涌泉根灌條件下覆蓋方式對棗樹土壤水分 動態(tài)變化及產量的影響

何振嘉，傅渝亮

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，西安 710075；2.西安理工大學水資源研究所，西安 710048)

0 引 言

陜北黃土高原水資源嚴重短缺，人均水資源量、單位面積平均水資源量均低于國際最低需水線[1]，水資源的粗放利用也引起了該地區(qū)一定程度的干旱[2]，目前利用免耕技術、秸稈覆蓋技術和地膜覆蓋技術等保護性耕作措施結合節(jié)水灌溉模式也已被廣泛應用[3]。棗樹是該地區(qū)特有的經濟樹種，目前已大面積推廣種植。結合陜北地區(qū)干旱少雨的氣候特征，吳普特等開發(fā)了一種新型灌溉技術——涌泉根灌[4,5]。該技術直接將水肥輸送到棗樹根部進行灌溉，減少地面水分蒸發(fā)，灌水利用效率較高[6]。

目前在旱作農業(yè)中提倡秸稈、地膜或其他保墑覆蓋措施調節(jié)土壤間的水、氣、熱交換，減少無效蒸發(fā)，又可提高用水效率。卜玉山等[7]研究表明地膜覆蓋能促進地表增溫，而秸稈覆蓋促進各土層保水作用。李世清等[8]對黃綿土上耕作的春小麥進行大田試驗，結果表明高底墑覆膜可以提高作物的產量，全生育期內覆膜對產量并沒有太大影響。王俊等[9]研究了地膜覆蓋對土壤水溫狀況的影響，結果表明覆膜對作物生育期內的生長均有不同程度的影響。陳素英等[10]研究表明秸稈覆蓋在保墑土壤、減少地表蒸發(fā)以及提高夏玉米的水分利用效率方面具有很明顯的效果。喬海龍等[11]作了秸稈覆蓋土柱實驗，結果表明秸稈覆蓋能明顯降低土壤水分的蒸發(fā)以及抑制深層土壤中的鹽分向地表運移，并有利于保持水分。李明思等[12]分析膜下滴灌和無膜滴灌條件下棉花的生長規(guī)律，研究表明地膜覆蓋在作物生長的各個階段濕潤比皆高于無膜滴灌條件。鄒聰明等[13]研究了覆蓋對玉米根系生長的影響，結果表明：秸稈覆蓋能顯著調結土壤水分分布和養(yǎng)分分布。

國內外學者對大田作物覆蓋已進行了較多試驗，也獲得了大量成果，但不同覆蓋措施對涌泉根灌棗樹土壤水分分布、生長及產量方面的研究極少。本文將秸稈覆蓋、地膜覆蓋技術集成到山地棗樹涌泉根灌條件下，研究不同覆蓋對棗樹的需耗水規(guī)律以及棗樹生長、產量的影響，以期實現資源投入的減量化和循環(huán)利用化，并充分提高自然資源利用率，研究結果將為陜北高原區(qū)山地棗樹的最優(yōu)覆蓋方式提供理論依據和技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2013年4月至2014年10月在陜西省榆林市米脂縣西北農林科技大學山地微灌棗樹示范基地進行。試驗區(qū)氣候屬暖溫帶半干旱氣候，根據米脂氣象局提供的1971-2014年逐日氣象資料統(tǒng)計，該地區(qū)年平均降雨量451.6 mm，主要集中在7-9月，最大年降雨量704.8 mm，最小年降雨量186.1 mm。試驗棗樹為5 a生紅棗，株行距為2 m×3 m，田間密度為1 650 株/hm2。試驗區(qū)平均坡度為30°，地形平整均一。土壤以黃綿土為主，平均土壤容重1.30 g/cm3，5 a生棗樹根系主要分布在0～60 cm土層中。0～60 cm計劃濕潤層的田間持水量為22%(占干土重百分數)，土壤較為貧瘠，有效的N、P、K含量分別為34.739、2.909、101.9 mg/kg，有機質含量是0.21%，pH為8.6，土壤偏堿性。本試驗中氣象數據利用西北農林科技大學米脂試驗站提供的2013-2014年的逐日氣象資料確定。試驗田土壤顆粒級配組成見表1。

表1 試驗土壤顆粒級配組成Tab.1 Soil particle distribution

1.2 試驗設計

試驗共設置了秸稈覆蓋、地膜覆蓋和無覆蓋(CK)3個處理。在試驗區(qū)隨機選取4棵棗樹為一個處理，為起到減少水土流失及保水作用，周圍都為魚鱗坑設計，每個處理的4棵棗樹除灌水不同外，其他措施如修剪、環(huán)割、打藥、除草等均相同，每個處理3個重復，測定數據取平均值。秸稈選用長度為20 cm的玉米秸稈，覆蓋厚度統(tǒng)一設置為15 cm，在以棗樹莖稈為圓心，半徑1.5 m范圍內覆蓋。地膜選用透明PE薄膜，以棗樹莖稈為中心，按1.5 m×1.5 m進行覆蓋，并壓實邊沿。灌水定額均為60L/棵，全生育期內共灌水2次，每棵棗樹灌水量為120 L。圖1為涌泉根灌示意圖。

圖1 涌泉根灌示意圖Fig.1 The sketch map of surge-root irrigation

1.3 觀測內容及方法

(1)土壤含水量。采用打土鉆取土，用烘干法測定試驗區(qū)土壤含水量，各試驗棗樹每一周測定一次，降雨前后、灌水前后加測。取土位置為涌泉根灌灌水器東、南、西、北4個方向10 cm處，取其均值作為結果，取土深度為100 cm作為計劃濕潤層，分10層，每層10 cm。

(2)棗樹生長指標。棗吊長度：在每棵棗樹東、南、西、北4個方向各隨機選2個棗吊，每隔 10 d用皮尺測定一次棗吊長度，用游標卡尺測定棗吊直徑。

(3)產量計算。棗樹產量測定采用先統(tǒng)計整株棗樹的掛果數，在果實成熟期每個處理選擇大小均一，代表性好的棗果進行采摘，每個處理選取100個棗果，裝入密封袋中立即稱重，得出平均單果重，從而得出產量，測定時間為每年9月26日。

2 結果與分析

2.1 涌泉根灌條件下覆蓋措施對全生育期內土壤水分垂直分布影響

在棗樹生育期內5-9月，在土層深度0～100 cm范圍內，不同覆蓋措施條件下棗樹的土壤含水量在垂直方向上表現出一定的規(guī)律性。圖2為2013年、2014年5月25日至6月25日灌水前后各覆蓋處理土壤平均含水量在垂直方向的變化狀況。可以看出，不同處理土壤含水量在豎直方向上分布情況均表現為表層低(0～30 cm)、中層高(30～60 cm)、深層低(60～100 cm)；0～30 cm內土壤含水量隨著深度的增加而增大，30～60 cm達到最大，60～100 cm逐漸降低。灌水后，不同覆蓋處理下土壤含水量大小關系為：秸稈覆蓋(11.97%)>地膜覆蓋(11.5%)>CK(10.84%)，這是由于各覆蓋處理的保水機理不同所引起的差異，地膜覆蓋下土壤溫度較高，蒸發(fā)劇烈，但塑料薄膜阻礙了土壤水汽與大氣蒸發(fā)交換過程，并在膜內形成的液態(tài)水重新返回地表進行補給；而秸稈覆蓋的疏松層結構能夠有效的吸收太陽輻射，不僅降低了地表溫度，同時也減緩了地面蒸發(fā)的效果；地面無覆蓋處理使太陽輻射可以直射到地表，蒸發(fā)十分強烈，因此土壤含水量最低，變化最為顯著。

圖2 灌水對不同覆蓋處理土壤含水量的影響Fig.2 Effects of irrigation on soil water content of different mulching treatment

涌泉根灌的灌水方式能夠從土壤深層作物根部進行水量補給，很大程度上減小了地表蒸發(fā)，使有限的水資源能夠充分利用于作物深層根系部位。由于秸稈覆蓋形成的腐殖質疏松層能夠吸持一定量的土壤水分，所以表層土壤水分含量較高，中間層含水量由于水分下滲速率的減緩，表現為秸稈覆蓋低于CK。灌水后由于土壤水分的補給，深層土壤含水量增高，秸稈覆蓋表現出更優(yōu)越的保水性能，土壤含水量較地膜覆蓋與CK分別高出0.47%與1.13%。

圖3為2013年不同覆蓋處理各層(0～30、30～60、60～100 cm)土壤水分隨時間變化規(guī)律，可以看出，隨著時間的增長，各覆蓋條件下的土壤水分變化均具有相似的趨勢，土壤含水量的變化受季節(jié)影響十分顯著。在旱季時(5-7月)，由于氣候干燥，降雨量稀少，土壤水分含量較低，表層土壤含水量變化較為明顯；7月開始進入雨季，此時期降雨量較為集中，對各層土壤水分補給較為明顯，各覆蓋處理的含水量均有不同程度的提高。在整個生育期內，秸稈覆蓋的土壤平均含水量最高，為12.87%，保水效果最為顯著，土壤含水量分別高于地膜覆蓋和CK 0.74%和1.05%。

圖3 2013年不同深度土層土壤含水量變化Fig.3 Change of soil moisture in different layer in 2013

圖4為2014年不同覆蓋處理各層(0～30、30～60、60～100 cm)土壤水分隨時間變化規(guī)律，同樣可以看出，不同覆蓋方式下土壤含水量具有相同的變化規(guī)律，秸稈覆蓋的土壤平均含水量同樣為最高，為11.60%，分別高于地膜覆蓋和CK 1.03%和1.13%，保水效果最為顯著，秸稈覆蓋是更適合當地棗樹生長的農藝節(jié)水方法。

圖4 2014年不同深度土層土壤含水量變化Fig.4 Change of soil moisture in different layer in 2014

2013-2014年，在土層深度為0～30、30～60和60～100 cm范圍內，秸稈覆蓋(13.40%、12.18%、11.39%)的土壤平均含水量分別高于地膜覆蓋(12.18%、11.03%、10.60%)7%和CK(11.08%、10.24%、9.76%)8.9%。

不同覆蓋處理下的土壤水分間的變化幅度隨著土層深度的加深逐漸降低，各處理的土壤含水量差異也逐漸減小。表2為2013-2014年各土層含水量平均變異系數，從表2可以看出，隨著土層深度的增大，垂直方向的平均土壤含水量的標準偏差和變異系數逐漸減小，說明各土層間的含水量隨著土層深度的加深逐漸趨于穩(wěn)定；不同覆蓋方式的土壤含水量規(guī)律有所不同，各土層間變異系數的大小為：秸稈覆蓋<地膜覆蓋

表2 不同覆蓋條件下各土層變異系數Tab.2 Coefficient of variation on soil depth under different mulching conditions

2.2 降雨對不同覆蓋條件下全生育期內土壤水分動態(tài)變化的影響

圖5為2013年降雨對不同覆蓋措施的棗樹全生育期內土壤水分的影響，可以看出，不同覆蓋方式下各土層土壤水分隨時間推移均呈現出持續(xù)增大的趨勢，生育期結束時，各處理在不同土層深度處的土壤含水量均有不同程度的升高，表層土壤(0～30 cm)含水量增加最為明顯。生育期開始時，各土層間土壤水分差異不大，經過降雨后，秸稈覆蓋土壤含水量增加最為顯著，平均土壤含水量為11.6%，分別較地膜覆蓋和CK土壤含水量提高1.04%和2.16%，說明秸稈覆蓋措施能更有效保蓄土壤水分，在降雨結束后能降低土壤無效蒸發(fā)，提高降雨對土壤水分的轉化率，其保水效果最好。另外，各處理不同土層深度的土壤水分差異逐漸增大，秸稈覆蓋條件下，表層土壤(0～30 cm)含水量分別較地膜覆蓋和CK提高1.07%和2.21%，中層土壤(30～60 cm)含水量較地膜覆蓋和CK提高1.3%和2.48%，底層土壤(60～100 cm)含水量分別較地膜覆蓋和CK提高0.73%和1.79%。

圖5 2013年降雨對不同深度土壤含水量的影響Fig.5 Influence of rainfall on soil moisture content at different depths in 2013

圖6為2014年降雨對不同覆蓋措施的棗樹全生育期內土壤水分的影響，可以看出，與2013土壤含水量分布情況具有類似的分布規(guī)律，降雨對土壤含水量的補給主要表現在表層土壤(0～30 cm)。由于降雨量的不同，土壤水分下滲量也有所不同。0～30 cm范圍秸稈覆蓋、地膜覆蓋較CK平均含水量分別增加1.77%和0.87%，變化十分顯著，為降雨補給層；30～60 cm范圍秸稈覆蓋、地膜覆蓋較CK平均含水量分別增加1.49%和0.66%，變化幅度略有減小，為降雨過渡層；60～100 cm范圍秸稈覆蓋、地膜覆蓋較CK平均含水量分別增加1.12%和0.49%，為降雨穩(wěn)定層，受降雨影響基本不大。

圖6 2014年降雨對不同深度土壤含水量的影響Fig.6 Influence of rainfall on soil moisture content at different depths in 2014

2.3 涌泉根灌不同覆蓋條件對棗吊生長及產量的影響

2.3.1 涌泉根灌不同覆蓋條件對棗吊生長的影響

秸稈覆蓋能有效地抑制地表水分蒸發(fā)，還可較為有效的降低深層滲漏，保水效果較為明顯；地膜覆蓋增溫效果明顯。棗吊生長對棗樹產量具有較大影響，圖7、圖8分別為2013-2014年棗樹以生理生長為主轉向生殖生長為主時期時，灌水定額均為60 L/棵情況下，棗吊平均生長及棗吊相對增長率隨時間變化關系?？梢钥闯觯S著時間的增長，棗吊長度均有不同程度的增長，不同處理有較大差異，但相對增長速率逐漸降低，直至趨于穩(wěn)定。不同覆蓋條件棗吊的平均生長長度表現為地膜覆蓋>CK>秸稈覆蓋，平均增長率大小為：地膜覆蓋(0.185)>CK(0.175)>秸稈覆蓋(0.160)，地膜覆蓋改變了地面以上棗樹生長環(huán)境，使地面反輻射增強，與CK、秸稈覆蓋處理相比，具有地面以上的升溫作用，棗吊平均相對生長率明顯較秸稈覆蓋、CK高，這說明棗吊生長在相同灌水條件下更依賴于溫度，溫度越高，棗樹生長越快。主要原因可能是棗果進入膨大期，光合能力主要用于果實生長，營養(yǎng)生殖逐漸減弱，最終趨于穩(wěn)定。

圖7 棗吊生長長度隨時間變化規(guī)律Fig.7 The growth length of length

圖8 棗吊相對增長率隨時間變化規(guī)律Fig.8 The relative increasing rate of length

2.3.2 涌泉根灌不同覆蓋條件對棗樹產量的影響

棗樹產量按以下公式計算：

Yi=L0Y/L

(1)

式中：L、L0分別為試驗組實際累計結果枝長度和標準樹體累計結果枝長度，cm；Y、Yi分別為試驗組實際產量和化為標準樹形之后的產量，kg/hm2。

圖9為2013-2014年，灌水定額均為60 L/棵，不同覆蓋條 件下棗樹涌泉根灌平均產量的試驗結果(于每年9月26日統(tǒng)計)。產量取決于果實數量和單果重。張吉祥等[14]研究表明秸稈覆蓋能不同程度地提高作物光合速率、蒸騰速率和水分利用效率。相同灌水量時，秸稈覆蓋產量為6853.14kg/hm2，地膜覆蓋產量為5299.35kg/hm2，CK為4916.04kg/hm2，秸稈覆蓋較地膜覆蓋、CK的產量分別提高了29.32%和39.40%，表明秸稈覆蓋能更多地提高棗樹產量。

圖9 不同覆蓋條件下棗樹產量Fig.9 The yield in different mulch treatment

3 結 論

本文研究了秸稈覆蓋與地膜覆蓋對涌泉根灌條件下棗樹水分特性、棗樹生長及產量的影響，主要結果如下。

(1)2013-2014年，涌泉根灌灌水后各處理土壤平均含水量大小關系依次為秸稈覆蓋(12.06%)>地膜覆蓋(11.27%)>CK(10.36%)；土壤水分在埋深分布表現為表層低(0～30 cm)、中層高(30～60 cm)、底層低(60～100 cm)的規(guī)律。棗樹全生育期內各土層間垂直方向(0～30，30～60，60～100 cm)變異系數的大小為：秸稈覆蓋(0.407，0.336，0.304)<地膜覆蓋(0.416，0.340，0.316)

棗樹生育期內，降雨對各處理在不同土層深度處的土壤含水量均有不同程度的升高，表層土壤(0～30 cm)含水量增加最為明顯。生育期開始時，各土層間土壤水分差異不大，經過降雨后，秸稈覆蓋土壤含水量增加最為顯著，秸稈覆蓋措施能更有效保蓄土壤水分。

(2)在2013-2014年，涌泉根灌棗樹生殖生長期，地膜覆蓋較之CK和秸稈覆蓋，更加有助于棗吊的生長，不同覆蓋條件棗吊的平均增長率大小為：地膜覆蓋(0.185)>CK(0.175)>秸稈覆蓋(0.160)，地表溫度對棗吊生長階段具有顯著影響。隨著棗樹進入成熟期，光合產能向果實膨大供給，導致棗吊生長速率均有所減緩，并最終趨于穩(wěn)定。

(3)秸稈覆蓋能較大程度地提高涌泉根灌棗樹產量，2013-2014年秸稈覆蓋下棗樹平均產量較地膜覆蓋處理、CK分別提高29.32%和39.40%。秸稈覆蓋是本研究條件下最佳覆蓋種植模式，不同秸稈覆蓋量及覆蓋厚度對涌泉根灌棗樹耗水規(guī)律的影響研究將是下一步工作的重點。

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