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黄土高原长期覆膜苹果园土壤物理退化与细根生长响应

孙文泰, 马明

植物生态学报 2021, 45 (9): 972-986. DOI: 10.17521/cjpe.2021.0248

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甘肃陇东黄土高原为中国苹果主产区之一, 生产中多采取覆膜方式节水保墒, 但长期覆膜易导致土壤物理性状退化及苹果根系生长障碍。为探明长期覆膜对苹果园表层土壤(0-20 cm)、亚表层土壤(20-40 cm)物理特性、土壤结构稳定性及苹果细根数量、形态、构型、解剖性状的影响, 以18年生苹果树为试验材料, 于苹果树发根高峰(果实采后至落叶期), 以清耕(CK)为对照, 采用土壤剖面法系统调查覆膜2年(2Y)、覆膜4年(4Y)、覆膜6年(6Y)的表层土壤、亚表层土壤物理性状变化趋势, 苹果根系根长、表面积、比根长、导管直径、导管密度等指标的空间分布特征。并借助主成分分析, 抽取覆膜条件下根系与土壤变化主要因子, 分析应对根际土壤物理退化的苹果树细根生长适应策略调整。结果表明: 短期覆膜(2Y)可有效改善亚表层土壤含水量、总孔隙度, 分别比CK提高了18.04%、4.53%, 土壤密度降低了2.36%, 促进细根在亚表层土壤中的生长, 比表面积为CK的151%; 覆膜促使黏粒向亚表层土壤移动, 产生明显的淀积黏化作用。土壤物理性黏粒在亚表层土壤中高于表层土壤, 2Y、4Y和6Y处理亚表层土壤物理性黏粒为表层土壤的115.64%、115.58%和114.21%, 呈现土壤紧实化。土壤质地、团聚体特征、有机质含量为主导亚表层土壤退化进程的主要载荷因子, 使根系数量、构型特征受到抑制, 导致长期(4Y、6Y)覆膜苹果的细根集中分布于表层土壤中。亚表层土壤中细根变粗、抑制延伸生长、增大导管直径, 以弥补细根数量、形态性状弱化带来的吸收功能减弱, 促使根系采取“密集型”根系构建策略。综上所述, 长期覆膜果园亚表层土壤出现物理“隐形”退化, 影响果树根系健康生长和土壤可持续利用。2年为适宜陇东旱塬的连续覆膜年限, 生产中应适时揭膜, 促进根系生长和土壤结构优化。

指标 Indicator	根长 Root length (cm)	根表面积 Root surface area (cm²)	平均根径 Average root diameter (mm)	比根长 Specific root length (cm·g^-1)	分支数 Branch number (NO.∙cm^-1)	导管直径 Vessel diameter (μm)	导管密度 Catheter density (NO.·mm^-2)
有机质含量 Organic matter content (g∙kg^-1)	0.312	0.552^*	-0.567^*	0.656^**	-0.687^**	0.400	-0.665^**
土壤含水量 Soil moisture (g∙cm^-3)	0.033	0.339	-0.400	0.465	-0.821^**	0.379	-0.687^**
土壤孔隙度 Soil porosity (%)	0.617^**	0.791^**	-0.690^**	0.479	-0.508^*	0.429	-0.541^*
土壤密度 Soil density (g∙cm^-3)	-0.611^**	-0.147	-0.230	0.319	0.622^**	-0.677^**	0.751^**
土壤通气度 Soil aeration (%)	0.723^**	0.709^**	-0.736^**	0.645^**	0.088	-0.152	-0.561^*
毛管孔隙度 Capillary porosity (%)	0.747^**	0.773^**	-0.589^**	0.543^*	-0.527^*	0.603^**	-0.579^*
黏粒含量 Clay content (%)	-0.568^**	-0.553^**	0.636^**	-0.595^*	0.607^**	-0.289	0.710^**
物理性黏粒含量 Physical clay particles content (%)	-0.964^**	-0.954^**	0.906^**	-0.817^**	0.612^**	-0.835^**	0.774^**
土壤压实度 Packing density of soil (g·cm^-3)	-0.557^*	-0.697^**	0.717^**	-0.811^**	0.607^**	-0.623^**	0.719^**
土壤板结系数 Limit of soil compaction	-0.858^**	-0.932^**	0.900^**	-0.797^**	0.622^**	-0.218	-0.397
团聚体破坏率 Aggregates processing damage rate (%)	-0.621^**	-0.651^**	0.046	-0.321	0.966^**	-0.790^**	0.734^**
水稳系数 Water stability coefficient (%)	0.459	0.586^*	0.172	0.333	-0.956^**	0.834^**	-0.818^**
水稳性团聚体平均质量直径 Mean weight diameter of water-stable aggregates (mm)	0.231	0.798^**	-0.127	-0.268	-0.853^**	0.430	-0.537^*
水稳性团聚体平均几何直径 Geometric mean diameter of water-stable aggregates (mm)	0.701^**	0.393	-0.233	0.417	-0.928^**	0.845^**	-0.634^**

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表4 甘肃陇东苹果园覆膜后亚表层土壤物理性状与细根生长相关性

正文中引用本图/表的段落

将亚表层土壤各理化性状与细根数量、形态、构型和解剖性状做相关性分析(表4)可知, 细根数量性状(根长、根表面积)与土壤总孔隙度、毛管孔隙度、通气度、水稳性团聚体MWD和GMD均呈极显著正相关关系, 与土壤黏粒含量、物理性黏粒含量、PD和CL均呈极显著负相关关系, 其中与土壤物理性黏粒含量相关性最大(r = -0.964**、-0.954**), 表明黏粒含量增加, 土壤团聚体结构不稳定, 透气性差, 阻碍苹果细根拓展; 根系通过对直径的调节适应根际环境, 并决定养分吸收效率。细根直径与土壤黏粒含量、物理性黏粒含量、PD和CL均呈极显著正相关关系关系(r = 0.636**、0.906**、0.711**、0.900**), 与土壤总孔隙度、毛管孔隙度和通气度呈极显著负相关关系, 表明细根直径主要受土壤质地和有效孔隙(毛管孔隙、通气孔隙)的影响; 而细根分支主要受土壤黏粒含量和团聚体的机械稳定性影响。土壤黏粒含量高, 团聚体稳定性差, 促进细根分支。导管特征主要受土壤密度、物理性黏粒含量、PD和团聚体稳定性的影响。表现为土壤黏粒含量高, 土壤密度与PD增大、团聚体稳定性差, 则细根导管直径小、密度大。由此可知, 亚表层黏粒淀积, 土壤密度、PD增大, 导致苹果细根生长阻力变大, 直径增粗, 并以分支特性和导管数量的改变弥补其延伸生长变弱带来的功能差异。

根系性状指标多样, 借助主成分分析通过降维, 对细根根长、表面积、直径、比根长、比表面积、根尖数、分支数和导管直径等16个指标抽取主要因子, 探究覆膜处理对苹果细根生长发育的影响。由表5可知, 根据主成分方差贡献率和累积贡献率选出2个主成分(>85%), 代表89.15%综合信息, 可利用该主成分的主要载荷因子作为综合评价苹果细根变异的指标。第一主成分中载荷值较大的指标为根长和分支数, 代表根系数量、分支特性; 第二主成分为导管直径和导管密度, 代表根系解剖特征。即亚表层土壤中苹果细根由数量、分支和解剖特性产生生长差异应对覆膜年限差异带来的影响。对各处理进行综合得分排名, 覆膜不利于亚表层土壤苹果细根生长, 尤其是长期覆膜(4Y和6Y)综合得分为-0.50、-0.72, 表现出显著抑制作用, 并随覆膜年限延长而增大。

对亚表层土壤有机质含量、土壤含水量、土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤通气度、黏粒含量、物理性黏粒含量、PD、PAD、WSC、水稳性团聚体MWD和GMD等18个指标进行主成分分析, 选出2个主成分(>85%)代表86.34%综合信息。第一主成分中载荷值较大的指标为物理性黏粒含量、水稳性团聚体GMD、有机质含量、WSC和PAD, 可代表土壤质地、有机质和团聚体特征; 第二主成分为土壤密度和PD, 代表土壤紧实特性, 即覆膜影响亚表层土壤质地、团聚体、有机质和紧实度特性。对各处理进行综合得分排名可知, 2Y处理可优化亚表层土壤理化特性, 4Y和6Y处理综合得分为-0.123、-0.913, 对亚表层土壤具有显著破坏作用。

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