关中平原不同土壤类型猕猴桃园根系空间分布特征*

2022-06-09谢永生陈东凯盛玉章

中国果树 2022年6期

邹衡，谢永生,2，骆汉,2，陈东凯，盛玉章，李镇

（1 西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100）（2 中国科学院水利部水土保持研究所）

猕猴桃营养丰富，口感好，因富含维生素C、人体必需的氨基酸和矿物质被誉为“水果之王”[1-2]。猕猴桃原产于我国，目前国内在陕西、河南、四川、贵州、湖南、江浙一带，国外在意大利、新西兰、智利、希腊、法国等地均有大规模种植。虽然我国猕猴桃种植面积和总产量居世界第一[3]，但管理粗放、过量使用化肥、基础研究严重不足[4]等问题仍然存在。

根系是果树生物量的重要组成部分，构成了果树树体的地下部分，通过吸收水分、矿质养分和合成内源激素等方式影响地上部的新梢和叶片生长、碳素同化、花芽分化、果实发育等过程。根系的生长发育与土壤环境具有一定的相关性，杨凯等[5]认为，果树根系分布受植物品种、环境因素和灌溉方式等诸多因素影响，土壤质地是根系生长的重要影响因素；李宏等[6]研究表明，垂直方向上，根系受土壤质地的影响较大，沙壤土丰富则吸收根和输导根根量较大，吸收根受黏土及沙土的影响较大，输导根则与之相反。果树管理工作中，根系在土壤中的分布状况是需要考虑的重要因素。目前对于苹果、柑橘、枣等果树的根系分布研究较为充分，但是有关猕猴桃树根系生长动态和分布特性的研究报道较少。为此，在陕西省关中平原地区对不同土壤类型8 年生猕猴桃树根系进行研究，探讨其根系的空间分布差异与特征，以期为合理高效的水肥定位调控技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

周至县地处东经107°39′～108°31′、北纬33°42′～34°14′，东西长约64.8 km，南北宽约55.6 km，位于陕西省八百里秦川腹地，关中平原南部偏西，南依秦岭，属西安市管辖郊区县，距西安市区78 km，是猕猴桃最佳适生区。2017 年，周至县猕猴桃栽植面积2.82 万hm2，挂果面积达到2.40 万hm2，总产量52 万t，占全国猕猴桃种植总面积的30%。年平均气温13.2 ℃，平均年降水量660.1 mm，平均年日照时数1 993.7 h，无霜期210～290 d。佰瑞猕猴桃试验站位于周至县以东15 km，处于河流低阶地，土壤类型为斑斑黑油土，成土母质受河流及秦岭北坡山前洪积扇的共同影响，表层0～14 cm为壤质黏土，粒状结构；14～23 cm 为壤质黏土，板状结构，较紧实；23～97 cm 为粉砂质黏土，块状结构，较紧实；97～180 cm 为壤质黏土，块状结构，较紧实；180～200 cm 为粉砂质黏土，块状结构，较紧实。土壤容重1.37 g/cm3，受地下水的影响，土壤通气性差，易板结。

杨凌区位于陕西省关中平原中部，地处东经107°59′～108°08′、北纬34°14′～34°20′，猕猴桃垦植历史悠久。属温带大陆性季风气候区，年平均气温12.9 ℃，≥10 ℃年活动积温4 180 ℃，无霜期221 d，平均年降水量674.3 mm，且分布不匀，夏多冬少，但地下水和地表水资源丰富，地下水位4 m。土壤类型为红油土，该土种母质为黄土，0～100 cm为人类长期耕种，施加土粪形成的覆盖层；100～200 cm 土壤质地均一，以粉砂质黏壤土为主，土壤容重1.28 g/cm3。

1.2 样品采集

选取2 个盛果期猕猴桃园，分别位于周至县九峰镇佰瑞猕猴桃试验基地（果园A）及杨凌区下杨村农户果园（果园B）。2 个果园建园均9 年，面积均为1 332 m2，地貌类型均为塬面，品种均为徐香，行株距4.0 m×1.5 m，南北走向，生长健壮，树势中庸。2 个果园管理基本一致，采用微喷灌水肥一体化技术，每年灌溉1～3 次，灌水时间主要根据当年土壤墒情而定；冬季施基肥，春季萌芽期施高氮肥，膨果期施高钾肥。果园采取冬季一次性彻底修剪。

对每个果园使用“三角形法”各选出3 株树，每株树选3 个采样点，分别位于株间距树干75 cm、行间距树干30 cm、行间距树干100 cm 处。于2020年11 月采集根样。0～100 cm 内用根钻法采集根样，每20 cm 采1 个样。每层根系样品分别平铺在盘子上，将所有根系挑拣出来装入信封，标记带回室内充分洗净，用吸水纸将其表面水分擦拭干后，做好标记放入4 ℃的冰柜中冷藏保存。

1.3 根系指标的测定

使用根系扫描仪（EPSON PERFECTION 4490 PHOTO）、WinRHIZO Tron MF 2007b 软件分析根系的长度、总根表面积。随后将每层根样装入信封，置入恒温干燥箱，在105 ℃下进行杀青5 min，然后在75 ℃恒温下烘干36 h，用精度为0.000 1 g 的电子天平进行称量，获得根系干质量。再将根系长度、表面积和干质量除以土芯体积，得到每个样品的根长密度、根表面积密度和根系干质量密度[7-8]。

根长密度指单位体积土体的根系长度，是果树健壮生长的重要指标。

RLD＝L/V

RLD为根长密度（mm/cm3），L为根系长度（mm），V为土体体积（cm3）。

根表面积密度指单位体积土体的根系表面积，是作物吸收与利用养分能力的重要体现。

RSAD＝A/V

RSAD为根表面积密度（mm2/cm3），A为根系表面积（mm2），V为土体体积（m3）。

根系干质量密度指单位体积土体的根系干重，反映植物根系在土壤中的生长发育状况。

RDMD＝M/V

RDMD为根系干质量密度（g/m3），M为根系干重（g），V为土体体积（m3）。

本研究中根钻土芯采出的土体体积V为127 cm3。

1.4 数据处理

猕猴桃树根系水平方向变化的方差分析使用SPSS 数据处理系统（SPSS v.18.0）进行，采用Duncan’s 新复极差多重比较法进行差异显著性分析。采用Origin 2018 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 猕猴桃根系垂直分布特征

图1 显示了不同土壤类型条件下，猕猴桃树根长密度、根表面积密度以及根系干质量密度随土层深度的变化。从图1 可以看出，在试验土层（0～100 cm）内，果园A 这3 项指标随土层深度的增加总体呈现先增加后减少的趋势。在果园A，猕猴桃根系分布集中区出现在20～40 cm 土层，根长密度、根表面积密度和根系干质量密度在这一土层达到峰值，根系干质量密度占总根量的46.8%。其次集中分布在2 个区域，一个为0～20 cm 土层，另一个为40～60 cm 土层，这2 个土层根系干质量密度接近，均占总根量的23.5%，而40～60 cm 土层的根长密度（0.12 mm/cm3）比0～20 cm 土层（0.08 mm/cm3）增加了50.0%，原因是40～60 cm 土层内细根数量所占比例增加。

图1 不同果园猕猴桃根系垂直分布情况

果园B 的根长密度随土层深度增加呈先减少后增加的趋势，根表面积密度和根系干质量密度都是先增加后减少（图1）。根长密度在0～20 cm 土层达到峰值，为0.09 mm/cm3，在60～80 cm 土层最低，为0.01 mm/cm3，较峰值减少了88.9%，在80～100 cm土层有所增加但变化并不显著（P＞0.05）。根系生物量主要集中在20～40 cm 土层（1 641.36 g/m3）和40～60 cm 土层（1 676.58 g/m3），这2 个土层根系干质量密度占比达到了87.9%，在60～100 cm 土层只有极少分布。根长密度和根系干质量密度在0～60 cm 土层的垂直变化趋势相反，说明在0～60 cm随土层深度增加，粗根数量逐渐增多。

由图1 可知，果园A 猕猴桃树根系垂直分布主要集中在20～40 cm 土层，根长密度、根表面积密度和根系干质量密度最高，说明这一土层是根系生长密集区，也是根系从土壤吸收水分、养分的主要区域；果园B 猕猴桃树根系垂直分布主要集中在20～60 cm 土层，并且在40～60 cm 土层根系干质量密度明显较果园A 增大。产生这种根系分布的原因可能与土壤类型不同有关，在一定程度上黏重土壤会阻碍根系生长。果园A 土壤类型是以黏土为主的斑斑黑油土，果园B 是以壤土为主的红油土，果园A 根长密度和根表面积密度这2 项指标基本高于果园B，表明果园A 根系对土壤水分、养分的吸收能力优于果园B，但是果园B 根系干质量密度比果园A 高16.2%，根系下扎能力更强，表明果园B 根系生物量更大，在垂直范围的分布情况更为良好。

2.2 猕猴桃根系径向分布特征

图2 显示了果园A 和果园B 不同水平距离内根系的生长状况。果园A 根长密度、根表面积密度和根系干质量密度变化趋势基本相同，随着水平距离的增加，根系先增加后减少。对于果园A 在距离树干水平距离30、75、100 cm 处的总根量比较为75 cm＞30 cm＞100 cm，这3 项指标都是在株间75 cm 处达到峰值，根长密度达到0.16 mm/cm3，占总根量的64.0%，根表面积密度为5.27 mm2/cm3，占总根量的63.8%，根系干质量密度为1 241.67 g/m3，占总根量的63.7%。

图2 不同果园猕猴桃根系水平分布情况

果园B 的根长密度随着水平距离增加，变化并不显著，根表面积密度和根系干质量密度均是从近处到远处呈一直下降趋势（图2）。果园B 在不同水平距离的总根量比较依次为30 cm＞75 cm＞100 cm。在行间距离树干30 cm 处，根长密度为0.05 mm/cm3，比果园A 低37.5%；根表面积密度为2.8 mm2/cm3，比果园A 高12.0%；而根系干质量密度为1 614.26 g/m3，比果园A 高173.8%，说明果园B 在行间30 cm 的根系生物量大，粗根的分布较为密集。在株间75 cm 处，果园B 根系的分布有所减少，3项指标均明显低于果园A。在行间100 cm 处，果园B 根长密度比果园A 高237.3%，根表面积密度比果园A 高113.3%，而根系干质量密度比果园A 低42.2%。

2.3 猕猴桃根系总体分布规律

图3 显示了果园A 不同径向距离下根系的垂直分布情况。从图3 可以看出，果园A 在不同水平距离的根系垂直分布总体呈现单峰曲线分布，根长密度、根表面积密度和根系干质量密度随土层加深都是先增加后减少。在土壤表层（0～20 cm 深度）根系能延伸至水平距离75 cm 处，在20～60 cm 深度有少量根系能水平伸展至100 cm，而60 cm 深度以下区域，仅有株间的根系能水平延伸至75 cm 处，行间的根系在该区域几乎没有分布。

图3 果园A 猕猴桃根系分布情况

图4 显示了果园B 不同径向距离下根系的垂直分布情况。从图4 可以看出，果园B 的根系在土壤表层（0～20 cm 深度）可以延伸至距离树干100 cm处，根长密度在行间100 cm 达到0.15 mm/cm3，相对于行间30 cm升幅达到665.4%，相对于株间75 cm升幅为51.2%，然而行间100 cm 根系干质量密度小于前2 个距离，说明生长到距离树干100 cm 处的根系是以细根和须根为主。在根系主要的垂直分布区（20～60 cm 深度），根长密度、根表面积密度和根系干质量密度都是随径向距离的增加而减少。相比果园A，在60～100 cm 的深层土壤，果园B 根系在行间分布范围明显更广，在径向100 cm 仍然分布着部分根系，尽管根系干质量密度仅占总根量的1.6%，说明此区域内分布以须根为主。

图4 果园B 猕猴桃根系分布情况

综上所述，在这2 个果园中，果园A 的根系在株间分布更为密集，原因是株间位于猕猴桃树定植带内，经过翻耕等措施营造适宜根系生长的环境，而根系在行间自然土壤内的延伸能力低于在定植带内，相比之下，果园B 根系更多集中在行间。从总体来说，根系的径向分布距离集中在距离树干100 cm 以内，在100 cm 水平距离处的根量已极为稀少并且以细根和须根为主。结合根系垂直和径向2 种分布可以发现，果园A 根系主要分布在水平距离100 cm、深度40 cm 内，果园B 的根系在水平范围的分布与果园A 接近，在垂直范围的分布较果园A 深度更大，根系主要分布在水平距离75 cm、深度60 cm 内。

3 讨论

3.1 果树根系空间分布特征

果树的根系有一集中分布层，在该空间内，土壤水、肥、气、热等诸因素适宜而稳定[9]。康博文等[10]的研究认为特定土层的累积根系生物量在一定程度上能够代表植物从土壤中获取水分和营养物质的能力大小。马理辉等[11]的研究指出植物根系主要集中在上层土壤中。还有很多的研究显示30～100 cm 土层为主要的根系分布区[12-13]。在本研究中，果园A 的0～40 cm 土层根系干质量密度占总根量的70.3%，其中20～40 cm 土层根量占比为46.8%，0～20 cm 土层根量占比为23.5%，与王建等[14]对陕西省秦岭北麓的猕猴桃园根系分布研究结果类似；果园B 根系则集中分布在20～60 cm 土层，占总根量的87.9%。可以看出，在不同地区猕猴桃根系总体分布在0～60 cm 土层，该土层也是根系吸收水分和养分的主要区域。果园B 在40～60 cm 土层根量较果园A 偏多，土壤环境异质性为造成这种根系分布空间异质性的主要原因[15]。猕猴桃根系在土质疏松、土壤团粒结构好的园地上生长范围广、生长量大；在土质较硬的情况下分布范围浅、总根量少[14]。

在根系的水平分布区，果园A 猕猴桃树根系在株间75 cm 分布较为密集，行间30 cm 的根量并未显著（P＞0.05）少于株间75 cm，而行间100 cm 的根量显著少于前2 个距离；果园B 的根系分布在行间30 cm 最为密集，株间75 cm 次之，行间100 cm最少。因此，根系分布区应位于离树干100 cm 径向范围内，大致在75 cm 以内密集，与范崇辉等[15]研究表明距树干20～70 cm 水平范围土壤内是猕猴桃根系分布密集区的结论类似。

3.2 土壤类型对根系分布的影响

Valentine 等[16]、Bengough 等[17]认为，植物根系生长与土壤性质有关，土壤紧实不利于根系伸长和生长，尤其是耕地根系受土壤强度影响更大。在本研究中，果园A 土壤类型是以黏土为主的斑斑黑油土，结构紧实，土壤容重在1.3～1.4 g/cm3；果园B是以壤土为主的红油土，土壤容重在1.2～1.3 g/cm3。不同类型土壤形成的最大穿透阻力值不同，不同植物根系为了伸长应对土壤强度做出的响应也各不相同，大、小麦根系是优先选择向土壤疏松的部分扩展，而玉米和大豆是优先选择天然或人工大孔或致密土层中阻力最小的地方作为根系伸长的途径[18-21]。

从2 个地区猕猴桃园根系垂直分布情况来看，果园A 根系集中在20～40 cm 土层，在40～60 cm土层虽然也存在部分根系，但是粗根比例下降，以细根为主；果园B 在40～60 cm 土层根系干质量密度达到峰值，占总根量的44.4%，有大量粗根分布在这一土层。刘晚苟等[22]研究结果表明，土壤容重会影响野生香根草幼苗根系的空间分布，且高土壤容重会抑制根系向下延伸的能力发挥。有研究表明在土壤中直径更大的根比直径更小的根更容易穿透土层[23]。本研究中果园B 的粗根垂直分布深于果园A，原因是较低的土壤容重有利于根系向土壤深层生长，也说明周至地区黏重的土质在一定程度上降低了根系尤其是主根下扎的能力，根系无法穿透强土层进入底土。还有研究表明，黏质土壤的穿透阻力严重限制了根系的生长，并使大部分根系集中分布在土壤表层[24]。在根系主要径向分布范围（0～100 cm）内，果园A 根系在更广水平范围内分布，在0～40 cm 浅层土壤虽然根系的干质量密度较小，但是根长、根表面积大于果园B 的根系，原因是在紧实土壤中根系弯曲可利用土壤剖面中出现的裂隙和强度相对较弱的土壤区域[25-26]。这种根系分布更有利于植株利用远距离土壤水分，提高水分利用效率，与柯大钊[27]对不同土质下红香酥梨根系分布的研究结果类似。

综合分析，植被根系分布的差异性是植被适应环境条件产生的必然结果，土壤环境条件变化通过改变根系分布情况从而会在一定程度上影响根系吸收能力[28]。本研究发现，猕猴桃根系在黏重土壤中的分布呈现出表层化、细根化的特征，是其为了提高水分和养分吸收能力的演化，尽管根系浅表化也会使根系面临更不稳定的土壤表层环境（温度、湿度等）的影响。因此，针对不同土壤采取不同的管理和改良措施，改变土壤环境，改善根系生长的微环境，是促进根丛构建和提高根系吸收能力的关键，从而达到猕猴桃园高效和丰产的目标。