试验地位于北京市大兴区林场，属暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年均气温11.6℃，1月平均气温-2.3℃，7月平均气温25.1℃，年平均无霜期180~200 d，年平均降水量520~560 mm，且主要集中在6—9月，地下水位深36 m，田间持水量为10%，土壤为永定河故道冲击沙土，有机质含量低，土壤蓄水能力差。

试验以滴灌栽培的5年生欧美杨107无性系(Populus × euramericana cv.‘74 /76’)人工林为研究对象，该林分于2011年春季采用30 cm长插条扦插造林，株行距3 m×5 m，滴灌管沿树行铺设，滴头间距为60 cm，滴头流量4 L·h^-1。根据杨树速生丰产林的蒸散量确定生长季内不同时期需要的灌溉量，于每年5—9月采用少量多次的方式灌溉，每次灌溉时间为9 h，停灌后能在树行方向形成宽度1.0~1.2 m、深度60~70 cm的连续湿润带^[13]。试验当年滴灌栽培条件下的林木平均胸径15.7 cm，平均树高17.28 m；常规灌溉条件下的林木平均胸径13.4 cm，平均树高15.53 m，滴灌栽培的蓄积量比常规灌溉高28.5 m³·hm^-2。

于2015年11月上旬在林分内设置3个面积为30 m×20 m标准地，每个标准地内有样木40株，在标准地内进行每木检尺，然后各选取1株树高、胸径、冠幅接近平均值的标准木作为研究对象。采用根钻(根钻内径10 cm，高10 cm)法取样，根据1/4样圆法^[25](图 1)，即在每株样木的不同方位划分出1/4营养区作为取样区，结合滴灌条件下根系分布^[24]，以样木树干为中心，分别选取株间、行间和对角3个方向作为取样区，然后在距树干0.2、0.5、1.0、1.5 m处钻取土芯，取样深度为60 cm，每10 cm为1个土层。把取出的每个土样分别装入标号的塑封袋内，共计216个土样带回实验室分析。

图  1  根系取样示意图

Figure 1.  Root sampling diagram

土样在清水中浸泡后用流水冲洗，过孔径为0.8 mm筛，使根系与土样中绝大部分的土壤及其他杂质分离，然后在清水中用镊子小心捡取所有活根系。本研究按照传统的根系分类标准^[20]，以直径≤2 mm作为划分细根和粗根的阈值。应用Epson Twain Pro根系扫描系统和WinRhizo根系图像分析系统对根系进行细根根长测定。待全部根样扫描完成后，将细根在80℃烘箱中烘干至恒质量(24 h), 用电子天平称质量(精确到0.001 g)，测定各根样的生物量。

利用Excel软件对试验数据进行整理和统计，以Origin Pro 8.0软件作图，采用SPSS19.0软件进行树干距离和土层深度的双因素方差分析，研究各因素及其交互作用对细根分布的影响，然后对数据进行单因素方差分析以探究细根的水平和垂直分布特征。

为探究滴灌条件下细根的总体分布规律，分别以同一方向所有取样点及同一土层或树干距离所有取样点的单位土体内细根生物量和根长的和来表征细根的总体分布特征。图 2、3直观反映了细根生物量和根长的空间分布格局，不同方向的细根生物量和根长都表现出相似的分布趋势。株间方向不同土层细根的水平分布表现为先增加后减小的分布特征，细根生物量和根长均在距树干0.5 m处最大；垂直方向不同树干距离处的细根在0~10 cm土层分布最多，然后随土层加深细根不断减少。对角方向不同土层细根的水平分布均在距树干0.2 m处最大，然后随距离变远不断减小；不同树干距离处细根的垂直分布也均表现为先增加后减小的分布规律，细根在10~20 cm土层分布最多。行间方向细根的分布与对角方向类似，水平方向距树干0.2 m处细根分布最多，垂直方向细根在10~20 cm土层最多，然后随树干距离变远和土壤深度加深，细根分布不断减少。

图  2  细根生物量的空间分布

Figure 2.  Spatial distribution of fine root biomass

图  3  细根长的空间分布

Figure 3.  Spatial distribution of fine root length

通过树干距离、土层2个因素对滴灌条件下杨树人工林细根指标参数进行方差分析，结果(表 2)表明：树干距离、土层深度及其交互作用均对细根生物量和根长分布影响显著(P＜0.05)，说明滴灌条件下细根有明显的空间分布格局。由表 2可知：对角和行间方向细根生物量受树干距离的影响大于株间方向，而株间方向受土层的影响较大；行间方向细根长受树干距离、土层及其交互作用的影响较株间和对角方向更大，说明行间方向的细根分布有更明显的空间异质性，这可能是受滴灌后形成的湿润带造成不同树干距离及土层土壤水分条件不同的影响。

由表 3可知：不同方向细根生物量差异显著(P＜0.05)，不同取样点细根生物量总和为14.86 mg，其中，株间方向占细根总生物量的54.2%，分别是对角和行间方向生物量的2.06倍和2.79倍。不同方向的细根长差异显著(P＜0.05)，株间方向占细根总长的50.5%，分别是对角和行间方向的1.82倍和2.32倍。滴灌条件下，细根主要分布在株间方向，不同方向细根的分布表现为株间＞对角＞行间，这是由于细根生长具有向水性，而滴灌管沿树行铺设，滴灌后能在株间方向形成连续的湿润带，利于细根生长；对角和行间方向受湿润带影响有限，细根分布减少，但对角方向受湿润带影响范围大于行间方向(图 1)，湿润带内土壤水分的增加有利于根系的生长，所以对角方向比行间方向有更多的细根。

由细根生物量和根长的垂直分布特征(表 4)可知：不同土层细根生物量差异显著(P＜0.05)，其中，10~20 cm土层细根生物量最大，为3.75mg，是0~10 cm土层细根生物量的1.19倍；随土层的加深，细根生物量不断减少，其中, 0~40 cm土层细根生物量占细根总生物量的81.2%。由表 4可知：细根长的垂直分布与生物量相似，不同土层的细根长差异显著(P＜0.05)，10~20 cm土层的细根最长，为6.75 cm，是0~10 cm土层细根长的1.13倍，然后随土层的加深细根长不断减小。0~40 cm土层的细根长占细根总长的84.5%，说明滴灌条件下细根主要分布在0~40 cm土层，40~60 cm土层的细根分布减少显著。

滴灌后水分能在0~40 cm土层形成连续的湿润带，提高0~40 cm土层的土壤水分含量，显著改善土壤条件，利于细根生长和积累，而下渗到40~60 cm土层的水分相对较少并迅速向周围扩散，其水分条件明显比0~40 cm土层的差，细根分布明显减少。

由不同方向细根长的水平分布情况(图 4)可知：滴灌条件下，杨树人工林细根的水平分布在不同方向差异显著。株间方向细根长的水平分布表现为先增加后减小的分布规律，根长在距树干0.5 m处最大，为4.2 cm，占该方向细根总长的33.1%，与距树干0.2、1.0、1.5 m处的根长均差异显著(P＜0.05)。由于滴灌后在株间方向形成连续湿润带，水分条件充足，细根生长不受水分条件制约，细根先增加后减小的水平分布特征应该是树木细根自身生长调控的结果。

图  4  不同方向细根长水平分布特征

Figure 4.  Horizontal distribution of fine root length in different directions

对角方向的细根长表现出随树干距离变远不断减小的分布特征，根长在距树干0.2 m处最大，为2.7 cm，占该方向细根总长的38.1%，与距树干0.5 m处的根长差异不显著(P＞0.05)；距树干0.2、0.5 m处的细根长与距树干1.0、1.5 m处均差异显著(P＜0.05)。

行间方向细根长的水平分布与对角方向类似，其水平分布表现为随距树干距离的增加而减小，距树干0.2、0.5、1.0、1.5 m处的细根长差异显著(P＜0.05)，其中，距树干0.2 m处的根长为2.3 cm，占该方向细根总长的41.8%。由于对角方向距树干0.5 m处仍在滴灌形成的湿润带范围内，土壤水分条件较好，其细根长与距树干0.2 m处相近；行间方向距树干0.5 m处已处于湿润带边缘，水分条件较差，影响了细根的生长和积累，显著小于距树干0.2 m处的细根长(图 1)。通过以上分析可知，株间方向距树干0.2、0.5、1.0、1.5 m处以及对角和行间方向距树干0.2、0.5 m处均在湿润带内，其细根长的和占所有位点细根总长的86.4%。

不同方向细根长有明显的垂直分布特征(图 5)。株间方向根长在0~10 cm土层最大，为3.7 cm，占株间细根总长的29.1%，与其他土层的根长均差异显著(P＜0.05)，然后随土层加深根长不断减小。这是由于滴灌改变了表层土壤的水分、温度等条件，利于根系生长，同时适宜的土温和水分条件也有助于林地内枯枝落叶的分解，从而改善表土层的土壤条件，进一步促进细根的生长和积累。0~40 cm土层细根长的和占该方向细根总长的87.4%，细根主要分布在0~40 cm土层。

图  5  不同方向细根长垂直分布特征

Figure 5.  Vertical distribution of fine root length in different directions

对角方向细根长的垂直分布特征与株间方向不同，细根长在10~20 cm土层最大，为2.0 cm，占该方向细根总长的27.9%，是0~10 cm土层根长的1.48倍，差异显著(P＜0.05)，这是由于沙土的蓄水能力较差，而0~10 cm土层温度高，蒸发量大，表土层的土壤水分减少，细根分布较少。0~40 cm土层细根长的和占该方向细根总长的80.7%，细根仍主要分布在0~40 cm土层。

行间方向细根长的垂直分布特征与对角方向类似，细根长的垂直分布表现为先增加后减小的分布特征，细根长在10~20 cm土层最大，为1.7 cm，占该方向细根总长的31.0%，与其他土层差异显著(P＜0.05)。0~40 cm土层细根长的和占该方向细根总长的82.7%，该方向细根仍主要分布在0~40 cm土层。

杨树人工林细根生物量和根长是评价根系吸收养分和水分能力的重要指标。本研究表明，在不同方向的不同水平距离和土壤深度，细根生物量和根长表现出相似的分布特征，这与李盼盼等^[26]有关细根生物量和根长密度等分布特征的研究结果一致。为了简化分析且完整揭示细根的空间分布规律，在以后的研究中可任选其中之一作为研究细根空间分布规律的指标。

土壤水分、养分等资源的差异是影响细根分布的重要原因，闫小莉等^[22]关于水肥耦合条件下细根形态及分布特征的研究表明，细根生长具有一定的向水性和趋肥性。由于本研究试验地为沙地，土壤贫瘠，N、P、K元素含量极低^[27]，土壤条件的差异主要受滴灌后形成的湿润带在不同方向和不同土壤深度导致的水分条件不同所影响。滴灌条件下，细根长的分布受树干距离、土层及其交互作用的显著影响，这是由于滴灌后形成的湿润带在不同方向和不同土壤深度导致的水分条件不同所致(图 1)。

距树干不同距离处的土壤条件等因素显著影响细根分布^[28-29]。滴灌条件下，杨树人工林细根的水平分布在距树干不同距离处表现为，株间方向细根长在距树干0.5 m处最大，而对角和行间方向细根长在距树干0.2 m处最大，这是由于株间方向水分充足，细根的分布主要受树木细根自身生长调控的影响^[30]，而对角和行间方向随树干距离变远，受湿润带影响不断减少，土壤水分条件不断变差。距树干由远到近细根长的变化幅度为株间方向＜对角方向＜行间方向，这与土壤水分条件在株间方向、对角方向及行间方向的分布格局一致。

杨树人工林在每次滴灌后，导致土壤不同深度水分条件的差异且显著影响细根的垂直分布，不同土层的细根长，株间方向表现为0~10 cm土层最大且与其他土层差异显著，这和张龙宁等^[17]，闫小莉等^[22]在滴灌条件下细根形态指标随土壤深度增加而显著减小的研究结果一致。滴灌条件下，杨树人工林不同方向的细根均主要分布在0~40 cm土层，这也与以往林木细根主要分布在林地浅土层的研究结果一致^[31-32]。

滴灌栽培杨树人工林的灌溉量根据不同年份杨树速生丰产林的蒸散量确定，本研究对象为北京河流故道沙地上滴灌栽培的5年生杨树人工林，其年灌溉量仅为2 422 m³·hm^-2，比常规灌溉减少50%以上，但其蓄积量却是常规灌溉人工林的1.5倍，这说明滴灌条件下杨树人工林形成的上述空间分布格局和数量为杨树人工林的生长发育奠定了基础，使其达到了速生丰产的目标。

由于本试验仅研究了滴灌栽培条件下杨树人工林细根的空间分布，在常规灌溉条件下细根的空间分布情况未做说明，今后尚需对常规灌溉条件下细根的空间分布进行对比研究，从而全面揭示滴灌栽培条件下林分的速生丰产机制。另外，根系对水分的响应是一个复杂的生理生态过程，本研究仅从细根的形态和生物量指标来探究滴灌栽培条件下细根的分布特征，在今后研究中应该对细根生长发育机制及动态变化进行深入研究，以全面揭示滴灌栽培杨树人工林细根的生理生态特性。

滴灌条件下，杨树人工林细根的空间分布特征可以采用细根生物量或细根长任一指标来表述。滴灌后形成的连续湿润带导致土壤水分条件的差异使细根在不同方向的水平分布和垂直分布特征不同，在株间、对角和行间方向细根长的分布表现为株间＞对角＞行间。细根在对角和行间方向的水平分布受湿润带范围影响表现为距树干由近变远不断减少的分布特征；细根在垂直方向主要分布在形成连续湿润带的0~40 cm土层，整体表现为随土层由浅变深不断减少的分布特征。由于滴灌后能沿株间方向形成连续的湿润带，依据滴灌栽培杨树人工林细根的水平分布规律，每次滴灌后应保证水分侧渗到距离树干至少50 cm的范围，以满足86.4%的细根吸收到足够的水分；依据滴灌栽培杨树人工林细根的垂直分布规律，每次滴灌后应保证水分下渗的深度至少达到40 cm深，以满足84.5%的细根吸收到足够的水分。本研究结果和结论为确定精准的单次有效灌溉量提供理论依据，从而实现既节水又确保林木正常生长的双重目标。