漫灌下幼树期库尔勒香梨根系分布特征研究

邓永辉，兖 攀，郑强卿，陈奇凌，王振东，王文军，王晶晶，张锦强

（新疆农垦科学院林园研究所，新疆石河子 832000）

2022 年，新疆生产建设兵团香梨产量62.41 万t，较2021 年增长7.0%[1]，第二师铁门关市是兵团香梨主产区，且种植面积逐年增加。干旱缺水和水资源利用效率低是影响当地香梨产业发展的主要因素之一[2]。根系是果树生长发育的根本，尤其是直径小于2 mm 的吸收根承担着从土壤中吸收水分和矿质元素的重要任务，对果树的生长和果实的产量品质都有决定性影响。研究不同树龄库尔勒香梨的根系分布，有利于了解根系的生长发育规律，明确根系的集中分布区，为制定科学的水肥管理制度提供理论依据。目前对梨根系的研究较少，已有的研究主要是围绕不同品种、水肥和地表管理措施对根系分布的影响。研究表明，梨不同土层或相同土层不同品种的根系分布表现差异化[3]。吸收根表现出较强的向水性，有向滴灌湿润区集中的趋势，并且湿润体内的根系密度随滴灌湿润比增大而递增[4]。水分胁迫和不同覆盖物影响根系分布，水分胁迫后恢复充分灌溉，促进滴灌湿润区与非湿润区内香梨吸收根系的发育[5-6]，行间种植三叶草与覆膜处理下梨树根长、根表面积、根体积均高于清耕[7]。树龄和株行距不同也是梨根系分布深度和广度存在差异性的重要原因，随树龄和株行距增加根系分布的广度和深度呈扩大趋势，成龄期库尔勒香梨树的吸收根在地表以下20—60 cm 最为密集[4-5,8]，株行距较大的盛果期在80—90 cm 深度土层根系最密集[9]。密植条件下，8 年生梨树根系水平方向主要分布在距树干30—90 cm 的范围[7]，15 年生梨树主要分布在0—120 cm 范围[10]，垂直方向上差异小，均集中分布在0—60 cm的土层。现阶段关于幼树期库尔勒香梨根系分布和生长发育规律，以及梨根系垂直方向分层分布特征形成过程还不清楚。通过研究不同树龄库尔勒香梨的根系分布，揭示幼树期库尔勒香梨根系在土壤空间中的生长发育规律，为实现水肥精准供给，提高水肥利用率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试材

试验地位于新疆生产建设兵团第二师29 团(41.8°N，85.7°E)，海拔900 m，属温带大陆性干旱气候，四季分明。年日照时数2990 h，年无霜期210天，年平均气温11.4℃，近2 年平均高温17℃，极端高温35℃，平均低温6℃，极端低温-23℃，年平均降水量58.6 mm，年最大蒸发量2788.2 mm。于2021 年4 月在第二师29 团，选择1～6 年的库尔勒香梨园进行调查，各树龄分别选取3 株接近平均基径的香梨树作为样株，6 个香梨园土壤条件相近，均为壤土，pH 7.99，全盐2022 μs/cm，有机质6.5 g/kg，全氮0.40 g/kg，有效磷7.6 mg/kg，速效钾323 mg/kg。砧木为杜梨，树形为主干形，东西行向，株行距1.0 m×4.0 m。全年漫灌5 次，单次灌水定额2250 m3/hm2，全年灌水定额11250 m3/hm2。1～6 年每年11 月中旬施基肥1 次，距离主干1 m 远开沟25 cm 深，1～6 年施羊粪分别为30、30、45、60、75、90 m3/hm2，第5 年开始施基肥时添加复合肥450 kg/hm2，生长季追复合肥600 kg/hm2。

1.2 试验方法

采用剖面挖掘法[8]，分层采集不同土层和水平距离根系土样。梨园为主干结果形宽行密植栽培，株距窄，水肥管理措施一般在行间开展，调查区域以树干为中心，垂直于行向方向，挖一个长1.6 m、宽0.2 m、深1.0 m 的剖面，在剖面上使用自制取样器(长20 cm、宽20 cm、高20 cm)取带根土样，采样立方为20 cm×20 cm×20 cm，具体方法如图1 所示，垂直方向和水平方向每20 cm 为1 个采样立方，每株树总计40 个采样立方。将带根土样倒入0.1 mm筛进行浸泡、冲洗，利用WinRHIZO 根系分析系统对采集的各采样立方根系进行扫描分析，根据根系的功能、形态将梨根系分为吸收根(直径＜2 mm)、输导根(2 mm≤直径＜10 mm)、粗根(直径≥10 mm)[9-11]，分析不同径级根系在各采样立方的根长、根表面积、根体积指标。总根长、总根表面积、总根体积为整个采样剖面根系之和。不同深度和水平距离土层根长密度、根表面积密度、根体积密度为该土层所有采样立方总根长、总根表面积、总根体积与该土层土体体积的比值。

图1 根系采样示意图Fig.1 Schematic diagram of root sampling

按照以下公式计算单个采样立方的根长、根表面积和根体积密度：

根长密度(mm/cm3)＝根长/土体体积(8000 cm3)

根表面积密度(mm2/cm3)＝根表面积/土体体积(8000 cm3)

根体积密度(mm3/cm3)＝根体积/土体体积(8000 cm3)

1.3 数据分析

采用Excel 2010 和SP SS 19 进行数据处理与分析，用Origin、Surfer 作图。

2 结果与分析

2.1 梨各根系指标随树龄变化

由图2 可知，随树龄增长采样剖面内各根系指标呈“阶梯”式增长，且存在显著差异性。2 年梨树根系各指标较上年增长不明显。3 年梨树根长和根表面积分别较上年增长了2.50、3.09 倍，第4 年较前年增长不明显。5、6 年梨树根长和根表面积显著增长，根长分别较上年增长1.67、1.05 倍，根表面积分别增长1.11、0.61 倍。根体积在3、4、6 年显著增长，分别较上年增长5.27、1.74、1.53 倍。

图2 梨根长、根表面积和根体积随树龄变化Fig.2 Changes in root length, root surface area, and root volume of pears with tree age

从根系构成分析发现，不同直径根系增长不同步。不同树龄梨树吸收根根长占比86%～95%，根长增长始终以吸收根为主，吸收根在3、5、6 年显著增长。根表面积增长是不同径级根系共同作用的结果，以吸收根为主，不同树龄梨树吸收根根表面积占比为41%～77%，输导根次之，占比22%～33%。根体积增长以粗根和输导根为主，3 至6 年粗根和输导根根体积占比分别为20%～76%、19%～59%。3、5 年输导根根体积增量占总根体积增量的59%以上，输导根生长较快，4、6 年粗根根体积增量占总根体积增量的86.08%，粗根增长较快，两类根体积增长不同步。

2.2 不同树龄梨根长密度在垂直和水平方向分布

由图3 可知，不同深度和水平距离土层梨根长随树龄增长表现出差异性。1～4 年，根系向下和远处延伸生长，第4 年延伸至整个采样剖面区域。总根长显著增长的3、5、6 年，垂直方向根长密度增长以0—60 cm 深度土层为主，3 年，0—60 cm 深度土层根长密度显著增长，5 至6 年根系布满整个采样剖面，根长增长较快，分别以0—40、20—60 cm深度土层根长增长为主。水平方向上，3 年根长在20—60、80—120 cm 水平距离显著增长，5 年根长在距离主干较近0—40 cm 和较远处100—160 cm 显著增长，6 年根长在40—160 cm 水平距离显著增长。

图3 不同树龄梨根长密度在不同土层深度和水平方向分布Fig.3 Distribution of root length density of pear trees at different ages with soil depth and horizontal distance

由表1 可知，不同树龄梨根长密度整体上随土层加深先增大后减小，呈“单峰型”变化，随水平距离增加而减小，或呈“双峰型”变化，有2 个密度较高的区域。垂直方向上根长主要分布在0—60 cm 深度的土壤，占整个采样剖面总根长的76.46%以上。根长增长较快的3、5、6 年根长密度相对占比涨幅最大分别是40—60、0—20、40—60 cm 深度土层，说明不同深度土层根长随树龄增长表现出差异性。水平方向上，0—20 cm 土壤根长密度占比最高，1年和2 年分别占比71.93%、41.62%，3 至5 年占比为25.73%～34.05%，6 年占比仅为18.54%，随树龄增长，根长密度最高的区域占比呈下降趋势，根长密度在水平方向上差异变小。距离主干40 cm 以内水平距离土壤根系生长旺盛，1 至5 年根长占比39.56%以上，对整个采样区域根长密度增长贡献较大，2至5 年，根长在水平方向20 cm 以外，存在1 个根长密度相对占比高于11.14%区域，根长密度随水平距离增加呈“双峰型”变化。

表1 不同深度和水平距离土层根长密度占比 (%)Table 1 The proportion of root length density in different soil depth and horizontal distances

2.3 梨根系在土壤中的分布情况

由根长和根表面积密度分布(图4)可知，在水平方向40 cm 以内根长和根表面积密集区域重合或相邻，40 cm 以外的区域密集区重合，整体分布相似。不同树龄梨根系主要分布在0—60 cm 深度土层，水平方向存在多个不相邻的根系密集区。2、4 年根系密度没有明显增长，表现在水平方向分布范围快速扩张，4 年根系延伸至长1.6 m、深1 m 的采样剖面区域。总根长和根表面积涨幅较大的3、5 年，在靠近主干水平距离0—40 cm 密集区域，根系均表现旺盛生长，其根长和根表面积密度远高于40 cm 以外根系密集区。6 年梨根系密集区域连接成片，0—60 cm 深度、120 cm 水平距离以内的根系密集区域根长密度达到0.9 mm/cm3以上，表现出垂直方向集中分布的特征。

图4 不同树龄梨树总根长、根表面积和体积密度沿土壤深度和主干距离的分布Fig.4 The distribution of density of total root length, root surface area and volume of pear trees of different ages along soil depthand horizontal distances from the tree trunks

由根体积分布可知，在0—40 cm 水平距离、0—60 cm 深度土壤空间根体积密度较高，是根系生物量集中分布区域。在0—20 cm 表层土壤，根系主要集中在0—20 cm 水平距离，在20—60 cm 深度土层，根体积随树龄增长在水平方向上不断向外延伸，在60—100 cm 深层土壤中，水平距离0—40 cm 的根体积更高。说明距离树干较近的根系向下生长能力强，20—60 cm 深度土层根系水平方向延伸能力强。

2.4 不同直径梨根系在土壤空间中的分布

由图5 可知，不同直径的根系在土壤空间分布存在差异性。粗根集中分布在水平方向0—40 cm 区域，随树龄向水平方向延伸生长能力弱，在距离树干较近处向下生长能力强。吸收根和输导根向外延伸生长能力强，2～4 年，吸收根和输导根密集区域相似，在距离树干较远处形成根系密集区域，并随树龄增长，不断向外分布。5 年吸收根继续向外延伸生长，6 年吸收根在深度20—60 cm、水平方向40—140 cm 的土壤区域快速增长，表现出垂直方向集中分布的特征。5～6 年，输导根主要分布在水平方向0—80 cm 的区域，与吸收根分布密集区表现出差异性。

图5 不同径级根系根长密度在土壤空间中的分布Fig.5 The distribution of root length density of different diameter classes along soil depth and horizontal distances from tree trunks

3 讨论

3.1 根系生长及构成随树龄变化

本研究发现幼树期库尔勒香梨根长增长始终以吸收根为主，根表面积增长是不同直径根系共同作用的结果，根体积增长以粗根和输导根为主，这与前人研究结果[10,12]相符。本研究发现输导根和粗根随树龄增长表现出增长不同步的现象，输导根生长对于树体扩大养分利用空间、养分运输有重要影响[9]，粗根是树体储存养分的重要器官[10]，影响果树开花坐果，这种增长不同步说明幼树期供给根系生长的养分有限，吸收根和输导根生长消耗大量营养时，粗根生物量积累变缓。5 年生梨总根体积没有显著增长，可能是前一年开花结果生殖生长消耗大量能量，根系贮藏营养减少。6 年生梨树的吸收根根长和粗根体积均大幅增长，可能与上年11 月份增施基肥和基肥中添加复合肥有关，同时随地上部分枝叶生长树体光合能力增强，根系获得光合产物增加，粗根生物量进一步积累。因此，梨树定植第4 年进入初结果期，需要控制花量和坐果数，适当在基肥中添加复合肥，可以促进根系快速生长，提高根系贮存营养水平。

3.2 根系在水平和垂直方向上的分布特征

吸收根是土壤养分吸收的主要根系[13-14]，其空间分布特征决定了果树从土壤中获取矿质养分和水分资源的能力，是果树科学水肥管理措施的重要依据[15]。本研究结果表明吸收根根长和根表面积占比最高，总根表面积、根长密集区与吸收根根长密集区分布相似，这与前人研究结果[9,11]一致。对总根长在垂直和水平方向上分布的结果表明，不同树龄梨根长集中分布在0—60 cm 深度土层，占比76.46%以上，水平方向上根长密度整体上随水平距离增加而减小，与前人研究结果[5,9-11]一致。植物根系构型明显受环境营养状况的影响[16]，尤其是0—60 cm 的深度土壤理化性质受水肥管理措施影响，该土层养分和水分较充足，是枣、苹果等果树根系密集生长区域。丁阔等[17]研究表明梨园有机质、氮和磷随土层深度增加而下降，表层土壤养分含量高，但梨根长密度往往在20—60 cm 深度土层最高，本研究发现0—20 cm 表层土壤根系在水平方向上分布范围窄，主要原因是在距主干60 cm 外土壤根系被旋耕破坏导致。梨和苹果果园行间覆草和覆膜，0—20 cm 的表层土壤根长密度远高于清耕，且在距主干140 cm 的区域仍保持较高的密度[7,18]，说明梨树在0—20 cm 表层土壤具有较强的延伸生长能力。新疆地区冬季寒冷，采用清耕方式有利于根系向下分布，以增强根系的抗寒性，是地表管理的重要措施。所以，20—60 cm 深度土层是梨水肥管理的重要区域，施肥深度在地表20 cm 以下为宜。

3.3 根系分布结构形成过程

根系分布是水肥管理的重要依据，关于品种、水肥管理措施下的根系分布差异化研究较多，对不同时间尺度上的多种径级根系变化研究缺乏[19]。对果树的根系垂直方向时空分布研究发现，随树龄增长果树吸收根分布有向下密集的趋势，但0—60 cm 深度土层始终是根系主要分布区域，梨和苹果集中分布在20—60 cm 的土层[6,10,20]，红枣分布较浅，集中分布在0—40 cm 的浅层土壤[21-23]。本研究发现，漫灌条件下幼树期梨树根系主要分布在0—60 cm 深度的土层，随树龄增长梨根系分布有向下密集的趋势。梨根系在垂直方向上随树龄变化较小，幼树期梨根系结构改变主要是在水平方向上变化。

本研究发现，幼树期梨粗根在水平方向延伸生长慢，根体积主要分布在水平方向0—40 cm 的区域，这与樊雨[24]研究结果相似。输导根和吸收根延伸能力强，存在多个不相邻的密集区域。有研究认为局部田间差异[7]或行间根系交叉[20]导致果树根系在水平方向不均匀分布，本研究结果表明2 至4 年，梨根系主要表现为延伸生长，吸收根和输导根在距离树干较远处形成密集区域，密集区位于120 cm 以内，显然不是行间根系交叉所致。说明距离主干较远处的根系具有较强的生长势，漫灌条件下幼树期梨树输导根和吸收根优先占据更大土壤空间，表现根长和根表面积距离树干较远处形成密集区域、中间区域密度较小的分布特征，有利于扩大养分吸收空间范围。本研究还发现主干附近0—40 cm 水平距离，吸收根生长旺盛，1～5 年根长占比39.56%以上，对整个采样区域根长密度增长贡献较大，这可能与养分就近供应有关，叶片光合产物就近运输至主根附近，有利于主根附近的输导根和吸收根生长。目前，主干结果形密植梨园多在距主干100 cm处开沟施肥，主干附近0—40 cm 水平距离根系密集区作用被忽略。采用漫灌导致大量水分蒸发，李朝阳等[25]和胡家帅等[26]研究发现，漫灌改滴灌可显著提高红枣产量和灌溉水分利用效率，对于漫灌改滴灌的幼树期梨园，建议在距离主干40 cm 处铺设滴灌带能充分利用主干附近的密集区根系，有利于提高水分利用率。

根系密集区施肥有利于养分吸收与积累[27-28]，不同位置施氮影响氮素吸收和树体营养分配，肖元松等[29]认为桃树树冠外围根系吸收的氮素主要分配到新生器官，近树干部位根系吸收的氮素主要分配到贮藏器官，许海岗等[30]认为苹果树冠内层施肥处理氮利用率显著高于中层和外层施肥处理，对营养分配影响不大。本研究发现，6 年生梨输导根系主要分布在距主干水平距离80 cm 以内，同样吸收根根长密度下，密集的输导根更有利于养分的运输，可能是不同位置施氮影响养分吸收和分配原因之一。根据1～6 年库尔勒香梨根系分布特征，建议1～4 年幼树期梨园在水平方向上逐年扩大水肥管理措施范围，1 年生梨树施肥在40 cm 左右，施肥位置以每年20 cm 外移，以促使根系延伸生长，尽快扩大养分吸收区域，5～6 年，在距主干40 cm 处施肥，以增加树体营养贮存，促进翌年开花坐果，稳定产量。

4 结论

长期漫灌条件下，幼树期库尔勒香梨距主干较远处的根系具有较强的生长势，并形成根长和根表面积密集区域，输导根和吸收根优先占据更大土壤空间，有利于扩大养分吸收空间范围。6 年生梨树根系密集区连接成片，水平方向分布较均匀，在20—60 cm 土层集中分布。实际生产中应根据树龄逐年扩大水肥管理范围，主干附近0—40 cm 水平距离，吸收根生长旺盛，也是水肥管理的重要区域。