垄沟覆地布对晋西旱塬梨园土壤墒情及导水特性的影响

任小云，宋宇琴，李俊豪，刘肖烽，刘福新，李六林

(1.山西农业大学 园艺学院,山西太谷 030801；2.隰县气象局,山西隰县 041399)

山西隰县地处晋西黄土高原丘陵沟壑区，是农业部划定的黄土高原梨果优势产区，并被授予为“中国金梨之乡”。近年来，梨果收入占全县农民人均纯收入的 80%，可观的经济效益促进了当地梨果种植面积的不断扩增[1]。然而，该地区降雨量少，尤其在春季，单次降雨大都在10 mm以下，雨水更多是通过蒸发损耗，而不是入渗后被果树吸收利用。加之与大田作物相比，梨树树冠大，根系深，较低的土壤含水量很难满足果树正常的生长需求，促使果树根系对深层土壤水分的吸收利用[2]。且果树种植年限越久，所消耗土壤水分的深度就越深[3]。如果消耗的土壤水分不能被雨季降水入渗恢复，土壤水分的负循环就会导致干燥化土层的形成[4]。这将对当地梨果产业的可持续发展形成巨大的威胁。土壤水分作为土壤系统中能量和物质循环的载体，在土壤-植被-大气连续体中起着至关重要的作用[5]。关于旱地果园如何蓄水保墒，前人已做大量卓有成效的研究[6-8]。其中，地表覆盖技术是提高土壤含水量的有效措施[9]，张义等[10]研究发现，砂石、地膜、秸秆覆盖的苹果园在雨季后土壤水分均可得到恢复，且以砂石覆盖效果最佳；赵刚等[2]对旱塬的研究表明，黑色地膜覆盖+立体集雨入渗处理可促进苹果园深层土壤水分的良性增加，有效缓解土壤深层干燥化。高茂盛等[11]和马忠明等[12]分别在早酥梨和西瓜的研究中也得到类似的结果。但是山西隰县黄土深厚且以果树种植为主，砂石和秸秆资源匮乏，地膜覆盖又容易造成环境污染。因此，寻找和开发适合当地梨园并能富集较少降雨，提高雨水入渗强度的土壤管理措施显得尤为重要。本试验以晋西黄土高原丘陵沟壑区18 a梨园为对象，监测裸地梨园和起垄开沟覆盖地布后的梨园全生育期土壤水分的动态变化，并计算二者相对于农田土壤水分的亏缺状况，进而探明地布覆盖对果园土壤水分入渗和果树枝叶水分传导及蒸腾的影响，以期为进一步完善旱地果园土壤水分管理制度提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年3―10月在山西隰县卫家塬村进行，该地区属大陆性气候，多年平均降雨量558.1 mm，最高气温达37.5 ℃，全年平均气温为8.8 ℃，≥10 ℃的积温为3 326.9 ℃，无霜期140～170 d，日照时数2 729 h，多年平均蒸发量1 829.8 mm。

1.2 试验材料

供试材料为18 a生的酥梨，株行距为3.0 m×5.0 m，无灌溉条件，依靠降雨补充水分。采果后全园撒施有机肥，并进行深翻。于冬季或翌年春季进行休眠期修剪，采取以疏除直立枝为主的方式进行夏季修剪，田间杂草用割草机进行刈割，果树无明显病虫害发生。

1.3 试验处理

2016年6月设置垄沟覆地布(Ridge-furrow polypropylene film mulching，RFM)和常规管理(CK)2个处理。采用随机区组设计，选择大小一致的梨树，每个小区5株，设3次重复，每个处理15株。

垄沟覆地布：将行间的土培于树干两侧，形成树干处高，朝行间方向低的坡面，并将距树干140 cm处修成10 cm深的凹槽状。将宽150 cm的黑色地布覆于坡面和凹槽，靠近树干处的地布用塑料细绳缝合，两侧边缘压10 cm厚的土，从两侧凹槽处到树干呈“W”形，便于将雨水蓄集于树干两侧。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 土壤含水量的测定 选取朝行间距树干70 cm(地布覆盖处理标记为RFM-70，无地布覆盖标记为CK-70)和140 cm(地布覆盖处理标记为RFM-140，无地布覆盖标记为CK-140)2个取样位置。按照取样点距地面深度小于100 cm时，每10 cm设置1个取样点；100～160 cm土层，每20 cm设置1个取样点采集土样，将土样装入铝盒用烘干法测定土壤含水量。同时，在果园附近的大豆田，用同样的方法采样并测定其土壤含水量。试验于2017年3月开始，每月下旬采集一次土壤样品，一直持续到10月果实采收期结束，共采样8次，每次3个重复。

土壤质量含水量=(湿土质量-干土质量)/干土质量×100%

利用土壤水分相对亏缺指数(Compared soil water deficit index，CSWDI)，评价裸地梨园和经RFM处理后的梨园不同土层土壤水分相对于农田的亏缺程度。该值越大表明土壤水分亏缺越严重，若该值小于0，表示土壤水分没有亏缺。

CSWDI=(CPi-SWi)/(CPi-WM)

式中，CPi和SWi分别为农田和梨园的第i层土壤湿度，WM为凋萎湿度[13]。本研究区域在黄土高原区土壤凋萎湿度的划分中属中壤Ⅰ带，故WM=5%[14]。

1.4.2 土壤饱和导水率的测定 田间饱和导水率(Kfs)是土壤的基本水力特征之一，描述土壤饱和状态下，水分通过土壤孔隙渗漏的程度。本试验选地布下和裸地果园与之对应的位置，采用美国Decagon公司生产的双水头渗透计(DualHeadInfiltrometer，DHI)测其土壤Kfs，每处理重复3次。

1.4.3 枝条导水率的测定 取当年生枝条，用美国Dynamax公司生产的高压流速仪(High pressure flow meter，HPFM)测定导水率，游标卡尺测定枝条基部直径，用北京雅欣理仪科技有限公司生产的Yaxin-1241叶面积仪测定该枝条上所有叶片的叶面积。导水率表示单位压力梯度下植物传导水分通量，本研究采用准稳态测量的方法，测量时水箱中压力维持在400 kPa，选用红色量程，每2 s收集1次数据，30～40 min即可达到准稳态值。导水率与测定枝条的总叶片面积、基部横截面积的比值分别为该枝条的叶比导水率和茎比导水率。

1.4.4 树体气体交换参数的测定 选6月下旬晴朗无风的天气，于9：00―11:00采用便携式光合测定仪(Li-6400，Li-cor，美国)测定当年生枝条中部叶片气体交换参数，所测指标包括叶片净光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)、蒸腾速率(Transpiration rate，Tr)、气孔导度(Stomatal conductance，Gs)，并计算瞬时水分利用效率(Water use efficiency，WUE),WUE=Pn/Tr。

1.4.5 降雨和蒸发量的测量 降雨和蒸发量数据由试验地附近的隰县国家基本气象站获得。

1.5 数据分析

用SAS 8.0对数据进行显著性(P<0.05)分析。用Excel 2010和Matlab 2014a软件绘图。

2 结果与分析

2.1 试验地降雨状况

晋西黄土高原丘陵沟壑区降雨量偏低，试验年全生育期降雨量分布差异较大，且蒸发强烈(图1)，其中3月和9月总降雨量不足10 mm，4月、5月和6月的总降雨量分别为66.5、40.2和55.7 mm，但单次降雨量大多在10 mm以下。7月、8月、10月的降雨量均在100 mm以上，全生育期总降雨量为534.9 mm，属常态年(降水量增减在平均降水量的10%以内)[15]。最大蒸发量发生在5月，之后其蒸发量呈逐月降低趋势。

图1 2017年全生育期降水量分布Fig.1 Precipitation distribution at growth stages in 2017

2.2 RFM处理对梨园土壤含水量变化的影响

在梨树全生育期内，不同处理下梨园土壤水分含量的变化(图2)。在距树干70 cm处，各取样时期土壤含水量在垂直方向均表现出随土层深度的增加而降低。其中，土壤含水量在0～60 cm土层变化最为剧烈，3月到10月0～60 cm土层土壤含水量均表现出先增加后降低再增加再降低的“M”走势。与CK相比，RFM处理下3月、4月0～60 cm土层土壤平均含水量分别提高19.83%和25.68%，5月至8月增值均在5%以上，而9月和10月增幅较小。不同处理均存在较为稳定的低湿层，其中，常规管理下低湿层为100～160 cm，而RFM处理后低湿层下移至120～160 cm。

在距树干140 cm处，6月表土层土壤含水量较低，其余各取样时期土壤含水量在垂直方向均表现出随土层深度的增加而降低。在整个生育期内，0～60 cm土层土壤含水量的变化趋势与距树干70 cm处一致。经RFM处理下0～60 cm土层土壤平均含水量除8月和10月分别较对照提高10.73%和3.12%外，其余各月增值均在15%以上，其中5月最高达58.36%。经RFM处理后土壤低湿层为140～160 cm，较土壤低湿层为80～160 cm的常规管理下移60 cm。分析不同管理措施下，距树干不同距离处土壤水分的分布不难发现。RFM处理下0～60 cm土层土壤平均含水量总体表现为近树干处大于远树干处，100～160 cm土层土壤平均含水量则与之相反。而常规管理下0～60 cm和100～160 cm土层土壤平均含水量均表现为近树干处大于远树干处。

可见垄沟覆地布的管理措施可富集雨水，促进水分入渗，对深层土壤干燥有一定的缓解作用，同时地布覆盖能有效防止冬春干旱季蒸发损耗，起到良好的保墒作用。与常规管理相比，垄沟覆地布的管理措施提高了果园全生育期的土壤含水量，但是这种差距并没有随着降雨的补充而继续增大，反而有缩小的趋势。

2.3 RFM处理对梨园土壤水分相对亏缺指数变化的影响

土壤水分的消耗强度往往会随着植被类型的改变而改变，尤其是将耗水强度较小的农田改植为耗水强度较大的梨树，不仅会消耗土壤当季补充的降雨，而且还会加剧深层土壤水分的损耗。与农田土壤含水量相比，在距树干70 cm和140 cm处，不同管理措施下土壤水分均存在一定程度的亏缺(图3)。

在距树干70 cm处，常规管理下的梨园0～100 cm土层CSWDI随时间变化波动较大，其中0～80 cm土层土壤水分状况，因7月、8月充沛的降雨得到有效的改善。100～160 cm土层土壤水分亏缺较为严重，且这种状况并没有因为降雨而改变。垄沟覆地布处理后各生育时期CSWDI值均有所降低，5月、6月80～120 cm土层CSWDI值均小于0，不同的是5月0～80 cm土层并未表现出亏缺状态，而6月该土层表现出明显的水分亏缺状态。这种管理措施下，在距树干70 cm处土壤水分亏缺严重的土层出现在120～160 cm。

在距树干140 cm处，不同管理措施下土壤水分亏缺程度差别较大。常规管理下，除3月、8月和9月、10月在0～80 cm土层和0～100 cm 土层CSWDI值小于0外，其余月份0～160 cm土层土壤水分一直处于亏缺状态，长期处于水分亏缺状态的土层为80～160 cm。经垄沟覆地布处理后，果园土壤水分状况得到良好的改善，在果树生育期内各土层土壤水分相对于大田都近乎平衡或略有补充。3月和8月CSWDI值小于0的土层深度均达到120 cm，5月则达到140 cm，此处土壤水分亏缺较严重的土层下移至140～160 cm。与常规管理相比，垄沟覆地布的土壤管理措施有效降低了果园土壤水分亏缺的程度，缓解了深层土壤水分的亏缺状态。

图2 不同采样位置土壤含水量的变化Fig.2 Changes of soil moisture content in different sampling sites

图3 不同采样位置土壤水分相对亏缺指数的变化Fig.3 Change of CSWDI in different sampling sites

2.4 RFM处理对梨园土壤及树体水分传导的影响

对比裸地和经RFM处理后的梨园土壤饱和导水率(表1)发现，地布覆盖可显著提高土壤饱和导水率，RFM处理较裸地提高2.24倍，有利于水分向土壤深处入渗。RFM改善了土壤水分状况，从而影响枝条水分传输及叶片相对含水量。由表1可以看出，经RFM处理后枝条茎比导水率与对照无显著差异，但叶比导水率较对照提高34.71%，且与对照存在显著性差异。同时，RFM处理还显著提高了梨树叶片的相对含水量。可见RFM处理显著改善了水分在枝叶的流通状况，进而促进梨树的正常生长。

2.5 RFM处理对梨树光合气体交换参数的影响

光合作用对分析植物生长和代谢状况有着十分重要的作用，由表3可以看出，经RFM处理后的光合气体交换参数与对照相比均存在显著性差异，除WUE提高幅度较小为23.50%外，Pn、Gs和Tr均比对照提高40%以上，说明地布良好的蓄水保墒效果，对果树的生长有着积极的促进作用。

表1 不同处理对梨园土壤及树体水分传导的影响Table 1 Effects of different treatment on hydraulic conductivity in soil and tree

表2 不同处理对叶片Pn, Gs, Tr和WUE的影响Table 2 Effect of different treatment on Pn, Gs, Tr and WUE in pear leaves

3 讨 论

果园垄沟覆地布可以促进无效雨水的蓄积，增强水分向土层深处的入渗，同时切断了土壤与大气的直接接触，降低了土壤水分的无效蒸发[16]。在果树生育的不同时期都有良好的蓄水保墒效果[17]，地布覆盖抑制了杂草的生长，减少了杂草对水分的消耗[16,18]。本研究结果显示，与常规管理相比，垄沟覆地布的管理措施提高了果园全生育期的土壤含水量，这与前人的研究结果一致。而且在少雨季节这种差距要明显大于雨水充沛的季节，说明RFM在将无效降雨富集并转化为有效水分的过程中起到了很好的作用。常规管理下的果园，在距树干140 cm的位置，土壤平均含水量均低于距树干70 cm的位置。这可能是由于远树干位置果树吸水根分布较多[19]，且受梨树冠层的遮蔽作用小[20]，加剧了该位置土壤水分的蒸发和利用。RFM处理下近树干处0～60 cm土层土壤平均含水量大于远树干处，而100～160 cm土层土壤平均含水量则以远树干处较大，这一方面受果树吸水根分布特征的影响[19]，另一方面是由于集水沟处水分蓄积后，在重力的作用下向土壤深处补给的结果[21]。

棵间蒸发和果树蒸腾是果园土壤水分消耗的主要途径，其中果树蒸腾占果园蒸发蒸腾的80%～90%[22]。本研究以梨园附近的大田为参考，分析常规管理和垄沟覆地布处理的梨园土壤水分相对于大田的亏缺程度。结果发现，与农田相比常规管理下果园土壤水分处于亏缺状态，尤其是得不到降雨补充的深层土壤，其水分亏缺现象更加严重。这是由于在降雨稀少和盛果期果树对水分的过度消耗双重作用下，为满足自身生长发育的需求，果树不仅会消耗当季降雨，还不断消耗深层土壤水分造成的[23-24]。而RFM对这种土壤水分亏缺现象有一定的缓解作用，除了其良好的蓄水保墒效果外，还因为覆盖可以改善土壤结构，增大土壤孔隙度进而有利于雨水的入渗[25]。本研究发现，经RFM处理后的梨园土壤饱和导水率为对照的2.24倍，该结果与上述观点一致。可见，垄沟覆地布的土壤管理措施有利于水分向深层土壤补充，对缓解果园深层土壤的干燥化有着积极的作用。

土壤含水量过低会阻碍水分在植株茎叶的传导[26]，本研究发现在梨树萌芽及春梢生长的关键时期，裸地梨园土壤水分正处于较严重亏缺状态，使得其梨树枝叶导水率显著低于垄沟覆地布管理。良好的土壤水分状况和枝条导水率增加了梨树体内水分含量，进而显著提高其叶片的相对含水量，这与曾辰[27]的研究结果一致。地布覆盖增强了果树根系活力及抗氧化酶活性[28]，加之良好的枝叶水分状况促进了果树光合作用的进行。本研究发现，垄沟覆地布处理后梨树Pn、Gs、Tr及WUE都显著提高，王金峰等[17]在苹果上的研究也得到类似结果。可见，在干旱丘陵沟壑区垄沟覆地布的土壤管理措施，能够抑制杂草，蓄水保墒，促进雨水入渗，有效缓解深层土壤的干燥化程度。同时，RFM增强枝条导水性能，促进梨树对土壤水分的吸收利用，对改善黄土高原丘陵沟壑区梨树的生长发育起着十分重要的作用。

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