蘋(píng)果根組平衡理論與水肥氣生一體化技術(shù)

張世忠，束靖，陳偉，崔冬冬，束懷瑞*

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安 271018;2.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250100；3.山東省果樹(shù)研究所，山東泰安 271000)

嚴(yán)禁耕地“非農(nóng)化、非糧化”政策，要求果樹(shù)產(chǎn)業(yè)繼續(xù)堅(jiān)持“果樹(shù)上山下灘，不與糧棉爭(zhēng)地”的方針?！吧仙较聻钡墓麍@立地條件相對(duì)較差，土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍較低，大多數(shù)果園土壤有機(jī)質(zhì)含量低于0.8%，導(dǎo)致根域環(huán)境碳素營(yíng)養(yǎng)匱乏，是影響蘋(píng)果栽培生產(chǎn)的重要因素。

1 根組平衡

蘋(píng)果的新生根有兩大類。一類是生長(zhǎng)根，其生長(zhǎng)旺盛，皮層代謝強(qiáng)，能夠發(fā)生次生結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的吸收、運(yùn)輸及代謝功能。另一類是吸收根，一次性生長(zhǎng)，沒(méi)有次生結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)期短，3周左右，具有季節(jié)性發(fā)生特點(diǎn)。吸收根受有機(jī)質(zhì)誘導(dǎo)，大量代謝細(xì)胞分裂素隨蒸騰運(yùn)送到葉片，提高基部功能葉片壽命，控制秋梢冗余。水肥氣熱穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)環(huán)境，有利于吸收根的發(fā)生與功能的維持，而瘠薄土壤條件會(huì)導(dǎo)致吸收根功能降低，加速吸收根凋亡。因此，水肥氣熱穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)豐富充足環(huán)境下，斷根后可誘導(dǎo)生長(zhǎng)根，生長(zhǎng)根不斷發(fā)生側(cè)根，形成多分枝的、壽命較長(zhǎng)的根系構(gòu)型，產(chǎn)生大量的吸收根，構(gòu)成根組。

蘋(píng)果的新生根系全年有2、3次生長(zhǎng)高峰，和樹(shù)體的貯藏營(yíng)養(yǎng)狀況密切相關(guān)，幼樹(shù)多是2次發(fā)根高峰，結(jié)果樹(shù)多為3次發(fā)根高峰。不同發(fā)根時(shí)期新生根系的形態(tài)及功能受根系同化物來(lái)源的影響，第1次發(fā)根高峰多在萌芽前開(kāi)始，發(fā)根多，主要的碳同化物來(lái)源于根的貯藏營(yíng)養(yǎng)，斷根處會(huì)形成粗壯的根組，根組活力旺盛。第2次發(fā)根高峰多在春梢停長(zhǎng)和花芽分化前，此次發(fā)根長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)、時(shí)間短，吸收根壽命短，更新速度快。第3次發(fā)根高峰發(fā)根時(shí)間長(zhǎng)，形成的根組發(fā)根量大，并受到果實(shí)負(fù)載量的影響，碳同化物主要來(lái)源于葉片光合作用。

根組與地上部枝組相對(duì)應(yīng)，可以階段性大量發(fā)生吸收根，是吸收根發(fā)生的主要母體。根組整體能夠不斷地自疏與更新，從而維持良好的吸收功能。根據(jù)形態(tài)，根組可分為兩種類型，一是毛細(xì)根組，根組細(xì)弱，壽命較短；二是多年毛細(xì)根組，一般高有機(jī)質(zhì)條件下誘導(dǎo)，吸收根相對(duì)粗壯。喬化砧木容易形成延伸根系，而矮化砧木容易形成毛細(xì)根組。

根組與生長(zhǎng)根旺長(zhǎng)形成的延伸根系相互平衡(圖1)，是調(diào)控植株穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。因此，土壤管理的主要目的是土壤環(huán)境優(yōu)化和根組平衡調(diào)控。

圖1 毛細(xì)根組(左)和延伸根系(右)

2 影響根組平衡的因素

根系的生長(zhǎng)發(fā)育及延伸根系與根組的平衡，受樹(shù)體類型、樹(shù)體營(yíng)養(yǎng)水平、樹(shù)齡、果實(shí)負(fù)載量、砧木與接穗類型、土壤環(huán)境等的影響。

2.1 樹(shù)體類型

明確蘋(píng)果樹(shù)體類型是制定果園土壤管理技術(shù)的前提。在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于特定的土壤與氣候因素及技術(shù)原因，常見(jiàn)有豐穩(wěn)樹(shù)、大小年樹(shù)、旺長(zhǎng)樹(shù)、小老樹(shù)及饑餓樹(shù)等五種類型。

豐穩(wěn)樹(shù)，生長(zhǎng)發(fā)育健康，結(jié)構(gòu)組成合理，根系結(jié)構(gòu)優(yōu)良，適應(yīng)性強(qiáng)，抗性強(qiáng)，對(duì)技術(shù)管理等反應(yīng)穩(wěn)定，表現(xiàn)豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。大小年樹(shù)，每年產(chǎn)量不穩(wěn)定，大年花果過(guò)量，嚴(yán)重降低貯藏營(yíng)養(yǎng)，激素水平紊亂，限制花芽形成，光合產(chǎn)物分配不均，大年限制根系發(fā)生；小年根系生產(chǎn)過(guò)量，冗余消耗嚴(yán)重，大小年生長(zhǎng)節(jié)奏及結(jié)構(gòu)成分差異大。旺長(zhǎng)樹(shù)，多發(fā)生在幼樹(shù)及生長(zhǎng)結(jié)果期，枝條直立、營(yíng)養(yǎng)枝比例大、秋梢長(zhǎng)，春梢質(zhì)量差，冗余消耗大，貯藏水平低，對(duì)水肥和修剪等反應(yīng)敏感，干擾生產(chǎn)較大，成花困難。小老樹(shù)，樹(shù)齡大、衰老，生長(zhǎng)量小，多無(wú)秋梢，對(duì)施肥修剪技術(shù)反應(yīng)不敏感，不易刺激生長(zhǎng)，枝條和根系更新難，在土壤有機(jī)質(zhì)含量低的地方，矮砧果樹(shù)發(fā)生較多。饑餓樹(shù)，多發(fā)生在沙地、營(yíng)養(yǎng)元素缺乏的地方，土壤肥水環(huán)境匱乏區(qū)域表現(xiàn)饑餓狀態(tài)，根系量少，對(duì)水肥和修剪等反應(yīng)敏感。

豐穩(wěn)樹(shù)根系中延伸根系與根組數(shù)量比例約為1/10～1/5，延伸根系負(fù)責(zé)擴(kuò)展根系范圍，根組負(fù)責(zé)營(yíng)養(yǎng)吸收，且多年毛細(xì)根組粗壯；如果延伸根系數(shù)量增大，則會(huì)導(dǎo)致樹(shù)體旺長(zhǎng)，地上部秋梢比例增加，形成旺長(zhǎng)樹(shù)；矮砧在瘠薄土壤中，延伸根系弱小，根組擴(kuò)展范圍小，且多分布于土壤表層，多易形成小老樹(shù)。不同樹(shù)齡和介質(zhì)條件下，根組發(fā)生也有顯著差異，幼樹(shù)吸收根量少，延伸根系占優(yōu)，毛細(xì)根組和根組較弱；隨著樹(shù)齡增長(zhǎng)，地上部生殖生長(zhǎng)占優(yōu)，根組量大且吸收根、毛細(xì)根比例高，延伸根系比例降低。

不同樹(shù)體根組調(diào)控的技術(shù)層面，旺長(zhǎng)樹(shù)補(bǔ)充根系碳素營(yíng)養(yǎng)，以控制根系旺盛生長(zhǎng)，促進(jìn)吸收根組的形成。小老樹(shù)則可以斷根施加氮肥，大量誘導(dǎo)生長(zhǎng)根的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)根冠比分配的增加，促進(jìn)延伸根系。饑餓樹(shù)以局部改良增加有機(jī)質(zhì)，同時(shí)配合斷根水、氮誘導(dǎo)，誘導(dǎo)延伸根系形成根組，增加根系對(duì)養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)。大小年樹(shù)，根據(jù)當(dāng)年的花量和果量，水、氮誘導(dǎo)及有機(jī)質(zhì)誘導(dǎo)并配合適當(dāng)?shù)墓空{(diào)整，增加樹(shù)體貯藏營(yíng)養(yǎng)及對(duì)環(huán)境的適宜閾值。

2.2 貯藏營(yíng)養(yǎng)

上述的五類樹(shù)中，將后四類樹(shù)改造成豐穩(wěn)樹(shù)的核心是提高植株的貯藏營(yíng)養(yǎng)水平，促使貯藏營(yíng)養(yǎng)合理分配。提高光合產(chǎn)生的碳水化合物和含氮有機(jī)化合物等貯藏營(yíng)養(yǎng)水平極為關(guān)鍵，主要在光合制造產(chǎn)物的分配調(diào)控，限制冗余消耗。

貯藏營(yíng)養(yǎng)可通過(guò)技術(shù)的實(shí)施使其增產(chǎn)和合理分配。營(yíng)養(yǎng)分配包括水平分配和垂直分配，垂直分配有整體性特征，直立枝條回運(yùn)距離遠(yuǎn)；而水平分配有局部性放射式特點(diǎn)，旺長(zhǎng)樹(shù)拉枝成花就是根據(jù)這個(gè)原理。提高貯藏營(yíng)養(yǎng)水平的技術(shù)包括植株結(jié)構(gòu)調(diào)整、新梢直立、開(kāi)張角度、控制秋梢過(guò)量和調(diào)整外運(yùn)。

2.3 土壤環(huán)境

透氣性。土壤氧氣濃度在10%左右時(shí)，根系正常呼吸代謝，維持生命功能；氧氣含量過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致根系氧化脅迫，抑制根系生長(zhǎng)；氧氣低于5%時(shí)，根系呼吸代謝受到抑制，新生根生長(zhǎng)受到抑制。80 cm以下土層中，透氣性很差，妨礙根系向下擴(kuò)展，特別是細(xì)根的形成。因此，表層土易形成根組，中層及深層土壤形成延伸根系。

營(yíng)養(yǎng)水平。根域環(huán)境的碳氮營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)根組的形成至關(guān)重要，有機(jī)質(zhì)可以誘導(dǎo)吸收根的大量發(fā)生，形成根組。生產(chǎn)中主要通過(guò)有機(jī)肥，特別是羊糞，能在吸收根和根際大量形成細(xì)胞分裂素，對(duì)促進(jìn)根組形成和大量吸收根周期性發(fā)生具有重要作用。生物稻殼炭等生物炭基肥能夠持續(xù)有效的增加土壤透氣性，誘導(dǎo)根組的形成。磚面、木板等可以通過(guò)界面效應(yīng)，影響根系構(gòu)型，形成側(cè)根多且短，形成吸收、代謝旺盛的根組結(jié)構(gòu)。氮肥則可以誘導(dǎo)生長(zhǎng)根的大量發(fā)生，形成的根系粗壯且分支少，有利于根系的延伸。磷、鉀能促進(jìn)吸收根的發(fā)育，微量元素有利于根系正常生長(zhǎng)發(fā)育和土壤微生態(tài)代謝。有機(jī)肥、生物炭基肥等能夠作為無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)的優(yōu)良載體，有效地保持無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)為根系提供穩(wěn)定的氣熱環(huán)境。微生物肥利用優(yōu)良載體和微生物代謝，為根系生長(zhǎng)提供豐富的生長(zhǎng)促進(jìn)類次生代謝物等。

水分。根的生長(zhǎng)以土壤相對(duì)含水量60%～80%為宜，新根發(fā)生多，細(xì)根長(zhǎng)而分支少，根系吸收力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)。土壤相對(duì)含水量低于45%時(shí)，根系生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制。夏季降雨多，地下水位升高，土壤通氣不良，會(huì)嚴(yán)重影響根系呼吸代謝，造成大量吸收根組的凋亡。

3 水肥氣生一體化技術(shù)

充分考慮到氣、肥、水等技術(shù)措施的兩面性，在“穴貯肥水”、“三層節(jié)水”等土壤管理模式的基礎(chǔ)上，本團(tuán)隊(duì)總結(jié)提出了水肥氣生一體化技術(shù)，即表層自然生草或者農(nóng)作物秸稈綠色覆蓋，有效地保護(hù)土壤表層溫度的穩(wěn)定；中層單側(cè)開(kāi)溝局部?jī)?yōu)化，行間交替開(kāi)溝，每個(gè)施肥溝維持3～5年；將漫灌、滴灌等水平灌溉形式改為垂直灌溉，滴灌口處打孔，利用生物炭基肥和有機(jī)肥的水分快速滲透的特點(diǎn)，保證水分的快速垂直滲透；結(jié)合微生物肥，有效改善土壤環(huán)境的微生態(tài)。局部改良的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)、有機(jī)肥及微生物肥結(jié)合后，改善20%左右的根系環(huán)境的微生態(tài)水平。該技術(shù)的核心是利用有機(jī)質(zhì)的通氣及無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)的保持效果，對(duì)土壤進(jìn)行局部改良，將水平灌溉提升為垂直灌溉，消除了土壤管理過(guò)程中水肥的負(fù)面效應(yīng)。

表層綠色有機(jī)覆蓋，以農(nóng)作物秸稈覆蓋、自然生草為主，投入成本低；中層單側(cè)開(kāi)溝局部?jī)?yōu)化，一次施肥，且農(nóng)家肥或者有機(jī)肥為主，保證肥效，防止高溫多雨夏季的降解，可以保持3～5年的肥料效果，節(jié)肥約30% ；簡(jiǎn)易滴灌系統(tǒng)與穴貯肥水結(jié)合，實(shí)現(xiàn)根區(qū)水分的垂直供應(yīng)，節(jié)水約40%。

水肥氣生一體化技術(shù)利用穴貯肥水技術(shù)，將水平灌溉改為垂直灌溉，通氣狀況較好，吸收根組的壽命和根組活力提高了20%～50%。無(wú)機(jī)肥利用有機(jī)肥的良好載體作用，能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)與無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)的耦合，防止無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)流失的同時(shí)，防止了氮肥對(duì)于生長(zhǎng)根的誘導(dǎo)效果，有效的控制了旺盛生長(zhǎng)根及延伸根系的數(shù)量，秋梢旺長(zhǎng)比例降低約30%，飽滿花芽增加20%～50%，果實(shí)品質(zhì)提升約20%。