环塔里木盆地灰枣年轮矿质元素含量径向变化规律研究

王芳霞 吕 齐 姚东东 李旭娇 Fesobi Olumide Phillip 赵丰云冯建荣，* 于 坤，*

（1石河子大学农学院，特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室，新疆 石河子 832003；2新疆农业职业技术学院，新疆 昌吉 831100）

枣（Ziziphus jujubaMill.）属于鼠李科（Rhamnaceae）枣属（ZiziphusMill.）落叶小乔木［1］。环塔里木盆地是我国红枣的重要产地之一，种植面积和产量分别达47.3 万公顷和340 万吨，分别占全国总量的31%和49%，现已成为我国最大的红枣种植区［2］。在新疆林果业中，红枣产业已成为潜力巨大的农村支柱产业之一。

按植物对矿质元素的需求和体内含量的多少，可将矿质元素分为大量元素（氮、磷、钾）、中量元素（钙、镁等）和微量元素（铁、铜、锌、锰、钼等）［3］。矿质元素参与植物体内多种生理生化过程，调节植物的生命活动，在植物生长发育、果实品质形成中起着重要作用［4-6］。树木在生长过程中会吸收、积累土壤和空气中的矿质元素，同时可以将这些矿质元素的变化情况与树木年轮的生长特征结合起来共同反映外部环境的变化［7］。王荣芬等［8］对毛白杨年轮中微量元素含量和环境因子进行相关分析，揭示了年轮中锌、铜、锰、铬等元素发生的变异与交通量和关键气候因子显著相关。Wang 等［9］通过对松树年轮中铊含量变化的研究反演了广东云浮市由采矿活动引起的大气环境污染的时间变化。现今树轮相关研究已被广泛应用于环境科学［10］、气候学［11］、生态学［12］等领域。有研究表明，树木年轮并不总是被动地记录一些养分变化，其矿质元素的含量是对环境变化的综合反映［13-14］，与叶面营养相比，木材中有些元素的含量与土壤中元素含量的相关性更强［15］。矿质元素是果树生长发育和品质形成的物质基础［16］，然而在灰枣实际生产过程中存在不合理的管理和施肥现象，因此探究灰枣年轮与细根、土壤中矿质元素含量的关系对指导灰枣合理施肥具有重要意义。但目前，基于田间管理条件下的果树年轮中矿质元素含量径向变化规律及其与细根、土壤中矿质元素含量关系的研究较少。

鉴于此，本研究采用树木年轮学的方法，对环塔里木盆地灰枣园中采集的树木圆盘、细根和土壤样品进行矿质元素含量的测定，探索灰枣年轮各矿质元素的含量和分布，明确灰枣中矿质元素含量的径向变化规律，旨在为揭示环塔里木盆地灰枣年轮矿质元素含量的变化和灰枣园的合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

采样点位于新疆南疆塔里木盆地灰枣种植区。通过实地调研确定具有代表性的灰枣果园进行采样（表1）。该地区属温带大陆性气候，地势西高东低。年平均气温9～11 ℃，种植区域年均温北部低于南部，冬季气温西部高于东部。大陆性由西向东逐渐加强［17］。果园内灌溉方式采用滴灌（drip irrigation，DI）和漫灌（flood irrigation，FI），自建园起开始执行。灰枣树龄为9～10 年生，其中1、2、6、7、8 号果园树龄为10 年，3、4、5、9、10 号为9 年，每个果园面积在1.5 hm2以上，用GPS确定采样点的经纬度，具体采样点范围为东经76°46′41″～88°10′9″，北纬37°47′41″～40°41′1″。结合盆地土壤情况，栽植区多以沙壤土和荒漠土为主，农户根据生产经验进行基肥和追肥的施用。

表1 样地基本信息Table 1 Basic information of the sample site

1.2 样品采集和处理

2021年3—4月，在环塔里木盆地灰枣种植区共选择10 个果园采集红枣主干、直径小于2 mm 的细根和土壤样品。在果园中选取树高、树冠和胸径等生长状况基本相似的3 棵树木进行破坏性取样，试验树均为健康生长、无病虫害、长势良好的成熟龄结果树，产量为600～800 kg·667 m-2。自枣树嫁接口以上5 cm处开始截取，将取下的主干分别装入自封袋中并进行标记。以枣树树干为圆心，在离枣树30 cm 处的东西南北4个方位采集0～50 cm 土层的细根，采集完后装入自封袋中并标记。根据枣园的大小和地形，采用S 型采样方法，每个枣园选取5 棵枣树，在树冠滴水线处东西南北4 个方位分层采集0～20、20～40、40～60 cm土层剖面的土壤样品，在每一个采样区域按照等量和多点混合的原则采集1个混合样品，采用四分法保留1 000 g，装入自封袋进行标记。将采集的所有样品带回实验室待测。

从截取的枣树主干上方5 cm 处开始截取3 cm 厚的树干圆盘1 片，将截取的圆盘自然晾干、打磨、剖光后使用放大镜判断出每个果园的树龄［18］。在显微镜下用不锈钢解剖刀从形成层至髓心以年划分依次切下各年年轮，将同一年份的样品混合、编号。年轮样品和细根样品用去离子水冲洗3遍，置于105 ℃烘箱中杀青30 min，然后在80 ℃下烘至恒重，用FW100 万能高速粉碎机（天津泰斯特仪器有限公司）粉碎后过60目筛，至自封袋中保存［19］。土样经风干后研磨过100 目细筛，用于土壤中矿质元素含量的测定。

1.3 测定项目与方法

年轮和细根样品用HNO3-HClO4消解，土壤样品用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全分解的方法消解，P、K、Mg、Ca、Fe、Cu、Zn、Mn、Mo含量采用电感耦合等离子发射光谱法（inductively coupled plasma atomic emission spectrometry，ICP-AES）进行测定［20］，ICP 分析中使用国家标准物质研究中心的标准参考物质。

1.4 数据处理

采用Excel 2018 软件对试验数据进行处理，采用SPSS 20.0 软件中的Duncan’s 法进行数据差异性分析，数据以平均值±标准误表示，相关性分析采用Pearson法，用Origin 2022软件绘制相关性图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式下灰枣树体矿质元素的年平均积累量

由图1 可知，灰枣中矿质元素年平均积累量表现为K＞Ca＞Mg＞P＞Fe＞Zn＞Mo＞Cu＞Mn。滴灌方式下K 的年平均积累量最高，为2.33 g·kg-1，Mn 含量最少，为1.86 mg·kg-1。不同灌溉方式下的灰枣矿质元素年平均积累量无显著差异（P＞0.05），K、Mg、Fe、Zn、Cu的年平均积累量表现为滴灌＞漫灌，P、Ca、Mn、Mo含量则为漫灌＞滴灌。

图1 不同灌溉方式下树体矿质元素的年平均积累量Fig.1 Average annual accumulation of mineral elements in tree body under different irrigation methods

2.2 不同灌溉方式下细根中矿质元素的含量

由图2 可知，枣树细根中矿质元素的含量表现为Ca＞K＞Mg＞Fe＞P＞Mn＞Zn＞Cu＞Mo，漫灌方式下Ca 的含量最高，为16.36 g·kg-1，滴灌方式下的Mo 含量最低，为1.09 mg·kg-1。K、Ca、Mg、Fe、Cu、Mn、Mo 含量表现为漫灌高于滴灌，P、Zn 含量则相反。与滴灌相比，果园漫灌显著提高了根系中K、Fe、Mn的含量（P＜0.05），较滴灌分别提高18.0%、57.5%、32.0%。

图2 不同灌溉方式下根系中矿质元素的含量Fig.2 Content of mineral elements in roots under different irrigation methods

2.3 不同灌溉方式下灰枣年轮中矿质元素含量径向变化分析

由图3可知，灰枣年轮中9种矿质元素含量的年际变化呈现出一定的规律性。K 主要分布在枣树较老和最新的年轮中，呈V 形分布，K 含量在2011、2019 和2020 年表现为漫灌＞滴灌，其他年份则表现为滴灌高于漫灌；Ca、Mg含量年际变化趋势较为相似，在年轮中的分布为呈外部下降趋势，Ca 含量在多数年份中表现为漫灌＞滴灌，Mg含量在2011—2012年间表现为漫灌＞滴灌，2013—2020 年间则为滴灌＞漫灌；P 含量变化趋势表现为随时间的推移逐渐升高，漫灌下灰枣年轮中P 含量高于滴灌；年轮中K、Ca、Mg 和P 含量变化范围依 次 为1.69～3.11、1.20～2.82、0.67～1.32 g·kg-1和135.65～821.99 mg·kg-1。Cu、Zn、Mn在年轮中的分布规律较为相似，即随时间的推移整体逐渐升高，其中，Cu含量在大多数年份中表现为滴灌＞漫灌，滴灌下Zn含量在年轮中波动较大且高于漫灌，Mn含量在2011—2020年间表现为漫灌高于滴灌；Fe、Mo 含量在灰枣树干中的分布规律性不强，滴灌下Fe 含量在多数年份中高于漫灌且年际波动较大，随着时间的推移，滴灌下Mo 含量呈先升高后降低的变化趋势，漫灌下则表现为先升高后降低再升高的变化趋势；年轮中Cu、Zn、Mn、Fe和Mo含量范围依次为1.67～3.86、3.45～11.47、1.45～2.98、32.39～60.37和0.29～4.17 mg·kg-1。

图3 不同灌溉方式下灰枣中K、Ca、Mg、P、Cu、Zn、Mn、Fe、Mo含量的径向变化Fig.3 Radial variation of K， Ca， Mg， P， Cu， Zn， Mn， Fe and Mo contents in Jujube under different irrigation methods

2.4 土壤矿质元素含量分析

由图4可知，在0～60 cm土层内，滴灌和漫灌方式下土壤中P、Cu、Zn、Mn 含量均以0～20 cm 土层处最高。各元素在不同深度土层中的累积含量表现为Ca＞Fe＞K＞Mg＞P＞Mn＞Zn＞Cu＞Mo。土壤中P 含量随土层深度加深而降低，且在3 个土层间均表现为滴灌＞漫灌。随着土层深度的加深，Ca、Mg含量变化趋势相同，滴灌下呈先升高后降低的趋势，漫灌下则呈先降低后升高的趋势，在20～40 cm 土层表现为滴灌＞漫灌。漫灌下土壤Zn含量随土层深度加深呈先降低后升高的趋势，滴灌下则呈逐渐降低的趋势，且3个土层间均表现为滴灌＞漫灌。土壤Mn 含量随土层深度的变化不明显。K含量在土壤中的积累情况表现为滴灌＞漫灌，漫灌下Mo 含量在40～60 cm 土层最高，滴灌下则在0～20 cm土层最高。土壤Cu含量整体随土层深度的增加而逐渐降低且漫灌＞滴灌，漫灌下土壤Fe含量随土层深度的增加而逐渐降低，滴灌下则表现为在20～40 cm 土层最高。

图4 不同深度土层矿质元素含量Fig.4 Mineral elements content in different depth soil layers

2.5 相关性分析

2.5.1 细根与年轮中矿质元素含量的相关性分析由灰枣根系和年轮中矿质元素含量的相关系数（图5）可知，灰枣根系与年轮的P、Mg、Cu 含量在多数年份中呈正相关关系；除2020 年外，其他年份灰枣根系与年轮中K 含量呈负相关关系；根系与年轮中Mn、Mo 含量在2019 年呈极显著正相关，2011 年则呈极显著负相关；根系与年轮中Fe、Zn含量呈现较强的正相关性。

图5 根系矿质元素含量与枣树年轮中矿质元素含量的相关系数Fig.5 Correlation coefficient between mineral elements content in root and mineral elements content in jujube tree rings

2.5.2 不同土层与年轮中矿质元素含量的相关性分析 由图6 可知，不同土层与年轮中P、K、Cu、Zn、Mo含量的相关性和根系与年轮中相对应元素的相关性较为一致，而Fe、Mn 含量则相反。P 含量在不同土层与年轮中的相关性一致，即2012—2020 年不同土层与年轮中的P含量呈正相关关系，2011年则呈负相关关系；20～40 cm土层土壤与年轮中K含量具有较强的负相关性；0～20 cm 土层土壤与年轮中Ca 含量具有较强的正相关性，且在2019 和2020 年间呈显著正相关，2013—2018 年呈极显著正相关；不同土层与灰枣年轮中Mg含量及0～20 cm 土层与灰枣年轮中Cu 含量的相关性均不显著，2017 年20～40 cm 土层、2020 年40～60 cm土层Cu 含量分别与年轮中的Cu 含量呈显著正相关和极显著负相关；土壤与年轮中Fe、Mo 含量的相关性均在0～20 cm 土层较强；20～40、40～60 cm 土层中，土壤与年轮中Zn 含量在多数年份间呈正相关，而Mn 含量则呈负相关。

图6 不同土层矿质元素含量与枣树年轮中矿质元素含量的相关系数Fig.6 Correlation coefficient between mineral elements content in different soil layers and mineral elements content in jujube tree rings

3 讨论

3.1 不同灌溉方式下土壤、根系和树体矿质元素年平均积累量的差异

成土母质影响土壤中矿质元素的分布和丰缺［21］。本研究发现，灰枣枣园土壤中各矿质元素的含量表现为Ca＞Fe＞K＞Mg＞P＞Mn＞Zn＞Cu＞Mo，Ca、Fe 含量较高，符合这些元素在地壳中的分布规律。细根是吸收和向上传输土壤养分的重要器官［22］，因此根系中钾、镁、钙含量较为丰富。枣园中常施用磷肥做基肥，磷钾肥作为追肥，导致枣树树体中磷钾含量较高。

灌溉方式也会影响矿质元素在植物体内的运输吸收。滴灌是多种果树栽培中的高效灌溉方法［23-25］。滴灌仅湿润根区土壤，湿润深度较浅导致枣树根系上浮，大量有效水集中在根部，养分也集中在滴水处形成的湿润土壤中，滴灌下水溶性磷钾肥主要集中于表层土壤中，根系中P 含量也较高［26］。漫灌时土壤的还原条件增强，Fe、Cu 易被还原成溶解度较高的低价化合物，使养分有效性增加，根系中Fe、Cu 含量升高［27］。研究表明，滴灌可提高部分肥料的利用率［28］，农户常选择少量多次施用溶解度较高的钾镁肥及部分微肥，这可能是灰枣年轮多数年份中K、Mg、Zn 等含量较高的原因。不同灌溉方式下灰枣树体中各矿质元素的年平均积累量差异不显著，这可能与枣树对矿质元素的吸收特性有关。结合节水的优点，建议果园采用滴灌灌溉方式。

3.2 灰枣年轮中矿质元素含量的径向变化

矿质元素在年轮内的分布及其影响因素较为复杂，既与元素本身的化学性质及相互作用有关，又与树木的遗传特性及环境因素等有关［29］。龙琼等［30］研究发现，松树年轮中的Cu、Zn、Mn 含量随时间推移呈上升趋势；Panyushkina 等［31］对落叶松年轮中26 种化学元素含量进行测定发现，Ca、Mg 含量随时间推移呈下降趋势，P、K、Mn含量则逐渐升高，而Fe含量伴有突然的高峰，本研究结果与上述结论较为一致。灰枣属于经济树种，每年施用的肥料会影响树体中元素的分布。幼树生长过程中，肥料成本投入增加以促进果树生长，这可能是2011—2013 年灰枣年轮中K、Mg、Ca 含量普遍较高的原因；同时P、K、Zn 在植物体内易向新生部位移动，这可能也是上述元素含量在年轮中呈现随时间推移而逐渐升高的原因。随着树龄的增大，灰枣生长速率逐渐增大，对P、K、Cu、Zn 等含量的吸收能力增强，而对Mg、Ca 含量的吸收减弱，且Mg、Ca 含量在灰枣年轮中呈外部下降趋势，这可能与Mg、Ca 为同簇类元素，在树干内的径向分布往往显示出相似的特征有关［32］；Cu、Zn、Mn 含量在树轮中由心材到边材逐渐增加，可能是由元素的横向迁移所致［33］。

3.3 灰枣年轮和细根、不同土层元素含量的相关性分析

年轮和土壤中元素的相关性为研究年轮—环境系统开辟了道路。钱君龙等［34］研究发现，马尾松树轮与根部土壤中8 种元素的含量满足对数线性关系；王亚平等［35］对杨树年轮及其根部土壤中9种化学元素的相关性研究结果表明，年轮与根土对应元素的含量呈正相关关系。本研究相关性分析发现，P、K、Cu、Zn、Mo含量在根系和年轮中及土壤和年轮中的相关性表现较为一致；细根和不同土层中P、Ca、Zn 含量与灰枣年轮对应元素的含量在多数年份间呈正相关关系，而K 含量则呈负相关关系，可能是由于种植区土壤多为砂质土，钾含量高，而K 在植物体内移动性强，不断向幼嫩部位转移，即K 集中分布在代谢最活跃的器官和组织中［36］，叶面施用钾肥可缓解植物缺钾。0～60 cm 土层和根系P 含量分别与年轮中P 含量呈现较强的正相关性，不同土层与年轮中Ca 含量的相关性均较强，根系与年轮中Ca、Cu 含量的相关性较弱；40～60 cm 土层Mg 含量、20～60 cm 土层Zn 含量分别与年轮中Mg、Zn含量具有较强的相关性。因此，在果园管理中，磷肥可集中施用在根部附近以促进树体生长，钙、铜肥宜基施和喷施，镁、锌肥则可深施。根系与年轮中Fe 含量具有较强的正相关性，而土壤Fe 含量则相反，主要原因可能是Fe 在地壳中的含量较高，在土壤中仅次于Al，而有效态铁的含量较低［37-38］，因此，生产中可补施适量铁肥。而微量元素Mn、Mo 在生长过程中需求较少，可采取叶面喷施的方法进行补充。

4 结论

灰枣年轮中矿质元素含量随时间的变化趋势各异，K、P、Cu、Zn、Mn 含量随时间的推移呈逐渐升高趋势，Ca、Mg 含量则相反，Fe、Mo 含量呈现无规则的变化趋势。相关性分析结果表明，细根和不同土层中P、Ca、Zn、K、Mo含量与灰枣年轮各年份中相对应元素含量的相关性总体一致。在灌溉方式上，考虑成本及节水因素可采用滴灌方式。在田间管理上，可注重磷肥、钾肥和镁肥的合理施用。