中国生态农业学报  2017, Vol. 25 Issue (1): 749-758  DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.160758
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引用本文 

李佳旸, 王延平, 韩明玉, 张林森, 韩稳社. 陕北黄土丘陵区山地苹果园的土壤水分动态研究[J]. 中国生态农业学报, 2017, 25(5): 749-758. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.160758
Li J Y, Wang Y P, Han M Y, Zhang L S, Han W S. Soil moisture dynamics of apple orchards in Loess Hilly Area of northern Shaanxi Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(5): 749-758. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.160758

基金项目

国家自然科学基金项目(41571218)、陕西省科技统筹创新工程计划项目(2014KTCL02-06)和陕西省果业专项(榆林山地苹果试验站建设)资助

通讯作者

王延平, 主要从事土壤水分与植物生长方面的研究。E-mail:ylwangyp@163.com

作者简介

李佳旸, 主要从事土壤水分与植物生长方面的研究。E-mail:jiayang_li@126.com

文章历史

收稿日期:2016-08-25
接受日期:2016-12-27
陕北黄土丘陵区山地苹果园的土壤水分动态研究*
李佳旸1,2, 王延平1,2, 韩明玉3, 张林森3, 韩稳社1,2     
1. 西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100;
2. 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室 杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学园艺学院 杨凌 712100
摘要:掌握土壤水分特征是实现果园科学管理、有限雨水资源合理高效利用、保证果树高产优质的关键。以陕北米脂山地6年生红富士苹果园为研究对象,于2015年4月-2016年6月采用FDR、中子水分仪和烘干法相结合的土壤水分监测方法,分析了山地苹果园的土壤水分总体特征、单株不同位点的水分动态以及不同旱作措施(秸秆覆盖、起垄覆膜垄沟集雨、有机肥覆盖)的土壤水分环境效应。结果表明:陕北山地果园时段干旱严重,最严重的为苹果树新梢生长和幼果发育期;春季土壤干旱程度取决于上年入冬前土壤储水量高低。果园0~60 cm土层(根系分布集中层)水分随降雨量而变化,表现为较一致的季节变化特征;土壤水分的变化滞后于降雨变化,且降雨对土壤水分的影响随土层加深而减弱,100 cm深土层受降雨影响减弱,土壤剖面200 cm以下土层土壤含水量保持相对稳定。6年生山地苹果园土壤已经出现干化现象,且在90~300 cm存在明显的低湿层,土壤体积含水量常年处在12%以下。苹果树单株尺度范围内,土壤含水量随距树干距离增加单调递增;土壤水分的平均值处在距树干105 cm处;沿行向距树干不同距离位点的土壤含水量显著高于沿株向距树干等距离位点的含水量(P < 0.05)。秸秆覆盖、起垄覆膜垄沟集雨和有机肥覆盖措施相较于空白对照(不覆盖、不灌溉)均能有效改善土壤水分环境,缓解果树生育期内水分供需矛盾,其中起垄覆膜垄沟集雨措施的保墒效果最佳,建议陕北黄土丘陵区山地雨养苹果园采用起垄覆膜垄沟集雨的保墒措施。
关键词:苹果园    土壤水分    覆盖    保墒    黄土丘陵区    
Soil moisture dynamics of apple orchards in Loess Hilly Area of northern Shaanxi Province*
LI Jiayang1,2, WANG Yanping1,2, HAN Mingyu3, ZHANG Linsen3, HAN Wenshe1,2     
1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
2. Key Laboratory of Plant Nutrition and Agricultural Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China;
3. College of Horticulture, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
*The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41571218), Shaanxi Science & Technology Co-ordination & Innovation Project (2014KTCL02-06) and the Special Fruit Industry in Shaanxi (Construction of Hilly Apple Test Station in Yulin)
** Corresponding author, WANG Yanping, E-mail:ylwangyp@163.com
Received Aug. 25, 2016; accepted Dec. 27, 2016
Abstract: Knowledge on the variation in soil moisture is critical for the scientific management of orchards, the efficient utilization of limited rainfall and the improvement of fruit production and fruit quality. In this study, a comprehensive soil moisture monitoring method was used in combination with FDR, neutron moisture meter and oven-drying to determine the general characteristics of soil moisture in loess hilly apple orchards of northern Shaanxi Province. Also the variation in soil moisture at different sampling sites around orchard trees and the environmental effects of different dry-farming measures (e.g., straw mulching, ridge film mulching with furrow rainwater harvesting and organic fertilizer mulching) were investigated in 6-year-old 'Fuji' apple orchard for the period from April 2015 to June 2016 in Mizhi County in Shaanxi Province. The results showed that seasonal drought was quite severe, especially during the shoot growth and young fruit development stages. The degree of soil drought in spring was highly dependent on soil water storage in the last winter. Soil moisture in the 0-60 cm soil layer (root-zone layer) varied with rainfall and had seasonal variation characteristics, but lagged behind that of rainfall. The effect of rainfall on the variation of soil moisture weakened with increasing soil depth. Soil moisture in soil layer below 200 cm was relatively stable, but soil desiccation occurred in 6-year-old apple orchard in the hilly region. There was an obvious low humidity layer in the 90-300 cm soil, where volumetric soil water content was less than 12% for the whole year. Soil moisture increased with increased sampling distance from apple tree. While the regression equations of soil moisture between apple plants and between apple tree rows (y) with distance to apple tree were respectively y=0.010 5x+6.870 2 (R2=0.996 6) and y=0.014x+7.691 2 (R2=0.982 7), the mean soil moisture for the sites was closest to the one 105 cm away from the tree Soil moisture at different sites from tree between rows was significantly higher than that at equivalent distance between plants (P < 0.05). Compared with CK (no mulching or irrigation), dry-farming measures such as the straw mulching, ridge film mulching and furrow rainwater harvesting and organic fertilizer mulching effectively improved soil moisture environment. To a certain extent, these dry-farming measures were recommended for dealing with the issue of soil water supply and demand, especially during plant growing season. Among the measures, ridge film mulching and furrow rainwater harvesting had the highest degree of preservation of soil moisture. Thus ridge film mulching and furrow rainwater harvesting was recommended as the most effective agricultural measure in preserving soil moisture in rainfed apple orchards in Loess Hilly Areas of northern Shaanxi Province.
Key words: Apple orchard     Soil moisture     Mulching     Soil moisture conservation     Loess Hilly Area    

陕北黄土丘陵区是我国黄土高原地区水土流失最为严重的区域。因经济林兼具经济效益和生态效益, 众多学者相继开展了黄土高原经济林尤其是果园的土壤水分研究, 重点研究了果树耗水深度[1-2]、不同树龄果园土壤水分特征[3-4]以及灌溉条件下的土壤水分研究[5-6]等。在陕西苹果“北扩西进”布局推进下, 该区山地苹果发展迅速, 面积已达4万hm2, 成为颇具影响力的区域特色产业[7]。山地苹果林建设是该区实施退耕还林、深化水土保持和发展现代农林业的成功案例, 有效地解决了植被建设成效低、水保效益差和农村经济发展缓慢的长期矛盾[8]。该区降雨量少, 且时空分布不均, 加之苹果树强烈的蒸腾耗水作用, 山地果园土壤水分亏缺严重, 严重影响苹果产量和品质[7]。明确土壤水分环境特征是实现果园科学管理、有限雨水资源合理高效利用、保证果树高产优质的关键所在。

许多学者对黄土高原苹果园的土壤水分状况进行了分析研究[7, 9-12], 表明陕西省苹果园由南向北土壤水分含量逐渐降低, 不同区域、生长年限、立地类型的果园土壤水分特征存在差异。但现有的研究多集中在土壤水分的调控管理、局部区域和不同类型果园的差异, 专门针对陕北黄土峁状丘陵沟壑区山地旱作苹果园土壤水分环境的研究尚鲜见报道。本文以陕北米脂山地6年生红富士苹果园为研究对象, 采用FDR、中子水分仪和烘干法相结合的土壤水分监测方法, 分析研究山地苹果园的土壤水分动态、单株不同位点的水分动态以及不同旱作措施的土壤水分环境效应, 以期为强化山地果园的水分管理, 提高有限水资源利用率, 实现干旱山地苹果园提质增效提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验地概况

试验在陕西省果业管理局榆林山地苹果试验站米脂党塔山地苹果科技示范基地进行。当地为典型的黄土峁状丘陵沟壑地貌, 海拔986~1012 m, 干旱和水土流失最为严重, 属中温带半干旱性气候。春季气温回升较快、风沙大、雨量少, 伴随霜冻和春旱; 夏季温暖, 有伏旱、暴雨、冰雹和阵性大风出现; 秋季温凉, 气温下降快, 有霜冻; 冬季寒冷而干燥。年平均降雨量451.6 mm, 最大年降雨量704.8 mm, 最小年降雨量186.1 mm。降雨季节性分布不均匀, 4—6月降雨量少, 且多为5 mm以下的无效降雨, 6—9月则占到降雨量的60%以上, 且多以暴雨形式出现, 强度大, 每年有相当一部分降雨形成径流流失。年平均气温8.9℃, 极端最高气温38.2℃, 极端最低气温-25.5℃, 无霜期162 d。地形为台地或梯田, 土壤为黄绵土, 容重1.20~1.35 g·cm-3, 田间持水量为22.4%, 土壤有机质含量4.2 g·kg-1。果园面积为13.5 hm2, 苹果树6龄, 株行距4 m×5 m, 主栽品种‘红富士’, 授粉品种‘嘎啦’、‘秦冠’等。试验年份2015年4月—2016年6月的降水量如图 1所示。

图 1 2015年4月—2016年6月供试果园的降水量 Figure 1 Precipitation of the tested apple orchard from Apr. 2015 to Jun. 2016
1.2 研究方法

在试验果园中心地带的4棵苹果树对角线连线的中心位置安置5个CS616土壤水分探针 (Campbell Scientific INC.), 测量误差为±3%, 连接CR1000型数据采集器 (Campbell Scientific, UN), 以每30 min的频率对20 cm、40 cm、60 cm、100 cm、200 cm土层土壤含水率进行持续监测, 分析山地苹果园土壤干旱状况以及根系集中分布层和根际层的土壤水分动态变化特征。

在试验果园中心及外围地带均匀布置9根 (呈3行3列排列)6 m深中子管, 中子管均位于周围4株苹果树对角线连线的中心位置, 每10~15 d用CNC503B (DR) 型智能中子水分仪对土壤水分含量进行测定, 0~100 cm土层每10 cm记录一次, 100~580 cm土层每20 cm记录一次。计算不同深度土层土壤含水量的平均值, 研究干旱山地苹果园土壤水分的垂直变化特征。

在试验果园中心地带, 选取长势中等、无病虫害的3株苹果树作为样株, 以每个样株的树干为中心, 分别沿株向和行向在距离树干30 cm、60 cm、90 cm、120 cm、150 cm、180 cm处埋设2 m深中子管, 每10~15d用CNC503B (DR) 型智能中子水分仪对土壤水分含量进行测定, 标定方程为: y=59.006x+0.270 5。0~100 cm土层每10 cm记录一次, 100~160 cm土层每20 cm记录一次。计算出3个样株同一位置土壤水分含量的平均值, 分析山地苹果树单株尺度的土壤水分环境特征。

为了明确不同旱作技术措施对果园土壤水分环境的影响, 采取随机区组设计, 9株苹果树为1小区, 重复3次, 3行3列排列, 集中布设目前陕北山地苹果园应用的秸秆覆盖 (Ⅰ)、起垄覆膜垄沟集雨 (Ⅱ)、有机肥覆盖 (Ⅲ)3种旱作技术措施作为不同处理, 以不覆盖 (CK) 为对照, 分析各处理下果园土壤水分含量的变化。Ⅰ处理用铡碎的玉米秸秆对整个小区进行覆盖, 厚度为15 cm左右; Ⅱ处理以主干为中心, 沿行向在树干两侧各起一条宽80~100 cm, 中间高10~15 cm、两边低的弧形垄, 垄上沿行向覆盖厚0.01 mm、宽1.6~2 m的黑色地膜, 膜边修筑深宽各10 cm的集雨沟; Ⅲ处理用鸡粪对整个小区进行覆盖, 厚度为15 cm左右。每月用土钻取样105℃烘干法测定土壤水分1次, Ⅰ、Ⅲ和CK均在小区中心的株、行间各打1钻取样, Ⅱ处理在垄上、垄沟和行间各打1钻。测定深度2 m, 每20 cm取样1个。土壤储水量按下式计算:

${\rm{SWS}} = 0.1 \times {\theta _{\rm{m}}} \times \rho \times H$

式中: SWS为土壤储水量, mm; θm为质量含水量, %; ρ为土壤容重, g×cm-3; H为土层深度, cm。

降雨量采用试验果园安置的Campbell Scientific生产的农田小气象站监测。

用Microsoft Excel 2013、SigmaPlot 12.5进行数据处理和作图, DPS 6.0进行数据分析。

2 结果与分析 2.1 山地果园土壤水分总体状况 2.1.1 山地果园土壤水分的季节动态

陕北山地苹果园土壤水分含量变化与降水、蒸发和果树生理耗水量密切相关。苹果树80%的根系分布于0~60 cm土层[13]图 2为试验果园中心位置4株苹果树对角线连线中心点FDR法测定的土壤水分动态。结果表明, 果树生长季节, 根系集中分布层 (0~60 cm土层) 的土壤水分受降雨影响较大, 表现为与降雨较一致的季节变化特征, 土壤水分的变化滞后于降雨变化, 降雨对土壤水分的影响随土层加深而减弱。冬季, 由于土壤结冻, 一年中土壤含水量最低。4月初到6月底降雨量少且多为小于5 mm的无效降雨, 大风频发, 日晒强烈, 土壤水分蒸发散失量大, 加之果树新梢生长和幼果发育对水分的消耗逐渐增大, 土壤含水量持续下降。6月29日降雨14.4 mm, 20 cm和40 cm深土层含水量有所提高, 60 cm土层含水量继续下降。7月到9月为高温多雨的季节, 降雨量大且集中, 土壤水分含量随降雨量的增加而提高, 7月17—22日连续降雨77.4 mm, 20 cm、40 cm和60 cm深土层含水量分别提高43.0%、56.3%和18.9%; 8月28日到9月10日累计降雨68.6 mm, 20 cm、40 cm和60 cm深土层含水量分别提高48.9%、49.2%和72.1%, 与7月17—22日相比, 降雨量略小, 但土壤含水量却提高更多, 是由于7月的降雨强度大, 持续时间短, 形成的径流流失量大, 雨水下渗相对较少。9月22日至10月下旬, 尽管气温有所下降, 但降雨量少, 加之果实发育耗水量较大, 各层的含水量均急剧下降。11月5—6日, 降雨53.6 mm, 各层的含水量大幅度提升。11月下旬果树进入休眠季节, 至12月中旬, 由于气温较低, 树体对水分的消耗较少, 含水量维持在较高水平。进入12月下旬, 气温降至0 ℃以下, 土壤结冻, 土壤中的水分由液态转为固态, 液态水含量很低, 因此水分探针所能测得的土壤水分急剧下降, 冬季土壤含水量一直处于极低水平。翌年3月气温回升至0℃以上, 土壤开始解冻, 土壤中的水分由固态转为液态, 虽然只有稀少的降雨, 浅层土壤含水量仍急剧升高, 至3月下旬, 冻土层完全化通, 土壤含水量达到结冻前水平, 因此新一生长季的土壤水分含量高低取决于上一年雨季积累的土壤含水量。

60 cm以下土层降雨入渗补充量减少, 根系的吸收和水分蒸发也都明显减弱, 但该层土壤水分含量的高低对苹果树的生长发育仍然至关重要[7]。从图 2看出, 100 cm深土层受降雨影响明显减弱, 绝大多数降雨不能补充该层水分, 在生育期内果树对水分的消耗大于雨水下渗的补给, 土壤含水量整体呈下降趋势。11月5—6日的降雨量大且持续, 使该土层含水量急剧升高。冬季该土层土壤的结冻期较0~60 cm土层短, 水分变化也渐弱。200 cm深土壤含水量较为稳定, 试验期间该层土壤水分含量的变异系数仅为12.7%。这是由于该层土壤水分受外界环境影响更小, 根系吸水消耗较少, 且黄土高原区地下水埋深较深, 只能缓慢向上迁移。

图 2 果园不同深度土层土壤体积含水率的变化 Figure 2 Variations of soil volumetric moistures at different depths in apple orchard
2.1.2 山地果园的土壤干旱状况

苹果树生长发育的水分主要靠根系直接从土壤中吸取, 因此, 采用土壤相对含水量 (土壤含水量与田间持水量的百分比) 作为衡量山地果园干旱程度的农业干旱指标。一般认为, 当土壤相对含水量小于30%时, 为特别重度干旱; 30%~40%时, 为重度干旱; 40%~50%时, 为中度干旱; 50%~60%时, 为轻度干旱; 大于60%时, 无旱[14]

图 3可以看出, 试验果园存在阶段性干旱严重。2015年4月到6月中旬, 果园处于中度干旱状态 (0~60 cm土壤储水量为84.0~100.8 cm), 土壤储水量持续减少。因此, 该阶段山地果园应进行适量补水。徐巧等[15]研究表明该时期 (萌芽期、开花期、新梢生长和幼果发育期) 最适的土壤相对含水量为50%~60%, 建议生产上在苹果萌芽期 (3月下旬—4月中旬)、开花期 (4月下旬—5月初)、新稍生长和幼果发育期 (5月下旬—6月上旬) 进行3次灌溉补水。6月中旬到7月中旬, 土壤储水量仅有66.8 mm, 果园重度干旱, 只有6月29日和7月17日两场超过10 mm的有效降雨稍稍缓解了重度的干旱, 苹果树该时期 (新梢生长和幼果发育期) 是灌溉补水的关键季节, 建议生产上补水1次。7月下旬开始进入高温多雨季节, 到10月上旬, 为苹果的果实膨大期, 果园土壤干旱等级基本在轻度干旱, 只有8月下旬到9月上旬中度干旱, 苹果树在该阶段最适土壤相对含水量为70%~80%[15], 故此阶段应补水1次。10月中旬到11月初, 果园中度干旱, 但果实已经采收, 可不进行补水。2016年3月下旬到5月中旬, 土壤含水量较高, 无旱象。5月中旬到6月底, 由于降水少, 果树耗水量增大, 出现轻度干旱。

图 3 果园0~60 cm土层土壤储水量的变化 Figure 3 Variations of soil water storages in 0-60 cm depth in apple orchard 图中60%、50%、40%、30%和100%直线表示土壤相对含水量。 Straight lines of 60%, 50%, 40%, 30% and 100% indicate the relative soil moisture contents.
2.1.3 山地果园土壤水分的垂直变化

将试验果园布置的9根中子管测定的土壤水分数据取平均值, 绘制出苹果不同生育期的土壤水分剖面图 (图 4)。不难看出, 0~580 cm土层内土壤剖面含水量随深度的增加呈现出明显的“高-低-高”的特征, 受降雨、蒸发及果树耗水等综合因素的影响, 试验果园土壤含水量的变化主要发生在200 cm以上土层, 变异程度随土壤深度增加而减弱, 土壤含水量的CV值达9.56%~22.71%。200 cm以下土层含水量保持相对稳定, 变异系数CV仅为2.9%~5.3%。这说明自然降水很难下渗补充到200 cm以下土层。

图 4 不同日期 (年-月-日) 果园土壤剖面含水量的变化和CV值 Figure 4 Variations of soil profile moisture and CV values in apple orchard in different dates (year-month-day)

在黄土高原苹果产区, 多年生植被因土壤水分长期亏缺而形成的土壤干化普遍存在[7, 16-18], 苹果树的生长发育对土壤水分的要求比一般耐旱性植物高, 在萌芽、开花、新梢生长和幼果发育期最适土壤相对含水量为50%~60%, 果实膨大期最适土壤相对含水量为70%~80%[15], 本文以田间持水量的50%作为果园土壤干化标准[7]。从图 4不难看出, 山地6年生苹果园在60 cm以下土层已经出现严重土壤干化现象, 且在90~300 cm存在明显的低湿层, 土壤体积含水量常年处在12%以下, 这对苹果园的持续健康发展非常不利。

2.2 山地苹果树单株尺度的土壤水分特征

图 5可以看出, 苹果树单株尺度范围内, 土壤水分存在明显的空间变异性, 无论沿行向还是株向, 土壤含水量都表现出随着距树干距离的增加而递增的趋势。苹果树吸水根以径向0~90 cm、垂向0~120 cm为主要分布区, 且更为集中于40~60 cm深度范围内, 并以距离树干60 cm处的根系分布最广[19], 距离树干越近, 根系越发达, 吸水越强烈。

图 5 不同时间距苹果树干不同距离的不同深度土壤含水量 Figure 5 Soil moistures of different depths at different distances from apple trees in different periods

对每个水平位置测得的土壤含水量求平均值, 与距树干的距离进行拟合, 得到土壤含水量 (y) 与距树干距离 (x) 呈线性正相关关系 (表 1), 株间和行间的关系式分别为y=0.010 5x+6.870 2和y=0.014x+7.691 2。对单株苹果树株间和行间土壤含水量求平均值, 带入拟合关系式, 可以反推该平均值所对应的距树干距离, 株间为105.0 cm, 行间为104.6 cm。因此, 在研究苹果园土壤水分时, 在距离树干105 cm左右处取样最佳, 最接近于土壤含水量的平均值, 最具代表性。

表1 土壤含水量 (y) 与距苹果树干距离 (x) 的拟合关系 Table 1 Fitting relations between soil moisture and distance from tree trunk

图 5还可以看出, 沿行向距树干不同距离位点的土壤含水量显著高于沿株向距树干等距离位点的含水量 (P < 0.05)。这是由于试验果园株距为4 m, 行距5 m, 相邻两株苹果树株间对土壤水分的竞争大于行间所致。

2.3 不同旱作措施的水分效应 2.3.1 苹果树根系分布集中层 (0~60cm) 的土壤水分含量差异

不同覆盖保墒措施对土壤水分保持和散失的影响不同。从图 6可以看出, 各处理的土壤水分季节变化主要受降雨影响。4—6月降雨量少, 蒸发强烈, 苹果树耗水量不断增多, 土壤含水量逐渐降低; 7—9月降雨量增多, 土壤水分得到补充和恢复; 10月因降雨量有所减少, 土壤水分又有所降低; 因2015年11月果实采收之后又有较多的降雨, 因此2016年4月土壤含水量处于较高水平。

图 6 不同覆盖处理下果园0~160 cm土层储水量的变化 Figure 6 Variations of soil water storages in 0-160 cm layer of apple orchard under different mulching treatments CK:对照, 不覆盖不施肥; Ⅰ:秸秆覆盖; Ⅱ:起垄覆膜垄沟集雨; Ⅲ:有机肥覆盖。 CK: control, no mulching, no fertilization;
Ⅰ: straw mulching; Ⅱ: rainwater harvesting with plastic film cover ridge; Ⅲ: organic fertilizer mulching.

0~20 cm土层含水量受降雨和蒸发影响较大。4—6月, 各处理的含水量表现为起垄覆膜垄沟集雨 (Ⅱ) > 有机肥覆盖 (Ⅲ) > 秸秆覆盖 (Ⅰ) > CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ与CK差异显著 (P < 0.05), Ⅲ与Ⅰ、Ⅱ差异不显著 (P > 0.05), Ⅰ与Ⅱ差异显著 (P < 0.05), 由于覆膜对蒸发的抑制效果最好, 起垄覆膜垄沟集雨的保墒效果好于秸秆覆盖和有机肥覆盖; 7—10月, 各处理的含水量表现为Ⅲ > Ⅰ > Ⅱ > CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ与CK差异显著 (P < 0.05), Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ彼此之间差异都不显著 (P > 0.05), 其原因是雨季降水量大, 能够穿透秸秆和有机肥覆盖层, 有效补充土壤水分, 而起垄覆膜垄沟集雨处理膜下没有雨水入渗, 且行间未覆盖, 土壤水分蒸发量相对较大。20~40 cm和40~60 cm土层受降雨和蒸发的影响相对较小, 各处理的含水量均表现为Ⅱ > Ⅲ > Ⅰ > CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ与CK差异显著 (P < 0.05), Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ彼此之间差异都不显著 (P > 0.05), 这是由于覆膜措施行间没有覆盖, 土壤水分蒸发量相对大。春季干旱, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理0~60 cm土层的水分含量分别比CK提高14.7%、22.5%和17.9%;雨季Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理0~60 cm土层的水分含量分别比CK提高16.9%、21.2%和20.9%。总之, 春季干旱时节, 最大程度地防止土壤水分蒸发, 夏秋高温多雨季节, 强化雨水下渗, 是陕北干旱山地苹果园水分管理的关键。

2.3.2 苹果树根际层 (60~200 cm) 的土壤水分环境

不同覆盖保墒措施对果园60~200 cm土层土壤水分含量也有明显影响。从图 6可以看出, 在生长季内, 各处理的储水量表现为Ⅱ > Ⅲ > Ⅰ > CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ与CK差异显著 (P < 0.05), Ⅲ与Ⅰ、Ⅱ差异不显著 (P > 0.05), Ⅰ与Ⅱ差异显著 (P < 0.05)。4—6月降雨量小, 雨水鲜少能够补充到60 cm以下土层, 苹果树水分消耗量不断增多, 各处理土壤储水量均呈降低趋势。整个干旱季节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理土壤储水量比CK分别提高9.3%、15.4%和12.3%。7月中旬之后, 降雨量剧增, 60 cm以下土层水分得到降雨的补给, 土壤储水量得到恢复和上升, 但由于果实发育消耗大量水分, 回升较为缓慢。10月降雨量减少, 土壤储水量随之降低。整个雨季Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理土壤储水量比CK分别提高8.9%、13.6%和10.3%。可见, 覆盖保墒措施有利于根际区土壤水分的积累, 对土壤水分环境的改善意义重大。

2.3.3 关键季节土壤剖面含水量差异

图 7所示, 各个时期0~200 cm土壤剖面含水量都随土层的加深逐渐降低到稳定, 各处理的含水量表现为Ⅱ > Ⅲ > Ⅰ > CK, 且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理土壤含水量显著高于CK (P < 0.05)。在水分临界期, 试验果园100 cm以上土层土壤含水量Ⅱ > Ⅲ > Ⅰ > CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ与CK差异显著 (P < 0.05), Ⅲ与Ⅰ、Ⅱ差异不显著 (P > 0.05), Ⅰ与Ⅱ差异显著 (P < 0.05); 100 cm以下土层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理彼此之间差异都不显著 (P > 0.05)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理0~200 cm土层平均土壤含水量比CK分别提高16.1%、23.8%和18.7%。花芽分化期土壤含水量有所下降, 是由于降雨量小, 果树持续消耗土壤水分, 各处理的含水量仍表现为Ⅱ > Ⅲ > Ⅰ > CK, 且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理彼此之间差异都不显著 (P > 0.05)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理0~200 cm土层平均土壤含水量比CK分别提高18.4%、23.2%和20.5%。果实膨大期, 果实的发育需要消耗大量水分, 该时期降雨量大, 0~60 cm土壤水分得到降雨的补给, 但60 cm以下土层由于雨水的入渗小于果树的耗水, 土壤含水量未见提高, 该时期各处理的含水量仍表现为Ⅱ > Ⅲ > Ⅰ > CK, Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理彼此之间差异都不显著 (P > 0.05)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处理0~200 cm土层平均土壤含水量比CK分别提高23.0%、29.8%和26.8%。

图 7 不同覆盖处理水分临界期 (a)、花芽分化期 (b) 和果实膨大期 (c) 苹果园土壤剖面含水量 Figure 7 Soil profile moistures of apple orchard under different mulching treatments at water critical period (a), flower bud differentiation stage (b) and fruit enlargement period (c) CK:对照, 不覆盖不施肥; Ⅰ:秸秆覆盖; Ⅱ:起垄覆膜垄沟集雨; Ⅲ:有机肥覆盖。 CK: control, no mulching, no fertilization; Ⅰ: straw mulching; Ⅱ: rainwater harvesting with plastic film cover ridge; Ⅲ: organic fer tilizer mulching.
3 讨论

土壤水分条件在植物生态系统中起着非常重要的作用[6]。试验果园土壤水分特征表现为0~60 cm土层水分随降雨量而变化, 表现为较一致的季节变化特征, 土壤水分的变化滞后于降雨变化, 降雨对土壤水分的影响随土层加深而减弱。100 cm深土层受降雨影响减弱, 只有强度较大的降雨能够下渗到该土层。200 cm深土层含水量较为稳定, 变异系数仅为5.01%, 受外界影响小。这与王延平等[7, 9]、邹养军等[12]的研究结果一致, 0~60 cm土层土壤水分消耗较多, 雨水的下渗深度可达1 m深土层以上[9, 20], 但难以达到2 m, 苹果树对下层土壤水分的消耗大于降雨的补充。本试验实现了对果园土壤水分的连续动态监测, 甚至包括冬季苹果树休眠季节的土壤水分动态, 大气降水是试验果园土壤水分补充的唯一来源, 在没有降水的情况下, 进入冬季时土壤水分的突然下降和春季气温回暖土壤水分的急剧升高, 可能是由于土壤的结冻和解冻, 水在固态时不能被水分探针监测所致。黄土高原苹果林地普遍存在土壤干化现象, 但大多在成龄果园。本研究发现6年生山地苹果园土壤已经出现干化现象, 90~300 cm存在明显的低湿层, 土壤体积含水量常年处在12%以下。这与曹裕等[21]、郭正等[22]研究结果不同, 可能是因为试验区域的气候、降雨和土壤质地不同等因素综合影响。研究果园土壤水分环境总体特征, 能有效地指导旱地雨养果园进行合理的水分管理, 为实现苹果的提质增效提供理论支持。

苹果树单株尺度范围内, 无论行向还是株向, 土壤含水量都表现为随着距树干距离的增加表现出单调递增的趋势。这与张义等[23]、李小英等[24]的研究结果一致, 由于距树干距离越近, 果树的根系越发达且密集, 对土壤水分的消耗也越大, 土壤水分含量也就越低。土壤含水量与距树干距离呈线性正相关关系, 株间和行间的关系式分别为y=0.0105x+6.8702和y=0.014x+7.6912, 据此得到土壤水分的平均值处在距树干105 cm左右位点处。沿行向距树干不同距离位点的土壤含水量显著高于沿株向距树干等距离位点的含水量。因此, 适当减小相邻果树对土壤水分的竞争效应, 合理的果树栽植密度能够有效地改善果园水分环境, 以实现增产增收。

采用地面覆盖措施, 可以有效减少土壤水分蒸发, 保持水土, 增强蓄水保墒能力, 提高果园土壤含水量, 缓解生长季果树的水分供需矛盾。3种覆盖方式均能很好地改善旱地果园的土壤水分环境。这与前人[25-29]的研究结果一致。本研究中, 起垄覆膜垄沟集雨对山地苹果林土壤水分环境改善的整体效果好于秸秆覆盖和有机肥覆盖。有机肥覆盖起到很好的蓄水、保温、减少土壤蒸发的作用, 并且有利于提高土壤的酶活性, 增强土壤肥力, 但大面积的覆盖会导致环境恶臭; 秸秆覆盖起到了截留雨水、蓄水和减缓土壤水分蒸发的作用, 并且有利于保持土壤肥力, 但苹果产区耕地面积被压缩, 生产的秸秆很难满足果园大面积覆盖, 且秸秆覆盖易引发病虫害; 起垄覆膜垄沟集雨处理株间位置因膜的作用保墒效果佳, 而垄沟和行间无覆盖导致土壤水分蒸发强烈, 降低了整体的保墒效果, 但在春夏干旱季节, 很少的降雨即可将雨水积聚到膜边沟内, 改善苹果树的局部水分供应状况, 局部土壤水分环境的改善对苹果树的生长发育仍能发挥重要作用。因此, 建议黄土峁状丘陵沟壑区山地雨养苹果园采用起垄覆膜垄沟集雨的保墒措施。

4 结论

1) 陕北地区山地苹果园阶段性干旱严重, 春季干旱程度取决于上一年入冬前土壤储水量高低。果园0~60 cm土层水分随降雨量而变化, 表现为较一致的季节变化特征, 土壤水分的变化滞后于降雨变化, 降雨对土壤水分的影响随土层加深而减弱。100 cm深土层受降雨影响减弱, 200 cm深土层含水量较为稳定。6年生山地苹果园土壤已经出现干化现象, 90~300 cm存在明显的低湿层。

2) 苹果树单株尺度范围内, 无论行向还是株向, 土壤含水量都表现为随着距树干距离的增加表现出单调递增的趋势, 且沿行向距树干不同距离位点的土壤含水量显著高于沿株向距树干等距离位点的含水量。

3) 3种覆盖方式均能有效改善旱地果园的土壤水分环境。在0~60 cm土层, 秸秆覆盖、起垄覆膜垄沟集雨和有机肥覆盖措施可分别提高土壤水分含量14.7%~16.9%、21.2%~22.5%和17.9%~20.9%; 60~200 cm土层, 秸秆覆盖、起垄覆膜垄沟集雨和有机肥覆盖措施可分别提高土壤水分含量8.9%~9.3%、13.6%~15.4%和10.3%~12.3%。

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