灌溉方式对杨树根系分布及硝态氮运移的影响

井 大 炜

(1.德州学院， 山东 德州 253023; 2.山东省林业科学研究院， 山东 济南 250014)

植物对于水分的需求与其所处环境的水分条件经常处于矛盾之中，各种植物生长发育过程中，经常处于水分亏缺或水分过多的环境之中[1]。而生长在不同生态条件下的植物根系，其形态特征、分布状况以及生长发育规律都有它自己的特点[2]。在灌水量较少的地区大多数植物都具有较发达的根系，尽管在深层土壤中仅有少量的根系存在，但它们对植物的水分吸收却发挥着非常重要的作用[3-4]。水分条件的改变影响到植物根系拥有地下营养空间的大小和对土壤营养及水分的利用，也直接影响到地上部分产量的高低。

杨树是北方平原与沙区营造防护林和用材林的主要树种，品质繁多，栽培面积大，在生态环境治理和解决木材短缺方面均占有重要的地位。目前，虽然已经有比较成熟的微灌技术，但由于成本高，主要应用于黄瓜、番茄、棉花等农作物上[5-7]，而在林木生产上的应用较少。在大部分林木的造林管理中仍然以传统的漫灌为主要的灌溉方式。关于不同灌溉方式对土层中硝态氮运移的研究主要集中在农作物方面[6,8]，而在杨树方面的研究尚未见报道。为此，本文以5年生的欧美I-107杨为研究对象，对比分析在原有的漫灌方式与改进的畦灌方式下欧美I-107杨根系的垂直分布规律及硝态氮运移的变化特征，目的是在评价根系分布的同时，研究不同灌溉方式对环境(表层和深层土壤)的影响效果，为干旱区人工林的水分利用和合理调控灌溉提供理论支持和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

试验地点设在山东省济南市北郊林场，地理坐标为北纬36°40′，东经117°00′，属暖温带大陆性季风气候区，四季分明，日照充分，年平均气温14 ℃，年平均降雨量650～700 mm。供试土壤为潮土，土壤速效N 19.65 mg/kg，速效P 14.32 mg/kg，速效K 45.79 mg/kg，有机质含量7.83 g/kg。所用化肥为尿素、磷酸一铵和氯化钾，肥料用量为常规施肥量，相当于N 205.28 kg/hm2，P2O570.38 kg/hm2和K2O 58.65 kg/hm2的施肥水平。杨树为5年生I-107欧美杨人工林，株行距2.5 m×5 m，南北行向，林木生长均匀，平均树高12.75 m，平均胸径12.36 cm。

1.2 试验设计

2012年4月5日试验开始进行，设2个处理：FI(根据农民的经验灌水量设3 600 m3/hm2为灌溉定额，4, 6, 8, 10月每月900 m3/hm2)和BI(根据杨树根系的水平分布和灌溉水的侧渗距离，设定畦宽1.0 m，720 m3/hm2为灌溉定额，4—10月每月103 m3/hm2)。每个小区有杨树30株，重复3次，随机区组排列，管理措施相同。根据杨树的生长发育状况，以畦灌为基准确定灌水时间，两种灌溉方式同时灌水，灌水量用精确度为0.01 m3的水表计量。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量、水势的测定及根系分布调查 2012年10月进行根系调查，在两种不同灌溉方式下的杨树中随机各选取10株，对所选植株的根系采用分层分段挖掘法，以植株根茎为圆心，水平距离每30 cm为一段，自地表向下每20 cm为一层进行分层分段取土，挖掘过程中采用根系追踪法和过筛法把每层的根系全部取出。挖掘根系之前，在所挖掘的植株附近利用1 m土钻取土样，每20 cm为一层，用烘干法测定土壤含水量，同时利用TRS-II便携式土壤水势测定仪对各个土层的水势进行测定。将取回的各层各段根样带回实验室内冲洗干净，待根系恢复原状后放入烘箱于80 ℃下烘干至恒重，然后称重计算出各个层次的根系生物量。

1.3.2 0—100 cm土层硝态氮运移的测定 以畦灌的灌溉周期为参考，利用土钻分别取灌水前、灌水当天及灌水后7，14，29 d的0—20，20—40，40—60，60—80和80—100 cm土壤，每个处理6次重复，同层混合均匀，用连续流动分析仪测定硝态氮含量。

1.4 数据分析

采用SPSS 17.0进行数据统计，利用Excel 2007和Sigmaplot 10.0分别进行数据计算和图形制作。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式下土壤含水量、水势的垂直变化

不同灌溉方式对杨树样地内土壤含水量和土壤水势的影响如图1所示。由图1可见，漫灌和畦灌处理在0—20 cm表层的土壤含水量均是最低，随着土层深度的增加，其土壤含水量均呈逐渐升高的趋势。畦灌在40—60 cm土层的含水量与漫灌差异不显著，而在0—20，20—40，60—80和80—100 cm土层分别比漫灌降低了10.18%，10.31%，14.97%和15.58%，差异均达显著水平，并且随着土层深度的增加，其差异呈逐渐增大的趋势。这说明畦灌比漫灌的水分深层渗漏明显减弱。土壤水势与土壤含水量表现出基本一致的变化规律。畦灌在0—40和60—100 cm土层的土壤水势均明显低于漫灌，而在40—60 cm土层差异不显著。

2.2 不同灌溉方式下根系生物量的垂直分布

从图2可见，畦灌和漫灌条件下，杨树根系生物量在土壤中垂直分布趋势基本一致，即随着深度的增加，根系生物量均逐渐减少。同时可以看出，大量根系分布在0—40 cm的土层内，40 cm以下各层根干重显著减小，使根呈“倒金字塔”型分布。不同灌溉方式之间，杨树根系垂直分布特征也有显著差异。在0—20 cm土层，畦灌的根系生物量比漫灌降低了8.28%，差异达显著水平；但随着土层深度的增加，畦灌在20—80 cm土层的根系生物量却比漫灌增加了35.87%，其中在20—40，40—60和60—80 cm土层分别比漫灌增加了22.97%，52.48%和116.76%，差异均达显著水平，并且在0—80 cm土层的总根重也比漫灌增加了5.52%。通过观察还发现，畦灌的根系扎根深度也明显大于漫灌。此外，在0—20 cm土层中，漫灌方式下的根系生物量占总根重的68.74%，而畦灌只有59.75%。这表明漫灌使杨树根系生物量向表层集中的趋势很明显，而畦灌能够增加杨树根系的总生物量，尤其是深层的根系生物量。

图1 不同灌溉方式下土壤含水量及土壤水势

图2 不同灌溉方式下杨树根系生物量的垂直分布

2.3 不同灌溉方式下根系垂直分布特征参数

Gale等[4]通过对不同树种不同演替阶段根系的分布特征的研究，提出了一个根系垂直分布模型：

Y=1-βd。

式中：Y——从地表到一定深度的根系生物量累积百分比；d——土层深度(cm);β——根系消弱系数。其中β值越大说明根系在深层土壤中分布的百分比越大； 反之，β值越小，则说明有更多的根系集中分布于接近地表的土层中。β值的大小与根系体积或根系密度无关，只是说明了根系垂直分布特征的关系，引入β值描述杨树根系分布与土壤深度间的关系。利用Sigmaplot的函数拟合功能，对不同灌溉方式下杨树根系垂直分布特征参数进行求解，计算出不同灌溉方式下的β值(表1)。从表1可知， 畦灌处理的消弱系数大于漫灌，说明畦灌方式下可以使杨树根系在深层土壤中分布的百分比增大。

表1 不同灌溉方式下杨树的根系消弱系数

2.4 不同灌溉方式下硝态氮的运移

对不同灌溉方式下0—100 cm土层灌溉前后土壤中硝态氮的测定结果如图3所示。随土层深度的增加，硝态氮含量逐渐降低且变化幅度减小；灌溉方式不同，硝态氮运移的规律不同，并且不同土层之间的差异也较明显。对于0—20 cm土层而言，灌溉前畦灌与漫灌的硝态氮含量差异不显著，灌溉当天两个处理硝态氮含量均呈现降低的趋势，漫灌的降低幅度较大，比灌溉前降低了36.49%，畦灌相对较小，比灌溉前减少了25.13%。灌溉后随着蒸发的进行，两个处理的硝态氮含量逐渐增加，其中漫灌增加的幅度较大，但灌溉周期结束(以畦灌的灌溉周期为参考)时硝态氮含量仍然是畦灌>漫灌。主要是因为漫灌灌水量大，淋洗量高，造成表层硝态氮含量较低，而畦灌灌水量少，淋洗量也少，使留在表层的硝态氮量相对较多。20—40 cm土层在灌溉周期内硝态氮的运移规律与0—20 cm基本一致，只是硝态氮含量相对较低。40—60 cm土层的硝态氮含量在两种不同的灌溉方式下差异不显著。60—80 cm土层，灌溉前畦灌与漫灌的硝态氮含量差异不显著，灌溉当天漫灌显著高于畦灌，灌溉后随着蒸发的进行，两个处理的硝态氮含量缓慢降低，但均是漫灌>畦灌。80—100 cm土层在灌溉前和灌溉当天，畦灌与漫灌的硝态氮含量均差异不显著，但灌溉后随着上层土壤的进一步淋溶，畦灌的硝态氮含量均显著低于漫灌，在灌溉后7，14和29 d，畦灌的硝态氮含量分别比漫灌减少了21.84%，20.24%和19.53%。

3 讨 论

3.1 灌溉方式与根系垂直分布及消弱系数

根系分布是指根在空间梯度或格点上的存在状态。根系分布特征及对环境的抵御能力是植物生长和稳定性的主要因素，尤其在干旱、半干旱地区[3,9]。有研究表明，由于根系的分布深度影响到植物地下营养空间的大小和对土壤水分、养分的利用，进而直接影响到植物地上部分的生长和功能效益的发挥。

图3 不同灌溉方式下硝态氮的运移情况

注：横轴0为灌溉前； 1为灌溉当天； 8为灌溉后第7 d； 15为灌溉后第14 d； 30为灌溉后第29 d。

本试验研究认为，不同灌溉方式下，杨树根系生物量的垂直分布随土壤深度的增加呈逐渐减少的趋势，这符合植物根系垂直分布的普遍规律，与大多数研究者报道基本一致[10-12]。试验还发现，在0—20 cm 土层，漫灌方式下的杨树根系生物量显著高于畦灌，并且根量占根系总量的百分比达到了68.74%，而畦灌只有59.75%；但在20—80 cm土层，畦灌的根系生物量却比漫灌增加了35.87%，而且根系的扎根深度也明显大于漫灌。根系垂直分布模型中消根系数β的变化也说明畦灌相比漫灌能使根系在深层土壤中分布的百分比增大。这主要是由于漫灌的灌水量较大，满足了杨树对水分的需求，根系向下伸展的“积极性”降低，根系生物量主要集中在上层，根系所占有的空间相对较小；而畦灌由于灌水量较小，杨树为了获取更多的水分维持其生长发育，根系向下伸展的较深，根系所占有的空间相对较大。

3.2 灌溉方式与硝态氮运移

有研究表明，灌溉方式影响了水分的运移规律，而土壤盐分的变化与水分运动是分不开的，温度势梯度下土壤盐分的迁移仍然以水分运动为基础[13]。因此，灌溉方式还会对盐分的运移产生影响。本文两种不同的灌溉方式下硝态氮的运移规律有明显的差异。在0—40 cm土层，畦灌的硝态氮含量显著高于漫灌，这可能与该土层的含水量、水势变化规律有关，随着土壤含水量的降低，硝态氮含量呈增加的趋势。这与孙丽萍等[8]的研究结果一致。在60—100 cm土层，畦灌的硝态氮含量显著低于漫灌。可见，畦灌有助于表层硝态氮的累积，而杨树根系主要分布在这个范围，故有利于杨树对养分的吸收利用，降低了硝态氮的深层淋失，提高了肥料利用率；而漫灌使较多的硝态氮向深层淋溶，这不仅造成了养分的大量流失而且还会对地下水环境的污染构成潜在的威胁。

4 结 论

畦灌使欧美I-107杨在0—40和60—100 cm土层的含水量、水势均显著降低，并且土层越深差异也越大，说明畦灌下的水分深层渗漏明显减弱；随着土层深度的增加，畦灌和常规漫灌下的根系生物量均逐层降低，大量根系集中在0—40 cm土层，其中在0—20 cm土层中，畦灌的根量比漫灌减少了8.28%，但在20—80 cm土层中根量却增加了35.87%，并且在0—80 cm土层中的总根重增加了5.52%，同时消根系数β也大于漫灌。此外，畦灌使0—40 cm土层的硝态氮含量显著升高，而60—100 cm土层的硝态氮含量却明显降低，其中在80—100 cm土层中，灌溉后7，14和29 d，畦灌的硝态氮含量分别比漫灌减少了21.84%，20.24%和19.53%。

由此可见，畦灌有利于杨树根系的合理分布，扩大了根系对水分和养分的吸收空间，并且能减少硝态氮的深层淋溶，这对于提高杨树潜在生产力、肥料利用率和保护地下水环境具有重要意义。

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