旱地覆膜苹果树根系年生长周期的时空动态研究

孙文泰 马明 董铁 牛军强 尹晓宁 刘兴禄

摘要：为探明陇东旱塬雨养农业区苹果根系年周期生长动态规律及长期覆膜对其根系形态、构型性状的影响，以18 年生红富士长富2号苹果树为试材，于根系3次发根高峰期采用土壤剖面法系统调查清耕（未覆膜，CK）、覆膜2 a、覆膜4 a、覆膜6 a的根系空间分布，对根系形态、构型性状进行测定，并借助根系经济谱理论量化细根生长策略，最终评价苹果细根生长效应。结果表明，根系数量、形态性状生长主要集中于果实采后至落叶的发根高峰，细根生物量占73.55%～84.85%。受树体养分周转与生态环境差异影响，春季萌芽至新梢生长前的发根高峰苹果细根采取获取型的资源获取策略;新梢停长后、果实采后至落叶的发根高峰采取资源保存型获取策略。短期覆膜（2 a）促进苹果细根生长，随覆膜年限延长，逐渐发生生态适应性改变。长期覆膜（6 a）在年生长周期后期根系的形态、构型性状均受抑制，且优先抑制细根构型性状表达。

关键词：苹果树;红富士;根系;年生长周期;旱地;覆膜;细根;根系经济谱理论

中图分类号：S661.1       文献标志码：A       文章编号：1001-1463（2021）10-0055-08

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2021.10.012

Determination of 13 Pesticide Residuesin Lentinus edodes by QuEChERS-GC-MS/MS

REN Jinping

（Pingliang Center for Quality and Safety of Agricultural Products， Pingliang Gansu 744000， China）

Abstract：A rapid method for the determination of 13 pesticide residues in Lentinus edodes was established based on QuEChERS-gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS/MS）. After pretreatment， the Lentinus edodes samples were separated by gas chromatography， detected by mass spectrometry in the multi-reaction ion monitoring mode（MRM）， and quantitatively analyzed with the external standard method. The results showed that the 13 pesticides had good linearity in the range from 0.01 μg/mL to 0.8 μg/mL， and the correlation coefficients R2>0.99. The average recovery ranges were mainly between 75.4% and 110.6% at the three spiked concentration levels（0.01、0.10、0.5 0 mg/kg）. The repeatability limit is used to reflect the precision， which all were accepted the requirements of standard GB 23200.113-2018. The method is rapid， efficient and reliable， which is suitable for the detection of pesticide residues in Lentinus edodes samples.

Key words：Lentinus edodes;Pesticide residues;QuEChERS;GC-MS/MS

植物根系通過吸收水分、养分、合成激素对地上部叶片生长、花芽分化、果实发育等产生深刻影响[1 ]。细根（R≤2 mm）是植物根系中最活跃、敏感的部分，生理活性强，在土体中延伸、穿插、固结、根土黏结等改善土壤结构、养分交换，构成地下生态的重要内容[2 ]。细根具有较强的可塑性，可通过改变自身数量、形态、构型性状提高对土壤养分的吸收利用能力[3 ]，并受季节、物候、环境（土壤与气候特征）影响，呈现曲线生长动态。通常在年生长周期中，会出现3次发根高峰，分别为春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）、新梢停长后（Ⅱ）、果实采后至落叶（Ⅲ）。

甘肃陇东苹果产区是我国苹果优势主产区，属于典型的西北黄土高原雨养农业区[4 ]。年降水量450～550 mm，具有春夏连旱、集中降水与苹果树大量需水时空错位的特点。土壤为黄绵土，属粉砂质壤土，土壤结构及肥水保供能力差，有机质含量低。清耕制管理果园地表水蒸发快，根际土壤生态恶化，果树生产力下降。而苹果生命周期需消耗大量水分，覆膜是一项成熟的节水保墒措施[5 ]，被当地果农所接受，多采取长期覆膜、不揭膜的管理方式。

良好根际生态环境是维护“根—土”复合体及果树优质生产的基本条件。有关旱地覆膜在土壤水肥保蓄等研究表明，可有效提高表层土壤贮水特性、减少土壤养分流失[6 - 9 ]。但也有研究发现，长期地膜覆盖会增加土壤剖面水分消耗，使土壤透气性下降，容重增大、土壤紧实等[10 ]。卜玉山等[11 ]的研究表明，地膜虽能暂时增加表土层水分含量，但膜下水分入渗具有延迟性，易出现深层水分耗竭，使团粒结构破坏，土壤肥力下降。司鹏飞[12 ]指出，旱地覆膜在短期内（< 4 a）不会引起土壤有机碳衰退。可见对覆盖地膜生态效益评价有待长期监测验证。

苹果树根系生长高峰通常与地上部旺盛生长交替发生，与树体同化养分的分配规律、营养生长与生殖生长的平衡息息相关，受树体、土壤管理措施的直接影响。目前针对长期覆膜下苹果树根系生长动态规律研究尚显不足。本文以红富士苹果树为研究对象，研究了不同覆膜年限苹果细根生长时空变化趋势，以揭示长期覆膜苹果细根年生长动态差异，为改进并建立配套苹果树水肥管理技术体系提供科学依据。

1   材料与方法

1.1  试验概况

试验地位于甘肃省平凉市静宁县国家苹果产业体系平凉综合试验站，地理位置35°24′ N、105° 43′ E，面积3.33 hm2。当地海拔1 561 m，年均降水量450～550 mm，主要集中于7 — 9 月，年蒸发量1 531 mm，干燥度2.53。试验地土壤为黄绵土，土层深厚，有机质含量较低，肥水保蓄作用差，团聚作用微弱，易受侵蚀。试验地土壤含有机质14.69 g/kg、全氮1.27 g/kg、全磷1.12 g/kg、全钾16.86 g/kg、碱解氮96.26 mg/kg、速效磷47.30 mg/kg、速效钾377.04 mg/kg，pH 8.35。

指示果树为同果园18年生长富2号，砧木为山定子。株行距4 m×5 m。设置4个处理，分别为清耕（未覆膜，CK）、覆膜2 a（2Y）、覆膜4 a（4Y）、覆膜6 a（6Y）。在距离主干0～1.5 m范围内覆盖黑色地膜（厚0.002 mm、幅宽1.5 m），行间免耕，留约1 m左右操作行，冬季不撤膜，有破损及时更换新膜。各处理均选取树冠大小相似、生长一致的健壮树体，标准为树冠直径4.8～5.5 m。树高3.5～4.0 m、主干高度0.8～1.0 m。以单株为小区，重复5次，处理间均设置保护行（清耕）。其他管理一致。

1.2   测定项目与方法

分别于2019年萌芽至新梢旺长前（Ⅰ）、新梢停长后（Ⅱ）、果实采后至落叶（Ⅲ）分别采样。选择树高、冠径、树体结构一致的样树，在树体同一方向采样，每次采样5次重复1株树。采用土壤剖面法系统调查根系分布。于树干中心位置沿垂直行向方向挖长1.5 m、宽30 cm、深100 cm的观测沟，依次顺行向调查距离主干30、60、90、120、150 cm 处的剖面根系，垂直土层以20 cm为1层进行统计。将每个土壤区块（30 cm×30 cm×20 cm）的根系全部取出，装入标记好的密封袋，用保鲜盒带回实验室。应用EPSON Expression根系扫描系统与WINRHIZO根系分析软件采集根系形态数据。扫描分析前将根系清洗干净，放入装有蒸馏水的无色透明塑料水槽内，用镊子调整根系位置，避免根系间相互交叉、重叠，出现误差。计算根系直径、数量、表面积、体积、比根长、分支结构等;细根（R≤2 mm）在105 ℃下进行杀青5 min，75 ℃恒温下烘干36 h至恒重，测定根系生物量。

为描述根系分布，采用Gale等[13 ]提出的基于渐进方程式的根系垂直分布模型：

Y=1-β d（1）

式中，Y为从地表到土层深度d的根系根长累计分数（分数值在0～1之间）;d为土层深度（cm）;β为根系根长削弱系数。β高说明根系在深层土壤中分布比例大;β低则说明根系集中分布于接近地表的土层中。还可以通过此方程计算D30、D50，表示根长累积30%、50%的深度。

根系生长效应（MGR）：

MGR（%）=100×（BA-BNA）/BNA（2）

式中，BA为覆盖处理后根系生物量，BNA为无覆盖处理生物量;MGR>0，表示促进生长;MGR < 0，表示抑制生长;MGR=0，表示无影响。

1.3   数据处理

采用WPS软件计算根系分支数、削弱系数等，利用SPSS 21.0软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析和LSD检验在0.05水平进行不同覆膜年限发根高峰、垂直土层根系各性状差异显著性分析。对细根与覆膜年限、垂直土层深度进行Pearson相关性分析。图表数据为平均值±标准差。

2   结果与分析

2.1   不同覆膜年限蘋果细根年生长周期动态变化

直径是重要的细根形态参数，决定土壤资源获取策略与能力。清耕（未覆膜，CK）下细根的平均直径在土壤表层（0～20 cm）最小，水平方向距干0～120 cm范围内垂直40～80 cm土层最大。2Y处理降低了0～20 cm土层细根直径，仅为CK的90.1%、90.0%;6Y处理下细根直径显著增大（P < 0.05），平均直径最粗，为1.77 mm，是CK的256.52%（图1）。

细根对土壤环境变化高度敏感，它不断调节数量、形态、构型特征影响功能表达，以适应土壤环境变化（表1）。各处理的根系生物量受春季地温回升慢、地下部养分再分配至地上、秋季贮藏营养回流加速根系营养积累的影响，除清耕（CK）外变化趋势为果实采后至落叶（Ⅲ） > 新梢停长后（Ⅱ） > 春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）。由于春季根系生物量较低、直径小，秋季根际环境适宜、养分较充足，可见春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）通过降低根系直径、延长根长、扩大根系表面积、体积的方式提高根系对土壤水肥的吸收利用，而新梢停长后（Ⅱ）、果实采后至落叶（Ⅲ）根系只需增加根系直径、促进分支，即可满足果树生产。2Y处理有利于细根生长，降低细根直径，促进细根延长及分支，扩大其在土壤中的吸收面积，根生物量、根长、根表面积、根体积显著高于其他处理（P < 0.05）;而6Y处理则抑制细根生长，尤其在果实采后至落叶（Ⅲ）发根高峰时作用显著（P < 0.05）。

通过对根系垂直分布模型的根系削弱系数β及D30、D50的分析，可从量化角度揭示细根垂直分布对不同覆膜年限的响应差异（表2）。2Y处理可在果实采后至落叶（Ⅲ）发根高峰加大根系集中分布的深度，随覆膜年限延长，β下降，根系集中分布层逐渐上升，6Y最为显著（P < 0.05）。2Y处理、4Y处理、6Y处理30%的根系分别分布于17.57～34.14 cm、11.48～16.49 cm、10.53～16.26 cm，50%根系分别分布于34.14～48.81 cm、22.30～32.04 cm、20.47～31.59 cm。

2.2   不同覆膜年限苹果细根生长与垂直土层、覆膜年限的相关性

根系表面直接与土壤相接触，因此根系形态性状（根长、根表面积）可直观反映根系与根际环境的关系，影响根系吸收养分、水分能力。由表3可知，在春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）发根高峰，由于覆膜的土壤保温作用， 促使细根生长，形态性状均在不同垂直土层均呈极显著负相关。2Y处理的细根形态性状（根长、根表面积）在果实采后至落叶（Ⅲ）发根高峰与在不同垂直土层均呈显著正相关（R分别为0.545*、0.565*），促进了根系长度、表面积在垂直土层的均匀分布，而4Y处理、6Y处理在春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）、果实采后至落叶（Ⅲ）发根高峰在不同垂直土层均表现为极显著负相关关系，表明随着土层加深，细根根长、根表面积降低。

分支数反映构建根系分支成本，属于构型特征，影响根系营养吸收策略与生态适应策略。在春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）4Y处理、6Y处理的分支数与垂直土层呈极显著负相关，表明长期覆膜促使土壤表层细根分形、侧根生长，使根系着重采取增加分支密度的方式资源吸收，在深层土壤中根型简化。在果实采后至落叶（Ⅲ）期，4Y处理、6Y处理的根系分支数、根长、根表面积与垂直土层呈极显著负相关，相关性系数均小于CK，表明长期覆膜在年生长后期抑制整个土壤剖面细根数量性状的同时不利于根系分支特性的表达。

由表4可知，春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）发根高峰覆膜的土壤保温作用可促使细根生长，根长、根表面积性状与土壤表层（0～20 cm）与不同覆膜年限呈显著正相关。而在春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）、果实采后至落叶（Ⅲ）发根高峰亚表层（20～40 cm）与不同覆膜年限呈极显著负相关，相关性系数大于40 cm以下土层，表明覆膜对土壤亚表层细根延伸生长抑制作用最显著。分支数在春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）、果实采后至落叶（Ⅲ）发根高峰亚表层土壤中均与覆膜年限呈极显著负相关（R分别为-0.737**、-0.949**），相关性高于其他土层，表明覆膜极显著影响土壤亚表层细根的分支特性，并在年生长后期抑制作用更为显著。由此可知，覆膜后苹果细根逐渐缩小延伸范围，简化分形结构、减少养分消耗，采取就地利用土壤营养水分的保存策略。

2.3   不同覆膜年限对细根生长效应的影响

各覆膜处理对细根形态指标生长效应不同（表5）。在春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）2Y处理、4Y处理的细根各形态指标生长效应为正，促进细根生长。但6Y处理对细根根长、根表面积、根生物量生长效应为负，抑制细根伸长;且4Y处理、6Y处理的根系构型性状（分支数）为轻微促进状态;随着年生长周期的进行，覆膜抑制细根生长趋势加强。在新梢停长后（Ⅱ）4Y处理的细根根长、根表面积受抑制;6Y处理的根系形态性状在继续被抑制同时，构型性状（分支数）开始受到抑制。直至果实采后至落叶（Ⅲ）中2Y处理在整个年周期中首次出现对分支、根量的抑制作用，降低了细根分化作用;4Y处理、6Y处理对细根所有指标均表现抑制，其中对分支数抑制最显著。可以看出，4Y处理主要抑制细根分支，降低根系密度，对根系延伸性能抑制作用低于分支;6Y处理主要抑制细根分支特性、细根数量及根长，既簡化细根分形结构，又缩短根长，缩小了细根生态位。由此可见，在根系生长年周期中，长期覆膜对细根生长效应的抑制作用由根系形态特性向构型特性转变，而短期覆膜细根生长效应与之相反。

3  小结与讨论

植物细根生长具有明显季节性。在干旱地区，植物细根生长高峰通常出现在雨季，旱季细根现存量较低[14 ]。陇东旱塬区春夏连旱，降水集中在7 — 9月。春季地温回升慢，大量营养转移至地上部，地下部养分亏缺;秋季降水有效缓解干旱，土壤资源有效性提高，此时贮藏营养回流地下，促进根系营养积累，可有效地补偿根系构建。因此，覆膜后苹果树细根的生物量变化趋势表现为果实采后至落叶（Ⅲ）>新梢停长后（Ⅱ）>春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ），可见细根生长动态与季节生态差异、树体物候期需求特点有关[15 ]。结合根系经济谱（RES）理论分析表明，苹果根系生长适温为7～20 ℃[16 ]，春季萌芽至新梢生长前（Ⅰ）地温较低，树体对有限资源分配存在互相牵制的矛盾。新根萌发受限，为满足树体生长需求，采取降低根系直径、延长根长、增加根表面积的方式扩大土壤资源利用范围，降低根系相互重叠与资源竟争，即为“获取型的资源获取策略”，这与陈望远等[17 ]的研究相同。在新梢停长后（Ⅱ），高温使根际环境不利于根系生长，但此时正处于树体旺盛生长、果实膨大期，只有少部分碳水化合物分配至地下用于细根构建。相比促进根系延伸，拓展资源吸收利用空间，增加细根分支强度对土壤养分吸收利用更加有效。因此采取促进根系分支，保证营养供给的生态适应策略。在果实采后至落叶（Ⅲ）期，大量养分回流至地下，根际生态环境得到降水改善，增加细根直径延长根系功能时间，提高细根生物量投入，并减少根系分形消耗，采取“保守型的资源获取策略”，利于养分贮藏，为翌年生长做准备，与王亚楠[18 ]研究结果一致。张少文[19 ]的研究认为，苹果树年生长后期发根高峰细根生长量最小，这可能是由于在果实成熟期进行的调查，而此时苹果叶片仍然在进行旺盛的光合作用，养分还未完全回流，因此调查数据出现偏差。可见细根周年可塑性调节动态体现其承担功能的变化。

细根的形态及空间分布特征，决定果树对立地资源的利用能力，可通过根长与分支的权衡（根经济谱）反映资源构建与吸收策略，随覆膜年限延长逐渐发生细根生态适应策略改变。从根系碳投入与收益权衡角度分析，复杂的分支结构增加根系内部资源竞争态势。因此覆膜对细根生长的抑制作用从构型特性开始，逐渐向数量特性方向进行，减少细根根长、根量等，缩小细根在土壤中吸收水肥的生态位。也正是由于在距离主干0～1.5 m范围内覆盖黑色地膜（规格厚0.002 mm、幅宽1.5 m）6 a处理在年生长后期细根数量、形态、构型性状均受到抑制，因此呈现年生长初期的“补偿性”生长—“表层化重分形、深层简化结构”的生长现象。且受生长策略影响，随覆膜年限延长，在距离主干0～1.5 m范围内覆盖黑色地膜（规格厚0.002 mm、幅宽1.5 m）4、6 a处理减小了根系集中分布深度，特别是覆盖黑色地膜6 a的处理，50%的细根分布于20.47～31.59 cm的土层中，表层土壤细根仅占对照清耕（未覆膜）的20.97%。可见长期覆膜对苹果细根抑制作用不仅局限于垂直分布趋势的改变，还显著降低细根资源投入。

以往关于覆盖措施对根系生长影响研究多集中于根系活力改变、集中分布层的调 查[20 ]，而对亚表层（20～40 cm）根系生长效应未见报道。本试验首次发现，相对其他土层，亚表层细根的形态、构型性状指标均与覆膜年限呈极显著相关（P < 0.01），且相关性高于其他土层。表明长期覆膜极显著影响土壤亚表层细根生长发育，与大家一致认为的表层土壤生态环境与根系更易受土壤管理措施影响的观点不同，这有待于进一步研究。

适宜的根际生态环境，良好的根类组成与构型、较强的生存策略调整能力是果树优质生产的基础。本研究有助于初步了解苹果根系周年生产时空规律，结合对覆膜年限生长效应评价，探明不同根系性状的生长节律及其对生产措施敏感性差异所在，有助于合理制定陇东旱塬雨养农业区苹果树节水保墒管理措施。

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（本文责编：郑立龙）

收稿日期：2021 - 05 - 23;修订日期：2021 - 07 - 20

基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFD0201135）;国家自然科学基金（31760555）;国家现代农业产业技术体系（GARS-27）。

作者简介：孙文泰（1983 — ），女，山东潍坊人，副研究员，硕士，主要从事果树栽培研究工作。联系电话：   （0）18993138572。Email：swt830312@126.com。

通信作者：马        明（1965 — ），男，甘肃秦安人，主要从事果树栽培研究工作。联系电话：（0）13893685370。Email：maming65118@163.com。