根系是植物吸收水分的重要器官, 定量研究作物或果树根系的生长发育及时空分布特征是构建根系吸水模型、计算根系吸水量不可缺少的手段和环节, 对于进一步研究根系吸水时空分布规律及其影响机制、改进田间水分管理措施、发展节水农业具有十分重要的意义。

在单一农田生态系统和森林生态系统中, 根系分布特征的研究已有大量的文献报道。但在农林复合系统中, 因作物根系和林木根系相互交错, 难以清楚地区分作物和林木的细根(Gregory, 1996), 限制了根系研究工作的开展。直至20世纪90年代中期, 才有部分研究者进行过这方面的研究(Schrolth et al., 1995; Reffye et al., 1995; Van Nordwijk et al., 1995; 张劲松等, 1996; 马秀玲等, 1997; Bugress, 1997; Akinnifesi et al., 1999; Ong et al., 1999), 但我国丘陵地区农林复合系统中果树根系分布特征的定量研究工作仍较为少见。本文根据吸水根根长密度的实测数据, 对太行山低山丘陵区果粮复合系统中果树根系空间分布特征进行分析, 旨在为该地区苹果-小麦复合系统果树根系吸水模型的建立和水分生态特征的分析等提供基础资料。

1 试验设计 1.1 试验区概况

试验地设在河南省济源市裴村“太行山低山丘陵区复合农林业综合研究”试验区内(35°11′N, 112°03′E)。试验区内各类农林复合经营模式总面积达160 hm²。地处太行山南段南麓, 属温带大陆性季风气候。全年日照时数为2367.7 h, 年日照率为54 %, 稳定通过0 ℃的多年平均积温为5282 ℃, 大于等于10 ℃的多年平均积温达4847 ℃。历年平均降水量641.7mm, 基本上能满足作物生长的需要, 但由于受季风气候的影响, 年内季节性分布不均匀。6~9月份多年平均降水量为438.0mm, 占全年68.3 %。试验区土壤以石灰岩风化母质淋溶性褐土为主, 土层厚度:50~80 cm; pH值:6.8~8.5;石砾含量为10~ 18 %, 有机质含量在1.0 %左右。有效氮21.4~80mg·kg^-1, 有效磷5.4~16mg·kg^-1, 速效钾50~103mg·kg^-1。

1.2 研究对象及测点布置

本项研究的具体对象是水平梯田条件下的苹果-小麦复合系统, 试验地有灌溉条件。梯田南北宽36 m、东西长200m, 苹果(Malus pumila Mill.)株行距为3m×4m, 密度:787株·hm^-2, 栽植于1992年, 果树带行向为东西行, 树盘直径为80 cm, 品种:新红星(M. pumila cv. starkrimson), 株高2.1 m, 南北冠幅1.4m;冬小麦(Triticum aestivum Linn.)行距20 cm, 品种:“温8”号, 播种期:1997-09-25。

本研究假设果树根系在以树干为中心、在南北方向上的分布具有对称性, 采用剖面挖掘法, 分层取样。具体过程如下:正对树干、垂直于行向方向, 挖一条长2.0 m、深1.2m的剖面, 在水平方向上距树干0、40.0、80.0、160.0、200.0 cm处设立采样点。在各采样点的0~120 cm土层中, 每隔10 cm取长20 cm宽20 cm的土块。清洗土壤和杂质后, 以根直径小于等于1 mm为吸水根的界限(马秀玲等, 1997), 进行分类。利用交叉法(Bohn, 1982)求得根长或用直尺测定根长(L), 再将L除以土样体积可得根长密度。计算公式如下:

(1)

(2)

式(1)、(2)中:L为根长度; N为交点数; γ是与网格形状有关的常数; RD为根长密度(cm·cm^-3); V为体积(cm³)。测定时期:1998年小麦拔节初期和乳熟末期各测定1次。

2 结果与分析

利用1998-04-05和1998-06-05两次观测所取得的苹果吸水根根长密度的平均值数据, 对复合系统中苹果树带根系空间分布特征进行分析。

2.1 垂直分布特征

从图 1可知, 垂直方向上果树带吸水根根量主要集中在20~40 cm土层内, 0~30 cm土层内根量呈增加趋势, 但0~ 10 cm和10~20 cm内根量相差不多, 到20~30 cm时增加幅度比较明显。在30~110 cm土层内随深度的增加而逐渐减少, 70~80 cm至80~90 cm将明显减少。且90~120 cm土层内根量分布相对比较均匀。对0~200 cm带距范围内总根长密度(RD)和深度(Z)的关系进行回归统计, 相关系数r=0.9817(样本数n=36), 回归方程如下:

(3)

进一步计算各层次所占果树吸水根量的比例, 结果表明(表 1):在0~80 cm土层内根量约总量94.33 %, 且0~40 cm所占比例较大, 达63.76 %, 其中:0~10、10~20、20~30、30~40 cm分别占13.63 %、16.26 %、19.38 %和14.48 %; 而80~120 cm仅占5.67 %, 其中80~90、90~100、100~110、110~120 cm分别占2.15 %、1.56 %、1.56 %和0.71 %。

2.2 果树带根系水平分布特征

从图 2可知, 距果树带(下文简称“带距”)越近, 果树吸水根量越多, 但随带距的增加而减少, 带距从0~40 cm到40~80 cm, 吸水根量减少幅度最为明显。经计算:带距0~40、40~80、80~120、120~160和160~200 cm范围内果树吸水根根量分别为1.1587、0.7558、0.5589、0.3232和0.1313 cm·cm^-3, 分别占系统内总根量(2.9179 cm·cm^-3)的39.71 %、25.91 %、19.15 %、10.73 %、4.50 %(图 3)。由于本复合模式所设置的树盘直径为0.8m, 所以不妨将0~40 cm带距范围视为林带区, 将40~200 cm带距范围视为作物区。经计算, 分布在林带区和作物区内的果树根系分别占39.71 %和60.29 %, 而40~120 cm带距内又占作物区内的74.7 %以上。

2.3 二维分布特征

统计分析表明:果树吸水根根量在距果树带0~200 cm、土壤深度0~120 cm范围内二维分布状况如图 4所示。

对根长密度(RD)与带距(X)、土层深度(Z)的关系进行多元非线性回归分析, 其回归方程如下:

(4)

复相关系数r=0.8647, 样本数n=180, F=6.5594＞F_0.01=3.00, F检验水平显著。式(4)中, RD:cm·cm^-3, Z:cm, X:cm。

经计算:带距0~200 cm、土层深度0~120 cm范围内吸水根密度为2.9179 cm·cm^-3, 若将其视为100 %, 则各不同带距及不同土层范围根量所占比例的二维分布趋势如图 5所示。从该图可知, 带距0~ 40 cm、土层20~30 cm范围内根量所占比例最高, 约为7.62 %, 带距160~200 cm、土层110~120 cm范围为最低, 仅占0.04 %。

3 结论与讨论

苹果-小麦复合系统中, 果树吸水根根量垂直方向上主要集中0~80 cm土层内, 约占总量94.33 %, 80 cm土层以下仅约为总量的5.67 %左右。水平方向上, 分布在林带区和作物区内各占39.71 %和60.29 %, 其中作物区内的根量主要集中在40~120 cm带距范围内, 约占作物区的74.7 %;

果树吸水根根长密度(RD:cm·cm^-3)与距果树带距离(X:cm)、土壤深度(Z:cm)的关系方程式可表达为:

RD=-6.617×10^-9Z⁴+1.8149×10^-6Z³-1.7526×10^-4Z² +4.9418×10^-3Z-5.83×10^-7X²+2.16×10^-5X+1.1299ZX+0.06359, 复相关系数r=0.8647。