陜北山地蘋果園土壤飽和導水率和植物導水率特征

魏瑤瑤,鄭 恩,高銘雨,劉 敏,王 俊,張永旺,2

(1.延安大學 生命科學學院,陜西延安 716000;2.陜西省紅棗重點實驗室(延安大學),陜西延安 716000)

土壤飽和導水率(Ks)表示土壤孔隙度與透水能力的比值[1-2]。它是土壤質地、體積質量、孔隙分布特征的綜合反映,也是重要的土壤水力學參數,影響降水入滲以及包氣帶土壤水分的運動過程,明確不同地區Ks分布特征及其影響因素是揭示區域土壤水分、溶質運移規律和建立相關水文模型的前提[3-5],對干旱地區土壤水資源儲存與利用具有重要意義[6]。康文蓉等[7]研究發現荒漠綠洲過渡帶Ks空間變異特征受體積質量、土壤水分、土壤質地共同影響,屬于強變異特征。屠丹等[8]研究發現添加小粒徑生物質碳,土壤的飽和導水率減小,添加大粒徑生物質碳,飽和導水率增大,且隨著碳含量的增加,土壤的飽和導水率呈現逐漸降低趨勢。殷李高[9]發現沼液入滲過程中影響土壤飽和導水率的主要因子是體積質量、有機質和黏粒含量。Hao等[10]發現植被類型是影響亞熱帶森林土壤水力特性的關鍵因素,植被類型對Ks的影響取決于土壤深度。現階段關于土壤飽和導水率的研究多集中在其主要影響因子土壤體積質量、有機質、黏粒含量、碳含量以及土壤深度等方面,缺乏對蘋果園不同生育期土壤飽和導水率的研究,因此研究陜北地區蘋果園的土壤飽和導水率特征可以明確該地區土壤水分運移規律,為該區緩解水分供需矛盾提供理論參考。

植物導水率(Kp)是表征樹木運輸傳導水分能力大小的重要參數,是處理后枝條的水流量與該段枝條引起水流動的壓力梯度的比值,水流量與導水率成正比[11]。木熱巴克等[12]研究發現抗旱能力強的檉柳種類的側枝導水能力也高,抗旱性較弱種類的檉柳導水率較低。秦潔等[13]研究發現不同植物不同組織器官植物導水率存在顯著差異,并且植物各部位水勢與導水率具有不同程度的正相關作用。這些研究多集中于不同植物類型在根、莖、葉的導水率關系方面,對于植物不同生育期側枝導水率變化研究鮮見報道,因此研究其變化規律對山地蘋果園合理灌溉具有重要意義。

陜北黃土高原是中國最大的優質蘋果適生區。山地蘋果是促進該地區經濟發展、提升農民收益的支柱產業和富民產業[14]。黃土高原地處東南濕潤季風氣候向西北內陸干旱氣候過渡地帶,多年平均降雨量200～650mm,降水量偏少,同時分配很不均勻,降水偏少加之分布不均加劇了水資源供需矛盾[15]。有研究發現,黃土高原地區旱作果園深層土壤水分過耗以及土壤干燥化現象逐漸加劇,黃土高原蘋果產業的發展受到土壤水分嚴重虧缺的威脅[16-18]。目前,在黃土高原,關于蘋果園土壤水分規律,眾多學者已經在水分動態生產力模擬、果樹生育期需水規律、土壤水分空間變異特征等方面開展了大量工作[19-21]。但該區作為水資源嚴重匱乏的區域在探討山地果園不同生育期土壤Ks和Kp及其影響因素方面鮮有報道。因此,本試驗以陜北延安市安塞區南溝蘋果種植地為研究區域,分析果園不同生育期Ks和Kp變化特征及其影響因素,旨在揭示陜北山地果園水分分布及運移規律,為該區水土保持措施和水資源合理利用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于陜北黃土高原特色蘋果種植基地延安市安塞區高橋鎮南溝村,北緯36°30′～37°19′,東經108°5′～109°26′,全區面積2 950 km2,平均海拔1 371.90 m,年均降雨501.70 mm,年均無霜期157 d左右,年平均氣溫9.4 ℃。為溫帶大陸性氣候,四季分明、雨熱同期、晝夜溫差大。年平均日照時數為2 395 h,年平均日照總輻射量為497.7～553.4 kJ/cm2。植被類型有沙棘(Hipophaerhamnoides)、刺槐(Robinipseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)、蘋果(Maluspumila)等人工種植的經濟作物。

1.2 土壤樣品采集與測定

試驗果園位于安塞區南溝生態種植園,園區海拔1 100～1 400 m,蘋果園均位于梁峁處,蘋果種植面積達80 hm2,果園地形呈梯田狀結構,土壤為黃綿土,試驗果園為7 a生紅富士,栽植行距為2.5 m×3 m,試驗期為2021年4月-2021年10月,果園管理水平良好。在標準果園中心選擇3個采樣點,開挖0～100 cm土壤刨面,每20 cm一層共5層,各重復取樣3次,先用100 cm3環刀垂直取得原狀土樣45個,再用自封袋各采集擾動土樣約800 g。原狀土樣用來測定土壤體積質量、含水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。擾動土樣風干研磨過篩后用來測定pH、電導率、有機質、顆粒組成,pH用PHS-3E pH計測量,電導率由DDSJ-308A電導率儀測定,有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定,土壤顆粒組成用MS-2000激光粒度分布儀測定。

1.3 土壤飽和導水率測定

土壤飽和導水率(Ks)在蘋果不同生育期(開花期、幼果期、果實膨大期、著色期、成熟期)使用Decagon公司生產的雙水頭滲透計在上述3個采樣點進行原位測量,每組3個重復。測量前首先準備好實驗儀器,保證主機電量充足,攜帶足夠的水,同時攜帶橡膠錘;然后在采樣點盡量選擇相對平坦的測量點,將測量環砸入土壤中,隨后將測量環、滲透計頭、水袋與主機對應連接,打開水閥;最后打開主機電源,根據土壤類型設置試驗參數,開始試驗,試驗結束后可直接得出Ks值,試驗數據通過下載程序直接導出。

1.4 植物導水率測定

植物導水率(Kp)采用HPFM植物高壓導水率測量儀進行測量。不同生育期時在采樣點附近選擇3株長勢良好的果樹,每株果樹剪取3個直徑、長度大致相同的完整側枝,迅速放進有水的水桶中,并在保證上部枝葉不被損傷的情況下在水下切割側枝基部,防止氣泡進入,然后在恒壓(400 kPa)狀態下測量其側枝導水率。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0進行數據分析,用Origin 2018做圖。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質描述統計特征

由表1可知,研究區土壤飽和導水率的變化范圍為0.05～1.98 mm/min,平均值和中值分別為0.71、0.54 mm/min,說明該區Ks更偏向于中高值,土壤導水能力良好;植物導水率的變化范圍為1.4×10-5～18.9×10-5kg/(s·MPa),平均值和中值分別是6.74×10-5、6.44×10-5kg/(s·MPa),說明研究區部分Kp變化范圍較大,但總體還是偏向中值;pH變化范圍為8.28～8.69,中值和均值分別為8.5和8.49,說明該區土壤偏弱堿性,電導率變化范圍較大,均值為 92.9 μS/cm;土壤體積質量變化范圍為1.26～ 1.75 g/cm3,均值為1.51 g/cm3,體積質量較大,因此有機質含量不高,均值為6.82 g/kg;飽和含水量變化范圍較大,為22.39%～44.76%,均值為32.36%,說明土壤水分空間差異較為明顯;毛管孔隙度與非毛管孔隙度均值分別為47.47%、 0.74%,土壤中砂粒、粉粒含量較高均值分別為58.09%和 36.77%,表明該區土壤為保水性良好的砂質壤土。從變異系數角度分析,土壤理化性質中pH、體積質量、總孔度、毛管孔度、砂粒、黏粒、粉粒的變異系數分別是0.01、0.09、0.09、 0.09、0.06、 0.08、0.09,均屬于低變異,說明該區土壤理化性質空間變異程度不明顯,對土壤結構影響不顯著;土壤飽和導水率、電導率、有機質、飽和含水量、非毛管孔隙度都屬于中度變異,其中土壤飽和導水率變異程度最大,為0.77,其次是植物導水率,變異系數僅次于Ks,為0.7,屬于中等變異強度。本研究中所有理化指標均呈正態 分布。

表1 土壤理化指標描述統計特征Table 1 Statistical characteristics of soil physicochemical indicators description

2.2 土壤飽和導水率及其影響因素分析

2.2.1 不同生育期土壤飽和導水率變化特征 由圖1可知,蘋果園不同生育期土壤飽和導水率(Ks)呈波動式變化,其中成熟期土壤導水率最大,為0.86 mm/min;幼果期、著色期和開花期土壤導水率較大,分別為0.77、0.72、0.65 mm/min;果實膨大期土壤飽和導水率最小為 0.47 mm/min。不同生育期土壤導水率差異顯著(P<0.05),幼果期、著色期和成熟區的Ks值顯著大于果實膨大期,幼果期和成熟期的Ks值顯著大于開花期,說明不同生育期對土壤導水率的影響程度不同。

FP.開花期;IP.初果期;EP.膨大期;CP.著色期;MP.成熟期。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同

2.2.2 土壤飽和導水率影響因子分析 由表2可知,土壤飽和導水率(Ks)與土壤體積質量、飽和含水量、黏粒含量顯著相關,相關系數分別為 -0.709、0.778和-0.744,其中體積質量、黏粒含量與Ks呈顯著負相關關系,表明體積質量、黏粒含量對土壤飽和導水率有阻礙作用,飽和含水量對其有促進作用;Ks還與土壤有機質含量呈極顯著正相關關系,相關系數為0.853,表明土壤飽和導水率隨有機質含量的提高而增大;孔隙度與土壤飽和導水率相關不顯著。

表2 土壤飽和導水率與理化性質相關性分析Table 2 Correlation analysis between soil saturation conductivity and physicochemical properties

將土壤理化性質與飽和導水率進行多元逐步回歸分析,得出其回歸方程Ks=-5.157+ 0.421XSOM+0.071XSILT(R2=0.978),式中XSOM為土壤有機質,XSILT為粉粒含量。由通徑分析可知(表3),有機質和粉粒是飽和導水率的主要影響因子,直接通徑系數分別為1.881和1.143,說明有機質對飽和導水率的直接正影響很大,是影響飽和導水率的主導因子,有機質的間接通徑系數為-1.028,小于其直接通徑系數,說明有機質可以通過改變粉粒含量來間接對飽和導水率產生一定的負影響,但這種間接影響小于其直接影響。粉粒的間接通徑系數為-1.691,小于其直接通徑系數,說明粉粒對土壤飽和導水率的直接正影響大于間接負影響,且粉粒可以通過改變有機質含量對飽和導水率產生一定的負影響,但這種負影響小于正影響。

表3 有機質和粉粒含量與飽和導水率通徑系數Table 3 Diameter coefficient between organic matter,particle content and saturation conductivity

2.3 植物導水率及其影響因素分析

2.3.1 不同生育期植物導水率變化特征 蘋果樹不同生育期的植物導水率(Kp)變化如圖2所示,植物導水率呈波動性變化,變化范圍為 3.34×10-5～8.25×10-5kg/(s·MPa),不同生育期植物導水率趨勢表現為開花期>著色期>幼果期>成熟期>果實膨大期,其植物導水率分別為 8.25×10-5、6.12×10-5、4.25×10-5、3.38×10-5、3.34×10-5kg/(s·MPa)。由單因素方差分析可知不同生育期植物導水率之間具有不同程度的顯著差異(P<0.05)。

圖2 不同生育期植物導水率Fig.2 Plant water conductivity at different growth stages

2.3.2 植物導水率影響因子分析 將植物導水率(Kp)與土壤理化指標進行相關性分析,可知植物導水率與土壤飽和導水率、體積質量、總孔隙度、毛管孔隙度、飽和含水量、有機質、黏粒、粉粒、砂粒的相關系數分別為0.775、-0.923、 -0.539、-0.518、0.934、0.942、-0.886、 -0.874、 0.884,其中植物導水率與土壤飽和導水率、飽和含水量、有機質、砂粒含量呈不同程度的顯著正相關,表明這些指標對植物導水率有較好的促進作用;與土壤體積質量、黏粒和粉粒呈不同程度的顯著負相關,說明該類指標對植物導水率有一定的抑制作用。

為了進一步明確影響植物導水率的主要因素,在相關性分析的基礎上,以植物導水率(Kp)為因變量,土壤理化性質為自變量,進行多元逐步回歸分析,得出其線性方程為:Kp=-5.62×10-5+1.22×10-5XSOM(R2=0.870),其中XSOM為土壤有機質含量。由通徑分析可知,土壤有機質含量是影響植物導水率的主要因子,直接通經系數為0.942,表明有機質含量對植物導水率有主導性直接影響。

3 討 論

本研究以陜北延安山地蘋果園為研究對象,通過對蘋果不同生育期土壤飽和導水Ks和植物導水率Kp進行系統研究,結果顯示不同生育期:土壤飽和導水率在成熟期最大,為0.86 mm/min,幼果期、著色期和開花期土壤導水率也較大,分別為0.77、0.72、0.65 mm/min,說明這幾個時期土壤導水性好,有利于水分入滲;果實膨大期土壤飽和導水率最小為0.47 mm/min,說明膨大期土壤導水性較差,水分入滲量少;這是因為蘋果在不同生育期的需水規律不同,不同生育期蘋果的需水量為:果實膨大期>著色期>成熟期>初果期>開花期[22],果實膨大期果樹需水量最大,土壤飽和導水率最低,因為植物處于最大需水期,將土壤中能吸收的水分都通過根系轉移到樹體中,導致土壤中向地下傳導的水分減少,所以土壤飽和導水率減小。植物導水率在開花期最大,為8.25×10-5kg/(s·MPa),說明開花期植物體中水分流動量最大,樹體中水分含量最多;著色期和幼果期植物導水率分別是6.12×10-5、4.25×10-5kg/(s·MPa),說明這兩個時期樹體中水分含量較多;成熟期和果實膨大期的植物導水率減小分別是3.38×10-5、3.34×10-5kg/(s·MPa),說明在這兩個時期時樹體中水分含量最少;這是因為在開花期土壤中水分充足,溫度較低蒸發量小,可供樹體利用的水分充足,所以植物導水率最大;在成熟期和果實膨大期,溫度高、熱輻射量大,導致土壤中水分散失較多,供樹體利用的水量不多所以該時期植物導水率較低。目前關于陜北山地蘋果園不同生育期的土壤飽和導水率與植物導水率方面的研究還較為少見,因此未能找到該地區類似方面的研究結果提供對比和參考,所以本課題組將繼續對其進行更深入系統的研究,以期找到陜北山地蘋果園不同生育期土壤飽和導水率與植物導水率方面更為精確的變化規律。

土壤理化性質是影響土壤飽和導水率和植物導水率的重要因素,由相關分析可知,土壤飽和導水率和植物導水率與土壤體積質量均呈顯著負相關關系,這是因為體積質量越大,土壤越緊實,土壤間孔隙較少,水分在土壤中的流通量較小,使得土壤飽和導水率和植物導水率降低。土壤有機質與飽和導水率和植物導水率均呈極顯著正相關,有機質可以改良土壤結構,使土壤透氣透水能力增強[23],進而使得土壤飽和導水率和植物導水率增加。飽和含水量與土壤飽和導水率和植物導水率均呈顯著正相關,土壤中含水量越大,土壤飽和導水率和植物導水率都會相應增大。黏粒含量對土壤飽和導水率和植物導水率均呈極顯著負相關,這是因為黏粒越多,土壤顆粒間黏合力就比較大,土壤團粒變大,阻礙水分在土壤中的傳導[24],致使飽和導水率降低,植物獲得的水分減少導致植物導水率降低。甘淼等[25]對黃土區土壤飽和導水率進行研究,結果表明土壤飽和導水率與土壤體積質量和黏粒含量呈顯著負相關關系,這與本試驗的結果一致。土壤飽和導水率與植物導水率具有顯著正相關關系,當土壤飽和導水率越大時,土壤與植物間的水分流通就會加快,所以植物獲得水分就越多,植物導水率就越大。

由通徑分析可知,有機質和粉粒含量是影響土壤飽和導水率的主導因子,兩者影響程度有所不同,并且有機質含量也是影響植物導水率的主導因子,有機質含量對飽和導水率和植物導水率有直接影響,而粉粒則是通過有機質來間接對飽和導水率產生影響。有機質是土壤中微生物的食物來源之一,其含量與土壤中微生物數量呈明顯的正相關關系[26-27]。所以土壤有機質的增加可以提高土壤微生物數量,土壤微生物活動可以使土壤粉粒含量提高,土壤孔隙增加進而改善土壤質地,提高土壤導水率;并且有機質還可以通過促進水穩性團聚體的形成[28],來提高土壤持水性,使土壤吸附水分的能力增強[29],所以有機質含量的提高可以使土壤飽和導水率和植物導水率增大。

4 結 論

研究區不同生育期土壤飽和導水率在成熟期最大,為0.86 mm/min;幼果期、著色期和開花期土壤導水率也較大,分別為0.77、0.72、0.65 mm/min;果實膨大期土壤飽和導水率最小,為 0.47 mm/min。植物導水率在不同發育期表現為開花期>著色期>幼果期>成熟期>果實膨大期,它們的植物導水率分別為8.25×10-5、6.12×10-5、4.25×10-5、3.38×10-5、3.34×10-5kg/(s·MPa)。

通過相關分析可知土壤飽和導水率(Ks)與土壤體積質量、黏粒含量呈顯著負相關,飽和含水量和有機質與Ks呈顯著正相關關系;植物導水率與土壤飽和導水率、飽和含水量、有機質、砂粒含量呈不同程度的顯著正相關,與土壤體積質量、黏粒和粉粒呈不同程度的顯著負相關。通過多元逐步回歸分析得到Ks與Kp的傳遞函數,并對其進行檢驗發現預測值與實測值相差不大,R2均在0.9左右,能較為準確地預測Ks與Kp,說明建立的函數模型狀況良好。由通徑分析可知有機質含量對土壤飽和導水率和植物導水率都有直接正效應,粉粒含量對土壤飽和導水率有間接正效應。