京郊樱桃果园不同农艺措施的土壤水热效应及综合评价

王嘉航，杨培岭(中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083)

0 引 言

樱桃是北京市都市型现代农业的特色产业，在京郊地区种植面积广泛，而樱桃树系浅根系早熟品种，对土壤的水热条件要求严苛[1,2]；农艺措施的应用可以改善土壤的水热条件，促进作物增产增收，在农业生产中应用广泛[3-5]。农艺措施的种类繁多，对覆盖材料或化学调控的保墒保温机理与效果的研究已较为成熟[6-9]，并在不同地区果园中取得了一定成果[10,11]，但多种农艺措施在相同条件下的比较较少。本文对6种研究广泛且效果较好的农艺措施进行了比对，对樱桃果树行内地面覆盖和化学调控等农艺措施下的土壤水热效应进行了探索，并对6种农艺措施的使用效果进行了综合评价。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在北京市通州区于家务乡喜丰悦樱桃园进行。试验区系北温带半湿润半干旱大陆季风气候区。多年平均气温11.5 ℃，多年平均年光照2 250～2 600 h，无霜期185～190 d，多年平均降水量520 mm，降水呈现年际变化大，年内集中的特点，汛期为6-9月，一般汛期降水量占全年80%以上。试验区占地0.304 hm2，果树间距为4 m×4 m，种植幼龄樱桃果树(树龄为5 a)，长势均匀，试验品种为“红灯”。试验区采用果树双行滴灌水肥一体化技术进行统一的水肥管理，试验小区随机分布，每个小区内包含20株果树，排除边界影响，以小区中部6株果树作为每个处理的试验用树。

1.2 试验处理

(1)园艺地布。山东龙口凯祥有限公司产品，宽幅1.0 m，双行覆盖果树行内2 m，并在连接处用铁丝缝合、外缘挖浅沟压实。

(2)液体地膜。昊宇金邦(北京)科贸有限公司产品，产品以农作物秸秆为原材料提取木质素、胶原蛋白在交联剂的作用下形成的高分子聚合物，完全降解时间约为3个月，按比例1：40稀释后均匀喷施与行内，成膜后呈黑色。

(3)秸秆覆膜。玉米秸秆(粉碎状)从附近村庄收购，均匀覆盖于行内，将园艺地布覆盖于秸秆上方，方法同处理(1)。

(4)枝条覆盖。枝条为园内秋季修枝产生并由枝条粉碎机粉碎而得。

(5)塑料地膜：厚度为0.006 mm，宽幅1.0 m，果树双侧覆盖，并在边缘压土。

(6)PAM+保水剂：保水剂采用北京汉力淼公司出售的XL果树专用型保水剂，粒径4～6 mm，穴施于果树两侧滴管带正下方10～60 cm，每侧200 g，土壤改良剂PAM也由该公司提供。

(7)对照：与试验处理采用相同的水肥管理方式与制度，不作其他处理。

1.3 测定指标

(1)土壤水分监测。利用TRIME水分监测仪观测土壤水分动态，观测深度分为0～20、20～40、40～60和60～100 cm 4层并用烘干法进行标定。

(2)土壤温度监测。利用便携式土壤温度仪观测土壤温度动态，观测深度分别为5、10、20、40和80 cm。

(3)土壤有机质含量。在0～80 cm深度内根据土壤质地分三层取土，采用送检的方式，对检测结果计算平均值，检测单位为北京市农林科学院。

(4)樱桃产量。樱桃进入采收期后，每个处理选取3株长势相近的樱桃树对樱桃果实进行一次性采摘，计数并且称重。

(5)果实品质：果径利用游标卡尺测量，可溶性固形物采用手持数字糖量计(PR-32α，日本)测量，随机取采摘后樱桃果实各10个进行测量。

1.4 数据分析方法

利用EXCEL2010对数据实验数据进行整理和运算，统计分析与综合评价采用SPSS19.0统计软件。

2 结果与讨论

2.1 不同农艺措施对土壤水分的影响

2.1.1土壤贮水量

表1表明，各农艺措施处理均可以提高土壤贮水量，4个深度土层土壤贮水量最高的处理分别是秸秆覆膜、PAM+保水剂、PAM+保水剂和塑料地膜；在0～60 cm深度上，秸秆覆膜处理和园艺地布处理均显著高于对照；在20～60 cm深度上，PAM+保水剂处理的保墒效果显著，随着深度的下降，各处理间的差异性逐渐减弱；从贮水量来看，秸秆覆膜、PAM+保水剂和园艺地布处理显著提高了土壤0～80 cm的贮水量。其中秸秆覆膜处理提高了5.5%。总体来看，土壤0～80 cm的贮水量大小依次为：秸秆覆膜>PAM+保水剂>园艺地布>塑料地膜>液体地膜>枝条覆盖>对照。

表1 不同处理不同土层的土壤含水率及贮水量

注：显著性水平为0.05，表示在同一深度处不同农艺措施处理之间的差异。

2.1.2土壤水分动态

不同农艺措施下的各层土壤水分状况见图1。从图1中可以看出，4月20日在所有农艺措施的布设完成后，不同处理之间的差异开始表现，此前各处理的土壤含水率差异不大。从5月开始，测量期间共进行了3次灌水(4月23日、5月11日和8月23日)，测试期间，在降雨和灌水的作用下，土壤含水率在2～3 d后测量明显上升，随着气温的升高，植物蒸腾和土面蒸发量加大，夏季土壤含水率总体呈下降趋势，6月进入汛期，降雨频率和降雨量明显增多，在降雨和蒸发的影响下，土壤含水率下降的趋势缓慢。

从图1(a)可以看出，在表层0～20 cm，各实验处理组土壤含水率均在高于对照组，其中最高的为秸秆覆膜处理，土壤含水率比对照平均高出2.83%，说明秸秆和园艺地布组合覆盖能够有效地将水分蓄积在表层，对表层蓄水保墒的作用效果较好。此外，仅园艺地布覆盖也能较好提高表层土壤含水率，其原因是园艺地布阻隔了土壤水分的垂直蒸发，增加了水分蒸发的阻力，从而有效地抑制了土壤水分的无效蒸发，在降雨较少的四五月地膜处理土壤含水率略高于园艺地布处理，而从6月开始，随着降雨的增加，土壤含水率表现为园艺地布高于地膜处理，可能原因在于园艺地布透水率较高，能够更好促进降雨的入渗和调节在行内覆盖区域的土壤水分均匀分布。液体地膜处理在喷施后在土壤表面的形成了一层固化膜，同样阻碍了土壤水分的蒸发，土壤含水率较对照组处理高。PAM和保水剂组合处理中保水剂混土的深度为10～60 cm，而PAM又增加了土壤水分的下渗，因此该处理在表层保墒效果并不显著。

从图1(b)可以看出，在土壤20～40 cm深度处，农艺措施处理土壤含水率同样高于对照。PAM+保水剂处理最为显著，土壤含水率平均值高于对照1.83%，该层土壤是保水剂的主要埋设层，PAM+保水剂处理对比其他处理的土壤含水变化趋势，可以发现，保水剂在水分供给条件下能够吸收更多的水分，并在后期缓慢释放，使土壤含水率在各处理中长期维持在最高的水平。园艺地布和秸秆覆膜处理在该层的土壤含水率相当，秸秆覆膜处理土壤含水率下降或上升的趋势上缓于园艺地布处理，并在后期高于塑料地膜处理。

图1 测试期间内不同深度土壤水分动态

从图1(c)可以看出，在土壤40～60 cm深度处，液体地膜和枝条覆盖处理的土壤含水率在一些时期出现了略低于对照的现象，其他农艺措施处理仍高于对照。PAM+保水剂处理效果显著，该层的土壤含水率变化趋势较为稳定，各处理间差异较小，虽然变化规律与20～40 cm深度土层一致，液体地膜和枝条覆盖处理和对照的差异已经不显著(分别高于对照0.12%和0.06%)，与多数研究一致[12,13]，这或可以说明，地表覆盖处理对土壤40 cm以下的土壤含水率的影响开始减弱。

从图1(d)可以看出，在土壤60～80 cm深度处，土壤含水率的变化与上面三层呈现了较大的区别，覆盖措施或化学调控试剂的使用，改变了土壤对水分的入渗、截留和渗漏能力，从而改变了土壤中水分分布状况，土壤获得的水分更多截留在60 cm深度以上土层，由于覆盖时间尚短，对下层的影响能力有限，而使得60 cm深度以下的土壤含水率偏低。具体而言，行内不透水材料(塑料地膜)的铺设使得降雨流向行间并下渗，在垂直下渗过程中发生土壤水分的横向迁移，为行内深层次土壤的水分含量做出贡献，使土壤含水率高于对照0.32%，液体地膜处理与对照相当，其他农艺措施处理均不同程度低于对照处理。

2.2 不同农艺措施对土壤温度的影响

2.2.1土壤温度平均值

从表2中可以看出，在0～80 cm深度的土壤中，中上部的土壤温度较高，表层和深处的温度较低，各处理的土壤温度从上到下均表现为先升高后逐渐降低，最高温度出现在地表以下10 cm处。总体来看，塑料地膜和园艺地布对提高土壤温度作用显著，在效果次于二者的处理中，秸秆覆膜处理对0～80 cm土壤的整体保温效果较好，保水剂对长期内提高土壤温度有着显著效果，液体地膜对提高0～80 cm土壤整体温度的能力有限，枝条覆盖处理整体上降低了土壤温度。0～80 cm深度上的土壤温度的加权平均值表现为：塑料地膜>园艺地布>PAM+保水剂>秸秆覆膜>液体地膜>对照>枝条覆盖。

地膜覆盖较对照显著提高了土壤温度，其次为园艺地布，但两者与农艺措施处理差异不完全显著，再次为液体地膜、PAM+保水剂和秸秆覆膜处理，其中，5 cm深度处塑料地膜和园艺地布土壤温度分别较对照提高了3.22 ℃和1.46 ℃，液体地膜处理的土壤温度也较高，枝条覆盖处理的总体温度显著低于对照处理；10 cm及以下PAM+保水剂和秸秆覆膜处理的土壤温度较高。枝条覆盖在5 cm处的降温效果显著，而在10 cm及以下与对照相当，除此以外，农艺措施处理在各深度均较对照处理相比土壤温度有不同程度的提高，其中液体地膜仅在5 cm深度处显著，PAM+保水剂处理在10、20和40 cm深度处提高效果显著，秸秆覆膜处理在10、20和80 cm处均显著高于对照，说明农业措施在长期覆盖的过程中，虽对土壤温度均具有升温和保温的作用，但由于各农艺措施的保温和升温机理不同，对土壤长期平均温度的提高程度和作用深度也有着较大的差异。

表2 各深度土壤温度平均值 ℃

注：显著性水平为0.05，表示在同一深度处不同农艺措施处理之间的差异。

2.2.2土壤温度动态

从图2(a)可以看出，在土壤表面以下5 cm深度处，多数处理的土壤温度在测试期间均高于对照组。枝条覆盖在某些时期也有高于对照的趋势。秸秆覆膜处理在温度下降的情形下多高于对照，而升温时曲线变化较为平缓，枝条覆盖也表现为相似的规律，原因是秸秆层和枝条覆盖层具有较大的厚度，对太阳辐射的阻隔能力较大，且覆盖层自身吸收了部分热量，降低了大气与土壤的热交换速率，导致在温度上升时秸秆和枝条覆盖处理升温缓慢。秸秆覆膜处理在秸秆覆盖层的基础上覆有园艺地布，使其总体升温的效果优于无覆盖和枝条覆盖。通过分析，在土壤表面以下10 cm处，各处理的变化规律与5 cm处相似。

从图2(b)可以看出，在土壤表面以下20 cm处，所有处理的变化规律较5和10 cm平稳，两次测量间的变幅均小于上层同一时期，而变化趋势与上两处相似。秸秆覆膜和枝条覆盖处理的变化曲线多次与对照处理曲线相交，对土壤温度的调节作用极为显著，PAM+保水剂处理通过保水剂持水提高了土壤热容，在测试中后期逐渐起到对土壤温度的调节作用。

图2 测试期间内不同深度土壤温度动态

从图2(c)可以看出，在土壤表面以下20 cm处，各处理的变化规律均趋于平缓，在测试期间基本呈现了先缓慢上升后缓慢下降的趋势，可见当深度达到土壤表面以下40 cm时，温度的变化受气温影响开始变小，土壤自身缓冲能力相对提高，PAM+保水剂处理、秸秆覆膜和枝条覆盖的对温度变化的缓冲作用效果相对减弱。在80 cm深度处，整个测试期间内土壤温度变化趋势极为平稳，各处理之间差异很小，故不作详细分析。

2.3 不同农艺措施的综合评价

2.3.1综合适用性指数

果园土壤有机质含量是土壤肥力及果园生产水平高低的重要参考指标，有机材料覆盖是影响土壤有机质变化的一个最直接因素[14]；除此之外，土壤温度和水分是控制有机质分解速率的关键因素[15]，因此土壤水分、温度和有机质含量和可以较好的表征出不同农艺措施对果园土壤的适用性；产量是衡量果园生产力水平的基础，果实大小和可溶性固形物含量是衡量樱桃果实品质和经济价值的两个重要指标，通过这3个指标可以很好地表征农艺措施对果树生长及果实的适用性。用因子分析法对以上指标进行综合适用性评价，各指标的初始值见表3。

首先，通过相关系数法将各因子量纲归一化，得到各因子指标的隶属度值：

表3 各因子初始值

注：土壤有机质的测试时间为2015年11月30日。

(1)

式中：F(xi)表示某处理i因子的隶属度值；xi表示某处理i因子的初始值；ximax和ximin分别表示i因子初始值中的最大值和最小值。

然后，利用SPSS19.0统计软件对初始变量进行因子分析。在提取2个公因子后，公因子的累积贡献率可以达到89.903%，即2个公共因子可以解释约90%的总方差，且通过相应的检验，计算结果理想。提取公因子方差值并确定权重系数Ki，结果见表4。

最后，根据式(2)计算不同农艺措施的综合适应性指数，结果见表4。

CAI=∑ni=1Ki F(xi) (2)

由表4可知，各处理的综合适用性指数由大到小依次为：PAM+保水剂>秸秆覆膜>园艺地布>塑料地膜>液体地膜>枝条覆盖>对照。根据综合适用性指数可知，京郊果园较适宜的农艺措施为PAM+保水剂和秸秆覆膜，其次为园艺地布，塑料地膜和液体地膜对果园的适应性相当，在综合考虑土壤和果树效应的条件下，几种农艺措施中，枝条覆盖相对效果并不理想，但其综合适用性指数也高于不采取措施的对照组，说明在一定条件下枝条覆盖也是对果园适用性较好的农艺措施。

2.3.2成本分析

根据试验布置实际情况，结合相关文献及以往实践经验，计算各项农艺措施的成本见表5。农艺措施材料总成本分为3部分(材料费、加工费和人工费)，枝条覆盖由于可以使用果园内修剪的枝条，故不计算材料成本，而枝条的粉碎在果园内进行，加工费包含有树枝粉碎机能耗及人力投入；秸秆以粉碎状买入，故加工费包含在材料费内；园艺地布和秸秆覆膜处理中加工费产生于园艺地布铺设过程中固定地布的材料(地钉、铁丝等)产生的费用；人工费以当地价格80元/(人·d)计；在其他果园管理水平相同的情况下，管理费的区别主要在于果树行内人工除草的差异，取相对值：塑料地膜、园艺地布能够完全阻止杂草的生长记为0，液体地膜和枝条覆盖均能在一定程度上减少杂草生长但没有完全避免，除草工作量约为正常条件下1/2；以使用年限分摊材料总成本计算年均成本[式(3)]，解释为：在进行农艺措施多年连续应用的情形下，果园相对于不采取任何措施每年多消耗或节省费用。

年均成本 = 材料总成本 / 预计使用年限 + 管理费

(3)

按照以上方法计算各农艺措施的成本，结果见表5。各农艺措施成本由高到低排列依次为：PAM+保水剂>液体地膜>秸秆覆膜>塑料地膜>园艺地布>对照>枝条覆盖。

表5 各处理成本计算

PAM+保水剂、液体地膜和秸秆覆膜处理年均成本均高于对照处理2倍以上，PAM+保水剂处理进行成本控制可以从解决材料费的成本入手，尝试研究更为廉价的保水剂的应用效果；液体地膜的主要成本在于每年两次喷施的人工费，由于果树行内环境复杂，人工作业成本很难降低；秸秆覆膜处理中秸秆的成本为5.310元/m2，是成本较高的主要因素，但由于需求量较大，成本很难再降低。枝条覆盖处理由于使用园内修剪下来的枝条，成本降低了35.05%，但樱桃果园年修剪枝条量约为2 250 kg/hm2，而进行覆盖对粉碎枝条的需求量约为3万kg/hm2，远大于果园的年枝条供应量，要实现全园覆盖，要么在果园内分区域逐年覆盖，要么从果园外进购材料，这样做会导致农艺措施对于果园的整体适应性或成本发生较大变化。园艺地布覆盖在6种农艺措施中综合适用性较好，成本与对照相近，因此，基于本文的研究认为，园艺地布是适宜在京郊果园推广的农艺措施。

3 结 语

(1)所有农艺措施的保墒效果均优于对照处理，土壤0～80 cm的贮水量大小依次为：秸秆覆膜>PAM+保水剂>园艺地布>塑料地膜>液体地膜>枝条覆盖>对照，且秸秆覆膜和园艺地布在0～60 cm深度土层、PAM+保水剂处理在20～60 cm深度土层的保墒效果极为显著。

(2)多数农艺措施对土壤温度具有提高效果，枝条覆盖对土壤温度具有降温效果，0～80 cm深度上的土壤温度平均值表现为：塑料地膜>园艺地布>PAM+保水剂>秸秆覆膜>液体地膜>对照>枝条覆盖。

(3)农艺措施的应用具有长期性，通过果园土壤和果树的响应对农艺措施进行评价，表明不同农艺措施的适用性依次为：PAM+保水剂>秸秆覆膜>园艺地布>塑料地膜>液体地膜>枝条覆盖。

(4)PAM+保水剂和秸秆覆膜处理虽然对果园的综合适应性效果较好，但由于成本过高，不利于推广，枝条覆盖虽然降低了成本，但全园覆盖存在覆盖材料不足的问题，其适用性略逊色于其他农艺措施，园艺地布处理既具有较好的适用性又与对照成本相近，故认为较适宜在京郊果园推广。

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