張守仕,謝克英,常介田,韓 芳,喬寶營,柴夢(mèng)穎,徐明輝
(河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院,河南鄭州 451450)
水分和養(yǎng)分是果樹生長發(fā)育[1–2]、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[3–4]的兩個(gè)重要因素。滴灌施肥技術(shù)可將水肥一起輸送到作物根區(qū)[5],不僅提高水肥利用效率[6–7],還節(jié)約勞動(dòng)力成本,是實(shí)現(xiàn)化肥、農(nóng)藥減量,提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率的綠色高新技術(shù)。目前,我國科研人員已從滴灌施肥量、灌水量等參數(shù)優(yōu)化方面做了大量工作[8–9],也從滴灌施肥影響土壤養(yǎng)分供應(yīng),土壤氮素?fù)]發(fā),作物養(yǎng)分利用方面做了大量工作。對(duì)滴灌施肥過程中尿素態(tài)氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的遷移、富集和轉(zhuǎn)化規(guī)律研究,提高了土壤中有效態(tài)氮素含量,減少了氮肥的損失[10–13]。根系中的新生細(xì)根是吸收水分、肥料的主要部位[14],然而,滴灌施肥對(duì)地下部根系生長的影響研究較少,且多為破壞性取樣結(jié)果[15]。采用土鉆法進(jìn)行的研究表明,滴灌施肥影響作物根長密度、根系分布、根系分型維數(shù)等形態(tài)指標(biāo)[16],但缺少滴灌施肥對(duì)根系生長動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)研究。微根系原位觀測技術(shù)、方法的出現(xiàn)為原位根系研究提供了可能的手段[17]。Zhang等[18]利用微根系原位觀測技術(shù)研究了袋控緩釋肥對(duì)桃樹細(xì)根生長、周轉(zhuǎn)、分布的影響,認(rèn)為緩釋肥比撒施化肥提高了細(xì)根數(shù)量和分布。因此,本研究采用微根管觀察滴灌施肥技術(shù)下桃樹細(xì)根發(fā)生和生長情況,結(jié)合15N示蹤技術(shù)研究滴灌施肥技術(shù)對(duì)細(xì)根生長及氮素利用的影響,以期為滴灌施肥進(jìn)一步推廣利用,桃產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展提供依據(jù)。
試驗(yàn)地位于河南省大宗水果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系中牟綜合試驗(yàn)站內(nèi)桃示范園,品種為中油蟠5號(hào),平地栽培,南北行向,株行距為 2 m × 5 m,定植于2016年3月,樹體為主干形。
試驗(yàn)設(shè)滴灌施肥、傳統(tǒng)肥水2個(gè)處理,處理小區(qū)面積 1600 m2(40 m×40 m)。滴灌施肥 N、P2O5、K2O施用量分別為83.2、42、64.5 g/tree,傳統(tǒng)肥水施用量分別為137.3、96、160 g/tree。滴灌施肥在桃樹行兩邊距離樹干60 cm處各鋪設(shè)一條內(nèi)鑲式滴灌帶,滴頭間距30 cm,滴頭流量為4 L/h。水溶肥為新洋豐水溶肥料,分別在花后 (4月中旬)、第一次膨果 (5月中旬)、硬核期 (6月上旬)、果實(shí)采收后 (8月上旬)隨水滴施 N–P2O5–K2O 為 30–10–10+微量元素、20–20–20+微量元素、16–6–36+微量元素和20–20–20+微量元素,每次用量為 75 kg/hm2,為和氮素利用率測定保持一致,每次滴灌施肥時(shí)添加1600 g (10 g/tree)尿素,施肥時(shí)先滴水 2 h、然后滴肥2 h、再滴水2 h。其他時(shí)間滴灌維持土壤含水量為最大持水量的60%~80%。傳統(tǒng)肥水分別在花前(3月上旬)和硬核期 (6月上旬),沿東西、南北4個(gè)方向挖15 cm深、80 cm長放射溝,每條溝內(nèi)施入100 g 硫酸鉀型 N–P2O5–K2O 為 17–17–17 復(fù)合肥 (中化)和硫酸鉀型 N–P2O5–K2O 為 15–7–23 復(fù)合肥 (芭田),為和氮素利用率測定保持一致,每次施肥時(shí)每條溝內(nèi)施入 2.5 g (10 g/tree)尿素,施肥后灌水,日常灌水方式為大水漫灌。
2018年2月25日挑選大小均勻一致桃樹10株,每處理5次重復(fù),單株重復(fù),在西南方向距樹干60 cm處埋入70 cm長、外直徑70 mm粗微根管。微根管技術(shù)將透明根管提前埋置在土壤中,根系伸長至根管周邊后,數(shù)碼相機(jī)定期拍攝根系圖片,記錄根系發(fā)生、變褐、死亡等情況,根系分析軟件可以獲取根長度、直徑等參數(shù)。微根管與地面呈45°夾角,管口露出地表5 cm左右,垂直埋入土中40 cm,安裝前管底密封,微根管露出地面部分先用黑色膠帶包裹,再加一層鋁箔,試驗(yàn)過程中注意保護(hù)微根管,防止擾動(dòng)。微根管安裝后穩(wěn)定一段時(shí)間,數(shù)據(jù)采集從2018年6月1日開始。每年3月到11月果樹生長季內(nèi)分別在每月1日和15日觀察,12月到翌年2月果樹休眠期內(nèi)只在每月15日觀察,數(shù)據(jù)一直采集到2020年底。采用CID-CI600植物根系生長監(jiān)測系統(tǒng)采集根系相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)微根管編號(hào)、觀測層次、取樣時(shí)間、細(xì)根編號(hào)建立細(xì)根數(shù)據(jù)庫。圖像采集面積為 21.59 cm × 19.57 cm,利用系統(tǒng)所帶ROOTSNAP根系圖像分析軟件進(jìn)行根系數(shù)量、壽命分析,白色與褐色細(xì)根定義為活根,黑色或皺縮的根和兩次觀測期間消失的根定義為死根。
2018年在3月30日、6月1日、8月30日、11月30日用不銹鋼土鉆在桃樹樹冠外緣兩施肥溝中間取土樣,土樣分為0—20、20—40 cm層,土樣帶回實(shí)驗(yàn)室冷藏保存,取樣結(jié)束后取新鮮土樣進(jìn)行土壤無機(jī)氮 Nmin (NH4+-N、NO3?-N)測定。具體方法:土壤樣品過2 mm 篩后,用 2 mol/L KCl溶液浸提后用BDFIA8000流動(dòng)注射分析儀銨態(tài)氮、硝態(tài)氮模塊進(jìn)行測定。
于2018年8月底、11月底在東面、北面兩施肥溝中間用土鉆取土樣,土樣沖洗后保留根系,采用氯化三苯基四氮唑 (TTC)還原法測定細(xì)根活力。
另外挑選大小均勻一致桃樹6株進(jìn)行氮素利用率測定,試驗(yàn)處理與上面相同,滴灌施肥用自制重力滴灌器模擬滴灌處理。滴灌施肥每株每次施15N尿素 (上?;ぱ芯吭?,豐度 10.10%) 3 g、普通尿素7 g、新洋豐肥料75 g,將每株樹所需肥料溶解在裝有300 L水塑料桶中,塑料桶置于距離地面1 m高處鐵架上,閥門調(diào)整塑料桶出水量,控制滴灌管出水流速,每次施肥先滴水2 h、然后滴肥2 h、再滴水2 h。傳統(tǒng)肥水每次施肥有15N尿素 (上?;ぱ芯吭?,豐度 10.10%) 3 g,普通尿素 7 g,復(fù)合肥肥料用量和用法同上面撒施處理。冬季桃樹落葉后對(duì)植株進(jìn)行破壞性取樣,整株解析為細(xì)根 (直徑<2 mm)、粗根 (直徑≥2 mm)、主干、多年生枝、一年生枝。樣品洗凈后,105℃殺青30 min,80℃烘干至恒重,稱量干物質(zhì)質(zhì)量,不銹鋼電磨粉碎后過0.25 mm篩,混勻后裝入自封袋中備用。植株樣品采用Isoprime 100型質(zhì)譜儀測定15N豐度。植物樣品經(jīng)濃硫酸–過氧化氫消煮后,用BDFIA8000流動(dòng)注射分析儀銨態(tài)氮模塊測定樣品含氮量。
細(xì)根壽命采用SPSS 19.0軟件生存函數(shù)Kaplan-Meier法進(jìn)行分析計(jì)算,中值壽命指存活率為0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的生存時(shí)間。細(xì)根年周轉(zhuǎn)率為年新根死亡量與年新根現(xiàn)存量之比。
Ndff (%)指植株器官從肥料中吸收分配到的15N量對(duì)該器官全氮量的貢獻(xiàn)率,它反映了植株器官對(duì)肥料15N的吸收征調(diào)能力,計(jì)算公式:
Ndff (%)=[樣品中15N 豐度 (%)–自然豐度 (0.366%)]/[肥料中15N 豐度 (%)–自然豐度 (0.366%)]×100;
總氮量=干物質(zhì)質(zhì)量×氮濃度;
吸收15N 量 (mg)=總氮量 (g)×Ndff (%)×1000;
氮素吸收利用率 (%)=Ndff (%)×植株總氮量 (g)/施15N 量 (g)×100。
文中所有數(shù)據(jù)和圖使用Excel 2019和SPSS 19.0軟件分析,不同處理間差異顯著性分析采用Duncan新復(fù)極差法檢驗(yàn)。
土壤中NH4+-N和NO3?-N能夠直接被果樹根系吸收,采樣結(jié)果表明肥水供應(yīng)方式影響土壤NH4+-N、NO3?-N含量,雖然傳統(tǒng)肥水處理是滴灌施肥處理施肥量的2.4倍,但傳統(tǒng)肥水處理土壤Nmin并沒有一直高于滴灌施肥處理 (表1、表2)。0—20 cm土層土壤NH4+-N含量滴灌施肥處理和傳統(tǒng)肥水處理生長季內(nèi)無顯著差異,落葉后(11月30日)采樣滴灌施肥處理高于傳統(tǒng)肥水處理。20—40 cm土層土壤NH4+-N含量滴灌施肥處理和傳統(tǒng)肥水處理6月1日、8月30日采樣無顯著差異,3月30日和落葉后采樣滴灌施肥處理高于傳統(tǒng)肥水處理。傳統(tǒng)肥水處理對(duì)土壤NH4+-N含量影響較小,肥料撒施后沒有明顯的提高,隨后受灌水、根系吸收、揮發(fā)等因素影響緩慢降低,但是傳統(tǒng)肥水處理對(duì)土壤NO3?-N含量影響大,肥料撒施后短期內(nèi)顯著提高,然后迅速下降,隨后受灌水、根系吸收等因素影響也表現(xiàn)為緩慢降低。0—20 cm土層傳統(tǒng)肥水處理施肥后土壤NO3?-N含量迅速提高,后又迅速降低,滴灌施肥處理0—20 cm土層除剛施肥后低于傳統(tǒng)肥水處理,其他采樣時(shí)間都高于傳統(tǒng)肥水處理,并且維持在較高水平。20—40 cm土層NO3?-N含量傳統(tǒng)肥水處理3月30日、6月1日取樣均顯著高于滴灌施肥處理,落葉后(11月30日)取樣反而低于滴灌施肥處理(表2)。
表1 不同施肥處理土壤銨態(tài)氮含量(mg/kg)Table 1 Soil NH4+-N content under different fertilizations
表2 不同施肥處理土壤硝態(tài)氮含量(mg/kg)Table 2 Soil NO3?-N content under different fertilizations
從圖1看出,滴灌施肥和傳統(tǒng)肥水下微根管技術(shù)拍攝到的桃樹的新生細(xì)根顏色為白色,隨著根系次生結(jié)構(gòu)的發(fā)育逐漸變?yōu)楹稚?/p>
圖1 不同施肥處理20—40 cm土層桃樹根系微根管觀察圖片F(xiàn)ig.1 Peach roots image taken by minirhizotron in 20–40 cm soil layer under different fertilizations
表3結(jié)果表明,圖像采集期內(nèi)各年份采集到的細(xì)根數(shù)量滴灌施肥為478條,明顯高于傳統(tǒng)肥水處理的334條,且微根管安放的當(dāng)年(2018年)采集到細(xì)根數(shù)量較多,高于后面兩年(2019、2020年)。3年采集的細(xì)根數(shù)量均以滴灌施肥處理最多,傳統(tǒng)肥水處理較少,兩處理間差異明顯。圖2細(xì)根發(fā)生動(dòng)態(tài)結(jié)果表明,根系發(fā)生新根數(shù)量有2次高峰,分別在夏季和秋季。
圖2 不同施肥處理下桃樹新生細(xì)根數(shù)量的變化Fig.2 Dynamics of peach fine root number under different fertilizations
表3 不同的施肥處理下的桃樹細(xì)根數(shù)量Table 3 The number of fine roots per peach tree under different fertilizations
桃樹新發(fā)生的根顏色為白色,經(jīng)過一段時(shí)間后白色新根變成褐色,還有新根變?yōu)楹谏踔料АD3中細(xì)根褐變時(shí)間結(jié)果表明,根顏色由白色新根變?yōu)楹稚珪r(shí)間傳統(tǒng)肥水處理約38天,滴灌施肥處理約51天,兩處理差異顯著。
圖3 不同施肥處理下桃樹細(xì)根褐變所需的天數(shù)Fig.3 Days taken by fine peach roots to become pigmented under different fertilizations
圖4中細(xì)根存活率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為細(xì)根中值壽命,結(jié)果表明,細(xì)根中值壽命滴灌施肥處理為147天,傳統(tǒng)肥水處理為107天,滴灌施肥處理明顯延長了細(xì)根中值壽命。
圖4 不同施肥處理下桃樹細(xì)根的存活率動(dòng)態(tài)Fig.4 Dynamics of survival proportion of peach fine roots under different fertilizations
細(xì)根現(xiàn)存量為年周期內(nèi)觀察到細(xì)根扣除死亡細(xì)根數(shù)量。表4采樣結(jié)果表明,細(xì)根現(xiàn)存量隨時(shí)間推移呈上升趨勢(shì),處理間以滴灌施肥處理最高,從2018年的194條提高到2020年的311條,傳統(tǒng)肥水處理從2018年的12條提高到2020年的82條。
表4 不同施肥處理下下桃樹細(xì)根的現(xiàn)存量Table 4 The number of standing peach fine roots under different fertilizations
表5結(jié)果表明,兩施肥處理間細(xì)根周轉(zhuǎn)率存在明顯差異,細(xì)根周轉(zhuǎn)率隨時(shí)間推移呈下降趨勢(shì),滴灌施肥處理較低,從2018年的0.62次/年降低到2020年的0.06次/年,傳統(tǒng)肥水處理在微根管設(shè)置的當(dāng)年(2018年)周轉(zhuǎn)率明顯高于后面兩年(2019、2020年),從2018年的17.17次/年降低到2019年的0.80次/年和2020年的0.16次/年。
表5 不同施肥處理下桃樹細(xì)根的年周轉(zhuǎn)率(次/年)Table 5 The annual turnover rate of peach fine roots under different fertilizations (times/year)
圖5顯示,8月下旬滴灌施肥處理根系活力為39.47 mg/(g·h),傳統(tǒng)肥水處理為 27.86 mg/(g·h),兩處理間差異顯著。11月下旬的結(jié)果表明,各處理細(xì)根活力均處于較低狀態(tài),處理間差異不顯著。
圖5 不同施肥處理下桃樹細(xì)根的根系活力Fig.5 Activities of peach fine root under different fertilizations
表6結(jié)果表明,落葉后采樣時(shí),兩處理間各器官生物量差異不顯著。粗根、主干和多年生枝氮濃度兩施肥處理間差異不顯著,細(xì)根和一年生枝氮濃度滴灌施肥處理均顯著高于傳統(tǒng)肥水處理。Ndff值表示來源于肥料的氮占總氮的比例,滴灌施肥處理各部位Ndff值顯著高于傳統(tǒng)肥水處理。氮利用率滴灌施肥處理達(dá)到17.89%,顯著高于傳統(tǒng)肥水處理的9.75%。
表6 滴灌施肥和傳統(tǒng)肥水下桃樹的氮素吸收和利用Table 6 Effects of fertigation and conventional fertilization on N uptake and utilization of peach trees
果農(nóng)為追求果實(shí)個(gè)大、果園高產(chǎn),在生產(chǎn)中過量施用化肥,加上不合理的灌溉,造成養(yǎng)分淋失、揮發(fā)損失,帶來一系列環(huán)境問題[19],滴灌施肥有效解決了這些問題[11]。試驗(yàn)中傳統(tǒng)肥水處理可以迅速提高土壤中NO3?-N含量,受土壤淋溶、硝化、反硝化等過程影響,土壤中NO3?-N含量下降也很快。土壤Nmin含量測定結(jié)果證明,傳統(tǒng)水肥處理肥料用量大,土壤氮素含量變化劇烈,滴灌施肥處理肥料用量遠(yuǎn)小于撒施(傳統(tǒng)肥水)處理,隨水滲入土壤根系分布區(qū)域內(nèi),土壤中NH4+-N和NO3?-N含量波動(dòng)較小。
果樹根系比農(nóng)作物分布稀疏,不利于養(yǎng)分吸收、利用。細(xì)根吸收能力強(qiáng),從提高肥料利用率考慮,應(yīng)該提高細(xì)根數(shù)量和細(xì)根壽命。王芬等[20]在蘋果幼樹上研究表明,通過牛糞和生物炭混施可以促進(jìn)蘋果細(xì)根生長,根尖數(shù)增多,提高氮素利用率。Baldi 等[21]采用微根系原位觀測技術(shù),研究了有機(jī)肥對(duì)桃樹細(xì)根發(fā)生、生長的影響,認(rèn)為施有機(jī)肥通過改變土壤NO3?-N含量,比化肥撒施更能保持土壤養(yǎng)分穩(wěn)定,因此提高了細(xì)根發(fā)生數(shù)量。本試驗(yàn)結(jié)果表明滴灌施肥處理細(xì)根發(fā)生數(shù)量最多,這與孫三民等[22]在棗樹上采用挖掘法得到的試驗(yàn)結(jié)果一致,有機(jī)肥的施用提高了土壤中養(yǎng)分穩(wěn)定性,推測土壤養(yǎng)分穩(wěn)定有利于根系發(fā)生。肖元松等[23]通過給栽培桃樹根系區(qū)域通氣等方法增氧,挖掘根系發(fā)現(xiàn)增氧栽培顯著提高了土壤氧氣含量,提高了桃樹細(xì)根數(shù)量。滴灌施肥灌水量降低,土壤環(huán)境中氧濃度得到提高,因此細(xì)根發(fā)生數(shù)量增多和增加土壤氧含量有關(guān)[24]。年生長周期內(nèi)夏季和秋季是細(xì)根產(chǎn)生的兩個(gè)高峰期,但各年份之間在時(shí)間上有差異,這與Centinari等[25]在葡萄上及An等[26]在蘋果上的觀察結(jié)果一致,另外細(xì)根產(chǎn)生受溫度、水分、土層等其他因素影響,各年份間這些因素差異大。2018年桃樹少量坐果,2019年往后每年都結(jié)果,新根產(chǎn)生高峰的差異很可能與此有關(guān)。細(xì)根產(chǎn)生年份間變化較大,2018年細(xì)根產(chǎn)生多,2019年和2020年細(xì)根產(chǎn)生較少。這一方面與微根管的安裝有關(guān)[27],因此微根管安裝后3個(gè)月才開始觀察,另一方面隨著時(shí)間的延長同一部位產(chǎn)生新根的能力逐漸變?nèi)鮗28],同時(shí)隨著坐果量逐年增大根系生長受到影響。
桃樹新生細(xì)根顏色為白色,隨著根次生結(jié)構(gòu)的發(fā)育逐漸變?yōu)楹稚?。褐色的新根吸收氮的能力和呼吸速率均低于白色?xì)根[14]。Zhang等[18]研究肥料袋控緩釋對(duì)桃樹根系生長的影響,認(rèn)為肥料袋控緩釋比肥料溝施土壤養(yǎng)分含量穩(wěn)定,延長了細(xì)根壽命,提高了細(xì)根現(xiàn)存量。本試驗(yàn)中滴灌施肥處理土壤Nmin含量處于傳統(tǒng)肥水處理最高濃度和最低濃度之間,能夠一直維持在一個(gè)水平上,因此延長了細(xì)根至變褐的時(shí)間,提高了細(xì)根壽命和細(xì)根現(xiàn)存量。Balid等[21]在桃樹上研究表明,施用有機(jī)肥比施用化肥提高了細(xì)根現(xiàn)存量及其壽命,并得出這種差異是因?yàn)椴煌柿蠈?dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量、穩(wěn)定性不同,硝態(tài)氮含量和細(xì)根現(xiàn)存量及其壽命顯著正相關(guān)。本研究中滴灌施肥處理新根數(shù)量提高,壽命延長,提高了細(xì)根現(xiàn)存量,與土壤中NO3?-N含量高且維持較為穩(wěn)定狀態(tài)有關(guān)。本研究中細(xì)根周轉(zhuǎn)率用細(xì)根年死亡量與細(xì)根現(xiàn)存量的比值表示,雖然不同處理間細(xì)根死亡量年度間有差異,但是細(xì)根現(xiàn)存量滴灌施肥處理遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)肥水處理,因此細(xì)根周轉(zhuǎn)率以滴灌施肥處理最低。
根系活力表征根系吸收能力,于坤等[29]在葡萄上研究表明,葡萄一側(cè)地下穴貯滴灌施肥一側(cè)地面滴灌施肥處理,提高了20—60 cm土層深度處的根活力。王璐等[30]利用多種有機(jī)物料混施,研究其對(duì)蘋果幼苗生長、氮素利用及土壤特性的影響,發(fā)現(xiàn)多種有機(jī)物料混施提高了土壤NH4+-N和NO3?-N 含量,提高了蘋果根系活力,提高了土壤氮庫調(diào)節(jié)能力。Zhang[18]研究發(fā)現(xiàn),桃樹施用袋控緩釋肥后提高了土壤養(yǎng)分含量,且維持穩(wěn)定狀態(tài),延長了細(xì)根至變褐時(shí)間,提高了根系活力。本試驗(yàn)中滴灌施肥后土壤養(yǎng)分含量與袋控緩釋肥類似,因此根系活力能夠在8月份維持較高水平,進(jìn)入休眠期后僅維持微弱吸收能力,11月下旬取樣結(jié)果表明各處理根系活力都處于較低水平。
本試驗(yàn)15N示蹤試驗(yàn)結(jié)果表明,滴灌施肥顯著提高了各器官Ndff (%),提高了蘋果氮素養(yǎng)分吸收,這與田歌等[6]、彭玲等[31]試驗(yàn)結(jié)果一致。本研究所用試材為2年生桃植株,多年生器官生物量處理間差異不顯著,主要因?yàn)樘矣讟淦谏L量大。新生器官氮濃度處理間有差異顯著,主要因?yàn)橐荒晟鞴僭谠囼?yàn)期間養(yǎng)分多來源于當(dāng)年吸收的肥料[32]。以往滴灌施肥對(duì)養(yǎng)分利用率影響的研究,主要從滴灌施肥改變土壤中養(yǎng)分供應(yīng)狀況角度考慮[10–11],本研究15N示蹤試驗(yàn)結(jié)果表明,滴灌施肥顯著提高了桃樹氮素養(yǎng)分吸收。氮素養(yǎng)分吸收利用率提高的原因除氮素養(yǎng)分供應(yīng)改變外,滴灌施肥對(duì)細(xì)根發(fā)生、生長的改變也是一個(gè)重要因素。
滴灌施肥處理生長季內(nèi)土壤無機(jī)氮Nmin含量波動(dòng)小,保持穩(wěn)定,提高了細(xì)根數(shù)量,延長了細(xì)根變褐時(shí)間以及細(xì)根壽命,降低了細(xì)根年周轉(zhuǎn)率,提高了生長季根系活力,這是桃樹氮素吸收利用率顯著提高的重要原因。