限定棗樹生長(zhǎng)下的棗林耗水特征

劉 戀，張敬曉，靳姍姍，孫 波，董建國(guó),5，汪有科,5

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；4.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430000；5.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

黃土高原是世界上水土流失最嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一。為了改善黃土高原惡劣的生態(tài)環(huán)境，我國(guó)政府開展了退耕還林還草工程，對(duì)黃土高原水土流失治理和改變?cè)搮^(qū)域的生態(tài)環(huán)境起到顯著的作用[1-3]，可同時(shí)也帶來了深層土壤干燥化問題[4]。陜北地區(qū)在退耕還林政策的扶持下，發(fā)展了大規(guī)模的紅棗人工經(jīng)濟(jì)林，但棗林和其他人工造林植被一樣，面臨著嚴(yán)重的土壤水分虧缺問題[5]。

長(zhǎng)期以來，黃土高原人工植被引起的土壤干化問題一直是生態(tài)學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。如何解決當(dāng)?shù)刂脖唤ㄔ焖斐傻耐寥浪痔澣币惨恢笔谴蠹以噲D解決的熱點(diǎn)問題。黃土高原人工林地的蒸散量大于降水量，導(dǎo)致土壤水分長(zhǎng)期處于負(fù)補(bǔ)償效應(yīng)，經(jīng)過植被多年的生長(zhǎng)耗水根區(qū)范圍土壤水分已生態(tài)失調(diào)，進(jìn)而形成了一定程度的土壤干層。土壤干化導(dǎo)致植物生長(zhǎng)減緩甚至大片死亡，造成土壤干燥化的趨強(qiáng)發(fā)展和產(chǎn)生林相衰敗的小老樹等限制當(dāng)?shù)亓植葜脖唤ㄔO(shè)的問題[6-7]。因此，在黃土高原地區(qū)發(fā)展人工林必須慎重考慮土壤水分的補(bǔ)償特征，若要防治人工植被土壤干化就必須合理調(diào)控林地生產(chǎn)力，使植物蒸騰耗水與土壤水分補(bǔ)償之間保持平衡[8]。

榆林大面積山地棗樹種植年限已經(jīng)有18 a，隨著樹齡增加，棗林地土壤干化也在不斷加重，馬建鵬等的研究表明5、15 a棗林地耗水深度分別為440、800 cm，出現(xiàn)干層的厚度分別為100、400 cm[9]。土壤干層的形成，嚴(yán)重影響植被的正常生長(zhǎng)。如何降低棗林耗水深度緩解土壤干化已成為近年學(xué)者研究的一個(gè)重點(diǎn)。靳姍姍和白一茹的研究證實(shí)，薄膜、地布、石子等覆蓋保墑措施能夠有效減少棗林地土壤水分蒸發(fā)量，從而提高土壤含水量[10-11]。藺君等提出魚鱗坑、聚水溝、水平階等降雨徑流攔蓄措施對(duì)于減少林地水分流失也具有重要意義[12-13]。此外，魏新光等和聶真義研究認(rèn)為通過修剪、矮化密植等措施縮小樹體規(guī)格減少蒸騰耗水也能夠?qū)崿F(xiàn)棗林水分利用效率的調(diào)控[14-15]。

生物量作為棗樹在生態(tài)系統(tǒng)中積累的植物有機(jī)物的總量，是決定棗樹營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的能量基礎(chǔ)和物質(zhì)來源。旱作條件下土壤水分是影響棗樹生物量的主要因子，是決定棗樹產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[16]。相反，棗樹生物量也直接影響其耗水量，從而影響土壤水分，這與以往研究提出降低土地水分承載量的道理是一致的[17]。本研究在控制棗樹樹體規(guī)格的基礎(chǔ)上，對(duì)棗樹生物量、土壤水分與耗水特性的關(guān)系進(jìn)行分析，為旱作棗林科學(xué)修剪管理和完善“節(jié)水型修剪”技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)在陜北米脂縣銀州鎮(zhèn)遠(yuǎn)志山紅棗示范基地(37°12′N、109°28′E)，該區(qū)域?qū)儆诘湫忘S土高原丘陵溝壑區(qū)，平均海拔1 049 m，地勢(shì)總體西北高東南低。米脂縣域西部與榆林的風(fēng)沙區(qū)接壤，地貌類型主要有峁、梁、溝、川。溝道淺而寬、梁峁起伏較大，土壤風(fēng)蝕沙化明顯，植被稀少，水土流失嚴(yán)重。土層深厚，地下水埋深在50 m以下，對(duì)植物根系吸水的影響較小。地屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，全年雨量不足，氣候干燥，冬春長(zhǎng)，夏秋短，四季分明，日照充沛，年平均氣溫8.4℃，極端最高氣溫38.2℃，極端最低氣溫-25.5℃，無霜期162 d。年均降水量451.6 mm，其中7—8月份降水量占全年降水量的49% ，8月份最多[18]。土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土為主，質(zhì)地為粉質(zhì)沙壤土，容重1.24 g·cm-3，田間持水量為23%。

1.2 試驗(yàn)布設(shè)與指標(biāo)測(cè)定

1.2.1 試驗(yàn)布設(shè) 研究設(shè)置5個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。每個(gè)處理面積為6 m2(2 m×3 m)規(guī)格的小區(qū)(如圖1所示)。1～5小區(qū)深度分別2、3、4、5、6 m。各小區(qū)四周采用水泥砌墻與周圍土壤隔離(襯膜)，底部用塑料隔膜限制各小區(qū)深度，2013年各小區(qū)分別栽植1棵棗樹。2014年棗樹度過緩苗期，生長(zhǎng)狀況達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，樹體控制規(guī)格為高160 cm±14 cm，冠幅160 cm×160 cm,二次枝總長(zhǎng)度300 cm±10 cm，每7天復(fù)查修剪一次，盡量保持樹體規(guī)格指標(biāo)的精準(zhǔn)化。

圖1 研究小區(qū)布設(shè)示意圖Fig.1 Experimental layout

1.2.2 棗樹生長(zhǎng)指標(biāo)觀測(cè) 在棗樹生育期每隔7天測(cè)量一次棗樹樹高、冠幅東西、冠幅南北、冠幅厚度、主枝長(zhǎng)度、側(cè)枝總長(zhǎng)度、棗吊長(zhǎng)度、葉片橫徑、葉片縱徑等各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)。主枝數(shù)、側(cè)枝數(shù)、棗吊數(shù)、葉片數(shù)通過目測(cè)得到。樹高、冠幅：每月初用鋼卷尺測(cè)定一次。主枝：采用鋼卷尺每7天測(cè)量一次主枝長(zhǎng)度，用游標(biāo)卡尺測(cè)量主枝中部粗度，單位為mm。側(cè)枝：每7天在棗樹四面隨機(jī)選取3個(gè)側(cè)枝，用鋼卷尺測(cè)量側(cè)枝長(zhǎng)度，用游標(biāo)卡尺測(cè)量側(cè)枝中部粗度，單位mm。棗吊：每7天在棗樹四面隨機(jī)選取15個(gè)棗吊，用卷尺測(cè)量棗吊長(zhǎng)度，用游標(biāo)卡尺測(cè)量棗吊中部粗度，單位mm。葉面積：每7天在棗樹四周隨機(jī)選取15片葉片，用直尺測(cè)量葉長(zhǎng)和葉寬，通過計(jì)算求得葉面積(葉面積=葉長(zhǎng)×葉寬×0.67)。產(chǎn)量測(cè)定：采摘果實(shí)稱量得到每棵樹的平均產(chǎn)量，根據(jù)當(dāng)?shù)貤棃@矮化密植的種植密度換算成每公頃的產(chǎn)量。

生物量：用卷尺、鋼尺、游標(biāo)卡尺等測(cè)量?jī)x器，測(cè)量包括修剪去除的全部枝條長(zhǎng)度、枝條枝徑、棗吊長(zhǎng)度、棗吊枝徑、單棵棗吊數(shù)目、葉片縱徑、葉片橫徑、棗吊上葉片數(shù)、果實(shí)橫徑、果實(shí)縱徑、單棵果實(shí)數(shù)，然后用佘檀等[19]建立的模型計(jì)算生物量，公式如下:

B=B1+B2+B3+B4

(1)

(2)

(3)

(4)

B4=4.568×10-5Z1.374×T0.901

(5)

式中，B為棗樹單株生物量(g)；B1為主枝生物量(g)；D1為主枝直徑(mm)；H1為主枝長(zhǎng)度(mm)；B2為側(cè)枝生物量(g)；D2為側(cè)枝直徑(mm)；H2為側(cè)枝長(zhǎng)度(mm)；B3為棗吊生物量(g)；D3為棗吊直徑(mm)；H3為棗吊長(zhǎng)度(mm)；B4為葉片生物量(g)；Z為葉片縱徑(mm)；T為葉片橫徑(mm)。

1.2.3 土壤含水率測(cè)定 在各小區(qū)的中心位置按測(cè)量深度分別放置2、3、4、5、6 m深鋁管作為中子儀土壤水分測(cè)定點(diǎn)，采用CNC503B型NP中子儀在每月初測(cè)定一次土壤體積含水量，測(cè)定間隔20 cm，如遇降雨則在雨停之后測(cè)定。

1.2.4 土壤儲(chǔ)水量 土壤儲(chǔ)水量計(jì)算公式為：

W=0.1rvh

(6)

式中，r為土壤質(zhì)量含水率(%)；v為土壤容重(g·cm-3)；h為土層深度(cm)。

1.2.5 棗樹耗水量 棗樹耗水量的計(jì)算公式為：

ET=0.001(P-ΔW)sρ

(7)

式中，ET為作物耗水量(m3·hm-2)；P為降水量(mm)；ΔW為土壤儲(chǔ)水量變化量(mm)；S為平均單棵棗樹占地面積(m2·棵-1)；ρ為棗樹栽植密度(棵·hm-2)。

1.2.6 水分利用效率 水分利用效率計(jì)算公式為:

(8)

式中，WUE為水分利用效率(kg·m-3)；Y為產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為作物耗水量(m3·hm-2)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析主要采用Excel 2012和IMB SPSS Statistics 19.0軟件，作圖采用AutoCAD和Origin 9.1軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 限制棗樹生長(zhǎng)下的地上生物量與土壤水分

生物量是綠色植物轉(zhuǎn)換利用光能與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)累積的結(jié)果[20]，旱作棗樹生物量是影響半干旱區(qū)棗林土壤水分的重要指標(biāo)。根據(jù)劉曉麗等的研究，將密植棗林深層土壤剖面分別命名為:強(qiáng)耗水層(2.0～4.4 m)、弱耗水層(4.4～5.0 m)及微弱耗水層(5.0～7.0 m)[21]。本研究中耗水層是指植物根系吸收水分用于植物生長(zhǎng)與蒸騰最多的土層，也就是觀測(cè)期間土壤含水量發(fā)生明顯變化的土層。在此，對(duì)試驗(yàn)區(qū)2015—2017年棗樹規(guī)格、單株地上生物量(保留部分+修剪部分)、耗水層年平均土壤含水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)，由表1可以看出同年各小區(qū)之間的生物量在P=0.05水平上無顯著性差異，符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

由表1還可以看出，盡管試驗(yàn)采取了相同的修剪指標(biāo)控制樹體規(guī)格，限制樹體自由生長(zhǎng)，但是不同年份各小區(qū)的生物量表現(xiàn)出2017年>2016年>2015年的規(guī)律。這里可能有樹齡因素也有降水量的影響，觀測(cè)期三年中的降水量2015年434.80 mm，2016年590.8.20 mm，2017年619.60 mm，與生物量的變化規(guī)律一致。經(jīng)測(cè)算發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)棗樹根系深度還受到小區(qū)深度限制，如1區(qū)和2區(qū)處理深度只有2 m和3 m，導(dǎo)致棗樹根系層深度無法超越小區(qū)深度，同時(shí)，小區(qū)深度也會(huì)限制土壤儲(chǔ)水量，由于缺少深層土壤水分補(bǔ)給，所以1區(qū)、2區(qū)供給棗樹生長(zhǎng)的土壤儲(chǔ)水量較3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)要少，所以棗樹生長(zhǎng)總量較小。1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)處理深度逐漸加大，意味著土壤儲(chǔ)水能力和土壤儲(chǔ)水量對(duì)棗樹生長(zhǎng)作用逐漸增加，棗樹各處理上的總生物量也呈增加的趨勢(shì)并呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，三年內(nèi)生物量與小區(qū)深度的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.986**、0.921*、0.963**，但由于我們采取修剪控制樹體生長(zhǎng)，各處理之間的生物量差異不顯著，由此造成的各處理地上生物量與耗水層土壤水分差異也不顯著，這也證明限制棗樹生長(zhǎng)一定程度上限制了土壤水分的消耗量。

表1 各小區(qū)棗樹生長(zhǎng)狀況與水分狀況

注：同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters in a column are significant difference atP<0.05 level.

2.2 限定棗樹生長(zhǎng)下的棗樹耗水狀況

降雨是試驗(yàn)區(qū)土壤水分補(bǔ)充的唯一途徑，各小區(qū)地表面積相同，因此接收的降雨量也相同，通過小區(qū)水量平衡可以計(jì)算出棗樹耗水量。試驗(yàn)觀測(cè)期間，試驗(yàn)各處理土壤含水率變化見圖2。可以看出，2014年棗樹度過緩苗期樹體較小消耗的水分少，土壤含水率達(dá)7%左右。2015年，棗樹樹體達(dá)到一定規(guī)格，生長(zhǎng)需水量增大，但降雨量較少，1～2 m土層土壤含水率接近凋萎含水量，棗樹通過吸收更深層的土壤水分維持生長(zhǎng)，導(dǎo)致2015年耗水深度明顯增加。2016年降雨量增加，降雨量能夠滿足棗樹生長(zhǎng)需水量，土壤含水量在0～300 cm土層有所恢復(fù)。2017年降雨量較大，在滿足棗樹生長(zhǎng)前提下，土壤水分仍有富余，土壤含水量在2016年的基礎(chǔ)上再次增加。3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)320 cm以下土壤水分含量有逐年增大的趨勢(shì)，320 cm以上土層各小區(qū)土壤水分變化規(guī)律基本相同，說明棗樹在試驗(yàn)所限定的規(guī)格下土壤耗水深度均在320 cm左右。根據(jù)馬建鵬等[9]在本地區(qū)的研究，未修剪的5a棗樹耗水深度可達(dá)440 cm，試驗(yàn)地5齡棗樹耗水深度遠(yuǎn)低于未修剪的棗樹，說明一定強(qiáng)度的節(jié)水型修剪可以有效降低棗林的耗水深度。研究表明，通過控制樹體規(guī)格可以調(diào)控樹體的水分消耗[22]。樹冠生長(zhǎng)與根系生長(zhǎng)和土壤水肥資源之間存在函數(shù)關(guān)系，根系吸水能力的變化可用于判斷枝條生長(zhǎng)情況[23]。并且樹木地上部分各器官的形成和生長(zhǎng)與地下部分根系的形成和生長(zhǎng)也密切相關(guān)[24]。通過修剪導(dǎo)致棗樹根系發(fā)生了一系列變化以平衡根-枝比，從而影響根系吸水能力，使棗樹的根系分布層被限制在一定范圍，進(jìn)而控制棗樹耗水深度[25]。

圖2 各小區(qū)0～600 cm土層土壤水分年際變化Fig.2 The soil moisture in 0～600 cm soil layer under different treatments

由于小區(qū)深度不同，在相同降雨條件下小區(qū)儲(chǔ)水量不同，使得5個(gè)小區(qū)存在儲(chǔ)水量梯度。5個(gè)小區(qū)在自然降雨條件下耗水層的土壤儲(chǔ)水變化情況如圖3所示。干旱年(2015年)各小區(qū)儲(chǔ)水量相比2014年呈明顯下降趨勢(shì)，2016、2017年的土壤水分通過自然降水恢復(fù)，儲(chǔ)水量的變化情況與降水量的變化規(guī)律相同，這說明在非干旱年可以通過節(jié)水型修剪雨養(yǎng)棗樹恢復(fù)土壤干層。

圖3 各小區(qū)耗水層土壤儲(chǔ)水量逐年變化Fig.3 Annual change of soil water storage in water-consuming layer of different test plot

由表2可知當(dāng)降水量多土壤水分含量較高時(shí)，棗樹的耗水量較大；反之，降水少土壤水分含量較低時(shí)，棗樹對(duì)水分的消耗大幅降低。2015年各小區(qū)耗水量分別為456.00、470.60、469.99、488.88、482.66 mm，該年降水量434.8 mm低于當(dāng)年棗樹耗水量，水分嚴(yán)重虧缺，棗樹生長(zhǎng)消耗的土壤水分不能被降水及時(shí)補(bǔ)充，造成土壤干化。2016、2017年試驗(yàn)棗樹耗水量分別為546.77、517.45、522.96、530.19、539.62 mm和567.41、560.08、551.56、558.33、549.21 mm，棗樹耗水量均低于當(dāng)年降水量，降水能夠滿足棗樹生長(zhǎng)需求。三年試驗(yàn)期間棗樹平均耗水量為520.78 mm，接近平均降雨量548.40 mm，說明試驗(yàn)采取的修剪強(qiáng)度符合當(dāng)?shù)亟涤陾l件，可以作為節(jié)水型修剪的控制指標(biāo)。在非干旱年降水量能夠滿足棗樹生長(zhǎng)耗水需求。

2.3 限定棗樹生長(zhǎng)下的棗樹水分利用效率

陜北地區(qū)干旱少雨，因此提高棗樹的水分利用效率是實(shí)現(xiàn)棗林地生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，水分利用效率高，說明棗樹對(duì)水分的利用更加經(jīng)濟(jì)。將試驗(yàn)區(qū)附近同類型地塊的常規(guī)矮化密植山地棗樹作為對(duì)照，與 2015、2016、2017 年試驗(yàn)區(qū)各處理的產(chǎn)量和水分利用效率進(jìn)行了對(duì)比分析(表3)。表3可以看出，4個(gè)小區(qū)無論是生物量水分利用效率還是產(chǎn)量水分利用效率都明顯高于對(duì)照，說明節(jié)水型修剪可以提高棗樹水分利用效率。此外，棗樹的產(chǎn)量還受年降水量的影響，水分充足的2017年平均產(chǎn)量接近2015年兩倍，說明降水量對(duì)棗樹產(chǎn)量仍然起主導(dǎo)作用。

表2 各小區(qū)2015-2017年降雨量、儲(chǔ)水量變化量和耗水量比較Table 2 Comparisons of rainfall, changes in water storage and water consumption from 2015 to 2017

表3 各小區(qū)產(chǎn)量及水分利用效率比較

3 討論與結(jié)論

1)植被耗水所導(dǎo)致的土壤水分虧缺是形成土壤干層的主因，深入研究棗林的耗水特征是維系棗林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)采用修剪限定棗樹生長(zhǎng)具有明顯的限制棗樹耗水量的作用。雖然在土壤水分較充足或者降雨量大的年份時(shí)棗樹耗水量還是略有增加，棗樹生物量也會(huì)略有增加，但限定棗樹生長(zhǎng)的修剪仍然可以作為防治土壤水分過度消耗的措施。

2)隨著林齡的增長(zhǎng)，修剪后棗林耗水深度小于自然生長(zhǎng)下的棗林。試驗(yàn)所采取的修剪規(guī)格，5 a生棗樹耗水深度約為3 m，這個(gè)深度可以通過豐水年得到恢復(fù)并且可以補(bǔ)充下層的土壤水分，所以3 m土壤干化的深度可以看成臨時(shí)性干層，也就是可允許的干層深度。汪星等的研究也證實(shí)在陜北黃土丘陵區(qū)，矮化密植棗林根系分布深度和消耗土壤水分的深度比傳統(tǒng)的稀植棗林淺，說明矮化密植措施降低了棗林根系深度，具有對(duì)棗樹根系調(diào)控的作用[25]。試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)期各處理的平均耗水量為520.78 mm，接近當(dāng)?shù)仄骄涤炅?48.40 mm，林地土壤水分補(bǔ)充與消耗基本持平，說明試驗(yàn)采取的修剪強(qiáng)度符合當(dāng)?shù)亟涤陾l件，可以作為節(jié)水型修剪的控制指標(biāo)。水分虧缺的干旱年我們還可以在節(jié)水型修剪的基礎(chǔ)上，增加灌溉、覆蓋保墑等其他措施，盡量限制棗園水分無效消耗，對(duì)實(shí)現(xiàn)棗林可持續(xù)發(fā)展，防控棗林土壤的干化具有重要意義。

3)棗樹在有限的生長(zhǎng)空間內(nèi)依靠自然降雨正常生長(zhǎng)，試驗(yàn)限定棗樹生長(zhǎng)的規(guī)格并沒有降低棗樹產(chǎn)量。不同年份棗林產(chǎn)量受降雨量影響，水分充足的年份產(chǎn)量較高，水分虧缺的年份產(chǎn)量相對(duì)較低。與常規(guī)矮化密植山地棗樹相比，試驗(yàn)棗樹的生物水分利用效率和產(chǎn)量水分利用效率均有所提高，水分利用效率高，意味著棗樹對(duì)水分的利用更加經(jīng)濟(jì)。說明節(jié)水型修剪在生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值，所以試驗(yàn)采用的修剪規(guī)格可作為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)管理的參考。