晉西蘋果－大豆間作土壤水分的時(shí)空分布特征

高路博，畢華興，許華森，廖文超，潘 迪，次仁曲西

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京100083；2.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100048）

果農(nóng)間作不僅能夠減少水土流失、增加土地利用率，同時(shí)具有較高的經(jīng)濟(jì)及生態(tài)收益，作為黃土區(qū)農(nóng)林復(fù)合的主要模式之一得到了廣泛應(yīng)用［1－3］。但是在果農(nóng)間作系統(tǒng)中，水、肥、光等資源是有限的，因此果樹和農(nóng)作物之間必然會產(chǎn)生競爭，有可能對作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收益產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重的甚至可能影響到整個(gè)系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 及可 持 續(xù)發(fā) 展［4－6］。一 些相 關(guān) 研究［7－8］發(fā)現(xiàn)，在濕潤地區(qū)，林木與農(nóng)作物地上部分的光競爭是降低作物產(chǎn)量的主要因素，而在干旱半干旱區(qū)種間競爭主要來自于林木與農(nóng)作物根系對于有限的水、肥資源的爭奪。晉西黃土區(qū)屬于半干旱區(qū)，農(nóng)田中土壤水分的唯一來源為天然降水，林木在對有限的土壤水分資源的競爭中處于優(yōu)勢地位，可能造成農(nóng)作物產(chǎn)量的降低［9］。因此，對果農(nóng)間作系統(tǒng)土壤水分的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析研究，認(rèn)識果樹與農(nóng)作物種群對于土壤水分的競爭與互補(bǔ)機(jī)理顯得尤為重要，關(guān)系到果農(nóng)間作系統(tǒng)在該地區(qū)的推廣應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展。目前，在晉西黃土區(qū)對于果農(nóng)間作系統(tǒng)已進(jìn)行了一些研究，但多以核桃樹（Juglans regia）—農(nóng)作物間作為主要研究對象，且樹齡較大，此時(shí)間作系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益主要來自于果樹，研究方法也多為以整個(gè)生長季或年為尺度對間作界面整體水分分布進(jìn)行研究［9－10］。本研究以晉西黃土區(qū)典型的的蘋果（Malus pumila）—大豆（Glycine max）間作系統(tǒng)作為研究對象，按照大豆的物候期布置試驗(yàn)，定位監(jiān)測蘋果—大豆間作系統(tǒng)及大豆單作的土壤水分含量，對其空間分布規(guī)律進(jìn)行研究，并分析作物植株生長及產(chǎn)量對土壤水分狀況的響應(yīng)，以期充分發(fā)揮果農(nóng)間作系統(tǒng)良好的經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益，為研究區(qū)退耕還林政策的順利實(shí)施，果農(nóng)間作系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供理論支持和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處山西省吉縣，屬于典型的黃土殘塬溝壑區(qū)，地理坐標(biāo)為35°53′—36°21′N，110°27′—111°7′E，降水量季節(jié)分配差異顯著，1991—2010年20a間年均降水量為575mm，其中6—8月約占全年降水量的80%（463mm），年均溫度10℃。土層深厚，土壤類型為均勻的黃土母質(zhì)。研究區(qū)主要造林樹種有蘋果、核桃、刺槐（Robinia pseudoscacia）、杏（Armeniaca vulgaris）和側(cè)柏（Platycladus orientalis）等。

1.2 研究對象

在吉縣東城鄉(xiāng)柏東村選擇蘋果—大豆間作系統(tǒng)作為研究對象。蘋果樹栽植于2008年，株行距為4m×5m，樹行東西走向，株高2.6m，胸徑6.2cm，冠幅1.9m，果樹品種為同一品種矮化富士，采用相同砧木。大豆品種為晉豆36，播種時(shí)間為2012年5月，種植行向與樹行方向一致，株行距為0.3m×0.4m，間作系統(tǒng)大豆栽植時(shí)距離樹行0.3m。所有試驗(yàn)樣地采用同樣的生產(chǎn)管理措施，全年無灌溉。研究區(qū)2012年年內(nèi)降水量分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)2012年各月份降水量分布

1.3 研究方法

試驗(yàn)蘋果—大豆間作地塊以9棵果樹為一個(gè)矩形樣地，規(guī)格為8m×10m，設(shè)置同樣面積的大豆單作為對照，各設(shè)3個(gè)重復(fù)。每個(gè)蘋果—大豆間作樣地中，垂直中心蘋果樹行布設(shè)3條調(diào)查樣線，每條樣線含6個(gè)土壤水分監(jiān)測點(diǎn)，分別位于樹行的南北兩側(cè)，具體監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。按照與樹行的距離不同，將采樣點(diǎn)分為3組用以代表距離樹行0.5m，1.5 m和2.5m處的土壤水分狀況，并分別定義為處理T0.5，T1.5和 T2.5。每個(gè)大豆單作樣地按照S形布設(shè)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)采集土樣。2012年在大豆播種前（4月23日）及大豆苗期（6月4日）、開花期（7月14日）、結(jié)莢期（8月11日），在各采樣點(diǎn)進(jìn)行土壤水分定位監(jiān)測，土鉆法取土，20cm為一層，取土深度為0—100cm，采用烘干法測定土壤的質(zhì)量含水量。

在果農(nóng)間作系統(tǒng)中，由于果樹和農(nóng)作物根系生態(tài)位的重疊，對土壤水分產(chǎn)生競爭，導(dǎo)致其減少，產(chǎn)生虧損；另一方面，樹木通過遮陰降低土壤水分蒸發(fā)，加之樹木根系的提水作用，也會對土壤水分產(chǎn)生一定的增益作用。這種減少和增益的綜合影響，使得土壤水分形成了新的平衡，這種綜合影響的程度定義為果農(nóng)間作系統(tǒng)的土壤水分效應(yīng)。蘋果—大豆間作系統(tǒng)的土壤水分效應(yīng)計(jì)算公式為：

式中：E——土壤水分效應(yīng)（%）；M——間作系統(tǒng)0—100cm的土壤含水量；MC——大豆單作0—100 cm的土壤含水量。當(dāng)E為正值時(shí)，表示果農(nóng)間作對土壤水分影響整體表現(xiàn)為增益作用；當(dāng)E為負(fù)值時(shí)，表示果農(nóng)間作使土壤水分整體表現(xiàn)為降低作用。

圖2 蘋果＋大豆間作系統(tǒng)土壤水分監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

2012年8月20日，在各土壤水分取樣點(diǎn)的同一位置，選取健康的大豆植株，帶回實(shí)驗(yàn)室處理，分別對其百葉干重、株高和地上部分生物量進(jìn)行測定。在蘋果—大豆間作地塊，于生長季末（9月下旬），在中心樹行南北兩側(cè)分別收獲4m×2.7m的矩形樣方大豆，為了便于研究，將這兩個(gè)樣方進(jìn)一步劃分為距離樹行0.3m～1.0m的區(qū)域；距離樹行1.0m～2.0m的區(qū)域和距離樹行2.0m～3.0m的區(qū)域，用以分別代表 T0.5，T1.5和 T2.5處大豆的產(chǎn)量。在大豆單作地塊，大豆的收割面積為3m×3m。所有收獲的大豆經(jīng)過脫粒后，在70℃烘干至恒定質(zhì)量，利用天平稱重并換算為單位面積上大豆產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 播種前土壤含水量分布

大豆播種前（4月份）土壤含水量測定情況詳見表1。蘋果—大豆間作和大豆單作各層土壤質(zhì)量含水量的變異系數(shù)均小于0.1，處于弱變異程度，并由上到下逐漸遞減，同等深度土層蘋果—大豆間作樣地土壤含水量的變異系數(shù)略大于大豆單作樣地。

在垂直方向上，大豆單作土壤含水量隨著土壤深度的增加逐漸升高，蘋果—大豆間作在（40—60cm）土層的平均土壤含水量出現(xiàn)明顯的降低，這主要是蘋果樹的根系分布及其吸水作用的結(jié)果［11］。由于蘋果—大豆間作系統(tǒng)內(nèi)部小氣候和果樹冠幅的遮蔭共同作用的影響［12］，蘋果—大豆間作0—40cm土層的土壤含水量稍高于大豆單作樣地。方差分析表明，兩者在0—100cm土層上的平均土壤含水量均未表現(xiàn)出顯著差異（p＞0.05）。

表1 大豆播種前蘋果－大豆間作及大豆單作不同土層土壤含水量

2.2 土壤水分空間分布特征

在不同物候期，研究區(qū)大豆單作和蘋果—大豆間作系統(tǒng)的土壤含水量在生物因子和環(huán)境因子的共同作用下，空間分布特征呈現(xiàn)出較大差異。

2.2.1 土壤水分水平分布 在水平方向上，土壤水分的分布規(guī)律具有相似性，在同一物候期內(nèi)，大豆單作CK在0—100cm土層的平均含水量均最大，且土壤含水量大小依次為：CK＞T2.5＞T1.5＞T0.5。不同物候期T0.5的土壤含水量為11.86%～14.82%，與最高值CK相比，含水量降低了4.05%～11.81%。由圖3可以看出，間作系統(tǒng)土壤含水量隨著與果樹行距離的增加逐漸升高并趨向于穩(wěn)定。其原因主要是蘋果根系在近樹區(qū)域分布集中，對土壤水分的吸收能力強(qiáng)，大豆與蘋果樹在這一區(qū)域?qū)τ谕寥乐兴值母偁幾顬榧ち?；距離蘋果樹行較遠(yuǎn)的區(qū)域，蘋果與大豆對于水分的競爭在一定程度上得到緩解，土壤含水量升高。

對 T0.5，T1.5，T2.5和 CK 土壤水分平均含量進(jìn)行方差分析，可以發(fā)現(xiàn)不同的物候期蘋果樹與大豆主要水分競爭的水平分布區(qū)域不同。大豆苗期，T0.5和T1.5的土壤含水量分別比 CK降低了4.05%和1.82%，差異顯著，表明蘋果與大豆的主要競爭區(qū)域?yàn)樘O果樹行兩側(cè)1.5m的范圍內(nèi)。大豆開花期，T0.5，T1.5，T2.5與 CK 相 比 分 別 降 低 了 11.82%，10.81%和2.90%，均表現(xiàn)出顯著差異，表明這一時(shí)期，樹行兩側(cè)2.5m的范圍內(nèi)均為蘋果和大豆的水分主要競爭區(qū)。大豆結(jié)莢期，各處理的土壤含水量均有不同程度的升高，水分競爭得到緩解，T1.5和 T2.5與CK相比，未表現(xiàn)出明顯差異，蘋果和大豆對土壤水分的主要競爭區(qū)域?yàn)闃湫袃蓚?cè)0.5m范圍。

注：同一系列相同的小寫字母表示差異不顯著（p＞0.05）。

2.2.2 土壤水分垂直分布 不同物候期，土壤水分的垂直分布規(guī)律不同（圖4）。在大豆苗期和結(jié)莢期，土壤平均含水量隨著土壤深度的增加而遞增，其垂直分布呈現(xiàn)出明顯的梯度特征，在0—100cm共5個(gè)土壤層次上，蘋果—大豆間作的土壤含水量均在一定程度上低于大豆單作。方差分析結(jié)果表明，在大豆苗期，間作系統(tǒng)在0—40cm土層的土壤含水量上與大豆單作有著明顯差異，在大豆結(jié)莢期，間作系統(tǒng)的土壤含水量在0—60cm土層上與大豆單作相比存在顯著差異。開花期，間作系統(tǒng)土壤水分的垂直分布由上至下先減小然后增大，間作地土壤含水量的最低值為11.20%，出現(xiàn)在40—60cm土層，大豆單作土壤含水量的最低值為11.42%出現(xiàn)在20—40cm土層，在0—100cm深度上，間作系統(tǒng)和大豆單作表現(xiàn)出顯著的差異。

土壤水分垂直分布差異與不同物候期蘋果樹、大豆的生理特性和該地區(qū)的降水規(guī)律有關(guān)。在大豆苗期，大豆根系分布較淺，加之該地區(qū)降水相對較少，土壤長期干旱缺水，土壤蒸發(fā)量大，0—20cm土層含水量的最低值就出現(xiàn)在該時(shí)期，蘋果樹與農(nóng)作物對于土壤水分的競爭主要發(fā)生在0—40cm土層，隨著土層深度增加，競爭程度得到緩解，土壤含水量逐漸回升。在大豆開花期，雖降水量較大，但多為短時(shí)局地雷暴降雨［13］，降水強(qiáng)度大于土壤入滲速率，發(fā)生超滲產(chǎn)流，加之地表結(jié)皮，使得降水更易產(chǎn)生地表徑流而流失，深層的土壤水分無法得到補(bǔ)給，導(dǎo)致表層土壤（0—20cm）含水量較高，深層土壤含水量低。同時(shí)，該時(shí)期太陽光照充足，蘋果樹與大豆生長旺盛，光合及蒸騰作用強(qiáng)烈，生理需水量大，對于土壤水分的競爭更為強(qiáng)烈，間作系統(tǒng)在整個(gè)土層深度上都表現(xiàn)出了與大豆單作的顯著差異。在大豆結(jié)莢期，由于這一時(shí)期降水量的增多和降水歷時(shí)增長，土壤水分得到了補(bǔ)充和恢復(fù)，整體含量相對于苗期和開花期有了明顯增加。此外，樹冠的遮蔭和間作系統(tǒng)內(nèi)部的降溫、減風(fēng)速等作用也在一定程度上對間作系統(tǒng)內(nèi)部的土壤水分垂直分布產(chǎn)生了影響。

2.3 間作系統(tǒng)土壤水分效應(yīng)

蘋果—大豆間作系統(tǒng)的土壤水分效應(yīng)值在大豆苗期、開花期、結(jié)莢期分別為－2.05%，－8.57%和－3.02%。即蘋果—大豆間作系統(tǒng)在0—100cm深度上土壤含水量相對于大豆單作在各物候期都表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，在大豆開花期表現(xiàn)的更為明顯。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，一方面在于間作系統(tǒng)種間競爭中占優(yōu)勢地位的蘋果樹吸水根系與大豆根系均集中在0—60cm的土層中，兩者重疊的水分因子場［14］，導(dǎo)致了對于土壤中有限水分的激烈競爭；另一方面，間作系統(tǒng)的小氣候效應(yīng)和果樹根系的提水作用［3］，也會一定程度上對土壤水分產(chǎn)生增益作用。在這種綜合作用下，蘋果—大豆間作系統(tǒng)中形成了土壤水分的新的平衡，并在一定程度上造成了土壤水分環(huán)境的惡化。由于本研究中的蘋果樹齡較小，林內(nèi)小氣候效應(yīng)和樹木群體的遮陰作用不夠明顯，因此對于蘋果—大豆間作系統(tǒng)在研究區(qū)的經(jīng)營管理還需在更長的時(shí)間尺度上進(jìn)行觀測，以更好地研究其規(guī)律并進(jìn)行配置的優(yōu)化。

圖4 不同物候期蘋果－大豆間作與大豆單作土壤含水量垂直分布

2.4 土壤水分對間作大豆生物量及產(chǎn)量的影響

距離蘋果樹行不同距離處大豆的生物量和產(chǎn)量（表2）表明，蘋果—大豆間作系統(tǒng)中，大豆的生長狀況和產(chǎn)量受蘋果樹的影響與樹行距離有關(guān)。處理T0.5，T1.5的株高、地上生物量和產(chǎn)量與CK有著顯著差異，處理T0.5的百葉干重與CK相比差異顯著。將大豆產(chǎn)量與3個(gè)物候期0—100cm深度的土壤平均含水量進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為：大豆開花期（0.801）＞苗期（0.689）＞結(jié)莢期（0.645），間作系統(tǒng)中大豆產(chǎn)量與3個(gè)物候期的土壤含水量均在p＜0.01水平上顯著相關(guān)。說明各物候期土壤含水量對于大豆植株的生長發(fā)育都有著重要作用，并最終影響了大豆產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收益，在大豆開花期，土壤水分的供給狀況對大豆產(chǎn)量的影響相對于其他物候期顯得更為重要。

表2 不同處理大豆生物量及產(chǎn)量

3 結(jié)論

（1）播種前蘋果—大豆間作系統(tǒng)土壤各層水分變異不大，在0—100cm土層深度上與大豆單作相比沒有顯著差異。

（2）不同物候期，蘋果—大豆間作系統(tǒng)土壤含水量水平分布規(guī)律相似。間作地土壤含水量與蘋果樹行距離正相關(guān)，在整體上低于大豆單作地。不同物候期，蘋果樹與大豆主要水分競爭的水平分布區(qū)域面積大小不同，表現(xiàn)為：開花期＞苗期＞結(jié)莢期。

（3）不同物候期，蘋果—大豆間作系統(tǒng)土壤含水量垂直分布規(guī)律不同。在大豆苗期和結(jié)莢期，間作系統(tǒng)和大豆單作中土壤含水量均隨著土壤深度的增加而增加，在開花期，土壤含水量出現(xiàn)先減小，然后增加的趨勢。不同物候期，水分競爭的土層深度也明顯不同，大豆苗期發(fā)生在0—40cm土層，開花期為0—100 cm土層，結(jié)莢期為0—60cm土層。這與該地區(qū)降水規(guī)律和蘋果—大豆的根系分布及其他因素有關(guān)。

（4）蘋果—大豆間作系統(tǒng)的水分效應(yīng)，整體表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，效應(yīng)大小與物候期有關(guān)。蘋果樹和大豆由于水分因子場的重疊導(dǎo)致的對土壤水分的競爭在當(dāng)前樹齡和管理措施下表現(xiàn)的較為明顯。通過對土壤含水量和大豆生物量及產(chǎn)量的相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)，在該地區(qū)土壤水分對間作系統(tǒng)中大豆植株生長及最終產(chǎn)量的形成有著重要影響。

（5）建議在蘋果—大豆間作系統(tǒng)經(jīng)營中，根據(jù)種間水分的競爭規(guī)律，采取適當(dāng)?shù)墓芾泶胧?。大豆種植時(shí)，適當(dāng)增加大豆和蘋果樹的復(fù)合距離，緩解近樹區(qū)土壤水分的競爭。在大豆苗期進(jìn)行秸稈覆蓋，可在一定程度上減弱農(nóng)田表層土壤蒸散，起到保墑的作用。在土壤水分競爭最為激烈的大豆開花期，對表層土壤松土，以除去結(jié)皮，促進(jìn)降水入滲，并采取集雨補(bǔ)灌技術(shù)，以減少該時(shí)期土壤水分的種間競爭。加強(qiáng)田間管理措施，可以更好地發(fā)揮果農(nóng)間作優(yōu)勢，充分提高當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)及社會效益，調(diào)動農(nóng)民積極性。

（6）本研究按照大豆物候期進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，定量分析蘋果—大豆間作系統(tǒng)中土壤含水量的分布特征及其對大豆產(chǎn)量造成的影響，是對研究區(qū)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的相關(guān)研究的進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。但是間作系統(tǒng)中作物的生長狀況及產(chǎn)量并不是土壤水分單一影響的結(jié)果，還與其他因子（光照、溫度和土壤養(yǎng)分等）有關(guān)。因此果農(nóng)間作系統(tǒng)種間關(guān)系下一步研究的重點(diǎn)應(yīng)將各種要素進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，并通過長期的定位觀測，得到更加科學(xué)合理的結(jié)論，為發(fā)展農(nóng)林復(fù)合這一有效的、可持續(xù)的土地利用方式提供支撐，進(jìn)一步深入和完善農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)理論及其可持續(xù)經(jīng)營技術(shù)研究。

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