旱作覆蓋集雨條件下梨樹生長(zhǎng)對(duì)土壤水熱的響應(yīng)研究

劉艷武，郭向紅，楊 凱，續(xù)海紅，雷 濤，孫西歡，馬娟娟，路明杰

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024; 2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，太原 030100)

0 引 言

中國(guó)是世界上最大的梨果生產(chǎn)國(guó)之一，梨的種植面積、收獲產(chǎn)量、出口量及品種數(shù)量均居世界前列[1]。山西省作為梨果生產(chǎn)區(qū)之一，擁有豐富的光熱資源，具有高產(chǎn)的能量基礎(chǔ)，但該地區(qū)水資源匱乏，年降雨量少且年內(nèi)分配不均勻，嚴(yán)重制約了梨的高產(chǎn)以及高品質(zhì)的實(shí)現(xiàn)。因此，針對(duì)水資源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)是我國(guó)大部分地區(qū)，尤其是在北方黃土高原地區(qū)，克服水資源短缺，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[2]。

為了解決水資源不足和水分利用效率低等問題，世界各國(guó)提出并逐步完善了旱作覆蓋栽培技術(shù)，對(duì)作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量的提高以及水分利用效率的提升起到了極大的推動(dòng)作用[3]。目前國(guó)內(nèi)外果園所采用的覆蓋栽培技術(shù)種類不同，主要包括：地膜覆蓋、園藝地布覆蓋、秸稈覆蓋以及生草覆蓋等。關(guān)于旱作覆蓋栽培技術(shù)在果園管理方面的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明：對(duì)果園進(jìn)行旱作覆蓋栽培，不僅能夠緩沖降雨對(duì)表層土壤的侵燭作用、降低地表徑流損失以及水土流失、延長(zhǎng)土壤水分入滲過程、減少淺層土壤水分蒸發(fā)、增加土壤水分含量，還能夠有效抑制果樹根部雜草生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)土壤溫度、縮小地表溫差，從而促進(jìn)果樹樹體的生長(zhǎng)發(fā)育(例如新梢長(zhǎng)、新梢粗、樹干以及葉片等的生長(zhǎng))，提高果樹產(chǎn)量，并且提升果實(shí)品質(zhì)(如果實(shí)中的可溶性固形物含量以及果實(shí)酸度等)[7-15]。

有關(guān)覆蓋技術(shù)方面，前人雖然已經(jīng)展開了大量的研究并取得了豐富成果，但關(guān)于地布覆蓋技術(shù)的研究十分罕見，對(duì)于本文提出的新型覆蓋栽培技術(shù)“地布覆蓋+小溝集雨”的研究更是十分鮮見。此外，山西省作為有機(jī)旱作的典型示范區(qū)，針對(duì)該地區(qū)干旱半干旱氣候的特殊性，旱作覆蓋集雨條件下梨樹生長(zhǎng)對(duì)土壤水熱狀況的響應(yīng)機(jī)制研究也亟待開展。因此，本文以3年生玉露香梨為試驗(yàn)對(duì)象，研究不同覆蓋處理對(duì)土壤水熱狀況以及梨樹生長(zhǎng)的影響，以期為山西省果園旱作栽培技術(shù)提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所的有機(jī)旱作示范果園進(jìn)行，該果園地處山西省晉中市太谷縣中梁村，地理位置為東經(jīng)112°32′，北緯37°23′。果園平均海拔781.9 m，年均氣溫9.8 ℃，年均降雨量442.64 mm，降雨主要集中于6-8月份，屬典型的大陸性半干旱氣候。試驗(yàn)區(qū)土壤主要為沙壤土，土壤體積質(zhì)量為1.47 g/cm3，飽和含水率為0.492 cm3/cm3，田間持水量為0.30 cm3/cm3[16]。試驗(yàn)材料為3年生“玉露香梨”樹，種植規(guī)模為2 m×4 m。

1.2 試驗(yàn)方法

為研究旱作覆蓋集雨條件下梨樹生長(zhǎng)對(duì)土壤水熱的響應(yīng)，本試驗(yàn)共采用秸稈和園藝地布兩種覆蓋材料，共設(shè)置了4個(gè)覆蓋處理：全年地布覆蓋(T1)、4-9月地布覆蓋(T2)、10-翌年3月地布覆蓋(T3)、全年秸稈覆蓋(T4)，并與對(duì)照組無覆蓋處理(CK)進(jìn)行對(duì)比，每個(gè)處理3組重復(fù)。其中，園藝地布由PE塑料編織制成，具有透水、保水、透氣、防草等優(yōu)點(diǎn)。地布覆蓋從樹盤開始起壟，坡度2°～5°，樹行兩側(cè)各采用1 m寬幅園藝地布進(jìn)行覆蓋，樹下地布疊壓處搭接7～10 cm，用地釘每隔20 cm進(jìn)行固定，且在地布覆蓋外圍邊緣開挖與樹行平行的水平溝，溝寬40 cm，深60 cm，作為集雨溝和施肥溝，溝上覆秸稈，對(duì)應(yīng)的布置圖見圖1；秸稈覆蓋是將小麥秸稈編織成氈，再覆蓋在樹行部分的表土之上，覆蓋厚度約10 cm、寬度約2 m，在秸稈覆蓋外圍邊緣起壟攔蓄水分，壟高約10 cm。

1-樹干；2-園藝地布(寬1 m)；3-集雨溝圖1 園藝地布覆蓋布置圖Fig.1 Garden floor covering layout

此外，所有處理均不進(jìn)行人工灌溉，自然降水為唯一水源。各處理基肥采用農(nóng)家肥(羊糞、豬糞、牛糞等)與有機(jī)物料(粉碎后的秸稈、枝條、蘑菇渣等)以1:1的比例混合高溫發(fā)酵腐熟制成，按每株40 kg的標(biāo)準(zhǔn)，于上年果實(shí)采收后，園藝地布覆蓋集中施于集雨溝內(nèi)，并壓埋填土5 cm；秸稈覆蓋集中施于秸稈底部的地表。追肥采用葉面噴施，全年共6次：生長(zhǎng)前期2次，以氮肥為主；后期3次，以磷鉀肥為主；果實(shí)采收后再追1次氮肥以達(dá)到保葉的目的。各肥料使用濃度為：尿素0.2%～0.3%、磷酸二氫鉀0.3%～0.5%、硼砂0.1%～0.3%。

1.3 試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目

試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目包括土壤水分、土壤溫度、新梢累計(jì)增長(zhǎng)量和樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量。土壤水分利用TRIME-PICOIPHTDR土壤水分測(cè)量系統(tǒng)(TDR)每隔15 d左右測(cè)定一次，測(cè)定深度為距地表0～200 cm；土壤溫度利用i500系列土壤溫度記錄儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)定深度為距地表0～80 cm；新梢累計(jì)生長(zhǎng)量利用鋼卷尺測(cè)量，在試驗(yàn)開始時(shí)從樹體東南西北4個(gè)方向各選取3枝進(jìn)行掛牌標(biāo)記，每隔15 d左右測(cè)量一次；樹干直徑累計(jì)生長(zhǎng)量利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，每隔15 d左右測(cè)量一次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過Excel2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用Origin2019進(jìn)行作圖，用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn)，用1stOpt1.5Pro進(jìn)行作物生長(zhǎng)模型擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱作覆蓋集雨條件下梨園土壤水分動(dòng)態(tài)變化

圖2為旱作條件下不同覆蓋處理梨園土壤體積含水率動(dòng)態(tài)變化對(duì)比情況(距地表0～200 cm深度的平均值)以及生育期內(nèi)降雨量情況。由圖2可以看出，各覆蓋處理的土壤體積含水率動(dòng)態(tài)波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，波動(dòng)主要是因降雨過程造成，整體上波動(dòng)幅度較小，基本介于15%～20%范圍內(nèi)。從圖2還可以看出，不同覆蓋處理對(duì)土壤體積含水率存在明顯作用。整體對(duì)比5個(gè)處理，生育期內(nèi)各處理的土壤體積含水率峰值表現(xiàn)為T4(20.15%)>T1(19.87%)>T2(19.76%)>T3(19.13%)>CK(19.07%)，最小值表現(xiàn)為T4(17.06%)>T1(16.81%)>T3(16.21%)>T2(15.72%)>CK(15.46%)，均值表現(xiàn)為T4(18.71%)>T1(18.34%)>T2(18.13%)>T3(17.67%)>CK(17.47%)，T4處理的含水率峰值、最小值和均值均明顯大于其他處理。此外，對(duì)各處理的土壤體積含水率動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn)，結(jié)果表明：T1～T2以及T3～T5處理間差異顯著(p<0.05)，其他處理間的體積含水率差異均達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)。綜上所述，旱作條件下對(duì)梨園進(jìn)行覆蓋處理，具有明顯的集雨保水效果，能夠明顯增加土壤中的水分含量。其中秸稈覆蓋處理(T4)由于覆蓋材料以及覆蓋層厚度的特殊性，集雨保水效果最佳，而在地布覆蓋情況下，全年地布覆蓋處理(T1)由于覆蓋時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，集雨保水效果最佳。

圖2 不同覆蓋處理梨園土壤體積含水率及降雨情況Fig.2 Soil moisture content and rainfall of pear orchard treated with different mulching

2.2 旱作覆蓋集雨條件下梨園土壤溫度動(dòng)態(tài)變化

圖3為旱作條件下不同覆蓋處理梨園土壤溫度動(dòng)態(tài)變化對(duì)比情況(距地表0～80 cm深度的平均值)。由圖3可知，生育期內(nèi)各處理的土壤溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為4-10月份期間，土壤溫度先增大后減下，峰值均出現(xiàn)在8月份，最低值均出現(xiàn)在4月份。結(jié)合配對(duì)T檢驗(yàn)整體上對(duì)比5個(gè)處理的土壤溫度動(dòng)態(tài)變化可知，T1～T2處理間差異顯著(p<0.05)，其余各處理間的土壤溫度動(dòng)態(tài)變化差異均未達(dá)到顯著水平。

圖3 不同覆蓋處理梨園土壤溫度動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of soil temperature in pear orchard under different mulching treatments

從圖3中還可以看出，在不同的生育期，不同覆蓋處理對(duì)土壤溫度的影響不同。具體來說，4-5月份期間，各處理土壤溫度均值表現(xiàn)為T4>T1>T2>T3>CK，T4處理土壤溫度最大(16.25 ℃)，分別為T1、T2、T3、CK處理的1.05倍、1.06倍、1.09倍、1.13倍；6-8月份期間，各處理土壤溫度均值表現(xiàn)為CK>T3>T1>T2>T4，CK處理土壤溫度最大(22.52 ℃)，分別為T3、T1、T2、T4處理的1.00倍、1.03倍、1.04倍、1.05倍；9-10月份期間，各處理土壤溫度均值表現(xiàn)為T4>T1>T2>T3>CK，T4處理土壤溫度最大(19.59 ℃)，分別為T1、T2、T3、CK處理的1.02倍、1.03倍、1.06倍、1.08倍。由此可知，在氣溫較低的4-5月份以及9-10月份期間，土壤溫度較低，覆蓋可以起到較好的保溫作用，其中秸稈覆蓋處理(T4)保溫效果最好，園藝地布覆蓋處理(T1、T2、T3)效果次之，均高于對(duì)照組無覆蓋處理(CK)；6-8月份，大氣溫度高且太陽輻射強(qiáng)，而覆蓋處理明顯削弱了輻射強(qiáng)度，起到了較好的隔熱作用，其中秸稈覆蓋由于覆蓋材料以及覆蓋層厚度的特殊性，隔熱效果最好，園藝地布覆蓋效果次之，因此覆蓋后土壤溫度均明顯低于對(duì)照組無覆蓋處理。

2.3 旱作覆蓋集雨條件下梨樹生長(zhǎng)對(duì)土壤水熱的響應(yīng)

2.3.1 梨樹新梢生長(zhǎng)對(duì)土壤水熱的響應(yīng)

圖4為旱作條件下不同覆蓋處理玉露香梨樹新梢累計(jì)增長(zhǎng)量的對(duì)比情況。由圖4可知，對(duì)梨園進(jìn)行不同覆蓋處理，均可促進(jìn)梨樹新梢的生長(zhǎng)發(fā)育，生育期內(nèi)新梢的長(zhǎng)勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為4月份至6月份上旬，新梢快速增長(zhǎng)，6月中下旬至7月中旬新梢生長(zhǎng)緩慢，7月下旬之后新梢基本停長(zhǎng)。具體來說，4-6月份上旬，處于梨樹的新梢旺長(zhǎng)期，各處理新梢均快速增長(zhǎng)，在6月上旬新梢旺長(zhǎng)期結(jié)束時(shí)，各處理的新梢累計(jì)增長(zhǎng)量表現(xiàn)為T4(45.95 cm)>T1(43.33 cm)>T3(38.82 cm)>T2(37.33 cm)>CK(35.37 cm)，T1、T2、T3、T4處理的新梢累計(jì)增長(zhǎng)量均明顯大于CK處理，4種覆蓋處理中T4處理的新梢累計(jì)增長(zhǎng)量最大。由此可知，秸稈覆蓋處理(T4)能夠明顯促進(jìn)新梢旺長(zhǎng)期梨樹新梢的生長(zhǎng)發(fā)育。從6月下旬開始，梨樹新梢旺長(zhǎng)期結(jié)束，新梢增長(zhǎng)速度放緩，到7月上旬T3、CK處理首先停長(zhǎng)，而T1、T2、T4處理新梢到7月下旬新梢才停長(zhǎng)，由此可知，秸稈覆蓋處理(T4)和地布覆蓋處理(T1、T2)能夠延長(zhǎng)新梢的生長(zhǎng)期限，增加新梢生長(zhǎng)量。綜合對(duì)比5個(gè)處理，各處理新梢生長(zhǎng)結(jié)束時(shí)，新梢累計(jì)增長(zhǎng)量大小表現(xiàn)為T4(56.40 cm)>T1(53.70 cm)>T2(49.21 cm)>T3(45.91 cm)>CK(45.13 cm)，其中T4處理新梢累計(jì)增長(zhǎng)量值最大，較T1、T2、T3、CK處理分別高出5.13%、14.47%、22.20%、25.12%。此外，結(jié)合配對(duì)T檢驗(yàn)整體上對(duì)比5個(gè)處理的新梢累計(jì)增長(zhǎng)量動(dòng)態(tài)變化可知，T2～T3處理間差異不顯著，T2～T5處理間差異顯著(p<0.05)，其他處理間新梢累計(jì)增長(zhǎng)量的差異均達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。綜上所述，旱作條件下對(duì)梨園進(jìn)行覆蓋處理，能夠明顯促進(jìn)玉露香梨新梢的生長(zhǎng)發(fā)育，其中秸稈覆蓋處理(T4)的新梢生長(zhǎng)量最大，更有助于新梢的生長(zhǎng)發(fā)育。

圖4 不同覆蓋處理梨樹新梢累計(jì)增長(zhǎng)量對(duì)比情況Fig.4 Dynamic change of soil temperature in pear orchard under different mulching treatments

2.3.2 梨樹樹干直徑生長(zhǎng)對(duì)土壤水熱的響應(yīng)

圖5為旱作條件下不同覆蓋處理玉露香梨樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量的對(duì)比情況。由圖5可知，對(duì)梨園進(jìn)行不同覆蓋處理，均可促進(jìn)梨樹樹干直徑的生長(zhǎng)發(fā)育，生育期內(nèi)樹干直徑的長(zhǎng)勢(shì)基本一致，大致表現(xiàn)為4-5月份期間增長(zhǎng)速度較慢，5-8月份期間樹干直徑快速增長(zhǎng)，9月份之后增長(zhǎng)速度極為緩慢。

圖5 不同覆蓋處理梨樹樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量對(duì)比情況Fig.5 Dynamic change of soil temperature in pear orchard under different mulching treatments

具體來說，4-5月份期間，各處理的樹干直徑均緩慢增長(zhǎng)，樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量大小關(guān)系為T1(0.28 cm)>T4(0.23 cm)>T3(0.22cm)>T2(0.20 cm)>CK(0.18 cm)，T1、T2、T3、T4處理的樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量均明顯大于CK處理，4種覆蓋處理中T1處理的樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量最大。5-8月份期間，各處理的樹干直徑增長(zhǎng)速度明顯加快，樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量大小關(guān)系為T4(1.41 cm)>T1(1.37 cm)>T2(1.36 cm)>T3(1.27 cm)>CK(1.10 cm)，T1、T2、T3、T4處理的樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量均明顯大于CK處理，4種覆蓋處理中T4處理的樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量最大，增長(zhǎng)速度也最快。從9月份開始，樹體生長(zhǎng)逐漸停止，樹干直徑的生長(zhǎng)速度放緩，基本保持穩(wěn)定。到生育期結(jié)束時(shí)，樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量大小關(guān)系為T4(1.64 cm)>T1(1.58 cm)>T2(1.52 cm)>T3(1.46 cm)>CK(1.42 cm)，T1、T2、T3、T4處理的樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量均明顯大于CK處理，4種覆蓋處理中T4處理的樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量最大。此外，結(jié)合配對(duì)T檢驗(yàn)整體上對(duì)比5個(gè)處理的樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量動(dòng)態(tài)變化可知，T2～T3處理間差異不顯著，T1～T4處理間差異顯著(p<0.05)，其他處理間新梢累計(jì)增長(zhǎng)量的差異均達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。綜上所述，旱作條件下對(duì)梨園進(jìn)行覆蓋處理，能夠明顯促進(jìn)玉露香梨樹體的生長(zhǎng)發(fā)育，樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量明顯增大，其中，秸稈覆蓋處理(T4)樹干直徑累計(jì)生長(zhǎng)量最大，更有助于樹體的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.3.3 Logistic梨樹生長(zhǎng)模型分析

從圖4和圖5可以看出，梨樹和新梢的生長(zhǎng)曲線基本符合Logistic作物生長(zhǎng)模型，可進(jìn)行模型擬合，擬合方程如式(1)所示[17]。擬合結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 不同覆蓋處理梨樹新梢累計(jì)增長(zhǎng)量Logistic方程擬合結(jié)果Tab.1 Logistic equation fitting results of cumulative growth of new shoots of pear trees under different covering treatments

表2 不同覆蓋處理梨樹樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量Logistic方程擬合結(jié)果Tab.2 Logistic equation fitting results of cumulative growth of new shoots of pear trees under different covering treatments

(1)

式中：Y表示梨樹生長(zhǎng)指標(biāo)累計(jì)生長(zhǎng)量的預(yù)測(cè)值；A表示對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)指標(biāo)累計(jì)生長(zhǎng)量的最大值；B為常數(shù)尺度；e為自然對(duì)數(shù)得底數(shù)；K表示相對(duì)生長(zhǎng)率；t表示試驗(yàn)累計(jì)進(jìn)行天數(shù)，d。

從表1和表2可以看出，不同覆蓋處理新梢和樹干直徑的R2值均大于0.965，說明Logistic生長(zhǎng)模型可以很好地?cái)M合不同覆蓋處理的新梢和樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量的變化過程。并且各處理通過模型擬合得到的新梢和樹干直徑的最大值均略大于實(shí)測(cè)值，預(yù)測(cè)值也均大于實(shí)測(cè)值，說明新梢和樹干直徑的模型擬合度均極高。

3 結(jié) 論

本文主要研究了旱作覆蓋集雨條件下梨樹生長(zhǎng)對(duì)土壤水熱特性的響應(yīng)，分析了不同覆蓋處理對(duì)梨園土壤水分、土壤溫度、新梢生長(zhǎng)以及樹干直徑生長(zhǎng)的影響，并對(duì)生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行了模型擬合。結(jié)果表明：與對(duì)照組無覆蓋處理相比，各覆蓋處理均能夠明顯改善土壤水熱狀況，促進(jìn)梨樹的生長(zhǎng)發(fā)育，并且各處理間的土壤水分差異、梨樹新梢以及樹干直徑的生長(zhǎng)差異基本上達(dá)到了極顯著水平，而各處理間的土壤溫度差異基本未達(dá)到顯著水平。其中：

(1)秸稈覆蓋處理(T4)能夠較好的集蓄降雨資源，使土壤體積含水率始終保持較高水平；同時(shí)，秸稈覆蓋處理(T4)由于覆蓋材料以及覆蓋層厚度的特殊性，還具有較好的保溫隔熱作用。

(2)秸稈覆蓋處理(T4)可明顯促進(jìn)梨樹的生長(zhǎng)發(fā)育，增加梨樹的新梢累計(jì)增長(zhǎng)量和樹干直徑累計(jì)增長(zhǎng)量，并且各覆蓋處理的新梢和樹干直徑的生長(zhǎng)過程均可用Logistic作物生長(zhǎng)模型很好的擬合。

綜合以上結(jié)論認(rèn)為，旱作覆蓋集雨條件下，秸稈覆蓋處理(T4)最有利于玉露香梨樹的生長(zhǎng)發(fā)育，可較好的集蓄有限的降雨資源，使其得到合理的利用，同時(shí)還可調(diào)節(jié)土壤溫度狀況，因此可作為該試驗(yàn)地區(qū)“玉露香梨”樹推廣種植的旱作栽培措施。