基于地统计学分析的不同树龄胡椒根系水平分布特征

2017-05-30王灿李志刚杨建峰祖超郑维全邬华松鱼欢

热带作物学报 2017年11期

王灿李志刚杨建峰祖超郑维全邬华松鱼欢

摘要为明确胡椒根系水平分布随树龄增加的动态变化，采用根钻网格化取样，并结合Gs 7.0中地统计分析与克里格插值，研究1.5、2.5、8.0和15.0 a不同树龄胡椒总根长和细根长水平分布特征并绘制了根系水平分布图。结果表明，胡椒根系水平方向变量间具有强烈的空间自相关性，不同树龄胡椒根系分布的半方差函数结构比变化范围为85.6%～99.8%；总根长变程在8.0 a时达到最大，并一直维持不变，而细根长变程随树龄增加呈先增后减，再增加趋势；克里格插值拟合效果较好，绝对误差均低于1 cm，相对误差小于20%；拟合得到的根系分布图能较好地从时间、空间两个角度直观地分析不同树龄胡椒根系在水平分布上的动态变化。本研究结果可为胡椒水肥精准调控及其它田间管理措施提供理论参考。

关键词地统计学；胡椒；根系；水平分布

中图分类号 S573.9 文献标识码 A

Abstract By integrating root auger method and geostatistics analysis， the spatial structures of black pepper at different ages of 1.5， 2.5， 8.0 and 15.0 a were analyzed and the horizontal distribution were also simulated by kriging interpolation. The results showed that roots at the horizontal direction from different ages showed strong degree of spatial autocorrelation and their spatial structural ratio in the semi-variogram ranged from 85.6%～99.8%. The range of total root length in the semi-variogram peaked at 8.0 a and maintained at 8.0 a； while with the age of trees increasing， the range of fine root length showed the increasing trend， followed by the decreasing trend and then increasing trend. The simulation by kriging interpolation showed a good fitting with absolute errors less than 1 cm and relative errors less than 20%. The simulated maps also directly showed the dynamic changes of root horizontal distribution of black pepper with different ages from temporal and spatial aspects. This work could be helpful for the precise regulation of water and fertilizer and other field managements in the black pepper orchards.

Key words Geostatistics； black pepper； root； horizontal distribution

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.11.005

傳统胡椒水肥投入属于大水大肥模式，存在资源浪费、利用率低等问题[1]，但由于早期胡椒种植收益远大于成本投入，因而该问题一直未得到重视。近年来随着肥料、人工等成本上升，胡椒种植比较效益逐年下降，传统高投入模式难以为继，产业可持续发展受到影响[2]。

根据作物根系分布来确定施肥位置是水肥高效利用的重要原则[3-4]，这是因为将水肥与作物根系在空间上最大程度耦合，可使其直接被作物吸收，从而大大提高利用效率。但由于胡椒属于多年生作物，根系较为发达，前期胡椒根系研究多以定性描述为主，缺乏对其分布规律的定量研究[5]，因而难以为水肥精准调控提供指导。而传统施肥是在胡椒冠幅外10～15 cm挖沟穴施[5]，主要考虑怕挖穴损伤根系，影响作物生长，这种施肥方式对水肥精准调控参考意义不大。因此亟需开展胡椒根系分布的定量化研究。

作物根系传统研究方法有直接挖掘法和根钻法[6]。直接挖掘法准确度高，但工作量大，耗时耗力，且对地块有一定破坏性；而根钻法则主要通过局部数据来反映根系整体分布，对取样量也有一定依赖。地统计学法充分考虑了变量间的空间相关性和采样点的空间位置[7]，在研究区域变量空间变异以及空间分布格局等方面取得了很多成功应用，如研究不同尺度水分[8]、养分[9]、病虫害[10]、森林地下生物量[11]等。基于以上背景，本研究拟采用根钻法，结合地统计学方法取样设计及分析，明确不同树龄胡椒根系的水平分布特征，为胡椒水肥精准调控及其他田间管理措施实施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验地点位于海南省万宁市兴隆华侨农场境内，为中国热带农业科学院香料饮料研究所本部基地（18°45′ N，110°13′ E）。该地区海拔36 m，年平均气温24.5 ℃，积温8 800 ℃，土壤类型为砖红壤。本试验材料为胡椒主栽品种‘热引1号（Piper nigrum L. cv. Reyin No.1），种植株行距为2 m × 2.5 m，均采取传统水肥管理，其他日常管理一致。

由于胡椒属于多年生作物，以胡椒生长过程中的4个典型阶段为取样时期，具体情况如下：1.5 a胡椒为幼龄期，该阶段植株高度为1.0～1.2 m，冠幅为0.8～1.0 m；2.5 a胡椒逐步进入成熟投产期，植株高度为1.8～2.0 m，冠幅为1.2～1.4 m；8.0 a胡椒开始进入盛产期，高度为2.2～2.5 m，冠幅约为1.6～1.8 m；15.0 a胡椒逐步进入衰老期，植株产量大幅下降，高度为2.0～2.2 m，冠幅约为1.4～1.6 m。

1.2 方法

在试验基地内选取1.5、2.5、8.0和15.0 a不同树龄胡椒作为处理，每个处理选取3株长势一致植株作为重复。取样时参考图1，以胡椒支撑石柱所在位置为原点（0，0），以30 cm × 30 cm进行网格化，在各网格交叉点用根钻向下取样，取样深度分别为0～15、15～30、30～45、45～60和60～75 cm，用塑封袋标记好后带回实验室。用清水冲洗出根系并洗净，重新装袋备用，获得对应取样土层内根系。利用扫描仪对根系扫描以获得图像数据，图像采用专业根系分析软件WinRhizo进行分析，获得该取样土层内的胡椒总根长和根径<0.5 mm的细根长。对同一取样点不同深度的总根长和细根长求和，获得某一取样点的实际总根长度和细根长度。在以上原始数据基础上，采用Gs 7.0软件进行半变异函数分析，再利用普通克里格插值方法进行拟合，获得胡椒根系分布图。对拟合获得的1 cm × 1 cm网格化数据逐一相加求和，获得对应树龄胡椒根系总长度和细根总长度。

1.3 数据统计分析

半方差函数分析和半方差分析采用Gs 7.0软件，其他数据分析采用微软Excel分析。

2 结果与分析

2.1 不同树龄胡椒总根长和细根长在水平分布上的统计特征值

由田间根钻法测得不同树龄胡椒根系在水平方向分布的实际值，经统计学分析获得其统计特征值（表1）。1.5 a总根长和2.5 a细根长均符合正态分布，1.5 a细根、8.0 a总根及细根、15.0 a总根及细根则服从平方根正态分布，2.5 a总根长符合自然对数正态分布。变异系数表征了胡椒根系在水平分布的变异程度，变异系数最大的为2.5 a细根长，变异系数为1.02，属于强变异强度。其他根系分布的变异系数处于0.23～0.81之间，属于中等变异强度。

2.2 不同树龄胡椒总根长和细根长在水平分布上的半方差分析

对不同树龄胡椒根系水平分布情况采用半变异函数拟合，并择优选择模型（表2）。不同拟合模型的决定系数变化范围为0.79～0.99，表明上述所有模拟均有较好的拟合程度。除1.5 a总根长和细根长的半方差值随间隔距离的变化符合球型理论模型外，其他树龄的总根长和细根长模型均属于高斯模型。

结构比[C/（C0+C）]反映了区域化变量自相关部分引起的空间异质性的高低，数值越高，则表明变量空间自相关性越强。从表2可知，4个树龄的胡椒总根和细根在水平分布上具有较强自相关性。其中，15 a总根水平分布变量自相关性最高，为99.8%，其余的由大到小依次为1.5 a总根（99.6%）、8.0 a总根（97.2%）、15 a细根（96.9%）、8.0 a总根（94.4%）、2.5 a总根（87.9%）、1.5 a细根（86.5%）和2.5 a细根（85.6%）。

变程反映了区域化变量自相关影响范围。由表2可知，随着胡椒树龄增加，总根长变程由1.5 a的82.2 cm，逐步增加至2.5 a的107.7 cm，并在8.0 a时达到最大的114.3 cm，此后变程变化不大，15.0 a时略降至113.2 cm。而细根长变程随树龄增加变化则不同，表现为由小到大，再变小趋势，即1.5 a细根长变程为83.3 cm，在2.5 a时达到最大106.7 cm，8.0 a时细根变程又降低至67.4 cm，到15.0 a时则再增加至99.6 cm。

2.3 克里格插值拟合的误差分析

为了评估克里格插值拟合的优劣程度，分析对比总根和细根拟合程度及其效果（见图2）。总根长模拟值与实测值对应点均分布在1 ∶ 1对角线附近，模拟值绝对误差值在±0.8 cm区间分布，且随实测值增大，数值呈增加趋势；相对误差值平均为16.1%，且随实测值增加，相对误差值逐步降低。细根长较总根长拟合程度更好，模拟值绝对误差值在±0.2 cm区间分布；相对误差值平均为6.1%，且随实测值增加，相对误差值亦呈逐步降低趋势。

2.4 不同树龄胡椒根系总根和细根的水平分布

普通克里格法插值拟合获得了不同树龄胡椒总根的水平分布示意图（图3）。从图3可知，不同树龄胡椒根系水平分布存在明显不同。1.5 a胡椒根系在垄沟方向-30 cm区域最为密集，每平方厘米投影面积内总根长达到2.75～3.00 cm，其他根系分布在以该位置为圆心，半径为60 cm的不规则圆形区域内，根系密度由圆心向四周逐步降低；2.5 a胡椒根系生长中心一分为二，在垄沟方向-60 cm区域和10～20 cm区域均有密集分布，且-60 cm区域的根系密度高于后者，其他根系以这2个区域为出发点，逐步向外由高到低延伸40～50 cm，形成類椭圆形分布；8.0 a胡椒已具有较发达根系，此时垄沟方向-100 cm到90 cm这一区域和垄台方向的±90 cm区域内均有根系分布，根系分布中心为垄沟方向-40～-60 cm的区域内，根长密度超过3.50 cm/cm2，并以该中心向四周由高到低降低分布，整体呈不规则圆形分布；15.0 a胡椒根系分布较8.0 a胡椒进一步向外扩展，垄沟方向-120 cm到90 cm这一区域和垄台方向的±90 cm区域内均有分布，但此时分布中心已发生较大转移，在0～ 10 cm区域内分布最为集中，根长密度达3.25～ 3.50 cm/cm2，整体根系分布呈不规则矩形分布。

不同树龄胡椒的细根水平分布与总根分布类似（见图4）。1.5 a胡椒细根在垄沟方向-20～-50 cm区域密集分布，根长密度达1.50～1.75 cm/cm2，其他细根则以该位置为圆心，半径30～40 cm形成不规则圆形分布，根长密度由圆心向四周逐步降低；2.5 a胡椒细根生长中心集中在垄沟方向-60 cm区域，根长密度为1.25～1.50 cm/cm2，且沿垄沟方向向胡椒柱方向分布，并在垄沟方向10～20 cm区域相对密集，此时细根整体分布类似于椭圆形；8.0 a胡椒细根在垄沟方向-100 cm到90 cm区域和垄台方向±90 cm区域内均有分布，但此时细根生长分布中心开始发生转移，除垄沟方向-40～-70 cm区域内根系大量生长外，还有部分根系在垄台方向 -60 cm区域密集分布，细根整体呈不规则圆形分布；15.0 a胡椒细根分布进一步扩大，特别是垄沟方向的胡椒柱右侧区域根系密集分布，分布中心也转移至垄沟方向0～20 cm区域，根长密度达2.00～ 2.25 cm/cm2，整体分布亦呈不规则矩形分布。

2.5 对不同树龄胡椒根系总长度和细根总长度的估算

基于拟合获得的空间插值，估算了不同树龄胡椒根系总长度和细根总长度（图5）。随树龄增加，胡椒根系总长度逐步增加，1.5、3.0、8.0和15.0 a胡椒根系总长度分别为60.8、62.7、157.8和160.8 m；细根总长度也呈增加趋势，1.5、3.0、8.0和15.0 a胡椒细根总长度分别为28.1、28.2、68.5和73.9 m，细根占总根长比例分别为46.2%、45.0%、43.4%和46.0%。

3 讨论

在自然条件下，根系分布由于受树木大小、主干位置[12]、土壤结构[13]、土壤水分和养分状况[14-15]等因素影响而呈现一定规则性，如果取样量不足，则取样数据易呈非正态分布[16]，当取样量足够大时才表现为正态[12， 17]。本研究中，8.0 a和15.0 a总根长度和细根长度均呈非正态分布，一方面表明这些处理取样量可能存在不足，一方面也表明8龄以上胡椒根系逐步趋于规则性分布；而1.5 a和2.5 a胡椒取样量虽远低于8.0 a和15.0 a，但1.5 a总根长度和2.5 a细根长度却符合正态分布，这可能是因为胡椒幼龄期根系生长空间不受限制，因而生长随机性强，分布也更均匀，表现为正态分布[17]。因此，今后成龄胡椒根系研究时应特别考虑取样位置和数量，以使数据真实反映分布状况。

研究表明[9， 18]，当结构比>75%时，区域变量间具有强烈的空间自相关性；结构比为25%～75%时，则为中等自相关性；当结构比<25%时，说明自相关性很弱。本研究中，不同树龄胡椒的细根和总根结构比均在80%以上，表明胡椒根系空间自相关性强烈。而自然条件下，特别是森林系统中，植物根系分布空间分布结构比一般不超过70%[10， 17， 19]，空间自相关性多为中等。上述结果说明，在人为干预较多的农田生态系统中，根系由于受到长期耕作、施肥和灌溉等措施诱导，根系间的自相关性大大增加，分布也更为规则，有利于田间管理。

本研究采用克里格插值模拟了不同树龄胡椒分析的水平分布，为从时空角度分析胡椒根系生长规律提供了便利。基于该研究结果，一方面可以定性和定量分析胡椒根系分布随树龄增加动态变化，另一方面则可明确某一时期的根系集中分布位置和范围，这些信息都为胡椒园田间水肥精准调控提供了理论依据。许海港等[20]研究表明，在嘎啦苹果冠幅内层施肥，其高氮肥利用效率显著高于中层和外层施肥处理，这与嘎啦苹果细根分布情况有关；大豆不同生育期阶段的适应施肥位置存在不同，这也与其根系分布区域存在差异有关[21]。因此，在胡椒施肥、灌溉时，根据根系分布位置施入水肥，实现水分、养分与根系空间上耦合[22-23]，可以大大提高水肥利用效率。但同时也看到，影响胡椒根系分布的因素较多，如土壤结构[13]，土壤水分和养分状况[14-15]，研究这些因素对胡椒根系分布的影响还有待进一步开展。

本文估算了不同树龄胡椒根系总长度和细根总长度，当树龄到达8 a时，总根和细根长度基本达到最大，至15 a时基本不变。这种根长变化与胡椒8 a时开始进入盛产期时间一致[5]，表明胡椒地下部根系生长与地上部生物量生产具有同步性。而且不管根系总长度如何变化，细根占总根长的比例始终保持在45%左右，说明植物在生命周期内，始终维持不同功能性根系在一定比例[24-25]，如粗根以支撑与扩展地下空间，而细根吸收水分和养分，这种功能的平衡也保证了作物正常生长。

传统根系研究方法需无限增加取样点，将土层中根系悉数取出，工作量大，耗工耗时，可操作性低[26-27]。本研究采用地统计学采样设计和克里格空间插值估算方法，在有限样本的基础上，考虑了各采样点间的相关性，插值拟合得到了胡椒根系水平分布，并均取得了较好的模拟效果，如总根和细根绝对误差均低于1 cm，相对误差低于20%。因此，本文为今后开展胡椒根系空间分布研究提供了参考。但同时也看到，若需进一步提高拟合效果，仍需根据根系分布位置加大取样密度，因此如何在模拟精度和取样工作量之间进行取舍，相关参考标准仍需进一步研究。

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