灌溉方式對(duì)楊樹根系分布及硝態(tài)氮運(yùn)移的影響

井 大 煒

(1.德州學(xué)院， 山東 德州 253023; 2.山東省林業(yè)科學(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250014)

植物對(duì)于水分的需求與其所處環(huán)境的水分條件經(jīng)常處于矛盾之中，各種植物生長發(fā)育過程中，經(jīng)常處于水分虧缺或水分過多的環(huán)境之中[1]。而生長在不同生態(tài)條件下的植物根系，其形態(tài)特征、分布狀況以及生長發(fā)育規(guī)律都有它自己的特點(diǎn)[2]。在灌水量較少的地區(qū)大多數(shù)植物都具有較發(fā)達(dá)的根系，盡管在深層土壤中僅有少量的根系存在，但它們對(duì)植物的水分吸收卻發(fā)揮著非常重要的作用[3-4]。水分條件的改變影響到植物根系擁有地下營養(yǎng)空間的大小和對(duì)土壤營養(yǎng)及水分的利用，也直接影響到地上部分產(chǎn)量的高低。

楊樹是北方平原與沙區(qū)營造防護(hù)林和用材林的主要樹種，品質(zhì)繁多，栽培面積大，在生態(tài)環(huán)境治理和解決木材短缺方面均占有重要的地位。目前，雖然已經(jīng)有比較成熟的微灌技術(shù)，但由于成本高，主要應(yīng)用于黃瓜、番茄、棉花等農(nóng)作物上[5-7]，而在林木生產(chǎn)上的應(yīng)用較少。在大部分林木的造林管理中仍然以傳統(tǒng)的漫灌為主要的灌溉方式。關(guān)于不同灌溉方式對(duì)土層中硝態(tài)氮運(yùn)移的研究主要集中在農(nóng)作物方面[6,8]，而在楊樹方面的研究尚未見報(bào)道。為此，本文以5年生的歐美I-107楊為研究對(duì)象，對(duì)比分析在原有的漫灌方式與改進(jìn)的畦灌方式下歐美I-107楊根系的垂直分布規(guī)律及硝態(tài)氮運(yùn)移的變化特征，目的是在評(píng)價(jià)根系分布的同時(shí)，研究不同灌溉方式對(duì)環(huán)境(表層和深層土壤)的影響效果，為干旱區(qū)人工林的水分利用和合理調(diào)控灌溉提供理論支持和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與供試材料

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在山東省濟(jì)南市北郊林場，地理坐標(biāo)為北緯36°40′，東經(jīng)117°00′，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，日照充分，年平均氣溫14 ℃，年平均降雨量650～700 mm。供試土壤為潮土，土壤速效N 19.65 mg/kg，速效P 14.32 mg/kg，速效K 45.79 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量7.83 g/kg。所用化肥為尿素、磷酸一銨和氯化鉀，肥料用量為常規(guī)施肥量，相當(dāng)于N 205.28 kg/hm2，P2O570.38 kg/hm2和K2O 58.65 kg/hm2的施肥水平。楊樹為5年生I-107歐美楊人工林，株行距2.5 m×5 m，南北行向，林木生長均勻，平均樹高12.75 m，平均胸徑12.36 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2012年4月5日試驗(yàn)開始進(jìn)行，設(shè)2個(gè)處理：FI(根據(jù)農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)灌水量設(shè)3 600 m3/hm2為灌溉定額，4, 6, 8, 10月每月900 m3/hm2)和BI(根據(jù)楊樹根系的水平分布和灌溉水的側(cè)滲距離，設(shè)定畦寬1.0 m，720 m3/hm2為灌溉定額，4—10月每月103 m3/hm2)。每個(gè)小區(qū)有楊樹30株，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，管理措施相同。根據(jù)楊樹的生長發(fā)育狀況，以畦灌為基準(zhǔn)確定灌水時(shí)間，兩種灌溉方式同時(shí)灌水，灌水量用精確度為0.01 m3的水表計(jì)量。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水量、水勢的測定及根系分布調(diào)查 2012年10月進(jìn)行根系調(diào)查，在兩種不同灌溉方式下的楊樹中隨機(jī)各選取10株，對(duì)所選植株的根系采用分層分段挖掘法，以植株根莖為圓心，水平距離每30 cm為一段，自地表向下每20 cm為一層進(jìn)行分層分段取土，挖掘過程中采用根系追蹤法和過篩法把每層的根系全部取出。挖掘根系之前，在所挖掘的植株附近利用1 m土鉆取土樣，每20 cm為一層，用烘干法測定土壤含水量，同時(shí)利用TRS-II便攜式土壤水勢測定儀對(duì)各個(gè)土層的水勢進(jìn)行測定。將取回的各層各段根樣帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沖洗干凈，待根系恢復(fù)原狀后放入烘箱于80 ℃下烘干至恒重，然后稱重計(jì)算出各個(gè)層次的根系生物量。

1.3.2 0—100 cm土層硝態(tài)氮運(yùn)移的測定 以畦灌的灌溉周期為參考，利用土鉆分別取灌水前、灌水當(dāng)天及灌水后7，14，29 d的0—20，20—40，40—60，60—80和80—100 cm土壤，每個(gè)處理6次重復(fù)，同層混合均勻，用連續(xù)流動(dòng)分析儀測定硝態(tài)氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用Excel 2007和Sigmaplot 10.0分別進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和圖形制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式下土壤含水量、水勢的垂直變化

不同灌溉方式對(duì)楊樹樣地內(nèi)土壤含水量和土壤水勢的影響如圖1所示。由圖1可見，漫灌和畦灌處理在0—20 cm表層的土壤含水量均是最低，隨著土層深度的增加，其土壤含水量均呈逐漸升高的趨勢。畦灌在40—60 cm土層的含水量與漫灌差異不顯著，而在0—20，20—40，60—80和80—100 cm土層分別比漫灌降低了10.18%，10.31%，14.97%和15.58%，差異均達(dá)顯著水平，并且隨著土層深度的增加，其差異呈逐漸增大的趨勢。這說明畦灌比漫灌的水分深層滲漏明顯減弱。土壤水勢與土壤含水量表現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律。畦灌在0—40和60—100 cm土層的土壤水勢均明顯低于漫灌，而在40—60 cm土層差異不顯著。

2.2 不同灌溉方式下根系生物量的垂直分布

從圖2可見，畦灌和漫灌條件下，楊樹根系生物量在土壤中垂直分布趨勢基本一致，即隨著深度的增加，根系生物量均逐漸減少。同時(shí)可以看出，大量根系分布在0—40 cm的土層內(nèi)，40 cm以下各層根干重顯著減小，使根呈“倒金字塔”型分布。不同灌溉方式之間，楊樹根系垂直分布特征也有顯著差異。在0—20 cm土層，畦灌的根系生物量比漫灌降低了8.28%，差異達(dá)顯著水平；但隨著土層深度的增加，畦灌在20—80 cm土層的根系生物量卻比漫灌增加了35.87%，其中在20—40，40—60和60—80 cm土層分別比漫灌增加了22.97%，52.48%和116.76%，差異均達(dá)顯著水平，并且在0—80 cm土層的總根重也比漫灌增加了5.52%。通過觀察還發(fā)現(xiàn)，畦灌的根系扎根深度也明顯大于漫灌。此外，在0—20 cm土層中，漫灌方式下的根系生物量占總根重的68.74%，而畦灌只有59.75%。這表明漫灌使楊樹根系生物量向表層集中的趨勢很明顯，而畦灌能夠增加楊樹根系的總生物量，尤其是深層的根系生物量。

圖1 不同灌溉方式下土壤含水量及土壤水勢

圖2 不同灌溉方式下楊樹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參數(shù)

Gale等[4]通過對(duì)不同樹種不同演替階段根系的分布特征的研究，提出了一個(gè)根系垂直分布模型：

Y=1-βd。

式中：Y——從地表到一定深度的根系生物量累積百分比；d——土層深度(cm);β——根系消弱系數(shù)。其中β值越大說明根系在深層土壤中分布的百分比越大； 反之，β值越小，則說明有更多的根系集中分布于接近地表的土層中。β值的大小與根系體積或根系密度無關(guān)，只是說明了根系垂直分布特征的關(guān)系，引入β值描述楊樹根系分布與土壤深度間的關(guān)系。利用Sigmaplot的函數(shù)擬合功能，對(duì)不同灌溉方式下楊樹根系垂直分布特征參數(shù)進(jìn)行求解，計(jì)算出不同灌溉方式下的β值(表1)。從表1可知， 畦灌處理的消弱系數(shù)大于漫灌，說明畦灌方式下可以使楊樹根系在深層土壤中分布的百分比增大。

表1 不同灌溉方式下楊樹的根系消弱系數(shù)

2.4 不同灌溉方式下硝態(tài)氮的運(yùn)移

對(duì)不同灌溉方式下0—100 cm土層灌溉前后土壤中硝態(tài)氮的測定結(jié)果如圖3所示。隨土層深度的增加，硝態(tài)氮含量逐漸降低且變化幅度減??；灌溉方式不同，硝態(tài)氮運(yùn)移的規(guī)律不同，并且不同土層之間的差異也較明顯。對(duì)于0—20 cm土層而言，灌溉前畦灌與漫灌的硝態(tài)氮含量差異不顯著，灌溉當(dāng)天兩個(gè)處理硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)降低的趨勢，漫灌的降低幅度較大，比灌溉前降低了36.49%，畦灌相對(duì)較小，比灌溉前減少了25.13%。灌溉后隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，兩個(gè)處理的硝態(tài)氮含量逐漸增加，其中漫灌增加的幅度較大，但灌溉周期結(jié)束(以畦灌的灌溉周期為參考)時(shí)硝態(tài)氮含量仍然是畦灌>漫灌。主要是因?yàn)槁喙嗨看?，淋洗量高，造成表層硝態(tài)氮含量較低，而畦灌灌水量少，淋洗量也少，使留在表層的硝態(tài)氮量相對(duì)較多。20—40 cm土層在灌溉周期內(nèi)硝態(tài)氮的運(yùn)移規(guī)律與0—20 cm基本一致，只是硝態(tài)氮含量相對(duì)較低。40—60 cm土層的硝態(tài)氮含量在兩種不同的灌溉方式下差異不顯著。60—80 cm土層，灌溉前畦灌與漫灌的硝態(tài)氮含量差異不顯著，灌溉當(dāng)天漫灌顯著高于畦灌，灌溉后隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，兩個(gè)處理的硝態(tài)氮含量緩慢降低，但均是漫灌>畦灌。80—100 cm土層在灌溉前和灌溉當(dāng)天，畦灌與漫灌的硝態(tài)氮含量均差異不顯著，但灌溉后隨著上層土壤的進(jìn)一步淋溶，畦灌的硝態(tài)氮含量均顯著低于漫灌，在灌溉后7，14和29 d，畦灌的硝態(tài)氮含量分別比漫灌減少了21.84%，20.24%和19.53%。

3 討 論

3.1 灌溉方式與根系垂直分布及消弱系數(shù)

根系分布是指根在空間梯度或格點(diǎn)上的存在狀態(tài)。根系分布特征及對(duì)環(huán)境的抵御能力是植物生長和穩(wěn)定性的主要因素，尤其在干旱、半干旱地區(qū)[3,9]。有研究表明，由于根系的分布深度影響到植物地下營養(yǎng)空間的大小和對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的利用，進(jìn)而直接影響到植物地上部分的生長和功能效益的發(fā)揮。

圖3 不同灌溉方式下硝態(tài)氮的運(yùn)移情況

注：橫軸0為灌溉前； 1為灌溉當(dāng)天； 8為灌溉后第7 d； 15為灌溉后第14 d； 30為灌溉后第29 d。

本試驗(yàn)研究認(rèn)為，不同灌溉方式下，楊樹根系生物量的垂直分布隨土壤深度的增加呈逐漸減少的趨勢，這符合植物根系垂直分布的普遍規(guī)律，與大多數(shù)研究者報(bào)道基本一致[10-12]。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在0—20 cm 土層，漫灌方式下的楊樹根系生物量顯著高于畦灌，并且根量占根系總量的百分比達(dá)到了68.74%，而畦灌只有59.75%；但在20—80 cm土層，畦灌的根系生物量卻比漫灌增加了35.87%，而且根系的扎根深度也明顯大于漫灌。根系垂直分布模型中消根系數(shù)β的變化也說明畦灌相比漫灌能使根系在深層土壤中分布的百分比增大。這主要是由于漫灌的灌水量較大，滿足了楊樹對(duì)水分的需求，根系向下伸展的“積極性”降低，根系生物量主要集中在上層，根系所占有的空間相對(duì)較?。欢韫嘤捎诠嗨枯^小，楊樹為了獲取更多的水分維持其生長發(fā)育，根系向下伸展的較深，根系所占有的空間相對(duì)較大。

3.2 灌溉方式與硝態(tài)氮運(yùn)移

有研究表明，灌溉方式影響了水分的運(yùn)移規(guī)律，而土壤鹽分的變化與水分運(yùn)動(dòng)是分不開的，溫度勢梯度下土壤鹽分的遷移仍然以水分運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)[13]。因此，灌溉方式還會(huì)對(duì)鹽分的運(yùn)移產(chǎn)生影響。本文兩種不同的灌溉方式下硝態(tài)氮的運(yùn)移規(guī)律有明顯的差異。在0—40 cm土層，畦灌的硝態(tài)氮含量顯著高于漫灌，這可能與該土層的含水量、水勢變化規(guī)律有關(guān)，隨著土壤含水量的降低，硝態(tài)氮含量呈增加的趨勢。這與孫麗萍等[8]的研究結(jié)果一致。在60—100 cm土層，畦灌的硝態(tài)氮含量顯著低于漫灌?？梢姡韫嘤兄诒韺酉鯌B(tài)氮的累積，而楊樹根系主要分布在這個(gè)范圍，故有利于楊樹對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，降低了硝態(tài)氮的深層淋失，提高了肥料利用率；而漫灌使較多的硝態(tài)氮向深層淋溶，這不僅造成了養(yǎng)分的大量流失而且還會(huì)對(duì)地下水環(huán)境的污染構(gòu)成潛在的威脅。

4 結(jié) 論

畦灌使歐美I-107楊在0—40和60—100 cm土層的含水量、水勢均顯著降低，并且土層越深差異也越大，說明畦灌下的水分深層滲漏明顯減弱；隨著土層深度的增加，畦灌和常規(guī)漫灌下的根系生物量均逐層降低，大量根系集中在0—40 cm土層，其中在0—20 cm土層中，畦灌的根量比漫灌減少了8.28%，但在20—80 cm土層中根量卻增加了35.87%，并且在0—80 cm土層中的總根重增加了5.52%，同時(shí)消根系數(shù)β也大于漫灌。此外，畦灌使0—40 cm土層的硝態(tài)氮含量顯著升高，而60—100 cm土層的硝態(tài)氮含量卻明顯降低，其中在80—100 cm土層中，灌溉后7，14和29 d，畦灌的硝態(tài)氮含量分別比漫灌減少了21.84%，20.24%和19.53%。

由此可見，畦灌有利于楊樹根系的合理分布，擴(kuò)大了根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收空間，并且能減少硝態(tài)氮的深層淋溶，這對(duì)于提高楊樹潛在生產(chǎn)力、肥料利用率和保護(hù)地下水環(huán)境具有重要意義。

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