蓄水坑灌下不同灌水上限對蘋果樹吸水根系和產(chǎn)量的影響

張威賢，孫西歡，馬娟娟，郭向紅，孟 瑋，孫瑞峰，趙文淵

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024）

0 引 言

山西省地處我國黃土高原東部，自然地理條件優(yōu)越，對于發(fā)展蘋果產(chǎn)業(yè)具有得天獨厚的優(yōu)勢，果樹產(chǎn)業(yè)已有了超過30年的發(fā)展歷程[1]。但由于“十年九旱、旱澇交錯”的氣候特點，該地區(qū)水資源嚴(yán)重缺乏，水分供需矛盾日益突出，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉面臨著巨大的考驗，繼而影響著果樹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對此，孫西歡教授提出了一種中深層立體節(jié)水灌溉方法—蓄水坑灌法[2]。它基于坑底不透水、坑壁環(huán)形入滲的特點，改善了土壤通透性進(jìn)而誘導(dǎo)根系深扎，能夠有效防止水土流失和提高果樹抗旱能力[3]。根系是植物吸收營養(yǎng)和水分的重要器官，其數(shù)量及空間分布密切影響著作物對水分的吸收能力[4，5]，進(jìn)而對農(nóng)作物的產(chǎn)量和水分利用效率起著至關(guān)重要的作用[6]。灌水方式的不同和灌水上下限的差異對根系的生長發(fā)育有很大的影響[7，8]。自蓄水坑灌法提出以來，多位學(xué)者對蘋果樹吸水根系分布和根系吸水模型進(jìn)行了研究[9，10]，鄭利劍等人[8，11-13]發(fā)現(xiàn)蓄水坑灌下果樹根長密度和根表面積密度均隨土層深度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，并且蓄水坑灌法顯著促進(jìn)了根系的生長，但前人很少通過原位監(jiān)測的方式來研究蓄水坑灌不同的灌水上限影響蘋果樹吸水根系的生長。本文利用微根管法研究蓄水坑灌不同灌水上限對蘋果樹吸水根系的分布規(guī)律、產(chǎn)量和灌溉水利用率的影響，為蓄水坑灌下蘋果樹的節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年4-10月在山西省農(nóng)科院果樹研究所矮化蘋果園中進(jìn)行。該果園地處晉中市太谷縣西南部(112°32′E，37°23′N)，屬于典型的暖溫帶季風(fēng)影響下的大陸性半干旱氣候類型，平均海拔781.9 m，多年平均降雨量為460 mm，無霜期達(dá)175 d。該地區(qū)土壤以壤土為主，容重為1.47 g/cm3。

1.2 試驗方案設(shè)計

試驗選取長勢相當(dāng)?shù)?2 a 生三段砧木矮化紅富士長富二號蘋果樹作為試驗用樹。設(shè)置蓄水坑灌和地面灌溉兩種灌水方式，分3個處理。其中2個蓄水坑灌處理：T1（灌水上下限分別為田間持水量的100%和60%）、T2(灌水上下限分別為田間持水量的80%和60%)和1 個地面灌溉處理CK（灌水上下限分別為田間持水量的80%和60%），每個處理3 次重復(fù)，總計9 棵樹。試驗于2019年4月初進(jìn)行具體田間布置，5月5日進(jìn)行第一次灌水，具體灌水方案見表1。各處理的田間管理以及施肥均相同。具體布置如圖1所示：蓄水坑灌下每棵樹周圍均勻且對稱的布置4 個直徑為30 cm，深度為40 cm 的圓柱形蓄水坑，蓄水坑中心距樹干75 cm。根系測點布置在2 個蓄水坑中間，距離樹干50 cm 處打入地下，與地面成45°角[14]。微根管露出地面部分用黑色膠布纏好，避免陽光直射，并且蓋好防水管蓋，防止水分和灰塵進(jìn)入微根管影響窺鏡攝像頭采集根系圖片甚至損壞探頭和相機[15]。

表1 灌水時間與灌水量 L/株Tab.1 Irrigation time and irrigation volume

1.3 試驗測定項目與方法

1.3.1 根長密度、根表面積密度

試驗于萌芽花期（5月10日）、新梢旺長期（6月23日）、幼果期（7月28日）、果實膨大期（8月28日）和果實成熟期（9月30日），利用微根管法獲取果園灌溉處理小區(qū)的根系形態(tài)圖像。采集圖片后將所有根系圖片按土層深度以20 cm 為一層共分為5 層，最后用圖像分析軟件WinRHIZOTRO 進(jìn)行分析計算。根長密度RLD 和根表面積密度RSAD 計算公式[8]分別如下：

式中：L為根系總長，mm；S為根系表面積，cm2；A為每張圖片的觀察范圍（1.35 cm×1.8 cm）；ST 為微根管能觀測到的土壤厚度，mm，參考前人[13]取2 mm。

1.3.2 產(chǎn)量及灌溉水利用率

蘋果成熟后，各處理單獨采收，用精度為0.1 g 電子秤稱量各個處理下蘋果樹上所有果實總質(zhì)量，并求均值。果樹灌溉水利用率（IWUE，kg/m3）計算公式如下[16]：

式中：Y為果樹的產(chǎn)量，kg/株；I為果樹的灌水量，m3/株。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗所得數(shù)據(jù)采用Excel 2016 進(jìn)行處理和分析，用Origin 2020繪圖，SPSS進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分處理對蘋果樹吸水根系的影響

2.1.1 吸水根系根長密度分布規(guī)律

圖2 為各處理在不同生育期不同土層深度（0～100 cm） 的吸水根系根長密度（RLD） 分布。由圖對比分析可知，各處理的吸水根系根長密度垂向分布規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為隨著土層深度的增大，根長密度先增大后減小。這與張雪琴等[11]的研究結(jié)果一致。T1、T2 均為蓄水坑灌處理，吸水根系主要分布在20～80 cm 的土層內(nèi)，在不同生育期該土層范圍內(nèi)吸水根系根長密度分別占總吸水根系根長密度的66.3%～74.3%和67.3%～78.1%，其中各生育期吸水根系根長密度最大值均出現(xiàn)在40～60 cm處；但不同灌水上限又對吸水根系生長發(fā)育產(chǎn)生顯著影響，T1 處理在各個生育期的根長密度基本都較T2 處理大，這是因為灌水上限高，土壤水分充足，更有利于根系生長發(fā)育。CK 處理為地面灌溉處理，吸水根系主要分布在0～60 cm 的土層內(nèi)，不同生育期該土層范圍內(nèi)吸水根系根長密度占到總吸水根系根長密度的82.1% ～85.3%，根長密度最大值出現(xiàn)在20～40 cm 處。這是因為CK 處理為地面灌溉，土壤水分主要分布在土壤表層，不利于果樹根系的深扎。在40～100 cm 土層深度內(nèi)T2＞CK，這是因為蓄水坑灌處理的水分直接由坑壁滲入根區(qū)中深層土壤，土壤水分布具有表層含水率低，中深層土壤含水率高的特征，利于土壤中深層的根系生長發(fā)育。

2.1.2 吸水根系根表面積密度分布規(guī)律

根系吸收水分和養(yǎng)分均通過根表面吸收，因此根表面積密度（RSAD）也是表征根系吸水能力強弱的重要指標(biāo)[17]。圖3為各處理在不同生育期內(nèi)沿不同土層深度（0～100 cm）的吸水根系根表面積密度（RSAD）分布。整體上各個生育期的吸水根系根表面積密度變化基本一致，在垂向0～100 cm 范圍均表現(xiàn)為先增大后減小。由圖對比分析可知，在土層深度40～100 cm 范圍內(nèi)吸水根系根表面積密度表現(xiàn)為T2＞CK，這是由于蓄水坑灌是一種中深層灌溉，可將水分更加快速有效的傳遞到果樹中深層根系從而促進(jìn)中深層根系生長。20～80 cm 是T1、T2處理的高值區(qū)，2個處理不同生育期在這一范圍內(nèi)的吸水根系根表面積密度分別占總吸水根系根表面積的65.7%～73.5%和67.3～78.4%，其最大值均出現(xiàn)在40～60 cm 土層；而CK 處理的高值區(qū)比蓄水坑灌處理靠近地表，位于0～60 cm 土層內(nèi)，不同生育期該土層范圍內(nèi)的吸水根系根表面積密度占總吸水根系根表面積密度的82.1%～86.3%，其最大值出現(xiàn)在20～40 cm 處。張人天等[13]研究蓄水坑灌下蘋果樹根系生長對不同氮素水平的響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，地面灌溉處理根長密度和根表面積密度高值區(qū)位于0～40 cm 的土層，可能由于選取的果樹樹齡相對較小，并且氮肥處理表層水肥含量高有利于根系生長，所以根系分布范圍較淺。T1 處理在各個生育期的根表面積密度基本都較T2 處理大，這是因為根系具有向水性，較高的灌水上限，可以提高吸水根系的根表面積密度，更有利于根系生長發(fā)育。

2.1.3 吸水根系總根長密度和總根表面積密度分布規(guī)律

細(xì)根的總根長密度和總根表面積密度隨生育期變化規(guī)律相似(圖4)。表2 為不同處理各生育期吸水根系總根長密度和總根表面積密度增長率，結(jié)合圖4 和表2 分析可知：新梢旺長期（5月10日-6月23日）根系出現(xiàn)生長緩慢甚至?xí)和ＩL的狀態(tài)，是由于該時期大量的水分及營養(yǎng)物質(zhì)貢獻(xiàn)于果樹枝條和葉片的生長；幼果期（6月23日-7月28日），由于新梢生長緩慢且果樹需水量增加，水分和光合產(chǎn)物主要用來促進(jìn)吸水根系生長，因此果樹吸水根系根長密度和根表面積密度出現(xiàn)大幅增長；果實膨大期（7月28日-8月28日）根系需要從土壤中汲取大量的水分和養(yǎng)分以供果樹果實的生長，根系再次出現(xiàn)生長緩慢和暫停生長現(xiàn)象；果實成熟期（8月28日-9月30日）蘋果樹根系又緩慢恢復(fù)生長狀況。不同生育期吸水根系的總根長密度和總根表面積密度均表現(xiàn)為T1＞T2＞CK，且差異性顯著（P＜0.05）。峰值出現(xiàn)在果實成熟期（9月30日）。果樹根系整體隨著生育期推進(jìn)呈增大趨勢，這是由于果實生長發(fā)育需要更多的養(yǎng)分，果樹必須生長更多根系來滿足這一需求。

對不同處理下吸水根系平均根長密度和根表面積密度分別作單因素方差分析，結(jié)果見表3。由表可知，各處理的平均根長密度和根表面積密度差異性顯著（P＜0.05），大小關(guān)系表現(xiàn)為：T1＞T2＞CK。T2 在灌水量比T1 小33.33%的情況下，吸水根系平均根長密度和平均根表面積密度分別僅小18.30%和17.34%，說明土壤水分能夠促進(jìn)吸水根系生長，但灌水量較大時土壤水分對根系生長的影響降低；CK 較T2 灌水量增加25%，但其吸水根系平均根長密度和根表面積密度卻減少15.57%和15.63%，主要是由于蓄水坑灌能較好改善土壤的水分環(huán)境和透氣性，提高根系活力，顯著增加吸收根根長密度和根表面積密度，在促進(jìn)蘋果樹根系生長上具有明顯的優(yōu)勢[11]。

2.2 不同水分處理對蘋果樹產(chǎn)量及灌溉水利用率的影響

植物根系不僅是吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，同時有機酸、氨基酸和多種激素在其內(nèi)部合成，而改善蘋果樹根系的生長能顯著提高果樹產(chǎn)量和水分利用效率[4，18]。不同水分處理會對果樹的產(chǎn)量和灌溉水利用率產(chǎn)生顯著的影響[19]。由表4 可以看出，3 個處理間的產(chǎn)量存在顯著差異（P＜0.05），其中T1處理產(chǎn)量最高，達(dá)到67.01 kg/株，T2 處理次之，CK 處理產(chǎn)量最低，T2、CK 分別較T1處理減產(chǎn)8.82%和12.97%。CK 處理灌水量比T2 處理高25%，但減產(chǎn)4.55%。T2 處理的灌溉水利用率最高，達(dá)到47.73 kg/m3，顯著大于CK，這是因為蓄水坑灌法在灌水時大大減少了地表濕潤面積，相對于地面灌溉極大的降低了無效的土壤水分蒸發(fā)，說明在節(jié)水和穩(wěn)產(chǎn)方面蓄水坑灌是優(yōu)于地面灌溉的。T1 處理雖然產(chǎn)量最高但灌水量也是最大，T2 處理灌水量比其低33.33%，進(jìn)而導(dǎo)致其灌溉水利用率最低，顯著小于T2 處理，表明蓄水坑灌的灌水上下限分別為田間持水量的100%和60%時的水分調(diào)控模式不是最優(yōu)方式。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中必須根據(jù)作物需求進(jìn)行合理灌溉，既不能盲目追求產(chǎn)量而造成水分浪費，也不能因為水分不足而造成產(chǎn)量的大幅下降[20]。

3 結(jié) 論

本試驗研究了不同灌水方式對蘋果樹吸水根系分布、產(chǎn)量和灌溉水利用率的影響情況。結(jié)論如下：

（1）3種不同灌水處理下蘋果樹吸水根系根長密度與根表面積密度分布整體上隨著土層深度的增加均呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢，大小表現(xiàn)為T1＞T2＞CK，且存在明顯差異。地面灌溉條件下吸水根系根長密度和根表面積密度高值區(qū)出現(xiàn)在0～60 cm 土層，蓄水坑灌較之下移，出現(xiàn)在20～80 cm 土層，從果樹根系角度出發(fā)，蓄水坑灌法誘導(dǎo)了果樹根系在縱向的生長，并擴(kuò)大了根系有效吸收的空間，能提高果樹對中深層土壤水分的利用效率和抗旱性。

表2 不同處理各生育期總根長密度和總根表面積密度增長率 %Tab.2 The growth rate of total root length density and total root surface area density at different growth stages in different treatments

（2）CK處理灌水量比T2處理高25%，但產(chǎn)量和灌溉水利用率均顯著低于T2 處理，說明蓄水坑灌法是一種較地面灌溉更為節(jié)水且穩(wěn)產(chǎn)的果園灌溉方式。

表3 不同處理平均根長密度和根表面積密度差異性分析Tab.3 Difference analysis of average root length density and root surface area density of different treatment layers

表4 不同水分處理下蘋果樹灌水量、產(chǎn)量及灌溉水利用率Tab.4 Irrigation volume，yield and water use efficiency of apple trees under different water treatments

（3）T2 處理灌水量比T1 處理低33.33%，產(chǎn)量僅減少8.82%，而灌溉水利用率顯著大于T1 處理。說明較高的灌水上限雖然會促進(jìn)果樹根系的生長發(fā)育和產(chǎn)量，但其灌溉水利用率與產(chǎn)量不成正比，因此控制灌水上限可以達(dá)到節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)的效果。綜合考慮，灌水上限為田持80%的T2 處理為本試驗最優(yōu)水分處理。