生物有机肥是指利用特定功能微生物与畜禽粪便、农作物秸秆为原料, 经过无害化腐熟混合处理而成的一类具有生物功能和有机肥效应的肥料^[1]。近年来, 生物有机肥在农业生产上的作用已有较多报道, 多集中在生物有机肥对作物的产量、土壤理化性质、土壤肥力、土壤微生物和生物防治的影响方面^[2-5]。生物有机肥施入土壤, 一方面有利于提高土壤有机质含量, 改善土壤肥力性状, 减少营养元素固定和损失, 提高营养元素的有效性, 促进植物根系生长^[6];另一方面, 生物有机肥由于其功能微生物的定殖可以在根际形成优势菌, 抑制有害微生物繁殖, 并且向根际土壤微生态环境内分泌各种代谢产物, 提高植物根系活力^[7], 达到防控土传病害的目的。梨树是多年生木本植物, 与桃树、苹果相比, 其显著特点是根系分布深且稀少。梨园土壤管理的重点是促进根系生长发育。一般把果树根系按直径大小分为小于1 mm (Ⅰ)、1~3 mm (Ⅱ) 和大于3 mm (Ⅲ) 3个径级^[8]。其中, 直径小于1 mm的根被称为细根^[9-12], 具有较大的吸收表面积, 是根系生理功能最活跃的部分, 也是吸收水分和养分的主要部位^[13-14], 因此提高细根的数量、根长及吸收能力是增强根系生理生态功能的重要内容之一。本文采用壕沟剖面分层、分段挖掘法^[15], 研究长期施用生物有机肥对盛果期梨树根系在水平方向和垂直方向上形态及分布特征的影响, 为梨树高效施肥提供理论依据。

试验区位于河北省辛集市马庄梨园 (37°47′N, 115°17′E), 地处华北平原腹地, 属暖温带半湿润大陆性气候, 年平均气温12.5 ℃, 降雨量488 mm (主要集中在6—9月), 无霜期210 d, 日照2 400 h。供试品种为‘黄冠梨’, 树龄15年, 砧木为杜梨, 株距为3 m, 行距为5 m, 土壤为砂质潮土, 0~30 cm深土层有机质含量16.5 g · kg^-1、全氮含量1.63 g · kg^-1、速效钾含量142 mg · kg^-1、速效磷含量47.2 mg · kg^-1、pH7.49。

试验设置不施肥对照 (CK)、生物有机肥 (BOF)、传统施肥 (TF)3个施肥处理。传统施肥处理按照当地果农习惯施肥, 只施化肥; 生物有机肥处理每株梨树施15 kg生物有机肥。选取长势较一致的9棵树, 每个处理3个小区, 每个小区3棵树, 随机区组排列。2009—2014年每年11月采用环施法在距树体50~120 cm施肥, 并使用机械翻耕, 翻耕深度在30 cm左右。生物有机肥由江阴市联业生物科技有限公司提供, 主要成分:有机质307.0 g · kg^-1、氮33.5 g · kg^-1、磷13.6 g · kg^-1、钾10.4 g · kg^-1, 功能菌为多黏类芽孢杆菌 (Paenibacillus polymyxa), 每克生物有机肥活菌数量不少于5×10⁷。传统施肥处理所用化肥种类为复合肥和尿素。按当地施肥习惯及等养分原则, 生物有机肥处理及传统施肥处理每棵树各施纯N 1.88 kg、P₂O₅ 0.59 kg和K₂O 0.57 kg。试验树的其他管理按常规进行, 疏花、疏果后套袋。

于2015年10月在每个小区选1棵代表平均生长势的梨树, 采用壕沟法分层、分段挖掘, 在水平方向上以距离树干0~200 cm、垂直方向深度为0~120 cm、宽40 cm范围内挖剖面 (剖面总体积为0.96 m³), 水平方向上每隔40 cm、垂直方向上每隔30 cm作为1个采样单元, 即采样单元为40 cm×40 cm×30 cm。将各采样单元中的所有根系拣出, 用水冲洗干净, 除去杂物和死根后, 采用根系扫描仪 (Epson V700 Photo) 获取根系图像。将根系直径分为小于1 mm (Ⅰ)、1~3 mm (Ⅱ) 和大于3 mm (Ⅲ)3个径级, 用根系分析软件 (WinRHIZO) 分析根尖数、根长、根表面积、根体积等, 并换算为单位体积根长 (mm · cm^-3)、单位体积根表面积 (mm² · cm^-3) 和单位体积根体积 (mm³ · cm^-3)。总根尖数、总根长 (m)、总根表面积 (m²)、总根体积 (m³) 为整个剖面所有径级根系数量之和, 不同径级根系的根尖数、根长 (m)、根表面积 (m²)、根体积 (cm³) 为整个剖面按径级分类的根系数量之和。

数据为各处理的平均值, 用Execl 2007和SPSS 18.0软件进行统计分析, LSD法多重比较。

由表 1可见:梨树根系的总根长、总根尖数、总根表面积和总根体积均以BOF处理最高, TF处理次之, CK最低。与对照相比, BOF处理的总根长、总根尖数、总根表面积和总根体积均显著提高, 分别增加71.8%、50.8%、89.9%和130.1%。与TF处理相比, BOF处理下的梨树总根长、总根表面积和总根体积分别增加了28.0%、37.0%和61.5%, 除了总根尖数, TF处理各指标均显著低于BOF处理。

由表 2可见:BOF处理梨树根系不同径级的根长最长、根表面积和根体积最大, TF处理次之, CK最小, 同一径级内各处理间的差异均达到显著水平。在小于1 mm径级内, BOF处理的根长、根表面积和根体积与对照相比分别增加67.1%、69.0%和79.9%;在1~3 mm径级内, BOF处理的根长、根表面积和根体积较对照分别增加111.1%、107.4%和103.5%;大于3 mm径级内, BOF处理的根长、根表面积和根体积较对照分别增加103.9%、121.8%和149.8%(P < 0.05)。各处理梨树小于1 mm径级根系的根长、根表面积和根体积与其总根长、总根表面积和总根体积的比值均以CK最大, 显著高于BOF处理; 而1~3 mm径级的根长和根表面积所占的比值以BOF处理最大, 与对照存在显著差异; 大于3 mm径级的根长、根表面积和根体积所占的比值均为BOF处理最大, 与对照相比差异达到显著水平。

从图 1可以看出:垂直方向上, 各处理的根尖数随垂直深度的增加呈先增加后减小的趋势, 在30~60 cm土层深度根尖分布最多, 其中在0~60 cm土层深度根尖数从大到小的处理分别为BOF、TF、CK。与对照相比, BOF处理在0~30 cm和30~60 cm土层深度根尖数分别增加126.9%和118.2%。在水平方向各处理根尖数随水平距离的增加呈逐渐降低的趋势, 其中在40~80 cm和80~120 cm水平距离BOF处理根尖数最多, 分别比对照增加79.6%和83.2%。在0~120 cm水平方向和0~60 cm垂直深度区域范围内施肥显著增加了梨树根系的根尖数, BOF、TF处理和CK在这个区域范围内的根尖数分别占总根尖数的54.5%、45.1%和35%。各处理均在0~30 cm垂直深度, 0~40 cm水平距离区域根尖数最多。0~30 cm土层深度为机械翻耕 (施肥、除草、松土) 区域, 可能导致各处理在0~30 cm土层深度根尖数随水平距离的增加逐渐降低。

	图 1 不同施肥处理对根尖数空间分布的影响 Figure 1 Effect of different fertilizer treatments on spatial distribution of root tips
图选项

从图 2可以看出:各处理小于1 mm径级根系 (细根) 的根长、根表面积和根体积分布趋势一致。梨树细根根长、根表面积和根体积在水平方向呈逐渐减小的趋势, 在垂直方向呈先增加后减小的趋势。BOF处理在0~30 cm垂直深度、0~40 cm水平距离和30~60 cm垂直深度、80~120 cm水平距离两个区域根长、根表面积和根体积显著高于TF处理和CK。在0~120 cm水平方向、0~60 cm垂直深度区域内, 细根的根长、根表面积和根体积均以BOF处理最多, TF处理次之, CK最少。其中, BOF处理细根的根长、根表面积和根体积占总细根的57.1%、53.7%和50.3%, 且比对照分别增加195.6%、188%和181.8%;在该区域内, BOF处理细根的增长显著高于TF处理和CK。在60~90 cm垂直深度、0~120cm水平方向区域内, TF处理较CK和BOF处理根长增加29.6%和2.2%。

	图 2 不同施肥处理对小于1 mm径级根系空间分布的影响 Figure 2 Effect of different fertilizer treatments on spatial distribution of fine roots ( < 1 mm)
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从图 3可以看出:各处理1~3 mm径级的根长、根表面积和根体积分布趋势一致。在水平方向, 水平距离超过120 cm后, 1~3 mm径级根长、根表面积和根体积逐渐降低, 在垂直方向上呈先增加后减小的趋势。BOF和TF处理在0~30 cm土层深度随水平距离的增加, 根长、根表面积和根体积逐渐减小, 而在30~120 cm土层深度随水平距离的增加呈先增加后减小的趋势, 在80~120 cm水平距离时均达最大值, BOF处理根长分别为0.21、0.16和0.11 mm · cm^-3。梨树1~3 mm径级根系更集中分布在0~120 cm水平距离, 0~90 cm垂直方向范围内, 且根长、根表面积和根体积均以BOF处理最大, TF处理次之, CK最小。BOF处理在这个区域的1~3 mm径级根长、根表面积和根体积分别占1~3 mm径级总的比例分别为61.3%、61.2%和61%, TF处理所占比例分别为58.9%、59.2和59.6%, CK所占比例分别为45.6%、45.5%、45.2%, BOF和TF处理在这个区域的1~3 mm径级根系增加量显著高于CK。

	图 3 不同施肥处理对1~3 mm径级根系空间分布的影响 Figure 3 Effect of different fertilizer treatments on spatial distribution of 1-3 mm diameter roots
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由图 4可以看出:梨树大于3 mm径级根系 (粗根) 根长、根表面积、根体积在水平方向呈现逐渐降低的趋势, 垂直方向呈现先增加后减小的趋势。在0~30 cm土层深度根长、根表面积和根体积显著少于其他土层深度。BOF处理在30~60 cm垂直深度、0~120 cm水平距离和60~90 cm垂直深度、80~120 cm水平距离两个区域根长、根表面积和根体积增加最为显著。在0~120 cm水平距离、30~90 cm垂直深度区域BOF处理显著高于其他处理, 与对照相比, BOF处理的根长、根表面积和根体积分别增加228%、289.2%和395.4%。

	图 4 不同施肥处理对大于3 mm根系空间分布的影响 Figure 4 Effect of different fertilizer treatments on spatial distribution of roots ( > 3 mm)
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由表 3可以看出:施肥增加了0~60 cm土层深度土壤矿质养分含量。在0~30 cm土层深度, 与TF处理相比, BOF处理的土壤有机质、土壤速效钾、土壤碱解氮和土壤有效磷含量分别增加19.7%、18.2%、36.9%和13.9%, 其中土壤有机质和碱解氮含量差异显著 (P < 0.05)。30~60 cm土层深度BOF处理与TF处理相比有机质和速效钾含量分别增加12.5%和19.5%。在60~120 cm土层深度, 各处理间没有显著差异。

施肥是影响土壤养分分布的直接因素, 养分分布程度又可直接影响根系的分布和密度, 充足的养分有利于根系的生长^[16]。施肥是影响根系形态和分布的一项重要因素, 根系形态上的变化伴随着生理可塑性的变化。以根长为例, 在养分密集区根系的分生往往以细根 ( < 1 mm) 为主, 因其具有较大的吸收面积, 因而具有较高的吸收效率^[17]。本研究表明, 与不施肥对照相比, 施肥提高了0~60 cm土层深度土壤矿质养分含量, 相应地提高了其在0~60 cm土层深度根尖数和细根分布比例。施用生物有机肥显著提高了梨树在0~60 cm土层深度的根尖和细根数, 这可能与生物有机肥中含有较高的有机质及促生菌、能够有效定殖于植物根际和根表有关。有报道指出, 促生微生物可以通过活化土壤养分 (如固氮、解磷、解钾等)、调节植物类激素水平 (如分泌有益激素及降低有害激素水平等)、产生挥发性促生物质等提高种子的发芽率、植物的生长量以及作物的产量^[18-20]。已有研究表明促生微生物SQR9可以在黄瓜、玉米和香蕉根际有效定殖, 促进地上部和根系的生长和产量的提高^[21-22], 其中SQR9在香蕉上的定殖主要发生在主根分生区和伸长区、侧根、根茎交接处和根毛区。促生微生物的促生作用可能是多因素的协同效应, 包括根际定殖和产生次生代谢产物, 如胞外植酸酶、2, 3-丁二醇和植物激素 (主要是IAA和GA₃) 等。

粗根 ( > 3 mm) 作为果园生态系统的重要组成部分, 在陆地生态系统物质循环和能量流动中具有重要的作用。根系生物量的增加取决于粗根的增加, 粗根不仅可以贮存光合产物、固定植物地上部分, 还决定了植物获取土壤资源的能力。本研究表明, 粗根主要分布在60~90 cm垂直深度土层内, 此区域内各处理间土壤有机质和土壤矿质养分含量没有显著差异。探地雷达技术分析表明, 随着土层深度的增加, 根径有增大的趋势^[23-24]。细根在吸收大量养分之后部分存储于粗根中, 有利于根系的加粗生长。生物有机肥中促生微生物在根际定殖后, 分泌代谢产物促进了根系的加粗生长, 可能导致了生物有机肥处理梨树粗根占总根的比例稍高于其他处理。