陜北山地蘋果園土壤飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率特征

魏瑤瑤,鄭 恩,高銘雨,劉 敏,王 俊,張永旺,2

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,陜西延安 716000;2.陜西省紅棗重點實驗室(延安大學(xué)),陜西延安 716000)

土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)表示土壤孔隙度與透水能力的比值[1-2]。它是土壤質(zhì)地、體積質(zhì)量、孔隙分布特征的綜合反映,也是重要的土壤水力學(xué)參數(shù),影響降水入滲以及包氣帶土壤水分的運動過程,明確不同地區(qū)Ks分布特征及其影響因素是揭示區(qū)域土壤水分、溶質(zhì)運移規(guī)律和建立相關(guān)水文模型的前提[3-5],對干旱地區(qū)土壤水資源儲存與利用具有重要意義[6]?？滴娜氐萚7]研究發(fā)現(xiàn)荒漠綠洲過渡帶Ks空間變異特征受體積質(zhì)量、土壤水分、土壤質(zhì)地共同影響,屬于強變異特征。屠丹等[8]研究發(fā)現(xiàn)添加小粒徑生物質(zhì)碳,土壤的飽和導(dǎo)水率減小,添加大粒徑生物質(zhì)碳,飽和導(dǎo)水率增大,且隨著碳含量的增加,土壤的飽和導(dǎo)水率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。殷李高[9]發(fā)現(xiàn)沼液入滲過程中影響土壤飽和導(dǎo)水率的主要因子是體積質(zhì)量、有機質(zhì)和黏粒含量。Hao等[10]發(fā)現(xiàn)植被類型是影響亞熱帶森林土壤水力特性的關(guān)鍵因素,植被類型對Ks的影響取決于土壤深度。現(xiàn)階段關(guān)于土壤飽和導(dǎo)水率的研究多集中在其主要影響因子土壤體積質(zhì)量、有機質(zhì)、黏粒含量、碳含量以及土壤深度等方面,缺乏對蘋果園不同生育期土壤飽和導(dǎo)水率的研究,因此研究陜北地區(qū)蘋果園的土壤飽和導(dǎo)水率特征可以明確該地區(qū)土壤水分運移規(guī)律,為該區(qū)緩解水分供需矛盾提供理論參考。

植物導(dǎo)水率(Kp)是表征樹木運輸傳導(dǎo)水分能力大小的重要參數(shù),是處理后枝條的水流量與該段枝條引起水流動的壓力梯度的比值,水流量與導(dǎo)水率成正比[11]。木熱巴克等[12]研究發(fā)現(xiàn)抗旱能力強的檉柳種類的側(cè)枝導(dǎo)水能力也高,抗旱性較弱種類的檉柳導(dǎo)水率較低。秦潔等[13]研究發(fā)現(xiàn)不同植物不同組織器官植物導(dǎo)水率存在顯著差異,并且植物各部位水勢與導(dǎo)水率具有不同程度的正相關(guān)作用。這些研究多集中于不同植物類型在根、莖、葉的導(dǎo)水率關(guān)系方面,對于植物不同生育期側(cè)枝導(dǎo)水率變化研究鮮見報道,因此研究其變化規(guī)律對山地蘋果園合理灌溉具有重要意義。

陜北黃土高原是中國最大的優(yōu)質(zhì)蘋果適生區(qū)。山地蘋果是促進(jìn)該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、提升農(nóng)民收益的支柱產(chǎn)業(yè)和富民產(chǎn)業(yè)[14]。黃土高原地處東南濕潤季風(fēng)氣候向西北內(nèi)陸干旱氣候過渡地帶,多年平均降雨量200～650mm,降水量偏少,同時分配很不均勻,降水偏少加之分布不均加劇了水資源供需矛盾[15]。有研究發(fā)現(xiàn),黃土高原地區(qū)旱作果園深層土壤水分過耗以及土壤干燥化現(xiàn)象逐漸加劇,黃土高原蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到土壤水分嚴(yán)重虧缺的威脅[16-18]。目前,在黃土高原,關(guān)于蘋果園土壤水分規(guī)律,眾多學(xué)者已經(jīng)在水分動態(tài)生產(chǎn)力模擬、果樹生育期需水規(guī)律、土壤水分空間變異特征等方面開展了大量工作[19-21]。但該區(qū)作為水資源嚴(yán)重匱乏的區(qū)域在探討山地果園不同生育期土壤Ks和Kp及其影響因素方面鮮有報道。因此,本試驗以陜北延安市安塞區(qū)南溝蘋果種植地為研究區(qū)域,分析果園不同生育期Ks和Kp變化特征及其影響因素,旨在揭示陜北山地果園水分分布及運移規(guī)律,為該區(qū)水土保持措施和水資源合理利用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于陜北黃土高原特色蘋果種植基地延安市安塞區(qū)高橋鎮(zhèn)南溝村,北緯36°30′～37°19′,東經(jīng)108°5′～109°26′,全區(qū)面積2 950 km2,平均海拔1 371.90 m,年均降雨501.70 mm,年均無霜期157 d左右,年平均氣溫9.4 ℃。為溫帶大陸性氣候,四季分明、雨熱同期、晝夜溫差大。年平均日照時數(shù)為2 395 h,年平均日照總輻射量為497.7～553.4 kJ/cm2。植被類型有沙棘(Hipophaerhamnoides)、刺槐(Robinipseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)、蘋果(Maluspumila)等人工種植的經(jīng)濟作物。

1.2 土壤樣品采集與測定

試驗果園位于安塞區(qū)南溝生態(tài)種植園,園區(qū)海拔1 100～1 400 m,蘋果園均位于梁峁處,蘋果種植面積達(dá)80 hm2,果園地形呈梯田狀結(jié)構(gòu),土壤為黃綿土,試驗果園為7 a生紅富士,栽植行距為2.5 m×3 m,試驗期為2021年4月-2021年10月,果園管理水平良好。在標(biāo)準(zhǔn)果園中心選擇3個采樣點,開挖0～100 cm土壤刨面,每20 cm一層共5層,各重復(fù)取樣3次,先用100 cm3環(huán)刀垂直取得原狀土樣45個,再用自封袋各采集擾動土樣約800 g。原狀土樣用來測定土壤體積質(zhì)量、含水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。擾動土樣風(fēng)干研磨過篩后用來測定pH、電導(dǎo)率、有機質(zhì)、顆粒組成,pH用PHS-3E pH計測量,電導(dǎo)率由DDSJ-308A電導(dǎo)率儀測定,有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定,土壤顆粒組成用MS-2000激光粒度分布儀測定。

1.3 土壤飽和導(dǎo)水率測定

土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)在蘋果不同生育期(開花期、幼果期、果實膨大期、著色期、成熟期)使用Decagon公司生產(chǎn)的雙水頭滲透計在上述3個采樣點進(jìn)行原位測量,每組3個重復(fù)。測量前首先準(zhǔn)備好實驗儀器,保證主機電量充足,攜帶足夠的水,同時攜帶橡膠錘;然后在采樣點盡量選擇相對平坦的測量點,將測量環(huán)砸入土壤中,隨后將測量環(huán)、滲透計頭、水袋與主機對應(yīng)連接,打開水閥;最后打開主機電源,根據(jù)土壤類型設(shè)置試驗參數(shù),開始試驗,試驗結(jié)束后可直接得出Ks值,試驗數(shù)據(jù)通過下載程序直接導(dǎo)出。

1.4 植物導(dǎo)水率測定

植物導(dǎo)水率(Kp)采用HPFM植物高壓導(dǎo)水率測量儀進(jìn)行測量。不同生育期時在采樣點附近選擇3株長勢良好的果樹,每株果樹剪取3個直徑、長度大致相同的完整側(cè)枝,迅速放進(jìn)有水的水桶中,并在保證上部枝葉不被損傷的情況下在水下切割側(cè)枝基部,防止氣泡進(jìn)入,然后在恒壓(400 kPa)狀態(tài)下測量其側(cè)枝導(dǎo)水率。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,用Origin 2018做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)描述統(tǒng)計特征

由表1可知,研究區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率的變化范圍為0.05～1.98 mm/min,平均值和中值分別為0.71、0.54 mm/min,說明該區(qū)Ks更偏向于中高值,土壤導(dǎo)水能力良好;植物導(dǎo)水率的變化范圍為1.4×10-5～18.9×10-5kg/(s·MPa),平均值和中值分別是6.74×10-5、6.44×10-5kg/(s·MPa),說明研究區(qū)部分Kp變化范圍較大,但總體還是偏向中值;pH變化范圍為8.28～8.69,中值和均值分別為8.5和8.49,說明該區(qū)土壤偏弱堿性,電導(dǎo)率變化范圍較大,均值為 92.9 μS/cm;土壤體積質(zhì)量變化范圍為1.26～ 1.75 g/cm3,均值為1.51 g/cm3,體積質(zhì)量較大,因此有機質(zhì)含量不高,均值為6.82 g/kg;飽和含水量變化范圍較大,為22.39%～44.76%,均值為32.36%,說明土壤水分空間差異較為明顯;毛管孔隙度與非毛管孔隙度均值分別為47.47%、 0.74%,土壤中砂粒、粉粒含量較高均值分別為58.09%和 36.77%,表明該區(qū)土壤為保水性良好的砂質(zhì)壤土。從變異系數(shù)角度分析,土壤理化性質(zhì)中pH、體積質(zhì)量、總孔度、毛管孔度、砂粒、黏粒、粉粒的變異系數(shù)分別是0.01、0.09、0.09、 0.09、0.06、 0.08、0.09,均屬于低變異,說明該區(qū)土壤理化性質(zhì)空間變異程度不明顯,對土壤結(jié)構(gòu)影響不顯著;土壤飽和導(dǎo)水率、電導(dǎo)率、有機質(zhì)、飽和含水量、非毛管孔隙度都屬于中度變異,其中土壤飽和導(dǎo)水率變異程度最大,為0.77,其次是植物導(dǎo)水率,變異系數(shù)僅次于Ks,為0.7,屬于中等變異強度。本研究中所有理化指標(biāo)均呈正態(tài) 分布。

表1 土壤理化指標(biāo)描述統(tǒng)計特征Table 1 Statistical characteristics of soil physicochemical indicators description

2.2 土壤飽和導(dǎo)水率及其影響因素分析

2.2.1 不同生育期土壤飽和導(dǎo)水率變化特征 由圖1可知,蘋果園不同生育期土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)呈波動式變化,其中成熟期土壤導(dǎo)水率最大,為0.86 mm/min;幼果期、著色期和開花期土壤導(dǎo)水率較大,分別為0.77、0.72、0.65 mm/min;果實膨大期土壤飽和導(dǎo)水率最小為 0.47 mm/min。不同生育期土壤導(dǎo)水率差異顯著(P<0.05),幼果期、著色期和成熟區(qū)的Ks值顯著大于果實膨大期,幼果期和成熟期的Ks值顯著大于開花期,說明不同生育期對土壤導(dǎo)水率的影響程度不同。

FP.開花期;IP.初果期;EP.膨大期;CP.著色期;MP.成熟期。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同

2.2.2 土壤飽和導(dǎo)水率影響因子分析 由表2可知,土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)與土壤體積質(zhì)量、飽和含水量、黏粒含量顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為 -0.709、0.778和-0.744,其中體積質(zhì)量、黏粒含量與Ks呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明體積質(zhì)量、黏粒含量對土壤飽和導(dǎo)水率有阻礙作用,飽和含水量對其有促進(jìn)作用;Ks還與土壤有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.853,表明土壤飽和導(dǎo)水率隨有機質(zhì)含量的提高而增大;孔隙度與土壤飽和導(dǎo)水率相關(guān)不顯著。

表2 土壤飽和導(dǎo)水率與理化性質(zhì)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between soil saturation conductivity and physicochemical properties

將土壤理化性質(zhì)與飽和導(dǎo)水率進(jìn)行多元逐步回歸分析,得出其回歸方程Ks=-5.157+ 0.421XSOM+0.071XSILT(R2=0.978),式中XSOM為土壤有機質(zhì),XSILT為粉粒含量。由通徑分析可知(表3),有機質(zhì)和粉粒是飽和導(dǎo)水率的主要影響因子,直接通徑系數(shù)分別為1.881和1.143,說明有機質(zhì)對飽和導(dǎo)水率的直接正影響很大,是影響飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子,有機質(zhì)的間接通徑系數(shù)為-1.028,小于其直接通徑系數(shù),說明有機質(zhì)可以通過改變粉粒含量來間接對飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生一定的負(fù)影響,但這種間接影響小于其直接影響。粉粒的間接通徑系數(shù)為-1.691,小于其直接通徑系數(shù),說明粉粒對土壤飽和導(dǎo)水率的直接正影響大于間接負(fù)影響,且粉?？梢酝ㄟ^改變有機質(zhì)含量對飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生一定的負(fù)影響,但這種負(fù)影響小于正影響。

表3 有機質(zhì)和粉粒含量與飽和導(dǎo)水率通徑系數(shù)Table 3 Diameter coefficient between organic matter,particle content and saturation conductivity

2.3 植物導(dǎo)水率及其影響因素分析

2.3.1 不同生育期植物導(dǎo)水率變化特征 蘋果樹不同生育期的植物導(dǎo)水率(Kp)變化如圖2所示,植物導(dǎo)水率呈波動性變化,變化范圍為 3.34×10-5～8.25×10-5kg/(s·MPa),不同生育期植物導(dǎo)水率趨勢表現(xiàn)為開花期>著色期>幼果期>成熟期>果實膨大期,其植物導(dǎo)水率分別為 8.25×10-5、6.12×10-5、4.25×10-5、3.38×10-5、3.34×10-5kg/(s·MPa)。由單因素方差分析可知不同生育期植物導(dǎo)水率之間具有不同程度的顯著差異(P<0.05)。

圖2 不同生育期植物導(dǎo)水率Fig.2 Plant water conductivity at different growth stages

2.3.2 植物導(dǎo)水率影響因子分析 將植物導(dǎo)水率(Kp)與土壤理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,可知植物導(dǎo)水率與土壤飽和導(dǎo)水率、體積質(zhì)量、總孔隙度、毛管孔隙度、飽和含水量、有機質(zhì)、黏粒、粉粒、砂粒的相關(guān)系數(shù)分別為0.775、-0.923、 -0.539、-0.518、0.934、0.942、-0.886、 -0.874、 0.884,其中植物導(dǎo)水率與土壤飽和導(dǎo)水率、飽和含水量、有機質(zhì)、砂粒含量呈不同程度的顯著正相關(guān),表明這些指標(biāo)對植物導(dǎo)水率有較好的促進(jìn)作用;與土壤體積質(zhì)量、黏粒和粉粒呈不同程度的顯著負(fù)相關(guān),說明該類指標(biāo)對植物導(dǎo)水率有一定的抑制作用。

為了進(jìn)一步明確影響植物導(dǎo)水率的主要因素,在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,以植物導(dǎo)水率(Kp)為因變量,土壤理化性質(zhì)為自變量,進(jìn)行多元逐步回歸分析,得出其線性方程為:Kp=-5.62×10-5+1.22×10-5XSOM(R2=0.870),其中XSOM為土壤有機質(zhì)含量。由通徑分析可知,土壤有機質(zhì)含量是影響植物導(dǎo)水率的主要因子,直接通經(jīng)系數(shù)為0.942,表明有機質(zhì)含量對植物導(dǎo)水率有主導(dǎo)性直接影響。

3 討 論

本研究以陜北延安山地蘋果園為研究對象,通過對蘋果不同生育期土壤飽和導(dǎo)水Ks和植物導(dǎo)水率Kp進(jìn)行系統(tǒng)研究,結(jié)果顯示不同生育期:土壤飽和導(dǎo)水率在成熟期最大,為0.86 mm/min,幼果期、著色期和開花期土壤導(dǎo)水率也較大,分別為0.77、0.72、0.65 mm/min,說明這幾個時期土壤導(dǎo)水性好,有利于水分入滲;果實膨大期土壤飽和導(dǎo)水率最小為0.47 mm/min,說明膨大期土壤導(dǎo)水性較差,水分入滲量少;這是因為蘋果在不同生育期的需水規(guī)律不同,不同生育期蘋果的需水量為:果實膨大期>著色期>成熟期>初果期>開花期[22],果實膨大期果樹需水量最大,土壤飽和導(dǎo)水率最低,因為植物處于最大需水期,將土壤中能吸收的水分都通過根系轉(zhuǎn)移到樹體中,導(dǎo)致土壤中向地下傳導(dǎo)的水分減少,所以土壤飽和導(dǎo)水率減小。植物導(dǎo)水率在開花期最大,為8.25×10-5kg/(s·MPa),說明開花期植物體中水分流動量最大,樹體中水分含量最多;著色期和幼果期植物導(dǎo)水率分別是6.12×10-5、4.25×10-5kg/(s·MPa),說明這兩個時期樹體中水分含量較多;成熟期和果實膨大期的植物導(dǎo)水率減小分別是3.38×10-5、3.34×10-5kg/(s·MPa),說明在這兩個時期時樹體中水分含量最少;這是因為在開花期土壤中水分充足,溫度較低蒸發(fā)量小,可供樹體利用的水分充足,所以植物導(dǎo)水率最大;在成熟期和果實膨大期,溫度高、熱輻射量大,導(dǎo)致土壤中水分散失較多,供樹體利用的水量不多所以該時期植物導(dǎo)水率較低。目前關(guān)于陜北山地蘋果園不同生育期的土壤飽和導(dǎo)水率與植物導(dǎo)水率方面的研究還較為少見,因此未能找到該地區(qū)類似方面的研究結(jié)果提供對比和參考,所以本課題組將繼續(xù)對其進(jìn)行更深入系統(tǒng)的研究,以期找到陜北山地蘋果園不同生育期土壤飽和導(dǎo)水率與植物導(dǎo)水率方面更為精確的變化規(guī)律。

土壤理化性質(zhì)是影響土壤飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率的重要因素,由相關(guān)分析可知,土壤飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率與土壤體積質(zhì)量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這是因為體積質(zhì)量越大,土壤越緊實,土壤間孔隙較少,水分在土壤中的流通量較小,使得土壤飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率降低。土壤有機質(zhì)與飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率均呈極顯著正相關(guān),有機質(zhì)可以改良土壤結(jié)構(gòu),使土壤透氣透水能力增強[23],進(jìn)而使得土壤飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率增加。飽和含水量與土壤飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率均呈顯著正相關(guān),土壤中含水量越大,土壤飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率都會相應(yīng)增大。黏粒含量對土壤飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率均呈極顯著負(fù)相關(guān),這是因為黏粒越多,土壤顆粒間黏合力就比較大,土壤團(tuán)粒變大,阻礙水分在土壤中的傳導(dǎo)[24],致使飽和導(dǎo)水率降低,植物獲得的水分減少導(dǎo)致植物導(dǎo)水率降低。甘淼等[25]對黃土區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行研究,結(jié)果表明土壤飽和導(dǎo)水率與土壤體積質(zhì)量和黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與本試驗的結(jié)果一致。土壤飽和導(dǎo)水率與植物導(dǎo)水率具有顯著正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)土壤飽和導(dǎo)水率越大時,土壤與植物間的水分流通就會加快,所以植物獲得水分就越多,植物導(dǎo)水率就越大。

由通徑分析可知,有機質(zhì)和粉粒含量是影響土壤飽和導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子,兩者影響程度有所不同,并且有機質(zhì)含量也是影響植物導(dǎo)水率的主導(dǎo)因子,有機質(zhì)含量對飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率有直接影響,而粉粒則是通過有機質(zhì)來間接對飽和導(dǎo)水率產(chǎn)生影響。有機質(zhì)是土壤中微生物的食物來源之一,其含量與土壤中微生物數(shù)量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系[26-27]。所以土壤有機質(zhì)的增加可以提高土壤微生物數(shù)量,土壤微生物活動可以使土壤粉粒含量提高,土壤孔隙增加進(jìn)而改善土壤質(zhì)地,提高土壤導(dǎo)水率;并且有機質(zhì)還可以通過促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[28],來提高土壤持水性,使土壤吸附水分的能力增強[29],所以有機質(zhì)含量的提高可以使土壤飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率增大。

4 結(jié) 論

研究區(qū)不同生育期土壤飽和導(dǎo)水率在成熟期最大,為0.86 mm/min;幼果期、著色期和開花期土壤導(dǎo)水率也較大,分別為0.77、0.72、0.65 mm/min;果實膨大期土壤飽和導(dǎo)水率最小,為 0.47 mm/min。植物導(dǎo)水率在不同發(fā)育期表現(xiàn)為開花期>著色期>幼果期>成熟期>果實膨大期,它們的植物導(dǎo)水率分別為8.25×10-5、6.12×10-5、4.25×10-5、3.38×10-5、3.34×10-5kg/(s·MPa)。

通過相關(guān)分析可知土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)與土壤體積質(zhì)量、黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān),飽和含水量和有機質(zhì)與Ks呈顯著正相關(guān)關(guān)系;植物導(dǎo)水率與土壤飽和導(dǎo)水率、飽和含水量、有機質(zhì)、砂粒含量呈不同程度的顯著正相關(guān),與土壤體積質(zhì)量、黏粒和粉粒呈不同程度的顯著負(fù)相關(guān)。通過多元逐步回歸分析得到Ks與Kp的傳遞函數(shù),并對其進(jìn)行檢驗發(fā)現(xiàn)預(yù)測值與實測值相差不大,R2均在0.9左右,能較為準(zhǔn)確地預(yù)測Ks與Kp,說明建立的函數(shù)模型狀況良好。由通徑分析可知有機質(zhì)含量對土壤飽和導(dǎo)水率和植物導(dǎo)水率都有直接正效應(yīng),粉粒含量對土壤飽和導(dǎo)水率有間接正效應(yīng)。