黃土高原丘陵溝壑區(qū)梨園壟溝覆地布效應(yīng)的研究

任小云，馮新新，宋宇琴，袁宏霞，田彩芳，李六林

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，山西 太谷 030801）

水分是農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要組成部分，也是農(nóng)作物賴以生存的必要條件之一。然而，在以黃土高原為代表的中國(guó)旱地農(nóng)業(yè)地區(qū)，水資源缺乏已成為限制旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[1]。該地區(qū)土壤水分含量偏低（5%～15%）且嚴(yán)重依賴于降雨[2]，較低的年降雨量（400～600 mm）使農(nóng)作物長(zhǎng)期遭受干旱或半干旱脅迫，從而造成作物質(zhì)膜受損、相對(duì)質(zhì)膜透性增加以及光合作用下降等[3-4]，最終導(dǎo)致其生長(zhǎng)發(fā)育不良產(chǎn)量降低[5]。因此，研究如何降低土壤水分蒸發(fā)，高效利用天然降雨，成為旱地農(nóng)業(yè)區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題。

近二十年來(lái)，覆蓋栽培技術(shù)在旱地農(nóng)業(yè)區(qū)得到長(zhǎng)足發(fā)展，其核心是利用地膜、禾草、秸稈和礫石等覆蓋材料達(dá)到蓄水保墑和抑制土壤水分蒸發(fā)的目的[6-8]。大量研究表明，覆蓋栽培技術(shù)可以有效緩解水土流失[9]，增加作物養(yǎng)分利用率[10]，改善土壤微生態(tài)環(huán)境[11]，提高作物光照條件[12]，最終促進(jìn)作物發(fā)育和生長(zhǎng)[13]。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于小麥[11]、玉米[14]、馬鈴薯[15]、谷子[16]和苜蓿[17]等農(nóng)作物。王榮莉等[18]研究了不同覆蓋方式對(duì)旱地蘋果園的影響，發(fā)現(xiàn)覆蓋栽培技術(shù)可以改善土壤和蘋果樹體狀況，其中園藝地布覆蓋效果最好。但總體而言，與大田作物相比，黃土高原丘陵溝壑區(qū)旱地果園中應(yīng)用覆蓋栽培技術(shù)的研究相對(duì)較少，尚有許多工作有待進(jìn)一步驗(yàn)證和開展。

本研究對(duì)山西隰縣黃土高原丘陵溝壑區(qū)18年生梨園進(jìn)行壟溝覆地布，綜合比較壟溝覆地布對(duì)土壤水分含量、樹體營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)及果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，旨在探明壟溝地布覆蓋栽培技術(shù)對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)梨樹生長(zhǎng)的效果，為干旱地區(qū)梨產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于山西隰縣衛(wèi)家塬村，屬于大陸性氣候，平均年降雨量558.1 mm。該地區(qū)最高氣溫達(dá)37.5 ℃，全年平均氣溫8.8 ℃，≥10 ℃的積溫3 326.9 ℃；無(wú)霜期140～170 d，日照時(shí)數(shù)2 729 h，多年平均蒸發(fā)量1 829.8 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為18年生的‘酥梨’，株行距為3.0 m × 5.0 m，采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)果園管理方式，梨樹修剪在冬季或者翌年春季進(jìn)行，田間雜草用割草機(jī)進(jìn)行刈割，果樹無(wú)病蟲害發(fā)生。

1.3 試驗(yàn)處理

設(shè)置壟溝地布覆蓋（Ridge-furrow polypropylene film mulching，RFM）和對(duì)照（CK）2個(gè)處理。選擇大小一致的梨樹，每個(gè)處理5株，重復(fù)3次。

地布覆蓋的具體方法：將行間的土培于樹干兩側(cè)，形成樹干處高，朝行間方向低的坡面，并將距樹干140 cm處修成10 cm深的凹槽狀。將寬150 cm的黑色地布覆于坡面和凹槽，靠近樹干處的地布用塑料細(xì)繩縫合，兩側(cè)邊緣壓10 cm厚的土，從兩側(cè)凹槽處到樹干呈“W”形，便于將雨水蓄集于樹干兩側(cè)。

1.4 項(xiàng)目測(cè)定

1.4.1 土壤含水量的測(cè)定

沿行間方向選擇距樹干70 cm（地布覆蓋處理標(biāo)記為RFM-70，對(duì)照處理標(biāo)記為CK-70）和140 cm（地布覆蓋處理標(biāo)記為RFM-140，對(duì)照處理標(biāo)記為CK-140）2個(gè)取樣位置。按照取樣點(diǎn)距地面深度小于100 cm時(shí)，每10 cm設(shè)置一個(gè)取樣點(diǎn)；100～160 cm時(shí)，每20 cm設(shè)置一個(gè)取樣點(diǎn)。之后，將取回的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定濕質(zhì)量，105 ℃下烘干后測(cè)定土壤質(zhì)量含水量。土壤質(zhì)量含水量＝（濕土質(zhì)量－干土質(zhì)量）/干土質(zhì)量×100%。

參考楊磊[19]的方法并做出修改，利用土壤水分相對(duì)盈余指數(shù)（Compared soil water surplus index，CSWSIi），評(píng)價(jià)RFM處理后不同土層土壤水分相對(duì)補(bǔ)充程度，用T70 cm和T140 cm分別代表距樹干70 cm和140 cm處的取樣點(diǎn)。

CSWSIi＝(SWi-CPi)/(CPi-WM)。

式中，CPi和SWi分別為對(duì)照和RFM處理后第i層土壤濕度，WM為凋萎濕度，即土壤水分減少到使植物葉片開始呈現(xiàn)萎蔫狀態(tài)時(shí)的土壤濕度。本研究區(qū)域在黃土高原區(qū)土壤凋萎濕度的劃分中屬中壤Ⅰ帶，故WM = 5%[20]。

1.4.2 枝條導(dǎo)水率的測(cè)定

取當(dāng)年生枝條，用美國(guó)Dynamax公司生產(chǎn)的高壓流速儀（High pressure flow meter，HRFM）測(cè)定導(dǎo)水率，用游標(biāo)卡尺測(cè)定枝條基部直徑，用北京雅欣理儀科技有限公司生產(chǎn)的Yaxin-1241葉面積儀測(cè)定該枝條上所有葉片的葉面積。導(dǎo)水率表示單位壓力梯度下植物傳導(dǎo)水分通量，本研究采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量的方法，測(cè)量時(shí)水箱中壓力維持在400 KPa，選用紅色量程，每2 s收集1次數(shù)據(jù)，30～40 min即可達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)值。導(dǎo)水率與測(cè)定枝條的總?cè)~片面積、基部橫截面積的比值分別為葉比導(dǎo)水率和莖比導(dǎo)水率，每處理重復(fù)9次。

1.4.3 葉片相對(duì)含水量的測(cè)定

葉片采集后迅速稱量鮮質(zhì)量（初始鮮質(zhì)量），再用蒸餾水浸泡12 h取出擦凈，稱取飽和鮮質(zhì)量，105 ℃殺青15 min，在80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量并計(jì)算葉片相對(duì)含水量（Relative water content，RWC），每處理重復(fù)9次。

1.4.4 樹體氣體交換參數(shù)的測(cè)定

于6月中下旬在晴朗無(wú)風(fēng)的天氣條件下，采用便攜式光合測(cè)定儀（Li-6400，Li-cor，美國(guó)）測(cè)定當(dāng)年生枝條中部葉片（掛牌標(biāo)記）氣體交換參數(shù)的日變化，所測(cè)指標(biāo)包括葉片凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）、氣孔導(dǎo)度（Stomatal conductance，Gs），并計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE=Pn/Tr）。測(cè)定時(shí)間為7:00—17:00，每隔2 h測(cè)定1次，每處理重復(fù)9次。

1.4.5 葉綠素含量分析

選擇用于光合測(cè)定的葉片或其附近的葉片，用95%的乙醇提取測(cè)定葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量[21]，每處理重復(fù)9次。

1.4.6 樹體形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定

7月下旬選取梨樹外圍新梢中部葉片，用Yaxin-1241葉面積儀測(cè)定其葉面積，同時(shí)用電子天平測(cè)定干葉質(zhì)量，每處理重復(fù)60次。選擇長(zhǎng)勢(shì)良好的枝條，用游標(biāo)卡尺測(cè)定百葉厚，用卷尺和游標(biāo)卡尺分別測(cè)定外圍新梢的長(zhǎng)度和粗度，每處理重復(fù)45次。

1.4.7 果實(shí)品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定

于9月下旬果實(shí)采收期測(cè)定單株產(chǎn)量，用電子天平測(cè)定單果質(zhì)量，用游標(biāo)卡尺測(cè)定果實(shí)橫徑。各處理隨機(jī)選取25個(gè)梨測(cè)定果實(shí)品質(zhì)，其中可溶性固形物和果實(shí)硬度分別用PAL-1數(shù)顯糖度計(jì)和GY-3型果實(shí)硬度計(jì)測(cè)定，維生素C含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法[22]、可滴定酸含量用NaOH滴定法測(cè)定[23]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel作表統(tǒng)計(jì)，用SAS 8.0統(tǒng)計(jì)軟件比較數(shù)據(jù)差異的顯著性（P ＜ 0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 RFM處理對(duì)旱地果園土壤水分含量的影響

在距樹干70 cm和140 cm的2處取樣點(diǎn)，RFM處理和CK的土壤含水量隨取樣深度的增加，均呈現(xiàn)“高—低—高—低”的變化趨勢(shì)，見圖1。由圖1可知，地布覆蓋下各土層土壤含水量均高于對(duì)照，且壟溝地布覆蓋處理后2個(gè)取樣點(diǎn)處土壤平均含水量較對(duì)照分別提高了18.18%和21.12%。

土壤水分相對(duì)盈余指數(shù)（CSWSIi）是指不同層次土壤水分相對(duì)于對(duì)照的盈余程度，CSWSIi＞0，說(shuō)明土壤水分處于相對(duì)盈余狀態(tài)。通過(guò)對(duì)2處不同深度土層土壤水分相對(duì)盈余指數(shù)的統(tǒng)計(jì)可以看出（圖1），在距樹干70 cm和140 cm處，RFM處理下的CSWSIi值均為正值，且范圍分別為0.087～0.315和0.008～0.481。由此說(shuō)明，經(jīng)RFM處理后的各土層土壤水分較對(duì)照均有所補(bǔ)充，體現(xiàn)了壟溝地布覆蓋對(duì)旱地梨園土壤水分的保蓄作用。

2.2 RFM處理對(duì)旱地果園梨枝條導(dǎo)水率的影響

果樹枝條導(dǎo)水率的高低，可以反應(yīng)水分在植株體內(nèi)的運(yùn)輸狀況，見圖2。由圖2可以看出，經(jīng)壟溝地布覆蓋后枝條莖比導(dǎo)水率與對(duì)照相比無(wú)顯著差異，而葉比導(dǎo)水率較對(duì)照提高了34.71%，與對(duì)照差異顯著?？梢奟FM處理提高了旱地梨樹枝條的導(dǎo)水率，改善了水分在枝葉的流通，促進(jìn)梨樹的正常生長(zhǎng)。

圖2 不同處理對(duì)梨樹莖比導(dǎo)水率和葉比導(dǎo)水率的影響Fig. 2 Effects of each treatment on stem and leaf area specific conductance

2.3 RFM處理對(duì)旱地果園梨樹光合色素及氣體交換參數(shù)的影響

葉綠素含量是反映植物特別是光合機(jī)構(gòu)的一個(gè)基本生理指標(biāo)。從表1可以看出，RFM處理顯著提高梨樹葉片葉綠素的含量，其中，葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）和總?cè)~綠素（Chl a+b）的含量分別比CK提高了6.80%、16.22%和8.30%。此外，計(jì)算葉綠素a和葉綠素b比值（Chl a/b），發(fā)現(xiàn)地布覆蓋降低了Chl a/b的比值。

表1 壟溝地布覆蓋對(duì)葉片葉綠素含量的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）?Table 1 Effects of RFM on Chlorophyll content and RWC (mean ± SE)

經(jīng)RFM處理后，梨樹葉片Pn、Gs、Tr和WUE的日變化（7:00—17:00），見圖3。梨樹葉片Pn、Gs和Tr的日變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)出先升高后降低的“單峰”曲線，但他們的峰值出現(xiàn)時(shí)間不一致：Gs的峰值出現(xiàn)在9:00，而Pn和Tr出現(xiàn)在11:00。與CK相比，梨樹葉片的Pn（7:00—15:00）、Gs（9:00—15:00）和Tr（11:00—15:00）經(jīng)RFM處理后顯著提高。此外，梨樹葉片WUE的日變化呈現(xiàn)“N”型的走勢(shì)，最大值出現(xiàn)在9:00。WUE在7:00—13:00經(jīng)RFM處理后顯著高于CK；而13:00后RFM處理與CK無(wú)明顯差異。

2.4 RFM處理對(duì)旱地果園梨樹新稍和葉片的影響

壟溝地布覆蓋對(duì)旱地果園梨樹新稍和葉片的生長(zhǎng)起到顯著的促進(jìn)作用，見表2。由表2可知，經(jīng)RFM處理后，梨樹新稍的長(zhǎng)度、粗度、葉片干質(zhì)量和葉片面積分別比對(duì)照增加了26.89%、12.10%、17.11%和8.5%。此外，壟溝地布覆蓋還顯著提高葉片相對(duì)含水量，比對(duì)照增加了4.91%。

2.5 RFM處理對(duì)旱地果園梨樹果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

圖3 不同處理對(duì)葉片氣體交換參數(shù)的影響Fig. 3 Daily variations of Pn, Gs, Tr, and WUE of pear leaves with different treatments

表2 壟溝地布覆蓋對(duì)新梢和葉片的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）Table 2 Effects of RFM on New-tip and leaf (mean±SE)

經(jīng)RFM處理后的單果質(zhì)量，單株產(chǎn)量，橫徑以及VC含量均顯著高于對(duì)照，分別較對(duì)照提高了17.13%、21.60%、3.71%和35%，見表3。與對(duì)照相比，RFM處理后果實(shí)可溶性固形物顯著降低，而可滴定酸、固酸比和果實(shí)硬度二者之間無(wú)顯著性差異。

表3 壟溝地布覆蓋對(duì)果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差）Table 3 Effects of RFM on fruit yields and quality (mean±SE)

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

壟溝具有良好的集水效果，加之地布覆蓋可以降低陽(yáng)光對(duì)地表的直射從而抑制土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，從而達(dá)到提高旱地土壤含水量的目的。本研究結(jié)果顯示，與CK相比，壟溝地布覆蓋后0～160 cm處各土層土壤水分均表現(xiàn)出CSWSIi＞0，說(shuō)明RFM處理后各土層土壤水分含量均有所補(bǔ)充，可見RFM具有良好的蓄水保墑效果，能有效緩解果園土壤干旱程度，這與旱地蘋果果園的研究結(jié)果一致[18,24]。在30～70 cm深的土層，土壤水分相對(duì)盈余指數(shù)表現(xiàn)出RFM-140小于RFM-70，可能是由于在距樹干140 cm處，地表以下30～70 cm處吸水根分布較為集中，對(duì)水分的消耗較大。

植物枝葉的水分傳輸是土壤—植物—大氣連續(xù)體中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，植物自身調(diào)節(jié)以及外界環(huán)境條件都會(huì)對(duì)其造成影響。土壤水分含量過(guò)低會(huì)極大地抑制植株莖葉水分傳導(dǎo)速率[25]，而水分傳輸率的降低會(huì)顯著抑制樹體新梢的生長(zhǎng)[26]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，RFM處理下的梨樹枝條莖比導(dǎo)水率無(wú)顯著變化，但葉比導(dǎo)水率顯著增加，這與RFM處理改善土壤含水量，促進(jìn)葉片氣孔開放程度密切相關(guān)，同時(shí)也說(shuō)明枝條水分運(yùn)輸?shù)淖枇χ饕獊?lái)源于葉片。較高的土壤含水量可增加植物體內(nèi)水分含量，進(jìn)而提高植物葉片的相對(duì)含水量[27]。本研究發(fā)現(xiàn)RFM處理后葉片含水量的增加也佐證了這一點(diǎn)，說(shuō)明RFM處理對(duì)改善和維持旱地果園樹體水分有著積極的作用。水是植物光合作用的原料之一，水分供應(yīng)的多少直接影響光合速率的高低[28]，而葉綠素是光合作用的光能捕獲物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量增加更有利于葉片光合作用的進(jìn)行[29]。經(jīng)RFM處理后Chl a、Chl b和Chl a+b均顯著高于對(duì)照，而Chl a/b卻較對(duì)照降低了8.08%，可見壟溝地布覆蓋對(duì)促進(jìn)Chl b的合成效果更佳，因而進(jìn)一步增強(qiáng)了光色素蛋白對(duì)光能的捕獲。RFM處理顯著提高了枝條導(dǎo)水率、葉片相對(duì)含水量和光合色素含量，它們共同促進(jìn)了梨樹葉片Pn的提高，這與前人[18,30]在蘋果上的研究結(jié)果一致。此外，RFM處理也提高了梨樹葉片Gs和Tr，但由于Pn較Tr提高幅度更大，因此，WUE也有了顯著提高。植物水分利用效率提高，可增強(qiáng)葉片對(duì)水分的利用能力，從而能抵御干旱造成的脅迫[31]。

農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育階段耗水量大，只有適宜的水分，才能保證農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。RFM處理在有效改善土壤含水量的同時(shí)，對(duì)旱地梨園果樹樹體生長(zhǎng)有著積極的促進(jìn)作用。新梢生長(zhǎng)量、葉片質(zhì)量和葉面積大小經(jīng)RFM處理后顯著增加，這一結(jié)果與桃樹[32]和蘋果樹[33]的相關(guān)研究結(jié)果相符。一般而言，土壤含水量過(guò)低會(huì)阻礙植物葉片輸水組織的正常發(fā)育，從而降低葉片的導(dǎo)水率[25,34]，植物葉綠素含量也會(huì)因土壤含水量不足而降低[18,35]。本研究結(jié)果顯示，RFM可有效緩解干旱對(duì)梨樹生長(zhǎng)帶來(lái)的傷害，與此同時(shí)增加梨樹葉片的光合性能，進(jìn)而促進(jìn)梨樹正常的生長(zhǎng)發(fā)育，并最終改善其產(chǎn)量和品質(zhì)。

黃土高原旱地果園土壤水分的補(bǔ)給完全來(lái)自自然降雨，而樹齡較大的梨樹樹冠大，蒸騰耗水強(qiáng)，往往會(huì)在消耗當(dāng)季降雨的同時(shí)還消耗更深層土壤水分，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成土壤干燥化進(jìn)而影響果樹產(chǎn)量[36]。本研究結(jié)果表明，壟溝地布覆蓋是旱地果園提高產(chǎn)量的一種有效措施。而對(duì)果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，RFM處理顯著提高了梨果實(shí)中VC的含量。前人研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋處理在顯著提高果實(shí)產(chǎn)量的同時(shí)，還可以提高果實(shí)可溶性固形物和可溶性糖[37]。不同的是，本研究發(fā)現(xiàn)RFM處理降低了梨果實(shí)的可溶性固形物含量。然而，考慮到RFM處理顯著增加單果質(zhì)量，單個(gè)果實(shí)中可溶性固形物的總含量不僅沒(méi)有降低，反而增加了5.34%。此外，果實(shí)中可溶性固形物含量的變化與土壤中的水分密切相關(guān)，干旱能促進(jìn)成熟果實(shí)中積累可溶性固形物。這也啟示我們，可以在梨樹營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期利用RFM處理促進(jìn)樹體的生長(zhǎng)發(fā)育，而在果實(shí)成熟前期撤去地布或增加排水措施，降低這一時(shí)期的土壤含水量，更有利于果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)的形成。限于試驗(yàn)條件，本研究未能對(duì)試驗(yàn)區(qū)梨樹不同留枝量與不同地表管理模式互作下果園土壤水分特性、梨樹生長(zhǎng)狀況及果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行分析。因此，在下一步的工作中有必要進(jìn)行研究補(bǔ)充。

3.2 結(jié) 論

在旱地梨園壟溝覆蓋園藝地布，能起到很好的蓄水保墑效果，提高枝條水分傳輸和光合效率，進(jìn)而促進(jìn)梨樹枝葉生長(zhǎng)，對(duì)緩解因干旱對(duì)果樹造成的傷害有著積極的作用。同時(shí)，RFM處理顯著提高了果實(shí)內(nèi)在品質(zhì)（如VC含量），并在不改變果實(shí)風(fēng)味的前體下顯著提高了梨果實(shí)產(chǎn)量。此外，RFM處理有夏季防治雜草生長(zhǎng)和冬季阻止土壤中越冬害蟲出土等優(yōu)良特性。因此，RFM處理可作為黃土高原丘陵溝壑區(qū)梨園蓄水保墑的有效栽培措施加以推廣。