覆盖材料对土壤水分、胡杨幼苗光合特性和生长发育的影响

孔凯凯，韩 炜，管文轲，文 强

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054；2.新疆林业科学研究院 林业科技推广处，乌鲁木齐 830000)

胡杨(Populuseuphratica)作为典型的荒漠优势种，对塔里木河沿岸绿洲的保护与开发起屏障作用。近年来，伴随水源短缺及人为破坏，胡杨林退化严重[1]。胡杨林更新主要有无性和有性繁殖两种，有性繁殖占主体地位[2]。然而野外天然落种更新极少，主要是幼苗对干旱环境的适应性较差所致[3]，因此研究蓄水保墒对胡杨幼苗的更新至关重要。地膜、草苫子和细沙覆盖是地表常用的覆盖方式。塑料地膜覆盖具有保持土壤表层水的作用[4]，同时也可提升深层水分至植物可吸收层[5]，还可改善水热状况起到保温、保水保墒的作用[4]。但也有研究认为地膜使夏季地温过高、阻碍雨水下渗、产生水渍[6-7]，而草苫子为可降解材料，可增加土壤养分与有机质含量[8]。细沙覆盖可产生保墒蓄水和排盐压碱[9]作用。在干旱区，地表覆盖材料对改善土壤水温与结构[10]、抑蒸、抑草、提高植物光合作用[11]和水分利用效率[12]方面具有重要作用。地膜与细沙在农作物应用较多，并且效果显著，而在林业育苗方面效应尚不清楚。草苫子是选用编好的秸秆覆盖在地表，操作方便，受风干扰小。

目前，国内外学者对覆盖保墒在农作物[5,9-10,13]上研究广泛，在林业领域近10a研究甚少，尤其对产生的土壤水分变化、植物光合作用及成本预算的系统研究鲜有报道。本研究以塔里木河下游库尔勒为试验地，选取地膜、草苫子和细沙3种地表覆盖材料，拟通过监测胡杨幼苗在不同覆盖材料下，夏季土壤含水率、胡杨幼苗光合蒸腾作用及生长状况，并结合造林成本对各处理措施进行综合评价，系统比较其差异性，以期合理选择覆盖材料，为胡杨幼苗管理及生长调控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

库尔勒市巴州苗圃(86°13′E、41°71′N)地处塔里木河中下游，属于典型的暖温带大陆性干旱气候，总日照时数2 990 h，多年均温11.4 ℃，年最热月为7月，月均温27.8 ℃，年均降雨量 58.7 mm，年最大蒸发为2 788.2 mm[14]。常年盛行东北风，夏季风热同期，扬尘浮沙严重，产生高温干旱对植物生长造成严重危害[15]。

1.2 试验设计

2018-04-20开始穴状整地(穴深与直径均为20 cm)，土壤采集于31团沿塔河两岸荒漠过渡带30 cm深的粉砂壤土，田间持水量为24.8%，土壤理化指标为：含水率5.3%、温度25.8 ℃、总盐质量分数1.65 g·kg-1、有机质16.3 g·kg-1、碱解氮58.0 mg·kg-1、速效磷28.2 mg·kg-1和速效钾538.4 mg·kg-1。于次日进行移栽，选取1 a生种子苗，苗木规格达一级标准，平均株高60 cm，地径4 mm。试验设覆膜(T1)、覆草苫子(T2)、覆细沙(T3)和无覆盖4种处理，其中以无覆盖作为对照(CK)，覆膜(T1)：采用宽100 cm，厚0.06 mm的塑料黑膜覆盖，铺满在处理对应的小区中；覆草苫子(T2)：长约20 cm的草苫子均匀覆盖在对应小区中，覆盖量为1.8 kg·m-2，经踩踏厚度约10 cm，表层覆土1～2 cm防止风袭；覆细沙(T3)：粒径约1 mm细沙均匀覆满对应小区中，厚度约5 cm；对照(CK)：常规种植，未覆盖。为保证各处理株数和总灌水量一致，每处理(穴)育苗3株，每次每穴灌水25 L。以上各处理均同。每处理面积为2 m×2 m，并对应1穴。每穴育苗3株，分3次重复。相邻2处理间种植1行面积相等的胡杨幼苗作为保护行。试验期间若有死亡及时补苗，保证每处理间的株数一致。按照对应处理分为4个小区，每个小区面积为 2 m×8 m，包括保护行小区面积共112 m2。为保证胡杨幼苗成活率，栽植时，采用生根粉(ABT)蘸根处理，秉承“三埋二踩一提苗”的原则[16]，每穴灌水20 kg。栽后加强抚育管护，试验期间定期进行5次除草，2次杀虫。缓苗期结束后的5月30日开始灌水，周期为8 d，9月1日灌水结束。所有处理除覆盖材料，其余病虫害防治等处理均相同，试验期间无施肥。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水分测定 每月中旬灌水后1 d(6月16日、7月17日和8月18日)和8 d(6月22日、7月23日和8月24日)在距植株约1 m处用钻头直径4 cm的土钻取0～80 cm土层土样，每20 cm取一层，在植株不同方向分别取3个土样作为重复，并用烘干法[9]测定土壤质量含水率。

1.3.2 光合指标测定 于7月灌水8 d后(7月23日)测定光合日变化，此阶段高温干旱的状态可清晰反映覆盖材料间的效果差异。7月23日光合有效辐射670～2 210 μmol·m-2·s-1、大气温度15.5～30.8 ℃、CO2摩尔分数380～450 mmol·mol-1、相对湿度20.5%～31.5%。利用LI-6400便携式光合仪(LICOR，USA)在8:00—20:00每隔2 h测定1次。每处理选取4株，每株选3片叶片进行重复测定，待仪器各参数稳定后，记录净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)等数据。叶片水分利用效率(WUE)=Pn/Tr[17]。因1 a生幼苗叶片无法充满叶室，所以光合数据先通过扫描仪计算叶面积[17]，然后将参数进行相应转化。

1.3.3 生长指标测定 缓苗期(4月21日—5月30日)统计各处理所有株数的成活率；每处理选取4株长势良好的植株挂牌标记，6月1日开始测量，7 d为1周期，每月测量4次，并使用卷尺和游标卡尺分别测量株高与地径。8月31日采用土壤剖面法[18]挖取植株，从地径处分成地上与地下两部分，用喷壶将根、茎、叶冲洗干净。随后晾干并装入封口袋带回实验室，于120 ℃杀青2 h后，置于70 ℃条件下烘干至恒量，用0.000 1 g天平称量，获取根茎叶(生物量)的干质量，根冠比=根干质量/地上干质量。

1.3.4 造林成本预估 于2018年4月初利用市场调研法确定造林所需材料价格。3种地表覆盖材料(地膜、草苫子和细沙)购于新疆库尔勒市华凌市场；胡杨幼苗费、运费、整地费和后期抚育管护费源于巴州苗圃规定的价格。

1.4 数据分析

用SPSS 19.0对不同处理间进行方差分析，在差异显著情况下利用LSD法进行多重比较，显著性水平为0.05，各图表中的数据为“平均值±标准误”。最后采用隶属函数值法对各覆盖产生的效果进行综合评价[19]，所用公式如下：

(1)

(2)

若胡杨幼苗生长与需计算指标之间呈正相关，采用式(1)；胡杨幼苗生长与需计算指标之间呈负相关，则采用式(2)。

式中：Uij指i处理j指标的隶属函数值，Xij指i处理j指标的值，Ximin和Ximax分别指各处理指标中的最小值和最大值。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖处理对土壤水分的影响

灌水后，6—8月不同处理垂直土层土壤水分的变化差异较大。整体上看，各处理40 cm土层以上土壤含水率较大，且从灌水后1 d到8 d明显下降；40 cm土层以下土壤含水率较小，从灌水后1 d到8 d变幅较小。对比不同月份土壤含水率发现，灌水后1 d和8 d对不同覆盖的响应程度不同。图1表明，整个周期0～20 cm土层土壤含水率均表现为T1最大，并且6月T1与其他处理均差异显著，而7月和8月灌水8 d后，随T2土壤含水率逐渐升高，T1与其差异不显著，但与T3和CK差异显著。土层深度达40 cm时，除7月23日T1与其他处理间差异并不显著。随土层加深，T1逐渐低于T2与T3，说明覆膜对提高表层(0～20 cm)土壤水分的效果优于其他处理。灌水1 d后，T1较T2、T3与CK土壤水分分别提高3.19%、 12.47%和7.35%；灌水8 d后，T1较T2、T3与CK分别提高6.57%、26.54%和 46.02%。

6月份，灌水1 d后，40 cm土层土壤含水率表现为T2>T3>T1>CK，彼此间无显著差异；40 cm土层以下表现为T3>T2>CK>T1，T3与CK间差异显著(图1-A)；灌水8 d后，土壤水分损失较大，在40 cm土层深度T3土壤含水率高达14.30%，T1和CK最低，均为13.10%(图1-D)。7月幼苗生长受高温和蒸腾耗水的影响，土壤水分消耗较大，7月土壤含水率总体低于6月和8月，0～60 cm土层土壤含水率下降幅度较大。灌水1 d后，不同处理与CK差异不明显，而灌水8 d后，不同处理与CK均差异显著(T3在20 cm数值除外，整个土层T1、T2和T3的土壤含水率较CK高33.26%、32.56%和23.72%(图1-E)。8月气温略有下降，土壤含水率变化幅度与6月相似。

由表1可知，灌水1 d后，整个周期土壤含水率的均值表现为T2>T1>T3>CK，其中CK与T2、T1差异显著；灌水8 d后，不同处理在不同月份的土壤含水率表现略有差异，6月、7月和8月分别以T2、T1和T3最大，经计算T1、T2和T3较CK高26.51%、27.95%和23.50%。T1、T2在8月的土壤含水率均值低于T3，可能与植物生长后期地膜的“青干现象”及草苫子腐解耗水有关[20]。此外，整个周期不同土层的土壤含水率T1、T2与T3较CK高11.71%、13.36%和 9.29%。综上，草苫子和地膜效果最好，可为胡杨幼苗生长创造良好的微环境。

表1 6-8月灌水1 d和8 d后0～80 cm土层土壤含水率均值变化Table 1 Mean changes of soil moisture content in soil layer 0-80 cm after 1 d and 8 d of irrigation in June and August

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下表同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference(P<0.05),the same below.

2.2 不同覆盖处理对胡杨幼苗光合作用的影响

2.2.1 胡杨幼苗光合参数日均值比较 由表2可知，各处理均相应不同程度提高了叶片Pn，T2、T3与T1较CK高51.79%、45.83%和 24.81%，CK与不同处理间差异显著。主要由于CK水分亏缺严重，气孔缩小，影响光合作用。T2处理Pn最大，可能是草苫子腐解增多光合原料，光合酶促反应更为剧烈，增大叶片气孔导度[21]。水分利用效率T2、T1与T3较CK高24.24%、 17.17%和12.12%。

表2 不同处理下胡杨幼苗光合参数的日均值变化Table 2 Diurnal mean values of photosynthetic parameters of Populus euphratica seedlings under different treatments

2.2.2 胡杨幼苗光合日变化 图2可见，CK处理Pn日变化为“双峰型”，峰值出现在10:00 (13.73 μmol·m-2·s-1)和14:00(13.15 μmol·m-2·s-1)，12:00出现“光合午休”现象；T1、T2和T3均为“单峰型”，其中T2处理Pn最高，12:00达到峰值21.39 μmol·m-2·s-1。说明3种覆盖材料均增加了对胡杨幼苗午间光能的利用，没有出现“光合午休”。方差分析表明，CK与不同处理间均差异显著，T2处理在Pn较大时，显著大于同时段的T1和T3。气孔是植物叶片与外界进行水气更新的“通道口”[22]，Gs对Pn有一定的调节作用。12:00—20:00不同覆盖处理均提高Gs，CK分别与T1、T2和T3间差异显著，说明覆盖材料在大气温度较高时，可减少幼苗叶片气孔的收缩，使其继续保持高效的光合速率。

Tr主要受土壤水分和光照等外界因子的影响[20]。不同覆盖材料下，Tr变化趋势与Pn相同，但峰值大小出现的时间有所不同。12：00-16：00不同覆盖处理与CK差异显著，并以T2和T3曲线最高(P<0.05)。说明草苫子和油沙在大气温度变高时增湿效果明显，有效降低幼苗叶片Tr，覆盖材料对Tr产生较大影响。WUE作为判断植物对逆境适应能力的指标，试验中WUE的变化趋势与Tr相反，随光照和Tr的增高WUE呈递减趋势[21,23]，8：00-10：00和20：00 T2和T1较高，二者均与CK差异显著，说明草苫子和地膜在大气温度较低时，对胡杨幼苗WUE影响较大，随温度升高，覆盖材料对幼苗WUE影响逐渐减小。

2.3 不同覆盖处理对胡杨幼苗生长发育的影响

株高、地径等是植物形态特征的重要体现，可直观判断不同覆盖材料的效果[15]。试验表明，T2、T1和T3处理的成活率为92.32%、89.48%和87.83%，分别较CK高16.02%、12.45%和10.38%。表3表明，株高、地径在不同月份的生长量存在差异，6月与8月的生长量大于7月，这可能受高温影响，7月土壤水分蒸发量过大所致。株高和地径的月增加值在7月T2最大，说明高温的7月更适合覆草苫子。此外，8月T2的生长量低于T1、T3处理，可能与后期草苫子腐烂消耗大量水分有关。方差分析显示，CK的株高、地径、生物量与各处理均差异显著。生物量与根冠比都表现为T2最大，CK最小，不同处理与CK相比，差异显著。说明干旱条件下，覆盖材料增强了胡杨幼苗对环境的适应能力，而草苫子效果 最佳。

同一时刻下不同小写字母表示差异显著(P<0.05) Different lowercase letters under the same indicator indicating significant differences(P<0.05)

图2 不同处理下胡杨幼苗主要光合参数日变化Fig.2 Diurnal variations of main photosynthetic parameters of Populus euphratica seedlings under different treatments

2.4 不同覆盖处理下胡杨造林成本预估

据市场行情及常规生产造林的调查，地膜 1 000元·hm-2，草苫子1 300元·hm-2，细沙 1 350元·hm-2，胡杨幼苗及运费共每株1元，整地费2 000元·hm-2，抚育管护费5 000 元·hm-2。按照株行距4 m×4 m，栽植2 500 株·hm-2。表4表明，覆盖处理使胡杨幼苗造林成本增加，但造林成活率与生长指标的增加幅度大于造林成本(结合表3)。假设后期需要补苗，总造林成本(前期造林成本+补苗成本)T3> T2>T1>CK，成本提高率较补苗前造林成本明显下降，下降幅度依次为84.27%、86.38%和 18.52%。可见，补苗之后T2与T1总成本明显降低，T3降幅较小。

表4 不同处理下胡杨幼苗造林成本对比Table 4 Comparison of afforestation cost of Populus euphratica seedlings under different treatments

2.5 不同覆盖处理下保墒措施综合评价

利用模糊数学隶属函数值法综合评价不同覆盖材料对胡杨幼苗产生的影响。本试验中，除造林成本指标采取式(2)，其余指标均为式(1)计算所得。表5可知，4种处理的隶属函数值T2最大(0.95)，CK最小(0.14)，T1、T2、T3之间差异不显著(P>0.05)，CK与各处理差异显著(P< 0.05)。依据裴宗平等[24]5级划分尺度：T1与T2的隶属函数均值大于0.7，定位Ⅰ级强抗，0.6≤T3(0.61)<0.7，可将T3定位Ⅱ级抗，而0≤CK(0.14)<0.3属于V级不抗。

表5 不同处理下各项指标的隶属函数值和综合排名Table 5 The subordinate function value method and comprehensive ranking of each index under different processing

3 讨 论

地表覆盖材料是半干旱、干旱区蓄水措施之一，其可减少水分蒸发，提高利用效率[25-26]。本研究发现，随土层的加深，覆盖材料对土壤水分影响逐渐降低，在高温7月和灌水8 d后保水效果凸显，与谭雪红等[27]研究的陶粒覆盖在干旱月份保水效果明显这一结论相似。由于覆盖材料间的通透性不同，故土壤水分在不同月份、土层间差异较大。试验中，覆膜在0～40 cm土层土壤水分明显大于40～80 cm土层，这与孙旭伟等[15]研究的覆膜与细沙、蒸发抑制剂相比，可显著提高表层土壤水分结论一致。可能是覆膜阻隔土壤水分垂直蒸发，改变土壤水分运移方式，膜下水分横向迁移的缘故[6,28]。然而，Li等[20]认为覆膜使植物生长前期耗水严重，生长末期出现“青干现象”，与试验中8月23日覆膜的土壤水分低于其他2种覆盖处理结果相吻合。覆细沙的土壤水分以下渗和侧渗为主，在0～20 cm出现干沙层，20～80 cm土层土壤水分较高，验证了刘新平等[29]提出干沙层可稳定土壤水分，抑制蒸发的结论。草苫子在保墒和提高水分利用效率等方面作用突出，且秸秆也被有效利用，便于资源可持续发展[6]。Chandra等[30]研究表明异常干旱季节草苫子保墒蓄水能力更强。本研究中，覆草苫子的土壤水分增幅最大且在7月和灌水8 d后表现更明显，与前人研究结果一致[4,9,12,21]。

光合作用作为植物有机物合成与能量获取的途径之一，其参数可揭示植株生长与抗逆性强弱的程度[27,31-32]，以便从幼苗生理角度选择最佳地表覆盖材料。研究发现：覆盖材料均不同程度地提高叶片Pn、Tr、Gs，主要因覆盖材料调节了土壤水肥气热，优化胡杨幼苗生长环境，改善叶绿体结构[10-11]。黄萍等[12]认为草苫子因后期腐解释放出CO2，增添光合原料，有利于提高植株光合能力，这与本试验覆草苫子Pn最大相一致。覆膜Pn显著低于覆草苫子和覆细沙，可能是由于胡杨幼苗根系主要分布在20～60 cm土层[33]，而覆膜在此土层土壤水分低于胡杨适宜生长的临界值15%[1]。WUE随Pn与Tr变化而变化，覆盖处理在保持土壤水分，提高叶片Pn的同时也使WUE保持在较高的水平。草苫子由于良好的透水性能，对灌水后的水分可及时吸收，稳定了土壤水分，使光合速率最大，水分利用效率最高。地膜透水性能较差，使水分顺膜面流失。因此，纵观时间尺度地膜保水效果以及对幼苗的光合积累不及草苫子。

覆盖材料稳定了土壤水分，弥补了常规移植中过量耗水对幼苗产生的副作用，大幅提高生长量。本研究中，3种覆盖处理显著提高了幼苗的成活率与根冠比。株高和地径的月增加值7月低于6月和8月，可能是7月幼苗受高温影响，耗水严重，水分利用效率低所致[15]；其中7月覆草苫子的月增加值最大，说明草苫子在高温季节效果更佳，而8月的月增加值低于覆膜和覆细沙，可能与草苫子腐解耗水严重有关[34]。此外，8月覆细沙的地径月增加值最大，可能与沙层散热快迫使土壤水分上移有关[12]。覆膜和覆草苫子显著提高了幼苗生物量与根冠比，主要是二者良好的保水效果为幼苗运输营养物质提供基础，便于根、茎、叶的吸收。

4 结 论

6—8月份，利用覆膜、覆草苫子和覆细沙3种覆盖处理均可提高0～80 cm土层的质量含水率，在7月和灌水8 d后表现最明显。不同覆盖材料覆盖处理显著提高了胡杨幼苗叶片净光合速率和水分利用效率，改善其光合能力，增强幼苗对环境的适应程度。同时，胡杨幼苗的成活率得到大幅提高，株高、地径、生物量和根冠比均明显增长，在不同程度上促进植株生长发育。通过对3种覆盖材料的造林成本预估核算，其成本均有所降低。本试验条件下覆草苫子效果最好，造林成本最划算。隶属函数值的结果也表明，覆草苫子>覆膜>覆细沙>CK。综上，塔里木河胡杨幼苗移植抚育中推荐以草苫子作为土壤覆盖材料。