CN110020963A - 一种加压注水灌溉与枣树根系空间分布关系的研究方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加压注水灌溉与枣树根系空间分布关系的研究方法，涉及农业技术领域。本发明方法采用分割单元格土柱取根法获取根系的多个原始土块；选根、杀青、测量根系总长度、测量根系干重；计算根长密度和质量密度；根据质量密度绘制枣树根系质量密度水平剖面等值线图和竖向剖面等值线图，分析各深度土层根系大小分布规律；根据根长密度数据绘制枣树根系根长密度水平剖面等值线图和竖向剖面等值线图，分析各深度土层根系大小分布规律；根据测量数据、等值线图、拟合图并结合现场现象，判断加压注水灌溉与枣树根系空间分布的关系，并判断出压注水管的最佳埋设深度和位置，用于提高水分利用效率。

Description

一种加压注水灌溉与枣树根系空间分布关系的研究方法
技术领域
本发明涉及农业技术领域，尤其涉及一种加压注水灌溉与枣树根系空间分布关系的研究方法。
背景技术
根系是作物的营养器官，是作物生长的营养来源，在作物生长发育和产量形成过程中具有非常重要的作用。根系能使植物固定于土壤中，使整个植株维持重力的平衡。土壤中根系与水分的相对空间分布会影响到根系对水分的吸收效率，从而直接关系到根系的生长发育。马理辉等研究了根域水分调控下的坡地密植枣树根系分布，田盼盼等对比分析了滴灌和沟灌两种灌溉方式下的枣树根系分布状况，郭光华分析了漫灌条件下不同径级枣树生物量、吸收根、输导根的空间分布特征，揭示了不同生长阶段枣树根系的空间分布规律。
上述研究针对山地集雨微灌、滴灌、沟灌及漫灌等灌溉方式下的枣树根系进行了系统研究，然而对于加压注水灌溉方式下枣树根系的研究相对较少。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种加压注水灌溉与枣树根系空间分布关系的研究方法。
为达到上述目的，本发明主要提供了如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种加压注水灌溉与枣树根系空间分布关系的研究方法，所述方法包括以下步骤：
采用分割单元格土柱取根法，获取待研究枣树根系的多个原始土块；
去除所述原始土块中死根和杂质进行选根，洗净后于105℃烘15min后对根系杀青，测量根系总长度，再将根系于85℃烘干至根系完全失水达到衡中，测量根系干重；
根据每个根系的总长度和根系干重，获得每个根系的根长密度数据和质量密度数据；
根据所述质量密度数据绘制枣树根系质量密度水平剖面等值线图和枣树根系质量密度竖向剖面等值线图；
根据根系质量密度水平剖面等值线图和根系质量密度竖向剖面等值线图分析各深度土层根系大小分布规律；分别用一元线性函数、幂函数、指数函数、对数函数及二项式函数对每一个深度土层的x、y和z轴方向根系质量密度进行回归统计分析，得出二项式函数，利用该方程描述出土柱内根系质量密度随直角坐标x、y和z轴三个方向的变化趋势，绘制质量密度空间分布函数关系拟合图；
根据所述根长密度数据绘制枣树根系根长密度水平剖面等值线图和枣树根系根长密度竖向剖面等值线图；
根据根系根长密度水平剖面等值线图和根系根长密度竖向剖面等值线图分析各深度土层根系大小分布规律；分别用一元线性函数、幂函数、指数函数、对数函数及二项式函数对每一个深度土层的x、y和z轴方向根系根长密度进行回归统计分析，得出三次项式函数，利用该方程描述出土柱内根系根长密度随直角坐标x、y和z轴三个方向的变化趋势，绘制根长密度空间分布函数关系拟合图；
根据测量数据、等值线图、拟合图并结合现场现象，判断加压注水灌溉与枣树根系空间分布的关系，并判断出压注水管的最佳埋设深度和位置，用于提高水分利用效率。
作为优选，所述分割单元格土柱取根法具体过程：以枣树树干与地面交点中心处为坐标原点，建立直角坐标系；定义原点以东为x轴正方向、原点以北为y轴正方向、原点竖直向下为z轴正方向，加压注水管埋设在东南方向，即-yox象限，与x轴呈45°；土柱长宽高分别为210cm×210cm×100cm，即-110≤x≤110,-110≤y≤110,-110≤z≤110，单位cm；土柱垂直取土层厚度为20cm，共分为5层；每层沿x、y方向30cm为1段，即x、y方向各分6段，每层划分成36个30cm×30cm单元面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明上述研究方法可以准确判断出压注水管的埋设位置与枣树根系空间分布的关系，进而可根据本发明研究结果设定压注水管的最佳埋设位置，以达到提高水分利用效率的目的并节约水资源。
附图说明
图1A是本发明实施例提供的注水管埋设位置实物图；
图1B是本发明实施例提供的注水管埋设位置示意图；
图2A是本发明实施例提供的枣树根区土柱网格划分实物图；
图2B是本发明实施例提供的枣树根区土柱网格划分示意图；
图3A-3E是本发明实施例提供的枣树根系质量密度(Z轴)水平剖面等值线图；
图4A-4B是本发明实施例提供的枣树根系质量密度竖向剖面等值线图；
图5A-5C是本发明实施例提供的枣树根系质量密度空间分布函数关系拟合图；
图6A-6E是本发明实施例提供的枣树根系根长密度(Z轴)水平剖面等值线图；
图7A-7B是本发明实施例提供的枣树根系根长密度竖向剖面等值线图；
图8A-8C是本发明实施例提供的枣树根系根长密度空间分布函数关系拟合图；
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下以较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
研究区概况:试验地位于宁夏回族自治区灵武市长枣标准化示范区，北纬38°09′57″，东经106°17′79″，海拔1107m，该区为温带干旱和半干旱区，属于典型的大陆性季风气候，多年平均气温8.8℃、年均降水量206.2-255.2mm。土壤表层质地为沙壤土，土壤密度1.42g/cm3，田间持水率29.1％(体积)，属于氯化物－硫酸盐类土壤，0～100cm土壤含盐量在1～3g/kg。地下水位在3m左右。
枣树种植及灌溉情况:以矮化密植枣树(骏枣)为研究对象，试验区面积为0.0667hm2，枣树田间种植株行距为1×2m，亩均定值333株。为了保证枣树的矮化树型，每间隔30天进行修剪，控制株高在2-2.2m，南北冠幅1.3-1.5m，东西冠幅1.4-1.6m。
注水管在枣树根区的埋设方式见图1A-1B，注水管埋深40cm，距枣树主茎30cm，竖管埋设位置与枣树种植行南北向(y轴)呈45°方向，底部水平出水管分别与东西向(x轴)和南北向(y轴)平行。通过首部加压变频泵、压力表和流量计调节注水压力及流量。为避免其它植物根系对试验结果造成干扰，自4月起定期对地面喷施除草剂及铲除杂草，保证地面无杂草。
用于试验的加压注水管于2013年埋入枣树根区，2014年试验结束后，随机选择长势相近的3棵枣树取根分析。枣树的注灌水量两年间均保持一致，灌水定额0.04m3/株，枣树全生育期总计灌水6次，灌溉定额1200m3/hm2。
试验方法：采用分割单元格土柱取根法；以枣树树干与地面交点中心处为坐标原点，建立直角坐标系。定义原点以东为x轴正方向、原点以北为y轴正方向、原点竖直向下为z轴正方向，加压注水管埋设在东南方向(即-yox象限)，与x轴呈45°(如图2所示)。土柱长宽高分别为210cm×210cm×100cm，即-110≤x≤110,-110≤y≤110,-110≤z≤110,(单位：cm)。土柱垂直取土层厚度为20cm，共分为5层。每层沿x、y方向30cm为1段，即x、y方向各分6段，每层划分成36个30cm×30cm单元面。
沿各单元格土柱断面切割、分离土柱(图2A-2B)，筛分土体去除死根、杂质进行选根，洗净后置于105℃烘箱内15分钟对根系杀青，取出根系用扫描仪扫描根系，运用软件R2V将根系灰度化、矢量化，再用AutoCAD及其插件燕秀工具等软件，绘制出根系中心线并得到根系总长度；再将根系放入烘箱保持85℃，直至根系完全失水达到恒重，用万分位电子天平称重得到根系干重。通过根系总长度及根系干重分别能计算出三株枣树的根长密度及质量密度，并取三株枣树的平均值。
结果分析：
(1)注灌对枣树根系质量密度空间分布特征的影响：
由图3A-3E的不同土层根系质量密度等值线图可看出，竖向深度0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm的各层根系质量密度均值为5814.01、8691.72、7216.53、2628.17和663.63g/m3，分别占总量的23.2、34.7、28.8、10.5和2.8％；在x轴方向(x轴-90-90cm，z轴0-100cm范围)，-90--60、-60--30、-30-0、0--30、30-60、60-90cm各分段的根质量密度均值为513.14、1631.66、3547.71、6246.75、5972.11和4235.89g/m3，分别占总质量密度的2.33、7.4、16.09、28.33、26.63和19.21％；在y轴方向(y轴-90-90cm，z轴0-100cm范围)，-90--60、-60--30、-30-0、0--30、30-60、60-90cm各分段的根质量密度均值为1420.07、2374.02、6094.27、6116.22、4304.05和2922.61g/m3，分别占总质量密度的6.11、10.22、26.23、26.33、18.53和12.58％。
由于加压注水管的两个水平出水管成90°相交，水流自出水管孔口流出后呈“半包围”形态在枣树根区运移，土壤水分更多的分布在注水管埋设一侧。由图3-1～3-4可看出，由于根系的向水性，使得各层土壤中的根系并非呈对称分布。加压注水后，注水管出水孔附近的土体首先达到饱和状态，在注水管埋设(40cm)处的土壤含水率最大，使得20-40、40-60cm土层的根系质量密度较其它土层高，而40-60cm土层内的根系要多于20-40cm，这是由于向下的水分渗入量大的原因所致。其它各层的根系分布大小依次是0-20cm＞60-80cm＞80-100cm。
由图4A-4B可看出，沿着x轴竖向剖面-30～60cm、y轴竖向剖面-60cm～60cm的枣树根质量密度分布最大。由此可推断出，加压注水灌溉后枣树根区土壤湿润体主要分布范围在x轴方向-30cm～60cm之间、y轴方向-60cm～60cm之间、z轴方向-20cm～-60cm之间。
(2)根系质量密度空间分布函数关系：
分别用一元线性函数、幂函数、指数函数、对数函数及二项式函数对x、y和z轴方向根系质量密度进行回归统计分析，得出二项式函数的相关性较好(表1)。该方程能够较准确的描述出土柱内根系质量密度随直角坐标x、y和z轴三个方向的变化趋势(式1-3，图5A-5C)。
表1.根系质量密度空间分布模型拟合相关性数值表
X轴方向：y＝-0.5707x2+12.850x+5442.3；R2＝0.8699 (1)
Y轴方向：y＝-0.5575x2-1.3149x+5508.9；R2＝0.8454 (2)
Z轴方向：y＝-2.2853x2+146.71x+5208.9；R2＝0.8818 (3)
(3)注灌对枣树根长密度空间分布特征的影响：
作物根长密度是衡量水分吸收率的重要指标，根长密度大时，植物吸水表面增加，土壤输水距离缩短，有利于水分吸收；由图6A-6E的不同土层根长密度等值线分布图可看出，竖向(z轴)深度0-20、20-40、40-60、60-80和80-100cm的各层根长密度均值为4.529、5.125、2.481、2.414和0.466mm/cm3，分别占到总根长密度的30.2、34.1、16.5、16.1和3.1％。在x轴方向(x轴-90-90cm，z轴0-100cm范围)，-90--60、-60--30、-30-0、0--30、30-60、60-90cm各分段的根长密度均值为0.501、0.414、0.580、1.078、1.264和1.011mm/cm3，分别占到总根长密度的10.33％、8.54％、11.96％、22.24％、26.07％和20.85％；在y轴方向(x轴-90-90cm，z轴0-100cm范围)，-90--60、-60--30、-30-0、0--30、30-60、60-90cm各分段的根长密度均值为0.621、1.009、1.092、1.008、0.741和0.631mm/cm3，分别占到总根长密度的12.17％、19.18％、21.4％、19.76％、14.52％和12.37％。同时，由图6A、6B可看出，在z轴方向，0～20cm、20～40cm土层内根长密度出现了较为明显的集中现象，而40～60、60～80、80～100cm各层土壤中根长密度集中不明显，分布较均匀。这是由于注水管埋设在x轴正向、y轴负向及z轴正向区间内，该区域的水分含量较高，枣树根系发达，根长密度大，土壤水分利用充分，同时，也说明注水管的埋设深度不够，水分有向上表聚现象。
由图7A-7B可看出，在x轴竖向剖面上，根长密度基本以枣树树干(0点)对称分布，而在y轴竖向剖面上，根长密度则以距枣树树干30cm(y轴负向)对称分布。由此看出，加压注灌条件下枣树根长密度在0～40cm土层内非对称分布明显，而在40～100cm土层中呈均匀分布。
(4)枣树根长密度空间分布函数关系：
分别用一元线性函数、幂函数、指数函数、对数函数及二项式函数对x、y和z轴方向根系根长密度进行回归统计分析。经分析得出三次项函数拟合的相关性较好，能够较为准确的描述出土柱内根长密度随直角坐标三个方向的变化趋势(式4-6)。拟合三项式函数见图8A-8C。
X轴：y＝-1.1×10-6x3-4.9×10-5x2+0.0099x+0.9725；R2＝0.9246 (4)
Y轴：y＝6×10-7x3-5.4×10-5x2+0.0056x+0.9895；R2＝0.9867 (5)
Z轴：y＝1.4×10-5x3-0.0026x2+0.0776x+4.1421；R2＝0.8914 (6)
表2根长密度空间分布模型拟合相关性数值表
根系是植物吸收水分和养分的主要器官，在不同的灌溉方式下，开展植物根系的发育、分布规律及吸水机理方面的研究，对于实施精准供水及节水灌溉有着重要的意义。加压注水灌溉是一种全新的灌溉方式，利用注水设备将水注施到植物的根部，通过缩短水分下渗途径，减少水分截留和无效损耗，以此达到高效节水的目的。该灌溉方式能够显著降低果树灌溉用水量，减少地表蒸发，使水资源得到充分的利用。由于加压注水灌溉方式使水分直接作用于果树根区，能够很好的调节根区水分分布及根系生长。由于注灌方式与其他灌溉方式在灌溉技术方面的差异性，决定了其对果树根系的调控也不同。滴灌对根系分布的影响更多的体现在灌水技术参数、布设方式的因素上，这与根区加压注水灌溉埋设方式对于枣树根系的影响较为一致。
然而在注灌条件下，枣树根系质量密度在垂直方向上出现先增大后减小的现象。枣树根系主要分布在x轴竖向剖面-30～60cm、y轴竖向剖面-60cm～60cm，z轴方向-20cm～-60cm之间，这与其他学者关于滴灌枣树的根系分布的研究结果有较为明显的区别，也说明加压注水管的埋设位置对于调控枣树根系起着关键作用。另外，加压注灌使根长密度在0～40cm土层内非对称分布明显，而在40～100cm土层中呈均匀分布。说明加压注水灌溉没有形成水分的明显下渗，水分有表聚现象发生。注水管埋设处的根系比较发达，水分利用的潜力还有提升空间，因此，为了提高水分利用效率设置合理的埋深是关键。
加压注水灌溉每年只对枣树灌溉5-6次，灌溉用水量远小于滴灌，而且水分直接在根区分布，为极端干旱区枣树生长提供了最为关键的水分因素，改变了枣树的根系分布，增加了20-40cm土层土壤吸水的毛细根系，减小了枣树从深层土壤中吸水的可能，因而有可能改变了枣林根系的吸水模式，相关研究还有待于进一步的开展。
采用本发明上述研究方法可以准确判断出压注水管的埋设位置与枣树根系空间分布的关系，进而可根据本发明研究结果设定压注水管的最佳埋设位置，以达到提高水分利用效率的目的并节约水资源。
本发明实施例中未尽之处，本领域技术人员均可从现有技术中选用。
以上公开的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以上述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种加压注水灌溉与枣树根系空间分布关系的研究方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
采用分割单元格土柱取根法，获取待研究枣树根系的多个原始土块；
去除所述原始土块中死根和杂质进行选根，洗净后于105℃烘15min后对根系杀青，测量根系总长度，再将根系于85℃烘干至根系完全失水达到衡中，测量根系干重；
根据每个根系的总长度和根系干重，获得每个根系的根长密度数据和质量密度数据；
根据所述质量密度数据绘制枣树根系质量密度水平剖面等值线图和枣树根系质量密度竖向剖面等值线图；
根据根系质量密度水平剖面等值线图和根系质量密度竖向剖面等值线图分析各深度土层根系大小分布规律；分别用一元线性函数、幂函数、指数函数、对数函数及二项式函数对每一个深度土层的x、y和z轴方向根系质量密度进行回归统计分析，得出二项式函数，利用该方程描述出土柱内根系质量密度随直角坐标x、y和z轴三个方向的变化趋势，绘制质量密度空间分布函数关系拟合图；
根据所述根长密度数据绘制枣树根系根长密度水平剖面等值线图和枣树根系根长密度竖向剖面等值线图；
根据根系根长密度水平剖面等值线图和根系根长密度竖向剖面等值线图分析各深度土层根系大小分布规律；分别用一元线性函数、幂函数、指数函数、对数函数及二项式函数对每一个深度土层的x、y和z轴方向根系根长密度进行回归统计分析，得出三次项式函数，利用该方程描述出土柱内根系根长密度随直角坐标x、y和z轴三个方向的变化趋势，绘制根长密度空间分布函数关系拟合图；
根据测量数据、等值线图、拟合图并结合现场现象，判断加压注水灌溉与枣树根系空间分布的关系，并判断出压注水管的最佳埋设深度和位置，用于提高水分利用效率。
2.如权利要求1所述的一种加压注水灌溉与枣树根系空间分布关系的研究方法，其特征在于，所述分割单元格土柱取根法具体过程：以枣树树干与地面交点中心处为坐标原点，建立直角坐标系；定义原点以东为x轴正方向、原点以北为y轴正方向、原点竖直向下为z轴正方向，加压注水管埋设在东南方向，即-yox象限，与x轴呈45°；土柱长宽高分别为210cm×210cm×100cm，即-110≤x≤110,-110≤y≤110,-110≤z≤110，单位cm；土柱垂直取土层厚度为20cm，共分为5层；每层沿x、y方向30cm为1段，即x、y方向各分6段，每层划分成36个30cm×30cm单元面。
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