滴灌施肥对桃树细根生长及氮素吸收的影响

张守仕，谢克英，常介田，韩 芳，乔宝营，柴梦颖，徐明辉

（河南农业职业学院，河南郑州 451450）

水分和养分是果树生长发育[1–2]、高产优质[3–4]的两个重要因素。滴灌施肥技术可将水肥一起输送到作物根区[5]，不仅提高水肥利用效率[6–7]，还节约劳动力成本，是实现化肥、农药减量，提高农业灌溉用水效率的绿色高新技术。目前，我国科研人员已从滴灌施肥量、灌水量等参数优化方面做了大量工作[8–9]，也从滴灌施肥影响土壤养分供应，土壤氮素挥发，作物养分利用方面做了大量工作。对滴灌施肥过程中尿素态氮、硝态氮、铵态氮的迁移、富集和转化规律研究，提高了土壤中有效态氮素含量，减少了氮肥的损失[10–13]。根系中的新生细根是吸收水分、肥料的主要部位[14]，然而，滴灌施肥对地下部根系生长的影响研究较少，且多为破坏性取样结果[15]。采用土钻法进行的研究表明，滴灌施肥影响作物根长密度、根系分布、根系分型维数等形态指标[16]，但缺少滴灌施肥对根系生长动态的系统研究。微根系原位观测技术、方法的出现为原位根系研究提供了可能的手段[17]。Zhang等[18]利用微根系原位观测技术研究了袋控缓释肥对桃树细根生长、周转、分布的影响，认为缓释肥比撒施化肥提高了细根数量和分布。因此，本研究采用微根管观察滴灌施肥技术下桃树细根发生和生长情况，结合15N示踪技术研究滴灌施肥技术对细根生长及氮素利用的影响，以期为滴灌施肥进一步推广利用，桃产业绿色发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地位于河南省大宗水果产业技术体系中牟综合试验站内桃示范园，品种为中油蟠5号，平地栽培，南北行向，株行距为 2 m × 5 m，定植于2016年3月，树体为主干形。

1.2 试验处理

试验设滴灌施肥、传统肥水2个处理，处理小区面积 1600 m2(40 m×40 m)。滴灌施肥 N、P2O5、K2O施用量分别为83.2、42、64.5 g/tree，传统肥水施用量分别为137.3、96、160 g/tree。滴灌施肥在桃树行两边距离树干60 cm处各铺设一条内镶式滴灌带，滴头间距30 cm，滴头流量为4 L/h。水溶肥为新洋丰水溶肥料，分别在花后 (4月中旬)、第一次膨果 (5月中旬)、硬核期 (6月上旬)、果实采收后 (8月上旬)随水滴施 N–P2O5–K2O 为 30–10–10+微量元素、20–20–20+微量元素、16–6–36+微量元素和20–20–20+微量元素，每次用量为 75 kg/hm2，为和氮素利用率测定保持一致，每次滴灌施肥时添加1600 g (10 g/tree)尿素，施肥时先滴水 2 h、然后滴肥2 h、再滴水2 h。其他时间滴灌维持土壤含水量为最大持水量的60%～80%。传统肥水分别在花前(3月上旬)和硬核期 (6月上旬)，沿东西、南北4个方向挖15 cm深、80 cm长放射沟，每条沟内施入100 g 硫酸钾型 N–P2O5–K2O 为 17–17–17 复合肥 (中化)和硫酸钾型 N–P2O5–K2O 为 15–7–23 复合肥 (芭田)，为和氮素利用率测定保持一致，每次施肥时每条沟内施入 2.5 g (10 g/tree)尿素，施肥后灌水，日常灌水方式为大水漫灌。

2018年2月25日挑选大小均匀一致桃树10株，每处理5次重复，单株重复，在西南方向距树干60 cm处埋入70 cm长、外直径70 mm粗微根管。微根管技术将透明根管提前埋置在土壤中，根系伸长至根管周边后，数码相机定期拍摄根系图片，记录根系发生、变褐、死亡等情况，根系分析软件可以获取根长度、直径等参数。微根管与地面呈45°夹角，管口露出地表5 cm左右，垂直埋入土中40 cm，安装前管底密封，微根管露出地面部分先用黑色胶带包裹，再加一层铝箔，试验过程中注意保护微根管，防止扰动。微根管安装后稳定一段时间，数据采集从2018年6月1日开始。每年3月到11月果树生长季内分别在每月1日和15日观察，12月到翌年2月果树休眠期内只在每月15日观察，数据一直采集到2020年底。采用CID-CI600植物根系生长监测系统采集根系相关数据。根据微根管编号、观测层次、取样时间、细根编号建立细根数据库。图像采集面积为 21.59 cm × 19.57 cm，利用系统所带ROOTSNAP根系图像分析软件进行根系数量、寿命分析，白色与褐色细根定义为活根，黑色或皱缩的根和两次观测期间消失的根定义为死根。

2018年在3月30日、6月1日、8月30日、11月30日用不锈钢土钻在桃树树冠外缘两施肥沟中间取土样，土样分为0—20、20—40 cm层，土样带回实验室冷藏保存，取样结束后取新鲜土样进行土壤无机氮 Nmin (NH4+-N、NO3−-N)测定。具体方法：土壤样品过2 mm 筛后，用 2 mol/L KCl溶液浸提后用BDFIA8000流动注射分析仪铵态氮、硝态氮模块进行测定。

于2018年8月底、11月底在东面、北面两施肥沟中间用土钻取土样，土样冲洗后保留根系，采用氯化三苯基四氮唑 (TTC)还原法测定细根活力。

另外挑选大小均匀一致桃树6株进行氮素利用率测定，试验处理与上面相同，滴灌施肥用自制重力滴灌器模拟滴灌处理。滴灌施肥每株每次施15N尿素 (上海化工研究院，丰度 10.10%) 3 g、普通尿素7 g、新洋丰肥料75 g，将每株树所需肥料溶解在装有300 L水塑料桶中，塑料桶置于距离地面1 m高处铁架上，阀门调整塑料桶出水量，控制滴灌管出水流速，每次施肥先滴水2 h、然后滴肥2 h、再滴水2 h。传统肥水每次施肥有15N尿素 (上海化工研究院，丰度 10.10%) 3 g，普通尿素 7 g，复合肥肥料用量和用法同上面撒施处理。冬季桃树落叶后对植株进行破坏性取样，整株解析为细根 (直径<2 mm)、粗根 (直径≥2 mm)、主干、多年生枝、一年生枝。样品洗净后，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，称量干物质质量，不锈钢电磨粉碎后过0.25 mm筛，混匀后装入自封袋中备用。植株样品采用Isoprime 100型质谱仪测定15N丰度。植物样品经浓硫酸–过氧化氢消煮后，用BDFIA8000流动注射分析仪铵态氮模块测定样品含氮量。

1.3 数据处理与统计分析

细根寿命采用SPSS 19.0软件生存函数Kaplan-Meier法进行分析计算，中值寿命指存活率为0.5时对应的生存时间。细根年周转率为年新根死亡量与年新根现存量之比。

Ndff (%)指植株器官从肥料中吸收分配到的15N量对该器官全氮量的贡献率，它反映了植株器官对肥料15N的吸收征调能力，计算公式：

Ndff (%)=[样品中15N 丰度 (%)–自然丰度 (0.366%)]/[肥料中15N 丰度 (%)–自然丰度 (0.366%)]×100；

总氮量=干物质质量×氮浓度；

吸收15N 量 (mg)=总氮量 (g)×Ndff (%)×1000；

氮素吸收利用率 (%)=Ndff (%)×植株总氮量 (g)/施15N 量 (g)×100。

文中所有数据和图使用Excel 2019和SPSS 19.0软件分析，不同处理间差异显著性分析采用Duncan新复极差法检验。

2 结果与分析

2.1 滴灌施肥对土壤无机氮 (Nmin)含量的影响

土壤中NH4+-N和NO3−-N能够直接被果树根系吸收，采样结果表明肥水供应方式影响土壤NH4+-N、NO3−-N含量，虽然传统肥水处理是滴灌施肥处理施肥量的2.4倍，但传统肥水处理土壤Nmin并没有一直高于滴灌施肥处理 (表1、表2)。0—20 cm土层土壤NH4+-N含量滴灌施肥处理和传统肥水处理生长季内无显著差异，落叶后(11月30日)采样滴灌施肥处理高于传统肥水处理。20—40 cm土层土壤NH4+-N含量滴灌施肥处理和传统肥水处理6月1日、8月30日采样无显著差异，3月30日和落叶后采样滴灌施肥处理高于传统肥水处理。传统肥水处理对土壤NH4+-N含量影响较小，肥料撒施后没有明显的提高，随后受灌水、根系吸收、挥发等因素影响缓慢降低，但是传统肥水处理对土壤NO3−-N含量影响大，肥料撒施后短期内显著提高，然后迅速下降，随后受灌水、根系吸收等因素影响也表现为缓慢降低。0—20 cm土层传统肥水处理施肥后土壤NO3−-N含量迅速提高，后又迅速降低，滴灌施肥处理0—20 cm土层除刚施肥后低于传统肥水处理，其他采样时间都高于传统肥水处理，并且维持在较高水平。20—40 cm土层NO3−-N含量传统肥水处理3月30日、6月1日取样均显著高于滴灌施肥处理，落叶后(11月30日)取样反而低于滴灌施肥处理(表2)。

表1 不同施肥处理土壤铵态氮含量(mg/kg)Table 1 Soil NH4+-N content under different fertilizations

表2 不同施肥处理土壤硝态氮含量(mg/kg)Table 2 Soil NO3−-N content under different fertilizations

2.2 滴灌施肥对桃树细根生长的影响

从图1看出，滴灌施肥和传统肥水下微根管技术拍摄到的桃树的新生细根颜色为白色，随着根系次生结构的发育逐渐变为褐色。

图1 不同施肥处理20—40 cm土层桃树根系微根管观察图片Fig.1 Peach roots image taken by minirhizotron in 20–40 cm soil layer under different fertilizations

表3结果表明，图像采集期内各年份采集到的细根数量滴灌施肥为478条，明显高于传统肥水处理的334条，且微根管安放的当年(2018年)采集到细根数量较多，高于后面两年(2019、2020年)。3年采集的细根数量均以滴灌施肥处理最多，传统肥水处理较少，两处理间差异明显。图2细根发生动态结果表明，根系发生新根数量有2次高峰，分别在夏季和秋季。

图2 不同施肥处理下桃树新生细根数量的变化Fig.2 Dynamics of peach fine root number under different fertilizations

表3 不同的施肥处理下的桃树细根数量Table 3 The number of fine roots per peach tree under different fertilizations

2.3 滴灌施肥对桃树细根变褐和寿命的影响

桃树新发生的根颜色为白色，经过一段时间后白色新根变成褐色，还有新根变为黑色甚至消失。图3中细根褐变时间结果表明，根颜色由白色新根变为褐色时间传统肥水处理约38天，滴灌施肥处理约51天，两处理差异显著。

图3 不同施肥处理下桃树细根褐变所需的天数Fig.3 Days taken by fine peach roots to become pigmented under different fertilizations

图4中细根存活率为50%时对应的时间为细根中值寿命，结果表明，细根中值寿命滴灌施肥处理为147天，传统肥水处理为107天，滴灌施肥处理明显延长了细根中值寿命。

图4 不同施肥处理下桃树细根的存活率动态Fig.4 Dynamics of survival proportion of peach fine roots under different fertilizations

2.4 滴灌施肥对桃树细根现存量和周转率的影响

细根现存量为年周期内观察到细根扣除死亡细根数量。表4采样结果表明，细根现存量随时间推移呈上升趋势，处理间以滴灌施肥处理最高，从2018年的194条提高到2020年的311条，传统肥水处理从2018年的12条提高到2020年的82条。

表4 不同施肥处理下下桃树细根的现存量Table 4 The number of standing peach fine roots under different fertilizations

表5结果表明，两施肥处理间细根周转率存在明显差异，细根周转率随时间推移呈下降趋势，滴灌施肥处理较低，从2018年的0.62次/年降低到2020年的0.06次/年，传统肥水处理在微根管设置的当年(2018年)周转率明显高于后面两年(2019、2020年)，从2018年的17.17次/年降低到2019年的0.80次/年和2020年的0.16次/年。

表5 不同施肥处理下桃树细根的年周转率(次/年)Table 5 The annual turnover rate of peach fine roots under different fertilizations (times/year）

2.5 滴灌施肥对桃树细根活力的影响

图5显示，8月下旬滴灌施肥处理根系活力为39.47 mg/(g·h)，传统肥水处理为 27.86 mg/(g·h)，两处理间差异显著。11月下旬的结果表明，各处理细根活力均处于较低状态，处理间差异不显著。

图5 不同施肥处理下桃树细根的根系活力Fig.5 Activities of peach fine root under different fertilizations

2.6 滴灌施肥对桃树氮养分吸收的影响

表6结果表明，落叶后采样时，两处理间各器官生物量差异不显著。粗根、主干和多年生枝氮浓度两施肥处理间差异不显著，细根和一年生枝氮浓度滴灌施肥处理均显著高于传统肥水处理。Ndff值表示来源于肥料的氮占总氮的比例，滴灌施肥处理各部位Ndff值显著高于传统肥水处理。氮利用率滴灌施肥处理达到17.89%，显著高于传统肥水处理的9.75%。

表6 滴灌施肥和传统肥水下桃树的氮素吸收和利用Table 6 Effects of fertigation and conventional fertilization on N uptake and utilization of peach trees

3 讨论

果农为追求果实个大、果园高产，在生产中过量施用化肥，加上不合理的灌溉，造成养分淋失、挥发损失，带来一系列环境问题[19]，滴灌施肥有效解决了这些问题[11]。试验中传统肥水处理可以迅速提高土壤中NO3−-N含量，受土壤淋溶、硝化、反硝化等过程影响，土壤中NO3−-N含量下降也很快。土壤Nmin含量测定结果证明，传统水肥处理肥料用量大，土壤氮素含量变化剧烈，滴灌施肥处理肥料用量远小于撒施(传统肥水)处理，随水渗入土壤根系分布区域内，土壤中NH4+-N和NO3−-N含量波动较小。

果树根系比农作物分布稀疏，不利于养分吸收、利用。细根吸收能力强，从提高肥料利用率考虑，应该提高细根数量和细根寿命。王芬等[20]在苹果幼树上研究表明，通过牛粪和生物炭混施可以促进苹果细根生长，根尖数增多，提高氮素利用率。Baldi 等[21]采用微根系原位观测技术，研究了有机肥对桃树细根发生、生长的影响，认为施有机肥通过改变土壤NO3−-N含量，比化肥撒施更能保持土壤养分稳定，因此提高了细根发生数量。本试验结果表明滴灌施肥处理细根发生数量最多，这与孙三民等[22]在枣树上采用挖掘法得到的试验结果一致，有机肥的施用提高了土壤中养分稳定性，推测土壤养分稳定有利于根系发生。肖元松等[23]通过给栽培桃树根系区域通气等方法增氧，挖掘根系发现增氧栽培显著提高了土壤氧气含量，提高了桃树细根数量。滴灌施肥灌水量降低，土壤环境中氧浓度得到提高，因此细根发生数量增多和增加土壤氧含量有关[24]。年生长周期内夏季和秋季是细根产生的两个高峰期，但各年份之间在时间上有差异，这与Centinari等[25]在葡萄上及An等[26]在苹果上的观察结果一致，另外细根产生受温度、水分、土层等其他因素影响，各年份间这些因素差异大。2018年桃树少量坐果，2019年往后每年都结果，新根产生高峰的差异很可能与此有关。细根产生年份间变化较大，2018年细根产生多，2019年和2020年细根产生较少。这一方面与微根管的安装有关[27]，因此微根管安装后3个月才开始观察，另一方面随着时间的延长同一部位产生新根的能力逐渐变弱[28]，同时随着坐果量逐年增大根系生长受到影响。

桃树新生细根颜色为白色，随着根次生结构的发育逐渐变为褐色。褐色的新根吸收氮的能力和呼吸速率均低于白色细根[14]。Zhang等[18]研究肥料袋控缓释对桃树根系生长的影响，认为肥料袋控缓释比肥料沟施土壤养分含量稳定，延长了细根寿命，提高了细根现存量。本试验中滴灌施肥处理土壤Nmin含量处于传统肥水处理最高浓度和最低浓度之间，能够一直维持在一个水平上，因此延长了细根至变褐的时间，提高了细根寿命和细根现存量。Balid等[21]在桃树上研究表明，施用有机肥比施用化肥提高了细根现存量及其寿命，并得出这种差异是因为不同肥料导致土壤硝态氮含量、稳定性不同，硝态氮含量和细根现存量及其寿命显著正相关。本研究中滴灌施肥处理新根数量提高，寿命延长，提高了细根现存量，与土壤中NO3−-N含量高且维持较为稳定状态有关。本研究中细根周转率用细根年死亡量与细根现存量的比值表示，虽然不同处理间细根死亡量年度间有差异，但是细根现存量滴灌施肥处理远高于传统肥水处理，因此细根周转率以滴灌施肥处理最低。

根系活力表征根系吸收能力，于坤等[29]在葡萄上研究表明，葡萄一侧地下穴贮滴灌施肥一侧地面滴灌施肥处理，提高了20—60 cm土层深度处的根活力。王璐等[30]利用多种有机物料混施，研究其对苹果幼苗生长、氮素利用及土壤特性的影响，发现多种有机物料混施提高了土壤NH4+-N和NO3−-N 含量，提高了苹果根系活力，提高了土壤氮库调节能力。Zhang[18]研究发现，桃树施用袋控缓释肥后提高了土壤养分含量，且维持稳定状态，延长了细根至变褐时间，提高了根系活力。本试验中滴灌施肥后土壤养分含量与袋控缓释肥类似，因此根系活力能够在8月份维持较高水平，进入休眠期后仅维持微弱吸收能力，11月下旬取样结果表明各处理根系活力都处于较低水平。

本试验15N示踪试验结果表明，滴灌施肥显著提高了各器官Ndff (%)，提高了苹果氮素养分吸收，这与田歌等[6]、彭玲等[31]试验结果一致。本研究所用试材为2年生桃植株，多年生器官生物量处理间差异不显著，主要因为桃幼树期生长量大。新生器官氮浓度处理间有差异显著，主要因为一年生器官在试验期间养分多来源于当年吸收的肥料[32]。以往滴灌施肥对养分利用率影响的研究，主要从滴灌施肥改变土壤中养分供应状况角度考虑[10–11]，本研究15N示踪试验结果表明，滴灌施肥显著提高了桃树氮素养分吸收。氮素养分吸收利用率提高的原因除氮素养分供应改变外，滴灌施肥对细根发生、生长的改变也是一个重要因素。

4 结论

滴灌施肥处理生长季内土壤无机氮Nmin含量波动小，保持稳定，提高了细根数量，延长了细根变褐时间以及细根寿命，降低了细根年周转率，提高了生长季根系活力，这是桃树氮素吸收利用率显著提高的重要原因。