覆蓋方式對干熱河谷區棗園土壤溫度和樹體光合特性及果實品質的影響

劉 博，黃華梨，王多鋒，張 瑞，張夏燚，劉 兵，王延秀

(1.甘肅農業大學 園藝學院，蘭州 730070;2.甘肅省林業科學研究院，蘭州 730070)

棗(ZiziphusjujubaMill)為鼠李科棗屬植物，在中國已有3 000多年栽培史，是西北地區發展節水型果業的首選樹種。甘肅省具有悠久的棗樹栽培歷史，其境內的黃河流域、黑河流域、白龍江河谷流域是重要的棗樹栽培基地[1]。其中，白龍江干熱河區域是甘肅棗樹成熟最早的區域，且該地區處于亞熱帶向暖溫帶的過渡區，夏季高溫干燥，空氣濕度低，果園地表溫度過高，坡面蓄水抑蒸保墑效果差，棗樹易灼傷，嚴重影響棗果品質[2]，因此研究耕作措施對解決該地區棗樹生產中面臨的問題具有重要的意義。

通過對果園地面實施免耕、覆蓋等保護性耕作措施，能提高土壤蓄水保墑能力、培肥地力，減少水土流失[3-5]。目前，眾多研究主要集中在薄膜覆蓋[6]、秸稈覆蓋[7]、生草覆蓋[8]等方面。安六世[9]在半干旱地區梨園研究中發現覆蓋玉米秸稈可有效降低土壤表層溫度，提高土壤含水量。Odjugo[10]在黃薯種植的研究中指出，通過膜覆蓋能夠明顯提高土壤溫度和含水量，而秸稈覆蓋具有減少水分散失、平抑地溫變幅的效果。Wu等[11]在石楠林土壤的研究中也發現地膜覆蓋可以提高地表溫度，減少土壤水分散失；而雜草覆蓋、枝葉覆蓋和生草覆蓋則在降低地表溫度的同時減少土壤水分散失。鄢錚等[12]通過覆蓋方式對馬鈴薯光合特性的影響研究表明，秸稈覆蓋和地膜覆蓋均能提高葉片凈光合速率(Pn)，增加地上部干物質積累。周江濤等[13]研究發現，覆蓋能降低蘋果果實的可滴定酸含量，提高單果質量、可溶性固形物含量和維生素C含量。因此，不同土壤適宜的覆蓋方式不同，且同一覆蓋方式在不同土壤上效應不同。近年來，國內外學者對覆蓋措施的研究主要集中在小麥[14]、枸杞[15]和玉米[16]等大田作物及葡萄[17]、蘋果[18]等果樹上，但對干熱河谷區的棗園的土壤溫度、樹體光合參數及果實品質的研究鮮見報道，值得深入探討。

本研究以高接換優的‘駿棗’為試驗材料，研究不同覆蓋方式與棗園土壤溫度、樹體光合特性及果實品質之間的關系，以期篩選出最佳棗園土壤管理方式，為甘肅省白龍江干熱河棗園管理提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年3月至9月在甘肅省文縣尚德鎮橫丹村進行。該地處東經104°16′16″～ 105°27′29″，北緯32°35′43″～33°20′36″，屬亞熱帶北緣山地氣候，平均氣溫14.9 ℃，無霜期250～310 d，降水量400～1 000 mm，年平均日照數 1 200～ 1 800 h，無霜期250～310 d，具有夏無酷暑，冬無嚴寒的氣候特點。

1.2 試驗設計

以‘駿棗’為試驗品種，當地‘圓棗’為砧木，栽植密度為2 m×4 m，高接換優‘駿棗’8 a，離地30 cm處主干直徑達到25 cm，每列種植6株。

試驗分為6種處理，分別為人工種植花生(T1)、黑麥草(T2)、樹枝秸稈碎屑(T3)、人工種植黃豆(T4)、黑膜(T5)及對照CK(清耕栽培)。2019年3月底澆水，4月初種黑麥草、花生和黃豆，覆樹枝秸稈碎屑和黑膜，12月初揭膜，清理秸稈碎屑。樹枝秸稈碎屑覆蓋：材料鍘成長度為15 cm左右的短節，均勻鋪在棗園土壤表面，覆蓋厚度20 cm，第一次要用土壤壓實固定，以防風刮或失火；覆黑膜：采用厚度為0.012 mm，寬度為120 cm規格的地膜；覆蓋黑麥草：用打草機將黑麥草打碎后覆蓋于土壤表面，用量為1.5 kg·m-2。每個處理分為3行，每行6棵樹，于2019年5月—11月的25日—28日進行試驗測定及數據 采集。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 棗園土壤溫度 土壤溫度：5—8月，用曲管地溫計每10 d實時測定溫度日變化，測定時間為8:00—18:00，每隔2 h記錄1次數據。

1.3.2 葉片光合指標 光合參數測定日期為2019年5月到8月份中旬(晴天)上午(9:00—11:00)。采用便攜式光合作用系統(Li-6400 USA)測定葉片光合參數，包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)，測定系統采用開放式氣路；分別在樹冠的四個方位的外圍選取葉片，保持葉片自然的伸張角度，確保選取生長力強且沒有發生病蟲害的葉片，各處理3個重復，待數據穩定后讀取6組數據。

1.3.3 果實品質 在2019年10月初果實采收季節，隨機采收試驗樹上成熟果實，測定果實相關指標，每個處理重復3次。維生素C(Vc)采用 2，6-二氯酚靛酚測定；可溶性糖采用蒽酮試劑法測定[19]；用氫氧化鈉酸堿中和測定可滴定酸；可溶性蛋白用考馬斯亮藍法測定[20]；使用電子天平分別稱單果質量、單核質量；棗果的縱橫徑采用游標卡尺進行測量；使用電子天平稱量果肉的濕質量，之后將果肉和培養皿整體放入烘箱中，在適宜的環境下烘24 h，取出后冷卻至室溫，稱其干質量；棗果含水率=1-干質量/濕質量×100%；可食率=果肉質量/果實質量×100%。

1.4 數據處理與分析

用Microsoft office excel 2013及Origin 2017進行數據處理及作圖，采用SPSS 22.0單因素ANOVA的LSD比較差異的顯著水平(α= 0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋方式對棗園不同土層溫度的影響

不同覆蓋處理對棗園土壤溫度的影響不同，由圖1可以看出，相較于15～25 cm土層而言，5～10 cm土層土壤溫度變化幅度最為明顯，隨著土壤深度的加深，不同處理對土壤溫度的影響逐漸降低。在土層5 cm處，7月份，各覆蓋處理土壤溫度由高到低分別為CK(29.44 ℃)、T5(28.84 ℃)、T3(26.44 ℃)、T2(26.44 ℃)、T4(25.68 ℃)和T1(25.13 ℃)，其中T4、T1比CK1、T3(T2)、T5的土壤溫度分別下降12.77%、10.96%、2.87%和14.64%、4.95%、12.86%；8月份土溫從高到低依次為T5、T3、T2、T4、T1和CK，分別為27.59 ℃、26.66 ℃、26.23 ℃、25.37 ℃、25.20 ℃和25.00 ℃，各覆蓋處理均高于CK，其中T5顯著高于其他處理。

7月份10 cm土層土溫從高到低依次為T5、CK、T3、T2、T4、T1分別是28.22 ℃、27.19 ℃、26.22 ℃、25.66 ℃、25.24 ℃和25.00 ℃，T5分別較T3、T2、T4、T1高7.63%、9.98%、11.80%和12.88%；15 cm土層土溫T5(27.00 ℃)、CK(26.35 ℃)顯著高于T3(23.84 ℃)，分別高 13.26%和10.53%；20 cm土層士溫T5(26.00 ℃)顯著高于T1(22.57 ℃)、T3(23.58 ℃)和T4(23.44 ℃)，分別高15.20%、10.26%和 10.92%。

總體上，較CK而言，各覆蓋處理均降低土壤溫度，對土壤有明顯的降溫作用，其中7～8月份，T5處理的土壤溫度較高；且隨著土層深度的增加，變化幅度逐漸減緩，有效平抑了高溫干燥季節對土壤溫度的波動。

2.2 不同覆蓋方式對樹體光合特性的影響

圖2表明，各覆蓋處理不同程度地提高了葉片的Pn、Gs、Tr，隨著月份的推移，棗樹葉片的Pn、Gs、Tr均呈先升后降的趨勢。較CK而言，7月份T1、T2、T3、T4、T5處理的Pn分別增加 27.43%、3.59%、13.63%、40.05%、5.19%，T2、T5處理的Gs分別增加50.76%、74.29%，T1、T2、T3、T5處理下Tr分別增加65.47%、22.51%、40.93%、26.89%。8月份時，各覆蓋處理的Pn、Gs、Tr含量逐漸降低，且均高于CK；相比CK，Pn在T2處達到最高值，且增加 47.61%；Tr在T1處理處達到最高值，相比CK、T2分別增加了52.98%、20.18%。總體上，各覆蓋處理中以T4處理Pn升高最為明顯，在6、7、8月份較CK顯著提高21.67%、40.04%和36.08%。

圖2可得，Ci的變化趨勢與Pn相反，隨Pn升高Ci遞減，各月份不同覆蓋處理下的葉片Ci均低于CK。7月份時，T4處理達到最低值，且顯著低于CK、T1、T2、T3和T5，分別降低 49.67%、20.15%、45.27%、33.36%。8月份在CK處達最高值，顯著高于T1、T3、T4，相比CK，T1、T3、T4分別降低31.92%、21.12%、39.74%。

2.3 不同覆蓋方式對棗果果實品質的影響

不同覆蓋方式對果實內在品質的影響如表1所示。覆蓋處理的維生素C含量最高，為0.25 mg·g-1，CK處理的維生素C含量最低，為0.20 mg·g-1，與CK相比，T1、T2、T4分別顯著增加0.04 mg·g-1、0.03 mg·g-1、0.05 mg·g-1，增幅分別為20.00%、15.00%、25.00%。T1、T2、T4處理的可溶性糖含量顯著高于T3、T5和CK，且T4可溶性糖含量最高 (14.57%)，是CK的 1.19倍。與CK相比，T2、T3、T5的棗果含水率分別顯著下降6.85%、6.56%和 6.91%。棗園覆蓋中T4處理顯著提高了果實的可溶性糖和維生素C含量，但T3和T5的棗果相比于CK則沒有顯著性差別。同樣，各處理之間蛋白質含量和可滴定酸含量無顯著差異，說明T1、T2和T4對棗果的維生素C含量、可溶性糖含量影響顯著。

表1 不同覆蓋方式果實內在品質指標Table 1 Fruit inner quality under different mulching methods

如表2所示，T4處理棗果橫徑、縱徑、單果質量、可食率較高，分別為30.82 mm、33.08 mm、18.37 g和97.67%，均高于其他處理。對制干率影響從大到小依次為T1(36.80%)、T4(36.58%)、T5(35.64%)、CK(35.41%)、T2(34.29%)和T3(34.00%)，相比CK，T2、T3分別降低7.32%、8.24%。由此可得T4對棗果的橫徑、制干率有顯著影響。與此不同，相對于CK，不同處理后的棗果縱徑、單果質量、單核質量、可食率均無顯著性差異。

表2 不同覆蓋方式果實外觀品質指標Table 2 Fruit appearance quality under different mulching methods

綜上所述，較CK而言，各覆蓋處理均顯著提高棗果維生素含量、可溶性糖含量、棗果橫徑，其中T4處理最為明顯，較CK分別增加25.00%、10.70%、9.45%。

2.4 不同覆蓋方式光合速率和各項指標相關性分析

為綜合評價不同覆蓋方式對棗樹微域環境及樹體光合特性的影響，將16個指標進行相關分析，得到相關系數矩陣如表3。可以看到不同覆蓋方式下Pn與Ci呈顯著負相關(P<0.05)；Pn與維生素C含量、棗果橫徑呈正相關(P<0.05)，其中與Gs、Tr、棗果縱徑呈極顯著正相關(P<0.01)。

表3 棗樹在不同覆蓋方式下與土壤溫度、光合特性和果實品質的相關性Table 3 Correlation of different photosynthetic rates,soil temperature and fruit quality in jujube

2.5 主成分分析

表4為主成分分析對相關指標的綜合評價，提取特征值大于1的3個主成分，其特征值分別為9.447、3.118、2.239，3個主成分累計方差達到92.528%，說明提取的主成分涵蓋了絕大多數指標的信息。根據主成分分析得出，第一主成分(PC1)主要綜合了Pn、Gs、Tr、維生素C、可溶性糖、蛋白質含量、棗果橫徑、棗果縱徑、單果質量、單核質量指標的信息；第二主成分(PC2)綜合了可滴定酸、土壤溫度指標的信息，第三主成分(PC3)代表含水量、制干率、Ci的指標信息。

表4 主成分分析旋轉后的成分載荷矩陣Table 4 Principal component analysis of component load matrix after rotation

綜合得分：F=F1×59.045%+F2× 19.490%+F3×13.993%，F1，F2，F3分別為3個主成分。根據主成分分析結果，求出3個主成分的綜合得分見表5，可以看出，不同覆蓋方式的效果依次為T4>T1>T5>T3>T2>CK。

表5 利用主成分分析法對不同土壤覆蓋方式各因子指標的綜合評價Table 5 Comprehensive evaluation of factor indexes under different mulching methods by principal component analysis

3 討 論

3.1 不同覆蓋方式對棗園土壤溫度的影響

覆蓋處理可調節或改善果園的微域環境，即果園的土壤溫度和相對空氣濕度[21-22]。何振嘉[23]研究表明，對黃土高原地區的棗園進行秸稈覆蓋處理，能有效減緩高溫時土壤溫度的波動，提高土壤含水量，滿足棗樹正常生長發育的需要。匡石滋等[24]研究也發現，黑麥草對火龍果園覆蓋后能有效防止地面溫度的劇烈變化，從而保持和穩定土層溫度，降低土壤水分蒸發，為火龍果生長創造穩定的土壤水、熱條件。本研究發現，各覆蓋處理對于不同土層的土壤具有降溫效應，即可以緩解由于夏季高溫干燥造成的果園空氣濕度低的狀況，從而保持果園地表溫濕度的相對穩定；該現象可能是因為覆蓋物的遮擋減弱了太陽輻射的透射率，導致地面表層接受到輻射能量較少，且覆蓋物接受到的熱量不能直接傳遞到土壤中，所以對土壤產生了降溫效應；但在7月份10～20 cm土層深度處，T5處理的土壤溫度顯著高于其他處理組，這是由于薄膜阻止了土壤和大氣之間的水熱交換，導致深層土壤溫度增加，說明覆膜有利于土壤溫度的提高，這與劉克長等[25]研究結果相似。廖小龍等[26]研究也發現覆膜能夠提高不同土層的土壤溫度，其對土溫變化的調節作用主要表現在土壤表層，隨土層深度增加調節作用減小。因此，各覆蓋處理使棗園土壤熱量平衡過程發生了一定程度的變化，且各處理間的影響又存在一定差異。

3.2 不同覆蓋方式對棗樹葉片光合特性的影響

光合作用是植物生長發育的基礎，決定著植物光能利用，影響著作物的經濟產量[27-28]。氣孔是植物進行氣體交換的重要門戶，植物通過氣孔的開閉來控制光合作用中CO2的吸收和蒸騰過程中水分的散失，進而調節凈光合速率和蒸騰速率[29]。大量研究發現秸稈、薄膜、生草、花生等有效覆蓋可顯著提高葉片Pn、Tr，歸因于覆蓋對土壤溫度較大的影響，而土壤溫度差異將引起土壤養分、土壤微生物和土壤呼吸等理化性狀的改變，最終造成植株光合特性提高[30]。本研究發現，較CK而言，各覆蓋處理下的棗樹Pn、Gs、Tr均顯著高于CK，說明覆蓋對棗樹的光合有明顯的促進作用，主要原因可能是各覆蓋處理可明顯降低高溫時土壤溫度，改善棗園的微域環境，使棗樹植株長勢穩健，葉片生理機能優化，Gs明顯提高，碳水化合物合成顯著增加，這與高秀萍等[31]研究結果相似。通過種植豆科植物也可以直接提高棗園土壤氮含量。Campiglia等[32]在番茄種植過程中發現，豆科作物覆蓋后土壤中硝酸鹽含量和土壤中氮的含量高于黑麥草作物，增強了番茄對養分的吸收，番茄產量明顯提高。本研究5種覆蓋方式中，T4處理促進光合及生理效應最為明顯；與其他處理比較，黃豆覆蓋可增強作物的光合能力，如Pn、Tr、Gs，一方面可能是由于黃豆根瘤菌固氮作用，顯著提高土壤氮素含量，從而促進樹體對氮素的吸收，增強棗樹的光合作用；另一方面則是覆蓋處理后，降低土壤溫度，顯著增加果園相對濕度，進而提高果樹的光合速率。

3.3 不同覆蓋方式對棗果果實品質的影響

果園覆蓋有利于改善樹體的生長狀況，增強果樹的光合速率，改善果實品質[33-34]。孫勇[35]研究發現對果園進行生草或秸稈覆蓋，可增加其土壤有機質含量，促進作物根系的生長，提高果實品質。Chen等[36]研究表明，相對于清耕，生草和秸稈、地膜覆蓋對果實單果質量、果實硬度以及可溶性固形物含量具有明顯的改善。本試驗研究表明，各覆蓋處理均增加棗果果實的單果質量、維生素C含量、可溶性糖含量，并且通過相關性分析得出，Pn與維生素C含量、棗果橫徑、Gs、Tr、棗果縱徑呈顯著性相關，說明覆蓋可以改善棗樹的生長環境，增強棗樹光合作用，從而使棗樹的營養生長加快，源庫分配更加均衡，進一步改善果實的品質，這與周婷婷等[37]的研究結果相似。本研究發現，與其他覆蓋方式比較，T4處理提高果實品質最佳，可能是因為覆蓋豆科作物可改善土壤養分狀況，直接或間接影響果樹光合特性，進而對果實品質產生影響。但豆科作物對提高棗果果實品質的機理目前沒有統一定論，尚待更深層的研究。

4 結 論

試驗以白龍江干熱河谷區棗樹為研究對象，對清耕、人工種植花生、黑麥草、樹枝秸稈碎屑、人工種植黃豆、黑膜處理條件下，棗園土壤溫度、樹體光合特性及果實品質等進行分析，結果顯示，不同覆蓋措施均能穩定土溫的變幅，提高葉片的光合效率，改善棗果品質，從而達到優產的目的。其中人工種植花生處理下光合速率、果實品質均為較高，為最佳的覆蓋模式，這為白龍江干熱河谷區的棗園覆蓋模式提供了理論指導。