晉西蘋果－大豆間作土壤水分的時空分布特征

高路博，畢華興，許華森，廖文超，潘 迪，次仁曲西

（1.北京林業大學 水土保持學院，北京100083；2.北京市水利規劃設計研究院，北京100048）

果農間作不僅能夠減少水土流失、增加土地利用率，同時具有較高的經濟及生態收益，作為黃土區農林復合的主要模式之一得到了廣泛應用［1－3］。但是在果農間作系統中，水、肥、光等資源是有限的，因此果樹和農作物之間必然會產生競爭，有可能對作物產量和經濟收益產生不利影響，嚴重的甚至可能影響到整個系 統 的 穩 定 性 及可 持 續發 展［4－6］。一 些相 關 研究［7－8］發現，在濕潤地區，林木與農作物地上部分的光競爭是降低作物產量的主要因素，而在干旱半干旱區種間競爭主要來自于林木與農作物根系對于有限的水、肥資源的爭奪。晉西黃土區屬于半干旱區，農田中土壤水分的唯一來源為天然降水，林木在對有限的土壤水分資源的競爭中處于優勢地位，可能造成農作物產量的降低［9］。因此，對果農間作系統土壤水分的時空分布特征進行分析研究，認識果樹與農作物種群對于土壤水分的競爭與互補機理顯得尤為重要，關系到果農間作系統在該地區的推廣應用和可持續發展。目前，在晉西黃土區對于果農間作系統已進行了一些研究，但多以核桃樹（Juglans regia）—農作物間作為主要研究對象，且樹齡較大，此時間作系統的經濟收益主要來自于果樹，研究方法也多為以整個生長季或年為尺度對間作界面整體水分分布進行研究［9－10］。本研究以晉西黃土區典型的的蘋果（Malus pumila）—大豆（Glycine max）間作系統作為研究對象，按照大豆的物候期布置試驗，定位監測蘋果—大豆間作系統及大豆單作的土壤水分含量，對其空間分布規律進行研究，并分析作物植株生長及產量對土壤水分狀況的響應，以期充分發揮果農間作系統良好的經濟、社會、生態效益，為研究區退耕還林政策的順利實施，果農間作系統的可持續發展提供理論支持和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處山西省吉縣，屬于典型的黃土殘塬溝壑區，地理坐標為35°53′—36°21′N，110°27′—111°7′E，降水量季節分配差異顯著，1991—2010年20a間年均降水量為575mm，其中6—8月約占全年降水量的80%（463mm），年均溫度10℃。土層深厚，土壤類型為均勻的黃土母質。研究區主要造林樹種有蘋果、核桃、刺槐（Robinia pseudoscacia）、杏（Armeniaca vulgaris）和側柏（Platycladus orientalis）等。

1.2 研究對象

在吉縣東城鄉柏東村選擇蘋果—大豆間作系統作為研究對象。蘋果樹栽植于2008年，株行距為4m×5m，樹行東西走向，株高2.6m，胸徑6.2cm，冠幅1.9m，果樹品種為同一品種矮化富士，采用相同砧木。大豆品種為晉豆36，播種時間為2012年5月，種植行向與樹行方向一致，株行距為0.3m×0.4m，間作系統大豆栽植時距離樹行0.3m。所有試驗樣地采用同樣的生產管理措施，全年無灌溉。研究區2012年年內降水量分布如圖1所示。

圖1 研究區2012年各月份降水量分布

1.3 研究方法

試驗蘋果—大豆間作地塊以9棵果樹為一個矩形樣地，規格為8m×10m，設置同樣面積的大豆單作為對照，各設3個重復。每個蘋果—大豆間作樣地中，垂直中心蘋果樹行布設3條調查樣線，每條樣線含6個土壤水分監測點，分別位于樹行的南北兩側，具體監測點布設如圖2所示。按照與樹行的距離不同，將采樣點分為3組用以代表距離樹行0.5m，1.5 m和2.5m處的土壤水分狀況，并分別定義為處理T0.5，T1.5和 T2.5。每個大豆單作樣地按照S形布設5個監測點采集土樣。2012年在大豆播種前（4月23日）及大豆苗期（6月4日）、開花期（7月14日）、結莢期（8月11日），在各采樣點進行土壤水分定位監測，土鉆法取土，20cm為一層，取土深度為0—100cm，采用烘干法測定土壤的質量含水量。

在果農間作系統中，由于果樹和農作物根系生態位的重疊，對土壤水分產生競爭，導致其減少，產生虧損；另一方面，樹木通過遮陰降低土壤水分蒸發，加之樹木根系的提水作用，也會對土壤水分產生一定的增益作用。這種減少和增益的綜合影響，使得土壤水分形成了新的平衡，這種綜合影響的程度定義為果農間作系統的土壤水分效應。蘋果—大豆間作系統的土壤水分效應計算公式為：

式中：E——土壤水分效應（%）；M——間作系統0—100cm的土壤含水量；MC——大豆單作0—100 cm的土壤含水量。當E為正值時，表示果農間作對土壤水分影響整體表現為增益作用；當E為負值時，表示果農間作使土壤水分整體表現為降低作用。

圖2 蘋果＋大豆間作系統土壤水分監測點布設

2012年8月20日，在各土壤水分取樣點的同一位置，選取健康的大豆植株，帶回實驗室處理，分別對其百葉干重、株高和地上部分生物量進行測定。在蘋果—大豆間作地塊，于生長季末（9月下旬），在中心樹行南北兩側分別收獲4m×2.7m的矩形樣方大豆，為了便于研究，將這兩個樣方進一步劃分為距離樹行0.3m～1.0m的區域；距離樹行1.0m～2.0m的區域和距離樹行2.0m～3.0m的區域，用以分別代表 T0.5，T1.5和 T2.5處大豆的產量。在大豆單作地塊，大豆的收割面積為3m×3m。所有收獲的大豆經過脫粒后，在70℃烘干至恒定質量，利用天平稱重并換算為單位面積上大豆產量。

2 結果與分析

2.1 播種前土壤含水量分布

大豆播種前（4月份）土壤含水量測定情況詳見表1。蘋果—大豆間作和大豆單作各層土壤質量含水量的變異系數均小于0.1，處于弱變異程度，并由上到下逐漸遞減，同等深度土層蘋果—大豆間作樣地土壤含水量的變異系數略大于大豆單作樣地。

在垂直方向上，大豆單作土壤含水量隨著土壤深度的增加逐漸升高，蘋果—大豆間作在（40—60cm）土層的平均土壤含水量出現明顯的降低，這主要是蘋果樹的根系分布及其吸水作用的結果［11］。由于蘋果—大豆間作系統內部小氣候和果樹冠幅的遮蔭共同作用的影響［12］，蘋果—大豆間作0—40cm土層的土壤含水量稍高于大豆單作樣地。方差分析表明，兩者在0—100cm土層上的平均土壤含水量均未表現出顯著差異（p＞0.05）。

表1 大豆播種前蘋果－大豆間作及大豆單作不同土層土壤含水量

2.2 土壤水分空間分布特征

在不同物候期，研究區大豆單作和蘋果—大豆間作系統的土壤含水量在生物因子和環境因子的共同作用下，空間分布特征呈現出較大差異。

2.2.1 土壤水分水平分布 在水平方向上，土壤水分的分布規律具有相似性，在同一物候期內，大豆單作CK在0—100cm土層的平均含水量均最大，且土壤含水量大小依次為：CK＞T2.5＞T1.5＞T0.5。不同物候期T0.5的土壤含水量為11.86%～14.82%，與最高值CK相比，含水量降低了4.05%～11.81%。由圖3可以看出，間作系統土壤含水量隨著與果樹行距離的增加逐漸升高并趨向于穩定。其原因主要是蘋果根系在近樹區域分布集中，對土壤水分的吸收能力強，大豆與蘋果樹在這一區域對于土壤中水分的競爭最為激烈；距離蘋果樹行較遠的區域，蘋果與大豆對于水分的競爭在一定程度上得到緩解，土壤含水量升高。

對 T0.5，T1.5，T2.5和 CK 土壤水分平均含量進行方差分析，可以發現不同的物候期蘋果樹與大豆主要水分競爭的水平分布區域不同。大豆苗期，T0.5和T1.5的土壤含水量分別比 CK降低了4.05%和1.82%，差異顯著，表明蘋果與大豆的主要競爭區域為蘋果樹行兩側1.5m的范圍內。大豆開花期，T0.5，T1.5，T2.5與 CK 相 比 分 別 降 低 了 11.82%，10.81%和2.90%，均表現出顯著差異，表明這一時期，樹行兩側2.5m的范圍內均為蘋果和大豆的水分主要競爭區。大豆結莢期，各處理的土壤含水量均有不同程度的升高，水分競爭得到緩解，T1.5和 T2.5與CK相比，未表現出明顯差異，蘋果和大豆對土壤水分的主要競爭區域為樹行兩側0.5m范圍。

注：同一系列相同的小寫字母表示差異不顯著（p＞0.05）。

2.2.2 土壤水分垂直分布 不同物候期，土壤水分的垂直分布規律不同（圖4）。在大豆苗期和結莢期，土壤平均含水量隨著土壤深度的增加而遞增，其垂直分布呈現出明顯的梯度特征，在0—100cm共5個土壤層次上，蘋果—大豆間作的土壤含水量均在一定程度上低于大豆單作。方差分析結果表明，在大豆苗期，間作系統在0—40cm土層的土壤含水量上與大豆單作有著明顯差異，在大豆結莢期，間作系統的土壤含水量在0—60cm土層上與大豆單作相比存在顯著差異。開花期，間作系統土壤水分的垂直分布由上至下先減小然后增大，間作地土壤含水量的最低值為11.20%，出現在40—60cm土層，大豆單作土壤含水量的最低值為11.42%出現在20—40cm土層，在0—100cm深度上，間作系統和大豆單作表現出顯著的差異。

土壤水分垂直分布差異與不同物候期蘋果樹、大豆的生理特性和該地區的降水規律有關。在大豆苗期，大豆根系分布較淺，加之該地區降水相對較少，土壤長期干旱缺水，土壤蒸發量大，0—20cm土層含水量的最低值就出現在該時期，蘋果樹與農作物對于土壤水分的競爭主要發生在0—40cm土層，隨著土層深度增加，競爭程度得到緩解，土壤含水量逐漸回升。在大豆開花期，雖降水量較大，但多為短時局地雷暴降雨［13］，降水強度大于土壤入滲速率，發生超滲產流，加之地表結皮，使得降水更易產生地表徑流而流失，深層的土壤水分無法得到補給，導致表層土壤（0—20cm）含水量較高，深層土壤含水量低。同時，該時期太陽光照充足，蘋果樹與大豆生長旺盛，光合及蒸騰作用強烈，生理需水量大，對于土壤水分的競爭更為強烈，間作系統在整個土層深度上都表現出了與大豆單作的顯著差異。在大豆結莢期，由于這一時期降水量的增多和降水歷時增長，土壤水分得到了補充和恢復，整體含量相對于苗期和開花期有了明顯增加。此外，樹冠的遮蔭和間作系統內部的降溫、減風速等作用也在一定程度上對間作系統內部的土壤水分垂直分布產生了影響。

2.3 間作系統土壤水分效應

蘋果—大豆間作系統的土壤水分效應值在大豆苗期、開花期、結莢期分別為－2.05%，－8.57%和－3.02%。即蘋果—大豆間作系統在0—100cm深度上土壤含水量相對于大豆單作在各物候期都表現為負效應，在大豆開花期表現的更為明顯。產生這一現象的原因，一方面在于間作系統種間競爭中占優勢地位的蘋果樹吸水根系與大豆根系均集中在0—60cm的土層中，兩者重疊的水分因子場［14］，導致了對于土壤中有限水分的激烈競爭；另一方面，間作系統的小氣候效應和果樹根系的提水作用［3］，也會一定程度上對土壤水分產生增益作用。在這種綜合作用下，蘋果—大豆間作系統中形成了土壤水分的新的平衡，并在一定程度上造成了土壤水分環境的惡化。由于本研究中的蘋果樹齡較小，林內小氣候效應和樹木群體的遮陰作用不夠明顯，因此對于蘋果—大豆間作系統在研究區的經營管理還需在更長的時間尺度上進行觀測，以更好地研究其規律并進行配置的優化。

圖4 不同物候期蘋果－大豆間作與大豆單作土壤含水量垂直分布

2.4 土壤水分對間作大豆生物量及產量的影響

距離蘋果樹行不同距離處大豆的生物量和產量（表2）表明，蘋果—大豆間作系統中，大豆的生長狀況和產量受蘋果樹的影響與樹行距離有關。處理T0.5，T1.5的株高、地上生物量和產量與CK有著顯著差異，處理T0.5的百葉干重與CK相比差異顯著。將大豆產量與3個物候期0—100cm深度的土壤平均含水量進行相關性分析，相關系數表現為：大豆開花期（0.801）＞苗期（0.689）＞結莢期（0.645），間作系統中大豆產量與3個物候期的土壤含水量均在p＜0.01水平上顯著相關。說明各物候期土壤含水量對于大豆植株的生長發育都有著重要作用，并最終影響了大豆產量和經濟收益，在大豆開花期，土壤水分的供給狀況對大豆產量的影響相對于其他物候期顯得更為重要。

表2 不同處理大豆生物量及產量

3 結論

（1）播種前蘋果—大豆間作系統土壤各層水分變異不大，在0—100cm土層深度上與大豆單作相比沒有顯著差異。

（2）不同物候期，蘋果—大豆間作系統土壤含水量水平分布規律相似。間作地土壤含水量與蘋果樹行距離正相關，在整體上低于大豆單作地。不同物候期，蘋果樹與大豆主要水分競爭的水平分布區域面積大小不同，表現為：開花期＞苗期＞結莢期。

（3）不同物候期，蘋果—大豆間作系統土壤含水量垂直分布規律不同。在大豆苗期和結莢期，間作系統和大豆單作中土壤含水量均隨著土壤深度的增加而增加，在開花期，土壤含水量出現先減小，然后增加的趨勢。不同物候期，水分競爭的土層深度也明顯不同，大豆苗期發生在0—40cm土層，開花期為0—100 cm土層，結莢期為0—60cm土層。這與該地區降水規律和蘋果—大豆的根系分布及其他因素有關。

（4）蘋果—大豆間作系統的水分效應，整體表現為負效應，效應大小與物候期有關。蘋果樹和大豆由于水分因子場的重疊導致的對土壤水分的競爭在當前樹齡和管理措施下表現的較為明顯。通過對土壤含水量和大豆生物量及產量的相關性分析可以發現，在該地區土壤水分對間作系統中大豆植株生長及最終產量的形成有著重要影響。

（5）建議在蘋果—大豆間作系統經營中，根據種間水分的競爭規律，采取適當的管理措施。大豆種植時，適當增加大豆和蘋果樹的復合距離，緩解近樹區土壤水分的競爭。在大豆苗期進行秸稈覆蓋，可在一定程度上減弱農田表層土壤蒸散，起到保墑的作用。在土壤水分競爭最為激烈的大豆開花期，對表層土壤松土，以除去結皮，促進降水入滲，并采取集雨補灌技術，以減少該時期土壤水分的種間競爭。加強田間管理措施，可以更好地發揮果農間作優勢，充分提高當地的生態、經濟及社會效益，調動農民積極性。

（6）本研究按照大豆物候期進行試驗設計，定量分析蘋果—大豆間作系統中土壤含水量的分布特征及其對大豆產量造成的影響，是對研究區農林復合系統的相關研究的進一步補充和完善。但是間作系統中作物的生長狀況及產量并不是土壤水分單一影響的結果，還與其他因子（光照、溫度和土壤養分等）有關。因此果農間作系統種間關系下一步研究的重點應將各種要素進行有機的結合，并通過長期的定位觀測，得到更加科學合理的結論，為發展農林復合這一有效的、可持續的土地利用方式提供支撐，進一步深入和完善農林復合系統理論及其可持續經營技術研究。

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