不同灌水定额下核桃树吸水根系分布研究

2016-03-22赵经华付秋萍新疆农业大学水利与土木工程学院乌鲁木齐830052

节水灌溉 2016年11期

赵经华，李丹，付秋萍(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

根系是陆生植物吸水的主要器官，它从土壤中吸收大量水分，用以满足植物体的需要[1]。植物根系的形态与分布特征可以影响根系的吸收功能与吸收效率，根系在土壤中的分布状况同样是果园进行灌水、施肥等需要考虑的重要因素[2-4]。有关研究表明，干旱区核桃根系主要分布范围为垂直方向0～90 cm、水平方向0～120 cm，且有效根系分布函数在垂直方向为指数分布形式，而在水平方向则为多项式分布形式[5]，在单、间作种植模式下，核桃根系在垂直与水平方向分布相对一致，在垂直方向20～70 cm、水平方向0～110 cm根系密度分布较为集中[6]。但针对于不同灌水定额处理下的核桃根系研究，依然处于空白状态。因此，作为新疆阿克苏地区的重要经济果树，关于核桃根系空间分布研究的进一步完善，可以为灌水策略制定与调整提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区研究概况

试验于新疆阿克苏地区红旗坡新疆农业大学林果试验基地(东经80°14′，北纬41°16′，海拔1 133 m)进行。该基地地处天山中段的托木尔峰南麓，塔里木盆地北缘，属于典型的温带大陆性气候，多年平均太阳总辐射量544.115～590.156 kJ/cm2，多年平均年日照时间2 855～2 967 h，无霜期205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm，多年平均气温11.2 ℃。试验区土质基本情况如表1所示。

表1 研究区土壤质地组成Tab.1 Soil texture in the study area

1.2 试验设计

供试作物为8 a生核桃，品种为“温185”，株行距为2 m×3 m。试验采用地面滴灌灌水方式，1行2管布置，压力补偿式滴灌管距树均为0.5 m，滴头流量3.75 L/h。试验区共设置3组灌水定额，分别为150 m3/hm2(C1处理)、300 m3/hm2(C2处理)和450 m3/hm2(C3处理)。试验组每组均选取长势均一的核桃树3株，共计9株，并固定为试验样树。

1.3 测定方法

(1)根系取样方法。于2015年9月10(核桃成熟期)进行C1、C2、C3处理根系取样。根区取样均采用分层分段挖掘法进行。取样时，从树干开始，向行间挖取一个长150 cm、深120 cm的土壤剖面，并按照30 cm(长)×20 cm(宽)×20 cm(深)进行分层挖掘，共计30个行向根区土样，将田间大致筛取根样装入自封袋中并进行标号处理。在室内实验室中，用水冲洗各自封袋中根样，并自然通风晾干。按照有效吸水根系(细根，根径<2 mm)以及输导根系(粗根，根径≥2 mm)分别进行根系图样扫描，扫描设备为HP Scanjet 8200型扫描仪。扫描成图后，通过Delta-T Scan软件分析，得到不同根系径级根长数据。将扫描后的根样分装到不同标号的铝盒中，使用烘箱将根系烘至恒重，并称取每份重量。鉴于核桃灌水考虑，本次试验均只针对于吸水根系(细根)进行研究。

(2)根系密度计算。根长密度是反映地下部分生长的重要指标，是根系生长发育的最直接指标。其中，根长密度(m/m3)为各根系取样点总根长度除以每次取土体积(30 cm×20 cm×20 cm)。

2 结果与分析

2.1 根长密度垂直分布特征

将水平方向的4个根系测点数据进行累加，取得垂直一维方向0～120 cm的根长密度分布(见表2)。对比3组处理可以看出，在垂直一维分布中，各根长密度变化趋势相似，均随着土层深度的不断增加，吸水根系根长密度呈现先增大后减小之后又逐渐增大的趋势。在各组灌水定额处理的不同土层深度中，C1处理垂向40～60 cm根长密度分布最多，为5 480.042 m/m3；C2处理垂向20～40 cm根长密度分布居多，为4 971.233 m/m3；C3处理0～20 cm根长密度分布最多，为8 563.9 m/m3，说明灌水定额不同会使根系生长发生变化，由于灌水定额的不断增加，表层土壤含水量的增大，吸水根系也会受到影响，生长不断趋于旺盛。总体来看，在垂直深度0～60 cm，C1、C2、C3处理根长密度分布较大，累计百分比例分别达到55.63%、51.13%、60.94%，在80～120 cm土层，各处理根长密度分布也相对较多，可能是由于灌水下渗造成，但相比较而言，0～60 cm土层更应该加强灌水施肥管理。

表2 根长密度垂直分布Tab.2 The vertical distribution of root length density

2.2 根长密度水平分布特征

垂直方向6个土样观测点根长密度数据进行加和，得到水平方向根长密度分布。由表3可以看出，根长密度随着距树距离的不断增大，C1处理呈抛物线变化趋势，C2处理为先减后增再减再增加的波动变化趋势，C3处理根长密度分布则为先增大后减小最后再稍稍增大的变化趋势。其中在水平方向，C1处理的30～60 cm、C2处理的0～30 cm、C3处理的30～60 cm根长密度分布最大，分别为5 554.733、4 956.800、7 688.350 m/m3。总体而言，在水平方向0～90 cm根长密度分布最大，各处理累计比例分别为75.43%、75.66%、68.85%。

表3 根长密度水平分布Tab.3 The horizontal distribution of root length density

2.3 根长密度二维分布

图1为不同灌水定额处理下核桃树吸水根系分布情况。从图1可以看出，在C1处理根长密度分布中，吸水根系主要存在于土层深度0～80 cm、水平距离0～90 cm范围内，C2处理吸水分布主要存在于土层深度0～60 cm、水平距离0～90 cm范围内，C3处理吸水分布主要存在于土层深度0～100 cm、水平距离0～90 cm范围内。由图1可知，在3组滴灌处理中，C3处理的吸水根系密度要显著大于C1处理与C2处理，说明C3处理吸水根系分布更加广泛，生长更为旺盛，同时，相较于其他两组处理，在同等情况下，C3处理核桃树的吸水吸肥能力更强。

图1 不同灌水定额下根长密度二维分布Fig.1 Two-dimension distribution of root length density under different irrigation quota

2.4 吸水根系密度回归分析

针对不同灌水定额处理组，在土层深度为0～120 cm、水平距离为0～150 cm的垂直剖面内，分别将C1处理、C2处理与C3处理的吸水根根长密度M与土壤剖面水平距离X、土层深度Z进行多元非线性回归分析，其回归分析模型分别如下所示。

C1处理:

M=-0.03X2+2.69X+0.033Z2-0.68Z-

0.013XZ+645.465r=0.391

(1)

C2处理:

M=0.041X2-18.779X+0.067Z2-17.282Z+

0.108XZ+1 921.342r=0.539

(2)

C3处理:

M=0.03X2-14.013X+0.323Z2-58.292Z+

0.064XZ+3 748.157r=0.637

(3)

由上述非线性回归模型可以看出，相对于C1处理与C2处理，C3处理相关系数更高，函数拟合程度更好。同时，距树水平距离与垂向土层深度对3组处理吸水根系分布的影响效应相差不大。C1处理中，水平距离正相关于根长密度，土层深度负相关于根长密度，水平距离与土层深度存在拮抗作用，共同抑制剖面根长密度分布的增大；C2、C3处理中，水平距离与土层深度均负相关于根长密度，水平距离与土层深度存在协同作用，共同促进剖面根长密度分布的增大。

通过非线性规划，得出以细根根长密度最大化为目标的最优解。C1处理中，水平距离18.833 cm、土层深度120 cm为根长密度最大处，此时，最大吸水根系根长密度为1 049.706 m/m3；C2处理中，水平距离0 cm、土层深度0 cm为根长密度最大处，此时，最大吸水根系根长密度为1 921.342 m/m3；C3处理中，水平距离0 cm、土层深度0 cm为根长密度最大处，此时，最大吸水根系根长密度为3 748.157 m/m3。

2.5 根系密度最佳函数拟合

将根长密度M与距树水平距离X、土层深度Z进行最优公式拟合，最终得到最佳拟合函数，其结果如表4所示。从核桃根系密度分布函数可以看出，使用二元多次函数拟合根系分布结果较好，相关程度优于二元二次分布函数，其中，C1处理分布模型相关系数表现为高度相关，C2、C3处理相关系数表现为中度相关。

3 结语

(1)在成熟期核桃的3组灌水定额处理中，根长密度的一维分布存在差异。垂直方向，0～60 cm吸水根系分布居多，水平方向，0～90 cm吸水根系分布居多。而在二维垂直土层剖面中，土层深度0～80、0～60、0～100 cm分别为C1、C2、C3处理根长密度分布的集中区域，在水平距离0～90 cm范围内，C1、C2、C3处理根长密度分布均较多。