陜北黃土丘陵區(qū)山地蘋(píng)果園的土壤水分動(dòng)態(tài)研究*

李佳旸, 王延平**, 韓明玉, 張林森, 韓穩(wěn)社

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陜北黃土丘陵區(qū)山地蘋(píng)果園的土壤水分動(dòng)態(tài)研究*

李佳旸1,2, 王延平1,2**, 韓明玉3, 張林森3, 韓穩(wěn)社1,2

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 楊凌 712100; 2. 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 楊凌 712100; 3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院 楊凌 712100)

掌握土壤水分特征是實(shí)現(xiàn)果園科學(xué)管理、有限雨水資源合理高效利用、保證果樹(shù)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵。以陜北米脂山地6年生紅富士蘋(píng)果園為研究對(duì)象, 于2015年4月—2016年6月采用FDR、中子水分儀和烘干法相結(jié)合的土壤水分監(jiān)測(cè)方法, 分析了山地蘋(píng)果園的土壤水分總體特征、單株不同位點(diǎn)的水分動(dòng)態(tài)以及不同旱作措施(秸稈覆蓋、起壟覆膜壟溝集雨、有機(jī)肥覆蓋)的土壤水分環(huán)境效應(yīng)。結(jié)果表明: 陜北山地果園時(shí)段干旱嚴(yán)重, 最嚴(yán)重的為蘋(píng)果樹(shù)新梢生長(zhǎng)和幼果發(fā)育期; 春季土壤干旱程度取決于上年入冬前土壤儲(chǔ)水量高低。果園0~60 cm土層(根系分布集中層)水分隨降雨量而變化, 表現(xiàn)為較一致的季節(jié)變化特征; 土壤水分的變化滯后于降雨變化, 且降雨對(duì)土壤水分的影響隨土層加深而減弱, 100 cm深土層受降雨影響減弱, 土壤剖面200 cm以下土層土壤含水量保持相對(duì)穩(wěn)定。6年生山地蘋(píng)果園土壤已經(jīng)出現(xiàn)干化現(xiàn)象, 且在90~300 cm存在明顯的低濕層, 土壤體積含水量常年處在12%以下。蘋(píng)果樹(shù)單株尺度范圍內(nèi), 土壤含水量隨距樹(shù)干距離增加單調(diào)遞增; 土壤水分的平均值處在距樹(shù)干105 cm處; 沿行向距樹(shù)干不同距離位點(diǎn)的土壤含水量顯著高于沿株向距樹(shù)干等距離位點(diǎn)的含水量(<0.05)。秸稈覆蓋、起壟覆膜壟溝集雨和有機(jī)肥覆蓋措施相較于空白對(duì)照(不覆蓋、不灌溉)均能有效改善土壤水分環(huán)境, 緩解果樹(shù)生育期內(nèi)水分供需矛盾, 其中起壟覆膜壟溝集雨措施的保墑效果最佳, 建議陜北黃土丘陵區(qū)山地雨養(yǎng)蘋(píng)果園采用起壟覆膜壟溝集雨的保墑措施。

蘋(píng)果園; 土壤水分; 覆蓋; 保墑; 黃土丘陵區(qū)

陜北黃土丘陵區(qū)是我國(guó)黃土高原地區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域。因經(jīng)濟(jì)林兼具經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益, 眾多學(xué)者相繼開(kāi)展了黃土高原經(jīng)濟(jì)林尤其是果園的土壤水分研究, 重點(diǎn)研究了果樹(shù)耗水深度[1-2]、不同樹(shù)齡果園土壤水分特征[3-4]以及灌溉條件下的土壤水分研究[5-6]等。在陜西蘋(píng)果“北擴(kuò)西進(jìn)”布局推進(jìn)下, 該區(qū)山地蘋(píng)果發(fā)展迅速, 面積已達(dá)4萬(wàn)hm2, 成為頗具影響力的區(qū)域特色產(chǎn)業(yè)[7]。山地蘋(píng)果林建設(shè)是該區(qū)實(shí)施退耕還林、深化水土保持和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)林業(yè)的成功案例, 有效地解決了植被建設(shè)成效低、水保效益差和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢的長(zhǎng)期矛盾[8]。該區(qū)降雨量少, 且時(shí)空分布不均, 加之蘋(píng)果樹(shù)強(qiáng)烈的蒸騰耗水作用, 山地果園土壤水分虧缺嚴(yán)重, 嚴(yán)重影響蘋(píng)果產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。明確土壤水分環(huán)境特征是實(shí)現(xiàn)果園科學(xué)管理、有限雨水資源合理高效利用、保證果樹(shù)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵所在。

許多學(xué)者對(duì)黃土高原蘋(píng)果園的土壤水分狀況進(jìn)行了分析研究[7,9-12], 表明陜西省蘋(píng)果園由南向北土壤水分含量逐漸降低, 不同區(qū)域、生長(zhǎng)年限、立地類(lèi)型的果園土壤水分特征存在差異。但現(xiàn)有的研究多集中在土壤水分的調(diào)控管理、局部區(qū)域和不同類(lèi)型果園的差異, 專(zhuān)門(mén)針對(duì)陜北黃土峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū)山地旱作蘋(píng)果園土壤水分環(huán)境的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。本文以陜北米脂山地6年生紅富士蘋(píng)果園為研究對(duì)象, 采用FDR、中子水分儀和烘干法相結(jié)合的土壤水分監(jiān)測(cè)方法, 分析研究山地蘋(píng)果園的土壤水分動(dòng)態(tài)、單株不同位點(diǎn)的水分動(dòng)態(tài)以及不同旱作措施的土壤水分環(huán)境效應(yīng), 以期為強(qiáng)化山地果園的水分管理, 提高有限水資源利用率, 實(shí)現(xiàn)干旱山地蘋(píng)果園提質(zhì)增效提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在陜西省果業(yè)管理局榆林山地蘋(píng)果試驗(yàn)站米脂黨塔山地蘋(píng)果科技示范基地進(jìn)行。當(dāng)?shù)貫榈湫偷狞S土峁?fàn)钋鹆隃羡值孛? 海拔986~1 012 m, 干旱和水土流失最為嚴(yán)重, 屬中溫帶半干旱性氣候。春季氣溫回升較快、風(fēng)沙大、雨量少, 伴隨霜凍和春旱; 夏季溫暖, 有伏旱、暴雨、冰雹和陣性大風(fēng)出現(xiàn); 秋季溫涼, 氣溫下降快, 有霜凍; 冬季寒冷而干燥。年平均降雨量451.6 mm, 最大年降雨量704.8 mm, 最小年降雨量186.1 mm。降雨季節(jié)性分布不均勻, 4—6月降雨量少, 且多為5 mm以下的無(wú)效降雨, 6—9月則占到降雨量的60%以上, 且多以暴雨形式出現(xiàn), 強(qiáng)度大, 每年有相當(dāng)一部分降雨形成徑流流失。年平均氣溫8.9 ℃, 極端最高氣溫38.2 ℃, 極端最低氣溫-25.5 ℃, 無(wú)霜期162 d。地形為臺(tái)地或梯田, 土壤為黃綿土, 容重1.20~1.35 g?cm-3, 田間持水量為22.4%, 土壤有機(jī)質(zhì)含量4.2 g?kg-1。果園面積為13.5 hm2, 蘋(píng)果樹(shù)6齡, 株行距4 m×5 m, 主栽品種‘紅富士’, 授粉品種‘嘎啦’、‘秦冠’等。試驗(yàn)?zāi)攴?015年4月—2016年6月的降水量如圖1所示。

1.2 研究方法

在試驗(yàn)果園中心地帶的4棵蘋(píng)果樹(shù)對(duì)角線連線的中心位置安置5個(gè)CS616土壤水分探針(Campbell Scientific INC.), 測(cè)量誤差為±3%, 連接CR1000型數(shù)據(jù)采集器(Campbell Scientific, UN), 以每30 min的頻率對(duì)20 cm、40 cm、60 cm、100 cm、200 cm土層土壤含水率進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè), 分析山地蘋(píng)果園土壤干旱狀況以及根系集中分布層和根際層的土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征。

在試驗(yàn)果園中心及外圍地帶均勻布置9根(呈3行3列排列)6 m深中子管, 中子管均位于周?chē)?株蘋(píng)果樹(shù)對(duì)角線連線的中心位置, 每10~15 d用CNC503B(DR)型智能中子水分儀對(duì)土壤水分含量進(jìn)行測(cè)定, 0~100 cm土層每10 cm記錄一次, 100~580 cm土層每20 cm記錄一次。計(jì)算不同深度土層土壤含水量的平均值, 研究干旱山地蘋(píng)果園土壤水分的垂直變化特征。

在試驗(yàn)果園中心地帶, 選取長(zhǎng)勢(shì)中等、無(wú)病蟲(chóng)害的3株蘋(píng)果樹(shù)作為樣株, 以每個(gè)樣株的樹(shù)干為中心, 分別沿株向和行向在距離樹(shù)干30 cm、60 cm、90 cm、120 cm、150 cm、180 cm處埋設(shè)2 m深中子管, 每10~15 d用CNC503B(DR)型智能中子水分儀對(duì)土壤水分含量進(jìn)行測(cè)定, 標(biāo)定方程為:=59.006+0.270 5。0~100 cm土層每10 cm記錄一次, 100~160 cm土層每20 cm記錄一次。計(jì)算出3個(gè)樣株同一位置土壤水分含量的平均值, 分析山地蘋(píng)果樹(shù)單株尺度的土壤水分環(huán)境特征。

為了明確不同旱作技術(shù)措施對(duì)果園土壤水分環(huán)境的影響, 采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 9株蘋(píng)果樹(shù)為1小區(qū), 重復(fù)3次, 3行3列排列, 集中布設(shè)目前陜北山地蘋(píng)果園應(yīng)用的秸稈覆蓋(Ⅰ)、起壟覆膜壟溝集雨(Ⅱ)、有機(jī)肥覆蓋(Ⅲ)3種旱作技術(shù)措施作為不同處理, 以不覆蓋(CK)為對(duì)照, 分析各處理下果園土壤水分含量的變化。Ⅰ處理用鍘碎的玉米秸稈對(duì)整個(gè)小區(qū)進(jìn)行覆蓋, 厚度為15 cm左右; Ⅱ處理以主干為中心, 沿行向在樹(shù)干兩側(cè)各起一條寬80~100 cm, 中間高10~15 cm、兩邊低的弧形壟, 壟上沿行向覆蓋厚0.01 mm、寬1.6~2 m的黑色地膜, 膜邊修筑深寬各10 cm的集雨溝; Ⅲ處理用雞糞對(duì)整個(gè)小區(qū)進(jìn)行覆蓋, 厚度為15 cm左右。每月用土鉆取樣105 ℃烘干法測(cè)定土壤水分1次, Ⅰ、Ⅲ和CK均在小區(qū)中心的株、行間各打1鉆取樣, Ⅱ處理在壟上、壟溝和行間各打1鉆。測(cè)定深度2 m, 每20 cm取樣1個(gè)。土壤儲(chǔ)水量按下式計(jì)算:

SWS=0.1′m′′

式中: SWS為土壤儲(chǔ)水量, mm;m為質(zhì)量含水量, %;為土壤容重, g×cm-3;為土層深度, cm。

降雨量采用試驗(yàn)果園安置的Campbell Scientific生產(chǎn)的農(nóng)田小氣象站監(jiān)測(cè)。

用Microsoft Excel 2013、SigmaPlot 12.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖, DPS 6.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 山地果園土壤水分總體狀況

2.1.1 山地果園土壤水分的季節(jié)動(dòng)態(tài)

陜北山地蘋(píng)果園土壤水分含量變化與降水、蒸發(fā)和果樹(shù)生理耗水量密切相關(guān)。蘋(píng)果樹(shù)80%的根系分布于0~60 cm土層[13]。圖2為試驗(yàn)果園中心位置4株蘋(píng)果樹(shù)對(duì)角線連線中心點(diǎn)FDR法測(cè)定的土壤水分動(dòng)態(tài)。結(jié)果表明, 果樹(shù)生長(zhǎng)季節(jié), 根系集中分布層(0~60 cm土層)的土壤水分受降雨影響較大, 表現(xiàn)為與降雨較一致的季節(jié)變化特征, 土壤水分的變化滯后于降雨變化, 降雨對(duì)土壤水分的影響隨土層加深而減弱。冬季, 由于土壤結(jié)凍, 一年中土壤含水量最低。4月初到6月底降雨量少且多為小于5 mm的無(wú)效降雨, 大風(fēng)頻發(fā), 日曬強(qiáng)烈, 土壤水分蒸發(fā)散失量大, 加之果樹(shù)新梢生長(zhǎng)和幼果發(fā)育對(duì)水分的消耗逐漸增大, 土壤含水量持續(xù)下降。6月29日降雨14.4 mm, 20 cm和40 cm深土層含水量有所提高, 60 cm土層含水量繼續(xù)下降。7月到9月為高溫多雨的季節(jié), 降雨量大且集中, 土壤水分含量隨降雨量的增加而提高, 7月17—22日連續(xù)降雨77.4 mm, 20 cm、40 cm和60 cm深土層含水量分別提高43.0%、56.3%和18.9%; 8月28日到9月10日累計(jì)降雨68.6 mm, 20 cm、40 cm和60 cm深土層含水量分別提高48.9%、49.2%和72.1%, 與7月17—22日相比, 降雨量略小, 但土壤含水量卻提高更多, 是由于7月的降雨強(qiáng)度大, 持續(xù)時(shí)間短, 形成的徑流流失量大, 雨水下滲相對(duì)較少。9月22日至10月下旬, 盡管氣溫有所下降, 但降雨量少, 加之果實(shí)發(fā)育耗水量較大, 各層的含水量均急劇下降。11月5—6日, 降雨53.6 mm, 各層的含水量大幅度提升。11月下旬果樹(shù)進(jìn)入休眠季節(jié), 至12月中旬, 由于氣溫較低, 樹(shù)體對(duì)水分的消耗較少, 含水量維持在較高水平。進(jìn)入12月下旬, 氣溫降至0 ℃以下, 土壤結(jié)凍, 土壤中的水分由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài), 液態(tài)水含量很低, 因此水分探針?biāo)軠y(cè)得的土壤水分急劇下降, 冬季土壤含水量一直處于極低水平。翌年3月氣溫回升至0 ℃以上, 土壤開(kāi)始解凍, 土壤中的水分由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài), 雖然只有稀少的降雨, 淺層土壤含水量仍急劇升高, 至3月下旬, 凍土層完全化通, 土壤含水量達(dá)到結(jié)凍前水平, 因此新一生長(zhǎng)季的土壤水分含量高低取決于上一年雨季積累的土壤含水量。

60 cm以下土層降雨入滲補(bǔ)充量減少, 根系的吸收和水分蒸發(fā)也都明顯減弱, 但該層土壤水分含量的高低對(duì)蘋(píng)果樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育仍然至關(guān)重要[7]。從圖2看出, 100 cm深土層受降雨影響明顯減弱, 絕大多數(shù)降雨不能補(bǔ)充該層水分, 在生育期內(nèi)果樹(shù)對(duì)水分的消耗大于雨水下滲的補(bǔ)給, 土壤含水量整體呈下降趨勢(shì)。11月5—6日的降雨量大且持續(xù), 使該土層含水量急劇升高。冬季該土層土壤的結(jié)凍期較0~60 cm土層短, 水分變化也漸弱。200 cm深土壤含水量較為穩(wěn)定, 試驗(yàn)期間該層土壤水分含量的變異系數(shù)僅為12.7%。這是由于該層土壤水分受外界環(huán)境影響更小, 根系吸水消耗較少, 且黃土高原區(qū)地下水埋深較深, 只能緩慢向上遷移。

2.1.2 山地果園的土壤干旱狀況

蘋(píng)果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的水分主要靠根系直接從土壤中吸取, 因此, 采用土壤相對(duì)含水量(土壤含水量與田間持水量的百分比)作為衡量山地果園干旱程度的農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)。一般認(rèn)為, 當(dāng)土壤相對(duì)含水量小于30%時(shí), 為特別重度干旱; 30%~40%時(shí), 為重度干旱; 40%~50%時(shí), 為中度干旱; 50%~60%時(shí), 為輕度干旱; 大于60%時(shí), 無(wú)旱[14]。

從圖3可以看出, 試驗(yàn)果園存在階段性干旱嚴(yán)重。2015年4月到6月中旬, 果園處于中度干旱狀態(tài)(0~60 cm 土壤儲(chǔ)水量為84.0~100.8 cm), 土壤儲(chǔ)水量持續(xù)減少。因此, 該階段山地果園應(yīng)進(jìn)行適量補(bǔ)水。徐巧等[15]研究表明該時(shí)期(萌芽期、開(kāi)花期、新梢生長(zhǎng)和幼果發(fā)育期)最適的土壤相對(duì)含水量為50%~60%, 建議生產(chǎn)上在蘋(píng)果萌芽期(3月下旬—4月中旬)、開(kāi)花期(4月下旬—5月初)、新稍生長(zhǎng)和幼果發(fā)育期(5月下旬—6月上旬)進(jìn)行3次灌溉補(bǔ)水。6月中旬到7月中旬, 土壤儲(chǔ)水量?jī)H有66.8 mm, 果園重度干旱, 只有6月29日和7月17日兩場(chǎng)超過(guò)10 mm的有效降雨稍稍緩解了重度的干旱, 蘋(píng)果樹(shù)該時(shí)期(新梢生長(zhǎng)和幼果發(fā)育期)是灌溉補(bǔ)水的關(guān)鍵季節(jié), 建議生產(chǎn)上補(bǔ)水1次。7月下旬開(kāi)始進(jìn)入高溫多雨季節(jié), 到10月上旬, 為蘋(píng)果的果實(shí)膨大期, 果園土壤干旱等級(jí)基本在輕度干旱, 只有8月下旬到9月上旬中度干旱, 蘋(píng)果樹(shù)在該階段最適土壤相對(duì)含水量為70%~80%[15], 故此階段應(yīng)補(bǔ)水1次。10月中旬到11月初, 果園中度干旱, 但果實(shí)已經(jīng)采收, 可不進(jìn)行補(bǔ)水。2016年3月下旬到5月中旬, 土壤含水量較高, 無(wú)旱象。5月中旬到6月底, 由于降水少, 果樹(shù)耗水量增大, 出現(xiàn)輕度干旱。

圖中60%、50%、40%、30%和100%直線表示土壤相對(duì)含水量。Straight lines of 60%, 50%, 40%, 30% and 100% indicate the relative soil moisture contents.

2.1.3 山地果園土壤水分的垂直變化

將試驗(yàn)果園布置的9根中子管測(cè)定的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)取平均值, 繪制出蘋(píng)果不同生育期的土壤水分剖面圖(圖4)。不難看出, 0~580 cm土層內(nèi)土壤剖面含水量隨深度的增加呈現(xiàn)出明顯的“高-低-高”的特征, 受降雨、蒸發(fā)及果樹(shù)耗水等綜合因素的影響, 試驗(yàn)果園土壤含水量的變化主要發(fā)生在200 cm以上土層, 變異程度隨土壤深度增加而減弱, 土壤含水量的CV值達(dá)9.56%~22.71%。200 cm以下土層含水量保持相對(duì)穩(wěn)定, 變異系數(shù)CV僅為2.9%~5.3%。這說(shuō)明自然降水很難下滲補(bǔ)充到200 cm以下土層。

在黃土高原蘋(píng)果產(chǎn)區(qū), 多年生植被因土壤水分長(zhǎng)期虧缺而形成的土壤干化普遍存在[7,16-18], 蘋(píng)果樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)土壤水分的要求比一般耐旱性植物高, 在萌芽、開(kāi)花、新梢生長(zhǎng)和幼果發(fā)育期最適土壤相對(duì)含水量為50%~60%, 果實(shí)膨大期最適土壤相對(duì)含水量為70%~80%[15], 本文以田間持水量的50%作為果園土壤干化標(biāo)準(zhǔn)[7]。從圖4不難看出, 山地6年生蘋(píng)果園在60 cm以下土層已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重土壤干化現(xiàn)象, 且在90~300 cm存在明顯的低濕層, 土壤體積含水量常年處在12%以下, 這對(duì)蘋(píng)果園的持續(xù)健康發(fā)展非常不利。

2.2 山地蘋(píng)果樹(shù)單株尺度的土壤水分特征

從圖5可以看出, 蘋(píng)果樹(shù)單株尺度范圍內(nèi), 土壤水分存在明顯的空間變異性, 無(wú)論沿行向還是株向, 土壤含水量都表現(xiàn)出隨著距樹(shù)干距離的增加而遞增的趨勢(shì)。蘋(píng)果樹(shù)吸水根以徑向0~90 cm、垂向0~120 cm為主要分布區(qū), 且更為集中于40~60 cm深度范圍內(nèi), 并以距離樹(shù)干60 cm處的根系分布最廣[19], 距離樹(shù)干越近, 根系越發(fā)達(dá), 吸水越強(qiáng)烈。

對(duì)每個(gè)水平位置測(cè)得的土壤含水量求平均值, 與距樹(shù)干的距離進(jìn)行擬合, 得到土壤含水量()與距樹(shù)干距離()呈線性正相關(guān)關(guān)系(表1), 株間和行間的關(guān)系式分別為=0.010 5+6.870 2和=0.014+7.691 2。對(duì)單株蘋(píng)果樹(shù)株間和行間土壤含水量求平均值, 帶入擬合關(guān)系式, 可以反推該平均值所對(duì)應(yīng)的距樹(shù)干距離, 株間為105.0 cm, 行間為104.6 cm。因此, 在研究蘋(píng)果園土壤水分時(shí), 在距離樹(shù)干105 cm左右處取樣最佳, 最接近于土壤含水量的平均值, 最具代表性。

表1 土壤含水量(y)與距蘋(píng)果樹(shù)干距離(x)的擬合關(guān)系

從圖5還可以看出, 沿行向距樹(shù)干不同距離位點(diǎn)的土壤含水量顯著高于沿株向距樹(shù)干等距離位點(diǎn)的含水量(<0.05)。這是由于試驗(yàn)果園株距為4 m, 行距5 m, 相鄰兩株蘋(píng)果樹(shù)株間對(duì)土壤水分的競(jìng)爭(zhēng)大于行間所致。

2.3 不同旱作措施的水分效應(yīng)

2.3.1 蘋(píng)果樹(shù)根系分布集中層(0~60cm)的土壤水分含量差異

不同覆蓋保墑措施對(duì)土壤水分保持和散失的影響不同。從圖6可以看出, 各處理的土壤水分季節(jié)變化主要受降雨影響。4—6月降雨量少, 蒸發(fā)強(qiáng)烈, 蘋(píng)果樹(shù)耗水量不斷增多, 土壤含水量逐漸降低; 7—9月降雨量增多, 土壤水分得到補(bǔ)充和恢復(fù); 10月因降雨量有所減少, 土壤水分又有所降低; 因2015年11月果實(shí)采收之后又有較多的降雨, 因此2016年4月土壤含水量處于較高水平。

0~20 cm土層含水量受降雨和蒸發(fā)影響較大。4—6月, 各處理的含水量表現(xiàn)為起壟覆膜壟溝集雨(Ⅱ)>有機(jī)肥覆蓋(Ⅲ)>秸稈覆蓋(Ⅰ)>CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與CK差異顯著(<0.05), Ⅲ與Ⅰ、Ⅱ差異不顯著(>0.05), Ⅰ與Ⅱ差異顯著(<0.05), 由于覆膜對(duì)蒸發(fā)的抑制效果最好, 起壟覆膜壟溝集雨的保墑效果好于秸稈覆蓋和有機(jī)肥覆蓋; 7—10月, 各處理的含水量表現(xiàn)為Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ>CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與CK差異顯著(<0.05), Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ彼此之間差異都不顯著(>0.05), 其原因是雨季降水量大, 能夠穿透秸稈和有機(jī)肥覆蓋層, 有效補(bǔ)充土壤水分, 而起壟覆膜壟溝集雨處理膜下沒(méi)有雨水入滲, 且行間未覆蓋, 土壤水分蒸發(fā)量相對(duì)較大。20~40 cm和40~60 cm土層受降雨和蒸發(fā)的影響相對(duì)較小, 各處理的含水量均表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與CK差異顯著(<0.05), Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ彼此之間差異都不顯著(>0.05), 這是由于覆膜措施行間沒(méi)有覆蓋, 土壤水分蒸發(fā)量相對(duì)大。春季干旱, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理0~60 cm土層的水分含量分別比CK提高14.7%、22.5%和17.9%; 雨季Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理0~60 cm土層的水分含量分別比CK提高16.9%、21.2%和20.9%。總之, 春季干旱時(shí)節(jié), 最大程度地防止土壤水分蒸發(fā), 夏秋高溫多雨季節(jié), 強(qiáng)化雨水下滲, 是陜北干旱山地蘋(píng)果園水分管理的關(guān)鍵。

CK: 對(duì)照, 不覆蓋不施肥; Ⅰ: 秸稈覆蓋; Ⅱ: 起壟覆膜壟溝集雨; Ⅲ: 有機(jī)肥覆蓋。CK: control, no mulching, no fertilization; Ⅰ: straw mulching; Ⅱ: rainwater harvesting with plastic film cover ridge; Ⅲ: organic fertilizer mulching.

2.3.2 蘋(píng)果樹(shù)根際層(60~200 cm)的土壤水分環(huán)境

不同覆蓋保墑措施對(duì)果園60~200 cm土層土壤水分含量也有明顯影響。從圖6可以看出, 在生長(zhǎng)季內(nèi), 各處理的儲(chǔ)水量表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與CK差異顯著(<0.05), Ⅲ與Ⅰ、Ⅱ差異不顯著(>0.05), Ⅰ與Ⅱ差異顯著(<0.05)。4—6月降雨量小, 雨水鮮少能夠補(bǔ)充到60 cm以下土層, 蘋(píng)果樹(shù)水分消耗量不斷增多, 各處理土壤儲(chǔ)水量均呈降低趨勢(shì)。整個(gè)干旱季節(jié)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理土壤儲(chǔ)水量比CK分別提高9.3%、15.4%和12.3%。7月中旬之后, 降雨量劇增, 60 cm以下土層水分得到降雨的補(bǔ)給, 土壤儲(chǔ)水量得到恢復(fù)和上升, 但由于果實(shí)發(fā)育消耗大量水分, 回升較為緩慢。10月降雨量減少, 土壤儲(chǔ)水量隨之降低。整個(gè)雨季Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理土壤儲(chǔ)水量比CK分別提高8.9%、13.6%和10.3%?？梢?jiàn), 覆蓋保墑措施有利于根際區(qū)土壤水分的積累, 對(duì)土壤水分環(huán)境的改善意義重大。

2.3.3 關(guān)鍵季節(jié)土壤剖面含水量差異

圖7所示, 各個(gè)時(shí)期0~200 cm土壤剖面含水量都隨土層的加深逐漸降低到穩(wěn)定, 各處理的含水量表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>CK, 且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理土壤含水量顯著高于CK(<0.05)。在水分臨界期, 試驗(yàn)果園100 cm以上土層土壤含水量Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與CK差異顯著(<0.05), Ⅲ與Ⅰ、Ⅱ差異不顯著(>0.05), Ⅰ與Ⅱ差異顯著(<0.05); 100 cm以下土層Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理彼此之間差異都不顯著(>0.05)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理0~200 cm土層平均土壤含水量比CK分別提高16.1%、23.8%和18.7%?；ㄑ糠只谕寥篮坑兴陆? 是由于降雨量小, 果樹(shù)持續(xù)消耗土壤水分, 各處理的含水量仍表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>CK, 且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理彼此之間差異都不顯著(>0.05)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理0~200 cm土層平均土壤含水量比CK分別提高18.4%、23.2%和20.5%。果實(shí)膨大期, 果實(shí)的發(fā)育需要消耗大量水分, 該時(shí)期降雨量大, 0~60 cm土壤水分得到降雨的補(bǔ)給, 但60 cm以下土層由于雨水的入滲小于果樹(shù)的耗水, 土壤含水量未見(jiàn)提高, 該時(shí)期各處理的含水量仍表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ>CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理彼此之間差異都不顯著(>0.05)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處理0~200 cm土層平均土壤含水量比CK分別提高23.0%、29.8%和26.8%。

CK: 對(duì)照, 不覆蓋不施肥; Ⅰ: 秸稈覆蓋; Ⅱ: 起壟覆膜壟溝集雨; Ⅲ: 有機(jī)肥覆蓋。CK: control, no mulching, no fertilization; Ⅰ: straw mulching; Ⅱ: rainwater harvesting with plastic film cover ridge; Ⅲ: organic fertilizer mulching.

3 討論

土壤水分條件在植物生態(tài)系統(tǒng)中起著非常重要的作用[6]。試驗(yàn)果園土壤水分特征表現(xiàn)為0~60 cm土層水分隨降雨量而變化, 表現(xiàn)為較一致的季節(jié)變化特征, 土壤水分的變化滯后于降雨變化, 降雨對(duì)土壤水分的影響隨土層加深而減弱。100 cm深土層受降雨影響減弱, 只有強(qiáng)度較大的降雨能夠下滲到該土層。200 cm深土層含水量較為穩(wěn)定, 變異系數(shù)僅為5.01%, 受外界影響小。這與王延平等[7,9]、鄒養(yǎng)軍等[12]的研究結(jié)果一致, 0~60 cm土層土壤水分消耗較多, 雨水的下滲深度可達(dá)1 m深土層以上[9,20], 但難以達(dá)到2 m, 蘋(píng)果樹(shù)對(duì)下層土壤水分的消耗大于降雨的補(bǔ)充。本試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)果園土壤水分的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 甚至包括冬季蘋(píng)果樹(shù)休眠季節(jié)的土壤水分動(dòng)態(tài), 大氣降水是試驗(yàn)果園土壤水分補(bǔ)充的唯一來(lái)源, 在沒(méi)有降水的情況下, 進(jìn)入冬季時(shí)土壤水分的突然下降和春季氣溫回暖土壤水分的急劇升高, 可能是由于土壤的結(jié)凍和解凍, 水在固態(tài)時(shí)不能被水分探針監(jiān)測(cè)所致。黃土高原蘋(píng)果林地普遍存在土壤干化現(xiàn)象, 但大多在成齡果園。本研究發(fā)現(xiàn)6年生山地蘋(píng)果園土壤已經(jīng)出現(xiàn)干化現(xiàn)象, 90~300 cm存在明顯的低濕層, 土壤體積含水量常年處在12%以下。這與曹裕等[21]、郭正等[22]研究結(jié)果不同, 可能是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)域的氣候、降雨和土壤質(zhì)地不同等因素綜合影響。研究果園土壤水分環(huán)境總體特征, 能有效地指導(dǎo)旱地雨養(yǎng)果園進(jìn)行合理的水分管理, 為實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果的提質(zhì)增效提供理論支持。

蘋(píng)果樹(shù)單株尺度范圍內(nèi), 無(wú)論行向還是株向, 土壤含水量都表現(xiàn)為隨著距樹(shù)干距離的增加表現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢(shì)。這與張義等[23]、李小英等[24]的研究結(jié)果一致, 由于距樹(shù)干距離越近, 果樹(shù)的根系越發(fā)達(dá)且密集, 對(duì)土壤水分的消耗也越大, 土壤水分含量也就越低。土壤含水量與距樹(shù)干距離呈線性正相關(guān)關(guān)系, 株間和行間的關(guān)系式分別為=0.010 5+6.870 2和=0.014+7.691 2, 據(jù)此得到土壤水分的平均值處在距樹(shù)干105 cm左右位點(diǎn)處。沿行向距樹(shù)干不同距離位點(diǎn)的土壤含水量顯著高于沿株向距樹(shù)干等距離位點(diǎn)的含水量。因此, 適當(dāng)減小相鄰果樹(shù)對(duì)土壤水分的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng), 合理的果樹(shù)栽植密度能夠有效地改善果園水分環(huán)境, 以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收。

采用地面覆蓋措施, 可以有效減少土壤水分蒸發(fā), 保持水土, 增強(qiáng)蓄水保墑能力, 提高果園土壤含水量, 緩解生長(zhǎng)季果樹(shù)的水分供需矛盾。3種覆蓋方式均能很好地改善旱地果園的土壤水分環(huán)境。這與前人[25-29]的研究結(jié)果一致。本研究中, 起壟覆膜壟溝集雨對(duì)山地蘋(píng)果林土壤水分環(huán)境改善的整體效果好于秸稈覆蓋和有機(jī)肥覆蓋。有機(jī)肥覆蓋起到很好的蓄水、保溫、減少土壤蒸發(fā)的作用, 并且有利于提高土壤的酶活性, 增強(qiáng)土壤肥力, 但大面積的覆蓋會(huì)導(dǎo)致環(huán)境惡臭; 秸稈覆蓋起到了截留雨水、蓄水和減緩?fù)寥浪终舭l(fā)的作用, 并且有利于保持土壤肥力, 但蘋(píng)果產(chǎn)區(qū)耕地面積被壓縮, 生產(chǎn)的秸稈很難滿(mǎn)足果園大面積覆蓋, 且秸稈覆蓋易引發(fā)病蟲(chóng)害; 起壟覆膜壟溝集雨處理株間位置因膜的作用保墑效果佳, 而壟溝和行間無(wú)覆蓋導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈, 降低了整體的保墑效果, 但在春夏干旱季節(jié), 很少的降雨即可將雨水積聚到膜邊溝內(nèi), 改善蘋(píng)果樹(shù)的局部水分供應(yīng)狀況, 局部土壤水分環(huán)境的改善對(duì)蘋(píng)果樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育仍能發(fā)揮重要作用。因此, 建議黃土峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū)山地雨養(yǎng)蘋(píng)果園采用起壟覆膜壟溝集雨的保墑措施。

4 結(jié)論

1)陜北地區(qū)山地蘋(píng)果園階段性干旱嚴(yán)重, 春季干旱程度取決于上一年入冬前土壤儲(chǔ)水量高低。果園0~60 cm土層水分隨降雨量而變化, 表現(xiàn)為較一致的季節(jié)變化特征, 土壤水分的變化滯后于降雨變化, 降雨對(duì)土壤水分的影響隨土層加深而減弱。100 cm深土層受降雨影響減弱, 200 cm深土層含水量較為穩(wěn)定。6年生山地蘋(píng)果園土壤已經(jīng)出現(xiàn)干化現(xiàn)象, 90~300 cm存在明顯的低濕層。

2)蘋(píng)果樹(shù)單株尺度范圍內(nèi), 無(wú)論行向還是株向, 土壤含水量都表現(xiàn)為隨著距樹(shù)干距離的增加表現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢(shì), 且沿行向距樹(shù)干不同距離位點(diǎn)的土壤含水量顯著高于沿株向距樹(shù)干等距離位點(diǎn)的含水量。

3)3種覆蓋方式均能有效改善旱地果園的土壤水分環(huán)境。在0~60 cm土層, 秸稈覆蓋、起壟覆膜壟溝集雨和有機(jī)肥覆蓋措施可分別提高土壤水分含量14.7%~16.9%、21.2%~22.5%和17.9%~20.9%; 60~200 cm土層, 秸稈覆蓋、起壟覆膜壟溝集雨和有機(jī)肥覆蓋措施可分別提高土壤水分含量8.9%~9.3%、13.6%~15.4%和10.3%~12.3%。

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Soil moisture dynamics of apple orchards in Loess Hilly Area of northern Shaanxi Province*

LI Jiayang1,2, WANG Yanping1,2**, HAN Mingyu3, ZHANG Linsen3, HAN Wenshe1,2

(1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Key Laboratory of Plant Nutrition and Agricultural Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China; 3. College of Horticulture, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Knowledge on the variation in soil moisture is critical for the scientific management of orchards, the efficient utilization of limited rainfall and the improvement of fruit production and fruit quality. In this study, a comprehensive soil moisture monitoring method was used in combination with FDR, neutron moisture meter and oven-drying to determine the general characteristics of soil moisture in loess hilly apple orchards of northern Shaanxi Province. Also the variation in soil moisture at different sampling sites around orchard trees and the environmental effects of different dry-farming measures (e.g., straw mulching, ridge film mulching with furrow rainwater harvesting and organic fertilizer mulching) were investigated in 6-year-old ‘Fuji’ apple orchard for the period from April 2015 to June 2016 in Mizhi County in Shaanxi Province. The results showed that seasonal drought was quite severe, especially during the shoot growth and young fruit development stages. The degree of soil drought in spring was highly dependent on soil water storage in the last winter. Soil moisture in the 0-60 cm soil layer (root-zone layer) varied with rainfall and had seasonal variation characteristics, but lagged behind that of rainfall. The effect of rainfall on the variation of soil moisture weakened with increasing soil depth. Soil moisture in soil layer below 200 cm was relatively stable, but soil desiccation occurred in 6-year-old apple orchard in the hilly region. There was an obvious low humidity layer in the 90–300 cm soil, where volumetric soil water content was less than 12% for the whole year. Soil moisture increased with increased sampling distance from apple tree. While the regression equations of soil moisture between apple plants and between apple tree rows () with distance to apple tree were respectively= 0.010 5+ 6.870 2 (2= 0.996 6) and= 0.014+ 7.691 2 (2= 0.982 7), the mean soil moisture for the sites was closest to the one 105 cm away from the tree Soil moisture at different sites from tree between rows was significantly higher than that at equivalent distance between plants (< 0.05). Compared with CK (no mulching or irrigation), dry-farming measures such as the straw mulching, ridge film mulching and furrow rainwater harvesting and organic fertilizer mulching effectively improved soil moisture environment. To a certain extent, these dry-farming measures were recommended for dealing with the issue of soil water supply and demand, especially during plant growing season. Among the measures, ridge film mulching and furrow rainwater harvesting had the highest degree of preservation of soil moisture. Thus ridge film mulching and furrow rainwater harvesting was recommended as the most effective agricultural measure in preserving soil moisture in rainfed apple orchards in Loess Hilly Areas of northern Shaanxi Province.

Apple orchard; Soil moisture; Mulching; Soil moisture conservation; Loess Hilly Area

S152.7

A

1671-3990(2017)05-0749-10

10.13930/j.cnki.cjea.160758

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41571218)、陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2014KTCL02-06)和陜西省果業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(榆林山地蘋(píng)果試驗(yàn)站建設(shè))資助

**通訊作者:王延平, 主要從事土壤水分與植物生長(zhǎng)方面的研究。E-mail: ylwangyp@163.com

李佳旸, 主要從事土壤水分與植物生長(zhǎng)方面的研究。E-mail: jiayang_li@126.com

2016-8-25

2016-12-27

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41571218), Shaanxi Science & Technology Co-ordination & Innovation Project (2014KTCL02-06) and the Special Fruit Industry in Shaanxi (Construction of Hilly Apple Test Station in Yulin).

** Corresponding author, E-mail: ylwangyp@163.com

Aug. 25, 2016; accepted Dec. 27, 2016

李佳旸, 王延平, 韓明玉, 張林森, 韓穩(wěn)社. 陜北黃土丘陵區(qū)山地蘋(píng)果園的土壤水分動(dòng)態(tài)研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(5): 749-758

Li J Y, Wang Y P, Han M Y, Zhang L S, Han W S. Soil moisture dynamics of apple orchards in Loess Hilly Area of northern Shaanxi Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(5): 749-758