干旱區(qū)駿棗根系分布和土壤養(yǎng)分關(guān)系分析

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

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

0 引 言

【研究意義】阿拉爾墾區(qū)是新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)主要紅棗產(chǎn)區(qū),駿棗是當(dāng)?shù)刂髟云贩N,2021年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棗產(chǎn)量210.97×104t,約為全國(guó)棗產(chǎn)量的25%,阿拉爾墾區(qū)棗產(chǎn)量104.54×104t,占兵團(tuán)棗產(chǎn)量的49.55%。近年紅棗價(jià)格較低[1],棗園經(jīng)濟(jì)效益呈下滑趨勢(shì)[2],與2019年相比阿拉爾墾區(qū)棗種植面積下降13.64%,種植面積大幅減少。水肥施用是果樹(shù)產(chǎn)量和品質(zhì)形成的關(guān)鍵因素,根系通過(guò)吸收水分、礦質(zhì)養(yǎng)分等方式對(duì)地上部分開(kāi)花坐果等多過(guò)程產(chǎn)生深刻影響[3-4],研究棗根系分布特征對(duì)提高水肥利用效率和節(jié)本增效具有重要現(xiàn)實(shí)意義。【前人研究進(jìn)展】目前對(duì)棗根系分布特征的研究還不系統(tǒng)全面,已有的研究多圍繞不同樹(shù)齡、灌溉方式、品種等的根系分布特征差異性展開(kāi)。楊嬋嬋等[5]研究發(fā)現(xiàn),樹(shù)齡影響棗樹(shù)根系分布,幼齡期灰棗80%以上的吸收根分布在0～40 cm深度的土層,而盛果期0～40 cm深度土層吸收根占比不足40%[6]。馬理輝等[7]對(duì)密植棗林的研究認(rèn)為同一土層中,無(wú)論樹(shù)齡大小及離樹(shù)干的水平位置如何,不同直徑根系的數(shù)量均無(wú)差異,但根系在垂直方向集中區(qū)域表現(xiàn)不同。魏國(guó)梁等[8]研究發(fā)現(xiàn)滴灌可以增加0～20 cm深度土層中吸收根量,陳星星等[9]研究也發(fā)現(xiàn)滴灌相比漫灌有利于細(xì)根和淺土層中根系生長(zhǎng)。李宏等[10]對(duì)15年生灰棗吸收根(根徑<2 mm)分布研究發(fā)現(xiàn),水平距離0～200 cm、豎直方向0～70 cm以內(nèi)土層的根長(zhǎng)密度、根表面積密度占全根的百分比均在80%以上,是根系分布的主要區(qū)域。盧瑜珺等[11]研究發(fā)現(xiàn)灰棗和酸棗根系分布存在差異性。郭建玲等[12]對(duì)駿棗根系年生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)5月底、7月底、8月底3個(gè)明顯的生長(zhǎng)高峰期。【本研究切入點(diǎn)】關(guān)于新疆駿棗根系分布特征的研究較少,棗根系有較強(qiáng)的向性生長(zhǎng)特性[4],對(duì)土壤養(yǎng)分研究重點(diǎn)也往往集中在對(duì)地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育的影響,關(guān)于駿棗根系分布與土壤養(yǎng)分的關(guān)系研究報(bào)道極少。需研究干旱區(qū)駿棗根系分布和土壤養(yǎng)分關(guān)系。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以6年生駿棗為試材,定量研究根系分布特征,分析吸收根(直徑≤2 mm)和輸導(dǎo)根(直徑>2 mm)分布特征及其與不同深度土壤養(yǎng)分的關(guān)系,為干旱區(qū)調(diào)控根系生長(zhǎng)技術(shù)和科學(xué)水肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2021年進(jìn)行,試驗(yàn)地位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市12團(tuán),屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候區(qū),降水稀少,空氣干燥。棗園土壤為沙質(zhì)壤土,直播酸棗種子建園,后嫁接駿棗,株行距是1.5 m×3 m。幼齡期1～4年灌溉方式為滴灌,5～6年為漫灌。第5年,灌水定額150 m3/(667m2·次),分別于萌芽展葉期(5月初)、花期(5月底)、幼果期(7月中旬)、果實(shí)膨大期(8月中旬)各漫灌1次。第6年分別于萌芽展葉期(5月初)和果實(shí)膨大期(7月底)各漫灌1次,灌水定額200 m3/(667m2·次)。

1.2 方 法

分別于棗樹(shù)萌芽展葉期、花期、幼果期和果實(shí)膨大期采集0～60 cm深度土壤,每20 cm為一層,測(cè)定不同土層土壤的堿解氮、速效磷、速效鉀含量。堿解氮采用堿解擴(kuò)散法,速效磷采用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法,速效鉀采用中性醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定。

選擇3株樹(shù)冠大小、樹(shù)勢(shì)、栽培條件一致6年生駿棗為試材,于2021年8月采用剖面挖掘法[10],分層采集不同土層和水平距離根系土樣。在水平方向上,以樹(shù)干為中心,垂直與行向方向,挖一條長(zhǎng)1.4 m、深0.6 m的剖面,水平方向上每隔20 cm設(shè)置采樣點(diǎn),即在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm、120～140 cm處設(shè)置根系采樣點(diǎn)。垂直方向上,分別在各采樣點(diǎn)0～60 cm深的土層(每20 cm為一層)進(jìn)行取樣,即0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm共3層,在剖面上采用自制取樣器(長(zhǎng)20 cm、寬20 cm、高20 cm)取帶根土樣帶回實(shí)驗(yàn)室,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(duì)采集的不同土層根系進(jìn)行掃描分析,得出吸收根(直徑≤2 mm)和輸導(dǎo)根(直徑>2 mm)在各立方土體的根長(zhǎng)、根表面積、根體積指標(biāo)。

計(jì)算根長(zhǎng)密度和根表面積密度:

根長(zhǎng)密度(mm/cm3)=根長(zhǎng)/土體體積(8 000 cm3)

根表面積密度(mm2/cm3)=根表面積/土體體積(8 000 cm3)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、SPSS19、Serfur等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸收根和輸導(dǎo)根空間分布特征

研究表明,各土壤空間,吸收根根長(zhǎng)密度遠(yuǎn)高于輸導(dǎo)根,兩種根系根長(zhǎng)密度均隨著土層加深及水平距離增加逐漸下降。垂直方向上,根系集中分布在0～20 cm的淺層土壤,0～20 cm垂直距離、20～40 cm水平距離的土壤區(qū)域是根系密集分布區(qū)。圖1

圖1 吸收根(a)和輸導(dǎo)根(b)根長(zhǎng)密度在土壤空間XZ平面上的投影

各土壤空間,輸導(dǎo)根的根體積始終高于吸收根,兩者在土壤空間中的分布存在差異性。吸收根根體積分布與根長(zhǎng)密度相似,隨著水平距離和土壤深度增加而減少。輸導(dǎo)根在垂直方向上,隨著土壤深度增加根體積分布減少;0～20 cm垂直距離、20～40 cm水平距離的土壤區(qū)域輸導(dǎo)根根體積最密集;與吸收根不同,密集分布區(qū)域外,同一土層隨水平距離增加輸導(dǎo)根根體積無(wú)明顯的下降,0～40 cm垂直距離、60～100 cm水平距離土壤中輸導(dǎo)根根體積分布較均勻,在40～60 cm深層土壤,100～140 cm水平距離的土壤中輸導(dǎo)根體積甚至高于距離樹(shù)干近處土壤的根體積,輸導(dǎo)根在距離主干較遠(yuǎn)距離表現(xiàn)出較強(qiáng)的垂直生長(zhǎng)能力。圖2

圖2 吸收根(a)和輸導(dǎo)根根(b)體積在土壤空間XZ平面上的投影

2.2 吸收根和輸導(dǎo)根垂直和水平分布特征

研究表明,吸收根層性分布特征明顯,不同水平距離下的根長(zhǎng)和根表面積密度均隨土層加深而下降。根系集中分布在0～20 cm的土層,吸收根根長(zhǎng)和根表面積密度占比分別為77.1%、76.5%。水平方向上,吸收根根長(zhǎng)和根表面積密度整體上隨距離增加而下降,吸收根在0～20cm和20～40 cm水平距離上根長(zhǎng)密度占比為20.0%～20.7%,根表面積密度占比20.0%～22.2%,40～140 cm水平距離土壤根長(zhǎng)和根表面積密度占比分別為8.8%～14.4%、9.1%～14.3%,水平距離0～40 cm土壤是根系集中分布區(qū)。圖3,表1～2

表1 根系的垂直分布百分比變化

表2 根系的水平分布百分比變化

注：柱形表示根長(zhǎng)密度,折線表示根表面積密度,下同

輸導(dǎo)根在不同土層深度分布與吸收根相似,根長(zhǎng)和根表面積密度均隨土層加深而下降,但相比吸收根,其根長(zhǎng)和根表面積密度在40～60 cm的深層土壤占比更高,根長(zhǎng)密度占比8.0%是吸收根的1.7倍,根表面積密度占比9.1%是吸收根的1.8倍。在水平方向上,0～20 cm和20～40 cm水平距離的土壤輸導(dǎo)根根長(zhǎng)密度占比21.8%～22.1%,根表面積密度占比18.4%～23.8%,分布較密集。在40～140 cm水平距離的土壤中輸導(dǎo)根根長(zhǎng)密度8.7%～13.4%,根表面積密度占比為8.9%～14.5%,輸導(dǎo)根分布較分散,根長(zhǎng)和根表面積密度上升下降往復(fù)變化。圖4,表1～2

圖4 輸導(dǎo)根根長(zhǎng)密度和根表面積密度分布

2.3 不同土層養(yǎng)分含量與根系分布的相關(guān)性

研究表明,駿棗不同生長(zhǎng)發(fā)育期堿解氮和速效磷均隨土壤深度加深含量下降,在展葉期、幼果期和果實(shí)膨大期速效鉀表現(xiàn)為40～60 cm的土層含量最高,花期表現(xiàn)為20～40 cm的土層含量最高。表3

表3 不同時(shí)期土壤養(yǎng)分含量變化

研究表明,根系在垂直方向的分布與展葉期和幼果期土壤堿解氮、速效磷含量相關(guān)。吸收根和輸導(dǎo)根的根長(zhǎng)密度、根表面積密度與棗樹(shù)展葉期和幼果期土壤堿解氮含量均表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)大于0.820,呈強(qiáng)相關(guān)性;吸收根根長(zhǎng)密度和根表面積密度與展葉期和幼果期速效磷表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)大于0.809,呈強(qiáng)相關(guān)性;輸導(dǎo)根的根長(zhǎng)密度、根表面積密度與幼果期速效磷表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)大于0.879,呈強(qiáng)相關(guān)性。根長(zhǎng)密度和根表面積密度與速效鉀成負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性不顯著。表4

表4 根長(zhǎng)密度和根表面積密度與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

3 討 論

3.1棗根系具有明顯的垂直分布特征,根系數(shù)量隨土層加深而遞減[5,6,10],試驗(yàn)結(jié)果表明,6年生駿棗吸收根根長(zhǎng)和根表面積密度均隨土層加深而下降,根系分布較淺,垂直分布表現(xiàn)出明顯的差異性,水平方向上,根長(zhǎng)和根表面積密度整體上隨著距主干距離的增加而逐漸下降,與前人研究結(jié)果相似[10、13、14]。吸收根作為水分和礦質(zhì)養(yǎng)分吸收的主要根系,其根長(zhǎng)和根表面積密度是衡量養(yǎng)分吸收能力重要指標(biāo),吸收根根長(zhǎng)和表面積密度在0～20 cm和20～40 cm水平距離的土壤占比在20.0%～22.2%,是根系分布較集中的區(qū)域,也是田間水肥管理的重要區(qū)域。0～100 cm水平距離上分布著80%以上的吸收根,與垂直方向上根系集中分布在0～20cm土層相比,水平方向上相對(duì)分散的分布有利于對(duì)更大土壤空間水分和礦質(zhì)養(yǎng)分利用。

3.2輸導(dǎo)根的主要作用是固定樹(shù)體,并把吸收根從土壤吸收的水分和營(yíng)養(yǎng)向地上部分運(yùn)輸[12]。有研究發(fā)現(xiàn)輸導(dǎo)根隨土層深度增加根量和生物量先增加后下降[8,9],梨棗輸導(dǎo)根根量在40～60 cm的深層土壤分布最密集[8],灰棗輸導(dǎo)根根系生物量在10～30 cm土層占比最高[9],輸導(dǎo)根在垂直方向上分布的差異可能與品種、采樣時(shí)間和生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)[15-18]。試驗(yàn)結(jié)果表明,6年生駿棗輸導(dǎo)根根長(zhǎng)和根表面積密度在垂直方向均隨著土層加深而下降,水平方向,輸導(dǎo)根在0～40 cm距離較密集,與吸收根相似。但在40～140 cm距離的土壤中輸導(dǎo)根根長(zhǎng)和根表面積密度呈上升下降往復(fù)變化,與吸收根分布表現(xiàn)出差異性。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)密集分布區(qū)域外,同一土層隨水平距離增加輸導(dǎo)根根體積沒(méi)有明顯的下降,40～60 cm垂直距離、100～140 cm水平距離的根體積高于同層土壤其他水平距離,輸導(dǎo)根在距離樹(shù)干較遠(yuǎn)距離仍具有較強(qiáng)垂直生長(zhǎng)的能力。輸導(dǎo)根水平方向不均勻分布特征和遠(yuǎn)距離垂直生長(zhǎng)能力,有利于根系對(duì)土壤不均勻分布養(yǎng)分和水分的利用。

3.3滴灌做為節(jié)水灌溉方式在新疆缺水農(nóng)田和果林中廣泛應(yīng)用,但長(zhǎng)期滴灌造成水肥在淺層土壤集聚,根系分布淺、水分利用效率和耐旱性下降等問(wèn)題[13-14]。研究發(fā)現(xiàn)埋深滴灌增加灌溉深度可促進(jìn)深層根長(zhǎng)密度增大[15],有利于對(duì)深層養(yǎng)分的利用,一定程度上解決地表滴灌耐旱性下降等問(wèn)題。進(jìn)入初果期后,試驗(yàn)樣地改為漫灌方式,并于第6年漫灌次數(shù)減少為2次,通過(guò)適度控水促進(jìn)根系向下生長(zhǎng),結(jié)果表明吸收根根長(zhǎng)和根表面積密度在0～20 cm淺層土壤中的占比達(dá)到76%以上。漫灌條件下幼齡期灰棗在0～20 cm深度土壤中吸收根根長(zhǎng)和表面積密度約占0～60 cm土層的50%[6],盛果期占比為30%左右[6]。可見(jiàn),減少灌溉次數(shù)不能改變駿棗吸收根“寬淺型”分布特征。

3.4棗根系在富養(yǎng)分區(qū)域更有利于根系生長(zhǎng)并產(chǎn)生大量側(cè)根[4]。豐富礦質(zhì)養(yǎng)分通過(guò)根系運(yùn)輸加快枝葉生長(zhǎng),以形成更多光合產(chǎn)物作用于根部[16],氮素作為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的主要礦質(zhì)養(yǎng)分,對(duì)根系生長(zhǎng)發(fā)揮主要作用。土層深度0～20 cm、水平距離0～30 cm土壤中氮、鉀含量高于其它位置的土壤,吸收根根量、根長(zhǎng)密度也高于其他位置[18]。試驗(yàn)結(jié)果表明0～20 cm的表層土壤富含氮和磷,根系分布更為密集,駿棗根系表現(xiàn)較強(qiáng)的向肥性。同時(shí)根系在垂直方向的分布與展葉期和幼果期土壤堿解氮、速效磷含量表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性,展葉期和幼果期是根系旺盛生長(zhǎng)時(shí)期[12],此時(shí)較高的氮素和磷有利于根系生長(zhǎng)。棗園溝施和穴施的方式20～80 cm深度土壤中的堿解氮、速效磷含量均高于撒施[19],生產(chǎn)中可考慮結(jié)合根系分布特征調(diào)整施肥方式,適當(dāng)增加氮肥和磷肥施肥的深度,提高中層和深層土壤肥力,促使根系向深根型發(fā)展。

4 結(jié) 論

初果期駿棗根系分布較淺,0～20 cm垂直距離、0～40 cm水平距離的土壤是根系集中分布和田間水肥管理的重要區(qū)域。吸收根的根長(zhǎng)密度和根表面積密度隨著土壤深度和水平距離增加而下降。垂直方向上輸導(dǎo)根分布與吸收根相似,水平方向上,密集分布區(qū)域外,同一土層隨水平距離增加輸導(dǎo)根根體積無(wú)明顯的下降,且在距離樹(shù)干較遠(yuǎn)輸導(dǎo)根仍具有較強(qiáng)垂直生長(zhǎng)的能力。駿棗具有較強(qiáng)的向水向肥特性,根系在垂直方向分布與展葉期和幼果期土壤堿解氮、速效磷含量密切相關(guān)。