不同灌水量對(duì)胡楊幼齡林葉水勢(shì)與土水勢(shì)的影響

何宇翔，武勝利，韓 煒,管文軻

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院/新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/新疆師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，烏魯木齊 830054;2.新疆林業(yè)科學(xué)院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】胡楊是塔里木盆地生態(tài)系統(tǒng)中抵御風(fēng)沙、遏制沙化、維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡、保護(hù)生物多樣性和保障綠洲農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的重要屏障[1]。近些年胡楊林大齡樹(shù)多、幼齡樹(shù)少、病腐的多、健壯的少、分布稀疏的胡楊林多、分布密集的少[2]。干旱環(huán)境下一定量的灌水措施可以促進(jìn)胡楊幼齡林的生長(zhǎng)[3]。研究合理的灌水措施對(duì)胡楊幼齡林的更新?lián)嵊兄匾饬x?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】水勢(shì)作為最常用的表征植物水分的生理指標(biāo)，是判斷植物的水分虧缺并衡量抗旱性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一，可以反映植物體內(nèi)水分的運(yùn)輸情況[4-6]。付愛(ài)紅等[8-10]研究表明，胡楊葉水勢(shì)在趨勢(shì)上呈單峰形，1 d中的最高值出現(xiàn)在08：00左右，最低值出現(xiàn)在14：00～18：00，分析了植物水勢(shì)在脅迫因素下的響應(yīng)機(jī)制。司建華等[11]結(jié)果表明，極端干旱區(qū)胡楊葉水勢(shì)的日、季變化曲線均呈單峰型，與當(dāng)?shù)貧鉁?、大氣相?duì)濕度、輻射照度、土壤水分等均有顯著相關(guān)性。楊培林等[12]研究發(fā)現(xiàn),土水勢(shì)隨著土壤深度的增加呈上升趨勢(shì)。占東霞等[13]研究發(fā)現(xiàn)，自然生長(zhǎng)的胡楊相較于其他樹(shù)種更易受到水分脅迫。曾凡江等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)，胡楊生長(zhǎng)對(duì)水分狀況具有較強(qiáng)的依賴性，一次性人工灌水不會(huì)對(duì)植物的水分狀況產(chǎn)生顯著的影響?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人研究多集中在胡楊近熟林的生理生化特征方面，而對(duì)胡楊幼齡林進(jìn)行科學(xué)合理更新?lián)嵊难芯枯^少。需研究不同灌水量對(duì)胡楊幼齡林葉水勢(shì)、土水勢(shì)的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】在塔里木河中下游流域選取典型地段，分析人工模擬洪水灌水研究灌水前后胡楊幼齡林的葉、土水勢(shì)以及土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率變化，研究不同灌水處理對(duì)胡楊幼齡林生理生長(zhǎng)指標(biāo)的影響，為改善胡楊幼齡林生長(zhǎng)環(huán)境提供合理的灌水依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺(tái)縣南部沙漠70 km處的胡楊林保護(hù)區(qū)內(nèi)，E84°14′27″～84°17′50″，N40°11′33″～40°12′36″，年均溫為10.6～11.5℃，年降水量在23～70 mm，其年蒸發(fā)量在2 000～3 000 mm，空氣相對(duì)濕度為40%～50%，該地區(qū)全年多風(fēng)沙，8級(jí)以上大風(fēng)的日數(shù)為41～46 d，土壤類(lèi)型為鹽堿土[16]。

選取塔里木河中下游離河道1 km處原生胡楊的天然落種、無(wú)人工干預(yù)、2～4年生的胡楊幼樹(shù)作為材料，灌水來(lái)源于夏季當(dāng)?shù)厮畮?kù)洪水庫(kù)存。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置有灌水樣地9塊、對(duì)照3塊，面積均為5 m×5 m，灌水樣地前有2 km左右的地表土溝可近似認(rèn)為洪水并圍筑30 cm高土堰。樣地內(nèi)幼樹(shù)數(shù)量為15～23株不等；設(shè)置2、3、4年生胡楊灌水量依次為20 L/m2(W2a-20、W3a-20、W4a-20)、40 L/m2(W2a-40、W3a-40、W4a-40)、60 L/m2(W2a-60、W3a-60、W4a-60)，2、3、4年生胡楊對(duì)照樣地各1個(gè)(CK2a、CK3a、CK4a)作為對(duì)照。選擇該地區(qū)蒸發(fā)量最大的7～9月晴朗天氣試驗(yàn)，分別在7月21日、8月14日和9月19日灌水，灌水后晴朗天氣采集數(shù)據(jù)。計(jì)算灌水量：

H(a-w)×d×s×h.

式中，H為使土壤達(dá)飽和含水量的保證系數(shù)，a為土壤飽和含水量，w為土壤自然含水量，d為土壤容重，s為測(cè)試區(qū)面積，h為土層需灌水深度。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.2.1 葉水勢(shì)

各樣地中選3株生長(zhǎng)狀況良好幼樹(shù)的枝條葉片為樣品，WP4C露點(diǎn)水勢(shì)儀提前2 h進(jìn)行空氣平衡，平衡完成后剪取葉片中部直徑約0.5～1 cm的小塊葉片，放在C-52的4個(gè)樣品室中，將樣品室與露點(diǎn)水勢(shì)儀連接讀取μv值，每2 h換1次樣品，每次各樣地共測(cè)12份樣品。

1.2.2.2 土水勢(shì)

在樣地南側(cè)挖80 cm深度土坑，土層深度分為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm與60～80 cm共計(jì)4個(gè)層次。TPSBR-SZL傳感器土水勢(shì)探頭提前平衡1 h，依次測(cè)得各土層的土水勢(shì)，08：00～22：00每2 h測(cè)1次，重復(fù)3次取平均值。

1.2.2.3 土壤含水量、電導(dǎo)率、溫度

對(duì)胡楊林地進(jìn)行灌水后，將WET型土壤三參數(shù)速測(cè)儀探頭埋入土壤1 h，待數(shù)值穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)，測(cè)定土壤含水量、電導(dǎo)率、溫度，上述步驟重復(fù)3次取平均值，7 d測(cè)1次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2016軟件整理數(shù)據(jù)、OriginPro9.1繪制圖表，運(yùn)用SPSS25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 胡楊幼樹(shù)葉水勢(shì)日變化

研究表明，2、3、4年生胡楊幼樹(shù)葉水勢(shì)日變化均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，且在灌水后葉水勢(shì)明顯高于對(duì)照，葉水勢(shì)最高值出現(xiàn)在08：00，最低值出現(xiàn)在14：00～15：00。2年生胡楊幼樹(shù)不同灌水量下葉水勢(shì)差值為-1.75～-0.5 MPa，3、4年生胡楊幼樹(shù)葉水勢(shì)差值則在-0.5 MPa之內(nèi)。2年生胡楊幼樹(shù)灌水后的葉水勢(shì)分別為-1.98 、-0.57和-0.25 MPa,對(duì)照的葉水勢(shì)最低值為-2.33 MPa，灌水后葉水勢(shì)明顯高于對(duì)照且隨灌水量增加而升高。40、60 L/m2處理下2年生胡楊幼樹(shù)葉水勢(shì)上升趨勢(shì)相比20 L/m2處理更加明顯且穩(wěn)定，3種水分處理下3年、4年生胡楊幼樹(shù)葉水勢(shì)趨勢(shì)相近。2年生胡楊幼樹(shù)在40、60 L/m2葉水勢(shì)極顯著(P<0.01)高于對(duì)照葉水勢(shì)，40、60 L/m2灌水量更有利于2年生胡楊幼樹(shù)的生長(zhǎng)；3年生與4年生胡楊幼樹(shù)在不同灌水量下葉水勢(shì)日變化規(guī)律相似，灌水后葉水勢(shì)也極顯著(P<0.01)高于對(duì)照葉水勢(shì)，而不同灌水量處理的葉水勢(shì)變化差異較小。表1

表1 2～4年生胡楊幼樹(shù)葉水勢(shì)對(duì)不同灌水量日響應(yīng)變化描述特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of diurnal variation of leaf water potential of Populus euphratica seedlings to different irrigation amounts from 2 to 4 years old

灌水后胡楊幼樹(shù)葉水勢(shì)均有所提高，其生存能力得到加強(qiáng)；而對(duì)照幼樹(shù)的葉水勢(shì)在上午10:00后開(kāi)始顯著下降。不同樹(shù)齡的胡楊幼樹(shù)對(duì)灌水量的需求不同，樹(shù)齡越小，對(duì)灌水量的要求越高；樹(shù)齡越大，胡楊幼樹(shù)自身的生存適應(yīng)能力越強(qiáng)，灌水量要求較小。圖1

圖1 2～4年生胡楊幼樹(shù)葉水勢(shì)日變化Fig.1 Diurnal variation of leaf water potential in Populus euphratica seedlings from 2 to 4 years old

2.2 胡楊幼樹(shù)土水勢(shì)日變化

研究表明，胡楊幼樹(shù)土水勢(shì)日變化在不同灌水量下均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，單峰“V”型變化特征，灌水后土水勢(shì)明顯高于對(duì)照，最高值出現(xiàn)在08:00，最低值在14：00～17：00。胡楊幼樹(shù)在3個(gè)水分處理下的土水勢(shì)比對(duì)照土水勢(shì)峰值時(shí)間提前，灌水后的土水勢(shì)差值均在-0.05 MPa范圍內(nèi)，灌水對(duì)土水勢(shì)有直接影響，而對(duì)照樣地由于土壤水分少，土水勢(shì)差值為-0.25～0.29 MPa。2年生胡楊幼樹(shù)灌水后的土水勢(shì)最低值分別為-0.34、-0.17、-0.16 MPa，對(duì)照樣地土水勢(shì)最低值為-0.44 MPa，灌水后的土水勢(shì)明顯高于對(duì)照且隨灌水量增加而升高，對(duì)照樣地幼樹(shù)生長(zhǎng)狀態(tài)明顯比灌水后差。60 L/m2處理下2年生幼樹(shù)土水勢(shì)上升趨勢(shì)相比20、40 L/m2處理更加明顯且穩(wěn)定，2年生胡楊幼樹(shù)生長(zhǎng)有著較高的需水量。2年生胡楊幼樹(shù)在40、60 L/m2灌水后土水勢(shì)極顯著(P<0.01)高于對(duì)照土水勢(shì)，20 L/m2與對(duì)照之間土水勢(shì)顯著性不明顯(P>0.05)，說(shuō)明在40、60 L/m2水分處理下更利于2年生胡楊幼樹(shù)的生長(zhǎng)。3年生胡楊幼樹(shù)20、60 L/m2灌水后極顯著(P<0.01)高于對(duì)照土水勢(shì)，40 L/m2與對(duì)照之間土水勢(shì)顯著性不明顯(P>0.05)，在20、60 L/m2水分處理下更利于3年生胡楊幼樹(shù)的生長(zhǎng)。4年生胡楊幼樹(shù)在不同灌水量處理下的土水勢(shì)變化差異較小，樹(shù)齡較大的胡楊幼樹(shù)需水量較少，同樣的環(huán)境下少量的灌水即可滿足其生長(zhǎng)的需求。

胡楊幼樹(shù)在灌水后的土水勢(shì)均有所提高，比對(duì)照土水勢(shì)更加穩(wěn)定；灌水對(duì)土水勢(shì)的影響較大；2年生胡楊幼樹(shù)土水勢(shì)均值比3年、4年生胡楊幼樹(shù)低，樹(shù)齡小的幼樹(shù)自身適應(yīng)能力較弱，需水量更大。圖2，表2

圖2 胡楊2～4年胡楊幼樹(shù)土水勢(shì)日變化Fig.2 Diurnal variation of soil water potentialn Populus euphratica seedlings from 2 to 4years old

表2 2～4年生胡楊幼樹(shù)土水勢(shì)對(duì)不同灌水量日響應(yīng)變化描述特征Table 2 Descriptive statistical characteristics of diurnal variation of soil water potential of Populus euphratica seedlings to different irrigation amounts from 2 to 4 years old

2.3 胡楊幼樹(shù)土壤含水量、溫度和電導(dǎo)率變化

研究表明，胡楊幼樹(shù)土壤含水量在不同灌水量下均呈現(xiàn)出隨著灌水量的增加而增加的特征；樹(shù)齡越大，胡楊土壤含水量越大，2、3、4年生胡楊幼樹(shù)的土壤含水量在20 L/m2處理下為22.37%、23.86%、27.74%；40 L/m2處理下為23.51%、25.89%、24.17%，60 L/m2處理下為26.12%、27.26%、28.76%；土壤深度越大，土壤含水量越高，2、3、4年生胡楊幼樹(shù)在20、40、60 L/m2處理下80 cm深度的土壤含水量比0 cm表層土壤含水量分別提高6.80%、11.34%、21.07%、4.87%、6.07%、4.36%、4.76%、6.03%、3.86%。胡楊幼樹(shù)土壤溫度在不同灌水量下變化規(guī)律不明顯，但灌水后土壤溫度較對(duì)照明顯下降，樹(shù)齡越大，胡楊幼樹(shù)土壤溫度在灌水后下降低效果越顯著，2、3、4年生胡楊幼樹(shù)在20、40、60 L/m2處理下較對(duì)照溫度下降了0.5、0.72、1.6、2.34、2.44、2.56、3.42、3.46和3.52℃。灌水后胡楊幼樹(shù)土壤電導(dǎo)率較對(duì)照明顯下降，灌水量越大電導(dǎo)率下降越明顯，2、3、4年生胡楊幼樹(shù)土壤電導(dǎo)率在20、40、60 L/m2處理下較對(duì)照分別降低38.61%、39.37%、39.86%、46.50%、46.72%、47.21%、53.69%、54.40%和55.18%，且土壤電導(dǎo)率隨著土壤深度的增加而增加，土壤深度越大，土壤電導(dǎo)率越高。

土壤含水量高低影響植物的土壤水勢(shì)高低，干旱環(huán)境下可通過(guò)灌水增加土壤含水量，2年生的胡楊幼樹(shù)需要足夠灌水量以保障胡楊幼樹(shù)的正常生長(zhǎng)，而對(duì)于3、4年生的胡楊幼樹(shù)則可以在2年生胡楊幼樹(shù)灌水量基礎(chǔ)上適當(dāng)減少灌水量。圖3

圖3 胡楊2～4年幼樹(shù)土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率變化Fig.3 Changes of soil humidity,temperature and conductivity of Populus euphratica seedlings in 2 to 4 years

3 討 論

當(dāng)生存環(huán)境中的水分不能滿足其正常生長(zhǎng)需求時(shí)，胡楊幼樹(shù)生存就會(huì)受到威脅，降低水勢(shì)以適應(yīng)環(huán)境[17]。李小琴等[7]、高麗娟[18]研究表明，水勢(shì)是研究植物水分狀況的最佳判斷指標(biāo)，當(dāng)植物受到水分脅迫時(shí)，會(huì)降低自身水勢(shì)從土壤中獲取水分。當(dāng)水勢(shì)降低到低于-1 MPa時(shí)會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育，葉片生理生化過(guò)程將受到抑制影響生存能力[19]。胡楊幼樹(shù)在不同灌水量下的葉水勢(shì)、土水勢(shì)呈早晚高，中午下午較小，均為“V”型趨勢(shì)，2、3、4年生胡楊幼樹(shù)平均值分別為-0.496、-0.193、-0.153 MPa，而對(duì)照胡楊幼樹(shù)平均值為-1.47、-1.46、-1.46 MPa，一定程度體現(xiàn)了胡楊幼樹(shù)適應(yīng)環(huán)境的生理機(jī)制。胡楊幼樹(shù)采用降低自身水勢(shì)來(lái)適應(yīng)干旱環(huán)境與側(cè)柏(Platycladusorientalis)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、刺槐(Robiniapseudoacacia)[20]等大多數(shù)植物通過(guò)低水勢(shì)抵抗脫水耐旱機(jī)制類(lèi)似，體現(xiàn)了胡楊耐旱的特性。植物在受到水分補(bǔ)充后能否迅速恢復(fù)并修復(fù)干旱對(duì)其造成的影響是體現(xiàn)耐旱性的重要表現(xiàn)[21]。2～4年生胡楊幼樹(shù)的葉、土水勢(shì)均隨灌水量的增加而逐漸提高，與王丁[22]研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特主要造林樹(shù)種降低干旱脅迫因素后，苗木水勢(shì)逐漸提升的結(jié)果一致，反映了不同地區(qū)植物水分生理特征和適應(yīng)機(jī)制的相似性。

王項(xiàng)娜[23]研究認(rèn)為土壤鹽分和干旱造成的滲透脅迫是限制植物生長(zhǎng)的重要因子，定期灌水胡楊幼樹(shù)能夠適應(yīng)土壤水分變化，減少其受干旱脅迫的損失。楊玉海等[24]研究發(fā)現(xiàn)，塔里木河下游胡楊幼樹(shù)在飽和灌水15 d后土壤含水量就處于重度干旱脅迫水平，21 d后幼樹(shù)生長(zhǎng)會(huì)受到傷害。在塔里木河中下游地區(qū)影響植被生存的除了水分外，鹽分也是重要因素之一可以用來(lái)衡量胡楊的鹽脅迫程度，并且土壤鹽分濃度越高，土壤電導(dǎo)率越高[25-26]。莊麗等[27]研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量對(duì)土壤鹽分的影響比地下水位大，土壤中鹽分過(guò)多會(huì)使土壤水勢(shì)下降影響植物水勢(shì)，定期人工輸水有效降低該區(qū)域內(nèi)土壤含水量和土壤鹽分。研究也發(fā)現(xiàn)不同灌水量后樣地內(nèi)土壤含水量明顯提高，灌水量越大土壤電導(dǎo)率越低，土壤溫度也隨之降低，但土壤溫度對(duì)胡楊幼樹(shù)生長(zhǎng)影響不大，灌水后胡楊幼樹(shù)枝葉嫩綠生長(zhǎng)較好，而對(duì)照胡楊幼樹(shù)枝葉則出現(xiàn)枯黃落敗，多次灌水后胡楊幼樹(shù)生長(zhǎng)狀態(tài)得到改善補(bǔ)充，短期灌水的意義不大多次灌水才能有效促進(jìn)胡楊幼樹(shù)的生長(zhǎng)。胡楊幼樹(shù)水勢(shì)與環(huán)境因子的關(guān)系需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

4 結(jié) 論

多次灌水對(duì)干旱區(qū)胡楊幼樹(shù)的生長(zhǎng)有著明顯的促進(jìn)作用。不同灌水量下胡楊幼樹(shù)的葉水勢(shì)與土水勢(shì)明顯高于對(duì)照處理，且灌水量越大水勢(shì)越大，葉水勢(shì)與土水勢(shì)日變化差異為60 L/m2<40 L/m2<20 L/m2<對(duì)照，2年生、3年生、4年生胡楊幼樹(shù)的最適宜灌水量為60、40和20 L/m2。灌水有效增加了胡楊幼樹(shù)的土壤含水量，降低了土壤電導(dǎo)率和土壤溫度從而減輕淺層土壤中的鹽分堆積，改善了胡楊幼樹(shù)的生存環(huán)境。