調虧灌溉和灌溉方式對香梨樹吸收根系重分布的影響

武 陽 趙 智 王 偉 黃興法 馬英杰

(1.中國農業(yè)大學水利與土木工程學院， 北京 100083； 2.中國水利水電出版社， 北京 100038；3.中國農業(yè)大學工學院， 北京 100083； 4.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院， 烏魯木齊 830052)

調虧灌溉和灌溉方式對香梨樹吸收根系重分布的影響

武 陽1趙 智2王 偉3黃興法1馬英杰4

(1.中國農業(yè)大學水利與土木工程學院， 北京 100083； 2.中國水利水電出版社， 北京 100038；3.中國農業(yè)大學工學院， 北京 100083； 4.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院， 烏魯木齊 830052)

于2009—2010年開展了田間試驗，研究了調虧灌溉對成齡庫爾勒香梨樹吸收根系重分布的影響。灌溉方式為地表滴灌與漫灌，滴灌試驗包括輕度與重度水分脅迫處理(在新梢及果實生長緩慢期分別按蒸發(fā)量的60%與40%灌溉，在其他生育期按蒸發(fā)量的80%灌溉)，對照處理為充分灌溉，在整個生育期按蒸發(fā)量的80%灌溉。每年4—8月份，漫灌每月灌溉1次，灌水定額為300 mm。所有處理在2009年之前均為漫灌。研究結果表明，成齡庫爾勒香梨樹的吸收根系主要分布于地表以下20～60 cm。梨樹需要2 a時間調整吸收根系的分布以適應灌溉方式由漫灌轉為滴灌。土壤水分脅迫減小了梨樹吸收根系的根長，抑制了梨樹的營養(yǎng)生長，其后恢復充分灌溉可促進根系的生長。梨樹新梢及果實生長緩慢期的土壤水分脅迫對根系生長的抑制效果超過了對新梢生長的抑制；但吸收根系的生長與果實產量之間并無顯著的相關性。

庫爾勒香梨； 根長密度； 果樹生長； 果實產量

引言

調虧灌溉(RDI)技術在果實緩慢生長期施加一定程度的水分脅迫，限制營養(yǎng)生長，在果實快速膨大期恢復充分供水從而提高果實的產量或品質[1-3]。已有研究表明，調虧灌溉可減小桃、梨和蘋果樹的葉水勢并抑制營養(yǎng)生長[1，4-5]；提高枇杷、葡萄和柑橘樹的灌溉水利用效率，改善果實品質，提高果實的經濟價值[6-8]。

灌溉方式影響根區(qū)土壤水分分布，進而影響植物的根系生長。STEVENS等[9]研究表明，滴灌使葡萄根系集中分布于滴灌管附近，而微噴的根系則在種植區(qū)域內分布較均勻。LEVIN等[10]和RUIZ-SNCHEZ等[11]對蘋果樹和杏樹的研究也表明距灌水器越近根系數量越多。水資源短缺已逐漸成為制約干旱半干旱地區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素，越來越多的果園開始采用微灌節(jié)水技術。因此，評價灌溉方式轉變對果樹根系分布的影響具有重要意義。

灌溉制度影響土壤剖面的水分分布，從而影響根系密度及根系生長深度[12]，通常土壤水分虧缺會限制根系生長[13-14]。已有研究表明，土壤水分脅迫會降低馬鈴薯與冬小麥根系密度[15-16]；與地下部分的營養(yǎng)生長相比，土壤水分脅迫可更有效地抑制枝條生長，導致作物在土壤水分脅迫期間具有較大的根/枝比[13,17-18]。目前，在果樹新梢生長緩慢甚至停滯期，水分脅迫對果樹根系生長的影響規(guī)律尚不明確，相關的研究報道也較少。

梨樹生長可分為3個生育期，即細胞分裂期、果實緩慢膨大期與果實快速膨大期[19]。調虧灌溉對梨樹生長影響的研究結果表明，果實緩慢膨大期施加水分脅迫能有效限制梨樹營養(yǎng)生長，增加或保持果實產量[2,4,20-24]。武陽等[25]的研究表明，庫爾勒香梨樹新梢生長在細胞分裂期結束時基本停止。然而，調虧灌溉對梨樹根系生長的影響及其對枝條生長和果實產量的影響報道較少。

土壤水分是影響果樹生長的關鍵因素[11]，探索根系的吸水規(guī)律對提高水分利用效率具有重要意義[26-32]。本文通過田間試驗研究枝條和果實生長緩慢期施加水分脅迫、果實快速膨大期恢復充分灌溉以及灌溉方式的轉變對成齡庫爾勒香梨根系重新分布的影響，以及根系分布對梨樹生長及果實產量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2009—2010年在新疆庫爾勒市(41°43′N、86°06′E)進行。試驗區(qū)屬極度干旱地區(qū)，多年平均降水量為50 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 600 mm。試驗期間，2009、2010年的蒸發(fā)量分別為800、773 mm(美國A級蒸發(fā)皿測量)，降水量分別為21.2、24 mm。 試驗果園的土壤為砂質壤土，其中粉粒質量分數為50.36%，黏粒質量分數為5.55%，砂粒質量分數為44.09%；平均土壤容重(0～1.5 m)為1.5 g/cm3，田間持水率為36.7%(體積含水率)。試材為24 a生成齡香梨樹，株行距為5 m×6 m。

1.2 試驗設計

試驗包括1個漫灌處理和3個滴灌處理。滴灌處理包括輕度與重度水分脅迫處理，分別在果實緩慢膨大期(5月中旬—7月初)按蒸發(fā)量的60%與40%進行灌溉，在細胞分裂期(4月中旬—5月中旬)及果實快速膨大期(7月初—果實收獲)按蒸發(fā)量的80%進行灌溉；以及充分灌溉處理(對照)，全生育期按蒸發(fā)量的80%進行灌溉。漫灌處理與滴灌處理之間由8行滴灌梨樹隔離。漫灌處理根據當地農民灌水經驗進行灌溉，即4—8月份每月進行一次漫灌，灌水定額為300 mm。2009年以前，滴灌處理的梨樹采用漫灌模式灌溉，灌溉制度與漫灌處理相同；2009年試驗開始后采用地表滴灌，每行樹布置2條滴灌管，分別位于樹行兩側距離樹行1 m處。滴頭間距50 cm、流量2.8 L/h。每7 d灌溉1次。試驗采用完全隨機重復布置，每個處理重復3次。

1.3 觀測項目與方法

1.3.1 土壤水分與蒸發(fā)量

采用便攜式土壤水分監(jiān)測儀(Diviner2000 型，Sentek Pty Ltd.,澳大利亞)觀測土壤含水率。每個重復安裝2個測管，分別位于滴灌管正下方及距樹行2 m處，安裝深度為1.5 m，每次灌溉前測量土壤剖面含水率。采用壓力膜(1500 型，Soil Moisture Equipment Corp.)測量果園土壤水分特征曲線，利用土壤水分特征曲線將體積含水率轉換為土壤水勢。采用美國A級蒸發(fā)皿測量蒸發(fā)量，每天20:00觀測1次。

1.3.2 樹體

每個重復選取1棵樹(各處理3棵)進行吸收根系(直徑小于1 mm)測量[27,30,33]。滴灌根系取樣分別于每年的7月初(水分脅迫結束后)及9月中旬(果實收獲后)各進行1次。每棵樹選取2個取樣點，分別位于滴灌管正下方(滴灌濕潤區(qū)內)及距樹行2 m(非濕潤區(qū)內)處(圖1)。根系取樣器內徑為100 mm，取樣深度達90 cm，分為3層：0～20 cm、20～60 cm及60～90 cm。漫灌處理于2010年9月中旬取樣，取樣位置和取樣深度與滴灌處理相同。根系取出后清除土壤及雜草，利用根系掃描儀(WinRHIZO)測量吸收根系長度，根長密度由根系總長除以對應土壤體積計算。

圖1 根系取樣及滴灌管布置示意圖Fig.1 Sketch of root sampling and driplines layout

每個處理選取60個枝條，每7 d測量1次長度。所有處理每年夏天進行1次剪枝，分別測量和記錄剪枝鮮質量。9月中旬收獲果實，每個處理選取6棵梨樹，人工測量產量。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 16.0對數據進行方差分析，均值差異采用Tukey檢驗，顯著性檢驗水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤水分

由于高灌水定額與低灌溉頻率，漫灌處理的土壤水勢波動幅度較大(圖2)。對于滴灌處理而言，水分脅迫期間，水分脅迫處理土壤水勢持續(xù)下降，并于果實緩慢膨大期末達到最低值。對照處理的土壤水勢一直維持在-50 kPa左右，表明梨樹未受土壤水分脅迫。水分脅迫處理恢復充分灌水后，30 cm深度的土壤水勢逐漸恢復到-50 kPa左右(圖2)。非濕潤區(qū)連續(xù)2 a未灌溉，土壤水勢持續(xù)下降，各滴灌處理之間并無顯著差異(圖3)。

圖2 2010年濕潤區(qū)灌水前土壤水勢變化Fig.2 Changes of soil water potential measured immediately before each irrigation event in irrigated zone in 2010

圖3 2010年非濕潤區(qū)灌水前土壤水勢變化Fig.3 Changes of soil water potential measured immediately before each irrigation event in non-irrigated zone in 2010

2.2 漫灌與對照處理的吸收根系分布

漫灌處理的根長密度峰值出現(xiàn)在20～60 cm土層(表1、2)，且顯著高于其他2層的根長密度 (P<0.05)，取樣點B各土層的根長密度略高于取樣點A，但二者之間并無顯著性差異。

與漫灌處理相比，2009年對照處理滴灌濕潤區(qū)根系顯著增加(表1)，非濕潤區(qū)內除60～90 cm土層的根系增加顯著外，其他2層根長密度差異不顯著(表1)。2010年對照處理滴灌濕潤區(qū)內根長密度較2009年有所降低，但各土層內的根系與漫灌處理之間并無顯著性差異(0～20 cm土層除外)；在非濕潤區(qū)內，土壤水分虧缺持續(xù)增加，對照處理的根長密度顯著低于對應濕潤區(qū)以及漫灌處理的根長密度(60～90 cm土層除外)。

2.3 調虧灌溉處理梨樹吸收根系分布

濕潤區(qū)內，2009年7月初，土壤水分脅迫結束后，水分脅迫處理20～90 cm的根長密度均低于對照處理，且重度水分脅迫處理與對照之間差異顯著(表2)；果實收獲(9月中旬)后，水分脅迫處理20～90 cm的根長密度顯著提高(P<0.05)，但與對照處理并無顯著差異。2010年，水分脅迫處理在濕潤區(qū)內根長密度的變化趨勢與2009年相似，土壤水分脅迫使根長密度減??；但果實收獲后，水分脅迫處理20～60 cm的根長密度比對照提高了70%左右，輕度與重度水分脅迫處理的根長密度分別達到8.10、8.24 mm/cm3。

表1 取樣點A(濕潤區(qū))與取樣點B(非濕潤區(qū))漫灌處理(2010年)與對照處理(2009、2010年)9月份吸收根系分布Tab.1 Fine roots distribution of flood irrigated(2010)and control plots (2009 and 2010) in middle September in sample points A (irrigated zone) and B (non-irrigated zone)

注：不同字母表示處理間存在顯著性差異(P<0.05)，下同。

表2 2009年與2010年滴灌處理濕潤區(qū)內吸收根系根長密度Tab.2 Fine roots length density in irrigated zone of drip irrigated plots in 2009 and 2010

注：7月初為第1次取樣，即土壤水分脅迫結束后；9月中旬為第2次取樣，即果實收獲后，下同。

非濕潤區(qū)內，2009年除重度水分脅迫處理表層的根長密度在7月份急劇減小外(表3)，各滴灌處理的根長密度并無顯著差異。漫灌改為地表滴灌的第2年(2010年)，各處理的根長密度在7月份和9月份均有所減小，以0～20 cm土層最為明顯，而20～60 cm土層的根長密度則高于其他2層；與7月份相比，各處理9月份的根長密度均有顯著增加(P<0.05)。

表3 2009年與2010年滴灌處理非濕潤區(qū)內吸收根系根長密度Tab.3 Fine roots length density in non-irrigated zone of drip irrigated plots in 2009 and 2010

2.4 枝條生長、果實產量及其與根長密度的關系

與漫灌處理相比，滴灌處理的新梢長度與夏剪量明顯減小(表4)。5月中旬前，梨樹新梢生長較快，之后逐漸減緩直至停止生長。因此，試驗處理的水分脅迫對梨樹新梢最終長度的影響較小，僅2009年的重度水分脅迫處理與對照存在顯著性差異，新梢最終長度與9月份吸收根系根長密度之間無顯著相關關系(表5)。除2010年輕度水分脅迫處理外，其他水分脅迫處理的剪枝量則顯著低于對照處理，這可能是由于徒長枝在5月中旬后仍有較大的生長量。7月份土壤水分脅迫結束時，吸收根系根長密度與新梢最終長度之間具有顯著的相關關系，說明水分脅迫能同時抑制梨樹地上及地下部分的營養(yǎng)生長(表5)。與其他處理相比，輕度土壤水分脅迫顯著提高了果實產量，但其他處理之間差異不顯著，果實產量與7月份及9月份根長密度之間的相關關系均不顯著。

3 討論

3.1 灌溉方式轉變對吸收根系分布的影響

TANASESEU等[34]和SOKALSKA等[27]認為果樹根系主要分布在地表土層，且隨著深度的增加而逐漸減少。本研究結果表明梨樹的吸收根系主要分布在20～60 cm土層，這與ABRISQUETA等[14]的結論相似。

試驗梨園一直為漫灌，2009年試驗開始后采用地表滴灌。FERNNDEZ等[35]與 RUIZ-SNCHEZ 等[11]的研究認為滴灌能促使果樹根系向灌溉濕潤區(qū)內集中。本研究結果表明，2009年對照處理非濕潤區(qū)內根長密度并未顯著減?。辉诘喂酀駶檯^(qū)內，20～60 cm與60～90 cm土層的根長密度分別較漫灌增加了109%與136%。2010年對照處理濕潤區(qū)內根長密度較2009年有所降低，但與漫灌處理相比差異不顯著。在非濕潤區(qū)，2010年對照處理20～90 cm的根長密度與漫灌處理相近，由于灌溉方式的轉變，土壤非濕潤區(qū)連續(xù)2 a未進行灌溉，表層0～20 cm處的根系顯著減少。這表明成齡庫爾勒香梨樹由漫灌轉為地表滴灌的第1年，通過增加吸收根系密度來適應灌溉方式的轉變；而在第2年，滴灌濕潤區(qū)內的根長密度則恢復到漫灌的水平。

表4 各處理產量、新稍長度及剪枝量Tab.4 Yield, final shoot extension length and fresh weight of pruning

表5 吸收根系與地上部分生長參數間相關系數Tab.5 Spearman’s correlation coefficient between aboveground growth parameters and root length density in 0～90 cm soil layer in irrigated zones of drip irrigated plots

注:*、** 分別表示水平在P<0.05、P<0.01水平差異顯著，ns表示差異不顯著。

3.2 水分脅迫及恢復充分灌溉對梨樹吸收根系的影響

5月中旬—7月初為土壤水分脅迫時期，與對照相比，水分脅迫顯著降低了灌溉濕潤區(qū)內的根長密度。ABRISQUETA等[14,36]對桃樹的研究也得出相似的結論。如表2所示，7月初土壤水分脅迫結束時，濕潤區(qū)內60～90 cm土層根長密度與對照相比的減少量高于其他2層；BENJAMIN等[37]對豌豆的研究表明水分脅迫促進了深層根系(0.23 cm以下)的生長，邵光成等[38]和楊再強等[39]對辣椒和番茄的研究也得出相似結論。成齡梨樹的根系深度遠大于1 a生的大田作物，土壤深層的透氣性較差可能加重了土壤水分脅迫對深層根系生長的抑制。雖然輕度水分脅迫處理的根長密度在灌溉濕潤區(qū)較重度水分脅迫處理大，但在水分脅迫期間，2種水分脅迫處理的根長密度在濕潤區(qū)及非濕潤區(qū)均未表現(xiàn)出顯著差異。

7月中旬開始，各水分脅迫處理恢復充分灌溉直至果實收獲。水分脅迫后的充分灌溉能促進果樹根系的生長[40]。對杏樹的研究表明，調虧灌溉增加了滴頭下方根系的干物質，尤其在地表下40～60 cm深度，根系干物質量增加了1倍[41]。MCCULLY[42]對小麥、梨果仙人掌及黑麥草等作物的研究表明，干旱能導致親本根頂端分生組織死亡或萎縮，通常也會誘發(fā)吸收根系根原基的發(fā)育，這些根原基具有一定的抗旱能力，重新灌水后，能迅速發(fā)育成根系，吸收水分和養(yǎng)分。本研究中，恢復充分灌溉能迅速促進水分脅迫處理濕潤區(qū)內根系的生長，尤其是20～60 cm土層，2010年9月份的根長密度較7月份提高了約100%。這表明調虧灌溉能夠像調節(jié)果樹地上部分營養(yǎng)生長一樣用來調節(jié)果樹根系的生長。

3.3 梨樹根系重分布對新稍生長及果實產量的影響

土壤水分脅迫能有效抑制果樹地上及地下部分的營養(yǎng)生長，且能更加有效地抑制新梢的生長。承受水分脅迫的植物會首先保證根系生長[43]，具有更高的根/枝比[17,41,44]。在本研究中，輕度與重度水分脅迫處理灌溉濕潤區(qū)內根長密度較對照分別減小了12.8%與21.1%(2009年與2010年平均值)，而新梢最終長度較對照僅分別減小了3.7% 與 5.6%(2009年與2010年平均值)。該結果表明在新梢生長的緩慢期施加土壤水分脅迫能更加有效地抑制梨樹吸收根系的生長。果實緩慢膨大期，新梢生長基本停止，果實也處于緩慢生長期，該生育期的土壤水分脅迫不會對果實生長造成負面影響。

試驗期間，雖然灌溉方式的轉變使對照處理的梨樹吸收根系分布經歷了較大的轉變，但對照處理與漫灌處理的果實產量并無顯著差異(表5)。相對對照而言，輕度水分脅迫灌溉顯著地提高了果實產量，這與雷廷武等[22]和CHARMERS等[4]的研究結果一致。以往的研究表明，吸收根系的分布受土壤水分的影響，同時又影響果樹的果實產量[34]；更多數量的吸收根系會得到更高的果實產量[22]。TANASESCU等[32]的研究也表明蘋果樹最終的產量與活性根系橫截面面積呈線性關系。在本研究中，雖然水分脅迫處理在恢復充分灌溉后根長密度顯著增加(表2)，但根長密度與最終產量之間并無顯著的相關關系(表5)。2010年果實收獲后，水分脅迫處理在濕潤區(qū)內的根長密度顯著高于其在7月份及對照處理的根長密度，而僅有輕度水分脅迫處理的產量顯著高于其他處理。這表明輕度水分脅迫對梨樹根系生長的抑制及其后恢復充分供水對根系生長的促進能有效保證果實的生長，而重度的水分脅迫則不具備此效應。經受水分脅迫的梨樹復水后，吸收根系快速生長，從而吸收水分及養(yǎng)分以保證地上部分的生長；而遭受重度水分脅迫的植物可能在復水后短期內無法完全恢復根系的吸收能力[17,45]；這可能對果實生長造成一定的負面影響。汪妮娜等[46]對水稻的研究也表明，水分脅迫后恢復供水雖然能促進根系發(fā)育，但并不能保證產量的提高。

4 結論

(1)成齡庫爾勒香梨樹的吸收根系主要分布在距地表20～60 cm深度土層內，且易受灌溉方式及灌溉制度的影響。灌溉方式由漫灌改為地表滴灌以后，滴灌濕潤區(qū)內的梨樹吸收根系有所增加。成齡香梨樹需要2 a時間調整吸收根系的分布狀況來適應灌溉方式的轉變。

(2)果實緩慢膨大期梨樹新梢生長緩慢，與新梢相比，該階段的土壤水分脅迫能更為有效地抑制吸收根系的生長，其后恢復充分灌水能有效促進吸收根系生長。梨樹果實產量與吸收根系的長度并沒有顯著的相關性。水分脅迫及其后的復水能有效促進根系生長，但重度的水分脅迫仍會對果實生長產生不利影響。

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Effect of Regulated Deficit Irrigation and Irrigation Mode on Fine Roots Redistribution of Fragrant Pear Trees

WU Yang1ZHAO Zhi2WANG Wei3HUANG Xingfa1MA Yingjie4
(1.CollegeofWaterResourcesandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.ChinaWaterandPowerPress,Beijing100038,China3.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China4.CollegeofHydraulicandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,China)

Field experiment was conducted to evaluate the effects of regulated deficit irrigation on the fine roots redistribution of mature Korla fragrant pear trees planted in the oasis in 2009 and 2010. The experiment consisted of drip and flood irrigation plots. The drip irrigation plots included two water deficit treatments: applying 60% (moderate) and 40% (severe) of pan evaporation during the slow growth stage of both shoot and fruit (stage 2), and 80% (full irrigation) of pan evaporation in the two other stages, and the control treatment: applying 80% of pan evaporation during the whole growth season. The flood irrigation plots were irrigated with amount of 300 mm per month from April to August. All the experimental plots were flood irrigated before 2009. The results showed that fine roots of mature Korla fragrant pear trees mainly distributed in 20～60 cm soil layers. The previously flood irrigated Korla fragrant pear trees spent two years on adapting to the irrigation mode transformation from flood irrigation to drip irrigation through redistributing their fine roots. Water stresses decreased fine roots length and inhibited the vegetative growth of fragrant pear trees, while the resumption of full irrigation boosted their growth. The water deficit inhibited fine roots development more effectively than shoots, owing to the near cessation of shoot growth in stage 2. However, no remarkable correlations between fine roots length and fruit yield were observed. The results provided the theoretical basics for regulated deficit irrigation application to the mature fruit trees planted in the extremely arid regions.

Korla fragrant pear; root length density; fruit tree growth; fruit yield

2016-09-16

2016-11-14

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2007BAD38B00)和國家自然科學基金項目(50879087)

武陽(1983—)，男，助理研究員，博士，主要從事水肥一體化理論及技術研究，E-mail: aboluo1983331@163.com

王偉(1971—)，男，副教授，博士，主要從事農業(yè)水土工程研究，E-mail: weiwang@cau.edu.cn

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.030

S275.6； S152.7+5

A

1000-1298(2017)05-0244-07