陕北黄土区山地枣林土壤水分研究进展

宗巧鱼，艾 宁,2,3*，刘长海，2，刘 姣，郝宝宝，张智勇，常海飞，2

(1.延安大学 生命科学学院；2.陕西省红枣重点实验室，陕西 延安 716000；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

土壤水分是植被生长所需的最基础条件[1]，它直接影响到植被对地下养分的吸收利用及植被从土层中汲取并用于蒸腾蒸发的水量，同时影响植被产生的生态效益和经济效益，是陕北黄土区决定植被生产力的主要因素之一[2]。陕北黄土区沟壑纵横，土壤瘠薄，水土流失严重，生态脆弱，土壤干化缺水[3-5]，因此，选择一种耐旱的经济树种具有重要的意义。枣树(Ziziphusjujua)耐干旱，而且在碱性土壤和酸性土壤上均能良好生长，是陕北黄土区退耕还林的一种重要经济林木，发展枣林产业改善该区生存环境，同时是提高生活水平的有效措施，即生态和经济效益显著。据统计枣树在陕北地区种植面积已经达到50多万hm2[6，7]。但陕北黄土区水资源匮乏，水土流失与干旱缺水并存，枣林地存在水分亏缺、土壤干层[8，9]等，归结为土壤水分与枣树生长关系的问题，本研究总结近年国内外学者研究成果，对陕北黄土区枣树生长与土壤水分关系的研究作以系统论述，以期为今后该区域进行山地枣园营造和管理、红枣生产基地稳定发展提供科技支撑与理论依据。

1 山地枣林土壤水分动态研究

目前，陕北黄土区关于山地枣林土壤水分的动态研究，主要集中在枣林地的蒸腾蒸发耗水[10-13]、枣林地土层内水分动态变化[14-16]及林地水量平衡三个方面的研究[17]。在生态脆弱的陕北黄土区，林地耗水一直以来都是专家学者长期关注和研究的热点问题，能准确测定植物耗水特征是土壤水分动态研究的关键。有相关研究表明在生态农业系统中，植被通过蒸散损耗掉的土壤水分总量超过90%[18]。而常用的蒸散量计算方法有Shuttleworth-Wallace(SW)[19]和Penman-Monteith(PM)[20]等模型，其中SW模型是Shuttleworth等在PM模型基础上建立了蒸发和蒸腾二源耦合，可以单独模拟蒸发和蒸腾过程。通过研究比较SW和PM模型在天然林、草地、人工林等植被条件下的精度，发现SW较PM模型模拟蒸散量具有更高的精度[21]。卫新东[10]等通过实验对SW这一模型精度进行了充分的验证，发现该模型适用于陕北黄土区山地枣林有关耗水规律的相关研究。魏新光[22]等对不同种植年限下的山地枣林蒸腾耗水特征和蒸腾差异性进行了研究，其中山地枣树蒸腾特征的研究运用热扩散式液流探针从2012年5月-2014年10月对其进行了连续的动态观察及数据测定，结果表明在蒸腾日内山地枣树呈现出的变化趋势为单峰，当气象因子达到阈值上限，枣树蒸腾不继续增加而保持基本稳定，从而有效降低蒸腾，实现对土壤水分的保守型利用。魏瑞锋[23]等研究表明土壤水分条件与植被耗水量呈正相关，枣树耗水量随着水分供应量增加而增加；相反减少植被蒸腾蒸发等水分消耗可以通过减少水分供应来实现。所以，在不影响枣树光合作用的前提下，适当减少对枣树水分的供应，可以作为提高山地枣树水分利用效率的方法。王经民[16]等应用Gauss函数与扩张因子b的积数学模型拟合在生长过程中山地枣树土壤水分的变化，分别定量描述不同林龄枣林地土壤耗水变化曲线，实验结果为随树龄增长扩张因子扩大，两者具有二次相关性，进一步说明了山地枣林土壤水分消耗的变化规律，即随着林龄增长而增大。陕北黄土区枣树林地存在土壤干化缺水等问题，针对这些严重的现象，靳姗姗[15]等利用地膜覆盖、秸秆覆盖和石子覆盖等覆盖措施下定位测定枣树林地土壤水分数据，通过数据分析不同覆盖对休眠期内山地枣林土壤水分消耗的影响；实验结果表明覆盖是促进休眠期内山地枣树土壤水分向深层移动的有效途径，其中地膜覆盖保墒效果最好。汪星[13]等将0～10 m土层范围山地密植枣林土壤水分从上到下划分为稳定层、活跃层以及难恢复层，对陕北黄土区山地枣林的土壤水分变化规律进行研究。研究结果表明山地枣树土壤水分提升最快的时期和山地枣林土壤水分最低的时期，分别是山地枣树生长最旺盛的阶段和枣树开始萌芽、休眠结束的阶段；即山地枣树水分消耗与土壤水分提升变化规律相一致，山地枣树土壤水分含量高低与枣树耗水规律相反，和降雨量规律一致。研究将土层2 m以下称为山地枣林土壤水分难恢复层，难恢复层深度取决于枣树的林龄，枣树林龄越大其深度越深。为探求山地枣树耗水特性，有研究者利用光合仪在陕北黄土区做了枣树生育期的叶片蒸腾研究[24]。研究山地枣树土壤水分动态变化特征，有利于枣树可持续生长，进一步使自然补给的土壤水分与枣树生长过程中消耗的土壤水分达到动态平衡，而枣树不同土层深度土壤水分的消耗程度与山地枣树林龄和林分的分布状况有关[16]。有研究表明[17]陕北山地枣产业区适宜的土壤经济水势区间为-68～-84 kPa。高志永[25]等研究表明露水是陕北黄土区枣林的重要水源，是水量平衡中不可缺少的输入项。

2 山地枣林土壤干层研究

自1999年退耕还林还草工程实施以来，红枣因为耐旱在陕北地区被广泛种植和推广，作为主要的经济树种红枣产业为陕北黄土区农业经济发展起到了重要作用[26，27]。随着山地枣林种植面积的不断增加，虽然枣树抗旱能力极强，但是山地枣林地不同土层依然会出现不同程度的土壤干层现象[28-30]，枣树随着林龄的增长对中深层土壤水分的需求增大，从而陕北黄土区植被出现中深层土壤水分不同程度的亏缺，甚至由于土壤水分的亏缺形成永久性土壤干层[4，5]。由于枣树林地深层土壤水分的亏缺枣树的正常生长受到影响；而且深层土壤干化后也不利于植被后续的演替和更新[30]。出现的土壤干层问题是土壤水分亏缺形成的生长问题。土壤干层形成的原因是土壤水分通过植被物理蒸发与蒸腾作用形成的黄土高原特有的土壤水文现象[31]，实质就是林地水分不能通过天然降雨得到有效补充，导致土壤深层的水分长期处于较低水平，进一步导致植被深层的土壤水分亏缺不断加重。研究者对陕北黄土区土壤干层特征和机理从多种植被不同林龄、不同立地方式、不同土地利用类型下等多个方面进行了研究[4，5，32，33]。众多学者通过研究都认为陕北黄土区出现的土壤永久性干层对植被的生长产生严重的影响[34，35]。王志强[4]、王力[5]等对枣树林地土壤水分数据进行连续定点观测，研究发现土壤水分通过地表蒸发损失基本在0～2 m土层深度和当年降雨入渗影响深度相一致，这一深度范围称为易恢复层，而降雨入渗很难到达2 m以下的土层，被称之为永久性土壤干层，因为这个深度土层形干层后，林地很难通过降雨恢复到造林之前的水平。孙波[36]等对枣树的抗旱性进行研究，研究中把枣树叶片受到水分胁迫后出现萎蔫症状且此症状不能随胁迫解除而恢复时的土壤水分用永久萎蔫系数表示，其中萎蔫系数越高，抗旱性越弱。研究结果表明枣树是一种十分抗旱的树种，在陕北黄土区枣树不会出现干旱致死。汪星[13]等研究发现12 a山地密植枣林土壤干化深度达5.7 m，从而证明山地枣树林地土壤水分亏缺这一现象在不断发展，所以研究如何提高枣树林地的水分利用从而减轻枣林土壤干化对天然降雨少同时缺乏灌溉的陕北黄土区具有十分重要的意义。刘晓丽[28]、辛小桂[37]、马建鹏[38]等研究表明随着山地枣林种植年限的增加，枣树对下层土壤水分利用加剧，年耗水量增大，耗水深度增加，土壤储水量下降，下层土壤水分亏缺加大，进而导致枣林土壤干层的分布深度增加，土壤干燥化强度也趋于增加。

3 山地枣林土壤水分与根系分布的研究

气象条件、土壤特性、土地利用类型以及根系分布等因素都直接影响植被土壤水分的垂直变化特征[2，39]，同时土壤水分含量影响植被在土壤剖面上的根系分布[2，40]。植被根系吸水主要消耗降水入渗达到最大深度以下的土壤水分，植被吸取土壤水分空间大小由植被根系的空间分布特征决定，对土壤水分的消耗具有直接作用，所以植被根系分布的最大深度可以作为其消耗土壤水分深度的重要参考指标[41-42]。刘晓丽[28]等对随林龄的增长山地枣林深层土壤水分消耗的变化规律研究进行研究，研究中枣树土壤水分消耗的深度用山地枣林细根分布的最大深度计算，结果表明枣树根系吸收水分顺序是先吸收浅层的土壤水分，之后当浅层的水分不能满足枣树生长所需的水分即水分供应不足时，根系开始吸收深层土壤水分。枣林在人工水肥管理措施的条件下，根系会形成浅层型的适应模式，在密植环境下，会形成根网型的适应模式，枣树根系数量表现为随着土层深度的增加根系数量呈递减的变化规律，与林龄无关[43]。也有研究表明[44]如果能有效控制植被根系深度，从而枣树根系在降水入渗的深度范围内能有效得到补充，那么植被在陕北黄土区就不会形成土壤干层。马建鹏[38]等研究表明，在枣树根系层，土壤水分和粉粒含量显著相关。卢俊寰[45]等研究表明9 a生枣树在0～9 m根系生物量累积垂直分布符合Y=1-βd模型，7 m以下再无根系分布。李发永[46]、MA[47]等研究表明滴灌可以影响枣树的根系深度分布，通过实验发现要达到减少枣树根系深层耗水量目的，可以通过滴灌水量使枣树最大根系深度减半，因为滴灌可以抑制山地枣树根系的生长，主要是抑制根系向深层土壤生长，从而减少深层土壤水分的消耗。刘晓丽[2]等研究也表明滴灌密植可以显著影响枣林根系分布特征，通过滴灌能使枣林细根最大分布深度减短，使整体枣林根系分布较浅，从而进一步减少对土壤深层水分的消耗。陕北黄土区的植被普遍根系较深，植被根系水分利用方式由根系分布特征决定，分布较深的根系为维持季节性干旱的蒸腾蒸发等耗水，通过吸收深层土壤水分来维持进而深层土壤水分不断被消耗[48]。相关研究表明[49,50]涌泉根灌灌溉水分可直接送达树木根系，仅对根部进行灌溉，有效减小了地表蒸发使水分得到高效利用，涌泉根灌可以提高枣树的产量，其中最佳布置方式是山地枣树涌泉根灌与灌水量水平。汪勇[51]等研究表明在滴灌条件下施用适量保水剂可以为山地枣树的生长发育更适宜的水分条件，从而提高土壤水分利用率进一步促进了枣树的生长发育。有相关研究表明[49]，对山地枣树生理、生长最有利最适宜的布置方式为每株山地枣树安装2个灌水器。何振嘉[52]等通过研究提出在雨水充足时，在果实生长关键期不灌或少量补灌，而雨水缺乏时，则需在果实生长关键期进行适当灌溉。

4 山地枣林土壤水分与节水型修剪技术的研究

魏新光[11]等在研究表明，在不影响山地枣树可继续经营预期产量的基础上，山地枣树对树体蒸腾蒸发等土壤水分的消耗可以通过修剪措施明显降低。同时有研究表明[11]修剪可以显著降低山地枣树果实膨大期和开花坐果期的树体蒸腾，从而对土壤水分的消耗同时降低。就陕北黄土区大部分山地枣林来说，既缺少有效的灌溉条件同时又缺乏地下水的补给，土壤水分来源只能依靠降雨。所以陕北黄土区在水资源有限的条件下，要将自然降水利用率达到最大，除了要减少地面蒸腾蒸发等，还可以通过节水型修剪来减少树体对水分的消耗。节水型修剪是一种常用的枣林管理技术[53]，它是结合当地生物气候条件来确定山地枣树预期产量从而进行修剪处理，可以将枣林规格控制在合理范围之内，同时减少枣林的土壤水分过量消耗，实现了陕北黄土区有效水资源的充分利用。节水型修剪以多年平均降雨为控制上限调控枣林蒸散量，通过修剪植被可以减少土壤水分的过度消耗，进一步增加土壤储水量[11]。汪有科[54]、赵霞[55]、汪景彦[56]、张文飞[57]等在研究表明在降水不足的陕北黄土区，采取节水型修剪这一技术是提高山地枣树土壤水分利用率，克服枣树土壤水分亏缺的有效途径。何婷婷[58]等研究指出不同林龄和不同坡向是影响山地枣树叶面积指数的重要因素，所以在枣树的修剪和栽培过程中因根据具体环境而定。山地枣树蒸腾蒸发消耗于不同修剪强度有关，山地枣树蒸腾蒸发等对土壤水分的消耗随着修剪强度加大而减小，从而提高林下土壤水分。汪星[59]、惠倩[60]等用HYDRUS1D模拟节水型修剪下的山地枣林土壤水分动态变化特征，研究结果表明节水型修剪技术能使土壤水分在今后60a保持良好水平，从而证明节水型修剪技术可以改善山地枣林的土壤水分。另有研究表明[61]通过合理的管理，在旱区实施枣树零灌溉是有可能的。

5 展望

山地枣树土壤水分研究对当地的植被恢复、生态环境建设以及经济建设有重要作用。土壤干层现象是陕北地区严重的土壤水文生态问题之一，制约着枣林的健康生长及其可持续发展。综上可知，供给适当且充足的水分不仅可增加枣树产量，同时也可有效控制枣林地土壤干层现象。在陕北地区合理修剪和关键期灌溉结合运用是促进枣树增产的有效措施。

为明确干旱地区土壤水分与枣树生长的深层关系，进一步提升枣林经济效益，下一步需从以下两个方面展开研究：

(1)当前有关土壤水分短缺对山地枣树的影响研究主要集中在枣树受干旱胁迫的某个时期一些生理生化特性，对系列土壤水分梯度下枣树的生理生态参数响应过程、光合生产力、水分利用效率以及山地枣树持续干旱条件下光合高效生产的适宜水分条件及其受旱阈值还需更进一步的试验研究。

(2)尽管垄沟覆膜、补充灌溉枣树根区等技术在一定程度上减缓了枣树干旱缺水的状况，提高了枣树水分利用率，但准确地评估枣树是否遭遇水分胁迫这仍然是干旱监测中还没有解决的关键问题之一，所以对陕北地区山地枣树还需进行干旱监测。