肥料袋控缓释对葡萄细根生长和氮素利用的影响

张守仕　谢克英　常介田　徐明辉　韩芳　柴梦颖　乔宝营

关键词：葡萄；肥料袋控缓释；细根；生长

中图分类号：S663.1 文献标志码：A 文章编号：1009-9980（2023）01-0088-10

随着“药肥双减”项目的持续推进，缓释肥因其养分利用率高、省工等优点在水果生产中得到重视。袋控緩释肥根据果树养分需求特点，采用纸塑材料包裹袋内肥芯，与颗粒包膜类缓释肥相比降低了成本，取得了良好效果，在山东、陕西等果品生产大省得到推广应用。张亚飞等研究认为，施用袋控缓释肥可以提高肥料利用率，提高果实品质。研究人员多从缓释肥养分释放和土壤养分供应角度出发，与化肥撒施的传统施肥方法相比，使用缓释肥后养分释放慢，土壤养分浓度变化幅度小，从而提高养分利用率。

根系尤其是新生细根是果树养分最主要的吸收器官。新生细根生长一段时间后会变褐，吸收能力降低，大部分新生细根死亡。能够进行次生生长的新根变为多年生骨干根，行使固定、养分通道等功能。新根数量增多，根系变褐时间延长，寿命延长，有利于根系养分吸收。刘照霞等研究烟富3矮化中间砧苹果萌芽前不同位置施氮对新梢旺长期细根分布、氮素吸收的影响，发现施氮增加了细根根长密度，施肥位置不同根长密度增加不同，氮素利用率不同。Baldi等研究表明，施用有机肥比撒施氮肥提高了桃细根数量，延长了褐变时间和细根寿命，根系寿命与土壤硝态氮含量相关。有机肥比化肥撒施养分释放缓慢，土壤养分浓度保持平稳。缓释肥在养分释放、土壤养分供应方面与有机肥类似，但缓释肥对果树根系生长、发育影响的研究尚不多见。因此，研究缓释肥施肥对根系的生长、发育的影响，尤其是新根产生、褐变、死亡等动态变化情况，从根系生长、发育角度探讨养分利用率提高的原因具有重要意义。生产中施肥对果树地上部生长、发育的影响研究较多，但是受观测方法困难的影响，对果树根系生长、发育的研究相对较少。现有研究多采用挖掘法、根钻法、根窖法等方法研究果树根系，但这些方法存在根系扰动大、仅是阶段结果、准确度不高等问题。微根管法对根扰动较小，通过预先埋置在土壤中的摄像机定期拍摄根系图片及分析软件获得根系的生长、发育动态及有关参数。目前为止，微根管技术已被广泛地应用于植物根系的研究中，尤其是根系发生数量和根系寿命分析方面。因此笔者采用微根管观察肥料袋控缓释下葡萄根系细根生长情况，结合15N同位素示踪技术，从细根生长、发育角度探讨肥料袋控缓释提高葡萄氮肥利用率的原因，以期为葡萄合理施肥提供依据。

1材料和方法

1.1试验设计

试验地点位于河南省大宗水果中牟综合试验站内，品种为夏黑，避雨栽培，南北行向，株行距为1.5 m×3.0m，定植于2011年3月，单干、单臂“双十形”树形。2018年3月初挑选大小均匀一致7年生葡萄树24株，分为2组，一组15株用于根系观察试验，另外9株用于15N示踪试验。根系观察试验和15N示踪试验均设肥料袋控缓释施肥（BCRF）、撒施施肥（SA）、不施肥（CK）3个处理，根系观察试验每处理5次重复，¹⁵N示踪试验每处理3次重复，均为单株小区。

1.2试验处理与样品采集

3月20日肥料袋控缓释施肥处理株施8袋袋控缓释肥（95 g·袋^-1），每袋内含有尿素40 g、二铵14 g、硫酸钾41 g，挖坑施肥。施肥坑分别沿葡萄架面上最外侧铁丝位置地面投影往外20 cm处，施肥时铁锹入土深20 cm，将铁锹略前倾撬开土后将1袋袋控缓释肥放入底部，抽出铁锹，踩实施肥位置。以后每年3月中旬在上一年施肥异侧以同样量进行施肥。撒施施肥处理分别在相同位置分2次撒施肥料，与袋控缓释肥等量且配比相同的掺混肥60%在3月份施入，剩余40%在8月下旬施入。不施肥处理只挖土不施肥。施肥后在葡萄植株正东侧距树干40 cm处埋入70 cm长、外径70 mm粗微根管。微根管与地面呈450夹角，管口距地5 cm左右，垂直距离40 cm，安装前管底密封，微根管漏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。微根管安装后需要稳定一段时间，数据采集从2018年6月份开始，生长季内观测周期为2周，分别在每月1日和15日观察，休眠期观测周期为4周，只在每月15日观察。采用CI-600植物根系生长监测系统进行根系图片的采集。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，统计细根数量。图像采集面积为21.59 cmx19.57 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。

¹⁵N示踪试验处理试材和处理方法与上面相同，袋控缓释施肥每个肥料袋内装有¹⁵N尿素（上海化工研究院，丰度10.10%）4 g和36 g普通尿素，撒施施肥处理两次施肥时分别混有2.4 g和1.6g¹⁵N尿素。冬季葡萄植株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、主蔓、1年生枝。样品洗净后，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒质量，称量干物质质量，不锈钢电磨粉碎后过250μn筛，混匀后装入自封袋中备用。植株样品采用Isoprime100型质谱仪测定¹⁵N丰度。植物样品经浓硫酸一过氧化氢消煮后，利用BDFIA8000流动注射分析仪铵态氮模块测定样品含氮量。

2018年在3月底、6月初、8月底、11月底用不锈钢土钻在葡萄行内距离施肥位置20 cm处取土样，土样带回实验室进行土壤Nmin （NH₄⁺-N+NO₃^--N）测定。土壤样品过2 mm筛后，用2mol·L^-1KCl溶液浸提后用BDFIA8000流动分析仪铵态氮、硝态氮模块进行测试。

2018年在8月底、11月底在葡萄行内距离施肥位置20 cm处用土钻取土样，土样冲洗后保留根系，采用氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法测定细根根系活力。

1.3数据处理与统计分析

新根中值寿命采用SPSS 19.0软件生存分析进行计算，指存活率为50%时对应的生存时间。新根年周转率為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（%）=[样品中的¹⁵N丰度（%）-自然丰度（0.366%）]／[肥料中¹⁵N的丰度（%）-自然丰度（0.366%）]×100;

总N量（g）=干物质质量（g）×N浓度；

吸收¹⁵N量（mg）=总N量（g）×Ndff（%）×1000;

氮肥利用率（%）=Ndff（%）×植株总N量（g）/施¹⁵N量（g）×100。

文中所有数据和图使用Excel 2019和SPSS19.0软件分析和制作，不同处理间差异性分析采用Duncan新复极差法检验。

2结果与分析

2.1肥料袋控缓释对土壤Nmin的影响

土壤Nmin可以被根系直接吸收，包括NH₄⁺-N和NO₃^--N。表1采样结果表明，土壤NH₄⁺-N含量处于较低水平，0～20 cm土层撒施施肥处理NH₄⁺-N含量变化剧烈，袋控缓释处理NH₄⁺-N含量变化较小，第4次取样时袋控缓释处理高于撒施处理。>20～40 cm土层，各采样期土壤NH₄⁺-N含量袋控缓释处理均显著高于撒施处理，且均维持在较高水平。表2结果表明，撒施处理每次施肥后土壤NO₃^--N含量迅速提高，随着时间延长迅速降低。袋控缓释处理前2次采样低于肥料撒施处理，后2次采样均高于肥料撒施处理，并且维持在较高水平。

2.2肥料袋控缓释对葡萄细根生长的影响

表3结果表明，试验观察到的葡萄细根数量以肥料袋控缓释处理最多，其次为撒施处理，不施肥处理最少，分别为603条、413条和326条。2018年各个观测期内各处理之间差异显著，2019年肥料袋控缓释处理和撒施处理显著高于不施肥处理，2020年肥料袋控缓释处理显著高于撒施处理和不施肥处理。图1显示，2018年各处理在8月份有1次生长高峰，2019年和2020年在3月份有1次生长高峰，2019年在8月份有1次生长高峰，2020年7月份有1次生长高峰，7月或8月生长高峰葡萄新根数量高于3月。

2.3肥料袋控缓释对葡萄细根变褐和寿命的影响

葡萄新根颜色的变化反映了葡萄根系呼吸、吸收能力的变化。图2结果表明，不施肥处理平均根系褐变时间为46 d，撒施处理为63 d，肥料袋控缓释处理为71 d，肥料袋控缓释处理显著高于撒施和不施肥处理。

图3根系中值寿命计算结果表明，肥料袋控缓释处理为238 d，撒施处理为196 d，不施肥处理为140 d，肥料袋控缓释处理显著延长了根系中值寿命。

2.4肥料袋控缓释对葡萄细根现存量和周转率的影响

试验观察期内，根系现存量肥料袋控缓释处理显著高于肥料撒施处理和不施肥处理（图4），2018年为241条，2019年、2020年分别为79条和69条，2018年肥料撒施处理和不施肥处理差异显著，2019年、2020年肥料撒施处理和不施肥处理差异不显著，数量均在60条以下。

2018年、2020年各处理间根系周转率存在显著差异（表4），各年内数据均以肥料袋控缓释处理最低。2019年撒施处理和不施肥处理间差异不显著，但显著高于肥料袋控缓释处理。

2.5肥料袋控缓释对葡萄细根根系活力的影响

根系活力反映了细根吸收能力，8月底数据表明肥料袋控缓释处理根系活力达54.36 mg·g^-1·h^-1，显著高于撒施处理和不施肥处理，分别为37.48和35.69mg·g^-1·h^-1，肥料袋控缓释处理显著高于撒施处理和不施肥处理。11月底的结果表明，各处理间根系活力均处于较低状态，各处理间差异不显著（图5）。

2.6肥料袋控缓释对葡萄氮养分吸收的影响

落叶后采样时，各处理间器官生物量当年生器官细根和1年生枝差异显著，多年生器官如粗根、主干、主蔓处理间差异不显著（表5）。各器官氮浓度肥料袋控缓释处理均显著高于肥料撒施处理。Ndff（%）表示来源于肥料的氮占总氮的比率，Ndff（g）表示器官中的氮来自肥料的具体质量，肥料袋控缓释施肥处理Ndff（%）和Ndff（g）各部位显著高于肥料撒施处理。氮素利用率肥料袋控缓释处理达到16.69%，显著高于撒施施肥处理的8.38%。

3讨论

果园土壤中NH₄⁺-N和NO₃^-N含量低，果树生长过程中所需氮素需要施肥进行补充。传统施肥中果农片面追求高产，肥料用量过高，造成果实风味变差、不耐贮运等问题。更严重的是大量肥料随灌溉水进入土壤深层，挥发进入大气，造成环境问题。为解决这些问题，不同类型的缓释肥在果树生产中得到推广应用。缓释肥养分释放缓慢，可以在控释期内稳定供应养分，因此土壤养分相对稳定，试验中Nmin结果与沙建川等结果一致。本试验中袋控缓释肥在微孔袋的控制下，养分缓慢释放。传统肥料撒施可以迅速提高土壤中NH₄⁺-N和NO₃^--N含量，因此3月30日和6月1日两次取样时，撒施施肥处理显著高于袋控缓释肥处理。受土壤淋溶、硝化、反硝化等过程影响，土壤中NH₄⁺-N和NO₃^--N含量下降也很快，肥料袋控缓释处理土壤中NH₄⁺-N和NO₃^--N含量不高，但波动较小。试验地区8月份雨水多，施入肥料容易溶解并被降雨淋溶到土壤深处，袋控缓释肥袋内肥芯不受降雨影响，因此，8月30日取样时撒施施肥处理显著低于袋控缓释肥处理。

果树根系比农作物分布稀疏，不利于养分吸收、利用。白色细根吸收能力强，从提高肥料利用率角度考虑，应该提高细根数量和延长细根寿命。党祝庆等在桃幼树上研究表明，有机肥、化肥配施比单施化肥有利于诱发细根，增加根系生物量，提高氮素利用率。Baldi等采用微根管原位观测技术研究了有机肥对桃树根系发生、生长的影响，认为施有机肥通过改变土壤NO₃^--N含量，比化肥撒施提高了细根发生数量。本试验结果表明，肥料袋控缓释施肥处理细根发生数量最多，这与桃树上采用挖掘法得到的结果一致。果园施有机肥条件下，土壤养分浓度相对稳定。本试验中肥料袋控缓释施肥处理比撒施施肥处理土壤养分稳定，说明细根增多、细根变褐的时间和寿命延长与肥料袋控缓释施肥土壤养分稳定有关。葡萄年生长周期内3月和7月或8月是细根产生的1个高峰，但各年份之间在时间上有差异，这与Centinari等在葡萄上、An等在苹果上的观察结果一致。另外细根产生还受温度、水分、土层等其他因素影响，各年份间这些因素差异大。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。有研究表明，细根产生和微根管安装有关，为避免微根管安装的影响，本试验将观察时间比微根管埋置时间推后3个月，但仍然影响安装根管当年的新根数量，该方法应用中延长观测时间结果更为准确。细根产生数量后两年显著低于第1年的原因可能是随着时间的延长同一部位产生新根的能力逐漸变弱，新根发生受到影响。

细根数量增多，寿命延长，从而提高了根系现存量。试验中细根年死亡量与细根现存量的比值表示新根周转率，试验中肥料袋控缓释施肥处理根系现存量显著高于其他处理，细根周转率显著低于其他处理。肥料撒施处理根系因施肥后短期土壤养分浓度迅速上升，土壤养分浓度不适宜，会造成较多细根死亡，后期脱肥造成土壤养分浓度低，因此造成细根现存量降低，细根周转率显著提高。罗飞雄等研究苹果不同砧木对细根周转率影响，结果表明矮化自根砧细根死亡高峰提前，细根寿命短导致矮化自根砧新根的年周转率高于乔化砧。本试验肥料撒施处理和不施肥处理细根寿命显著低于肥料袋控缓释施肥处理，因此细根年周转率高于肥料袋控缓释施肥处理。

根系活力表征根系吸收能力，于坤等在葡萄上的研究表明，葡萄一侧地下穴贮滴灌施肥或一侧地面滴灌施肥处理提高了20～60 cm土层深度处根系的根系活力。滴灌施肥提高了土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量，本试验中肥料袋控缓释处理根系活力能够在8月份维持较高水平，结果与其一致。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，肥料袋控缓释施肥处理显著提高了各器官氮含量和Ndff（%），促进了葡萄氮素养分吸收。这与肥料袋控缓释施肥在苹果上的结果一致。滴灌施肥因其土壤养分浓度高且变化小，可以提高葡萄氮素利用率，肥料袋控缓释具有相似效果。本试验对根系生长、发育观测结果表明，氮素养分吸收率提高的原因除土壤氮素养分稳定供应外，肥料袋控缓释施肥对根系发生、生长的改变也是一个重要因素。

4结论

肥料袋控缓释处理生长季内土壤Nmin含量波动小，保持稳定，显著增加了葡萄细根数量，延长了细根变褐时间以及细根寿命，降低了葡萄根系细根年周转率，提高了生长季根系活力，提高了葡萄氮素利用率。