阿克蘇紅富士蘋(píng)果盛果期根系空間分布規(guī)律

李 宏 ，董 華，郭光華 ，楊 嬋

（1.新疆林業(yè)科學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆師范大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830054）

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)具有決定性作用[1]；植物對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)能力在很大程度上取決于植物根系所占據(jù)的土壤空間、根系的形態(tài)和生理塑性、植物根系在土壤中的時(shí)空分布格局等[2-3]。蘋(píng)果樹(shù)為喬木, 根系深廣[4]。其根系在垂直方向和水平方向的分布都不均勻, 且輸導(dǎo)根相對(duì)比較粗大,因此一般應(yīng)采用挖剖面取樣法[5-9]。目前，關(guān)于蘋(píng)果根系的研究報(bào)道較多，研究?jī)?nèi)容主要涉及成齡蘋(píng)果樹(shù)形改造[10]、果農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)[11]、旱作果園深溝施肥[12]及蘋(píng)果—小麥復(fù)合系統(tǒng)中作物根系分布的影響[13]等方面，但尚無(wú)對(duì)于新疆特色林果中盛果期紅富士蘋(píng)果根系時(shí)空分布的研究報(bào)道。張勁松對(duì)果農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)中蘋(píng)果吸水根的分布進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在垂直方向上，蘋(píng)果吸水根根量主要集中分布在0～80 cm 的土層內(nèi), 約占總量的94.33%[2]。姚立民對(duì)建立蘋(píng)果樹(shù)根系吸水模型所需要的植株蒸騰量、棵間蒸發(fā)量、根系密度、土壤含水量等指標(biāo)的測(cè)定方法進(jìn)行過(guò)探討[7]。余立華對(duì)栗—茶間作模式下茶樹(shù)根系的基本特性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，栗—茶間作具有較好的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)，是一種可持續(xù)發(fā)展的茶園經(jīng)營(yíng)模式[14]。馬華明采用全根法對(duì)杜仲根系進(jìn)行了調(diào)查，揭示了杜仲的生長(zhǎng)特點(diǎn)[15]。鑒于此，文中以阿克蘇地區(qū)盛果期紅富士蘋(píng)果（基徑18 cm）的根系為研究對(duì)象，選用根長(zhǎng)密度和根表面積為測(cè)量指標(biāo)，探討了在漫灌方式下其吸收根（根徑＜2 mm）和輸導(dǎo)根（根徑≥2 mm）的分布特征。通過(guò)定量研究蘋(píng)果樹(shù)根系的空間全剖面分布特征，揭示出漫灌條件下其根系在土壤空間的分布規(guī)律，確定施肥、澆水的最佳位置，以期為干旱氣候條件下蘋(píng)果的水肥管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地所在的佳木試驗(yàn)站位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)，距阿克蘇30 km。其地理位置為北緯 80°32′ ，東經(jīng) 41°15′，海拔 1 103 m?；爻书L(zhǎng)方形，地勢(shì)北高南低、西高東低，南北長(zhǎng)1 600 m，東西長(zhǎng)650 m，面積為76.7 hm2。研究區(qū)屬大陸性干旱荒漠氣候，晝夜溫差大，春季較短，多大風(fēng)低溫天氣，時(shí)常有倒春寒現(xiàn)象發(fā)生，夏季炎熱而干燥，各年的降雨量有一定變化。溫宿縣平原區(qū)的年均降雨量63.4 mm，年蒸發(fā)量956.3 mm，年均氣溫10.1 ℃，極端低溫－27.4 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 747.7 h，≥10 ℃的積溫2 916～3 198 ℃，無(wú)霜期185 d。垂直土壤的質(zhì)地情況是，距表土50 cm以?xún)?nèi)為沙壤土，50 cm以下為沙壤土、粘土和沙層。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地灌溉和施肥情況

2011年7～8月，在佳木試驗(yàn)站內(nèi)選擇生長(zhǎng)良好、無(wú)病蟲(chóng)害的蘋(píng)果果園作為研究的試驗(yàn)樣地。果樹(shù)生長(zhǎng)處在盛果期，樹(shù)形為疏散分層型，株行距均為6 m×8 m，東西行向栽植，同一樣地中蘋(píng)果樹(shù)的樹(shù)齡相同，樹(shù)高和冠幅一致。灌溉方式為漫灌，灌溉量為7次/a、200 m3/次，年灌溉定額為1 400 m3。施肥情況是基肥＋追肥，基肥施油渣，0.5～1.0 kg/株；追肥施二胺和尿素（按1：1的比例混合均勻）0.5 kg/株，采用坑施法施肥。每年中耕3次，深度為10～15 cm。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

在樣地內(nèi)，選取基徑為（18.0±0.3） cm的樣株，共測(cè)4株，樹(shù)齡均為7 a，平均樹(shù)高為4 m，平均冠幅為5.6 m（南北）×5.4 m（東西）。采用挖掘剖面法[4-6]采集根系土樣，并進(jìn)行優(yōu)化分層取樣。具體方法是：從樣株樹(shù)干的基部開(kāi)始，正對(duì)樹(shù)干，由東向西挖一條長(zhǎng)5.0 m、深1.7 m的剖面，采用自制的取樣器（長(zhǎng)25 cm、寬20 cm、高10 cm）取帶根土樣。在垂直方向上，分別在各采樣點(diǎn)0～170 cm深的土層，每10 cm為一層進(jìn)行取樣，即垂直深度挖至170 cm；在水平方向上，以樹(shù)干為中心，每隔25 cm取樣，即水平寬度挖至500 cm。將所取帶根土樣裝入塑料袋封存，編號(hào)后帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

將帶根土樣倒入0.1 mm篩進(jìn)行浸泡、沖洗，然后用加拿大Regent Instruments公司生產(chǎn)的WinRHIZO Pro2010a根系分析系統(tǒng)掃描、分析。分析過(guò)程中需輸入測(cè)定的根系徑級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，按吸收根（根徑＜2 mm）和輸導(dǎo)根（根徑≥2 mm）2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)。根據(jù)分析結(jié)果可以得出各徑級(jí)根長(zhǎng)和根系表面積等指標(biāo)值，再按下列計(jì)算公式可以求出根長(zhǎng)密度和根表面積密度等項(xiàng)指標(biāo)值。

根長(zhǎng)密度（mm·cm-3）＝根長(zhǎng)/容器體積（5 000 cm3）；

根表面積密度（mm2·cm-3，以下簡(jiǎn)稱(chēng)根表面積）＝根表面積/容器體積（5 000 cm3）；

相對(duì)比例＝各區(qū)段內(nèi)根長(zhǎng)密度或根表面積/總根長(zhǎng)密度或總根表面積×100%；

累計(jì)比例＝各區(qū)段范圍前面的所有累積根長(zhǎng)密度或累積根表面積/總根長(zhǎng)密度或總根表面積×100%。

采用Excel 2003和Surfer 8.0等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系的水平分布特征

對(duì)距蘋(píng)果樹(shù)干不同距離處的根長(zhǎng)密度和根系表面積進(jìn)行平均計(jì)算求得其均值，得出的根長(zhǎng)密度和根表面積水平分布圖分別如圖1與圖2所示。在水平方向上，蘋(píng)果吸收根與輸導(dǎo)根根量主要集中分布在0～300 cm的范圍內(nèi)，吸收根根長(zhǎng)密度和根表面積累比例都大于80%。吸收根根長(zhǎng)密度和根表面積均表現(xiàn)出“雙峰型”的分布規(guī)律，吸收根根長(zhǎng)密度最大值分別出現(xiàn)在0～25、100～125和125～150 cm處，相對(duì)比例都為9.8%，而根表面積最大值出現(xiàn)在0～25 cm處。輸導(dǎo)根根長(zhǎng)密度和根表面積都表現(xiàn)出“雙峰型”的分布規(guī)律，即0～50和100～150 cm輸導(dǎo)根根長(zhǎng)密度和根表面積（0～500 cm）表現(xiàn)出隨土層深度增加先增多后減少的分布趨勢(shì)，輸導(dǎo)根的根長(zhǎng)密度與根表面積最大值都出現(xiàn)在0～25 cm處。

圖1 根長(zhǎng)密度的水平分布圖Fig.1 Horizontal distribution of root length density

圖2 根表面積的水平分布圖Fig.2 Horizontal distribution of root surface area

蘋(píng)果根系水平分布的相對(duì)百分比和累積百分比如表1所示。在吸收根方面，根長(zhǎng)密度在水平距離0～300 cm達(dá)到了80.1%，根表面積在水平距離0～300 cm達(dá)到了82.4%，而輸導(dǎo)根的根長(zhǎng)密度在水平距離0～225 cm達(dá)到了80.1%，根表面積在水平距離0～175 cm達(dá)到了82.5%，表明輸導(dǎo)根的分布范圍較吸收根小約100 cm。說(shuō)明在水平距離0～300 cm范圍內(nèi)是根系分布的重要區(qū)域。

表1 根系的水平分布百分比Table 1 Ratios of horizontal distribution of root system %

2.2 根系的垂直分布特征

對(duì)不同水平距離處垂直方向上相應(yīng)土層蘋(píng)果根長(zhǎng)密度和根表面積進(jìn)行平均計(jì)算求其均值，可得出如圖3、圖4所示的根長(zhǎng)密度和根表面積垂直分布圖。在垂直方向上，蘋(píng)果吸收根與輸導(dǎo)根根量主要集中在0～120 cm土層內(nèi)，根長(zhǎng)密度和根表面積累計(jì)比例都大于80%，0～50 cm土層內(nèi)的根量最大，50～140 cm土層范圍內(nèi)的根量相差不多，分布相對(duì)比較均勻，140 cm以下的土層范圍內(nèi)的根量明顯呈逐漸降低趨勢(shì)。綜合表現(xiàn)為：吸收根與輸導(dǎo)根根長(zhǎng)密度和根表面積（0～170 cm）表現(xiàn)出隨土層深度增加先增多后減少的分布趨勢(shì)，吸收根和輸導(dǎo)根都表現(xiàn)出“單峰型”的分布規(guī)律，吸收根根長(zhǎng)密度和根表面積最大值出現(xiàn)在30～40 cm處，輸導(dǎo)根的根長(zhǎng)密度與根表面積最大值都出現(xiàn)在40～50 cm處。

圖3 根長(zhǎng)密度的垂直分布圖Fig.3 Vertical distribution of root length density

圖4 根表面積的垂直分布圖Fig.4 Vertical distribution of root surface area

蘋(píng)果根系垂直分布的相對(duì)百分比和累積百分比如表2所示。吸收根的根長(zhǎng)密度和根表面積在深度為0～110 cm的土層中方分別達(dá)到了83.7%和82%，而輸導(dǎo)根的根長(zhǎng)密度和根表面積在0～120 cm的土層中分別達(dá)到了91.8%和 81.9%，說(shuō)明在土層深度為0～120 cm的范圍內(nèi)是根系分布的重要區(qū)域。

表2 根系的垂直分布百分比Table 2 Ratios of vertical distribution of root system %

2.3 根系在土壤中的空間分布

2.3.1 根長(zhǎng)密度在土壤中的空間分布

用Surfer8.0軟件對(duì)蘋(píng)果吸收根和輸導(dǎo)根的根長(zhǎng)密度在土壤中的空間分布情況進(jìn)行分析，可得出如圖5與圖6所示的蘋(píng)果吸收根和輸導(dǎo)根的根長(zhǎng)密度在土壤中的空間分布情況。從圖5中可以看出，吸收根在整個(gè)區(qū)間（水平距離0～500 cm；垂直距離0～170 cm土層）內(nèi)均有分布，根系最密集的區(qū)域在土層深度0～50 cm、水平距離100～150 cm的土層范圍內(nèi)，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)地土壤質(zhì)地條件在50 cm以上為沙壤土，有利于細(xì)根的生長(zhǎng)發(fā)育。而輸導(dǎo)根則不同，輸導(dǎo)根根系最密集的分布區(qū)域在土層深度110～150 cm、水平距離200～250 cm的土層范圍內(nèi)，最密集根長(zhǎng)密度為0.24 cm·cm-3。小于此區(qū)域的吸收根根長(zhǎng)密度0.64 cm·cm-3，因吸收根根長(zhǎng)密度數(shù)據(jù)值明顯都大于輸導(dǎo)根根長(zhǎng)密度，兩個(gè)圖的標(biāo)尺不同，會(huì)有一些差異。可以看出，蘋(píng)果根系的分布是扇形分布，越靠近蘋(píng)果主干，根系越多。隨著水平距離和土層深度的增加，吸收根根量大于輸導(dǎo)根根量。

圖5 根長(zhǎng)密度（吸收根）在土壤空間XZ平面上的投影Fig.5 Projection of absorbing root length density in soil space XZ plane

圖6 根長(zhǎng)密度（輸導(dǎo)根）在土壤空間XZ平面上的投影Fig.6 Projection of conducting root length density in soil space XZ plane

2.3.2 根表面積在土壤中的空間分布

用Surfer8.0軟件對(duì)蘋(píng)果吸收根和輸導(dǎo)根的根表面積在土壤中的空間分布情況進(jìn)行分析，可得出如圖7與圖8所示的蘋(píng)果吸收根和輸導(dǎo)根的根表面積在土壤中的空間分布情況。吸收根的根系表面積分布情況大體與其根長(zhǎng)密度相同，而輸導(dǎo)根的根系表面積分布范圍相對(duì)其根長(zhǎng)密度要窄一些，這主要是由于兩種測(cè)度指標(biāo)的計(jì)算方法不同造成的。WinRHIZO Pro2010a根系分析系統(tǒng)在計(jì)算根表面積時(shí)，由于吸收根(根徑＜2 mm)比較細(xì)，變化區(qū)間窄，在計(jì)算根表面積時(shí)的誤差較小，而在計(jì)算輸導(dǎo)根(根徑≥2 mm)時(shí)的誤差就顯得較大，最終導(dǎo)致了輸導(dǎo)根的根表面積與根長(zhǎng)密度不一致現(xiàn)象的產(chǎn)生。但根系的總體分布特點(diǎn)是扇形分布，越靠近蘋(píng)果主干，根系越多。隨著水平距離和土層深度的增加，吸收根根量大于輸導(dǎo)根根量。

圖7 根表面積（吸收根）在土壤空間XZ平面上的投影Fig.7 Projection of absorbing root surface area in soil space XZ plane

圖8 根表面積（輸導(dǎo)根）在土壤空間XZ平面上的投影Fig.8 Projection of conducting root surface area in soil space XZ plane

3 結(jié)論與討論

在水平方向上，蘋(píng)果吸收根與輸導(dǎo)根根量主要集中分布在0～300 cm的土層內(nèi)，吸收根和輸導(dǎo)根根長(zhǎng)密度在水平距離0～300 cm和0～225 cm處均達(dá)到了80%以上，說(shuō)明在水平距離0～300 cm范圍內(nèi)是根系分布的重要區(qū)域。在垂直方向上，吸收根和輸導(dǎo)根根長(zhǎng)密度和根表面積在土層深度為0～110 和0～120 cm的區(qū)域均達(dá)到了80%以上，說(shuō)明在土層深度為0～120 cm的范圍內(nèi)是根系分布的重要區(qū)域。總之，在水平方向上距離樹(shù)干0～300 cm范圍內(nèi)、深度為0～120 cm的土層是蘋(píng)果田間水肥管理的重要區(qū)域，這一研究結(jié)果可為改進(jìn)田間水分與養(yǎng)分管理措施提供理論依據(jù)。

盛果期蘋(píng)果的根系分布為扇形分布，越靠近蘋(píng)果主干，根系越多。隨著水平距離和土層深度的增加，吸收根根量大于輸導(dǎo)根根量。在垂直方向上，吸收根和輸導(dǎo)根的根表面積和根長(zhǎng)密度的分布特征基本一致，在圖3與圖4中0～120 cm的土層內(nèi)，吸收根和輸導(dǎo)根都表現(xiàn)出“單峰型”的分布規(guī)律，峰值位于40 cm范圍內(nèi)，主要原因在垂直剖面0～50 cm處為沙壤土，50 cm以下為沙壤土、粘土和沙層。 圖3根長(zhǎng)密度垂直分布與圖4根表面積垂直分布數(shù)據(jù)60、70、80 cm處均低于50與90 cm的垂直分布，原因是60～80 cm范圍內(nèi)出現(xiàn)了部分沙層和粘土，而50與90 cm的垂直分布的沙壤土較多。因此，土壤質(zhì)地條件是影響根系分布的一個(gè)重要因素。在水平方向上，蘋(píng)果吸收根與輸導(dǎo)根根長(zhǎng)密度和根表面積表現(xiàn)出“雙峰型”的分布規(guī)律，其峰值分布位于0～25 cm和125～150 cm處，主要原因是水平距離50～100 cm范圍內(nèi)進(jìn)行了挖溝施肥，死根較多，則根量較少，低于25～50 cm與100～125 cm處水平分布的根量。另外，水平方向上吸收根和輸導(dǎo)根的根表面積與根長(zhǎng)密度不同，這主要是由WinRHIZO Pro2010a根系分析系統(tǒng)在計(jì)算表面積時(shí)的誤差所造成的。

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