晉西黃土區(qū)蘋(píng)果－農(nóng)作物間作土壤水分研究

田 陽(yáng)，周玉喜，云 雷，畢華興，高路博，李 璐，申 明

（1．北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京100083；2．水利部 水土保持監(jiān)測(cè)中心，北京100055）

土壤水分不僅是土壤、植物、大氣連續(xù)體的關(guān)鍵因子，還是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動(dòng)的重要載體，對(duì)土壤的特性、植物的生長(zhǎng)、分布以及生態(tài)系統(tǒng)小氣候的變化具有重要影響［1］。果農(nóng)間作是晉西黃土區(qū)開(kāi)發(fā)的主要模式之一，特別是國(guó)家實(shí)行退耕還林政策以來(lái)，大量坡耕地改種為具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的果樹(shù)，使得果農(nóng)間作模式不斷推廣。但在干旱半干旱的晉西黃土區(qū)，果農(nóng)間作不得不面對(duì)一個(gè)重要難題——水分競(jìng)爭(zhēng)，雖然關(guān)于黃土區(qū)不同植被土壤水分動(dòng)態(tài)變化的研究起步較早，并得到了很多結(jié)論［2－16］，但多針對(duì)如林地、草地、農(nóng)地等單一系統(tǒng)，針對(duì)間作系統(tǒng)土壤水分的研究仍不多見(jiàn)［17］。本文以晉西黃土區(qū)具有代表性的蘋(píng)果（Maluspumila）—花生、蘋(píng)果—大豆兩種果農(nóng)間作模式為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)間作系統(tǒng)水分時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，旨在為該地區(qū)間作系統(tǒng)水分布模型的建立，水分生態(tài)特征分析等提供一定的基礎(chǔ)資料，也為該地區(qū)土地資源合理利用和農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣東城鄉(xiāng)雷家莊（110°41′E，36°06′N），地處呂梁山南端，屬于典型的黃土殘塬溝壑區(qū)。年平均降雨量在580mm左右，降水量季節(jié)分配不均，降雨集中在7—9月，占全年降水量的70%左右（2008年降水總量為396．1mm，屬于偏旱年。2009年降水總量為521．8mm，屬于正常年，具體見(jiàn)圖1）。該地區(qū)春季干旱多風(fēng)，氣候回升快，晝夜溫差大，年均氣溫10℃，年均日照時(shí)數(shù)2 740h，無(wú)霜期175d左右。土壤屬黃土母質(zhì)，土層深厚，土質(zhì)均勻。東城鄉(xiāng)雷家莊是全國(guó)優(yōu)質(zhì)果品生產(chǎn)基地、農(nóng)業(yè)部無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)地，該地區(qū)果樹(shù)主要為蘋(píng)果、核桃。

圖1 2008－2009年降水量分布

2 研究方法

2．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取當(dāng)?shù)刂饕麡?shù)類型——蘋(píng)果以及典型作物花生、大豆為研究對(duì)象。蘋(píng)果始栽植于2000年，蘋(píng)果樹(shù)行間內(nèi)種植花生、大豆（同一樹(shù)行南北兩側(cè)種植相同作物），蘋(píng)果樹(shù)行向與花生、大豆行向一致，皆為東西走向，蘋(píng)果樹(shù)株行距為3．0m×4．0m，平均樹(shù)高4．0m，冠幅半徑2．1m；間作模式中的花生、大豆的株行距均為0．45m×0．50m，并設(shè)置單作花生和大豆作為對(duì)照，間作和單作作物的株行距及管理方式一致。蘋(píng)果樹(shù)行與二者的距離均為2m（圖2）。

圖2 蘋(píng)果—農(nóng)作物間作土壤水分監(jiān)測(cè)試驗(yàn)布設(shè)

2．2 土壤水分

土壤水分樣點(diǎn)布設(shè)與測(cè)定：在蘋(píng)果—農(nóng)作物間作中，以選擇的蘋(píng)果樹(shù)行為中心，在蘋(píng)果樹(shù)行南北兩側(cè)布設(shè)樣線，分別以距蘋(píng)果樹(shù)行0m（林下），0．5，1．0，1．5，2．0，2．5m作為土壤水分取樣點(diǎn)，每種間作模式3條樣線（相鄰樣線距離相等），共33個(gè)取樣點(diǎn)（圖2）；單作對(duì)照花生、大豆樣地按照“S”形各選取5個(gè)樣點(diǎn)；每個(gè)取樣點(diǎn)設(shè)3個(gè)重復(fù)。

利用土鉆對(duì)布設(shè)的水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行取土，采用烘干法測(cè)定，取土深度為0—100cm，每20cm為一層，分層測(cè)定土壤的質(zhì)量含水量。

取樣時(shí)間：在2008年5月、7月、9月和2009年6月、8月、9月分別進(jìn)行取樣，在花生和大豆的典型物候期測(cè)定土壤水分。

2．3 數(shù)據(jù)處理

為了更好地研究間作模式樹(shù)木對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生的影響［18－19］，本文規(guī)定蘋(píng)果樹(shù)林行南側(cè)為負(fù)方向、北側(cè)為正方向；定義從距蘋(píng)果樹(shù)行2．0m到2．5m的范圍為間作系統(tǒng)的農(nóng)作物區(qū)（蘋(píng)果樹(shù)行與作物之間的距離為2m），記為［2．0m，2．5m］；引入間作系統(tǒng)的水分效應(yīng)EM

［20］（即樹(shù)木對(duì)農(nóng)作物土壤水分影響的程度，這種影響既包括樹(shù)木根系對(duì)土壤水分的競(jìng)爭(zhēng)，又包括樹(shù)木通過(guò)遮蔭降低土壤蒸發(fā)，樹(shù)木根系的提水作用對(duì)土壤水分的增益），其計(jì)算公式分別為：

式中：M——間作模式農(nóng)作物范圍（［2．0m，2．5m］）土層深度土壤含水量；MCK——對(duì)照農(nóng)作物土層深度土壤含水量；EM——土壤水分效應(yīng)（%）。數(shù)據(jù)處理采用 Excel 2003，SPSS 15．0，Surfer 8．0等。

3 結(jié)果與分析

3．1 間作系統(tǒng)土壤水分時(shí)間變化

從蘋(píng)果—花生、蘋(píng)果—大豆兩種間作模式土壤含水量的時(shí)間變化可以看出，間作作物在不同物候期，土壤含水量的變化與土層深度有關(guān)，與60—100cm的深層土壤相比，0—20cm表層土壤含水量隨時(shí)間變化更明顯（圖3）。

圖3 蘋(píng)果－農(nóng)作物間作土壤含水量時(shí)間變化

以對(duì)花生、大豆兩種作物的觀測(cè)時(shí)間作為影響因素，對(duì)蘋(píng)果—花生、蘋(píng)果—大豆兩種間作模式0—100 cm土層的土壤含水量進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，兩種間作模式土壤含水量物候期變化顯著（F蘋(píng)果—花生＝85．919，p＜0．01；F蘋(píng)果—大豆＝41．193，p＜0．01），說(shuō)明間作系統(tǒng)并沒(méi)有改變土壤水分季節(jié)差異顯著的特征。

3．2 間作系統(tǒng)土壤水分空間分布

蘋(píng)果—農(nóng)作物間作土壤含水量測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)特征（表1）表明，在垂直方向上，蘋(píng)果—花生、蘋(píng)果—大豆兩種間作模式土壤含水量層次變化非常顯著（F蘋(píng)果—花生＝49．108，p＜0．01；F蘋(píng)果—大豆＝42．308，p＜0．01）。各土層土壤含水量的變異系數(shù)隨土層深度的增加而減小，再次證明相對(duì)于深層土壤，淺層土壤的變化更為強(qiáng)烈，土壤含水量各層變異系數(shù)均大于0．1且小于1．0屬于中等變異性，即處于中等變異程度。

表1 蘋(píng)果—農(nóng)作物間作土壤含水量測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)特征

在水平方向上，兩種間作模式土壤水分分布具有一定的梯度特征，總體趨勢(shì)均為距蘋(píng)果樹(shù)行越近，土壤含水量越少，但隨著樹(shù)行距離的增加，土壤含水量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)（圖4）。

圖4 蘋(píng)果－農(nóng)作物間作土壤含水量水平分布

土壤含水量先增加，主要是由隨著離果樹(shù)行距離的增大，蘋(píng)果根系網(wǎng)絡(luò)逐漸稀疏，對(duì)土壤水分的影響逐漸變小造成的；而土壤含水量有減小的趨勢(shì)可能是由于進(jìn)入間作模式的作物區(qū)域，蘋(píng)果根系網(wǎng)絡(luò)吸水和作物根系群體生長(zhǎng)需水共同影響的結(jié)果，相對(duì)而言，蘋(píng)果—大豆間作模式表現(xiàn)更為明顯，這主要是作物種類、光照以及蘋(píng)果樹(shù)根系分布造成的。

二維分布等值線圖可以較好地顯示間作系統(tǒng)土壤水分的空間分布格局，對(duì)蘋(píng)果—花生、蘋(píng)果—大豆兩種間作模式0—100cm土層土壤含水量繪制二維分布等值線圖（圖5），可以看出，這兩種間作模式土壤水分二維分布特征具有一定的相似性。在垂直方向上，土壤水分隨著土層深度的增加有減小的趨勢(shì)；在水平方向上，隨著離蘋(píng)果樹(shù)行距離的增加土壤含水量有先增加后減少的趨勢(shì)。兩種間作模式土壤含水量的二維分布，是降雨、果樹(shù)和作物生長(zhǎng)吸水、間作模式配置等因素共同作用的結(jié)果。

圖5 土壤含水量二維分布等值線圖

對(duì)蘋(píng)果—花生和蘋(píng)果—大豆兩種間作模式0—250cm帶距范圍各測(cè)點(diǎn)0—100cm土層內(nèi)土壤水分WS（%）與離果樹(shù)距離D（cm）、土層深度Z（cm）的關(guān)系進(jìn)行多元非線性回歸分析，結(jié)果顯示，回歸方程擬合較好，具有顯著的統(tǒng)計(jì)意義（p＜0．01）。

（1）蘋(píng)果—花生：WS＝－4．8×10－5D2＋0．021D－5．6×10－8Z4＋0．022Z＋11．114，復(fù)相關(guān)系數(shù)r＝0．948，決定系數(shù)為0．899。

（2）蘋(píng)果—大豆：WS＝－5．1×10－8Z4＋0．022Z＋12．697，復(fù)相關(guān)系數(shù)r＝0．894，決定系數(shù)為0．696。

3．3 間作系統(tǒng)土壤水分效應(yīng)

以2009年降水量正常年數(shù)據(jù)為例，方差分析結(jié)果表明，在2009年整個(gè)生長(zhǎng)季，土層深度為0—40cm和0—100cm時(shí)，間作花生與對(duì)照單作花生、間作大豆與對(duì)照單作大豆土壤水分差異均呈極顯著（F花生0—40cm＝9．35，p＜0．01；F花生0—100cm＝36．53，p＜0．01；F大豆0—40cm＝17．42，p＜0．01；F大豆0—100cm＝94．43，p＜0．01）。根據(jù)公式（1）計(jì)算蘋(píng)果—花生和蘋(píng)果—大豆兩種間作模式的水分效應(yīng)，得出當(dāng)土層深度取農(nóng)作物根系主要分布區(qū)（0—40cm）時(shí)，土壤水分效應(yīng)值分別為－10．54%和－12．81%；當(dāng)土層深度取整個(gè)土壤庫(kù)（0—100cm）時(shí)，土壤水分效應(yīng)值分別為－11．20%和－16．83%。即兩種間作模式均為負(fù)效應(yīng)，說(shuō)明果樹(shù)對(duì)農(nóng)作物存在土壤水分競(jìng)爭(zhēng)。針對(duì)同一種作物，比較而言，土壤水分效應(yīng)值蘋(píng)果—花生＞蘋(píng)果—大豆，說(shuō)明蘋(píng)果對(duì)花生土壤水分的影響要小于蘋(píng)果對(duì)大豆土壤水分的影響。

4 結(jié) 論

（1）時(shí)間上，間作系統(tǒng)并沒(méi)有改變土壤水分季節(jié)差異顯著的特征，蘋(píng)果—花生和蘋(píng)果—大豆這兩種間作模式土壤含水量的季節(jié)變化特征顯著。

（2）空間上，垂直方向上，蘋(píng)果間作土壤水分的變異系數(shù)隨著土層深度的增加而減小，且變異系數(shù)處于（0．1，1．0）之間屬于中等變異程度；水平方向上，間作模式土壤含水量出現(xiàn)不同程度的降低，降低的程度與果樹(shù)和農(nóng)作物的距離有關(guān)，離果樹(shù)越近，土壤含水量越少。二維分布等值線圖將土壤水分的點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面數(shù)據(jù)，可以直觀描述土壤水分空間分布特征，較好地體現(xiàn)間作系統(tǒng)土壤水分空間分布規(guī)律。

（3）引入土壤水分效應(yīng)量化蘋(píng)果樹(shù)對(duì)花生、大豆的影響程度，蘋(píng)果—花生和蘋(píng)果—大豆作兩種間作模式當(dāng)土壤層次取0—40cm時(shí)，其土壤水分效應(yīng)依次為－10．54%和－12．81%；當(dāng)土壤層次取0—100cm時(shí)，其土壤水分效應(yīng)依次為－11．20%和－16．83%，負(fù)效應(yīng)表明果樹(shù)對(duì)作物存在土壤水分競(jìng)爭(zhēng)，相對(duì)而言，蘋(píng)果對(duì)花生土壤水分的影響要小于對(duì)大豆的影響。

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