渭北旱塬苹果密植栽培模式对土壤水分的影响

2020-07-24白岗栓邹超煜杜社妮

浙江大学学报（农业与生命科学版） 2020年3期

白岗栓，邹超煜，杜社妮

（1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100；3.吉安市湿地管理中心，江西吉安343000）

苹果（Malus domestica）的产量形成、品质发育和经济效益与树体水分状态和果园水分供应密切相关[1-2]。砧木影响树体（接穗）的生长发育、产量、品质及营养[3-6]。渭北旱塬是中国乃至世界最大的优质苹果生产区，乔砧密植是该区域的主要栽培模式。乔砧密植树冠高大、郁闭，根系分布深而广，在降水偏少且分布不均、无灌溉水源的渭北旱塬易产生果园土壤干燥化[7-9]，造成果园早衰，影响苹果产业的健康持续发展[10-11]。矮砧密植早花、早果、丰产，且树体矮小，果实品质高，便于日常管理，是世界苹果矮化密植及集约化、商品化、区域化栽培的主要途径[12-13]。矮化砧不仅提早树体开花结果，提高果实品质，控制枝叶旺盛生长[14-17]，而且还影响树体对矿质元素的吸收、运转和利用[18-19]，特别是阻滞氮的吸收与运转[20-21]，促进磷、钾的吸收[22]，从而使叶片、果实和枝条内含有较多的营养元素[23]。矮化砧的水分输导速度慢，可抑制枝叶徒长，减轻土壤水分亏缺对果树造成的不良影响[24-25]。有关矮化砧对树体叶片光合速率、蒸腾速率的影响报道不一：大多数研究者认为矮化砧提高了叶片的光合能力[26-27]，但李海燕等[28]、WEBSTER[29]则认为其降低了叶片的光合能力；矮化砧对树体水分的输导具有一定的滞阻作用，可降低叶片的蒸腾速率[24-25,30]，但罗静等[26]、赵林等[27]报道矮砧树体叶片的蒸腾速率高于乔砧，且赵林等[31]在2018年又报道有些矮砧树体叶片的蒸腾速率则低于乔砧或与乔砧树体无显著差异。IGLESIAS 等[32]认为，矮砧、乔砧树体叶片的光合能力与蒸腾强度主要受“库”“源”相互关系的影响，即“库”强越强，则“源”强越高。有关矮化砧对苹果产量、品质、养分吸收、枝叶生长、叶片蒸腾等方面的影响报道较多[6,33-38]，但有关渭北旱塬同一地理环境下相同产量、基砧、树龄而不同砧穗组合的乔砧密植、半矮化砧密植和矮砧密植园的土壤水分，即不同砧穗组合密植栽培模式对果园土壤水分的影响却未见报道。为了探讨不同砧穗组合密植栽培模式对果园土壤水分的影响，2016年在苹果树萌芽前将相同树龄、产量的乔砧密植、半矮化砧密植和矮砧密植园0～300 cm土层土壤水分调整为同一水平，定期监测不同砧穗组合密植果园不同土层的土壤水分状况，为减轻渭北旱塬果园土壤干燥化提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验园区概况

试验园地处中国科学院长武农业生态试验站（35°12′16″—36°16′00″N，107°40′30″—107°42′30″E），海拔1 220 m，年均气温9.3 ℃，≥10 ℃活动积温3 029 ℃，日照时数2 230 h，无霜期171 d，年均降雨量578.5 mm，其中7—9 月降水约占全年降水量的55%以上。试验园土壤为黑垆土，耕层（0～20 cm土层）土壤组成为有机质9.44 g/kg，碱解氮73.65 mg/kg，全磷0.24 g/kg，速效磷41.98 mg/kg，速效钾234.65 mg/kg，pH 值7.8。试验园0～40 cm 土层土壤容重1.30 g/cm3，田间持水量21.5%，萎蔫系数8.9%；＞40～80 cm 土层土壤容重1.35 g/cm3，田间持水量22.0%，萎蔫系数9.2%；＞80～140 cm 土层土壤容重1.32 g/cm3，田间持水量21.7%，萎蔫系数9.1%；＞140～300 cm 土层土壤容重1.30 g/cm3，田间持水量21.6%，萎蔫系数9.0%。

1.2 试验材料

供试果园为同一地块、相邻且产量相近的乔砧、半矮化砧和矮砧密植园，均于1996 年春季建园，南北行向，品种均为长富2 号，基砧均为新疆野苹果（Malus sieversii），均处于盛果期。2010—2015年通过量化与更新修剪[39-40]，3个果园的年产量均调整为4.5×104kg/hm2左右。供试果园的面积、中间砧及树体生长状况等见表1，其中半矮化砧密植的中间砧露出地面约7.0 cm，矮砧密植的露出地面约5.0 cm。

表1 试验前不同密植方式果园树体生长状况Table 1 Growth status of apple trees in different orchards with different dense-planting patterns before experiment

1.3 试验设计

试验以乔砧密植为对照，于2016 年3—12 月监测半矮化砧和矮砧密植园0～300 cm 土层土壤水分，并测定不同砧穗组合果园的苹果产量。

为了避免试验前不同砧穗组合果园的土壤水分差异对监测结果带来的影响，萌芽前（3月1日）在3个果园各选5个监测区，每个监测区均由2行长势均匀的10棵（每行5棵）果树组成，并根据栽植密度（株行距）用土埂将其与其他植株隔离。监测区中部为土壤水分监测点（图1）。萌芽前以10 cm 土层为一层，用土钻采集0～300 cm 土层土壤，并埋设330 cm 长的铝制中子管（地表外露30 cm），便于以后用中子仪监测0～300 cm土层土壤水分。

图1 苹果园的补灌区及监测点Fig.1 Supplementary irrigation area and monitoring point of the apple orchard

萌芽前采集的土壤质量含水量/%用烘干法测定，然后根据土层厚度、土壤容重换算成土壤贮水量/mm[41-42]，并以最高果园（矮砧密植）土壤水分为标准，以0～300 cm土层为厚度，对土壤水分较低的果园（乔砧和半矮化砧密植园）进行补充灌溉（人工均匀喷洒）（表2），促使不同果园0～300 cm 土层土壤水分含量相同。不同果园单位面积的留花量、留果量、施肥量及病虫管理等措施相同。

1.4 测定项目

降水量：由试验园旁的长武农业生态试验站气象站监测试验期间的降水量。

土壤水分：从2016 年4—11 月，每月首日及苹果树开花坐果期（4 月20 日）、幼果膨大期（5 月20日）、花芽分化期（6 月20 日）和果实采前膨大期（9月10 日）以每10 cm 土层为一层，用CNC503B 中子仪（成都名驰仪器有限责任公司）探测0～300 cm土层的慢中子云密度，并根据慢中子云密度与水分间的函数关系及标定曲线换算成土壤含水量/mm[43]。由于中子仪测定的上层土壤水分偏差较大，每次测定时不同监测点0～40 cm土层土壤以每10 cm为一层，用烘干法测定监测点附近土壤的质量含水量/%，然后根据土层厚度、土壤容重换算成土壤贮水量/mm。中子仪测定的0～40 cm 土层水分仅作参考。由于试验地平整，土层深厚及土壤质地均匀，地下水位较深，不产生渗漏和地下水补给及水分的水平运动，且无灌溉水（不含补充灌溉量），因此，可根据土壤水分测定期间的降水量和土壤水分含量变化，计算出月、生长期（4—10 月）、监测期（3—11月）土壤水分蒸散量和生长期的土壤水分利用效率[43]。

表2 试验前不同密植方式苹果园的补灌量Table 2 Amount of supplementary irrigation of different apple orchards with different dense-planting patterns before experiment

式中：Et为土壤水分蒸散量，mm；p为降水量，mm；Is为补充灌溉量，mm；Δh为相邻月份或果树生长期（4—10 月）、监测期（3—11 月）的土壤水分变量，mm。

式中：WUE 为水分利用效率，kg/(mm·hm2)；Y为苹果果实产量，kg/hm2；Etg为果树生长期（4—10 月）的土壤水分蒸散量，mm。

果树产量：2016年苹果采收期在监测区随机选择5 棵树，测定单株苹果产量并折合为单位面积产量[43-44]。

为了便于分析，土壤水分图中插入了果园最适土壤水分（田间持水量的75%）、干燥化系数（田间持水量的50%）和萎蔫系数[45-46]。

1.5 数据处理

试验数据用SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析，用邓肯新复极差法检验不同果园之间的差异显著性。采用t检验分析不同果园的土壤蒸散量与同期降水量之间的差异。

2 结果与分析

2.1 不同果园不同生长期的土壤水分

由图2 可以看出，开花坐果期到果实采前膨大期，不同果园不同土层的土壤水分均表现为0～100 cm 土层较高且上下振荡，＞100～200 cm 土层居中且由浅至深快速降低，＞200～300 cm 土层则较低且由浅至深缓慢降低。不同生长期矮砧密植园0～300 cm 土层土壤水分含量较高，半矮化砧密植园居中，乔砧密植园则较低。开花坐果期不同果园不同土层的土壤水分由浅至深变化较缓和，果实采前膨大期则较剧烈。

开花坐果期不同果园0～100 cm 土层土壤水分均高于最适宜土壤水分，＞100～200 cm 土层、＞200～300 cm 土层及0～300 cm 土层土壤水分均低于最适宜土壤水分但高于干燥化土壤水分，不同果园不同土层之间无显著差异（图2A）。

幼果膨大期不同果园的土壤水分略低于其开花坐果期且变化规律与其开花坐果期基本相同，不同果园不同土层之间无显著差异（图2B）。

花芽分化期乔砧、半矮化砧和矮砧密植园＞100～200 cm土层土壤水分较其幼果膨大期分别降低了7.66%、7.04%和4.72%，其他土层则与其开花坐果期基本相同。花芽分化期矮砧密植园0～100 cm土层、＞100～200 cm土层和0～300 cm土层的土壤水分显著高于乔砧密植园（P＜0.05）（图2C），但＞200～300 cm 土层则与乔砧密植园基本相同，无显著差异。

果实采前膨大期乔砧、半矮化砧和矮砧密植园0～100 cm 土层和＞100～200 cm 土层土壤水分较其花芽分化期均有所提高，其中0～100 cm 土层分别提高了6.99%、10.01%和13.25%，但＞200～300 cm土层则分别下降了12.49%、11.66%和10.55%。果实采前膨大期矮砧、半矮化砧密植园0～200 cm 土层土壤水分回升速率高于乔砧密植园，矮砧密植园0～100 cm 土层和＞100～200 cm 土层土壤水分显著高于乔砧密植园（P＜0.05），0～300 cm 土层极显著高于乔砧密植园（P＜0.01），显著高于半矮化砧密植园（P＜0.05）；半矮化砧密植园0～300 cm土层显著高于乔砧密植园（P＜0.05）（图2D）。

2.2 不同果园不同土层的土壤水分

由图3 可以看出，不同果园的土壤水分均表现为0～100 cm土层的较高，＞100～200 cm土层的居中，＞200～300 cm土层的较低，不同果园之间存在一定的差异。

不同果园0～100 cm 土层土壤水分均在7 月初之前差异较小，7月初以后进入雨季则差异较大，且在7 月初为最低点，9 月初为最高点。3 月初至7 月初乔砧密植园0～100 cm 土层的土壤水分略低，半矮化砧密植园居中，矮砧密植园略高，不同果园之间无显著差异。8月初至12月初矮砧密植园各土层土壤水分极显著高于乔砧密植园（P＜0.01），显著高于半矮化砧密植园（P＜0.05），半矮化砧密植园显著高于乔砧密植园（P＜0.05）；3月初至12月初矮砧密植园的平均土壤水分极显著高于乔砧密植园（P＜0.01），半矮化砧密植园显著高于乔砧密植园（P＜0.05）。不同果园4月初的土壤水分基本相同，主要与3月初乔砧密植园和半矮化砧密植园补充灌溉密切有关（图3A）。

图2 不同栽培模式不同生长期的果园土壤贮水量Fig.2 Soil water storage of apple orchard under different cultivation models on different growth stages

不同果园＞100～200 cm 土层土壤水分均在8月初之前差异较小，8 月初以后则较大，且在8 月初较低，9月初较高。3月初至8月初不同果园各土层土壤水分表现为乔砧密植园＜半矮化砧密植园＜矮砧密植园，不同果园之间无显著差异；9月初至12月初矮砧密植园极显著高于乔砧密植园（P＜0.01）且显著高于半矮化砧密植园（P＜0.05），半矮化砧密植园极显著高于乔砧密植园（P＜0.01）；3月初至12月初则表现为矮砧密植园显著高于乔砧密植园（P＜0.05）。受补充灌溉的影响，4 月初不同果园的土壤水分基本相同（图3B）。

不同果园＞200～300 cm 土层土壤水分变化幅度较0～100 cm土层和＞100～200 cm土层小，其中8月初至9 月初的平均值分别为131.68、137.16 和142.19 mm，为监测期间的最低值，且乔砧、半矮化砧密植园的土壤水分低于干燥化土壤水分，矮砧密植园的则略高于干燥化土壤水分且显著高于乔砧密植园（P＜0.05）；不同果园3月初至12月初的平均土壤水分表现为乔砧密植园较低，半矮化砧密植园居中，矮砧密植园较高，且矮砧密植园显著高于乔砧密植园（P＜0.05）。补充灌溉对4 月初＞200～300 cm土层土壤水分无显著影响（图3C）。

受补充灌溉的影响，不同果园0～300 cm 土层土壤水分在4 月初基本相同；受降水的影响，4 月初至8 月初不同果园的土壤水分均缓慢降低，至8 月初达到最低值，8 月初至9 月初则快速上升，9 月初至12月初却缓慢降低。3月初至8月初不同果园的平均土壤水分表现为乔砧密植园的略低，半矮化砧密植园的居中，矮砧密植园的略高，不同果园之间无显著差异；9 月初至12 月初表现为矮砧密植园极显著高于乔砧密植园（P＜0.01）且显著高于半矮化砧密植园（P＜0.05），半矮化砧密植园极显著高于乔砧密植园（P＜0.01）；3月初至12月初表现为矮砧密植园显著高于乔砧密植园（P＜0.05），半矮化砧密植园略高于乔砧密植园（图3D）。

图3 不同栽培模式不同土层的土壤贮水量Fig.3 Soil water storage of apple orchard under different cultivation models in different soil layers

2.3 不同果园的土壤水分蒸散量

不同果园不同月份的土壤水分蒸散量均以7月的最高，其次为8月。4—5月不同果园之间的土壤水分蒸散量差异较大，其中乔砧密植园极显著高于半矮化砧密植园和矮砧密植园（P＜0.01），半矮化砧密植园极显著高于矮砧密植园（P＜0.01）。6—11 月，不同果园除7月的土壤蒸散量无显著差异外，乔砧密植园均极显著高于矮砧密植园（P＜0.01），8—10 月半矮化砧密植园显著高于矮砧密植园（P＜0.05）。监测期（3—11月）乔砧、半矮化砧和矮砧密植园的土壤水分蒸散量分别为649.80、603.47 和561.61 mm，生长期（4—10月）分别为602.74、559.75和519.34 mm，乔砧密植园极显著高于矮砧密植园（P＜0.01）且显著高于半矮化砧密植园（P＜0.05），半矮化砧密植园显著高于矮砧密植园（P＜0.05）（表3）。

监测期（3—11 月）矮砧、半矮化砧和乔砧密植园的土壤水分蒸散量较同期降水量分别高出4.51、46.37和92.70 mm，其中乔砧、半矮化砧密植园分别极显著（P＜0.01）、显著（P＜0.05）高于同期降水量，而矮砧密植园则与同期降水量无显著差异；果树生长期（4—10 月）较同期降水量分别高出-18.06、22.35 和65.34 mm，其中乔砧密植园极显著高于同期降水量（P＜0.01），而半矮化砧密植园和矮砧密植园的则与同期降水量无显著差异。而果园土壤水分蒸散量高于同期降水量，易导致土壤干燥化，不利于果树健康持续生长。

表3 不同苹果园不同月份的土壤水分蒸散量及降水量Table 3 Soil evapotranspiration and precipitation of different apple orchards in different months mm

矮砧、半矮化砧和乔砧密植园的苹果产量分别为46 850、47 680和46 560 kg/hm2，水分利用效率分别为82.90、79.01和72.10 kg/(mm·hm2)，矮砧密植园和半矮化砧密植园的水分利用效率较乔砧密植园分别提高了14.98%和9.58%，分别达到极显著（P＜0.01）和显著（P＜0.05）差异。

3 讨论

渭北旱塬为雨养农业区，果园土壤水分主要受大气降水和果树生长的影响[7-11,47-49]。不同密植栽培模式的果园土壤水分变化规律与众多的研究结果基本一致[7-11,14-15,43,45-52]。不同密植栽培模式0～100 cm土层和＞100～200 cm 土层的土壤水分从萌芽期至花芽分化期缓慢降低，主要是由于该阶段为果树萌芽、开花、新梢生长、幼果膨大及根系生长期，消耗了较多的土壤水分，而该阶段降水量偏少，不能及时补充土壤中消耗掉的水分。从花芽分化期至果实采前膨大期，果园土壤水分处于上升阶段，主要是由于该期7—8月降水量较大，大量降水渗入到土壤中，提高了果园土壤水分。果实采前膨大期至落叶期果园土壤水分缓慢降低，主要是由于该阶段果实采前膨大、秋梢生长及秋季根系大量生长消耗了大量的土壤水分，而9月初以后，特别是9月降水偏少，土壤中消耗的水分未能得到补充。＞200～300 cm 土层相对较深且根系分布相对较少[53]，由于降水入渗滞后及补充灌溉、根系生长影响较小等，因而整个生长期土壤水分变化相对平缓且相对滞后。

矮化果树大多是由基砧、中间砧及接穗组成的嫁接复合体，基砧、中间砧及接穗各部分相互影响、相互制约、相互适应又相互依靠，保持着各自相对独特的特性[17]。通常情况下，砧木（或中间砧）会影响砧木（或中间砧）与接穗接口之间的导水能力。矮化砧与接穗接口的导水阻力高于半矮化砧，半矮化砧高于乔砧，从而导致矮砧、半矮化砧树体根系吸水和运输水分的能力低于乔砧，导致矮砧、半矮化砧树体地上部分的水分供给减少，蒸腾速率减小，而叶片中氮、磷、钾等营养元素积累相应增多，叶片的光合能力相应增强[12-13,24-27,30,54]；但也有部分研究者认为矮化砧降低了叶片的光合能力[28-29]，提高了叶片的蒸腾速率[26-27]，主要是以上研究的苹果树为一、二年生幼树，未结果，“库”容较小，难以刺激、提高叶片的光合能力，导致叶片散失相对较多的水分，而本试验的供试树处于盛果期，“库”容大，能够刺激、提高叶片制造更多的营养物质并相应减少不必要的水分蒸腾，形成“库”强越强，则“源”强越高的态势[32]。矮化中间砧增加了砧-穗接口之间的导水阻力，减弱了叶片的蒸腾速率[12-13,24-25,30,54-56]，因而矮砧密植园消耗的土壤水分较少，而乔砧密植园则较多。果园土壤水分消耗与果树生长量密切相关[37-38,43-46,55-56]，乔砧密植的树体生长量大，而矮砧密植的较小，且乔砧密植的树体在7月以后萌发的秋梢较多[6]，因而乔砧密植园的土壤水分蒸散量较高，土壤水分含量较低。由于乔砧密植园的土壤水分蒸散量高于同期降水量，所以易加速果园土壤干燥化[48-49]。矮砧密植、半矮化砧密植园的苹果树耗水量较小，但果实产量与乔砧密植园基本一致，因而矮砧密植、半矮化砧密植栽培提高了果园的土壤水分利用率。