井 大 煒

(1.德州學(xué)院， 山東 德州 253023; 2.山東省林業(yè)科學(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250014)

植物對(duì)于水分的需求與其所處環(huán)境的水分條件經(jīng)常處于矛盾之中，各種植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，經(jīng)常處于水分虧缺或水分過(guò)多的環(huán)境之中[1]。而生長(zhǎng)在不同生態(tài)條件下的植物根系，其形態(tài)特征、分布狀況以及生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律都有它自己的特點(diǎn)[2]。在灌水量較少的地區(qū)大多數(shù)植物都具有較發(fā)達(dá)的根系，盡管在深層土壤中僅有少量的根系存在，但它們對(duì)植物的水分吸收卻發(fā)揮著非常重要的作用[3-4]。水分條件的改變影響到植物根系擁有地下?tīng)I(yíng)養(yǎng)空間的大小和對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)及水分的利用，也直接影響到地上部分產(chǎn)量的高低。

楊樹是北方平原與沙區(qū)營(yíng)造防護(hù)林和用材林的主要樹種，品質(zhì)繁多，栽培面積大，在生態(tài)環(huán)境治理和解決木材短缺方面均占有重要的地位。目前，雖然已經(jīng)有比較成熟的微灌技術(shù)，但由于成本高，主要應(yīng)用于黃瓜、番茄、棉花等農(nóng)作物上[5-7]，而在林木生產(chǎn)上的應(yīng)用較少。在大部分林木的造林管理中仍然以傳統(tǒng)的漫灌為主要的灌溉方式。關(guān)于不同灌溉方式對(duì)土層中硝態(tài)氮運(yùn)移的研究主要集中在農(nóng)作物方面[6,8]，而在楊樹方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，本文以5年生的歐美I-107楊為研究對(duì)象，對(duì)比分析在原有的漫灌方式與改進(jìn)的畦灌方式下歐美I-107楊根系的垂直分布規(guī)律及硝態(tài)氮運(yùn)移的變化特征，目的是在評(píng)價(jià)根系分布的同時(shí)，研究不同灌溉方式對(duì)環(huán)境(表層和深層土壤)的影響效果，為干旱區(qū)人工林的水分利用和合理調(diào)控灌溉提供理論支持和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與供試材料

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在山東省濟(jì)南市北郊林場(chǎng)，地理坐標(biāo)為北緯36°40′，東經(jīng)117°00′，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，日照充分，年平均氣溫14 ℃，年平均降雨量650～700 mm。供試土壤為潮土，土壤速效N 19.65 mg/kg，速效P 14.32 mg/kg，速效K 45.79 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量7.83 g/kg。所用化肥為尿素、磷酸一銨和氯化鉀，肥料用量為常規(guī)施肥量，相當(dāng)于N 205.28 kg/hm2，P2O570.38 kg/hm2和K2O 58.65 kg/hm2的施肥水平。楊樹為5年生I-107歐美楊人工林，株行距2.5 m×5 m，南北行向，林木生長(zhǎng)均勻，平均樹高12.75 m，平均胸徑12.36 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2012年4月5日試驗(yàn)開(kāi)始進(jìn)行，設(shè)2個(gè)處理：FI(根據(jù)農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)灌水量設(shè)3 600 m3/hm2為灌溉定額，4, 6, 8, 10月每月900 m3/hm2)和BI(根據(jù)楊樹根系的水平分布和灌溉水的側(cè)滲距離，設(shè)定畦寬1.0 m，720 m3/hm2為灌溉定額，4—10月每月103 m3/hm2)。每個(gè)小區(qū)有楊樹30株，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，管理措施相同。根據(jù)楊樹的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，以畦灌為基準(zhǔn)確定灌水時(shí)間，兩種灌溉方式同時(shí)灌水，灌水量用精確度為0.01 m3的水表計(jì)量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水量、水勢(shì)的測(cè)定及根系分布調(diào)查 2012年10月進(jìn)行根系調(diào)查，在兩種不同灌溉方式下的楊樹中隨機(jī)各選取10株，對(duì)所選植株的根系采用分層分段挖掘法，以植株根莖為圓心，水平距離每30 cm為一段，自地表向下每20 cm為一層進(jìn)行分層分段取土，挖掘過(guò)程中采用根系追蹤法和過(guò)篩法把每層的根系全部取出。挖掘根系之前，在所挖掘的植株附近利用1 m土鉆取土樣，每20 cm為一層，用烘干法測(cè)定土壤含水量，同時(shí)利用TRS-II便攜式土壤水勢(shì)測(cè)定儀對(duì)各個(gè)土層的水勢(shì)進(jìn)行測(cè)定。將取回的各層各段根樣帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沖洗干凈，待根系恢復(fù)原狀后放入烘箱于80 ℃下烘干至恒重，然后稱重計(jì)算出各個(gè)層次的根系生物量。

1.3.2 0—100 cm土層硝態(tài)氮運(yùn)移的測(cè)定 以畦灌的灌溉周期為參考，利用土鉆分別取灌水前、灌水當(dāng)天及灌水后7，14，29 d的0—20，20—40，40—60，60—80和80—100 cm土壤，每個(gè)處理6次重復(fù)，同層混合均勻，用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定硝態(tài)氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用Excel 2007和Sigmaplot 10.0分別進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和圖形制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式下土壤含水量、水勢(shì)的垂直變化

不同灌溉方式對(duì)楊樹樣地內(nèi)土壤含水量和土壤水勢(shì)的影響如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，漫灌和畦灌處理在0—20 cm表層的土壤含水量均是最低，隨著土層深度的增加，其土壤含水量均呈逐漸升高的趨勢(shì)。畦灌在40—60 cm土層的含水量與漫灌差異不顯著，而在0—20，20—40，60—80和80—100 cm土層分別比漫灌降低了10.18%，10.31%，14.97%和15.58%，差異均達(dá)顯著水平，并且隨著土層深度的增加，其差異呈逐漸增大的趨勢(shì)。這說(shuō)明畦灌比漫灌的水分深層滲漏明顯減弱。土壤水勢(shì)與土壤含水量表現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律。畦灌在0—40和60—100 cm土層的土壤水勢(shì)均明顯低于漫灌，而在40—60 cm土層差異不顯著。

2.2 不同灌溉方式下根系生物量的垂直分布

從圖2可見(jiàn)，畦灌和漫灌條件下，楊樹根系生物量在土壤中垂直分布趨勢(shì)基本一致，即隨著深度的增加，根系生物量均逐漸減少。同時(shí)可以看出，大量根系分布在0—40 cm的土層內(nèi)，40 cm以下各層根干重顯著減小，使根呈“倒金字塔”型分布。不同灌溉方式之間，楊樹根系垂直分布特征也有顯著差異。在0—20 cm土層，畦灌的根系生物量比漫灌降低了8.28%，差異達(dá)顯著水平；但隨著土層深度的增加，畦灌在20—80 cm土層的根系生物量卻比漫灌增加了35.87%，其中在20—40，40—60和60—80 cm土層分別比漫灌增加了22.97%，52.48%和116.76%，差異均達(dá)顯著水平，并且在0—80 cm土層的總根重也比漫灌增加了5.52%。通過(guò)觀察還發(fā)現(xiàn)，畦灌的根系扎根深度也明顯大于漫灌。此外，在0—20 cm土層中，漫灌方式下的根系生物量占總根重的68.74%，而畦灌只有59.75%。這表明漫灌使楊樹根系生物量向表層集中的趨勢(shì)很明顯，而畦灌能夠增加楊樹根系的總生物量，尤其是深層的根系生物量。

圖1 不同灌溉方式下土壤含水量及土壤水勢(shì)

圖2 不同灌溉方式下楊樹根系生物量的垂直分布

2.3 不同灌溉方式下根系垂直分布特征參數(shù)

Gale等[4]通過(guò)對(duì)不同樹種不同演替階段根系的分布特征的研究，提出了一個(gè)根系垂直分布模型：

Y=1-βd。

式中：Y——從地表到一定深度的根系生物量累積百分比；d——土層深度(cm);β——根系消弱系數(shù)。其中β值越大說(shuō)明根系在深層土壤中分布的百分比越大； 反之，β值越小，則說(shuō)明有更多的根系集中分布于接近地表的土層中。β值的大小與根系體積或根系密度無(wú)關(guān)，只是說(shuō)明了根系垂直分布特征的關(guān)系，引入β值描述楊樹根系分布與土壤深度間的關(guān)系。利用Sigmaplot的函數(shù)擬合功能，對(duì)不同灌溉方式下楊樹根系垂直分布特征參數(shù)進(jìn)行求解，計(jì)算出不同灌溉方式下的β值(表1)。從表1可知， 畦灌處理的消弱系數(shù)大于漫灌，說(shuō)明畦灌方式下可以使楊樹根系在深層土壤中分布的百分比增大。

表1 不同灌溉方式下楊樹的根系消弱系數(shù)

2.4 不同灌溉方式下硝態(tài)氮的運(yùn)移

對(duì)不同灌溉方式下0—100 cm土層灌溉前后土壤中硝態(tài)氮的測(cè)定結(jié)果如圖3所示。隨土層深度的增加，硝態(tài)氮含量逐漸降低且變化幅度減?。还喔确绞讲煌?，硝態(tài)氮運(yùn)移的規(guī)律不同，并且不同土層之間的差異也較明顯。對(duì)于0—20 cm土層而言，灌溉前畦灌與漫灌的硝態(tài)氮含量差異不顯著，灌溉當(dāng)天兩個(gè)處理硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，漫灌的降低幅度較大，比灌溉前降低了36.49%，畦灌相對(duì)較小，比灌溉前減少了25.13%。灌溉后隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，兩個(gè)處理的硝態(tài)氮含量逐漸增加，其中漫灌增加的幅度較大，但灌溉周期結(jié)束(以畦灌的灌溉周期為參考)時(shí)硝態(tài)氮含量仍然是畦灌>漫灌。主要是因?yàn)槁喙嗨看?，淋洗量高，造成表層硝態(tài)氮含量較低，而畦灌灌水量少，淋洗量也少，使留在表層的硝態(tài)氮量相對(duì)較多。20—40 cm土層在灌溉周期內(nèi)硝態(tài)氮的運(yùn)移規(guī)律與0—20 cm基本一致，只是硝態(tài)氮含量相對(duì)較低。40—60 cm土層的硝態(tài)氮含量在兩種不同的灌溉方式下差異不顯著。60—80 cm土層，灌溉前畦灌與漫灌的硝態(tài)氮含量差異不顯著，灌溉當(dāng)天漫灌顯著高于畦灌，灌溉后隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，兩個(gè)處理的硝態(tài)氮含量緩慢降低，但均是漫灌>畦灌。80—100 cm土層在灌溉前和灌溉當(dāng)天，畦灌與漫灌的硝態(tài)氮含量均差異不顯著，但灌溉后隨著上層土壤的進(jìn)一步淋溶，畦灌的硝態(tài)氮含量均顯著低于漫灌，在灌溉后7，14和29 d，畦灌的硝態(tài)氮含量分別比漫灌減少了21.84%，20.24%和19.53%。

3 討 論

3.1 灌溉方式與根系垂直分布及消弱系數(shù)

根系分布是指根在空間梯度或格點(diǎn)上的存在狀態(tài)。根系分布特征及對(duì)環(huán)境的抵御能力是植物生長(zhǎng)和穩(wěn)定性的主要因素，尤其在干旱、半干旱地區(qū)[3,9]。有研究表明，由于根系的分布深度影響到植物地下?tīng)I(yíng)養(yǎng)空間的大小和對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的利用，進(jìn)而直接影響到植物地上部分的生長(zhǎng)和功能效益的發(fā)揮。

圖3 不同灌溉方式下硝態(tài)氮的運(yùn)移情況

注：橫軸0為灌溉前； 1為灌溉當(dāng)天； 8為灌溉后第7 d； 15為灌溉后第14 d； 30為灌溉后第29 d。

本試驗(yàn)研究認(rèn)為，不同灌溉方式下，楊樹根系生物量的垂直分布隨土壤深度的增加呈逐漸減少的趨勢(shì)，這符合植物根系垂直分布的普遍規(guī)律，與大多數(shù)研究者報(bào)道基本一致[10-12]。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在0—20 cm 土層，漫灌方式下的楊樹根系生物量顯著高于畦灌，并且根量占根系總量的百分比達(dá)到了68.74%，而畦灌只有59.75%；但在20—80 cm土層，畦灌的根系生物量卻比漫灌增加了35.87%，而且根系的扎根深度也明顯大于漫灌。根系垂直分布模型中消根系數(shù)β的變化也說(shuō)明畦灌相比漫灌能使根系在深層土壤中分布的百分比增大。這主要是由于漫灌的灌水量較大，滿足了楊樹對(duì)水分的需求，根系向下伸展的“積極性”降低，根系生物量主要集中在上層，根系所占有的空間相對(duì)較?。欢韫嘤捎诠嗨枯^小，楊樹為了獲取更多的水分維持其生長(zhǎng)發(fā)育，根系向下伸展的較深，根系所占有的空間相對(duì)較大。

3.2 灌溉方式與硝態(tài)氮運(yùn)移

有研究表明，灌溉方式影響了水分的運(yùn)移規(guī)律，而土壤鹽分的變化與水分運(yùn)動(dòng)是分不開(kāi)的，溫度勢(shì)梯度下土壤鹽分的遷移仍然以水分運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)[13]。因此，灌溉方式還會(huì)對(duì)鹽分的運(yùn)移產(chǎn)生影響。本文兩種不同的灌溉方式下硝態(tài)氮的運(yùn)移規(guī)律有明顯的差異。在0—40 cm土層，畦灌的硝態(tài)氮含量顯著高于漫灌，這可能與該土層的含水量、水勢(shì)變化規(guī)律有關(guān)，隨著土壤含水量的降低，硝態(tài)氮含量呈增加的趨勢(shì)。這與孫麗萍等[8]的研究結(jié)果一致。在60—100 cm土層，畦灌的硝態(tài)氮含量顯著低于漫灌?？梢?jiàn)，畦灌有助于表層硝態(tài)氮的累積，而楊樹根系主要分布在這個(gè)范圍，故有利于楊樹對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，降低了硝態(tài)氮的深層淋失，提高了肥料利用率；而漫灌使較多的硝態(tài)氮向深層淋溶，這不僅造成了養(yǎng)分的大量流失而且還會(huì)對(duì)地下水環(huán)境的污染構(gòu)成潛在的威脅。

4 結(jié) 論

畦灌使歐美I-107楊在0—40和60—100 cm土層的含水量、水勢(shì)均顯著降低，并且土層越深差異也越大，說(shuō)明畦灌下的水分深層滲漏明顯減弱；隨著土層深度的增加，畦灌和常規(guī)漫灌下的根系生物量均逐層降低，大量根系集中在0—40 cm土層，其中在0—20 cm土層中，畦灌的根量比漫灌減少了8.28%，但在20—80 cm土層中根量卻增加了35.87%，并且在0—80 cm土層中的總根重增加了5.52%，同時(shí)消根系數(shù)β也大于漫灌。此外，畦灌使0—40 cm土層的硝態(tài)氮含量顯著升高，而60—100 cm土層的硝態(tài)氮含量卻明顯降低，其中在80—100 cm土層中，灌溉后7，14和29 d，畦灌的硝態(tài)氮含量分別比漫灌減少了21.84%，20.24%和19.53%。

由此可見(jiàn)，畦灌有利于楊樹根系的合理分布，擴(kuò)大了根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收空間，并且能減少硝態(tài)氮的深層淋溶，這對(duì)于提高楊樹潛在生產(chǎn)力、肥料利用率和保護(hù)地下水環(huán)境具有重要意義。

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