黑核桃根系分布特征研究

宋锋惠，罗 达，李嘉诚，史彦江

(1.新疆林科院经济林研究所，乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】黑核桃亦称美国东部黑核桃(JuglansnigraL.)，原产北美洲，为温带落叶树，是一种珍贵的果材兼用树种，其坚果外壳可作为机械抛光材料，核仁可加工为高档食品，该树种的木材纹理美观，可用于制作高档家具，经济价值最高的果材兼用的硬阔用材树种之一[1,2]。在我国已引种栽培黑核桃推广，其经济、生态和社会效益显著。1991年起新疆开始引种栽培黑核桃[3]，在实际的栽培生产中，施肥和灌水均存在一定的盲目性。根系是植物直接与土壤接触的器官，具有固定植株、吸收养分和水分，运输和贮藏营养和代谢物质等基本功能，是技术管理、接收和发出生物信号的主要作用体，直接影响果树的生长发育[4-6]。研究果树根系在土壤的分布状况是进行施肥、灌水的重要前提，摸清根系分布特征，对于栽培管理具有重要的理论和实践意义。【前人研究进展】目前，国内外对于果树根系的研究已有很多，并取得了成果[7-10]，对于不同果树根系的分布特征也有大量研究，李楠[11]、郝仲勇[12]、张劲松[9]分别研究了库尔勒香梨、苹果、石榴的根系分布特征。【本研究切入点】对于黑核桃根系的分布特征的研究至今未见报道。研究以5a生黑核桃为对象，通过对黑核桃根系生物量密度、不同径级根系表面积密度和根长密度的垂直和水平分布进行定量研究，了解黑核桃根系分布情况。【拟解决的关键问题】研究黑核桃的根系在土壤中分布特征，为黑核桃的水肥高效管理提供理论实践依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究地点位于新疆乌鲁木齐安宁渠农科院试验场(86°37′33″～88°58′24″ E，43°45′32″～44°08′00″ N)。该区位于天山北麓、准噶尔盆地南缘中部，属中温带半干旱大陆性气候。试验地年平均气温7.3℃，年平均日照时间2 775 h，年平均无霜期105～168 d，年平均降雨量286.1 mm，年平均蒸发量2 164.2 mm，光热资源丰富，气候干燥。

2012年播种的1年生黑核桃苗，2013年春季定植，于2017年选取1株呈单株生长、树体健壮植株作为试验树。

1.2 方 法

1.2.1 根样

采用剖面挖掘和分层取样法采集带根土样。具体方法为：以树干为中心，从树干基部开始，采用20 cm × 20 cm × 10 cm(长 × 宽 × 高)规格的铁质采样器，在水平方向上，依次取6个带根土样；垂直方向上，依次取15个带根土样。将有效根系装入塑料袋，编号。为防止水分蒸发造成根系变形，进而影响根系扫描的数据准确性，根据根系的颜色、弹性和强度判定活根，检出死根和其它杂根，共计采集根系样品180个，带回室内进行根系扫描。

1.2.2 根样数据

将采集回的根系样品使用根系形态学和结构分析系统(WinRhizo2009a，加拿大Regent Instruments公司)分析根系长度(rl)和根系表面积(rs)，并根据根系直径大小将根系分为细根(0 < 根径d≤ 2 mm)和粗根(根径d>2 mm)。将根样装入信封置于80℃的烘箱中烘干48 h至恒量，再用分析电子天平(精度± 0.000 1 g)分别称量根系生物量(rw)。通过以上结果分析最后计算得到根系生物量密度(Drw)、各径级根长密度(Drl)和根系表面积密度(Drs)等指标。

1.2.3 计算

根据分析得到的根系生物量数据、根系表面积数据和根长数据分别计算根系生物量密度值(Drw，mg/cm3)、根系表面积密度值(Drs，mm2/cm3)和根长密度值(Drl，cm/cm3)，见公式(1)、(2)和(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：rw为根系生物量(g)，V为土样体积(cm3)，rs为根系表面积(mm2)，rl为根系长度(cm)。

1.3 数据处理

采用Excel 2016及Origin 8.1软件进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 黑核桃根系垂直分布特征

研究表明，在垂直分布上，0～70 cm土层是根系垂直分布的主要区域，该区域内根系生物量占垂直分布总量的85.45%。总根系生物量密度随着土层深度的增加呈现多峰曲线的趋势，0～10、50～60和100～110 cm处出现了3个峰值。其中，生物量密度的最大值出现在0～10 cm土层，为13.43 mg/cm3，占总量的39.53%。5a生黑核桃根系最深分布达到150 cm土层。

在垂直分布上，根系表面积密度随着土层深度的增加呈现多峰曲线的变化趋势，0～10、30～40、50～60和90～100 cm处出现了4个峰值，最大值出现在0～10 cm土层，为17.66 mm2/cm3。此外，总根长密度也随着土层深度的增加呈现多峰曲线的变化趋势，0～10、30～40和90～100 cm处出现了3个峰值，最大值出现在0～10 cm土层，为0.34 cm/cm3。对于不同径级的根系，细根表面积密度占测定总根系的40.7%，粗根表面积密度占总根系的59.3%。与表面积密度径级构建不同，细根长度密度占测定总根系的87.1%，粗根长度密度仅占测定总根系的12.9%。图1

图1 根系生物量密度、表面积密度、根长密度的垂直分布
Fig.1 Vertical distribution of root biomass density, surface area density and root length density

研究表明，黑核桃不同土层的细根表面积密度与根长密度，二者在0～110 cm土层中的累计百分比分别达到86.4%和88.0%。其中，0～10、10～20 cm各土层中的细根表面积密度与根长密度均超过了10.0%，分别为15.3%、11.5%和15.9%、12.7%。而110～150 cm土层中的细根表面积密度与根长密度均不足20.0%。表1

表1 细根表面积密度与根长密度垂直分布百分比
Table 1 Percentage of vertical distribution of fine-root surface area density and root length density

土层深度Soil depth(cm)细根表面积密度 Fine-root surface area density细根根长密度 Fine-root length density百分比Percentage (%)累计百分比Cumulative percentage (%)百分比Percentage (%)累计百分比Cumulative percentage (%)0～1015.315.315.915.910～2011.526.812.728.620～304.731.55.133.730～408.640.19.443.040～504.945.14.847.850～605.450.55.653.460～705.556.05.458.870～805.761.75.364.180～906.768.47.071.190～10010.278.69.880.9100～1107.886.47.188.0110～1207.994.36.994.8120～1303.898.13.498.3130～1401.499.51.499.6140～1500.5100.00.4100.0

2.2 黑核桃根系水平分布特征

研究表明，在水平方向上，距离树干0～80 cm是根系生物量水平分布的主要区域，该区域内根系生物量占水平分布总量的93.98%。根系分布最远分布达到120 cm以上。黑核桃根系生物量密度随着离树干距离越远而呈现“降低-升高-降低”的变化趋势。最大根系生物量密度出现在距离树干0～20 cm，总生物量在每cm3土壤中达到了22.91 mg。

根系表面积密度和根长密度也随着距离树干距离越远总体呈现降低的变化趋势。粗根和细根的根系表面积密度最大值均出现在距树干0～20 cm区域，分别为28.08和8.9 mg/cm3。其次为距树干60～80、60～80和20～40 cm水平距离。随着离树干距离越远，根长密度的变化趋势与根系表面积密度和根系生物量密度一致，均呈现降低的变化趋势。粗根和细根的根长密度的最大值均在距离树干0～20 cm的区域，分别为0.12和0.43 cm/cm3。

比较距树干不同水平距离的细根表面积密度与根长密度，研究表明，二者在距树干0～100 cm水平距离内的累计百分比分别达到88.3%和87.0%，且各水平距离测点的细根表面积密度与根长密度均超过了10.0%。图2，表2

图2 根系生物量密度、表面积密度、根长密度的水平分布
Fig.2 Horizontal distribution of root biomass density, surface area density and root length density表2 细根表面积密度与根长密度水平分布百分比
Table 2 Percentage of horizontal distribution of fine-root surface area density and root length density

水平距离Horizontal distance(cm)细根表面积密度 Fine-root surface area density细根根长密度 Fine-root length density百分比Percentage (%)累计百分比Cumulative percentage (%)百分比Percentage (%)累计百分比Cumulative percentage (%)0～2025.525.522.622.620～4018.243.618.441.040～6015.959.515.656.660～8016.776.216.873.480～10012.188.313.787.0100～12011.7100.013.0100.0

2.3 黑核桃细根二维分布特征

若将0～150 cm土层深度、距树干水平距离0～120 cm收集到的细根表面积密度与根长密度之和视为100%，得到不同土层深度、距树干不同水平距离细根表面积密度与根长密度所占比例的二维分布图。由图可知，土层深度0～110 cm、距树干水平距离0～100 cm范围内的细根表面积与长度分别占测定细根的75.2%和75.5%，土层深度110～150 cm、距树干水平距离0～120 cm细根表面积与长度仅占测定根系的13.6%和12.0%。图3

图3 细根表面积密度(a)与根长密度(b)百分比二维分布特征
Fig.3 Two-dimensional distribution characteristics of percentage of fine-root surface area density (a) and root length density (b)

3 讨 论

研究发现，黑核桃根系在垂直方向随着深度的增加，根系生物量密度值、表面积密度值和根长密度值呈现逐渐降低的趋势。在水平方向上，随着离树干距离越远，根系生物量等指标均逐渐减少。大量研究表明，不同树种的果树由于生理结构的差异，其根系分布规律也不同，但总体来说根系无论在水平还是垂直方向上，均集中分布于某一区域内，整体上呈现随着距离的增加而逐渐减少的趋势。郝仲勇等[12]通过对7年生富士苹果根系的分布特征研究后发现，根系随着深度和树干距离的增大呈减少趋势。通过对太行山低山丘陵区石榴树吸水根系空间分布特征研究，张劲松等[9]发现在垂直方向上，根长密度随着土层深度的增加呈现负指数函数分布，在水平方向上，根系主要分布在距果树行带0～100 cm。这些结果与研究结果相一致，此外，这个结论在库尔勒香梨上也得以验证，李楠等[11]通过对库尔勒香梨不同土层的根系分布进行了分析，结果表明：根系生物量、吸收根根长密度和表面积均表现为距树干水平分布递减，垂直分布分层的特点。

研究发现，在垂直方向，根系主要分布在0～70 cm的土层区域中。对于不同树种，不同树龄的果树，根系分布区域均不一致。根系生长具有时间变异性，不同树龄或同一树龄的不同时间段，果树的根系分布也是不同的。刘洪章等[13]研究发现，沙棘的根系主要分布于0～60 cm的土层中。苗平生等[14]通过对成龄实生油梨树分析可知，油梨树根系的横向分布在树冠边缘以外，根系纵向分布达1 m以下。此外，杜玉虎等[15]研究也表明，6年生苹果梨的根系主要分布在20～40 cm土层，其次为0～20 cm。史联让等[16]研究发现，3a生广杏根系分布较2a生的深。由此可见，树种不同，树龄不同，根系分布的区域也有很大差别。

4 结 论

5a生黑核桃根系垂直最深分布达到150 cm土层，水平分布最远分布达到120 cm以上。根系生物量密度、根系表面积密度和总根长密度在垂直和水平方向都有递减的趋势，距树干0～80 cm，深0～70 cm的区域是黑核桃根系分布的主要区域。在该区域内施肥灌水更有利于黑核桃的生长发育。

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