陕北山地苹果园土壤饱和导水率和植物导水率特征

魏瑶瑶,郑 恩,高铭雨,刘 敏,王 俊,张永旺,2

(1.延安大学 生命科学学院,陕西延安 716000;2.陕西省红枣重点实验室(延安大学),陕西延安 716000)

土壤饱和导水率(Ks)表示土壤孔隙度与透水能力的比值[1-2]。它是土壤质地、体积质量、孔隙分布特征的综合反映,也是重要的土壤水力学参数,影响降水入渗以及包气带土壤水分的运动过程,明确不同地区Ks分布特征及其影响因素是揭示区域土壤水分、溶质运移规律和建立相关水文模型的前提[3-5],对干旱地区土壤水资源储存与利用具有重要意义[6]。康文蓉等[7]研究发现荒漠绿洲过渡带Ks空间变异特征受体积质量、土壤水分、土壤质地共同影响,属于强变异特征。屠丹等[8]研究发现添加小粒径生物质碳,土壤的饱和导水率减小,添加大粒径生物质碳,饱和导水率增大,且随着碳含量的增加,土壤的饱和导水率呈现逐渐降低趋势。殷李高[9]发现沼液入渗过程中影响土壤饱和导水率的主要因子是体积质量、有机质和黏粒含量。Hao等[10]发现植被类型是影响亚热带森林土壤水力特性的关键因素,植被类型对Ks的影响取决于土壤深度。现阶段关于土壤饱和导水率的研究多集中在其主要影响因子土壤体积质量、有机质、黏粒含量、碳含量以及土壤深度等方面,缺乏对苹果园不同生育期土壤饱和导水率的研究,因此研究陕北地区苹果园的土壤饱和导水率特征可以明确该地区土壤水分运移规律,为该区缓解水分供需矛盾提供理论参考。

植物导水率(Kp)是表征树木运输传导水分能力大小的重要参数,是处理后枝条的水流量与该段枝条引起水流动的压力梯度的比值,水流量与导水率成正比[11]。木热巴克等[12]研究发现抗旱能力强的柽柳种类的侧枝导水能力也高,抗旱性较弱种类的柽柳导水率较低。秦洁等[13]研究发现不同植物不同组织器官植物导水率存在显著差异,并且植物各部位水势与导水率具有不同程度的正相关作用。这些研究多集中于不同植物类型在根、茎、叶的导水率关系方面,对于植物不同生育期侧枝导水率变化研究鲜见报道,因此研究其变化规律对山地苹果园合理灌溉具有重要意义。

陕北黄土高原是中国最大的优质苹果适生区。山地苹果是促进该地区经济发展、提升农民收益的支柱产业和富民产业[14]。黄土高原地处东南湿润季风气候向西北内陆干旱气候过渡地带,多年平均降雨量200～650mm,降水量偏少,同时分配很不均匀,降水偏少加之分布不均加剧了水资源供需矛盾[15]。有研究发现,黄土高原地区旱作果园深层土壤水分过耗以及土壤干燥化现象逐渐加剧,黄土高原苹果产业的发展受到土壤水分严重亏缺的威胁[16-18]。目前,在黄土高原,关于苹果园土壤水分规律,众多学者已经在水分动态生产力模拟、果树生育期需水规律、土壤水分空间变异特征等方面开展了大量工作[19-21]。但该区作为水资源严重匮乏的区域在探讨山地果园不同生育期土壤Ks和Kp及其影响因素方面鲜有报道。因此,本试验以陕北延安市安塞区南沟苹果种植地为研究区域,分析果园不同生育期Ks和Kp变化特征及其影响因素,旨在揭示陕北山地果园水分分布及运移规律,为该区水土保持措施和水资源合理利用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于陕北黄土高原特色苹果种植基地延安市安塞区高桥镇南沟村,北纬36°30′～37°19′,东经108°5′～109°26′,全区面积2 950 km2,平均海拔1 371.90 m,年均降雨501.70 mm,年均无霜期157 d左右,年平均气温9.4 ℃。为温带大陆性气候,四季分明、雨热同期、昼夜温差大。年平均日照时数为2 395 h,年平均日照总辐射量为497.7～553.4 kJ/cm2。植被类型有沙棘(Hipophaerhamnoides)、刺槐(Robinipseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)、苹果(Maluspumila)等人工种植的经济作物。

1.2 土壤样品采集与测定

试验果园位于安塞区南沟生态种植园,园区海拔1 100～1 400 m,苹果园均位于梁峁处,苹果种植面积达80 hm2,果园地形呈梯田状结构,土壤为黄绵土,试验果园为7 a生红富士,栽植行距为2.5 m×3 m,试验期为2021年4月-2021年10月,果园管理水平良好。在标准果园中心选择3个采样点,开挖0～100 cm土壤刨面,每20 cm一层共5层,各重复取样3次,先用100 cm3环刀垂直取得原状土样45个,再用自封袋各采集扰动土样约800 g。原状土样用来测定土壤体积质量、含水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。扰动土样风干研磨过筛后用来测定pH、电导率、有机质、颗粒组成,pH用PHS-3E pH计测量,电导率由DDSJ-308A电导率仪测定,有机质采用重铬酸钾外加热法测定,土壤颗粒组成用MS-2000激光粒度分布仪测定。

1.3 土壤饱和导水率测定

土壤饱和导水率(Ks)在苹果不同生育期(开花期、幼果期、果实膨大期、着色期、成熟期)使用Decagon公司生产的双水头渗透计在上述3个采样点进行原位测量,每组3个重复。测量前首先准备好实验仪器,保证主机电量充足,携带足够的水,同时携带橡胶锤;然后在采样点尽量选择相对平坦的测量点,将测量环砸入土壤中,随后将测量环、渗透计头、水袋与主机对应连接,打开水阀;最后打开主机电源,根据土壤类型设置试验参数,开始试验,试验结束后可直接得出Ks值,试验数据通过下载程序直接导出。

1.4 植物导水率测定

植物导水率(Kp)采用HPFM植物高压导水率测量仪进行测量。不同生育期时在采样点附近选择3株长势良好的果树,每株果树剪取3个直径、长度大致相同的完整侧枝,迅速放进有水的水桶中,并在保证上部枝叶不被损伤的情况下在水下切割侧枝基部,防止气泡进入,然后在恒压(400 kPa)状态下测量其侧枝导水率。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0进行数据分析,用Origin 2018做图。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质描述统计特征

由表1可知,研究区土壤饱和导水率的变化范围为0.05～1.98 mm/min,平均值和中值分别为0.71、0.54 mm/min,说明该区Ks更偏向于中高值,土壤导水能力良好;植物导水率的变化范围为1.4×10-5～18.9×10-5kg/(s·MPa),平均值和中值分别是6.74×10-5、6.44×10-5kg/(s·MPa),说明研究区部分Kp变化范围较大,但总体还是偏向中值;pH变化范围为8.28～8.69,中值和均值分别为8.5和8.49,说明该区土壤偏弱碱性,电导率变化范围较大,均值为 92.9 μS/cm;土壤体积质量变化范围为1.26～ 1.75 g/cm3,均值为1.51 g/cm3,体积质量较大,因此有机质含量不高,均值为6.82 g/kg;饱和含水量变化范围较大,为22.39%～44.76%,均值为32.36%,说明土壤水分空间差异较为明显;毛管孔隙度与非毛管孔隙度均值分别为47.47%、 0.74%,土壤中砂粒、粉粒含量较高均值分别为58.09%和 36.77%,表明该区土壤为保水性良好的砂质壤土。从变异系数角度分析,土壤理化性质中pH、体积质量、总孔度、毛管孔度、砂粒、黏粒、粉粒的变异系数分别是0.01、0.09、0.09、 0.09、0.06、 0.08、0.09,均属于低变异,说明该区土壤理化性质空间变异程度不明显,对土壤结构影响不显著;土壤饱和导水率、电导率、有机质、饱和含水量、非毛管孔隙度都属于中度变异,其中土壤饱和导水率变异程度最大,为0.77,其次是植物导水率,变异系数仅次于Ks,为0.7,属于中等变异强度。本研究中所有理化指标均呈正态 分布。

表1 土壤理化指标描述统计特征Table 1 Statistical characteristics of soil physicochemical indicators description

2.2 土壤饱和导水率及其影响因素分析

2.2.1 不同生育期土壤饱和导水率变化特征 由图1可知,苹果园不同生育期土壤饱和导水率(Ks)呈波动式变化,其中成熟期土壤导水率最大,为0.86 mm/min;幼果期、着色期和开花期土壤导水率较大,分别为0.77、0.72、0.65 mm/min;果实膨大期土壤饱和导水率最小为 0.47 mm/min。不同生育期土壤导水率差异显著(P<0.05),幼果期、着色期和成熟区的Ks值显著大于果实膨大期,幼果期和成熟期的Ks值显著大于开花期,说明不同生育期对土壤导水率的影响程度不同。

FP.开花期;IP.初果期;EP.膨大期;CP.着色期;MP.成熟期。不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同

2.2.2 土壤饱和导水率影响因子分析 由表2可知,土壤饱和导水率(Ks)与土壤体积质量、饱和含水量、黏粒含量显著相关,相关系数分别为 -0.709、0.778和-0.744,其中体积质量、黏粒含量与Ks呈显著负相关关系,表明体积质量、黏粒含量对土壤饱和导水率有阻碍作用,饱和含水量对其有促进作用;Ks还与土壤有机质含量呈极显著正相关关系,相关系数为0.853,表明土壤饱和导水率随有机质含量的提高而增大;孔隙度与土壤饱和导水率相关不显著。

表2 土壤饱和导水率与理化性质相关性分析Table 2 Correlation analysis between soil saturation conductivity and physicochemical properties

将土壤理化性质与饱和导水率进行多元逐步回归分析,得出其回归方程Ks=-5.157+ 0.421XSOM+0.071XSILT(R2=0.978),式中XSOM为土壤有机质,XSILT为粉粒含量。由通径分析可知(表3),有机质和粉粒是饱和导水率的主要影响因子,直接通径系数分别为1.881和1.143,说明有机质对饱和导水率的直接正影响很大,是影响饱和导水率的主导因子,有机质的间接通径系数为-1.028,小于其直接通径系数,说明有机质可以通过改变粉粒含量来间接对饱和导水率产生一定的负影响,但这种间接影响小于其直接影响。粉粒的间接通径系数为-1.691,小于其直接通径系数,说明粉粒对土壤饱和导水率的直接正影响大于间接负影响,且粉粒可以通过改变有机质含量对饱和导水率产生一定的负影响,但这种负影响小于正影响。

表3 有机质和粉粒含量与饱和导水率通径系数Table 3 Diameter coefficient between organic matter,particle content and saturation conductivity

2.3 植物导水率及其影响因素分析

2.3.1 不同生育期植物导水率变化特征 苹果树不同生育期的植物导水率(Kp)变化如图2所示,植物导水率呈波动性变化,变化范围为 3.34×10-5～8.25×10-5kg/(s·MPa),不同生育期植物导水率趋势表现为开花期>着色期>幼果期>成熟期>果实膨大期,其植物导水率分别为 8.25×10-5、6.12×10-5、4.25×10-5、3.38×10-5、3.34×10-5kg/(s·MPa)。由单因素方差分析可知不同生育期植物导水率之间具有不同程度的显著差异(P<0.05)。

图2 不同生育期植物导水率Fig.2 Plant water conductivity at different growth stages

2.3.2 植物导水率影响因子分析 将植物导水率(Kp)与土壤理化指标进行相关性分析,可知植物导水率与土壤饱和导水率、体积质量、总孔隙度、毛管孔隙度、饱和含水量、有机质、黏粒、粉粒、砂粒的相关系数分别为0.775、-0.923、 -0.539、-0.518、0.934、0.942、-0.886、 -0.874、 0.884,其中植物导水率与土壤饱和导水率、饱和含水量、有机质、砂粒含量呈不同程度的显著正相关,表明这些指标对植物导水率有较好的促进作用;与土壤体积质量、黏粒和粉粒呈不同程度的显著负相关,说明该类指标对植物导水率有一定的抑制作用。

为了进一步明确影响植物导水率的主要因素,在相关性分析的基础上,以植物导水率(Kp)为因变量,土壤理化性质为自变量,进行多元逐步回归分析,得出其线性方程为:Kp=-5.62×10-5+1.22×10-5XSOM(R2=0.870),其中XSOM为土壤有机质含量。由通径分析可知,土壤有机质含量是影响植物导水率的主要因子,直接通经系数为0.942,表明有机质含量对植物导水率有主导性直接影响。

3 讨 论

本研究以陕北延安山地苹果园为研究对象,通过对苹果不同生育期土壤饱和导水Ks和植物导水率Kp进行系统研究,结果显示不同生育期:土壤饱和导水率在成熟期最大,为0.86 mm/min,幼果期、着色期和开花期土壤导水率也较大,分别为0.77、0.72、0.65 mm/min,说明这几个时期土壤导水性好,有利于水分入渗;果实膨大期土壤饱和导水率最小为0.47 mm/min,说明膨大期土壤导水性较差,水分入渗量少;这是因为苹果在不同生育期的需水规律不同,不同生育期苹果的需水量为:果实膨大期>着色期>成熟期>初果期>开花期[22],果实膨大期果树需水量最大,土壤饱和导水率最低,因为植物处于最大需水期,将土壤中能吸收的水分都通过根系转移到树体中,导致土壤中向地下传导的水分减少,所以土壤饱和导水率减小。植物导水率在开花期最大,为8.25×10-5kg/(s·MPa),说明开花期植物体中水分流动量最大,树体中水分含量最多;着色期和幼果期植物导水率分别是6.12×10-5、4.25×10-5kg/(s·MPa),说明这两个时期树体中水分含量较多;成熟期和果实膨大期的植物导水率减小分别是3.38×10-5、3.34×10-5kg/(s·MPa),说明在这两个时期时树体中水分含量最少;这是因为在开花期土壤中水分充足,温度较低蒸发量小,可供树体利用的水分充足,所以植物导水率最大;在成熟期和果实膨大期,温度高、热辐射量大,导致土壤中水分散失较多,供树体利用的水量不多所以该时期植物导水率较低。目前关于陕北山地苹果园不同生育期的土壤饱和导水率与植物导水率方面的研究还较为少见,因此未能找到该地区类似方面的研究结果提供对比和参考,所以本课题组将继续对其进行更深入系统的研究,以期找到陕北山地苹果园不同生育期土壤饱和导水率与植物导水率方面更为精确的变化规律。

土壤理化性质是影响土壤饱和导水率和植物导水率的重要因素,由相关分析可知,土壤饱和导水率和植物导水率与土壤体积质量均呈显著负相关关系,这是因为体积质量越大,土壤越紧实,土壤间孔隙较少,水分在土壤中的流通量较小,使得土壤饱和导水率和植物导水率降低。土壤有机质与饱和导水率和植物导水率均呈极显著正相关,有机质可以改良土壤结构,使土壤透气透水能力增强[23],进而使得土壤饱和导水率和植物导水率增加。饱和含水量与土壤饱和导水率和植物导水率均呈显著正相关,土壤中含水量越大,土壤饱和导水率和植物导水率都会相应增大。黏粒含量对土壤饱和导水率和植物导水率均呈极显著负相关,这是因为黏粒越多,土壤颗粒间黏合力就比较大,土壤团粒变大,阻碍水分在土壤中的传导[24],致使饱和导水率降低,植物获得的水分减少导致植物导水率降低。甘淼等[25]对黄土区土壤饱和导水率进行研究,结果表明土壤饱和导水率与土壤体积质量和黏粒含量呈显著负相关关系,这与本试验的结果一致。土壤饱和导水率与植物导水率具有显著正相关关系,当土壤饱和导水率越大时,土壤与植物间的水分流通就会加快,所以植物获得水分就越多,植物导水率就越大。

由通径分析可知,有机质和粉粒含量是影响土壤饱和导水率的主导因子,两者影响程度有所不同,并且有机质含量也是影响植物导水率的主导因子,有机质含量对饱和导水率和植物导水率有直接影响,而粉粒则是通过有机质来间接对饱和导水率产生影响。有机质是土壤中微生物的食物来源之一,其含量与土壤中微生物数量呈明显的正相关关系[26-27]。所以土壤有机质的增加可以提高土壤微生物数量,土壤微生物活动可以使土壤粉粒含量提高,土壤孔隙增加进而改善土壤质地,提高土壤导水率;并且有机质还可以通过促进水稳性团聚体的形成[28],来提高土壤持水性,使土壤吸附水分的能力增强[29],所以有机质含量的提高可以使土壤饱和导水率和植物导水率增大。

4 结 论

研究区不同生育期土壤饱和导水率在成熟期最大,为0.86 mm/min;幼果期、着色期和开花期土壤导水率也较大,分别为0.77、0.72、0.65 mm/min;果实膨大期土壤饱和导水率最小,为 0.47 mm/min。植物导水率在不同发育期表现为开花期>着色期>幼果期>成熟期>果实膨大期,它们的植物导水率分别为8.25×10-5、6.12×10-5、4.25×10-5、3.38×10-5、3.34×10-5kg/(s·MPa)。

通过相关分析可知土壤饱和导水率(Ks)与土壤体积质量、黏粒含量呈显著负相关,饱和含水量和有机质与Ks呈显著正相关关系;植物导水率与土壤饱和导水率、饱和含水量、有机质、砂粒含量呈不同程度的显著正相关,与土壤体积质量、黏粒和粉粒呈不同程度的显著负相关。通过多元逐步回归分析得到Ks与Kp的传递函数,并对其进行检验发现预测值与实测值相差不大,R2均在0.9左右,能较为准确地预测Ks与Kp,说明建立的函数模型状况良好。由通径分析可知有机质含量对土壤饱和导水率和植物导水率都有直接正效应,粉粒含量对土壤饱和导水率有间接正效应。