蓄水坑灌下苹果树根系生长对不同氮素水平的响应

张人天，马娟娟，孙瑞峰，高 娟，孙西欢,2，郭向红

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西晋中学院，山西 晋中 030619)

蓄水坑灌法是一种中深层立体灌溉的新方法，适用于我国北方干旱和半干旱地区[1,2]，蓄水坑灌法通过蓄水坑壁将果树所需要的水分、氮等养分直接作用于果树的根区土壤进行水肥一体化灌溉。该方法可以有效改善土壤通透性，充分利用当地降雨径流、减小水土流失，促进深层根系的生长发育。同时蓄水坑灌条件下氮素溶解充分且氮素分布均匀，具有抗旱、节水、保水保肥的特点[3,4]。

氮素是植物生长发育必需的大量营养元素之一, 它是果树生长的重要物质基础[5,6]。而根作为作物重要的吸收合成器官，具有吸收水分养分促进作物生长发育的重要作用。苹果根系具有较强可塑性，氮素作为极其重要的养分，其变化会使根系的生长发育和生理功能产生相应的变化[7]。通过观测计算得到根长密度(RLD)和根表面积密度(RSAD)，作为反映苹果树地下部分生长的重要指标，RLD和RSAD在一定程度上可以反映苹果树根系对土壤水分、养分等利用能力的强弱[8]。增施氮肥可以有效改善土壤肥力，对果树的根系生长发育起到了极大的调控和促进作用。大量研究表明随着供氮水平的提高，平邑甜茶苹果树的根系长度、根尖数、根系活力等根系指标均是先升高后降低[9,10]；龙远莎等研究发现蓄水坑灌条件下氮素分布均匀、氮素溶解充分，有利于氮素溶解、保肥性好[11,12]。目前针对蓄水坑灌条件下苹果树根系的研究主要集中在根系分布和根系吸水方面，对氮素的研究主要集中在氮素分布和水氮运移，但对施氮是否可以促进苹果树根系生长发育的相关研究仍不够全面。本文利用微根管法研究蓄水坑灌条件下苹果树根长密度和根表面积在不同氮素水平作用下的变化情况，探究蓄水坑灌条件下苹果树根系的生长特征，旨在为确定蓄水坑灌苹果树施氮的合理范围提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在山西省农科院果树研究所节水灌溉示范园进行，该果园位于山西省太谷县北洸乡(东经112°32′,北纬37°23′),海拔约为800 m，年平均气温9.8 ℃，年均降雨量约为463 mm,无霜期175 d，属于典型的大陆性半干旱气候。试验地灌溉水源主要为地下水，田间持水率平均为30%。试验地土壤以粉沙壤土为主，土层0～40、40～80、80～120 cm对应的土壤容重分别为1.4、1.47、1.37 g/cm3。

1.2 试验设计

选取15棵生长状况良好，长势基本一致的7 a生矮砧密植红富士苹果树，株、行距为2 m×4 m，以施氮量为控制因子，设置CK(地面施肥对照组)以及T1、T2、T3、T4(蓄水坑灌试验处理组)共5个处理，每一个处理设有3个重复。所施氮肥为尿素(氮含量46.7%)，磷钾肥采用磷酸二氢钾，各处理施入量相同为17 kg/hm2。CK采用地面撒施的方式，T1、T2、T3、T4采用肥料充分融于水后灌入蓄水坑中，具体灌溉时间为2018年5月24号(花后)，每组具体施氮量和灌水量见表1。蓄水坑的具体布置为：每棵树均匀布置4个直径30 cm，深度40 cm的圆柱形蓄水坑，蓄水坑中心距树干距离为75 cm，同时对蓄水坑坑壁进行防坍塌固定，蓄水坑底铺上土工布，防止水下渗。根系测点布置在2个蓄水坑中间距离树干50 cm处，微根管在实验开始前半年的时间安装。将微根管与垂直方向成45°角[13]，打入地下。安装完微根管之后将露出地面的部分和管盖用黑色塑料袋包裹紧，避免阳光直射，同时用盖子盖紧微根管，保证其密封性防止水进入管内，避免损坏探头和相机。具体布置图及根系测点布置见图1。

表1 施氮方案Tab.1 Nitrogen application schedule

图1 测点布置示意图(单位：cm)Fig.1 Layout diagram of measuring point

1.3 试验测定项目与方法

用BTC微根管根系生态监测系统在试验田对根系进行360°的图像采集，每隔45°采集一张，每个位置共采集8张图片。具体采集对象：以施肥当天作为基准点，观测施肥前1个月(BF30d)、施肥后1个月(AF30d)以及施肥后第2个月(AF60d)的各处理0～100 cm土层深度的苹果根系。采集图片完毕后由 WinRHIZOTRON 图像分析软件进行分析计算，把所采集图片中白色以及黄褐色的根视为活根，黑色的根视为死根[14]，最终得到RLD、RSAD和分别基于RLD、RSAD的根系生长速率RLDr、RSADr，具体计算公式如下：

RLD=L/(nAST)

(1)

RSAD=S/(nAST)

(2)

RLDr=(RLDn+1-RLDn)/T

(3)

RSADr=(RSADn+1-RSADn)/T

(4)

式中：L为根总长，mm；n为图片数量；A为每张图片的观察范围(1.4 cm×1.8 cm)；ST为微根管能观测到的土壤厚度，mm，通过实际测定并参考文献[15]，本研究中取为2 mm;S为根表面积，cm2；RLDn+1为第n+1次测得的根长密度值，mm/cm3；RLDn为第n次测得的根长密度值，mm/cm3；T为取样间隔时间；RSADn+1为第n+1次测得的根表面积密度值，cm2/cm3；RSADn为第n次测得的根表面积密度值，cm2/cm3。

2 结果与分析

2.1 苹果树根长密度对不同氮素水平的响应

图2为BF30d、AF30d及AF60d各处理在不同深度土层(0～100 cm)的根长密度(RLD)。由图2可知：在0～20 cm深度的土层，施肥前后CK的RLD均明显大于T1、T2、T3、T4处理；在20～100 cm深度的土层，施肥前后T1、T2、T3、T4处理的果树根长密度明显大于CK处理。主要是因为地面灌溉的土壤水分和氮素主要位于土壤表层，而蓄水坑灌水分和氮素主要位于土壤中深层[11]，说明蓄水坑灌更利于土壤中深层根系的生长发育。施肥后在0～100 cm深度土层，各处理果树根长密度均显著增加，说明施用氮肥可以促进根系的生长发育。蓄水坑灌和地面灌溉果树根长密度在垂向上的分布规律相近，均是随着土层深度的增加先增加后减小，这与郝锋珍等的研究结果一致[16]，地面灌溉根长密度高值区位于0～40 cm的土层，蓄水坑灌根长密度高值区位于20～80 cm。

为进一步分析苹果树根长密度对不同氮素水平的响应，图3为各处理不同深度土层BF30d-AF30d和AF60d的基于RLD的根系净生长速率(RLDr)，以及各处理之间的差异性分析结果。由图3可知：蓄水坑灌试验组中，BF30d-AF30d各处理RLDr随着施氮量的增加呈现先增加后略微减小的规律，其大小关系为 T3>T4>T2>T1，其中T3和T4差异性不显著，又与T1和T2的差异性显著，说明T3苹果树根系发育情况最好，施氮可以有效地促进根系生长发育，施氮量的增加对促进根系生长的作用更显著，而施氮过多在一定程度上会抑制苹果树根系对氮素的吸收利用从而影响根的生长和发育，这与沙建川等人的研究结果一致[9]。0～20 cm土层，CK处理与施氮量相同的T2相比，CK的RLDr明显更大；20～100 cm土层，CK处理与施氮量相同的T2相比，T2的RLDr更大且2个处理差异性明显，证实了地面灌溉的氮素主要集中在土壤表层而蓄水坑灌氮素主要集中在土壤中深层，说明蓄水坑灌对中深层根系的生长发育更有利。AF60d各处理根系生长死亡速率大于生长速率，RLDr为负，这是因为到了新梢旺长期，苹果树的果实、枝条等地上部分的生长发育需要吸收大量的氮素等养分，在一定程度上抑制了果树根系的生长[17]。 其绝对值大小关系为T3>T4>T2>T1，T3和T4差异性不显著，又与T1和T2的差异性显著。因为T3土壤中氮素含量高，水肥状况良好，根系生长代谢速率快，所以T3的RLDr也大，而T1土壤水肥状况不好，根系生长代谢较慢，因此RLDr较低。

图2 各处理不同土层RLDFig.2 Root length density of different soil layers

图3 各处理不同土层的RLDrFig.3 Root length density growth rate of different soil layers 注：图中不同小写字母表示显著性差异P<0.05。

2.2 苹果树根表面积密度对不同氮素水平的响应

图4为BF30d、AF30d及AF60d各处理在不同深度土层(0～100 cm)的根表面积密度(RSAD)。由图4可知：地面灌溉和蓄水坑灌RSAD在垂向上的分布规律均为随着土层深度的增加先增大后减小，区别是地面灌溉RSAD高值区位于0～40 cm的土层，蓄水坑灌RSAD高值区相对下移位于20～80 cm的土层。施氮肥后，各处理RSAD明显增大，说明施氮可以有效促进根系生长发育，沙建川等在平邑甜茶苹果树上得到过相似的结论[8]。在0～20 cm深度的土层，施肥前后CK的RSAD均明显大于蓄水坑灌试验组；在20～100 cm深度的土层，施肥前后蓄水坑灌试验组的RSAD明显大于CK。主要是因为地面灌溉的土壤水分和氮素主要位于土壤表层，蓄水坑灌水分和氮素主要位于土壤中深层，说明蓄水坑灌更利于土壤中深层根系的生长发育。

图5为各处理不同深度土层BF30d-AF30d和AF60d的基于根表面积密度的根系净生长速率(RSADr)，以及各处理之间的差异性分析结果。由图5可知：蓄水坑灌试验组中，BF30d-AF30d各处理RSADr随着施氮量的增加呈现先增加后减小的规律，其大小关系为 T3>T4>T2>T1，其中T3和T4差异性不显著，又分别与T1和T2的差异性显著。说明T3根系生长发育情况最好，施氮可以有效促进根系生长发育，施氮量的增加对促进根系生长的作用更显著，而施氮过多会抑制根系的生长和发育。CK与施氮量相同的T2相比，0～20 cm土层CK的RSADr更大；20～100 cm土层T2的RSADr更大且2个处理差异性显著，说明蓄水坑灌更利于中深层根系的生长，这与张学琴等的研究结果一致[18]。AF60d各处理RSADr为负，说明各处理根系生长速率小于死亡速率，这是因为此时苹果树地面部分的生长发育需要水分养分，限制了根系的生长[18]。RSADr的绝对值大小关系为 T3>T4>T2>T1，T3和T4差异性不显著，又分别与T1和T2的差异性显著。因为T3土壤中氮素含量高，水肥状况良好，根系生长代谢速率快，所以T3的RSADr大，而T1土壤水肥状况不好，根系生长代谢较慢，因此RSADr较低。

图4 各处理不同土层RSADFig.4 Root surface area density of different soil layers

3 结 论

本试验通过对蓄水坑灌下苹果树根系生长对不同氮素水平响应的研究分析可得出以下结论。

图5 各处理不同土层RSADrFig.5 Root surface area density growth rate of different soil layers 注：图中不同小写字母表示显著性差异P<0.05。

(1)施氮后，各处理根长密度和根表面积密度均显著增大。

(2)随着施氮量的增加，各处理基于根长密度和根表面积密度的净生长速率随之先增大后略减小,T3根系净生长速率最大，T4施氮量最大，生长速率反而小于T3但与T3处理差异不显著。

(3)同等施氮水平下，在0～20 cm土层，施氮对CK处理根系生长的促进作用更好，在20～100 cm土层，施氮促进蓄水坑灌根系生长的效果更明显。

(4)本试验中T3处理(20 kg/hm2)更利于苹果树根系的生长发育。