河西灌區(qū)枸杞根系空間分布特征研究

占玉芳, 魯延芳, 甄偉玲, 達(dá)世彩

(張掖市林業(yè)科學(xué)研究院, 甘肅 張掖 734000)

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河西灌區(qū)枸杞根系空間分布特征研究

占玉芳, 魯延芳, 甄偉玲, 達(dá)世彩

(張掖市林業(yè)科學(xué)研究院, 甘肅 張掖 734000)

采用土鉆法對河西灌區(qū)枸杞的根系分布特征進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明：枸杞細(xì)根根系、粗根根系集中分布在20—40 cm土層內(nèi)；細(xì)根和粗根生物量水平分布隨著距樹干距離的增加呈指數(shù)性下降；根據(jù)枸杞根系分布特點(diǎn)，枸杞合理的施肥方法應(yīng)采用溝施或環(huán)施，位置距枸杞樹干30～90 cm，深度30 cm左右；結(jié)合樹木根系消弱系數(shù)，從量化的角度對不同樹齡枸杞根系分布特征的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)隨著距樹干距離的增加，3 a生、8 a生枸杞細(xì)根根系消弱系數(shù)β值隨著水平距離的增加先增大后減小，最大值在距樹干60 cm處，分別為0.960 3，0.984 0；而枸杞粗根根系的β值隨著距樹干距離的增大而增大，在距樹干90 cm處有較大范圍的分布，對樹木水分和養(yǎng)分的疏導(dǎo)起到了非常重要的作用。細(xì)根根系的β值大于粗根根系的β值，說明細(xì)根比粗根在垂直方向分布范圍深，吸收利用深層土壤水分和養(yǎng)分的能力強(qiáng)，這種分布特征擴(kuò)大了枸杞的吸收空間，有利于樹木吸收深層的水分和養(yǎng)分，促進(jìn)樹木地上部分的生長和發(fā)育。

枸杞; 根系密度; 根系消弱系數(shù); 河西灌區(qū)

枸杞(Lyciumchinense)為茄科枸杞屬落葉多分枝灌木植物，主要分布在寧夏、內(nèi)蒙古、新疆等省的干旱、半干旱地區(qū)，是我國傳統(tǒng)的名貴中藥材，也是一種營養(yǎng)滋補(bǔ)品。在衛(wèi)生部公布的63種藥食兩用的名單中，名列榜首。目前，生產(chǎn)上廣泛栽培的枸杞品種絕大多數(shù)屬于寧夏枸杞(LyciumbarbarumL．)、新疆枸杞(LyciumdasystemumP．)和枸杞(LyciumchinenseM．)3種，均可藥用和食用，具有較高的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)價(jià)值[1]。早在《神農(nóng)本草經(jīng)》和《本草綱目》中就有關(guān)于枸杞的藥用和栽培的記載。因具有很強(qiáng)的耐鹽性和生物排水(biological drainage)能力，被認(rèn)為是良好的防風(fēng)固沙和解決我國西北上地鹽堿化的先鋒植物[2]，常作為我國干旱區(qū)鹽漬化土地開發(fā)利用中的首選灌木型經(jīng)濟(jì)林。

根系是植物的重要功能器官，對于植物不僅起著固定和支持的作用，而且為植物攝取、輸導(dǎo)、合成、貯存碳水化合物和營養(yǎng)物質(zhì)以及一系列有機(jī)化合物，在森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)中發(fā)揮著非常重要的作用[3-4]。近年來，有關(guān)林木根系的研究已成為森林培育學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)[5]，根系的空間分布特征直接影響到植物對土壤的物質(zhì)和能量利用的可能性，進(jìn)而影響到植物生長和生態(tài)功能的發(fā)揮[6]。根系是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施的主要作用中心，人類最基本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，如施肥、澆水和耕翻等，主要是為根系創(chuàng)造最適宜的生活環(huán)境與合理的營養(yǎng)空間。果樹栽培體系的改變，大多是基于對根系的調(diào)控。根系對于多年生的果樹來說，它是樹體整體發(fā)育的基礎(chǔ)和調(diào)控中心(束懷瑞，1993)。根系也是提高果品質(zhì)量、改善果品品質(zhì)的重要潛力，揭示根系的生長發(fā)育規(guī)律，對果樹生產(chǎn)具有重要意義。目前，對于果樹根系空間分布特征的研究較少，對于枸杞根系的研究更少。因此，本文通過對干旱荒漠區(qū)枸杞人工林根系生物量及分布特征的研究，揭示其水分與養(yǎng)分利用特性、固土與成土作用，為枸杞資源保護(hù)和持續(xù)利用、干旱荒漠區(qū)水土保持、枸杞高效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河西走廊中部甘州區(qū)九龍江林場，地理位置100°6＇—100°52＇E，38°32＇—39°24＇N，地勢平坦，平均海拔1 474 m，屬溫帶大陸氣候。年均降水量113～120 mm，蒸發(fā)量2 047 mm，日照時(shí)數(shù)3 085 h，無霜期138～179 d，具有日照時(shí)間長、晝夜溫差大的特點(diǎn)，太陽年輻射總量619.5 kJ/cm2，年均氣溫7℃，絕對最高氣溫37.4℃，絕對最低氣溫-28℃；≥0℃積溫3 388℃，≥10℃積溫2 896.6℃；全年盛行西北風(fēng)，年均風(fēng)速2 m/s，最大風(fēng)速36 m/s，年均大風(fēng)日數(shù)14.9 d，最多天數(shù)40 d，最少3 d；年均沙塵暴日數(shù)20.3 d，最多33 d，最少14 d。災(zāi)害性天氣主要有大風(fēng)、沙塵暴、干熱風(fēng)、干旱、霜凍、初春低溫等。境內(nèi)土壤主要以灰棕漠土分布面積最廣，約占全區(qū)總面積的47.1%，綠洲灌淤土次之，約占l8.7%。

2　材料與方法

2.1根系取樣方法

選擇甘州區(qū)九龍江林場枸杞園的枸杞為調(diào)查對象，在各樣地內(nèi)隨機(jī)選取30株樣株，進(jìn)行每木調(diào)查，并從中選出4株平均樣株，樹齡3 a，平均高度160.9 cm，平均地徑2.485 2 cm；樹齡8 a，平均高度211.58 cm，平均地徑2.977 3 cm。采用改進(jìn)的1/4樣圓法對根系進(jìn)行調(diào)查[7]，即在每個(gè)樣株的不同方位劃出1/4營養(yǎng)區(qū)作為取樣區(qū)。取樣時(shí)，以樣株為中心分別在半徑30，60，90 cm等不同距離處的弧線上按等距離確定3個(gè)取樣點(diǎn)，分土層(10 cm)用土鉆(d=5.0 cm)鉆取土樣。用d=0.5 mm的篩子將各層土壤過篩，并揀出所有根系，編號后裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。將從野外帶回的各個(gè)根系，按d>2 mm，d≤2 mm的標(biāo)準(zhǔn)分級。用蒸餾水洗凈后置入75℃烘箱中，烘干至恒重，再分別稱重量和記錄。

2.2數(shù)據(jù)分析

將同一樣地上4株樣株在營養(yǎng)空間的不同方位上、不同距離上不同徑級根系的分布按照下列公式進(jìn)行合并計(jì)算。

根系生物量水平分布特征的計(jì)算[8]

式中：ρ為根系密度(g/cm3)；π為圓周率；R為土鉆半徑；H為該點(diǎn)上根系的分布深度。

根系生物量垂直分布特征的計(jì)算[8]

式中：ρ為根系密度(g/cm3)；π為圓周率；m為根系質(zhì)量(g)；h為土層厚度(10 cm)；R為土鉆半徑(cm)；n，k為樣株總數(shù)及樣點(diǎn)總數(shù)。

3　結(jié)果與分析

3.1枸杞根系生物量的空間分布特征

3.1.1枸杞根系生物量的垂直分布特征由圖1可知，距樹干距離30，60，90 cm處，隨著土層深度的增加，枸杞粗根根系生物量密度呈先增大后減小的趨勢，20—40 cm土層為枸杞粗根根系生物量的高密度分布區(qū)；枸杞粗根根系生物量密度8 a生遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3 a生枸杞。3 a生枸杞粗根根系生物量密度，距樹干30 cm處，20—40 cm土層粗根根系密度占整個(gè)剖面的86.46%；距離樹干60 cm處，20—40 cm土層粗根根系密度占整個(gè)剖面的95.43%；距離樹干90 cm處，20—40 cm土層粗根系根系密度占整個(gè)剖面的42.11%。8 a生枸杞粗根根系生物量密度，距樹干30 cm處，20—40 cm土層粗根根系密度占整個(gè)剖面的94.39%；距離樹干60 cm處，20—40 cm土層粗根根系密度占整個(gè)剖面的100%；距離樹干90 cm處，20—40 cm土層粗根根系密度占整個(gè)剖面粗根根系密度的99.51%。

圖1　距離樹干不同距離處粗根(d>2 mm)垂直分布

由圖2可以看出，距離樹干30 cm，60 cm，90 cm處的細(xì)根根系密度垂直剖面隨深度增加而呈先增加后減少，20—40 cm土層細(xì)根根系密度最大。對3 a生枸杞來說，距離樹干30 cm處，20—40 cm土層細(xì)根根系密度占整個(gè)剖面的64.35%，距離樹干60 cm處，20—40 cm土層細(xì)根根系密度占整個(gè)剖面的58.96%，距離樹干90 cm處，20—40 cm土層細(xì)根根系密度占整個(gè)剖面的57.72%。對8 a生枸杞來說，距離樹干30 cm處，20—40 cm土層細(xì)根根系密度占整個(gè)剖面的86.66%，距離樹干60 cm處，20—40 cm土層細(xì)根根系密度占整個(gè)剖面的88.20%，距離樹干90 cm處，20—40 cm土層細(xì)根根系密度占整個(gè)剖面的81.98%。由此可知，20—40 cm土層是枸杞細(xì)根根系密度分布的高密度區(qū)，是枸杞進(jìn)行水分和養(yǎng)分吸收的主要區(qū)域。枸杞細(xì)根根系在距離樹干不同距離處、不同深度的土層中均有分布，這種根系分布特征有利于樹木從距離樹干不同距離處、不同深度的土層中吸收土壤水分，具有更大的水分吸收空間，有利于其生長發(fā)育。

由圖1—2可知，距離樹干30 cm，60 cm，90 cm處，枸杞粗根根系(d>2 mm)、細(xì)根根系(d≤2 mm)生物量密度在30 cm深度的土層中達(dá)到峰值。8 a生枸杞在0—40 cm土層中根系生物量密度高于3 a生枸杞，說明枸杞在生長過程中根系的密集區(qū)和主要吸收區(qū)域不斷下移，這是枸杞適應(yīng)干旱環(huán)境的策略。

3.1.2枸杞根系生物量的水平分布特征由圖3，圖4可以看出，枸杞粗根系生物量隨著距樹干距離的增加迅速降低，細(xì)根系的生物量隨著距離的增加變化幅度較小。最大根系生物量密度出現(xiàn)在距離樹干30 cm處。粗根系和細(xì)根系生物量水平分布均可用“拋物線”描述[9]，隨著距樹干距離的增加，根系生物量密度呈指數(shù)下降。在距樹干30，60，90 cm處，3 a生枸杞粗根根系生物量密度低于8 a生枸杞，而3 a生枸杞細(xì)根根系生物量密度高于8 a生枸杞。在距樹干30 cm處粗根系生物量達(dá)到最大值，3 a生枸杞粗根根系占總根系密度的45.91%，8 a生枸杞粗根根系占總根系密度的59.21%。

圖2　距離樹干不同距離處細(xì)根(d≤2 mm)垂直分布

圖3　距離樹干不同距離處粗根(d>2 mm)根系水平分布

圖4　距離樹干不同距離處細(xì)根根系(d≤2 mm)水平分布

3.2枸杞根系分布特征參數(shù)

Gale[10]和Grigal[11]等通過對不同演替階段林木根系分布特征的研究，提出了一個(gè)根系垂直分布模型：

Y=1-βd

(1)

式中：β為根系消弱系數(shù)；Y為從地表到一定土層深度(cm)的根系生物量累積百分比；d為土層深度(cm)。若β值越大，則根系在深層土壤中分布的比例越大；若β值越小，說明根系集中分布于接近地表的土層中。β值是描述植物根系垂直分布特征的主要參數(shù)，說明了根系的垂直分布特征與深度的關(guān)系，其大小與根系體積和根系密度無關(guān)，其有關(guān)研究在最近幾年中得到廣泛的應(yīng)用。本研究采用數(shù)值模擬的方法求解枸杞根系的垂直分布特征參數(shù)β值，對枸杞根系不同徑級的垂直分布特征作了進(jìn)一步的分析。

經(jīng)計(jì)算分析可得，枸杞粗根系、細(xì)根系生物量累積分布特征都符合公式(1)的形式，而且具有較高的相關(guān)性。所以根系消弱系數(shù)能夠較好地描述不同徑級枸杞根系的垂直分布特征，也能直觀的反映不同徑級枸杞根系垂直分布的差異性。由表1可知，3 a生、8 a生枸杞細(xì)根根系的β值在距樹干60 cm處最大，分別為0.960 3，0.984 0；這就說明在距離樹干60 cm處枸杞細(xì)根根系分布深度最大，是枸杞進(jìn)行水分和養(yǎng)分吸收的核心區(qū)，能夠?yàn)殍坭降纳L提供更大的水分和養(yǎng)分空間，促進(jìn)地上部分生長。粗根根系的β值在距樹干不同距離處變化規(guī)律不一致，3 a生、8 a生枸杞粗根根系的β值隨著距樹干距離的增大而增大，在距樹干90 cm處最大，分別為0.973 6，0.947 8；說明枸杞粗根根系在距離樹干90 cm處分布深度最大。另外，細(xì)根根系的β值大于粗根根系的β值。根據(jù)根系消弱系數(shù)的定義可得，枸杞細(xì)根(d≤2 mm)在深層土壤中的分布比例較大。

表1　不同樹齡距樹干不同距離處根系消弱系數(shù)β

注:*表示模型達(dá)到0.001顯著水平。

4　結(jié) 論

長期以來，對于植物根系的分布特征，尤其是根系的垂直分布特征很多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，因植物物種及生長環(huán)境的不同植物根系的分布也不同。在本研究中，對3 a生、8 a生枸杞來說，距樹干30，60，90 cm處，細(xì)根根系密度垂直剖面隨深度增加而呈減少趨勢，細(xì)根根系生物量都集中分布在20—40 cm土層內(nèi)。該研究結(jié)果與大多數(shù)研究者報(bào)道基本一致[12-16]。3 a生枸杞粗根根系密度分布的高密度區(qū)為20—40 cm土層，0—20 cm土層、40—60 cm土層是粗根根系密度分布的低密度區(qū)，距樹干30，60，90 cm處，20—40 cm土層粗根根系密度占整個(gè)剖面的86.46%，95.43%，42.11%；8 a生枸杞粗根根系密度集中分布在20—40 cm的土層中，距樹干30，60，90 cm處，20—40 cm土層粗根根系密度占整個(gè)剖面的100%，94.39%，99.51%。有學(xué)者認(rèn)為，土壤表層的細(xì)根主要功能是吸收養(yǎng)分[17]，深層的細(xì)根往往起吸收水分的作用[18-19]，枸杞細(xì)根分布調(diào)查結(jié)果與此相同。在本研究中，20—40 cm土層是枸杞根系分布的高密度區(qū)，30 cm土層深度根系生物量密度達(dá)到峰值；距樹干30 cm處，粗根根系和細(xì)根根系生物量密度最大。王進(jìn)鑫等[20]研究表明，刺槐和側(cè)柏細(xì)根集中分布在0—60 cm土層，細(xì)根根系密度隨著距樹干距離的增加而減小。李鵬等[21]研究結(jié)果表明，陰坡和陽坡刺槐粗根系生物量均隨水平距離的增加而減小，這與本研究結(jié)果一致。這說明20—40 cm土層是枸杞進(jìn)行水分和養(yǎng)分吸收的集中區(qū)域，可以大大提高對肥水的利用率，滿足枸杞生長發(fā)育所需要的水分和養(yǎng)分。這與李潤淮等[22]認(rèn)為枸杞根系密集區(qū)的垂直分布在地表下20—40 cm 的土層范圍內(nèi)的研究結(jié)果相一致。為選擇合理的施肥深度提供了依據(jù)。粗根決定根系的分布空間、也就決定養(yǎng)分的吸收空間的范圍，但不具有水分和養(yǎng)分的吸收功能；細(xì)根是植物進(jìn)行水分和養(yǎng)分吸收的主要吸收器官，其生物量的差異對樹木的生長起到了決定性的作用，其分布特征反映主要的吸收空間，可為水肥管理提供依據(jù)。通過本研究結(jié)果，根據(jù)枸杞根系分布特點(diǎn)，枸杞合理的施肥方法應(yīng)采用溝施或環(huán)施，位置距枸杞樹干30～90 cm，深度30 cm左右；同時(shí)應(yīng)考慮有機(jī)肥和化肥配施。尤其對幼齡枸杞樹，更應(yīng)嚴(yán)格按合理方法施肥，這樣才有利于形成理想的根系形態(tài)和分布。

本研究表明隨著距樹干距離的增加，3 a生、8 a生枸杞細(xì)根根系消弱系數(shù)β值隨著水平距離的增加先增大后減小，最大值在距樹干60 cm處，分別為0.960 3，0.984 0；這說明在距離樹干60 cm處垂直方向上枸杞細(xì)根具有較大分布深度，能為枸杞地上部分的生長提供更為充足的水分和養(yǎng)分。根系分布深度反應(yīng)了植物對干旱環(huán)境的響應(yīng)，張良德等[9]研究發(fā)現(xiàn)隨著距樹干距離的增加，刺槐細(xì)根根系消弱系數(shù)β值依次增大，這與本研究結(jié)果不一致，這可能是樹種不同及土壤理化性質(zhì)引起的。而枸杞粗根根系的β值隨著距樹干距離的增大而增大，在距樹干90 cm處有較大范圍的分布，對樹木水分和養(yǎng)分的疏導(dǎo)起到了非常重要的作用。細(xì)根根系的β值大于粗根根系的β值，說明細(xì)根比粗根在垂直方向分布范圍深，吸收利用深層土壤水分和養(yǎng)分的能力強(qiáng)，這就意味著枸杞可以從深層土壤中吸收水分和養(yǎng)分，來滿足自身的生長發(fā)育，抵御干旱的能力強(qiáng)。這對于氣候干旱、降雨量少的地區(qū)，尤其是對河西走廊地區(qū)的枸杞高效生產(chǎn)、植被恢復(fù)與建設(shè)有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Spatial Distribution Characteristics of Root System ofLyciumbarbarumL. in Hexi Irrigation Area

ZHAN Yufang, LU Yanfang, ZHEN Weiling, DA Shicai

(ZhangyeAcademyofForestry,Zhangye,Gansu734000,China)

Soil drilling method is used to investigate root distribution characteristics ofLyciumbarbarumL. in Hexi irrigation area．The results indicated that fine roots, coarse roots concentrated in the soil layer of 20-40 cm； fine and coarse root biomass exponentially decreased with distance increase from the trunk; according to the distribution characteristics ofLyciumbarbarumL. wolfberry root, the reasonable fertilization methods should be furrow fertilization or ring fertilization，with 30～90 cm away fromLyciumbarbarumL. trunk and the depth of 30 cm； combining with the tree root extinction coefficient， from the quantitative point of further analysis of the root distribution characteristics of different ages ofLyciumbarbarumL.， it was found that with increase of distance from the stem， the value increased with the increase of the horizontal distance after 3 years， 8 years ofLyciumbarbarumL., the maximum values of root extinction coefficient occurred in the site 60 cm away from the stem， which were 0.960 3 and 0.984 0, respectively；the crudeLyciumbarbarumL. rootβvalue increased with the increase of distance from the stem， the distribution of range was wide in the site 90 cm away from the stem， which played the very important role in regulating water and nutrients in the trees. Theβvalue of fine root was greater than that of the thick root， fine root distribution was deeper than coarse root in the vertical direction， the ability of the fine root to absorb the deep soil water and nutrient was greater， the distribution characteristics expanded space and was conducive toLyciumbarbarumL., trees to absorb the deep water and nutrients， and promote the growth of ground parts and tree development.

LyciumbarbarumL.; root density; root extinction coefficient; Hexi irrigation area

2015-07-01

2015-09-08

甘肅省林果產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目和品牌創(chuàng)立補(bǔ)助資金項(xiàng)目(甘財(cái)農(nóng)[2012]385號)

占玉芳(1970—),女,甘肅民勤人,農(nóng)學(xué)學(xué)士,副研究員,主要從事林果花科研及良種引育、推廣。E-mail:zyf700104@sina.com

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1005-3409(2016)04-0133-05