doi：10.6048/j.issn.1001-4330.2024.05.014
摘" 要：【目的】分析小于2 mm的根系滴灌核桃有效吸水根系分布特性，建立有效根长密度函数，研究不同调亏灌溉对核桃树根系空间分布特性，为滴灌核桃精准调亏灌溉提供理论依据。
【方法】以14年生温185核桃树为试材，采用30 cm×20 cm×20 cm的分段分层法，取样分析有效吸水根系（dlt;2 mm）分布特征，研究调亏灌溉对滴灌核桃树有效根系空间分布的影响。
【结果】在不同调亏灌溉处理中，W0、W3、W4的核桃树有效总根长分布总体变化趋势表现为单峰曲线，且各个调亏处理在20～40 cm有效总根长最大，分别为50 959、74 067、55 678 cm。不同处理下垂直方向根长密度一维符合指数分布，且水平方向根长密度符合多项式分布。W0、W3、W4各处理有效根长均表现出土层深度在20～40 cm，在距离核桃树行向30～60 cm处最大，分别为11 794、22 753、14 119 cm。
【结论】不同调亏灌溉处理下，滴灌核桃树根系有效生长密度表现为W3gt;W4gt;W0，调亏滴灌灌溉模式使核桃吸水根系更靠近地表生长。
关键词：核桃树；调亏灌溉；有效吸水根系; 空间分布
中图分类号：S664""" 文献标志码：A""" 文章编号：1001-4330（2024）05-1160-12
收稿日期（Received）：
2023-09-27
基金项目：
新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（2022277060）
作者简介：
刘钧庆（1994-），男，河北沧州人，硕士研究生，研究方向为灌溉节水，（E-mail）1013835377@qq.com
通讯作者：
赵经华（1979-），男，新疆奇台人，教授，博士生导师，研究方向为节水灌溉，（E-mail）105512275@qq.com
0" 引 言
【研究意义】2020年新疆核桃产量11.541×103 t［1，2］。林果业是新疆南疆的支柱产业之一［3］。核桃是新疆南疆特色林果业的核心树种之一，但水资源匮乏制约着核桃产业的发展［4］。核桃根系吸水强弱是影响植物水分传输系统的最初端，也直接控制着整株植物的水分传输量，进而影响植物的生命活动。对植物根系吸水的研究不仅局限在土壤-植物-大气连续体（SPAC）中水分运移规律等方面，同时也是水文、气候、土壤、农业、生态等交叉学科研究的重点［5，6］。根系是作物吸收养分、水分的重要器官，作物对土壤养分和水分的竞争能力在很大程度上取决于植物根系在土壤中的分布，研究作物根系分布特征，对明确作物吸水机制、实现精准供水及节水灌溉具有重要意义［7］。【前人研究进展】土壤水分对果树根系的分布有较大的影响［8］，树种、树龄不同的果树，根系分布区域均不同，根系生长具有时间变异性，不同树龄或同一树龄果树在
不同时间段，其根系分布也是不同的［9］。孙三民等［10］、郑利剑等［11］、任小通等［12］研究表明，果树有效吸水根系主要为直径小于2 mm的根系，因此，研究有效根系吸水情况主要测定直径小于2 mm的根系。张建英等［13］对核桃根系水平和垂直分布规律的研究表明，距离树干0.5～2.5 m、距地表40～60 cm深的区域是核桃根系集中分布区。李建兴等［14］认为0.5～5 mm径级分析能够显著提高土壤渗透性能。多年生植物会向根系投入更多的资源以获取足够的水分和养分［15，16］。根长密度越大，根系吸收土壤养分、水分的表面积越大，其抵抗土壤侵蚀的能力越强［17］。细根是植物吸收水分、养分的主要途径［18］，决定了植物对土壤资源的利用效力［19，20］。目前研究大多是以直径d≤2 mm为细根划分范围［21］，直径d≤1mm的根系在提高土壤水力学效应方面的贡献最大；也可有效提高土壤水稳性团聚体数量，进而提高土壤抗蚀性能［22］。焦平等［23］在新疆阿克苏地区进行地表滴灌的成龄核桃树根系空间分布研究发现，核桃树根系分布主要位于浅层土壤区0～40 cm，是根系主要吸水部位。邹衡等［24］采用根钻法，对8年生不同土壤类型猕猴桃的根系空间分布特征进行研究，猕猴桃根系在红油土（果园B）的垂直分布范围比在斑斑黑油土（果园A）更深，水平分布范围则更窄，说明土壤类型对根系生长发育及分布有一定程度的影响。蒋敏等［25］以新疆南疆密植枣树为试材，研究发现适当的增加灌水深度，既可以保证上层土壤有足够的水分，又可以实现深层供水。李宏等［26］研究表明，垂直方向上，根系受土壤质地的影响较大，沙壤土环境下吸收根和输导根根量较大，其中吸收根受黏土及沙土的影响较大，输导根则与之相反。【本研究切入点】目前对于柑橘、苹果、番茄、枣等果树的根系分布文献研究较多，核桃树充分灌水条件下的根系分布研究也较多，但针对调亏灌溉试验的核桃树根系空间分布特性研究相对较少。【拟解决的关键问题】选用14年生温185核桃树，研究不同调亏灌溉条件下滴灌核桃树（14年生）根系，空间分布差异与特征，为合理水肥高效定位调控技术提供科学依据。
1" 材料与方法
1.1" 材 料
试验于2021年4～10月在新疆阿克苏地区温宿县红旗坡农场新疆农业大学林果试验基地（E 80°14′，N 41°16′）进行，海拔1 133 m，年均太阳总辐射量544.115～590.156 kJ/cm2，年均日照时数2 855～2 967 h，无霜期达205～219 d，年均降水量42.4～94.4 mm，年平均气温11.2℃，年均有效积温为3 950℃。地下水埋深大于10 m。试验区0～40 cm土层土壤质地为粉砂壤土，容重1.40 g/cm3；40～60 cm土层土壤地质为壤砂土，容重为1.40 g/cm3；60～100 cm土层土壤质地为细砂，容重为1.36 g/cm3。
选用14年生温185核桃树，核桃树株行间距2 m×3 m，核桃树生长发育期可划分为萌芽期、开花坐果期、果实膨大期、硬核期、油脂转化期、成熟期6个阶段，其中调亏灌溉时间为萌芽期、开花坐果期及果实膨大期。
1.2" 方 法
1.2.1" 试验设计
设置5个处理，每个处理中均选择长势相同的核桃树3棵，即3次重复。滴灌采用压力补偿式滴灌带，滴头间距0.3 m，滴头流量3.75 L/h；试验按灌水量设置3个水平，正常灌水ETC（对照组）、轻度缺水75%ETC和中度缺水50%ETC。
各灌水定额不同生育期作物系数Kc值分别为萌芽期1.05、开花结果期1.15、果实膨大期1.18、硬核及油脂转化期1.45、成熟期1.18、全生育期1.20。
表1
1.2.2" 测定指标
1.2.2.1" 气象数据
采用Watchdog小型自动气象站全天实时监测温度、湿度、2 m处的风速、太阳辐射等指标，每30 min自动记录1次。图1
1.2.2.2" 土壤颗粒
土壤质地分类：砂粒（2～0.02 mm）、粉粒（0.02～0.002 mm）、粘粒（lt;0.002 mm）3种粒级所占的含量百分比进行分类。表2
1.2.2.3" 根 系
采用分段分层挖掘法测定根系。取样时，从树干开始，向行间挖取一个长150 cm、宽100 cm、深120 cm的土壤剖面，并按照30 cm（长）×20 cm（宽）×20 cm（深）分层分段挖掘，果实膨大期调亏后对W0、W3、W4挖根，掘取5×5×6×3=450个小土块，并挑根、扫描根和烘箱烘干等。图2
根系处理：
将土样过4目水洗筛，筛出根系并用清水清洗干净，装入有编号的封口袋带回实验室。去除杂物和死根后，将根系清洗后，自然风干后用0.01 g天平秤取根系鲜重，并其后放置于透明玻璃托盘中，放置时保证根系平铺不交叉以减小误差，用扫描仪进行根系扫描，扫描设备为HP Scanjet 8200型扫描仪。
根系风干后称得干根重，将得出的300 dpi分辨率图像用专用的万深LA-S根系分析软件进行分析处理，得到根系直径dlt;2 mm以下对应的根系数据。
RLD＝L/V.
式中，RLD为根长密度（cm/cm3），L为根系长度（cm），V为土体体积（cm3）。
2" 结果与分析
2.1" 核桃树有效总根长的分布特性
研究表明，不同调亏灌溉条件下，核桃树有效根长随着土壤深度的增加，W0、W3、W4的总体变化趋势表现为单峰曲线，且W3、W4调亏处理在20～40 cm有效总根长最长，分别为74 067 cm、55 678 cm，W0处理在40～60 cm有效总根长最长为50 959 cm。其中W0、W3、W4有效总根长主要分布在0～80 cm，分别占0～120 cm土壤垂直方向总根长的77.87%、94.81%和85.35%，其中W0与W3、W4相比，分别减少了16.95%和7.49%。不同调亏滴灌水不同土壤深度各层有效根系的分布在0～40 cm为W3gt;W4gt;W0，在40～120 cm为W0gt;W4gt;W3，此外核桃树生长发育前期，调亏程度高的W3灌水处理不及W4及W0处理的土壤水分入渗快且广，调亏程度大的W3有效根系生长较W4、W0的有效根系在0～40 cm生长旺盛。
不同调亏灌溉下核桃树有效总根长在水平方向30～60 cm处最大，W0、W3、W4有效总根长分别为37 531、44 192、40 833 cm。在水平方向上不同调亏处理W0、W3、W4有效总根长的分布主要集中在0～120 cm处，分别占总量的80.87%、88.97%、84.99%，W3、W4与W0相比分别增加了8.11%，4.13%。图3～4
2.2" 核桃树一维有效根长密度的分布特性
研究表明，W3、W4不同处理的有效根长密度在20～40 cm分布最大，分别为0.247，0.186，W0处理在40～60 cm有效根长密度分布最大为0.170。根系主要分布在20～60 cm，其中W0、W3、W4有效根长密度及相对有效根长密度在20～40 cm和40～60 cm分别为0.123、0.721 cm/cm3；0.247、1.000 cm/cm3；0.186、1.000 cm/cm3以及0.170、1.000 cm/cm3；0.130、0.527 cm/cm3；0.129、0.698 cm/cm3。不同处理在不同土层深度的根长密度大体符合指数分布，W0的指数分布函数为Y=1.3619e-1.442X，R2=0.6307；W3指数分布函数为Y=4.3091e-4.807X，R2=0.703 8；W4指数分布函数为Y=2.287 6e-2.558X，R2=0.950 7，调亏处理要比正常滴灌的根系分布特征更明显。表3，图5
水平方向上根长密度最大在30～60 cm处，根长密度主要集中在水平距树30～90 cm，W0、W3、W4有效根长密度及相对有效根长密度，在30～60 cm和60～90 cm分别为0.104、1.000；0.123、1.000；0.113、1.000以及0.093、0.890；0.112、0.914；0.106、0.934。不同处理在距核桃树不同水平距离的根长密度符合多项式分布，W0的多项式分布函数为Y=-1.613 3X2+2.081 9X+0.288 9，R2=0.691 6；W3多项式分布函数为Y=-2.286 6X2+2.286 7X+0.374 8，R2=0.941 6；W4多项式分布函数为Y=-1.784 1X2+1.919 2X+0.441 8，R2=0.891 9。表4，图6
2.3" 核桃树二维有效根长密度分布特性
研究表明，W0处理表现出土层深度在40～60 cm，W3、W4处理表现出土层深度在20～40 cm时，有效根长密度值最大，其行、株向各个处理平均值分别为10 192、14 813、11 136 cm；10 192、14 813、11 136 cm。W0、W3、W4各处理在距离核桃树行向30～60 cm处，各个处理土层深度分别在40～60 cm、20～40 cm时，有效根长密度值最大，为11 794，22 753，14 119 cm。行向的有效根长密度呈单峰曲面的趋势，且随着距离核桃树行向由近至远，呈先增后减的趋势，随土层深度的增加，呈先增后减的趋势。根系大体主要分布在距树行间0～120 cm，不同土层深度下根系主要分布在20～60 cm处。随着距树株向距离的增大，W0、W3、W4各处理间表现出来的变化趋势大致相同，均呈现出由大变小的趋势，且在株向距离0～20 cm，土层深度40～60 cm、20～40 cm处有效根长密度达到最大值，为11 195、16 881、16 217 cm。随着距离滴灌核桃树的株向由近到远，表现出0～20 cm根长密度值最大，20～100 cm处的有效根长密度值逐渐减小的趋势，且不同株向距离的土层深度也和不同行向的土层深度变化趋势大致相同，也呈先增后减的规律。土层深度在20～40 cm与40～60 cm处的有效根长密度，明显高于其他各层土体中的有效根系密度。不同调亏灌溉W0、W3、W4处理下的滴灌核桃树有效根长密度，均分布在行向0～120 cm，株向0～60 cm，土层深度20～60 cm。表5～6，图7
2.4" 同一生育期不同处理核桃树根重变化
研究表明，各处理呈先增后减的单峰变化趋势，其峰值出现在水平距离60 cm处，相比W0，W3处理根重密度增加11%，W4处理根重密度增加2%，在水平距离0～90 cm处，各处理根重密度大体呈W3gt;W4gt;W0，0～90 cm根重密度水平距离与W0相比，W3均值增加8.98%，W4均值增加4.75%；而在水平距离90～150 cm，各处理根重密度大体呈现W0gt;W4gt;W3，对照组相比调亏处理水分水平扩散较大，使得根系生长多，90～150 cm根重密度相比W0，W3均值减少26.95%，W4均值减少17.05%。图8
2.5" 不同生育期相同处理核桃树根长、重密度变化
研究表明，在Ⅵ期W3处理深度高于Ⅲ期各个土层根长密度，呈现出单峰值变化趋势，在Ⅲ、Ⅵ期土层深度20～40 cm达到最大值，W3Ⅵ期处理较Ⅲ期根长密度在80～100 cm增加最大为49.53%，其次在60～80 cm增大次之为20.02%，在100～120 cm增大6.68%，而0～60 cmⅥ期较Ⅲ期根长密度增加明显低于60～120 cm。图9
W3在Ⅲ、Ⅵ期根重密度也表现出在20～40 cm处最大，Ⅵ期较Ⅲ期根重密度在80～100 cm增加最大为41.56%，在60～80 cm根重密度增大为18.56%，100～120 cm根重密度增大为6.41%。图10
3" 讨 论
3.1
试验研究认为，干旱区滴灌核桃树在水平方向上不同调亏处理W0、W3、W4总根长的分布主要集中在0～120 cm处，分别占总含量的80.87%、88.97%、84.99%，垂直方向有效根长主要分布在0～80 cm，分别占总量的77.87%，94.81%及85.35%；核桃树根系的根长分布密集区应作为果树根部管理的重点对象，与TANASESEU等［27］和SOKALSKA等［28］认为果树根系主要分布在地表土层，且随着深度的增加而逐渐减少的结论相似。
3.2
核桃树有效吸水根系根长密度函数在水平方向为多项式函数分布，垂直方向为指数函数分布，与王磊等［29，30］所研究的根系分布特性结果一致；杨胜利等［31］、张瑞芳等［32］、李楠等［33］、陈高安等［34］对其他果树根系分布研究的表明，果树根系在地面灌条件下总根长水平分布是随距离树干的距离增加而逐渐递减的规律，与试验得出结论有所不同，是由于采用的灌溉模式不同的缘故。试验通过对不同调亏滴灌核桃树根系空间分布进行研究，发现浅、中层土壤中根系长度表现出W3gt;W4gt;W0，是因为调亏量大相比调亏量少处理而言水分入渗范围更加有限，再加上根系为了满足自身的营养生长，作物自身保护机制使得这种现象产生。
3.3
研究表明，调亏灌溉是通过控制土壤水分影响作物根系生长，从而达到间接控制作物蒸腾作用的目的［35］。根长密度反映着植物根系吸收水分和养分的潜力，一般根长密度越大，在养分吸收方面就越具有优势，具有更强的活力和抵抗不良环境的能力；另外，根长密度越大，越有利于减小土壤容重，增加土壤孔隙度，改良土壤结构［36］。
4" 结 论
4.1
随着不同土壤深度的增加，W0、W3、W4各个处理的有效总根长变化趋势表现为单峰曲线，对照组在40～60 cm且其他2个调亏处理在20～40 cm有效总根长最长，其中有效总根长主要分布在0～80 cm范围内；在水平方向上不同调亏处理有效总根长的分布主要集中在0～120 cm处。
4.2" 不同调亏灌溉下对照组与其他2个调亏处理垂直方向上的有效根长密度在40～60 cm与20～40 cm分布最大，不同处理在垂直方向上的根长密度符合指数分布，水平方向各个处理根系密度最大在30～60 cm处，不同调亏处理在水平方向上的根长密度符合多项式分布。
4.3" 各处理均表现出土层深度在40～60 cm与20～40 cm，距离核桃树行向30～60 cm处，株向距离0～20 cm处有效根长密度达到最大值。各个处理的行向距离，随土层深度的变化二维有效根长密度呈现出单峰曲面的趋势，距树不同行、株向与土层深度的有效根长密度主要分布在行向0～120 cm、株向0～60 cm、土层深度20～60 cm。
4.4" 由Ⅲ期W0、W3、W4各处理总根重密度水平分布各处理呈先增加后减少的单峰趋势，通过W3处理在Ⅲ、Ⅵ期进行土层深度根长、重密度在Ⅵ期W3处理高于Ⅲ期各个土层根长、重密度，呈单峰值的趋势。
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Study on spatial distribution characteristics of walnut root system under regulated deficit drip irrigation
LIU Junqing1， 2， LIANG Guocheng3， ZHANG Xin4， WANG Qingyong4， ZHAO Jinghua1， 2
（1. School of Water Conservancy and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China; 2. Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Safety and Water Disaster Prevention and Control， Urumqi 830052， China; 3. Construction Bureau of Urumqi Economic and Technological Development Zone （Toutunhe District）， Urumqi 830026， China; 4. Xinjiang Erqi River Investment and Development （Group） Co.， Ltd.， Urumqi 830000， China ）
Abstract：【Objective】" this paper mainly aims to analyze the distribution characteristics of effective root length less than 2 mm and establish the density function of effective root length to reveal the spatial distribution characteristics of walnut roots under different regulated deficit irrigation.
【Methods】"" The effect of Regulated Deficit Drip Irrigation on the spatial distribution of effective root system of walnut tree was studied by excavating the pre-set small soil block （30×20×20） cm by using 14-year-old Wen 185 walnut tree as test material.
【Results】" It was found that the total effective root length distribution of walnut trees in W0， W3 and W4 showed a single peak curve in different deficit regulation drip irrigation treatments， and the total effective root length of each deficit regulation treatment was the largest at 20-40 cm， which were 50，959， 74，067 and 55，678 cm， respectively.Based on the one-dimensional effective root length density distribution of walnut trees， it was concluded that the root length density of different treatments at different soil depths conformed to exponential distribution， and the root length density of different treatments at different horizontal distances from walnut trees accorded with polynomial distribution.According to the two-dimensional effective root length density distribution of walnut trees， whether it was the change of effective root length along the row direction with the depth of soil layer or the change of effective root length along the plant direction with the depth of soil layer， W0， W3 and W4 treatments all showed that the depth of soil layer was 20-40 cm， and the maximum was 30-60 cm away from the row direction of walnut trees， which was 11，794， 22，753 and 14，119 cm.
【Conclusion】" The effects of different Regulated Deficit Drip Irrigation Treatments on the spatial distribution of walnut roots are as follows： root growth of W3 gt; root growth of W4 gt; root growth of W0.
Key words：walnut tree; deficit" drip irrigation; root system; space distribution
Fund projects：Xinjiang Uygur Autonomous Region Natural Science Foundation Project （2022277060）
Correspondence author：Zhao Jinghua （1979-）， male， from Qitai， Xinjiang， professor， doctoral supervisor， research direction： water-saving irrigation theory and efficient crop water use，（E-mail）105512275@qq.com
