覆盖及亏缺灌溉对山地苹果生长、耗水及产量的影响

2020-09-22曹红霞薛文凯

干旱地区农业研究 2020年4期

廖阳，曹红霞，刘星，薛文凯

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100)

陕北山地苹果产区具有海拔高、土层厚、通风好、光照时间长、昼夜温差大等自然条件优势，是世界上最大的苹果产区[1]。然而该地区降雨少而不均，土壤水分蒸发大，加之苹果树强烈的蒸腾耗水作用，导致苹果园水分的供需矛盾十分突出，严重影响到果实的产量和品质[2]。因此，水资源短缺严重限制了陕北山地苹果产业的可持续发展。

作为一种地面管理措施，地面覆盖在干旱与半干旱区得到了广泛的应用[3-5]。果园中土壤蒸发和作物蒸腾消耗了大量的水分，相对于传统的裸地清耕种植模式，地面覆盖可以通过减少地表暴露和土壤扰动以减少土壤表面与大气之间的水汽交换，有效地减少土壤蒸发，因此更多的水分可以被作物根系吸收，用于作物蒸腾。土壤温度是影响作物生长的一个关键环境因子，它通过调节根区的水分和养分吸收来影响作物的生长。已有研究表明，地面覆盖能有效调节土壤温度，不同的覆盖材料对温度的影响不同，这取决于覆盖材料的性质[6-7]。据报道，地膜覆盖可以通过吸收更多的太阳辐射、减少热损失来提高土壤温度[8-9]，而有机覆盖，如秸秆、木屑，可以通过截取入射的太阳辐射、减少热交换来有效降低土壤温度[10-11]。此外，地面覆盖还可以提高土壤肥力[12]，调节降雨入渗[13]，影响作物生长和生理状况[4,14-15]。

在干旱与半干旱地区，常用亏缺灌溉来缓解缺水与农业生产的矛盾。研究表明，作物对缺水具有一定的适应性，适度缺水可能不会显著降低作物产量[16]。为了评价果树生长对亏缺灌溉的响应，学者们针对不同果树做了大量的研究，如苹果[17]、杏[18]、橙子[19]、葡萄[20]和梨枣[21]。研究发现，轻度的水分亏缺通过平衡营养生长与生殖生长，抑制了果树的过度生长，因此不会影响作物的正常生长与产量[22]。近些年，对地面覆盖与亏缺灌溉均有大量的研究，但将两者结合起来应用于果树尤其是苹果上的研究较少。因此，本研究的主要目的是研究地面覆盖与亏缺灌溉对山地苹果园苹果生长、土壤理化性质、产量、WUE的影响，为陕北山地苹果园的地面和灌溉管理提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018—2019年在陕西省榆林市子洲县清水沟现代农业专业合作社(110°1′22″E，37°16′12″N)进行。该区属温带半干旱气候，年平均无霜期170 d，年日照时数2 543.3 h，多年平均降水量428.1 mm,年均蒸发量2 290 mm。2019年生育期内平均气温为20.8℃，高于2018年生育期内平均气温(19.9℃)。2018年气温变化极不稳定，尤其是萌芽开花期与果实成熟期，2018年4月6日、7日发生了极为严重的冻害，气温急剧降低，最低温度达到了-5.5℃。2018、2019年有效降雨次数分别为30、22次(表1)，有效降雨量分别为486.8、452.2 mm。大部分降雨发生在果实膨大期，分别占到全年总降雨量的59.8%(2018年)、48.3%(2019年)。该区海拔1 100～1 200 m，地貌以丘陵沟壑为主，土壤类型主要为沙壤土，0～1 m土层平均土壤容重为1.41 g·cm-3，平均田间持水量为0.30 cm3·cm-3，平均pH值为8.5，塬面平均地下水埋深在50 m以下，是典型旱作中、晚熟苹果适生区。园区内果树生长健壮，无病虫害，果树生长管理状况在该区域具有代表性。

1.2 试验设计

选取8 a生苹果‘密脆’(MalusdomesticaBorkh. cv. Honeycrisp)为试验材料，株行距为3.5 m×2 m(种植密度1 429株·hm-2)，东西向种植。树干直径9.5～10.6 cm，树高2.7～3.0 m，树体长势均一，个体差异小。根据‘蜜脆’苹果的物候期规律，将整个生育期分为4个阶段：萌芽开花期(I期，4月上旬—5月中旬)，叶片生长期(II期，5月下旬—6月中旬)，果实膨大期(III期，6月下旬—8月下旬)，果实成熟期(IV期，9月上旬—9月下旬)。

试验采用正交试验设计，设置2个因素，分别是覆盖与灌水。共有3个覆盖处理：园艺地布覆盖、秸秆覆盖、裸地清耕。地布覆盖(FM)：免耕，沿树行向两侧挖10 cm深、1.2 m宽的沟，沟土堆于沟两侧，并修成深宽比为1∶12的斜面。沟两侧斜坡各覆盖1 m宽园艺地布，沟底20 cm不覆地布，覆上果园修剪时遗留的枝条、落叶，以利于集雨，地布两侧用土压实(图1a,图1b)。秸秆覆盖(SM)：免耕，覆盖秸秆前先平整地面，保证地面水平无斜坡。秸秆覆盖层共分为上、下两层，下层覆盖7 cm厚粉碎过的秸秆节段，上层覆盖约3 cm厚的完整秸秆，保证覆盖层总厚度约为10 cm，秸秆取自果园附近玉米地。秸秆覆盖层之上加盖尼龙网以稳固秸秆层(图1c，图1d)。稳固层秸秆在覆盖之前需在阳光下暴晒3 d以杀死秸秆中的害虫及病菌，秸秆覆盖区域为树行左右两侧各1.2 m宽区域，10月份补施秸秆。裸地清耕(TL)：清耕，地表裸露。共设有3个灌水梯度，充分灌溉(W1)：85%θf(θf为田间持水量)、轻度亏缺灌溉(W2)：75%W1、重度亏缺灌溉(W3)：50%W1。采用滴灌方式灌水，滴灌管(φ16 mm)沿种植行左右两侧布置(图1)，两侧滴灌管平行于树行布置且距离树行0.6 m，其中FM处理与SM处理的滴灌管放置于覆盖层之下；滴头流量3 L·h-1，滴头间距30 cm，每个灌水小区采用独立水表和闸阀控制灌水。以当地传统雨养苹果树作为对照(CK)，因此有TLW1, TLW2，TLW3, FMW1, FMW2, FMW3, SMW1, SMW2, SMW3, CK共10个处理，每个处理有3～5棵苹果树，重复3次，且在每个独立小区周围设置保护树。于10月初(采摘后)以700 kg·hm-2P2O5、570 kg·hm-2K2O和430 kg·hm-2尿素作为基肥进行施用，第2年6月中旬再追施430 kg·hm-2K2O和 300 kg·hm-2尿素。各小区除试验处理措施外其他农艺管理措施一致。

1.3 测定项目及方法

试验地建有全自动气象站，可监测降雨、气温、大气压强、相对湿度、太阳辐射、风速与风向等气象指标，单次降雨量大于5 mm的降雨被视为有效降雨。

新梢长度从其长度10 cm左右开始测量，在苹果树东、南、西、北各个方位各选取2个新梢，共8个新梢，每隔7 d使用软皮尺和游标卡尺测量新梢长度、新梢直径，直至新梢停止生长。采用冠层分析系统(Sunscan)从叶片生长期开始，每隔7 d测定叶面积指数(LAI)，直至生育期结束。

在TLW1, TLW3, FMW1, FMW3, SMW1, SMW3与CK处理中各选取一株具有代表性的试验树，用直角地温计分别测定5、10、15、20、25 cm 5个土层的土壤温度，每7 d定时(8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00、20∶00)测定1次。

表1 苹果生育期有效降雨

采用TRIME-T3管式TDR系统(德国IMKO公司)每隔10 d左右测定土壤水分，距树行40、80 cm埋设Trime管(图1)，每隔20 cm测定土壤含水率，直至土深100 cm为止。以裸地清耕充分灌溉处理(TLW1)土壤含水量是否低于70%θf为依据，判断是否灌水，若低于70%θf则进行灌水。灌水量计算公式为：

W=1000P×H×(θmax-θTLW1)

(1)

式中,W为灌水量(mm)；P为计划湿润比，取0.3；H为计划湿润层深度(m)，取0.8 m；θmax为灌水上限(v/v,%)，即85%θf；θTLW1为TLW1处理灌水前土壤含水率(v/v,%)。

2018、2019年分别灌水7、6次，均发生在前3个生育期，W1、W2、W3总灌水量分别为122.6、92.0、61.3，123.5、92.6、61.8 mm(图2)。

1.输水管 Water delivery pipe;2.滴灌管 Drip irrigation pipe;3.Trime管 Trime tube;4.园艺地布 Horticultural fabric;5.尼龙网 Nylon net;6.玉米秸秆 Corn straw;7.苹果树 Apple tree;8.土壤 Soil;9.完整秸秆 Complete straw;10.秸秆节段 Straw section图1 地布覆盖与秸秆覆盖布置示意图Fig.1 Layout plan of FM and SM treatments

图2 苹果生育期有效降雨量、灌水量和气温Fig.2 Effective precipitation, irrigation and air temperature during apple growth seasons

2018、2019年采摘时间分别为9月17日、9月21日，苹果采摘时对产量进行测定。

作物耗水量计算公式为：

ET=ΔW+I+P+G-D-R

(2)

式中，ET为作物耗水量(mm)；ΔW为生育期初土壤储水量减去生育期末土壤储水量(mm)；I为灌水量(mm)；P为有效降雨量(mm)；G为地下水补给量(mm)；D为深层渗漏量(mm)；R为地表径流(mm)。试验地地下水位在50 m以下，深层渗漏量与地表径流较小，故不考虑地下水补给、深层渗漏与地表径流。故公式简化为：

ET=ΔW+I+P

(3)

水分有效利用率(WUE)计算公式为：

WUE=Y/ET

(4)

式中，Y为作物产量(t·hm2)。

1.4 数据分析

使用SPSS 25.0统计软件对试验数据进行方差分析，使用最小显著性差异法(LSD)在P<0.05的显著性水平上进行多重比较，使用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 覆盖及亏缺灌溉对苹果新梢生长及叶面积指数(LAI)的影响

表3为2018—2019年不同覆盖及亏缺灌溉处理下的新梢长度、新梢茎粗、LAI。由于冻害的影响，2018年新梢长度、茎粗、LAI平均值分别只有2019年的80%、87%、85%。2 a间覆盖极显著地(P<0.01)增加了新梢长度与茎粗。2018年FM与SM 的新梢长度分别较TL增加14.22%、18.67%，2019年则分别增加10.16%、16.84%。2018年FM与SM新梢茎粗分别较TL增加19.43%、23.22%，2019年则分别增加14.98%、19.43%。

表2 2018—2019年充分灌溉(W1)灌水量

表3 覆盖及亏缺灌溉对苹果新梢、LAI的影响

不同的水分亏缺并未对新梢长度产生显著性影响。TL处理下新梢茎粗随着灌水量的减少而减少，且2019年，TLW1显著高于TLW3，但TLW1与TLW2差异不显著。覆盖处理下新梢茎粗随着灌水量的减少而减少，但差异均不显著。不同的水分亏缺处理未对LAI产生显著性影响，覆盖处理下LAI较TL有所增加，但未产生显著性的差异。CK处理下新梢长度、新梢茎粗及LAI均处在最低的水平。因此，覆盖能提高苹果树树体生长量、增强苹果树的长势，且秸秆覆盖优于地布覆盖；灌水对树体长势的提升主要体现在新梢茎粗上，对新梢长度没有影响。覆盖和灌水以及两者的交互作用均对LAI影响不显著。

2.2 覆盖及亏缺灌溉对土壤温度的影响

图3为2018、2019年苹果生育期不同处理下土壤温度的变化情况。在这2年中，尽管土壤温度变化有着一定的波动，但总体上2 a的土壤温度变化均呈现出先增加后减少的变化趋势。不同灌水梯度下土壤温度并未产生显著性差异。不同的覆盖处理对土壤温度变化产生的影响不同。FM与TL和CK的土壤温度无显著差异。SM土壤温度在整个生育期中均显著低于其他处理，2018、2019年SM土壤温度较同时期TL土壤温度分别低0.77℃～4.49℃、1.71℃～6.30℃，且随着生育期进程差异逐渐减小。表4是2018—2019年苹果各生育期的土壤温度日变化变异系数。由表4可知，2018年在I期、II期、IV期土壤温度日变化变异系数较高，而2019年土壤温度仅在I期有着较高的日变化变异系数，这可能与2018年气温的不稳定有关。在2 a的各个生育期中，SM均显著降低了土壤温度日变化变异系数，这说明秸秆覆盖可以有效缓冲与调控土壤温度变化。这从降雨气温下降后土壤温度的变化中也能得到体现，在4次降雨(2018年6月18日，2019年4月27日、7月10日、8月24日)后的土壤温度监测中，各处理土壤温度均有较大幅度的下降，而SM土壤温度的变化则相对缓和。

2.3 覆盖及亏缺灌溉对苹果树耗水量的影响

表5为2018—2019年不同覆盖及水分亏缺处理下各生育期的苹果耗水量。2 a间苹果耗水量差异较小，2018年和2019年苹果耗水量分别在475.44～580.24 mm、450.20～592.42 mm。苹果各生育期耗水量依次为：III期>I期>II期>IV期，I期耗水量占生育期总耗水量的24%～28%，II期耗水量约占17%～20%，IV期耗水量约期占8%～11%，而III期耗水量占全生育期的44%～47%，远高于其他3个时期，这可能是由于这一时期苹果进入生长旺盛期，加之气温较高，太阳辐射强，苹果园蒸发蒸腾作用较强。前3个生育期亏缺灌溉对苹果耗水量产生了极显著影响(P<0.01)，但在IV期并未产生显著差异。而覆盖对后2个生育期苹果耗水量产生了显著影响(P<0.05)。值得注意的是，相同的水分亏缺下，III期SM耗水量不仅显著低于TL，也显著低于FM。

图3 2018—2019年苹果生育期土壤温度变化Fig.3 Variation of soil temperature during the growth season of apple in 2018 and 2019

表4 2018—2019年土壤温度日变化变异系数/%

表5 苹果生育期耗水量

不同水分亏缺处理下苹果生育期总耗水量差异显著，随着亏缺程度的加重，苹果总耗水量逐渐降低，且灌溉条件下苹果总耗水量相对于CK显著增加。2 a中，W2、W3分别较W1平均节水5.6%、10.7%。同一灌水梯度下，TL在各个生育期耗水量普遍大于FM与SM，2018年TL总耗水量较FM、SM生育期分别高29.81、27.63 mm，2019年则分别高23.41、36.80 mm。

2.4 覆盖及亏缺灌溉对苹果产量及WUE的影响

图4是2018—2019年不同覆盖及亏缺灌溉处理下的苹果产量及WUE。2018年春季发生的冻害严重影响到苹果产量，2018年苹果平均产量仅为2019年的49.9%。2 a中覆盖均显著提升了苹果产量，2018年FM及SM平均产量分别为20.8、21.5 t·hm-2，均显著高于TL(16.9 t·hm-2)与CK(14.2 t·hm-2);2019年也出现了相同的规律，FM、SM平均产量为42.6 t·hm-2，42.7 t·hm-2，显著高于TL(34.0 t·hm-2)与CK(28.3 t·hm-2)。总的来看，FM与SM在2年中产量较TL提高了24.8%、25.9%。但在FM与SM处理下，不同的水分亏缺并未对产量产生显著影响。仅就亏缺灌溉对产量的影响来看，2018、2019年TL处理平均产量较CK增加14.2%与20.0%。2018年TL不同水分处理间并未出现显著性差异，2019年TLW1产量显著高于TLW3，但与TLW2之间未出现显著性差异。各处理中，SMW1(21.88 t·hm-2)和FMW1(44.37 t·hm-2)的产量分别在2018年和2019年最高，CK的产量在2018年(14.21 t·hm-2)与2019年(28.31 t·hm-2)均最低。

无论是受到冻害的年份，还是正常年份，覆盖均显著提升了苹果WUE。2018年FM、SM、TL处理WUE分别在3.74～3.99、3.84～4.22、3.03～3.10 kg·m-3，2019年则分别在7.56～7.95、7.49～8.10、5.89～6.26 kg·m-3。在覆盖处理下，重度亏缺处理有着最高的WUE。TL处理在2018年重度亏缺也有着最高的WUE，而在2019年中度亏缺有着最高的WUE，CK处理WUE在这2年中均处于最低的水平。

图4 2018—2019年苹果产量及水分利用效率(WUE)Fig.4 Apple yield and WUE in 2018 and 2019

3 讨论

本研究发现，覆盖处理可以有效提升苹果树的长势，显著增加新梢长度及新梢茎粗，在秸秆覆盖下效果更为显著。这与之前的研究结果相似：覆盖能有效增加树体生长量，其中有机覆盖增加效果更为明显[12-23]。El Jaouhari等[24]在研究中发现亏缺灌溉对新梢长度没有影响，但会显著影响到新梢茎粗，且随着亏缺的加重，茎粗逐渐降低。本研究中，2 a的亏缺灌溉并未影响到新梢长度，新梢茎粗随着亏缺程度的加重而降低，TL处理下更为明显，但仅2019年达到显著的差异，TLW1显著高于TLW3，这可能是2018年的冻害和覆盖下较高的土壤蓄水量抵消了部分灌水的效果。

土壤温度是影响作物生长发育的重要因子，其变化是随太阳辐射和大气温度变化吸收和释放能量的过程[25]。在我们的研究中，SM处理显著降低了土壤温度，且随着生育期的推进差异逐渐减小，这与贠学锋等[26]的研究结果一致。这可能是因为在土壤温度上升的生育期前期，SM有效延缓了土壤温度的增加，因此与其他处理间的差异较大，而在土壤温度下降的生育后期，SM又能延缓土壤温度的下降，因此减少了与其他处理间的差异。另一方面，秸秆会分解成残渣与有机质而消减覆盖效果。此外，随着生育期推进，冠层的增加和裸土面积减少也会降低覆盖效果[27]。地温的升高往往会导致作物物候期的提前，而地温的降低也常会导致作物物候期的延后[26,28]。苹果花的抗冻性更多取决于环境因素而非基因型，其抗冻性在红芽期最高，随着花期的进行逐渐降低[29]，因此晚花型的苹果树受冻害的影响较小。秸秆覆盖在早春升温时能有效降低地温，有利于降低苹果花期冻害带来的影响。但也有研究认为秸秆等有机覆盖会抑制早春地温的上升，不利于根系生长发育，影响作物生长[30]。秸秆在土壤表面形成温度隔离层，可以有效缓冲和调控土壤温度的变化，降低土壤温度波动，有利于根系生长及养分的吸收供给[23]，这在生育期的变化与日变化中均有所体现。冯浩等[31]在研究中发现，土壤水分变化会对土壤热力学特性产生影响，引起土壤温度降低。本研究中，降雨后土壤温度均发生了降低，SM显著地减弱了雨后土壤温度的变化幅度。

苹果树的蒸腾强烈，耗水量高于普通农作物，在水资源短缺的干旱与半干旱区，尽可能满足苹果树的需水要求是保证该区苹果产业可持续发展的关键。土壤水分被认为是影响植物生长发育的最重要因素之一，即使土壤蓄水量发生很小的变化，也会极大影响作物的生产能力[32]。降雨与灌水是补充果园水分的两条主要途径，因此探寻降雨、灌水及苹果树耗水规律具有重要的意义。由图2可知，灌水事件主要发生在生育期前期，而降雨事件主要发生在生育期后期，这体现了降雨和灌水在补充和保持土壤水分上的时间互补性。在前3个生育期，亏缺灌溉对苹果耗水量产生了极显著影响(P<0.01)，而在后2个生育期，覆盖对苹果耗水量产生了显著影响(P<0.05)。这是由于灌溉发生在前3个生育期，而生育期后期气温高，太阳辐射强导致土壤蒸发强烈，而覆盖在土壤表面阻止了土壤-大气界面的水汽交换，因此有效降低了水分蒸发，使土壤蓄水量保持在一个较高的水平。粟晓玲等[33]在石羊河流域下游苹果园中对滴灌条件下果园耗水规律进行研究，结果表明全生育期耗水量变化呈单峰型，6月中旬—7月上旬土壤耗水强度最大；钟韵等[17]研究了苹果的耗水规律，结果表明各生育阶段耗水量依次为III期>II期>I期>IV期，III期耗水量最大，占到整个生育期的59%～71%。本研究发现，苹果各生育期耗水量依次为：III期>I期>II期>IV期，其中III期耗水量最大，占到全生育期耗水量的44%～47%，这与钟韵的结论总体上相似，而形成部分差异的原因可能是由于品种和生育期划分的不同。在III期，相同的水分亏缺下SM耗水量不仅显著低于TL，也显著低于FM，这可能与秸秆不仅能降低蒸发，还可以吸收降雨增加降雨入渗有关。秸秆作为有机覆盖物，其本身可以在土壤表面形成集雨吸收层和地面障碍物。因此，秸秆覆盖不仅可以吸收部分降雨，而且可以有效地延缓和防止地表积水和径流的形成[11，34]。在生育期后期高频、大量的降雨事件中，FM处理中部分降雨将形成地表积水和径流，而秸秆的吸收能力为水分入渗提供了额外途径[35]。秸秆中的这种滞留水在几天内逐渐释放，增加了降雨入渗[11]。在我们的研究中，覆盖减少耗水量，增加了土壤贮水量，这与高茂盛等[36]在渭北旱作苹果园中的研究结果一致。郑悦等[37]研究了覆盖处理下渭北旱地矮化苹果的耗水规律，发现覆盖减少无效蒸发15.16～26.93 mm，但与本研究结果不同的是其耗水量较清耕增加12.27～25.61 mm，这可能是品种及试验环境产生的差异。

2018年春季发生的冻害不仅影响到作物长势，也极大地降低了苹果产量与WUE。本研究表明，无论是发生冻害的年份还是正常的年份，覆盖均显著提高了作物产量。这与贠学锋等[26]覆盖处理提升了产量的研究结果一致，这可能是因为覆盖改善了土壤微环境，有利于根系吸收水分、养分，提升作物长势，增加作物产量。Wang等[38]的研究也出现了类似的结果，该研究同时提出由于产量提升，耗水量下降，WUE也得到了大幅提高。由于受冻害的影响，2018年不同的水分亏缺处理对苹果产量未产生显著性影响。2019年在TL处理下，TLW1产量显著高于TLW3，而TLW2在降低25%灌水量的情况下产量没有显著的下降，这与Zhou等[39]的研究结果一致，这说明苹果对水分亏缺具有一定的适应性，适度的水分亏缺不一定会降低苹果产量[16,24]。但在覆盖下水分亏缺对产量未产生显著性的影响，这可能是因为覆盖减少了地表裸露与土壤扰动，减少了土壤蒸发，土壤含水率保持在较高的水平，降低了灌水需要，因此与裸地清耕保持相同灌水量的亏缺灌溉并未对产量产生显著影响。