不同覆蓋物對夏黑葡萄關(guān)鍵生育期土壤溫度和土壤水勢的影響

楊 湘，蘇學(xué)德，李鵬程，郭紹杰，李 銘

（1新疆農(nóng)墾科學(xué)院林園研究所，新疆石河子 832000;2庫爾勒香梨種質(zhì)創(chuàng)新與提質(zhì)增效兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832000）

0 引言

行間管理是現(xiàn)代果園管理的重要組成部分，是應(yīng)用農(nóng)業(yè)、生態(tài)和管理的綜合生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)，其中行間覆蓋是減少除草的人工投入和除草劑的必要手段，符合當(dāng)前生態(tài)和省力化的發(fā)展趨勢[1]，研究發(fā)現(xiàn)行間覆蓋管理亦是實(shí)現(xiàn)果樹優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要保障：使用堆肥覆蓋物進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)覆蓋增加低產(chǎn)區(qū)和高覆蓋率條件下的產(chǎn)量，其產(chǎn)量提高歸因于覆蓋對土壤水分和土壤溫度條件的改善[2]；葡萄園覆蓋栽培提高葡萄漿果和葡萄酒的總酚類，從而顯著提高葡萄酒品質(zhì)[3]。另外，張曉霞等[4]研究河西走廊地區(qū)溫室葡萄覆蓋方式發(fā)現(xiàn)，不同覆蓋方式可增加土壤含水量、調(diào)節(jié)土壤溫度和增加葡萄產(chǎn)量，黑膜+秸稈節(jié)水增產(chǎn)效果最顯著。張毅等[5]發(fā)現(xiàn)溫室覆沙栽培可以促進(jìn)紅地球葡萄產(chǎn)量提升并減少病蟲害的發(fā)生。羅玲等[6]的研究表明，地表覆蓋秸稈、地布、透明地膜和反光膜均可促進(jìn)土壤養(yǎng)分釋放，提高微生物對土壤有機(jī)碳的利用率。黃尚書等[7]發(fā)現(xiàn)稻草覆蓋和稻草覆蓋與香根草籬結(jié)合可顯著提高雨季土壤酶活性。還有研究發(fā)現(xiàn)樹皮覆蓋是減少N2O排放的一種策略[8]。

行間覆蓋技術(shù)中，土壤溫度和土壤水分是兩大重要土壤肥力因素。土壤溫度直接影響著作物的生長發(fā)育。土壤中的一切生命活動(dòng)和化學(xué)過程都伴隨著熱量的吸收和釋放，土壤熱量主要來自太陽輻射，土壤溫度隨太陽輻射情況的變化呈晝夜和季節(jié)變化；土溫日變化的大小主要取決于輻射水平的日變化和土壤的熱物理性質(zhì)，并受地面和大氣間熱量交換的調(diào)節(jié)[9]。土壤水分是植物生長必需的，一般來說植物制造一份干物質(zhì)需要消耗300～500 份水份[10]；植物吸收養(yǎng)分需要水分作為媒介；土壤水分還影響著土壤通氣性、土壤溫度，以及土壤微生物的活動(dòng)。所以，土壤水分是土壤肥力因素中最活躍的因素，能影響和制約其它肥力因素[9]。新疆地區(qū)夏季白天溫度高，蒸發(fā)量大于降雨量，行間地表覆蓋可以保護(hù)土壤溫度、調(diào)節(jié)土壤溫度、減少土壤水分的無效蒸發(fā)，提高水分利用率；是保持土壤含水量、解決果園高溫干旱行之有效的技術(shù)措施[11]。但目前新疆地區(qū)果園管理中仍以清耕為主，少部分果園行間應(yīng)用黑色地膜、園藝地布和黑棉氈等覆蓋防草。本試驗(yàn)在防草覆蓋材料的基礎(chǔ)上，研究不同覆蓋物對夏黑葡萄土壤溫度和土壤水勢變化，分析不同生育期土壤溫度和土壤水勢變化，不同生育期內(nèi)土壤溫度和土壤水勢日變化、不同生育期不同時(shí)間點(diǎn)土壤溫度和土壤水勢，以期為新疆地區(qū)行間覆蓋材料的選擇和行間管理提供一定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017 年在新疆農(nóng)墾科學(xué)院葡萄試驗(yàn)基地(44.27°N，85.94°E)進(jìn)行。試驗(yàn)地海拔443 m，夏季氣候干旱，屬典型的溫帶大陸性氣候，溫差較大，光熱資源充足，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均降水量為200 mm，平均蒸發(fā)量為1600 mm。試驗(yàn)田土壤質(zhì)地為沙壤土，土壤容重1.417 g/cm3，田間持水量為25.35%。本試驗(yàn)以4年生夏黑葡萄園為試驗(yàn)對象，株行距為2×3.5 m，栽培方式為傾斜主干水平龍干樹形和水平連棚架，東西行向，呈魚刺狀向南北方向分列新梢。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，2017年4月份分別將地布（T1處理）、黑棉氈（T2處理）、黑地膜（T3處理）等覆蓋材料，沿行向鋪設(shè)于行間地面，覆蓋物寬度為3 m，以不覆蓋（不覆蓋任何材料且及時(shí)除草）作為對照（CK 處理）。本試驗(yàn)各處理灌水條件相同，其年灌水制度見表1，采用地下滴灌灌水。于2017 年5 月初至9 月初左右，測定距地面40 cm深處土壤溫度和土壤水勢，重復(fù)3次。

表1 夏黑葡萄生育期時(shí)間及灌水量

1.3 測定內(nèi)容

在葡萄植株行上2 個(gè)植株中間土壤垂直方向上40 cm 土壤深處埋設(shè)MicroLite-U 盤型溫度記錄儀和EQ15 土壤水勢儀，分別記錄土壤溫度和土壤水勢，溫度記錄時(shí)間間隔為2 h，土壤水勢數(shù)據(jù)采集采用DL2e數(shù)據(jù)采集器，每1 min 測定一次，每隔0.5 h 記錄一次。使用U盤溫度計(jì)記錄氣溫變化，記錄時(shí)間間隔為2 h。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用SPSS 19進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Duncan 法進(jìn)行方差分析，用SigmaPlot 12.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋物對夏黑葡萄不同生育期土壤溫度的影響

各處理土壤溫度隨生育期變化呈先上升后下降趨勢，不同處理開花期土壤溫度最低，T1、T2、T3和CK處理平均溫度分別為23.97、24.44、27.19、24.08℃，T3處理比CK處理高12.92%，顯著高于CK處理，T1和T2處理分別比CK處理低0.46%和1.52%，無顯著差異；果實(shí)快速膨大期土壤溫度達(dá)到最高，平均最高土壤溫度分別達(dá)到29.12、30.53、32.71、29.62℃，其中T1處理比CK處理低1.69%，T2 和T3 處理分別比CK 處理高3.07%和10.43%；果實(shí)著色期土壤溫度次之。除成熟期（覆蓋黑地膜溫度較高，其他3 個(gè)處理平均土壤溫度基本一致外，各生育期不同覆蓋物平均土壤溫度高低均為T3＞T2＞CK＞T1，與CK處理相比，T2和T3處理顯著提高土壤溫度，T1處理顯著降低土壤溫度(P＜0.01)（圖1）。

圖1 不同生育期土壤溫度變化

不同覆蓋處理各生育期土壤溫度均在14:00 時(shí)土壤溫度最低，凌晨0:00—2:00點(diǎn)時(shí)處于最高點(diǎn)，開花期T1、T2 和T3 處理14 點(diǎn)時(shí)土壤溫度分別比CK 處理高0.55、0.87、3.25℃，提升開花期最低土壤溫度，有利于開花。果實(shí)快速膨大期和著色期凌晨2點(diǎn)時(shí)土壤溫度較高，T1 處理溫度分別在29.73℃和29.20℃，分別比CK 處理土壤溫度低0.83℃和1.11℃，T2、T3 處理分別比CK 處理高0.71、0.01℃和3.18、2.40℃，T1 處理降低果實(shí)膨大期和著色期最高土壤溫度，使土壤溫度更趨近葡萄根系適宜生長的溫度，促進(jìn)根系正常活動(dòng)，有利于果實(shí)膨大和著色。土壤溫度日變化均呈顯著的先下降后上升幅度變化，T1、T2、T3和CK處理開花期土壤溫度平均日變化幅度分別在0.95、1.21、1.96、2.23℃，幼果膨大期日變化幅度分別在1.08、1.42、2.26、2.36℃，快速膨大期分別在1.25、1.56、2.20、2.26℃，著色期分別在1.18、1.36、2.18、2.32℃，成熟期分別在1.03、1.06、2.01、2.22℃，各生育期T1處理土壤溫度日變化幅度最小，其次是T2 處理，CK 處理和T3 處理日變化幅度較高，即T1和T2處理可以使土壤溫度保持相對穩(wěn)定（圖2）。

圖2 不同生育期土壤溫度日變化

表明與不覆蓋相比，不同覆蓋處理均能提高土壤日均最低溫，覆蓋黑地膜和黑棉氈提高日均土壤最高溫，覆蓋地布則降低土壤日均最高溫；覆蓋地布和黑棉氈，能顯著降低各生育期土壤溫度的日變化幅度，其中覆蓋地布效果更顯著，使土壤溫度更接近葡萄根系適宜生長的溫度環(huán)境[12]。

2.2 不同覆蓋物對夏黑葡萄不同生育期土壤水勢的影響

在相同灌水條件下，不同覆蓋物土壤水勢變化不同。T1 處理土壤水勢近0 kPa，成熟期土壤水勢顯著低于其他生育期，平均土壤水勢為-0.28 kPa，各生育期土壤水勢均處在奢侈水勢范圍[13]；T3處理土壤水勢隨生育期呈先上升后下降趨勢，果實(shí)快速膨大期時(shí)土壤水勢最高，平均土壤水勢為-18.06 kPa，成熟期土壤水勢最低，為-32.48 kPa；T2處理土壤水勢在-195.41～-42.72 kPa之間，CK 處理土壤水勢在-341.42～-137.32 kPa，T2 和CK處理土壤水勢隨生育期呈顯著下降趨勢。各覆蓋處理平均土壤水勢高低為地布＞黑地膜＞黑棉氈，分別比CK 處理高99.97%、62.61%和95.38%，顯著高于CK處理（圖3）。覆蓋地布、黑棉氈和黑地膜均顯著提高土壤水勢，其中覆蓋地布使土壤水勢接近飽和水勢，土壤水勢在奢侈水勢范圍，表明覆蓋地布降低了土壤水分的無效蒸騰，在干旱區(qū)可以達(dá)到節(jié)水效果。

圖3 不同生育期土壤水勢變化

T1 處理土壤水勢在著色期10:00—16:00 點(diǎn)、成熟期6:00—20:00 點(diǎn)低于0 kPa，14:00 時(shí)土壤水勢最低，土壤水勢均大于-1 kPa，其他時(shí)間土壤水勢呈飽和狀態(tài)。T2 和CK 處理土壤水勢隨生育期顯著下降(P＜0.01)，T2 和CK 處理成熟期平均日最高土壤水勢分別比開花期降低了151.43 kPa和209.23 kPa，日最低土壤水勢分別比開花期降低了155.30 kPa和203.78 kPa，T3處理各生育期平均土壤水勢高低為快速膨大期＞著色期＞幼果膨大期＞開花期＞成熟期，成熟期平均日最高土壤水勢比快速膨大期降低了12.35 kPa。T2、T3和CK 處理不同生育期22:00—2:00 點(diǎn)土壤水勢最高，10:00—14:00 點(diǎn)土壤水勢最低，呈先下降后上升幅度變化，變化幅度不顯著，開花期土壤水勢日變化幅度分別在2.82、0.24、18.08 kPa，幼果膨大期分別在1.69、0.27、14.16 kPa，快速膨大期分別在5.11、0.37、15.3 kPa，著色期分別在11.08、0.51、16.16 kPa，成熟期分別在6.68、1.09、12.63 kPa，CK處理日變化幅度最大，顯著大于覆蓋處理，T1 和T3 處理土壤水勢日變化幅度最?。▓D4）。

圖4 不同生育期土壤水勢日變化

在相同灌水條件下，與不覆蓋相比，覆蓋地布、黑棉氈和黑地膜均顯著提高土壤水勢，其中覆蓋地布使土壤水勢接近飽和水勢，土壤水勢在奢侈水勢范圍，覆蓋黑地膜土壤水勢隨生育期變化和日變化幅度均小于覆蓋黑棉氈和對照處理，表明覆蓋地布和黑地膜減小了土壤水勢的變化幅度，降低了土壤水分的無效蒸騰，減少水分散失，保持根系周圍土壤墑情，在干旱區(qū)可以達(dá)到節(jié)水效果。

2.3 不同覆蓋物下土壤溫度和土壤水勢的相關(guān)關(guān)系

各處理土壤溫度與土壤水勢呈極顯著相關(guān)性(P＜0.01)，其中T1和T2處理相關(guān)系數(shù)|r|＜0.2，表明覆蓋地布和黑棉氈時(shí)，土壤溫度和土壤水勢相關(guān)性極弱；T3處理和CK 處理相關(guān)系數(shù)0.2＜|r|＜0.4，表明覆蓋地膜和不覆蓋時(shí)，土壤溫度與土壤水勢呈弱相關(guān)。已知土壤中水熱運(yùn)動(dòng)是相互影響的，土壤水分運(yùn)動(dòng)影響土壤熱容量及導(dǎo)熱率，從而影響土壤溫度；同時(shí)土壤溫度的變化也影響水分運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)土壤溫度與土壤水勢呈弱相關(guān)性的原因可能是土壤溫度對土壤水分的影響主要是水汽擴(kuò)散，其遠(yuǎn)大于溫度對土壤水勢的影響。

3 結(jié)論

表2 不同覆蓋物處理土壤溫度與土壤水勢相關(guān)性分析

本試驗(yàn)通過研究不同覆蓋物對夏黑葡萄開花期—成熟期內(nèi)土壤溫度和土壤水勢的影響，發(fā)現(xiàn)與不覆蓋相比，不同覆蓋物可以降低各生育期土壤溫度的日變化幅度，提高開花期土壤最低溫度，覆蓋黑地膜和黑棉氈提高果實(shí)迅速膨大期和著色期土壤最高溫度，覆蓋地布則降低土壤最高溫度，使土壤溫度更接近葡萄根系適宜生長的溫度環(huán)境；在相同灌水條件下，不同覆蓋材料均可降低土壤水勢日變化幅度，提高最高和最低土壤水勢，保持根系周圍土壤墑情，有利于根系對水分的吸收；減少土壤水分散失，有利于節(jié)水，其中覆蓋地布和黑地膜效果更顯著。綜合比較各種覆蓋材料對土壤溫度和土壤水勢的影響效果，地布處理效果最好。

4 討論

地表覆蓋作為旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的抗旱增產(chǎn)技術(shù)，不僅可以降低土壤水分蒸發(fā)，防止土壤被風(fēng)水侵蝕，緩沖土壤溫度變化，有利于改善土壤結(jié)構(gòu)。還具有提高土壤酶活性，增加土壤有益生物等特點(diǎn)[14]。

土壤溫度與葡萄根系植株的生長發(fā)育以及土壤微生物關(guān)系密切，葡萄的正常生長發(fā)育需要適宜的土壤溫度環(huán)境，當(dāng)高于或低于這一閾值時(shí)其生長發(fā)育就會(huì)受到影響，因此有效調(diào)節(jié)土壤溫度對現(xiàn)代葡萄生產(chǎn)有重要意義[15]。地表覆蓋使得土壤熱量平衡過程發(fā)生了變化，不同覆蓋對土壤溫度有截然不同的效應(yīng)，覆蓋對土壤溫度的影響主要由覆蓋材料的質(zhì)地、顏色、覆蓋量和熱力學(xué)特性以及氣候條件所決定[11]。本試驗(yàn)通過研究發(fā)現(xiàn)，與對照進(jìn)行比較，覆蓋處理可以降低各生育期土壤溫度變化幅度，使土壤溫度日變化相對穩(wěn)定，T1處理土壤溫度日變化幅度最?。桓采w處理可以提升各生育期土壤最低溫，開花期土壤溫度最低，覆蓋地布、黑棉氈和黑地膜處理分別提升日均土壤最低溫0.55、0.87、3.25℃，提高開花期日均最低土壤溫度，有利于開花；果實(shí)膨大期和著色期土壤溫度最高，覆蓋黑棉氈和黑地膜均提高日均土壤溫度，覆蓋地布可以降低果實(shí)膨大期和著色期日均最高土壤溫度，降低了0.83℃和1.11℃，可以使土壤溫度更趨近于葡萄根系適宜生長的溫度范圍，促進(jìn)根系正常活動(dòng)，有利于果實(shí)膨大和著色。

土壤水分含量是影響作物產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)形成的重要因素，它在很大程度上決定了植物能否有充足的水分可以利用[16]，因此有人認(rèn)為水分是決定漿果質(zhì)量的最重要因素[17]。土壤水勢在能量水平上表達(dá)土壤水分，可以評價(jià)土壤水分的遷移方向[18]。土壤水勢與土壤水分和土壤質(zhì)地有關(guān)，是土壤水所具有的勢能[16]，以土壤水勢為指標(biāo)控制灌溉，可以不考慮作物土壤類型、本身遺傳特性、蒸騰量和降雨量等的影響，直接反映土壤水分與植株生長之間的關(guān)系[19-20]，利用土壤水勢確定灌溉制度，考慮因素較少，能更精準(zhǔn)的反應(yīng)土壤水分信息[21]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤水勢高于或低于水勢閾值范圍時(shí)，會(huì)影響果樹生理變化，積累到一定程度時(shí)表現(xiàn)為形態(tài)變化，從而影響植物生產(chǎn)[22]。覆蓋能夠保護(hù)和疏松表土層，減少地表徑流，增加土壤表層含水量，并使之維持在較高的水平，是果園節(jié)約用水，提高蓄水保墑能力的一條重要途徑[23]，不同覆蓋材料對表層土壤水分的保持能力具有很大差異。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在相同灌溉條件下，覆蓋地布處理土壤水勢在-1～0 kPa之間，土壤水勢屬于奢侈土壤水勢范圍，覆蓋黑棉氈和黑色地膜，土壤水勢在適宜水勢范圍，對照處理土壤水勢在亞健康水勢-適宜水勢范圍，不同覆蓋物均可以提高土壤水勢，降低土壤水分的無效蒸騰，達(dá)到干旱區(qū)節(jié)水目的，其中覆蓋地布處理效果最顯著，其次是覆蓋黑地膜處理；另外，覆蓋處理減小各生育期土壤日變化幅度，覆蓋地布和黑地膜處理效果較明顯，這可能是因?yàn)楣麍@地面覆蓋使地面呈半封閉狀態(tài)，能減少土壤中的水分進(jìn)入到空氣中，降低土壤地表水分蒸發(fā)量，增加水分在土壤中的橫向傳輸[24]。

本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度呈先下降后上升趨勢，不同處理在各生育期土壤溫度在14:00時(shí)最低，0:00—2:00時(shí)最高，這可能是因?yàn)樘柟獾牟ㄩL較短，可透過覆蓋物照射到地面，地面吸收太陽光后地溫升高，熱量由土壤表面慢慢地向深處傳遞，使下層地溫也慢慢升高[9,15]，隨土壤深度的增加溫度達(dá)到最大值的時(shí)間滯后性越來越大[14]，土壤溫度最高值出現(xiàn)的時(shí)間并不在土壤吸收熱量最多而在積累熱量最多的時(shí)候，土壤溫度最低值出現(xiàn)的時(shí)間出現(xiàn)在熱量損失最多的時(shí)間[25]。

土壤中水熱運(yùn)動(dòng)是相互影響的，土壤水分運(yùn)動(dòng)影響土壤熱容量及導(dǎo)熱率，從而影響土壤溫度；同時(shí)土壤溫度的變化也影響水分運(yùn)動(dòng)[26]。Hopmans[27]等、張一平等[28]、康紹忠等[29]認(rèn)為溫度升高，土壤水吸力降低，土水勢增加，土壤水分能量提高，與之相似，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各處理在10:00—16:00 之間出現(xiàn)最低土壤水勢，22:00—2:00之間出現(xiàn)最高土壤水勢，與土壤溫度出現(xiàn)最低值和最高值的時(shí)間相呼應(yīng)；同時(shí)，本試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，各處理土壤溫度和土壤水勢呈弱相關(guān)性，這可能是因?yàn)闇囟葘λ\(yùn)動(dòng)，特別是水汽擴(kuò)散的影響要遠(yuǎn)大于溫度對土壤水勢的影響[26,30]。