 根長(zhǎng)密度水平分布Tab.3 The horizontal distribution of root length density

2.3 根長(zhǎng)密度二維分布

圖1為不同灌水定額處理下核桃樹吸水根系分布情況。從圖1可以看出，在C1處理根長(zhǎng)密度分布中，吸水根系主要存在于土層深度0～80 cm、水平距離0～90 cm范圍內(nèi)，C2處理吸水分布主要存在于土層深度0～60 cm、水平距離0～90 cm范圍內(nèi)，C3處理吸水分布主要存在于土層深度0～100 cm、水平距離0～90 cm范圍內(nèi)。由圖1可知，在3組滴灌處理中，C3處理的吸水根系密度要顯著大于C1處理與C2處理，說(shuō)明C3處理吸水根系分布更加廣泛，生長(zhǎng)更為旺盛，同時(shí)，相較于其他兩組處理，在同等情況下，C3處理核桃樹的吸水吸肥能力更強(qiáng)。

圖1 不同灌水定額下根長(zhǎng)密度二維分布Fig.1 Two-dimension distribution of root length density under different irrigation quota

2.4 吸水根系密度回歸分析

針對(duì)不同灌水定額處理組，在土層深度為0～120 cm、水平距離為0～150 cm的垂直剖面內(nèi)，分別將C1處理、C2處理與C3處理的吸水根根長(zhǎng)密度M與土壤剖面水平距離X、土層深度Z進(jìn)行多元非線性回歸分析，其回歸分析模型分別如下所示。

C1處理:

M=-0.03X2+2.69X+0.033Z2-0.68Z-

0.013XZ+645.465r=0.391

(1)

C2處理:

M=0.041X2-18.779X+0.067Z2-17.282Z+

0.108XZ+1 921.342r=0.539

(2)

C3處理:

M=0.03X2-14.013X+0.323Z2-58.292Z+

0.064XZ+3 748.157r=0.637

(3)

由上述非線性回歸模型可以看出，相對(duì)于C1處理與C2處理，C3處理相關(guān)系數(shù)更高，函數(shù)擬合程度更好。同時(shí)，距樹水平距離與垂向土層深度對(duì)3組處理吸水根系分布的影響效應(yīng)相差不大。C1處理中，水平距離正相關(guān)于根長(zhǎng)密度，土層深度負(fù)相關(guān)于根長(zhǎng)密度，水平距離與土層深度存在拮抗作用，共同抑制剖面根長(zhǎng)密度分布的增大；C2、C3處理中，水平距離與土層深度均負(fù)相關(guān)于根長(zhǎng)密度，水平距離與土層深度存在協(xié)同作用，共同促進(jìn)剖面根長(zhǎng)密度分布的增大。

通過(guò)非線性規(guī)劃，得出以細(xì)根根長(zhǎng)密度最大化為目標(biāo)的最優(yōu)解。C1處理中，水平距離18.833 cm、土層深度120 cm為根長(zhǎng)密度最大處，此時(shí)，最大吸水根系根長(zhǎng)密度為1 049.706 m/m3；C2處理中，水平距離0 cm、土層深度0 cm為根長(zhǎng)密度最大處，此時(shí)，最大吸水根系根長(zhǎng)密度為1 921.342 m/m3；C3處理中，水平距離0 cm、土層深度0 cm為根長(zhǎng)密度最大處，此時(shí)，最大吸水根系根長(zhǎng)密度為3 748.157 m/m3。

2.5 根系密度最佳函數(shù)擬合

將根長(zhǎng)密度M與距樹水平距離X、土層深度Z進(jìn)行最優(yōu)公式擬合，最終得到最佳擬合函數(shù)，其結(jié)果如表4所示。從核桃根系密度分布函數(shù)可以看出，使用二元多次函數(shù)擬合根系分布結(jié)果較好，相關(guān)程度優(yōu)于二元二次分布函數(shù)，其中，C1處理分布模型相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為高度相關(guān)，C2、C3處理相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為中度相關(guān)。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)在成熟期核桃的3組灌水定額處理中，根長(zhǎng)密度的一維分布存在差異。垂直方向，0～60 cm吸水根系分布居多，水平方向，0～90 cm吸水根系分布居多。而在二維垂直土層剖面中，土層深度0～80、0～60、0～100 cm分別為C1、C2、C3處理根長(zhǎng)密度分布的集中區(qū)域，在水平距離0～90 cm范圍內(nèi)，C1、C2、C3處理根長(zhǎng)密度分布均較多。

表4 根系密度分布函數(shù)Fig.4 Function of root density distribution

(2)C1、C2、C3處理中，土層深度與水平距離對(duì)核桃根區(qū)根長(zhǎng)密度分布的影響存在差異。C1處理中，土層深度與水平距離共同作用下抑制吸水根長(zhǎng)密度增長(zhǎng)，C2處理與C3處理中，土層深度與水平距離共同作用下促進(jìn)吸水根系的增長(zhǎng)。同時(shí)，距離核桃樹樹干越近，根長(zhǎng)密度分布越多。

(3)相對(duì)于二元二次回歸函數(shù)而言，二元多次分布函數(shù)模型可以更好的模擬試驗(yàn)地區(qū)核桃樹根長(zhǎng)密度的分布規(guī)律，并可以為根區(qū)的灌水施肥方案調(diào)整提供理論參考。

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