干旱区骏枣根系分布和土壤养分关系分析

邓永辉,郑强卿,兖 攀,王文军,陈奇凌,王晶晶,张锦强,王振东

(新疆农垦科学院林园研究所,新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】阿拉尔垦区是新疆生产建设兵团主要红枣产区,骏枣是当地主栽品种,2021年新疆生产建设兵团枣产量210.97×104t,约为全国枣产量的25%,阿拉尔垦区枣产量104.54×104t,占兵团枣产量的49.55%。近年红枣价格较低[1],枣园经济效益呈下滑趋势[2],与2019年相比阿拉尔垦区枣种植面积下降13.64%,种植面积大幅减少。水肥施用是果树产量和品质形成的关键因素,根系通过吸收水分、矿质养分等方式对地上部分开花坐果等多过程产生深刻影响[3-4],研究枣根系分布特征对提高水肥利用效率和节本增效具有重要现实意义。【前人研究进展】目前对枣根系分布特征的研究还不系统全面,已有的研究多围绕不同树龄、灌溉方式、品种等的根系分布特征差异性展开。杨婵婵等[5]研究发现,树龄影响枣树根系分布,幼龄期灰枣80%以上的吸收根分布在0～40 cm深度的土层,而盛果期0～40 cm深度土层吸收根占比不足40%[6]。马理辉等[7]对密植枣林的研究认为同一土层中,无论树龄大小及离树干的水平位置如何,不同直径根系的数量均无差异,但根系在垂直方向集中区域表现不同。魏国梁等[8]研究发现滴灌可以增加0～20 cm深度土层中吸收根量,陈星星等[9]研究也发现滴灌相比漫灌有利于细根和浅土层中根系生长。李宏等[10]对15年生灰枣吸收根(根径<2 mm)分布研究发现,水平距离0～200 cm、竖直方向0～70 cm以内土层的根长密度、根表面积密度占全根的百分比均在80%以上,是根系分布的主要区域。卢瑜珺等[11]研究发现灰枣和酸枣根系分布存在差异性。郭建玲等[12]对骏枣根系年生长动态调查,发现5月底、7月底、8月底3个明显的生长高峰期。【本研究切入点】关于新疆骏枣根系分布特征的研究较少,枣根系有较强的向性生长特性[4],对土壤养分研究重点也往往集中在对地上部分的生长发育的影响,关于骏枣根系分布与土壤养分的关系研究报道极少。需研究干旱区骏枣根系分布和土壤养分关系。【拟解决的关键问题】以6年生骏枣为试材,定量研究根系分布特征,分析吸收根(直径≤2 mm)和输导根(直径>2 mm)分布特征及其与不同深度土壤养分的关系,为干旱区调控根系生长技术和科学水肥管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年进行,试验地位于新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市12团,属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候区,降水稀少,空气干燥。枣园土壤为沙质壤土,直播酸枣种子建园,后嫁接骏枣,株行距是1.5 m×3 m。幼龄期1～4年灌溉方式为滴灌,5～6年为漫灌。第5年,灌水定额150 m3/(667m2·次),分别于萌芽展叶期(5月初)、花期(5月底)、幼果期(7月中旬)、果实膨大期(8月中旬)各漫灌1次。第6年分别于萌芽展叶期(5月初)和果实膨大期(7月底)各漫灌1次,灌水定额200 m3/(667m2·次)。

1.2 方 法

分别于枣树萌芽展叶期、花期、幼果期和果实膨大期采集0～60 cm深度土壤,每20 cm为一层,测定不同土层土壤的碱解氮、速效磷、速效钾含量。碱解氮采用碱解扩散法,速效磷采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法,速效钾采用中性醋酸铵浸提-火焰光度法测定。

选择3株树冠大小、树势、栽培条件一致6年生骏枣为试材,于2021年8月采用剖面挖掘法[10],分层采集不同土层和水平距离根系土样。在水平方向上,以树干为中心,垂直与行向方向,挖一条长1.4 m、深0.6 m的剖面,水平方向上每隔20 cm设置采样点,即在0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm、120～140 cm处设置根系采样点。垂直方向上,分别在各采样点0～60 cm深的土层(每20 cm为一层)进行取样,即0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm共3层,在剖面上采用自制取样器(长20 cm、宽20 cm、高20 cm)取带根土样带回实验室,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不同土层根系进行扫描分析,得出吸收根(直径≤2 mm)和输导根(直径>2 mm)在各立方土体的根长、根表面积、根体积指标。

计算根长密度和根表面积密度:

根长密度(mm/cm3)=根长/土体体积(8 000 cm3)

根表面积密度(mm2/cm3)=根表面积/土体体积(8 000 cm3)

1.3 数据处理

采用Excel 2010、SPSS19、Serfur等软件对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 吸收根和输导根空间分布特征

研究表明,各土壤空间,吸收根根长密度远高于输导根,两种根系根长密度均随着土层加深及水平距离增加逐渐下降。垂直方向上,根系集中分布在0～20 cm的浅层土壤,0～20 cm垂直距离、20～40 cm水平距离的土壤区域是根系密集分布区。图1

图1 吸收根(a)和输导根(b)根长密度在土壤空间XZ平面上的投影

各土壤空间,输导根的根体积始终高于吸收根,两者在土壤空间中的分布存在差异性。吸收根根体积分布与根长密度相似,随着水平距离和土壤深度增加而减少。输导根在垂直方向上,随着土壤深度增加根体积分布减少;0～20 cm垂直距离、20～40 cm水平距离的土壤区域输导根根体积最密集;与吸收根不同,密集分布区域外,同一土层随水平距离增加输导根根体积无明显的下降,0～40 cm垂直距离、60～100 cm水平距离土壤中输导根根体积分布较均匀,在40～60 cm深层土壤,100～140 cm水平距离的土壤中输导根体积甚至高于距离树干近处土壤的根体积,输导根在距离主干较远距离表现出较强的垂直生长能力。图2

图2 吸收根(a)和输导根根(b)体积在土壤空间XZ平面上的投影

2.2 吸收根和输导根垂直和水平分布特征

研究表明,吸收根层性分布特征明显,不同水平距离下的根长和根表面积密度均随土层加深而下降。根系集中分布在0～20 cm的土层,吸收根根长和根表面积密度占比分别为77.1%、76.5%。水平方向上,吸收根根长和根表面积密度整体上随距离增加而下降,吸收根在0～20cm和20～40 cm水平距离上根长密度占比为20.0%～20.7%,根表面积密度占比20.0%～22.2%,40～140 cm水平距离土壤根长和根表面积密度占比分别为8.8%～14.4%、9.1%～14.3%,水平距离0～40 cm土壤是根系集中分布区。图3,表1～2

表1 根系的垂直分布百分比变化

表2 根系的水平分布百分比变化

注：柱形表示根长密度,折线表示根表面积密度,下同

输导根在不同土层深度分布与吸收根相似,根长和根表面积密度均随土层加深而下降,但相比吸收根,其根长和根表面积密度在40～60 cm的深层土壤占比更高,根长密度占比8.0%是吸收根的1.7倍,根表面积密度占比9.1%是吸收根的1.8倍。在水平方向上,0～20 cm和20～40 cm水平距离的土壤输导根根长密度占比21.8%～22.1%,根表面积密度占比18.4%～23.8%,分布较密集。在40～140 cm水平距离的土壤中输导根根长密度8.7%～13.4%,根表面积密度占比为8.9%～14.5%,输导根分布较分散,根长和根表面积密度上升下降往复变化。图4,表1～2

图4 输导根根长密度和根表面积密度分布

2.3 不同土层养分含量与根系分布的相关性

研究表明,骏枣不同生长发育期碱解氮和速效磷均随土壤深度加深含量下降,在展叶期、幼果期和果实膨大期速效钾表现为40～60 cm的土层含量最高,花期表现为20～40 cm的土层含量最高。表3

表3 不同时期土壤养分含量变化

研究表明,根系在垂直方向的分布与展叶期和幼果期土壤碱解氮、速效磷含量相关。吸收根和输导根的根长密度、根表面积密度与枣树展叶期和幼果期土壤碱解氮含量均表现出极显著正相关关系,相关系数大于0.820,呈强相关性;吸收根根长密度和根表面积密度与展叶期和幼果期速效磷表现为极显著正相关关系,相关系数大于0.809,呈强相关性;输导根的根长密度、根表面积密度与幼果期速效磷表现出极显著正相关关系,相关系数大于0.879,呈强相关性。根长密度和根表面积密度与速效钾成负相关关系,相关性不显著。表4

表4 根长密度和根表面积密度与土壤养分的相关性

3 讨 论

3.1枣根系具有明显的垂直分布特征,根系数量随土层加深而递减[5,6,10],试验结果表明,6年生骏枣吸收根根长和根表面积密度均随土层加深而下降,根系分布较浅,垂直分布表现出明显的差异性,水平方向上,根长和根表面积密度整体上随着距主干距离的增加而逐渐下降,与前人研究结果相似[10、13、14]。吸收根作为水分和矿质养分吸收的主要根系,其根长和根表面积密度是衡量养分吸收能力重要指标,吸收根根长和表面积密度在0～20 cm和20～40 cm水平距离的土壤占比在20.0%～22.2%,是根系分布较集中的区域,也是田间水肥管理的重要区域。0～100 cm水平距离上分布着80%以上的吸收根,与垂直方向上根系集中分布在0～20cm土层相比,水平方向上相对分散的分布有利于对更大土壤空间水分和矿质养分利用。

3.2输导根的主要作用是固定树体,并把吸收根从土壤吸收的水分和营养向地上部分运输[12]。有研究发现输导根随土层深度增加根量和生物量先增加后下降[8,9],梨枣输导根根量在40～60 cm的深层土壤分布最密集[8],灰枣输导根根系生物量在10～30 cm土层占比最高[9],输导根在垂直方向上分布的差异可能与品种、采样时间和生长环境有关[15-18]。试验结果表明,6年生骏枣输导根根长和根表面积密度在垂直方向均随着土层加深而下降,水平方向,输导根在0～40 cm距离较密集,与吸收根相似。但在40～140 cm距离的土壤中输导根根长和根表面积密度呈上升下降往复变化,与吸收根分布表现出差异性。试验还发现密集分布区域外,同一土层随水平距离增加输导根根体积没有明显的下降,40～60 cm垂直距离、100～140 cm水平距离的根体积高于同层土壤其他水平距离,输导根在距离树干较远距离仍具有较强垂直生长的能力。输导根水平方向不均匀分布特征和远距离垂直生长能力,有利于根系对土壤不均匀分布养分和水分的利用。

3.3滴灌做为节水灌溉方式在新疆缺水农田和果林中广泛应用,但长期滴灌造成水肥在浅层土壤集聚,根系分布浅、水分利用效率和耐旱性下降等问题[13-14]。研究发现埋深滴灌增加灌溉深度可促进深层根长密度增大[15],有利于对深层养分的利用,一定程度上解决地表滴灌耐旱性下降等问题。进入初果期后,试验样地改为漫灌方式,并于第6年漫灌次数减少为2次,通过适度控水促进根系向下生长,结果表明吸收根根长和根表面积密度在0～20 cm浅层土壤中的占比达到76%以上。漫灌条件下幼龄期灰枣在0～20 cm深度土壤中吸收根根长和表面积密度约占0～60 cm土层的50%[6],盛果期占比为30%左右[6]。可见,减少灌溉次数不能改变骏枣吸收根“宽浅型”分布特征。

3.4枣根系在富养分区域更有利于根系生长并产生大量侧根[4]。丰富矿质养分通过根系运输加快枝叶生长,以形成更多光合产物作用于根部[16],氮素作为营养生长的主要矿质养分,对根系生长发挥主要作用。土层深度0～20 cm、水平距离0～30 cm土壤中氮、钾含量高于其它位置的土壤,吸收根根量、根长密度也高于其他位置[18]。试验结果表明0～20 cm的表层土壤富含氮和磷,根系分布更为密集,骏枣根系表现较强的向肥性。同时根系在垂直方向的分布与展叶期和幼果期土壤碱解氮、速效磷含量表现出极显著正相关性,展叶期和幼果期是根系旺盛生长时期[12],此时较高的氮素和磷有利于根系生长。枣园沟施和穴施的方式20～80 cm深度土壤中的碱解氮、速效磷含量均高于撒施[19],生产中可考虑结合根系分布特征调整施肥方式,适当增加氮肥和磷肥施肥的深度,提高中层和深层土壤肥力,促使根系向深根型发展。

4 结 论

初果期骏枣根系分布较浅,0～20 cm垂直距离、0～40 cm水平距离的土壤是根系集中分布和田间水肥管理的重要区域。吸收根的根长密度和根表面积密度随着土壤深度和水平距离增加而下降。垂直方向上输导根分布与吸收根相似,水平方向上,密集分布区域外,同一土层随水平距离增加输导根根体积无明显的下降,且在距离树干较远输导根仍具有较强垂直生长的能力。骏枣具有较强的向水向肥特性,根系在垂直方向分布与展叶期和幼果期土壤碱解氮、速效磷含量密切相关。