生草栽培对白龙江干热河谷地带油橄榄园小气候的影响

润安， ， ， ，

(1. 甘肃农业大学生命科学技术学院， 甘肃 兰州730070； 2. 甘肃省作物遗传改良和种质创新重点实验室，甘肃 兰州730070； 3. 甘肃农业大学林学院， 甘肃 兰州730070； 4.甘肃省陇南市经济林研究院， 甘肃 陇南 746000)

陇南市白龙江干热河谷地带是我国油橄榄主产区之一。我国目前现行的果园土壤耕作管理措施仍主要是清耕法[1]，清耕制果园在刚造林时易发生地表温度过高现象，使得植株易受灼伤，且清耕制果园的坡面蓄水抑蒸保墒抗蚀效果差[2]。当前武都区的油橄榄生产存在低产问题，其主要原因除了气候因素之外，还可能包括粗放的果园土壤管理模式导致的土壤肥力低下[3]。因此，改善陇南山地油橄榄园的土壤管理方式是有必要的。果园生草也称作“果园生草覆盖制”，果园生草栽培是欧美和日本等果树生产发达国家广泛应用的一种现代化可持续发展的先进的果园土壤管理方式[4]。与清耕制果园相比，果园生草可以抑制其它杂草生长，稳定土壤的温湿度，改变果园的小气候，有利于优化果树生长环境。

小气候又称微气候，是指在局部地区内和土壤上层的气候，其中包含温湿度、光照强度等因子，这些因子在植物生长发育过程中发挥重要作用。果树树冠内的温湿度均直接影响花芽形成、开花坐果、果实产量品质等[5]。李欢等[6]研究了果园小气候与枣果内各元素含量之间的关系。果园小气候不仅直接影响果树的光合、呼吸、蒸腾作用，而且通过影响土壤微生物数量、土壤酶活性等影响土壤有机质分解、养分的迁移转化、生物多样性、水热交换[7]，与果园中生物因子间存在着多重的相互调节效应[8-9]。研究表明[10]果树的间作能够有效地改善果园环境，减小风速，能起到蓄水保墒的效果，特别是在山地果园；果园生草在不同季节对果园气温和湿度起不同的调节作用，并促进果树生长[11]。

受境内立体气候及变化复杂性的影响，油橄榄产业的发展受到了地域性小气候条件的制约[12]，本研究以甘肃省陇南市武都区的生草制油橄榄园为对象，通过观测油橄榄园果树—生草复合生态系统小气候因子，探讨生草对小气候因子的影响，开展毛苕子和自然生草对果园小气候综合效应评估的研究，为果园生草复合生态系统的生态环境效应评价提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况和试验材料

试验地位于甘肃省陇南市武都区大堡油橄榄试验园(33°24′03.6″ N，104°53′32.8″ E)，海拔1 048 m左右。年平均气温15.3℃，极端最高气温38.2℃，极端最低气温-7℃；平均年降水量468 mm，降水主要集中在6—9月，年均相对湿度56.6%；年日照时数1 871小时，无霜期270天以上。土壤为沙壤土，排水良好。果园内种植油橄榄品种为‘豆果’(‘Arbequina’)，树龄7年，株高范围2.06～3.25 m，基径范围27.61～29.60 cm，东西冠幅范围1.78～2.67 m，南北冠幅范围1.73～2.88 m；行株距5 m×4 m。

1.2 试验设计

2014年4月初于油橄榄园的果树行间撒播毛苕子 (ViciavillosaRoth) (毛苕子是豆科野豌豆属的一年生或越年生草本植物，是春性和冬性的中间类型，偏向冬性[13])，播量为60 kg·ha-1，同时确定供试自然生草(主要草种有刺儿菜(CrisiumsetosumL.)、早熟禾(PoaannuaL.)、苦苦菜(SonchusoleraceusL.)等)和清耕(作为对照组)的果园，设置3个重复，共9个小区，小区面积为12 m×10 m，每个小区9株油橄榄树。于每年5月底对间作毛苕子和自然生草的油橄榄园进行刈割(刈割高度25 cm)，割下的生草覆盖于油橄榄树盘，刈割余下的生草继续完成生命周期以供结实，产生的种子第二年自然繁育，不需重复播种，不使用除草剂。清耕则采用常规的中耕除草措施。

1.3 果园小气候测定方法

于2017年6月26日、27日(夏至后第五、六日)和10月27日、28日(霜降后第四、五日)测量油橄榄园的气象因子，用便携式风速气象测定仪(Kestrel 4500 Pocket Weather Tracke)测定试验样地50 cm高处的空气温度和相对湿度；用直角地温计测定0～15 cm的土壤地温：直角地温计放置于待测树体外围滴水线处，土温测定深度为5、10、15 cm，每个土层重复3次，在各小区随机选取5个采样点。对各指标进行从06:00到20:00的14 h连续观测，每2 h观测1次。土壤温度垂直变化特征采用每天各处理每个土层08:00, 14:00和18:00三个时间点土壤温度的算术平均值；而各土层土壤平均温度则采用6月和10月的两天内各处理每个土层这三个时间点土壤温度的平均值。

1.4 数据分析

采用Excel 2013软件对数据进行处理和绘图。

采用灰色关联度分析法对各生草草种小气侯效应进行综合评判，其原理是：关联度反映各评价草种与清耕的远离程度，即评价草种的优劣次序。因此，可利用关联度对评价草种进行比较[14]。

关联系数计算公式为

再根据公式

其中，ρ的取值通常为为0.5，其中判别系数ρ取0.50，计算关联度rij[15]。

2 结果与分析

2.1 各土层土壤平均温度

由图1可知，各处理对应的土壤温度都表现出相同的变化规律，即6月时随着土层的加深呈先降低后升高的趋势，在地表(0～5 cm处)各处理对应的土壤温度最高；10月时随着土层的加深呈升高趋势，但5～10 cm之间增幅极小。由表1可知，6月时间作毛苕子的升温效应在三土层均高于自然生草；10月时则相反。

图1 不同处理对油橄榄园土壤剖面温度的影响(A：6月；B：10月)Fig.1 Effect of different treatments on soil temperarure of 0～15 cm layer in olive orchard (A:June ; B:October)

表1 不同土层土壤温度在生草处理与对照之间的差值Table 1 The differences of soil temperature under different layers between sod-cultures treatments and contrast

土层变幅在各处理下表现为，6月时，0～5 cm、5～10 cm和10～15 cm土层分别以间作毛苕子处理、间作毛苕子处理、自然生草处理为最高；三土层均以清耕为最低，即清耕的控温效果最佳；10月时，0～5 cm、5～10 cm和10～15 cm土层分别以间作毛苕子处理、间作毛苕子处理、清耕为最高；三土层分别以清耕、自然生草处理、间作毛苕子处理为最低(表2)。

表2 各处理不同土层土壤温度的变化幅度Table 2 Rangeability of soil temperature under different sod-cultures treatments

2.2 生草栽培对果园不同土层土壤温度时间变化特征的影响

由图2可知，间作毛苕子、自然生草处理和清耕的5 cm平均地温：6月：26日分别为28.76℃、28.95℃和28.09℃，27日分别为29.69℃、28.16℃和26.95℃；10月：27日分别为14.80℃、14.85℃和14.28℃，28日分别为14.35℃、14.23℃和13.33℃，生草处理的平均地温高于清耕。两日的日地温变异系数：6月：均以间作毛苕子处理最大(分别为19.80%和19.02%)，清耕最小(11.34%和10.53%)；10月：均以清耕最大(分别为19.55%和14.63%)，自然生草处理最小(17.50%和7.62%)。间作毛苕子、自然生草和清耕的5 cm土层最高温出现时间：6月26日分别为14:00、12:00和16:00；10月：27日分别为14:00、14:00和16:00，28日则均为16:00。

图2 生草栽培林地在不同时间0～5 cm 土温变化Fig.2 The time variation of soil temperature at 0～5 cm layer under different sod-culture treatments注：A：6月26日、B：6月27日、C：10月27日 、D：10月28日，下同Note：A: June, 26, B: June, 27, C: October, 27, D: October, 28, the same as below

由图3可知，间作毛苕子、自然生草处理和清耕的10 cm平均地温：6月：26日分别为27.34℃、26.98℃和25.58℃，27日分别为27.11℃、26.69℃和25.41℃；10月：27日分别为14.84℃、15.06℃和14.53℃，28日分别为14.89℃、14.68℃和14.23℃，生草处理的平均地温高于清耕。两日的日地温变异系数：6月：均以间作毛苕子处理最大(分别为14.52%和10.95%)，清耕最小(8.34%和7.19%)；10月：均以清耕最大(分别为14.11%和8.91%)，自然生草处理最小(11.52%和5.64%)。间作毛苕子、自然生草和清耕的10 cm土层最高温出现时间：6月：26日分别为14:00、14:00和16:00，27日分别为14:00、16:00和14:00；10月：27日分别为14:00、14:00和16:00，28日则均为16:00。

图3 生草栽培林地不同时间5～10 cm土温变化Fig.3 The time variation of soil temperature at 5～10 cm layer under different sod-cultures treatments

由图4可知，间作毛苕子、自然生草处理和清耕的15 cm平均地温：6月：在26日分别为26.66℃、27.15℃和25.98℃，在27日分别为27.21℃、27.00℃和25.91℃；10月：在27日分别为16.21℃、17.26℃和15.54℃，在28日分别为14.76℃、14.81℃和13.94℃，生草处理的平均地温高于清耕。两日的日地温变异系数：6月：均以间作毛苕子处理最大(分别为9.04%和8.36%)，清耕最小(3.57%和5.09%)；10月：在27日以自然生草处理最大(10.60%)，间作毛苕子处理最小(7.75%)，在28日以清耕处理最大(7.58%)，自然生草处理最小(5.20%)。间作毛苕子、自然生草和清耕的15 cm土层最高温出现时间：6月：在26日分别为16:00、18:00和16:00；10月：在27日分别为14:00、14:00和16:00，在28日则均为分别为14:00、16:00、18:00。6月27日3种处理模式各土层在观测时段内的最低温均出现在06:00。

在观测时间段内0～5 cm土温的日变异系数高于5～10 cm和10～15 cm，波动程度大于5～10和10～15 cm，即表层土壤对太阳辐射等外界因素的影响更为敏感。

2.3 生草栽培下土壤温度垂直变化特征

由图5可知，6月时在地表(0～5 cm处)各处理对应的土壤温度最高，随着土层的加深呈先降低后升高的趋势；在0～15 cm土层内土壤温度表现为间作毛苕子>自然生草>清耕，各处理10～15 cm的土层土温变化均较小，10月时在地表(0～5 cm处)各处理对应的土壤温度最低，随着土层的加深呈升高趋势；在0～15 cm土层内土壤温度呈自然生草>间作毛苕子处理>清耕，各处理5～10 cm的土层土温变化均较小，尤其是间作毛苕子处理。

2.4 土壤温差时间变化

图6，图7为测定的15 cm土层内土壤温度最大差值时间和深度变化。地温随时间的最大变幅为观测时段内不同时刻三个土层地温的最大值与最小值之差，地温随剖面最大变幅为每一层全天最高地温与最低地温之差值。计算地温最大差值可得出不同处理14 h内土温变化剧烈程度。

图4 生草栽培林地不同时间10～15 cm土温变化Fig.4 The time variation of soil temperature at 10～15 cm layer under different sod-cultures treatments

图5 各处理0～15 cm土层土温垂直变化Fig.5 Vertical variation of soil temperature at 0～15 cm layer under each treatments

图6 地温最大差值的时间变化Fig.6 Time changes of the max difference of soil temperature

图7 地温最大差值的深度变化Fig.7 Changes of the max difference of soil temperature with depth

由图6可见，各处理地温最大变幅在6月时整体上均呈现随时间变化先升高再降低的趋势，地温的升高随时间的延长而趋于明显，生草处理的地温变幅高于对照，两日内自然生草的地温最大差值随时间变化趋势完全一致，在08:00开始快速上升，12:00升至峰值，之后开始快速下降；清耕整体上变幅较小。10月时各处理地温最大变幅整体上均呈现先降低再升高的趋势。

从图7可以看出，不同处理剖面地温最大变幅均随着深度的增加而递减，6月时地温变幅呈现间作毛苕子>自然生草>清耕的趋势。三种处理浅层的地温最大差值的差异较大，随深度增加，其差异减小。10月时地温变幅呈现清耕>间作毛苕子>自然生草的趋势。

2.5 生草栽培下果园气温日变化特征

从图8可以看出，间作毛苕子自然生草处理和清耕的平均气温为：6月。在26日分别为：30.45℃、29.76℃与30.38℃，在27日分别为：28.33℃、28.11℃与27.66℃，生草处理的果园气温高于清耕；10月：在27日分别为15.68℃、15.56与15.65℃，在28日分别为14.18℃、14.30℃与13.39℃。两日内的日气温变异系数：6月：均以间作毛苕子处理最大(分别为15.33%与12.92%)，清耕最小(分别为13.56%与12.09%)；10月：在27日：以间作毛苕子处理最大(29.38%)，自然生草处理最小(27.78%)；在28日：以清耕最大(17.68%)，自然生草处理最小(10.07%)。观测时段内间作毛苕子、自然生草与清耕的气温最值出现时间：6月：在26日：最低温均为06:00，最高温均为16:00；10月：在27日：最低温分别为08:00、 06:00与06:00，最高温分别为12:00、14:00、14:00；在28日：最低温均为06:00，最高温均为16:00。

图8 生草栽培林地空气温度日变化Fig.8 The daily variation of air temperature under different sod-culture treatments

2.6 生草栽培下果园湿度日变化特征

从图9可以看出，不同处理果园空气湿度的日变化均呈现先降低再升高的趋势。间作毛苕子、自然生草处理和清耕的平均空气湿度为：6月：在26日分别为：34.38%、32.98%与31.80℃，在27日分别为42.01%、43.21%与41.85%℃，10月：在27日分别为：70.31%、68.14%与66.63%，在28日分别为：28日：分别为79.11%、67.20%与77.43%。两日的日空气湿度变异系数：在6月：均以间作毛苕子处理最大(分别为30.83%与26.31%)，清耕处理最小(25.69%与23.58%)；10月：在27日以清耕最大(23.62%)，自然生草处理最小(22.73%)，在28日：以自然生草处理最大(20.71%)，间作毛苕子处理最小(12.76%)。观测时段内间作毛苕子、自然生草和清耕的空气湿度最值出现时间：6月：在26日，最低湿度均出现在16:00，与最高温度出现时间一致，在27日：最高湿度均出现在06:00。10月27日：最低湿度分别出现在16:00、14:00、14:00，自然生草与清耕处理模式的最低湿度与最高温度出现时间一致。综上所述，生草有增湿的效应。

图9 生草栽培林地空气湿度日变化Fig.9 The daily variation of aerial moisture under different sod-culture treatments

为了分析不同生草草种小气候综合效应大小，本文采用灰色关联度分析法对间作毛苕子与自然生草小气候综合效应进行了分析。以清耕区为参考系列，根据关联系数和关联度的计算公式，分别计算两个处理气温、相对湿度、0～5 cm土温、5～10 cm土温、10～15 cm土温的关联系数和关联度，由表3可知，间作毛苕子和自然生草区气温对于清耕区的关联度分别为:0.3821与0.5907，关联度越大表明生草对果园气温的调节能力越差，因之两处理对果园空气温度的调节能力为: 间作毛苕子>自然生草。同理，两处理调节果园相对湿度、0～5 cm土温、5～10 cm土温的能力均为:间作毛苕子>自然生草；调节10～15 cm土温的能力为自然生草>间作毛苕子。

两处理相对清耕区的综合关联系数分别为:0.4194和0.5954，由此可知生草处理的小气候调节效能由强到弱的顺序为: 间作毛苕子>自然生草，可见白龙江流域油橄榄园间作毛苕子小气候综合效应强于自然生草。

表3 子系列的关联度及关联系数Table 3 Correlating degree and correlation coefficient of sub-series

3 讨论与结论

在相同的大气候和局地气候范围内，果园小气候不仅受果树冠幅和株行距的影响，还与地面管理模式有关，不同的地面管理模式影响光能在大气和土壤中的传输，进而改变果园小气候。生草栽培也是常见的地面管理模式之一，不同类型果园生草试验研究表明生草栽培具有调节果园气温、土壤温度，改变果园相对湿度，调控果园小气候，改变果园生态环境的效应。一是果园生草在高温季节能抑制地温大幅上升，有效调控浅层土壤温度，杨江山[16]、张义等[17]和Wu等[18]研究表明生草处理在果园土壤温度方面表现出降温效应；二是生草有调控土壤温度，平稳地温和空气湿度，使土壤热环境保持相对稳定的效应，如阎永齐[19]在水蜜桃园、惠竹梅[20]在葡萄园、毛培春等[21]在桃园的生草试验证明了这论断；三是生草在低温季节有保温效应，唐敏等[22]在枣园，俞立恒[23]在苹果园内的生草试验均证明了这一观点。

在本试验发现白龙江干热河谷地带油橄榄园种植毛苕子和自然生草可调节地温，提高0～15 cm土层的土温和地上50 cm气温，可能原因是：虽然在6月时自然生草生长较为旺盛，茎叶密集覆盖地表增加了地表覆盖度，减少光照对地表的直接辐射和热量向深层土壤的传递；生草覆盖层空气在一定程度上处于静止状态，以及空气导热系数低的特点，使得覆盖物下的土壤升温过程缓慢，表现出高温时的“降温”作用，但因为果园地表的草呈生活状态(相对应刈割状态)且该时期也是生草生长旺盛期，其自身根系在土壤中进行的呼吸作用也较为强烈，联结生草与果树根系的丛枝菌根真菌活动也较为频繁，前面刈割覆盖的生草在微生物的作用下腐解释放养分[24]，在这个过程中也会有大量的热量的产生，多重生物因子的活动造成生草的升温效应高于降温效应，因此整体上呈现出间作生草土温高于裸地清耕的现象。在10月，因草被枯草层的致密覆盖，有效减少了地下温度的扩散，从而起到了一定的保温作用。

而在6月毛苕子处于死亡状态，其地上部形成草覆盖，由于其茎叶的腐解过程释放很多热量，在10月时其处于生长旺盛的阶段，自身根系在土壤中进行的呼吸作用也较为强烈，根系还有多种固氮菌的活动，使得间作毛苕子提高了果园土壤温度。

6月时生草栽培对果园不同土层土壤温度日变化特征的影响表现出的趋势可能与生草在强光照条件下的光合午休(同时呼吸作用正常进行)现象有关，6月和10月裸地清耕最高温出现的最晚可能与土壤的热量传输速度有关，间作生草的土壤有草的根系穿插，相对疏松，热量传输快，清耕区则相反。

不同的生草模式对果园光、热、水、气的影响程度不同，本研究显示间作毛苕子和自然生草均对油橄榄园有增湿效应，毛苕子的调节小气候功能优于自然生草。当前对生草制果园的小气候调查分析多局限于单个因子，未能对小气候综合效应进行评判，李会科等[25]运用灰色关联度分析评价了渭北旱地苹果园种植不同草种小气候综合效应，本研究运用灰色关联度分析法对白龙江干热河谷地带油橄榄园不同草种小气候综合效应分析表明间作毛苕子的小气候调节综合效应强于自然生草。

由于本试验中自然生草和油橄榄的生长期重合造成果园气温与土温的提高，因此在油橄榄生长过程中选择合适的刈割时机减缓生草生长则极为重要，选择在油橄榄园种植冷季型草种，使得果—草生育时期重合时间最短也是可供尝试的模式之一。