不同灌水方法对苹果树果实膨大期根系生长和土壤酶活性的影响研究

张学琴，马娟娟，孙西欢,2，郭向红，张春晋，李 波

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004)

我国土地总面积的52.5%是干旱半干旱地区，水分短缺对区域植物生长和生产力造成了很多负面影响，甚至威胁我国的粮食安全。节水农业和旱地农业的发展在我国未来农业发展中占有重要地位[1]。孙西欢教授于20世纪末提出了一种新型的园林节水灌溉方式----蓄水坑灌法，它通过蓄水坑达到中深层立体灌溉的目的，进而改善土壤的通透性，诱导根系深扎，具有灌溉、抗旱、涵养水源和防止水土流失等优点[2]。根系是作物的“根本”，是农业生产措施的主要调控中心，与作物地上部分的生长发育是相互影响和调节的[3]。根系深扎于土壤中，通过感知土壤环境的不同而发生形态和功能的变化。土壤酶是土壤进行代谢的动力，它的活性从本质上反映了土壤生物活性的强弱[4]，与作物根系生长、发育之间也是相互影响的。自蓄水坑灌法提出以来，在果树根系方面进行了基础理论研究，孙西欢等[5]对苹果树吸水根系的分布特性进行了研究并建立了根长密度的二维分布函数。蒯斌[6]整理了十年生红富士苹果树根系密度资料，建立了改进的二维Mole-Remson模型。郝锋珍[7]研究了三段砧木矮化红富士丹霞苹果树吸水根的分布以及建立了吸水模型。以上研究成果为蓄水坑灌法的实际生产应用奠定了理论基础，但没有从根、土相结合的角度对果树根系形态及活力和土壤酶活性方面进行研究。本文系统地对比研究地面灌溉和蓄水坑灌条件下矮化的七年生红富士苹果树根系形态及活力和土壤酶活性的垂向空间特征，旨在探究蓄水坑灌条件下果树根系的形态及生长特征，为在蓄水坑灌条件下进行果树根系吸收水分、养分等方面的研究提供了理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验在山西省农业科学院果树研究所矮化苹果园进行，该果园地处晋中市太谷县西南部，东经112°32′，北纬37°23′，平均气温9.8 ℃，平均海拔781.9 m，多年平均降雨量为460 mm，无霜期175 d，属典型的暖温带季风影响下的大陆性半干旱气候类型。所试验研究的苹果品种为三段砧木矮化红富士丹霞，底部为海棠砧木，中间砧为SH系，上部嫁接红富士丹霞苹果。土壤以粉(砂)壤土为主。土壤机械组成如表1所示，土壤基本物理参数见表2。

表1 土壤质地成分表Tab.1 Soil texture composition table

1.2 试验方案设计

试验选用长势相近、生长良好并具有代表性的苹果树进研究，设地面灌溉和蓄水坑灌两种灌溉方式，每种方式3次重复，共6棵树，灌水上下限均控制在田间持水量的100%～70%；果树为7年生，根系分布较浅，因此本次试验选择利用根钻(根钻直径d=7 cm) 对苹果树根系进行取样研究。蓄水坑深40 cm，在距树干50 cm且过坑处打钻，每20 cm为一层钻取土样，直至160 cm，具体取样位置如图1。于7月9日(果实膨大期)进行取样，将取出的含有根系的土样装到塑料袋里，密封完好带入实验室，用以测定土壤及根系的各项指标。

表2 土壤基本物理参数表Tab.2 Soil basic physical parameters table

图1 取样位置点图(单位：cm)Fig.1 The position of sampling point

1.3 样品采集与测定方法

将土壤样品去除大块不含根系的土壤和砾石，轻轻抖动出附着在根系表面的根际土壤，分层混匀，平铺在室内风干，将风干土过1 mm筛，用于测定土壤酶活性；将去除土壤砂砾的根系放于0.149 mm的筛子，在小水流下缓慢仔细冲洗，以免根系丢失。将洗净的根系用吸水纸吸干后保存，用于测定根系的各项指标。

根系形态参数测定：将冲洗分离出的根系，用镊子摆放于20 cm×25 cm的有机玻璃皿中(根系与根系之间不能重叠)，用根系扫描仪进行扫描，再用WinRHIZO根系分析软件(加拿大Regent Instruments研制)对扫描图片进行分析，从而获得根系的各种形态指标，其中包括根系长度、根系表面积和根尖数等指标。

根系含水率测定：用烘干称量法测得，计算公式如下：

θm=(M1-M2)/M2

式中:θm为根系质量含水量，%；M1为根系鲜质量；M2为干土质量根系干质量；M1-M2为根系水质量。

根系活力测定：在485 nm的波长下用紫外分光光度计测定0.5 g根样中的TTC还原量，根系活力用TTC还原强度表示。

土壤酶活性测定：脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，其活性以24 h后每克土壤中NH+4-N的毫克数表示；磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定，其活性以单位土壤的酚毫克数表示；过氧化氢酶采用高锰酸钾容量法测定，其活性以每克土重消耗的0.1 mol/L KMnO4毫升数表示；硝酸还原酶采用酚二磺酸比色法测定，其活性以每克土反应前后硝态氮的变化毫克数表示。

1.4 数据处理

试验数据用Microsoft Excel 2013软件整理统计后，采用SPSS 21.0软件进行显著性和相关性分析，不同处理之间比较采用T检验方法，绘图由Origin 软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同灌水方法对果树根系形态的影响

在评价作物根系生长发育是否良好的众多指标中，根长、根表面积和根尖数是主要考察指标[8]。其中根系长度和根系表面积对作物吸收水分和养分有重要影响，根系越长，根表面积越大，则根系吸收土壤中水分和养分的面积就越大，加强根系的吸收能力，有利于作物的生长和发育。

表3 不同灌水方法下不同土层深度的根系指标Tab.3 The roots indicators of different soil depth under the different irrigation methods

注：X表示蓄水坑灌，D表示地面灌溉方式，同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。

由表3可知：蓄水坑灌和地面灌溉条件下果树的根长和根表面积在0～160 cm土层深度内都呈现先增大后减小的趋势，不同的是地面灌溉的峰值出现在20～40 cm土层内，而蓄水坑灌在60～80 cm土层达到峰值，且蓄水坑灌的峰值大于地面灌溉。这是由于蓄水坑灌法是中深层立体灌溉，较地面灌溉水分下渗较深，诱导中深层根系进行大量分支，生长出更多吸收根，故根长和根表面积均表现出峰值下移的现象。在0～20和20～40 cm土层内地面灌溉的根长和根表面积均大于蓄水坑灌，其余土层深度均为蓄水坑灌条件下较大。这是由于根系具有向水性，在地面灌溉条件下表层土壤较湿润，而下部根系所处土壤的水分和养分条件均不如近地表土层，从而抑制了根系的生长。这说明蓄水坑灌法能够诱导根系下扎，使根系在垂向空间分布更均匀。果树根尖数则呈现出不同的规律，在地面灌溉条件下随土层深度的增加呈递减趋势，而在蓄水坑灌条件下表现为先增大后减小，峰值出现在20～40 cm土层深度内，且除0～20 cm土层外，在其余深度蓄水坑灌下的根尖数均大于地面灌溉。从以上参数来看，蓄水坑灌法可以调整根系构型，刺激根系生长，从而更好地吸收养分。

由图2可知：两种灌水方法下果树根鲜质量在垂向的变化规律与根长和根表面是一致的。这是由于蓄水坑改善了根系周围的土壤结构，能为根系生长提供更多的水、气、热环境，故从物质的角度来看，蓄水坑灌法同样促进了根系的生长。

水对作物生命力和生产力都至关重要，作物根系吸收养分的能力和代谢活动的强弱都受到根系含水率的很大影响，与根系活力之间也有密不可分的联系。

由图3可知：蓄水坑灌和地面灌溉条件下果树的根系含水率在0～160 cm土层深度内都呈现先增大后减小的趋势，不同的是地面灌溉的峰值出现在40～60 cm土层内，而蓄水坑灌在80～100 cm土层达到峰值，且蓄水坑灌的峰值大于地面灌溉。在0～60 cm土深内地面灌溉下的根系含水率大于蓄水坑灌，而在60～160 cm土深内蓄水坑灌的较大。这是由于蓄水坑深40 cm，是中深层立体灌溉，更有利于水分下渗，故使深层根系含水率更高。

图2 不同灌水方法下果树根鲜质量的垂向分布图Fig.2 The vertical distribution of root fresh mass of fruit trees under different irrigation methods

图3 不同灌水方法下果树根系含水率的垂向分布图Fig.3 The vertical distribution of root water content of fruit trees under different irrigation methods

2.2 不同灌水方法果树根系活力的影响

根系的吸收能力、合成能力、氧化能力和还原能力的综合指标即为根系活力，是根系生命力强弱的综合体现[10]。

由图4可知，两种灌水方法下果树的根系活力都随土层深度的增加表现出先增大后减小的趋势，但地面灌溉在40～60 cm土深达到最大值，而蓄水坑灌的峰值出现在80～100 cm土层深度内，且大于地面灌溉的最大值。这是由于地面灌溉条件下表层土壤水分易蒸发，且水分下渗距离短，而蓄水坑灌条件下水分通过坑壁向四周入渗，至中深层土壤，良好的氧气和水分条件有利于根系的生长，因此果树根系活力得到显著提高。最关键的是在0～160 cm全土层深度内蓄水坑灌的根系活力均大于地面灌溉。这是由于根系生长的土壤整体环境通过蓄水坑的坑壁得到了显著改善，增加土壤通透性和提高土壤有机质含量，促进土壤微生物的活动，从而有利于根系的生长和发育。

图4 不同灌水方法下果树根系活力的垂向分布图Fig.4 The vertical distribution of root activity of fruit trees under different irrigation methods

2.3 不同灌水方法下果树根系活力与根系形态指标的相关分析

将每一层的根系形态指标与对应的根系活力进行相关性分析，得到相应的皮尔逊相关系数，见表4。由图表可知：在两种不同的灌溉方式下，根系活力与上述4个根系形态指标均成正相关关系，除根尖数外，蓄水坑灌条件下的相关系数均大于地面灌溉，且根系活力与根系含水率达到了极显著相关。这说明蓄水坑灌法能够促进根系吸收水分，提高果树自身水分利用效率，进而有利于节约灌溉用水。

表4 根系活力与根系形态指标的皮尔逊相关系数Tab.4 Pearson correlation coefficient between root activity and roots morphology index

注：**表示极显著相关(P<0.01), *表示显著相关(P<0.05)。

2.4 不同灌水方法对土壤酶活性的影响

土壤脲酶和磷酸酶都属于水解酶，水解酶是土壤酶中为数极多的一种酶，其参与土壤中有机质的转化，可以把高分子化合物水解成能被作物和微生物所吸收利用的营养物质[11]。脲酶能促使有机质分子中肽键的水解，其活性可以表征土壤中氮素的供应状况。磷酸酶的酶促作用有利于加速有机磷的转化，进而提高土壤磷素的有效性。

图5 不同灌水方法下脲酶活性的垂向分布图Fig.5 The vertical distribution of Urease activity underdifferent irrigation methods

图6 不同灌水方法下磷酸酶活性的垂向分布图Fig.6 The vertical distribution of Phosphatase activity under different irrigation methods

从图5和图6中可以看出，在地面灌溉条件下脲酶和磷酸酶活性随土层深度的增加呈递减趋势，这是由于土壤表层积累了腐殖质，有机质含量高，水热条件和通气状况良好，有利于根系和微生物的生长和繁殖，因而表层的土壤酶活性较高，随着土层深度的增加，土壤环境条件变差，不利于脲酶和磷酸酶活性的增加。而在蓄水坑灌条件下呈现先增大后减小的趋势，且在40～60 cm土层深度内达到最大值，其值大于地面灌溉的最大值。除0～20 cm表层土壤外，其余土深内均表现为蓄水坑灌条件下的脲酶和磷酸酶活性较高。这是由于在蓄水坑灌条件下根系较为发达，分泌旺盛，尤其在中深层根系活力显著提高，为脲酶和磷酸酶提供了良好的生长小环境，进而提高了其活性。

过氧化氢酶和硝酸还原酶都属于氧化还原酶，其在土壤物质和能量的转化过程中发挥着重要作用[12]。过氧化氢酶活性可反映土壤腐殖化的强度大小和有机质的积累程度。硝酸还原酶活性表征土壤氮素转化中脱氮作用的强弱及土壤氮素的损失状况。

图7 不同灌水方法下过氧化氢酶活性的垂向分布图Fig.7 The vertical distribution of Catalase activity under different irrigation methods

图8 不同灌水方法下硝酸还原酶活性的垂向分布图Fig.8 The vertical distribution of Nitrate reductase activity under different irrigation methods

从图7中可以看出，在两种灌溉方式下过氧化氢酶的活性随土层深度的增加均表现出先减小后增加的趋势，且都在0～20 cm表层土壤内达到最大值。这是由于过氧化氢酶活性受水分影响较大，且为负相关，表层土壤含水率较低，气热条件却较好，所以有利于其活性的提高。不同的是在地面灌溉条件下的最小值出现在80～100 cm土层，而蓄水坑灌条件下的过氧化氢酶活性在40～60 cm土层最小。并且可以明显的看出，在0～160 cm全土层深度内，蓄水坑灌条件下的过氧化氢酶活性均高于地面灌溉。这说明了蓄水坑灌法对土壤过氧化氢酶活性的增加有促进作用。

从图8中可以看出，在地面灌溉和蓄水坑灌条件下硝酸还原酶的活性随土深的增加都表现出先增大后减小的趋势，前者在20～40 cm土层内达到最大值，而后者的最大值出现在60～80 cm土层，且后者的值较大。并且可以看出，除0～40 cm的土层深度外，其余土深下均为蓄水坑灌条件下的硝酸还原酶活性高于地面灌溉。在大田环境下，硝酸还原酶活性受土壤通气性、氮源和有机碳含量的影响，硝酸还原酶在嫌气条件下才进行催化反应，故在表层土壤其活性都较低。蓄水坑灌法促进果树根系生长，根系会产生脱落物和分泌物排到土壤中，增加了碳素来源，同时果树根系的活动改善了周围土壤的微生物状况和水分条件，为其酶促反应提供了良好的土壤环境，促进了其活性的提高。

2.5 不同灌水方法下果树根系活力与土壤酶活性的相关分析

将每一层的4种土壤酶活性与对应的根系活力进行相关性分析，得到相应的皮尔逊相关系数，见表5。由表5可知：在两种不同灌溉方式下，果树根系活力与脲酶、磷酸酶和硝酸还原酶活性成正相关关系，与过氧化氢酶活性成负相关关系。不同的是在蓄水坑灌条件下，果树根系活力与脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性均表现为显著相关，与硝酸还原酶活性则成极显著相关关系。这说明蓄水坑灌法促进根系和土壤酶之间物质能量的转化，加快了根系与土壤间信息的交换，提高了土壤中水分、养分的利用率，有利于果树的良好生长。

表5 根系活力与土壤酶活性的皮尔逊相关系数Tab.5 Pearson correlation coefficient between root activity and soil enzyme activity

注：**表示极显著相关(P<0.01), *表示显著相关(P<0.05)。

3 结 语

通过对果实膨大期地面灌溉与蓄水坑灌条件下果树根系形态及活力和土壤酶活性的对比研究，可以得出以下结论：

(1)在两种灌溉方式下，果树根系形态指标和根系活力均随土层深度的增加呈现出先增大后减小的趋势，蓄水坑灌条件下峰值出现在60～100 cm土层深度内，较地面灌溉峰值下移，且均大于地面灌溉。果树根系活力与根系含水率呈极显著正相关关系。蓄水坑灌法可以调整果树根系构型，促进根系生长，提高根系活力。

(2)除过氧化氢酶以外，其他3种土壤酶活性在不同的灌溉方式下，随土层深度的增加表现出先增大后减小的趋势。在0～20 cm表层土壤，蓄水坑灌条件下的土壤酶活性低于地面灌溉，而在中深层土壤，蓄水坑灌的要明显高于地面灌溉。过氧化氢酶活性则表现为随土层深度的增加先减小后增大，且蓄水坑灌条件下的酶活性在0～160 cm全土层深度内均大于地面灌溉。果树根系活力与硝酸还原酶活性成极显著正相关关系。这说明蓄水坑灌法能够提高土壤酶活性，有利于根系和土壤酶的生长繁殖，为土壤中物质循环和能量转化提供良好的土壤环境，进而有助于提高土壤质量。

[1] 张岁岐, 徐炳成,等.根系与植物高效用水[M].北京: 科学出版社, 2010.

[2] 孙西欢. 蓄水坑灌法及其水土保持作用[J]. 水土保持学报, 2002,(1);130-131.

[3] 侯立群, 王露琴. 果树根系研究动态与展望[J]. 山东林业科技, 2003,(6):53-55.

[4] 刘善江, 夏 雪, 陈桂梅,等. 土壤酶的研究进展[J]. 中国农学通报, 2011,27(21):1-7.

[5] 王春霞, 孙西欢, 马娟娟,等. 植物根系吸水研究[J]. 山西水利, 2007,(2):85-88.

[6] 蒯 斌, 郭向红, 孙西欢,等. 根系吸水模型建立方法研究进展[J]. 山西水利, 2008,(2):40-43.

[7] 郝锋珍, 孙西欢, 郭向红, 等. 蓄水坑灌与地面灌条件下果树吸水根系分布的对比研究[J]. 节水灌溉, 2014,(9):5-8.

[8] 杨 萍, 邱慧珍, 海 龙, 等. 表层土壤调控措施对苹果根系形态及活力的影响[J]. 甘肃农业大学学报, 2014,(2):89-95.

[9] 赵秉强, 张福锁, 李增嘉,等. 间作冬小麦根系数量与活性的空间分布及变化规律[J]. 植物营养与肥料学报, 2003,(2):214-219.

[10] 杨素苗, 李保国, 齐国辉, 等. 根系分区交替灌溉对苹果根系活力、树干液流和果实的影响[J]. 农业工程学报, 2010,26(8): 73-79.

[11] 杨招弟, 蔡立群, 张仁陟,等. 不同耕作方式对旱地土壤酶活性的影响[J]. 土壤通报, 2008,(3):514-517.

[12] 张丽莉, 武志杰, 陈利军,等. 不同种植制度土壤氧化还原酶活性和动力学特征[J]. 生态环境学报, 2009,18(1):343-347.

[13] 李洪任, 卢江海, 邢文刚, 等. 根系分区交替滴灌周期对番茄产量品质及水分利用效率的影响[J]. 节水灌溉, 2015,(5):34-36,41.

[14] 崔世勇,孙西欢,郭向红,等. 蓄水坑灌不同坑深条件下土壤水分分布特征分析[J]. 节水灌溉, 2014,(5):14-17.