環(huán)塔里木盆地灰棗年輪礦質(zhì)元素含量徑向變化規(guī)律研究

王芳霞 呂 齊 姚東東 李旭嬌 Fesobi Olumide Phillip 趙豐云馮建榮，* 于 坤，*

（1石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用兵團重點實驗室，新疆 石河子 832003；2新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉 831100）

棗（Ziziphus jujubaMill.）屬于鼠李科（Rhamnaceae）棗屬（ZiziphusMill.）落葉小喬木［1］。環(huán)塔里木盆地是我國紅棗的重要產(chǎn)地之一，種植面積和產(chǎn)量分別達47.3 萬公頃和340 萬噸，分別占全國總量的31%和49%，現(xiàn)已成為我國最大的紅棗種植區(qū)［2］。在新疆林果業(yè)中，紅棗產(chǎn)業(yè)已成為潛力巨大的農(nóng)村支柱產(chǎn)業(yè)之一。

按植物對礦質(zhì)元素的需求和體內(nèi)含量的多少，可將礦質(zhì)元素分為大量元素（氮、磷、鉀）、中量元素（鈣、鎂等）和微量元素（鐵、銅、鋅、錳、鉬等）［3］。礦質(zhì)元素參與植物體內(nèi)多種生理生化過程，調(diào)節(jié)植物的生命活動，在植物生長發(fā)育、果實品質(zhì)形成中起著重要作用［4-6］。樹木在生長過程中會吸收、積累土壤和空氣中的礦質(zhì)元素，同時可以將這些礦質(zhì)元素的變化情況與樹木年輪的生長特征結(jié)合起來共同反映外部環(huán)境的變化［7］。王榮芬等［8］對毛白楊年輪中微量元素含量和環(huán)境因子進行相關(guān)分析，揭示了年輪中鋅、銅、錳、鉻等元素發(fā)生的變異與交通量和關(guān)鍵氣候因子顯著相關(guān)。Wang 等［9］通過對松樹年輪中鉈含量變化的研究反演了廣東云浮市由采礦活動引起的大氣環(huán)境污染的時間變化?，F(xiàn)今樹輪相關(guān)研究已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)［10］、氣候?qū)W［11］、生態(tài)學(xué)［12］等領(lǐng)域。有研究表明，樹木年輪并不總是被動地記錄一些養(yǎng)分變化，其礦質(zhì)元素的含量是對環(huán)境變化的綜合反映［13-14］，與葉面營養(yǎng)相比，木材中有些元素的含量與土壤中元素含量的相關(guān)性更強［15］。礦質(zhì)元素是果樹生長發(fā)育和品質(zhì)形成的物質(zhì)基礎(chǔ)［16］，然而在灰棗實際生產(chǎn)過程中存在不合理的管理和施肥現(xiàn)象，因此探究灰棗年輪與細根、土壤中礦質(zhì)元素含量的關(guān)系對指導(dǎo)灰棗合理施肥具有重要意義。但目前，基于田間管理條件下的果樹年輪中礦質(zhì)元素含量徑向變化規(guī)律及其與細根、土壤中礦質(zhì)元素含量關(guān)系的研究較少。

鑒于此，本研究采用樹木年輪學(xué)的方法，對環(huán)塔里木盆地灰棗園中采集的樹木圓盤、細根和土壤樣品進行礦質(zhì)元素含量的測定，探索灰棗年輪各礦質(zhì)元素的含量和分布，明確灰棗中礦質(zhì)元素含量的徑向變化規(guī)律，旨在為揭示環(huán)塔里木盆地灰棗年輪礦質(zhì)元素含量的變化和灰棗園的合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣點位于新疆南疆塔里木盆地灰棗種植區(qū)。通過實地調(diào)研確定具有代表性的灰棗果園進行采樣（表1）。該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，地勢西高東低。年平均氣溫9～11 ℃，種植區(qū)域年均溫北部低于南部，冬季氣溫西部高于東部。大陸性由西向東逐漸加強［17］。果園內(nèi)灌溉方式采用滴灌（drip irrigation，DI）和漫灌（flood irrigation，F(xiàn)I），自建園起開始執(zhí)行。灰棗樹齡為9～10 年生，其中1、2、6、7、8 號果園樹齡為10 年，3、4、5、9、10 號為9 年，每個果園面積在1.5 hm2以上，用GPS確定采樣點的經(jīng)緯度，具體采樣點范圍為東經(jīng)76°46′41″～88°10′9″，北緯37°47′41″～40°41′1″。結(jié)合盆地土壤情況，栽植區(qū)多以沙壤土和荒漠土為主，農(nóng)戶根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗進行基肥和追肥的施用。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information of the sample site

1.2 樣品采集和處理

2021年3—4月，在環(huán)塔里木盆地灰棗種植區(qū)共選擇10 個果園采集紅棗主干、直徑小于2 mm 的細根和土壤樣品。在果園中選取樹高、樹冠和胸徑等生長狀況基本相似的3 棵樹木進行破壞性取樣，試驗樹均為健康生長、無病蟲害、長勢良好的成熟齡結(jié)果樹，產(chǎn)量為600～800 kg·667 m-2。自棗樹嫁接口以上5 cm處開始截取，將取下的主干分別裝入自封袋中并進行標記。以棗樹樹干為圓心，在離棗樹30 cm 處的東西南北4個方位采集0～50 cm 土層的細根，采集完后裝入自封袋中并標記。根據(jù)棗園的大小和地形，采用S 型采樣方法，每個棗園選取5 棵棗樹，在樹冠滴水線處東西南北4 個方位分層采集0～20、20～40、40～60 cm土層剖面的土壤樣品，在每一個采樣區(qū)域按照等量和多點混合的原則采集1個混合樣品，采用四分法保留1 000 g，裝入自封袋進行標記。將采集的所有樣品帶回實驗室待測。

從截取的棗樹主干上方5 cm 處開始截取3 cm 厚的樹干圓盤1 片，將截取的圓盤自然晾干、打磨、剖光后使用放大鏡判斷出每個果園的樹齡［18］。在顯微鏡下用不銹鋼解剖刀從形成層至髓心以年劃分依次切下各年年輪，將同一年份的樣品混合、編號。年輪樣品和細根樣品用去離子水沖洗3遍，置于105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在80 ℃下烘至恒重，用FW100 萬能高速粉碎機（天津泰斯特儀器有限公司）粉碎后過60目篩，至自封袋中保存［19］。土樣經(jīng)風(fēng)干后研磨過100 目細篩，用于土壤中礦質(zhì)元素含量的測定。

1.3 測定項目與方法

年輪和細根樣品用HNO3-HClO4消解，土壤樣品用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸全分解的方法消解，P、K、Mg、Ca、Fe、Cu、Zn、Mn、Mo含量采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法（inductively coupled plasma atomic emission spectrometry，ICP-AES）進行測定［20］，ICP 分析中使用國家標準物質(zhì)研究中心的標準參考物質(zhì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2018 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，采用SPSS 20.0 軟件中的Duncan’s 法進行數(shù)據(jù)差異性分析，數(shù)據(jù)以平均值±標準誤表示，相關(guān)性分析采用Pearson法，用Origin 2022軟件繪制相關(guān)性圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式下灰棗樹體礦質(zhì)元素的年平均積累量

由圖1 可知，灰棗中礦質(zhì)元素年平均積累量表現(xiàn)為K＞Ca＞Mg＞P＞Fe＞Zn＞Mo＞Cu＞Mn。滴灌方式下K 的年平均積累量最高，為2.33 g·kg-1，Mn 含量最少，為1.86 mg·kg-1。不同灌溉方式下的灰棗礦質(zhì)元素年平均積累量無顯著差異（P＞0.05），K、Mg、Fe、Zn、Cu的年平均積累量表現(xiàn)為滴灌＞漫灌，P、Ca、Mn、Mo含量則為漫灌＞滴灌。

圖1 不同灌溉方式下樹體礦質(zhì)元素的年平均積累量Fig.1 Average annual accumulation of mineral elements in tree body under different irrigation methods

2.2 不同灌溉方式下細根中礦質(zhì)元素的含量

由圖2 可知，棗樹細根中礦質(zhì)元素的含量表現(xiàn)為Ca＞K＞Mg＞Fe＞P＞Mn＞Zn＞Cu＞Mo，漫灌方式下Ca 的含量最高，為16.36 g·kg-1，滴灌方式下的Mo 含量最低，為1.09 mg·kg-1。K、Ca、Mg、Fe、Cu、Mn、Mo 含量表現(xiàn)為漫灌高于滴灌，P、Zn 含量則相反。與滴灌相比，果園漫灌顯著提高了根系中K、Fe、Mn的含量（P＜0.05），較滴灌分別提高18.0%、57.5%、32.0%。

圖2 不同灌溉方式下根系中礦質(zhì)元素的含量Fig.2 Content of mineral elements in roots under different irrigation methods

2.3 不同灌溉方式下灰棗年輪中礦質(zhì)元素含量徑向變化分析

由圖3可知，灰棗年輪中9種礦質(zhì)元素含量的年際變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。K 主要分布在棗樹較老和最新的年輪中，呈V 形分布，K 含量在2011、2019 和2020 年表現(xiàn)為漫灌＞滴灌，其他年份則表現(xiàn)為滴灌高于漫灌；Ca、Mg含量年際變化趨勢較為相似，在年輪中的分布為呈外部下降趨勢，Ca 含量在多數(shù)年份中表現(xiàn)為漫灌＞滴灌，Mg含量在2011—2012年間表現(xiàn)為漫灌＞滴灌，2013—2020 年間則為滴灌＞漫灌；P 含量變化趨勢表現(xiàn)為隨時間的推移逐漸升高，漫灌下灰棗年輪中P 含量高于滴灌；年輪中K、Ca、Mg 和P 含量變化范圍依 次 為1.69～3.11、1.20～2.82、0.67～1.32 g·kg-1和135.65～821.99 mg·kg-1。Cu、Zn、Mn在年輪中的分布規(guī)律較為相似，即隨時間的推移整體逐漸升高，其中，Cu含量在大多數(shù)年份中表現(xiàn)為滴灌＞漫灌，滴灌下Zn含量在年輪中波動較大且高于漫灌，Mn含量在2011—2020年間表現(xiàn)為漫灌高于滴灌；Fe、Mo 含量在灰棗樹干中的分布規(guī)律性不強，滴灌下Fe 含量在多數(shù)年份中高于漫灌且年際波動較大，隨著時間的推移，滴灌下Mo 含量呈先升高后降低的變化趨勢，漫灌下則表現(xiàn)為先升高后降低再升高的變化趨勢；年輪中Cu、Zn、Mn、Fe和Mo含量范圍依次為1.67～3.86、3.45～11.47、1.45～2.98、32.39～60.37和0.29～4.17 mg·kg-1。

圖3 不同灌溉方式下灰棗中K、Ca、Mg、P、Cu、Zn、Mn、Fe、Mo含量的徑向變化Fig.3 Radial variation of K， Ca， Mg， P， Cu， Zn， Mn， Fe and Mo contents in Jujube under different irrigation methods

2.4 土壤礦質(zhì)元素含量分析

由圖4可知，在0～60 cm土層內(nèi)，滴灌和漫灌方式下土壤中P、Cu、Zn、Mn 含量均以0～20 cm 土層處最高。各元素在不同深度土層中的累積含量表現(xiàn)為Ca＞Fe＞K＞Mg＞P＞Mn＞Zn＞Cu＞Mo。土壤中P 含量隨土層深度加深而降低，且在3 個土層間均表現(xiàn)為滴灌＞漫灌。隨著土層深度的加深，Ca、Mg含量變化趨勢相同，滴灌下呈先升高后降低的趨勢，漫灌下則呈先降低后升高的趨勢，在20～40 cm 土層表現(xiàn)為滴灌＞漫灌。漫灌下土壤Zn含量隨土層深度加深呈先降低后升高的趨勢，滴灌下則呈逐漸降低的趨勢，且3個土層間均表現(xiàn)為滴灌＞漫灌。土壤Mn 含量隨土層深度的變化不明顯。K含量在土壤中的積累情況表現(xiàn)為滴灌＞漫灌，漫灌下Mo 含量在40～60 cm 土層最高，滴灌下則在0～20 cm土層最高。土壤Cu含量整體隨土層深度的增加而逐漸降低且漫灌＞滴灌，漫灌下土壤Fe含量隨土層深度的增加而逐漸降低，滴灌下則表現(xiàn)為在20～40 cm 土層最高。

圖4 不同深度土層礦質(zhì)元素含量Fig.4 Mineral elements content in different depth soil layers

2.5 相關(guān)性分析

2.5.1 細根與年輪中礦質(zhì)元素含量的相關(guān)性分析由灰棗根系和年輪中礦質(zhì)元素含量的相關(guān)系數(shù)（圖5）可知，灰棗根系與年輪的P、Mg、Cu 含量在多數(shù)年份中呈正相關(guān)關(guān)系；除2020 年外，其他年份灰棗根系與年輪中K 含量呈負相關(guān)關(guān)系；根系與年輪中Mn、Mo 含量在2019 年呈極顯著正相關(guān)，2011 年則呈極顯著負相關(guān)；根系與年輪中Fe、Zn含量呈現(xiàn)較強的正相關(guān)性。

圖5 根系礦質(zhì)元素含量與棗樹年輪中礦質(zhì)元素含量的相關(guān)系數(shù)Fig.5 Correlation coefficient between mineral elements content in root and mineral elements content in jujube tree rings

2.5.2 不同土層與年輪中礦質(zhì)元素含量的相關(guān)性分析 由圖6 可知，不同土層與年輪中P、K、Cu、Zn、Mo含量的相關(guān)性和根系與年輪中相對應(yīng)元素的相關(guān)性較為一致，而Fe、Mn 含量則相反。P 含量在不同土層與年輪中的相關(guān)性一致，即2012—2020 年不同土層與年輪中的P含量呈正相關(guān)關(guān)系，2011年則呈負相關(guān)關(guān)系；20～40 cm土層土壤與年輪中K含量具有較強的負相關(guān)性；0～20 cm 土層土壤與年輪中Ca 含量具有較強的正相關(guān)性，且在2019 和2020 年間呈顯著正相關(guān)，2013—2018 年呈極顯著正相關(guān)；不同土層與灰棗年輪中Mg含量及0～20 cm 土層與灰棗年輪中Cu 含量的相關(guān)性均不顯著，2017 年20～40 cm 土層、2020 年40～60 cm土層Cu 含量分別與年輪中的Cu 含量呈顯著正相關(guān)和極顯著負相關(guān)；土壤與年輪中Fe、Mo 含量的相關(guān)性均在0～20 cm 土層較強；20～40、40～60 cm 土層中，土壤與年輪中Zn 含量在多數(shù)年份間呈正相關(guān)，而Mn 含量則呈負相關(guān)。

圖6 不同土層礦質(zhì)元素含量與棗樹年輪中礦質(zhì)元素含量的相關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficient between mineral elements content in different soil layers and mineral elements content in jujube tree rings

3 討論

3.1 不同灌溉方式下土壤、根系和樹體礦質(zhì)元素年平均積累量的差異

成土母質(zhì)影響土壤中礦質(zhì)元素的分布和豐缺［21］。本研究發(fā)現(xiàn)，灰棗棗園土壤中各礦質(zhì)元素的含量表現(xiàn)為Ca＞Fe＞K＞Mg＞P＞Mn＞Zn＞Cu＞Mo，Ca、Fe 含量較高，符合這些元素在地殼中的分布規(guī)律。細根是吸收和向上傳輸土壤養(yǎng)分的重要器官［22］，因此根系中鉀、鎂、鈣含量較為豐富。棗園中常施用磷肥做基肥，磷鉀肥作為追肥，導(dǎo)致棗樹樹體中磷鉀含量較高。

灌溉方式也會影響礦質(zhì)元素在植物體內(nèi)的運輸吸收。滴灌是多種果樹栽培中的高效灌溉方法［23-25］。滴灌僅濕潤根區(qū)土壤，濕潤深度較淺導(dǎo)致棗樹根系上浮，大量有效水集中在根部，養(yǎng)分也集中在滴水處形成的濕潤土壤中，滴灌下水溶性磷鉀肥主要集中于表層土壤中，根系中P 含量也較高［26］。漫灌時土壤的還原條件增強，F(xiàn)e、Cu 易被還原成溶解度較高的低價化合物，使養(yǎng)分有效性增加，根系中Fe、Cu 含量升高［27］。研究表明，滴灌可提高部分肥料的利用率［28］，農(nóng)戶常選擇少量多次施用溶解度較高的鉀鎂肥及部分微肥，這可能是灰棗年輪多數(shù)年份中K、Mg、Zn 等含量較高的原因。不同灌溉方式下灰棗樹體中各礦質(zhì)元素的年平均積累量差異不顯著，這可能與棗樹對礦質(zhì)元素的吸收特性有關(guān)。結(jié)合節(jié)水的優(yōu)點，建議果園采用滴灌灌溉方式。

3.2 灰棗年輪中礦質(zhì)元素含量的徑向變化

礦質(zhì)元素在年輪內(nèi)的分布及其影響因素較為復(fù)雜，既與元素本身的化學(xué)性質(zhì)及相互作用有關(guān)，又與樹木的遺傳特性及環(huán)境因素等有關(guān)［29］。龍瓊等［30］研究發(fā)現(xiàn)，松樹年輪中的Cu、Zn、Mn 含量隨時間推移呈上升趨勢；Panyushkina 等［31］對落葉松年輪中26 種化學(xué)元素含量進行測定發(fā)現(xiàn)，Ca、Mg 含量隨時間推移呈下降趨勢，P、K、Mn含量則逐漸升高，而Fe含量伴有突然的高峰，本研究結(jié)果與上述結(jié)論較為一致?；覘棇儆诮?jīng)濟樹種，每年施用的肥料會影響樹體中元素的分布。幼樹生長過程中，肥料成本投入增加以促進果樹生長，這可能是2011—2013 年灰棗年輪中K、Mg、Ca 含量普遍較高的原因；同時P、K、Zn 在植物體內(nèi)易向新生部位移動，這可能也是上述元素含量在年輪中呈現(xiàn)隨時間推移而逐漸升高的原因。隨著樹齡的增大，灰棗生長速率逐漸增大，對P、K、Cu、Zn 等含量的吸收能力增強，而對Mg、Ca 含量的吸收減弱，且Mg、Ca 含量在灰棗年輪中呈外部下降趨勢，這可能與Mg、Ca 為同簇類元素，在樹干內(nèi)的徑向分布往往顯示出相似的特征有關(guān)［32］；Cu、Zn、Mn 含量在樹輪中由心材到邊材逐漸增加，可能是由元素的橫向遷移所致［33］。

3.3 灰棗年輪和細根、不同土層元素含量的相關(guān)性分析

年輪和土壤中元素的相關(guān)性為研究年輪—環(huán)境系統(tǒng)開辟了道路。錢君龍等［34］研究發(fā)現(xiàn)，馬尾松樹輪與根部土壤中8 種元素的含量滿足對數(shù)線性關(guān)系；王亞平等［35］對楊樹年輪及其根部土壤中9種化學(xué)元素的相關(guān)性研究結(jié)果表明，年輪與根土對應(yīng)元素的含量呈正相關(guān)關(guān)系。本研究相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，P、K、Cu、Zn、Mo含量在根系和年輪中及土壤和年輪中的相關(guān)性表現(xiàn)較為一致；細根和不同土層中P、Ca、Zn 含量與灰棗年輪對應(yīng)元素的含量在多數(shù)年份間呈正相關(guān)關(guān)系，而K 含量則呈負相關(guān)關(guān)系，可能是由于種植區(qū)土壤多為砂質(zhì)土，鉀含量高，而K 在植物體內(nèi)移動性強，不斷向幼嫩部位轉(zhuǎn)移，即K 集中分布在代謝最活躍的器官和組織中［36］，葉面施用鉀肥可緩解植物缺鉀。0～60 cm 土層和根系P 含量分別與年輪中P 含量呈現(xiàn)較強的正相關(guān)性，不同土層與年輪中Ca 含量的相關(guān)性均較強，根系與年輪中Ca、Cu 含量的相關(guān)性較弱；40～60 cm 土層Mg 含量、20～60 cm 土層Zn 含量分別與年輪中Mg、Zn含量具有較強的相關(guān)性。因此，在果園管理中，磷肥可集中施用在根部附近以促進樹體生長，鈣、銅肥宜基施和噴施，鎂、鋅肥則可深施。根系與年輪中Fe 含量具有較強的正相關(guān)性，而土壤Fe 含量則相反，主要原因可能是Fe 在地殼中的含量較高，在土壤中僅次于Al，而有效態(tài)鐵的含量較低［37-38］，因此，生產(chǎn)中可補施適量鐵肥。而微量元素Mn、Mo 在生長過程中需求較少，可采取葉面噴施的方法進行補充。

4 結(jié)論

灰棗年輪中礦質(zhì)元素含量隨時間的變化趨勢各異，K、P、Cu、Zn、Mn 含量隨時間的推移呈逐漸升高趨勢，Ca、Mg 含量則相反，F(xiàn)e、Mo 含量呈現(xiàn)無規(guī)則的變化趨勢。相關(guān)性分析結(jié)果表明，細根和不同土層中P、Ca、Zn、K、Mo含量與灰棗年輪各年份中相對應(yīng)元素含量的相關(guān)性總體一致。在灌溉方式上，考慮成本及節(jié)水因素可采用滴灌方式。在田間管理上，可注重磷肥、鉀肥和鎂肥的合理施用。