基于穩(wěn)定同位素技術(shù)的果草吸水深度研究：以洛川塬不同果-草復(fù)合系統(tǒng)為例

張 露，趙 妮，戈建珍，程積民,3,4，金晶煒,3,4

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 北京理加聯(lián)合科技有限公司，北京 100085；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

洛川塬位于陜西省中部，地處黃土高原，是我國黃土高原主要生產(chǎn)蘋果(Malus domestica)的地區(qū)之一，其規(guī)模和品質(zhì)在我國乃至全球均處于領(lǐng)先地位[1]。果樹對水分的需求遠(yuǎn)高于一般農(nóng)作物[2]。然而，洛川塬地區(qū)干旱少雨、地下水埋較深、水資源匱乏，果園土壤管理的落后[3-5]，導(dǎo)致水分成為該地區(qū)蘋果產(chǎn)業(yè)高產(chǎn)量、高品質(zhì)發(fā)展的重要限制因子。果園生草覆蓋是果園土壤管理的最佳模式[6]，對提高果園土壤保水保肥、改善果園微生態(tài)環(huán)境、提高果園產(chǎn)量和果園品質(zhì)[7]起著至關(guān)重要的作用。

根系是植物水分、礦物質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)者，也對植物地上部分的生長發(fā)育起著決定性的作用[8]，使用傳統(tǒng)的物理方法確定植物水分來源比較困難，而且實(shí)際操作繁瑣，具有一定的破壞性，不利于動(dòng)態(tài)觀測研究[9-10]。而穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)由于其較高的靈敏度和準(zhǔn)確性，目前已被廣泛應(yīng)用于干旱半干旱地區(qū)植物水分來源研究[11-14]，為闡明植物水分利用方式及其分配情況提供了新的研究手段。目前，國內(nèi)外有關(guān)果-草復(fù)合系統(tǒng)的研究主要集中在果園生草對果園土壤的影響，如土壤肥力、土體結(jié)構(gòu)、土壤微生物、土壤酶活性[15-18]，以及果園生草對果園微生態(tài)環(huán)境[19]和生草對果樹生理活動(dòng)、產(chǎn)量、果實(shí)品質(zhì)[20]的影響等方面。關(guān)于果-草復(fù)合系統(tǒng)對果園土壤水分、果樹根系的影響及果樹水分來源方面的研究主要采用靜態(tài)描述性的方法[21-23]，然而，關(guān)于果-草復(fù)合系統(tǒng)中果樹水分利用來源的時(shí)空差異影響的研究較少，未能更好地揭示果-草復(fù)合系統(tǒng)對水分來源的互動(dòng)效益及其演變特征。因此，研究果園生草與果樹的水分來源及水分利用對指導(dǎo)該地區(qū)建立科學(xué)的果園生草技術(shù)，篩選果-草復(fù)合系統(tǒng)中生態(tài)位不重疊的優(yōu)良組合以避免物種間的過激競爭，分析不同物種對干旱環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制，預(yù)測氣候變化對物種分布格局的影響，改進(jìn)和推廣果園土壤管理具有十分重要的作用。

本研究區(qū)位于陜西黃土高原洛川塬地區(qū)，在田間原位監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過穩(wěn)定氫氧同位素技術(shù)對蘋果-白三葉(Trifolium repens)、蘋果-黑麥草(Lolium perenne)、單作蘋果3 種種植結(jié)構(gòu)的水分來源進(jìn)行研究，分析果園生草與果樹的水分來源，為渭北旱塬區(qū)果-草復(fù)合系統(tǒng)林下間作牧草品種的選擇、果園水分優(yōu)化管理以及果-草復(fù)合系統(tǒng)模式的大量推廣提供科學(xué)依據(jù)，為我國果園生態(tài)可持續(xù)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展及規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化生態(tài)果園建設(shè)提供技術(shù)支撐，也為分析不同物種對干旱環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制、明確植物與土壤系統(tǒng)之間水分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于陜西省洛川縣棲鎮(zhèn)谷咀村(109°45′ E，35°72′ N)，平均海拔1 100 m，該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量622 mm，無霜期180 d，年平均氣溫9.2 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 552 h，試驗(yàn)地土壤以黃綿土和黑壚土為主，質(zhì)地為壤土，土壤剖面質(zhì)地均勻，土層深厚。果樹于2012 年種植，品種為紅富士。果樹株行距為4 m × 3 m，牧草(白三葉和黑麥草)間作栽培時(shí)距離樹行60 cm。單作蘋果位于果-草復(fù)合系統(tǒng)的西側(cè)50 m，株行距4 m × 3 m，與復(fù)合系統(tǒng)采取相同的田間管理措施。

1.2 測定項(xiàng)目及方法

試驗(yàn)于2018 年5 月 - 10 月在洛川塬選定的樣地中開展，分別于蘋果樹坐果初期(5 月30 日)、果實(shí)的膨大期(7 月20 日、8 月30 日) 和果實(shí)成熟期(10 月28 日)采集果樹和牧草的木質(zhì)部、莖部以及土壤樣品和降水樣品，每個(gè)處理重復(fù)3 次。

取樹冠中部一年生非綠色枝條4～5 cm，為防止樣品同位素分餾，快速除去韌皮部，保留木質(zhì)部。取樣結(jié)束后迅速將樣品放入10 mL 玻璃瓶中，Parafilm 封口膜雙層密封后-20 ℃保存。在草本植物氣孔開放時(shí)，取直徑0.5～1.0 cm、長10.0～15.0 cm的完全硬化的草本植物莖部分，迅速將樣品放入10 mL玻璃瓶中，Parafilm 封口膜雙層密封后-20 ℃保存。用直徑為6 cm 的土鉆在距離樹干南北兩側(cè)50、100、150 和200 cm 處 取 樣，取 樣 深 度 為100 cm，分為0 - 10、10 - 20、20 - 30、30 - 40、40 - 50、50 -60、60 - 70、70 - 80、80 - 90、90 - 100 cm 土層，將采集好的土樣迅速裝入150 mL 塑料瓶中，Parafilm 封口膜雙層密封后低溫保存，以便后續(xù)試驗(yàn)。采用自制的降水收集器對5 月、7 月、8 月、10 月降水量超過5 mm的所有降水進(jìn)行收集，降水收集后裝入100 mL 的離心管中，封口膜密封后低溫保存。

利用自動(dòng)氣象站連續(xù)觀測降水量和溫度；利用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量；利用超低壓真空蒸餾冷凍抽提的方法對土壤、果樹木質(zhì)部以及牧草莖部水樣進(jìn)行抽提。真空抽提系統(tǒng)(Li-2000)包括超低壓系統(tǒng)(提供真空度)、加熱系統(tǒng)(加熱樣品使水分蒸發(fā))、冷凍系統(tǒng)(將蒸發(fā)出來的水分凍結(jié)成冰)和采集控制系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)液氮冷卻的繁瑣，既防止同位素分餾，又安全高效，不會(huì)對植物和土壤造成破壞。將抽提 ＞ 96%的水樣進(jìn)行同位素測定。

抽提率計(jì)算公式為：

式中：W1為烘干12 h 后樣品及瓶的重量，W2為烘干前樣品及瓶的重量，W3為抽提完成后集水管加水的重量，W4為集水管的重量。

植物水同位素用液態(tài)水同位素分析儀(LGR912-0008)進(jìn)行測定；土壤水同位素采用液態(tài)水同位素分析儀(LGRDLT-100)測定。δD 和δ18O 采用V-SMOW標(biāo)準(zhǔn)，精度為Δd ＜ 0.40‰，δ18O ＜ 0.10‰。

1.3 植物水源判斷方法

1.3.1 直觀相關(guān)法

將蘋果樹、覆蓋植物白三葉、黑麥草莖部水與土壤水源的δD 值進(jìn)行直接對比，當(dāng)其與土壤水源δD 值交叉或者相近時(shí)，則定性判斷出果樹利用了該水源[24]。

1.3.2 多源線性混合模型法

根據(jù)同位素質(zhì)量守恒原理，基于IsoSource 軟件運(yùn)行該模型，將測定的各水分樣品δD 值代入模型，判斷植物對不同深度土壤水的利用率[24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2010、SPSS 22.0 對不同果-草復(fù)合系統(tǒng)中果園土壤含水量、不同時(shí)期蘋果木質(zhì)部水、白三葉莖部水、黑麥草莖部水、果園土壤水δD 值進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析，利用IsoSourcse 模型對潛在水源對植物吸水的貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析，Sigmaplot 12和Origin 2020 進(jìn)行大氣氘盈余、土壤含水量及不同時(shí)期蘋果木質(zhì)部水、白三葉莖部水、黑麥草莖部水、果園土壤水δD 值進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同月份大氣降水觀測結(jié)果

在觀察期，研究區(qū)1 月 - 10 月降水總量為521.40 mm，降水分布不均勻，降水量有較大的差異，7 月單月降水量最大，為139.30 mm，2 月單月降水量最小，為2.70 mm (圖1)。5 月、7 月、8 月、10 月采樣期間降水總量為262.10 mm，占降水總量的50.30%，降水量表現(xiàn)為7 月 ＞ 8 月 ＞ 5 月 ＞ 10 月。全球大氣降水線氘盈余d 值為10‰，當(dāng)水汽來源地水分蒸發(fā)、當(dāng)?shù)乜諝庀鄬穸容^低時(shí)，降水氘盈余d 值大于10‰。圖1 給出了研究區(qū)5 月、7 月、8 月、10 月采樣期間的大氣降水氘盈余d 值，介于3.3‰～13.4‰，其d 值均值小于全球降水氘盈余d 值，氘盈余d 值有明顯的季節(jié)性變化，氘盈余d 值在7 月、8 月、10 月均低于全球平均值(10‰)，而在5 月則高于全球水平。

圖 1 大氣降水氘盈余的月變化Figure 1 Monthly changes of meteoric water deuterium excess

2.2 不同果-草復(fù)合系統(tǒng)對果園土壤含水量的影響

研究區(qū)土壤持水性較差，地下水埋較深，土壤水主要來自降水的補(bǔ)給，降水一部分滲入土壤深處，一部分蒸發(fā)流失。降水量較大時(shí)(7 月20 日)，蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng)(處理1)中土壤含水量隨著土壤深度加深呈“S”型變化趨勢，蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng)(處理2)、單作蘋果系統(tǒng)(處理3)中含水量較為穩(wěn)定(圖2)。0 - 10 cm土壤含水量：處理1 ＞ 處理2 ＞處理3，20 - 50、90 - 100 cm 土壤含水量：處理2 ＞ 處理3 ＞ 處理1，60 - 80 cm 土壤含水量：處理2 ＞ 處理1 ＞ 處理3。

圖 2 不同果-草復(fù)合系統(tǒng)土壤剖面水分含量的動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamic changes of soil moisture content in different apple trees-grass intercropping systems

5 月30 日、8 月30 日、10 月28 日試驗(yàn)期內(nèi)，降水量較少。5 月30 日，0 - 50 cm 土壤含水量：處理1 ＞處理2 ＞ 處理3，50 - 100 cm 土壤含水量：處理2 ＞處理1 ＞ 處理3，這是由于研究區(qū)不同果-草復(fù)合系統(tǒng)對凍土消融的影響不同，導(dǎo)致其對不同層次土壤水補(bǔ)給效果的不同。8 月30 日，0 - 50 cm 土壤含水量：處理1 ＞ 處理2 ＞ 處理3，50 - 80 cm 土壤含水量：處理2 ＞ 處理1 ＞ 處理3，80 - 100 cm 土壤含水量：處理2 ＞ 處理3 ＞ 處理1。10 月28 日，0 - 50 cm土壤含水量：處理1 ＞ 處理2 ＞ 處理3，50 - 100 cm土壤含水量：處理2 ＞ 處理1 ＞ 處理3，受不同復(fù)合系統(tǒng)的影響，降水以優(yōu)勢流快速入滲，處理1 表現(xiàn)為淺層土壤水含量較高，深層逐漸減少，處理2、處理3 結(jié)果相反。

2.3 不同果-草復(fù)合系統(tǒng)對果樹吸收土壤水深度的影響

根據(jù)不同深度土層土壤水δD 值及其土壤水δD 值的時(shí)空變化規(guī)律，將土壤水劃分為淺層(0 -30 cm)土壤水、中層(30 - 60 cm)土壤水、深層(60 -100 cm)土壤水3 個(gè)水分來源。若不同深度土壤水δD 值有差異，可為確定蘋果樹、果-草復(fù)合系統(tǒng)對土壤水吸收來源層位提供良好的條件。

果樹木質(zhì)部和白三葉、黑麥草莖內(nèi)水的δD 同位素主要來源于其所利用的土壤水，3 個(gè)系統(tǒng)果園土壤δD 值在不同季節(jié)、不同土層間差異明顯，本研究通過果樹木質(zhì)部水δD 值的垂直線與不同深度的土壤水δD 值分布曲線的交點(diǎn)來確定植物吸水的主要來源。

蘋果坐果期(5 月)，3 個(gè)系統(tǒng)中，蘋果木質(zhì)部水δD 值與土壤水δD 值交叉于30 - 40、70 - 90 cm (單作蘋果)，40 - 50、70 - 80、90 - 100 cm (蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng))，20 - 30、70 - 80 cm (蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng))；白三葉莖部水和黑麥草莖部水δD 值與土壤水δD 值的交叉點(diǎn)均在10 - 20 cm 處，且白三葉莖部水δD 值明顯高于土壤水δD 值，黑麥草莖部水δD 值與土壤水δD 值差異較大 (圖3)。

蘋果果實(shí)膨大初期(7 月)，單作蘋果、蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng)和蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng)中蘋果木質(zhì)部水δD 值與土壤水δD 值均交叉于20 - 30、70 - 80 cm，白三葉莖部水δD 值與土壤水δD 值交叉于30 - 40、60 - 70 cm，且δD 值無差異，黑麥草莖部水δD 值與土壤水δD 值交叉于20 - 30 和60 - 80 cm (圖3)。

果實(shí)膨大期(8 月)，蘋果木質(zhì)部水δD 值與30 cm土壤水δD 值接近，且交于20 - 30、40 - 50 和80 -90 cm (單作蘋果)；蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng)中，蘋果木質(zhì)部水δD 值與土壤水δD 值相交于70 - 80 cm；蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng)中，蘋果木質(zhì)部水δD 值與30 cm 以下土壤水δD 值相近，在60 - 70 cm 處有一個(gè)交點(diǎn)；白三葉莖部水和黑麥草莖部水δD 值與土壤水δD 值分別相交于10 - 20、30 - 40、40 - 50 和10 - 20 cm (圖3)。

蘋果果實(shí)成熟期(10 月)，單作蘋果和蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng)中蘋果木質(zhì)部水δD 值與土壤水δD值分別相交于30 - 40、60 - 70、90 - 100 cm 土壤層位和80 - 90 cm 處土壤層位；蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng)中，蘋果木質(zhì)部水δD 值與100 cm 土壤水δD 值相近但不相交；白三葉莖部水δD 值與土壤水δD 值分別交于10 - 20、70 - 80 cm (圖3)。

2.4 不同果-草復(fù)合系統(tǒng)對果樹水分利用來源及來源比例的影響

基于穩(wěn)定同位素存在的質(zhì)量守恒原理，利用多源性模型分析不同果園生草及蘋果樹根系對不同層位土壤水吸收利用的情況。為明確水分來源，本研究測定10 個(gè)土壤層次，但由于數(shù)量較多，任何一種來源貢獻(xiàn)的不確定性也在隨之增加，無法采用IsoSource 混合模型[25-26]來準(zhǔn)確估算各層次水源的利用比例，為方便模式運(yùn)行，根據(jù)各層次土壤水δD 值的特征，將土壤水層位劃分為0 - 20、20 - 40、40 - 100 cm 3 層。

蘋果坐果期(5 月)，單作蘋果、蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng)和蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng)中果樹均以40 - 100 cm土壤水為主要來源，利用率分別為69%、96%和78%；白三葉主要以0 - 20 cm 土壤水為來源，利用率為90%，20 - 40 cm 土層利用率為10%；黑麥草主要以0 - 20 cm 土壤水為來源，利用率為80%，40 - 100 cm土層利用率為20% (圖4)。

蘋果膨大初期(7 月)，單作蘋果和蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng)中蘋果果樹根系吸水深度不單集中在淺層土壤，各層土壤水的利用率均較高，0 - 20 cm 土壤水的利用率分別為31%和20%，20 - 40 cm 土壤水的利用率分別為41%和32%，40 - 100 cm 土壤水的利用率分別為28% 和48%；蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng)中蘋果果樹以0 - 20 cm 土壤水為主要來源，利用率為81%，黑麥草主要以0 - 20、40 - 100 cm 土壤水為來源，利用率分別為52%、46% (圖4)。

圖 3 不同時(shí)期蘋果木質(zhì)部水、白三葉莖部水、黑麥草莖部水、果園土壤水δD 值比較Figure 3 Comparison of δD values of apple xylem water, white clover stem water, ryegrass stem water,and orchard soil moisture during different periods

圖 4 不同果-草復(fù)合系統(tǒng)水分利用來源比例Figure 4 Proportion of water use sources in different apple trees-grass intercropping systems

蘋果膨大期(8 月)，單作蘋果果樹以40 - 100 cm土壤水為主要來源，其利用率為91%，蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng)和蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng)中蘋果果樹均以20 - 40、40 - 100 cm 土壤水為主要來源，利用率分別為40%、52%和44%、47%；白三葉主要以0 - 20 cm土壤水為來源，利用率為80%；黑麥草主要以0 - 20 cm土壤水分為來源，利用率為98% (圖4)。

蘋果果實(shí)成熟期(10 月)，蘋果果樹對水分的需求量減小。單作蘋果果樹吸收土壤水的主要來源為40 - 100 cm 土壤水，利用率為70%；蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng)中蘋果果樹0 - 20 cm 土壤水的利用率為14%，20 - 40 cm 土壤水的利用率為32%，40 cm 以下土壤水的利用率為54%；蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng)中蘋果果樹0 - 20 cm 土壤水的利用率為9%，20 - 40 cm土壤水的利用率為30%，40 - 100 cm 土壤水的利用率為61%；白三葉和黑麥草均主要以0 - 20 cm 土壤水為來源，利用率分別為71%和89% (圖4)。

3 討論

氘盈余(d-excess) 是氘過量的一個(gè)參數(shù)，早在1964 年Dansgaard[27]在研究大氣降水穩(wěn)定同位素時(shí)就引用了“氘盈余”這一概念，用來評價(jià)某一地區(qū)降水因環(huán)境氣候的改變而產(chǎn)生偏離全球大氣降水線程度的指標(biāo)值，定義為 d=δ2H-8δ18O。d 值的增加表示蒸發(fā)相中出現(xiàn)了同位素18O 相對于2H 的貧化，試驗(yàn)期間試驗(yàn)區(qū)內(nèi)降水量表現(xiàn)為7 月 ＞ 8 月 ＞ 5 月 ＞10 月，5 月、10 月降水量小，次數(shù)少，空氣濕度低，氣候干燥，冰雪融水增多，導(dǎo)致氘盈余d 值較大，分別為13.4‰和6.1‰；而隨著雨季來臨，降水逐漸增加，空氣濕度變大且不易蒸發(fā)，所以7 月、8 月氘盈余d 值變小，分別降至3.3‰和4.4‰。研究區(qū)d 值平均值低于全球平均值(10‰)，說明局地蒸發(fā)水汽在降水中起到了重要的作用。

3.1 不同果-草復(fù)合系統(tǒng)對保持果園土壤含水量的作用

土壤含水量由大氣降水、土壤的質(zhì)地、地下水位的變化共同決定[28]。隨著采樣時(shí)段與季節(jié)的差異，不同土壤深度的含水量也會(huì)產(chǎn)生差異。在7 月降水以優(yōu)勢流形式[29]快速入滲，所以土壤含水量均高于其他月份且隨土壤深度的加深變化不明顯。5 月、8 月、10 月試驗(yàn)期間，行間白三葉的種植有效提高了土壤的持水性，減少了地表蒸發(fā)，改善了土壤質(zhì)地，故0 - 50 cm 土壤含水量表現(xiàn)為蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng) ＞ 蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng)。如曹銓等[30]研究表明果園種植豆科牧草白三葉比禾本科牧草顯著提高了土壤的貯水量，顯著降低了果園的蒸散耗水量。50 - 100 cm 土壤含水量表現(xiàn)為蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng) ＞ 蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng)。這可能是因?yàn)楹邴湶莞瞪L對表層土壤質(zhì)地產(chǎn)生了影響，提高了土壤有效孔隙度，促進(jìn)了水分下滲，且黑麥草對深層土壤水分的調(diào)蓄作用顯著高于白三葉，從而促進(jìn)了地上水向下移動(dòng)，增加了50 - 100 cm 土壤水分含量。如趙政陽和李會(huì)科[23]的研究表明黑麥草比白三葉對土壤水分的調(diào)蓄作用顯著，且行間種植黑麥草比白三葉更能改善較深土層水分。試驗(yàn)期間，由于單作蘋果表層土壤無覆蓋物遮蔽，土壤水分易蒸發(fā)，導(dǎo)致其含水量最低。

3.2 不同果-草復(fù)合系統(tǒng)中果樹吸收土壤水深度的特征

植物根系吸收水分的過程中同位素不發(fā)生分餾，只要穩(wěn)定性同位素的組成差異顯著，通過植物水δD 值和土壤水源δD 值的對比，就可以確定植物對水分的利用情況[31]。本研究將土壤水和蘋果木質(zhì)部水以及白三葉、黑麥草莖部水的δD 值進(jìn)行對比，利用直觀相關(guān)的方法，確定植物主要吸收土壤水的層位。結(jié)果表明，在5 月蘋果坐果期，白三葉、黑麥草水分利用主要來源于淺層水；單作蘋果吸收水分主要來源于中層、深層土壤水。這可能是因?yàn)榉N植白三葉可提升蘋果樹根系活力，促進(jìn)根系的向下生長，而黑麥草對果樹根系活力有抑制作用，不利于進(jìn)根系的生長。李發(fā)林[32]研究表明，圓葉決明(Chamaecrista rotundifolia)、 平 托 花 生(Arachis duranensis)等豆科植物對果樹根系活力無顯著影響，百喜草(Paspalum notatum)及寬葉雀稗(Paspalum wettsteinii)等禾本科果園生草覆蓋措施下蜜柚(Honey pomelo)果樹根系活力受到抑制。7 月，單作蘋果吸收利用水分主要來源于淺層和深層土壤水；蘋果-白三葉復(fù)合系統(tǒng)中蘋果木質(zhì)部利用土壤水層位和單作蘋果相同，但與5 月相比蘋果木質(zhì)部利用土壤水層位得到提高，這可能是因?yàn)? 月降水較多，果樹淺層側(cè)根生長提高了果樹對淺層土壤水份的吸收。白三葉利用土壤水層位與果樹相近，但不重合，蘋果-黑麥草復(fù)合系統(tǒng)中蘋果、黑麥草主要水分來源于淺層和深層土壤，土壤水分利用層位重合率高，可能是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，果草根系逐漸向下層土壤擴(kuò)展，對深層土壤水分的影響作用增強(qiáng)，與蘋果存在一定的水分競爭，對果樹生產(chǎn)、果實(shí)品質(zhì)具有負(fù)面影響。8 月，與單作蘋果相比，種植白三葉后，蘋果木質(zhì)部水分主要來源土壤層位下降，對淺層土壤水分吸收減少，主要利用深層土壤水，有利于提高果樹的抗旱能力。10 月的結(jié)果表明果草與果樹水分利用來源土壤層位不重疊，說明白三葉在蘋果成熟期不與果樹競爭水分，但白三葉與黑麥草相比明顯增加了蘋果根系的吸水深度，說明白三葉與黑麥草有助于果樹利用深層土壤水，減小干旱、降水量少對果樹的影響。這可能是因?yàn)榘兹~根系生長增加了土壤有效孔隙度，促進(jìn)了降水的入滲[7]，使果樹根系下扎，充分利用深層位土壤水。

3.3 不同果-草復(fù)合系統(tǒng)對果樹水分利用來源及來源比例的影響

洛川塬地區(qū)地下水埋較深，是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，大氣降水是該地區(qū)果樹與果草主要利用的水資源，因此不同時(shí)期的降水差異，造成果樹與果草對土壤水分利用的差異較大[4]。果樹行間種植牧草在發(fā)達(dá)國家果樹生產(chǎn)中被普遍推行，與清耕相比，果樹行間種植牧草具有改善土壤物理性質(zhì)、增加土壤有機(jī)質(zhì)、調(diào)節(jié)和改善果園生態(tài)小氣候等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，這也造成部分果草與果樹存在水分競爭[33]。本研究中，在5 月，種植白三葉顯著增加了果樹對40 cm 以下土壤水的利用率，增幅為27%，而黑麥草處理效果明顯低于白三葉，增幅為9%。這可能是因?yàn)槎杭竟?jié)植物主要通過根吸收深層土壤水或地下水[34]。7 月，蘋果膨大期是果樹對水分需求量最大的時(shí)期，研究區(qū)降水量最大，良好的水分條件是保障蘋果產(chǎn)量及質(zhì)量的基本前提[34]。種植白三葉提高了果樹對40 cm 以下土壤水的利用，而種植黑麥草提高了果樹對0 - 20 cm 土壤水的利用，可能是因?yàn)槭⒒ㄆ诎兹~根系大量生長，密集的根系使土層孔隙度增加，有利于降水的入滲，以供給果樹根系集中的土壤區(qū)域，具有良好的提熵作用，有利于果樹根系的發(fā)育以及對深層土壤水分的利用。而在黑麥草果園表層土壤水分有一定的調(diào)蓄作用，且黑麥草可以提高表層土壤吸持水量，有利于果樹側(cè)根生長，提高對0 - 20 cm 土壤水的吸收利用。沈鵬飛[7]研究表明，果園生草有利于減緩?fù)寥浪值恼舭l(fā)，促進(jìn)土壤有效孔隙度的增加，使深層土壤水向上運(yùn)動(dòng)，以供果樹利用的同時(shí)也促進(jìn)果樹根系的發(fā)育；李會(huì)科等[21]研究表明，黑麥草可以有效提高土壤吸持水量且效應(yīng)強(qiáng)于白三葉；王小龍等[35]研究表明，果園行間種植黑麥草可以提高葡萄(Vitis vinifera)淺層根系的總根量，而種植白三葉則增加了葡萄根系長度，促進(jìn)了根系向土壤深層生長。在8 月、10 月，果園行間種植白三葉、黑麥草均增加了果樹對20 - 40 cm土壤水的利用率，但黑麥草與果樹在40 cm 以下存在土壤水競爭的現(xiàn)象。這可能是因?yàn)樵摃r(shí)期降水量下降，地表蒸發(fā)增大，降低了果樹表層根系的活性，而白三葉的種植降低了表層土壤水分蒸發(fā)，促進(jìn)了20 - 40 cm 處果樹側(cè)根的生長，從而提高了該層位土壤水的利用率。李萍[36]的研究表明白三葉根系本體對蘋果根系活力和根系體積具有促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

1)不同果-草復(fù)合系統(tǒng)中，5 月、8 月、10 月試驗(yàn)期間，白三葉處理的0 - 50 cm 土壤含水量高于黑麥草處理，50 - 100 cm 土壤含水量則表現(xiàn)為黑麥草處理高于白三葉處理。在7 月不同處理的土壤含水量均高于其他月份，行間種植黑麥草處理較白三葉處理提高了土壤水分含量。

2) 5 月、8 月、10 月，白三葉、黑麥草水分來源于10 - 20 cm 土層，與果樹吸收利用水分來源土壤層位不重疊，空間配置良好，故不存在水分競爭，同時(shí)白三葉促進(jìn)了果樹根系吸收層位的下降，為其與果樹充分利用不同層位土壤水及養(yǎng)分奠定了基礎(chǔ)。在7 月，白三葉處理的蘋果木質(zhì)部利用土壤水層位得到了提高，白三葉、黑麥草與果樹的生態(tài)位重疊較多，存在水分競爭，但白三葉較黑麥草與果樹的競爭效應(yīng)較小。

3) 5 月降水少，白三葉、黑麥草均提高了果樹對40 cm 以下土壤水的利用率。7 月降水量增大，白三葉提高了果樹對40 cm 以下土壤水的利用，黑麥草提高了果樹對0 - 20 cm 土壤水的利用。8 月、10 月降水再次減少，白三葉、黑麥草均提高了果樹對0 -40 cm 土壤水的利用率。

4)在洛川塬地區(qū)，隨著季節(jié)降水量的變化，行間種植白三葉和黑麥草均能夠調(diào)節(jié)果樹水分利用層位以及各土壤層位的水分利用率，使果樹最大程度吸收水分。并且，白三葉的調(diào)節(jié)效果大于黑麥草。因此，根據(jù)不同時(shí)期白三葉、黑麥草對不同土壤層位水分利用的情況，建議在洛川塬蘋果產(chǎn)區(qū)選擇白三葉作為蘋果園生草品種，優(yōu)化生草模式，推遲白三葉的種植時(shí)間，避免在7 月、8 月與果樹競爭水分。