黃土丘陵區(qū)旱作棗樹(shù)規(guī)格與棗林耗水量關(guān)系研究

汪 星 高志永 高建恩,3 汪有科,3 聶真義

(1.中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心， 陜西楊凌 712100； 2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程分院， 陜西楊凌 712100； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

黃土丘陵區(qū)旱作棗樹(shù)規(guī)格與棗林耗水量關(guān)系研究

汪 星1高志永2高建恩1,3汪有科1,3聶真義4

(1.中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心， 陜西楊凌 712100； 2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程分院， 陜西楊凌 712100； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

以棗樹(shù)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)自然生長(zhǎng)棗林與矮化密植棗林、截干棗林、極端矮化的棗樹(shù)及不同修剪強(qiáng)度棗林土壤水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用水量平衡法分析上述情況下棗林耗水特點(diǎn)及棗樹(shù)水分利用效率。結(jié)果表明：自然生長(zhǎng)棗林每年在土壤中耗水量較矮化密植棗林大6.54 mm，耗水深度較矮化密植棗林大13.3 cm，水分利用效率最小，2014、2015年分別為2.1、1.8 kg/m3； 12齡棗林實(shí)施截干處理3年，其林下土壤水分恢復(fù)深度達(dá)460 cm，每年恢復(fù)深度達(dá)153.3 cm，是形成干層速度的3.41倍；極端矮化棗樹(shù)規(guī)格降低1/2，其耗水量為同齡棗林的25%，水分利用效率是同齡棗林的1.26倍；棗樹(shù)不同修剪強(qiáng)度與其蒸騰耗水關(guān)系緊密，隨著修剪強(qiáng)度加大棗樹(shù)蒸騰耗水量減小，林下土壤含水率可提高。研究顯示，棗林可以通過(guò)對(duì)棗樹(shù)規(guī)格的縮小來(lái)實(shí)現(xiàn)棗林耗水量及水分利用效率的調(diào)控，黃土高原半干旱區(qū)年降水量波動(dòng)較大，確定當(dāng)?shù)剡m宜修剪強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，建議參考多年平均降水量來(lái)制定。

棗樹(shù)； 旱作技術(shù)； 林地耗水； 黃土丘陵區(qū)

引言

黃土高原由于降水不足，嚴(yán)重制約樹(shù)木生長(zhǎng)，所以長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)樹(shù)木及林地耗水量的研究較多[1-5]，這些研究主要反映不同樹(shù)木的抗旱性和耗水量特性評(píng)價(jià)，很少有涉及如何降低或調(diào)控林木與林地耗水量的研究報(bào)道。1999年國(guó)家實(shí)施退耕還林工程以來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)林木具有生態(tài)和經(jīng)濟(jì)雙重功能，所以成為當(dāng)?shù)刂髟詷?shù)種，如蘋(píng)果、紅棗、山杏、沙棘等形成黃土高原規(guī)?；斯ち趾蛥^(qū)域特色林種。但是黃土高原人工林包括蘋(píng)果林等[6-7]因蒸散耗水量大于當(dāng)?shù)亟邓浚斐赏寥郎顚痈苫牟粩嗉觿4,8-11]，所以土壤含水率如何恢復(fù)一直是生態(tài)學(xué)、土壤水文學(xué)及林學(xué)專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[8,12]。近年來(lái)，馬理輝等[13]對(duì)12齡山地棗林土壤含水率研究已經(jīng)確定有5.6 m深的干層，王志強(qiáng)等[14-15]近年研究得出人工林造成土壤的干化層可達(dá)到20 m以下，并認(rèn)為人工林死后依靠自然降雨恢復(fù)土壤含水率需要150年以上，說(shuō)明了林草地土壤干化的嚴(yán)重性和可怕程度。國(guó)家退耕還林(草)工程實(shí)施以來(lái)，黃土丘陵地面生態(tài)景觀成效得到國(guó)內(nèi)外普遍的認(rèn)可[16]，但是也加劇了該區(qū)域林地土壤含水率生態(tài)惡化和后續(xù)植被建造的困難[16-20]。

黃土丘陵林草地深層土壤含水率惡化防治既存在多學(xué)科融合研究的科學(xué)問(wèn)題，也存在環(huán)境治理的技術(shù)難題。林草地土壤深層干化主要是由于植物蒸騰耗水量過(guò)大所致。然而，多年來(lái)針對(duì)黃土高原林草地土壤干化的研究主要集中在增加土壤含水率(如雨水集蓄利用)和降低土壤蒸發(fā)量(如覆蓋保墑等)兩方面。對(duì)于能否調(diào)控林木耗水量罕見(jiàn)報(bào)道。本文以旱作棗林為研究對(duì)象，分析棗林在自然狀態(tài)生長(zhǎng)、矮化密植管理生長(zhǎng)、棗樹(shù)截干處理和不同修剪強(qiáng)度下的林地土壤含水率變化與棗林耗水量關(guān)系，探討棗林耗水量的可調(diào)控性問(wèn)題，以期為降低棗林耗水量尋求依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)布設(shè)于陜西省榆林市米脂縣(38°11′N、109°28′E)孟岔山地紅棗節(jié)水示范基地。該區(qū)域?qū)俚湫偷狞S土高原丘陵溝壑區(qū)，溫帶半干旱性氣候區(qū)，氣候干燥。年平均降水量451.6 mm，主要集中在7—9月份，年平均氣溫8.4℃，年均日照時(shí)數(shù)2 761 h，日照百分率62%，年總輻射量580.5 kJ/cm2，平均海拔高度1 049 m。試驗(yàn)地土壤為黃綿土，0～1 m土層平均土壤容重為1.29 g/cm3，田間持水量和凋萎系數(shù)分別為23%和5.16%(質(zhì)量含水率)。研究區(qū)具有集中連片的棗樹(shù)面積約180 hm2，全部屬于國(guó)家退耕還林工程造林，其中采取矮化密植經(jīng)營(yíng)的棗林約140 hm2，自然生長(zhǎng)的棗林約40 hm2，栽植棗樹(shù)自2000年開(kāi)始，一直處于不斷發(fā)展之中，所以具有成片的1～15齡的棗樹(shù)供試驗(yàn)研究，棗樹(shù)品種為梨棗。研究區(qū)棗樹(shù)生長(zhǎng)情況如表1所示，研究期間降水量如圖1所示。

表1 研究區(qū)棗樹(shù)生長(zhǎng)情況Tab.1 Growth of jujube in study area

圖1 棗樹(shù)生長(zhǎng)期降水量Fig.1 Rainfall in growth period of jujube

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探索棗樹(shù)體積規(guī)格與其耗水量關(guān)系，本研究主要從樹(shù)體規(guī)格考慮，樹(shù)體由大到小分別為：自然生長(zhǎng)的棗林(規(guī)格Ⅰ)、矮化密植棗林(規(guī)格Ⅱ)、4個(gè)修剪強(qiáng)度(規(guī)格Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)、極端矮化處理(規(guī)格Ⅶ)和大樹(shù)截干處理(規(guī)格Ⅷ)，各研究區(qū)選擇立地環(huán)境相似，設(shè)置在位于山坡上部的峁坡地帶，坡度約20°，坡向偏東，除極端矮化處理(規(guī)格Ⅶ)外，各處理觀測(cè)區(qū)設(shè)置在棗林面積不小于3 000 m2的林地中間，每個(gè)處理樣地之間用厚塑料膜(0.15 mm)隔離，隔離深度300 cm，同一處理樣地設(shè)3個(gè)重復(fù)，不同年份視為增加重復(fù)試驗(yàn)。

(1)自然生長(zhǎng)棗林是本研究中樹(shù)體最大棗林，沒(méi)有修剪，與常規(guī)矮化小區(qū)同年栽植，兩者進(jìn)行比較說(shuō)明樹(shù)體規(guī)格縮小后對(duì)林地規(guī)格耗水量的影響。此外，選擇相似地形的坡耕地同期監(jiān)測(cè)土壤含水率，比較有林地與無(wú)林地的耗水量。

(2)為了深化樹(shù)體規(guī)格與其耗水量關(guān)系研究，增加樹(shù)體規(guī)格分級(jí)，設(shè)置4個(gè)修剪強(qiáng)度棗林耗水量試驗(yàn)。由于棗樹(shù)的樹(shù)體規(guī)格決定于樹(shù)高和冠幅，樹(shù)高和冠幅主要由其主干和二次枝組成，葉片和棗吊基本全部著生在二次枝上，所以，結(jié)合樹(shù)高和冠幅控制修剪強(qiáng)度，再進(jìn)行二次枝總長(zhǎng)度的最終控制標(biāo)準(zhǔn)，修剪強(qiáng)度的控制精度主要通過(guò)每5 d一次的復(fù)查修剪來(lái)實(shí)現(xiàn)。以修剪強(qiáng)度為控制因素，設(shè)置4水平的單因素試驗(yàn)，4個(gè)修剪強(qiáng)度水平見(jiàn)表1，每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)修剪強(qiáng)度(PI)，其中修剪強(qiáng)度1(PI-1)是目前山地矮化密植棗林的基本標(biāo)準(zhǔn)，作為對(duì)照處理。并在各處理下棗樹(shù)根區(qū)進(jìn)行0～300 cm的隔離處理。采用熱擴(kuò)散法(CR1000型，美國(guó)Campbell公司)監(jiān)測(cè)棗樹(shù)2015年全生育期樹(shù)干液流，再通過(guò)液流計(jì)算棗樹(shù)日蒸騰量。利用CNC100型中子水分管測(cè)定2014年和2015年棗樹(shù)生育期0～300 cm土層土壤含水率(圖2)。

圖2 試驗(yàn)布設(shè)示意圖Fig.2 Experimental layout

(3)極端矮化棗樹(shù)試驗(yàn)根據(jù)土壤含水率控制樹(shù)體規(guī)格，從另一個(gè)角度說(shuō)明樹(shù)體規(guī)格與耗水量的關(guān)系。該試驗(yàn)在2009年設(shè)置4種水分梯度的小區(qū)，各小區(qū)采用水泥砌墻與周圍土壤隔離，底部用厚塑料膜防滲，使各小區(qū)形成封閉土壤環(huán)境，每個(gè)小區(qū)尺寸(長(zhǎng)×寬×深)為2 m×1 m×1 m，每個(gè)小區(qū)栽植一棵棗樹(shù)，重復(fù)3次，共計(jì)12個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)布設(shè)見(jiàn)圖3。試驗(yàn)區(qū)的棗樹(shù)全部采取勤修剪辦法保持規(guī)格一致，小區(qū)頂部建防雨棚阻擋雨水降入小區(qū)。2010—2013年連續(xù)實(shí)施各小區(qū)控水，以土壤體積含水率為控制因素，設(shè)置4水平的單因素試驗(yàn)?；谕寥篮时O(jiān)測(cè)，結(jié)合GP1灌溉控制器實(shí)現(xiàn)小區(qū)土壤含水率的差異，控制的4水平土壤體積含水率分別為：1區(qū)((15.17±0.23)%)、2區(qū)((13.33±0.31)%)、3區(qū)((11.34±0.19)%)、4區(qū)((8.61±0.14)%)。2014年去除遮雨棚時(shí)試驗(yàn)區(qū)停止控水，試驗(yàn)開(kāi)始在自然降雨下進(jìn)行觀測(cè)。樹(shù)體規(guī)格控制在高度(110±3.3)cm，冠幅(100±1.8)cm×(100±2.4)cm，該規(guī)格約為大田密植棗樹(shù)修剪規(guī)格的1/2。為了保持試驗(yàn)樹(shù)體規(guī)格相對(duì)穩(wěn)定不變，每7 d檢查一次樹(shù)體規(guī)格變化并剪除多余的枝條長(zhǎng)度。借助電子天平(精度0.001 g)稱取剪除單株枝條生物量，并利用卷尺測(cè)定枝條長(zhǎng)度(精度1 mm)，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)時(shí)間為2014年和2015年棗樹(shù)生育期。

圖3 極端矮化棗樹(shù)試驗(yàn)布設(shè)示意圖Fig.3 Test arrangement for extremely dwarfed jujube

(4)大樹(shù)截干處理?xiàng)椓质悄壳俺Ｒ?guī)棗林的最小規(guī)格處理。該處理是2012年因?yàn)闂棙?shù)更新品種進(jìn)行了大面積截干，截干高度30～40 cm，試驗(yàn)地在更新林地中設(shè)置300 m2樣地，樣地中的棗樹(shù)新發(fā)枝條保留4個(gè)，高度保持120 cm，第2年和第3年春季發(fā)芽前進(jìn)行平茬再次發(fā)新枝處理，保持每株試驗(yàn)樹(shù)體具有較小規(guī)格。實(shí)際上在研究區(qū)周圍約16 000 m2的更新棗林由于連續(xù)2年嫁接失敗，造成連續(xù)3年棗樹(shù)枝條長(zhǎng)度不足1.5 m，而且每棵棗樹(shù)只保留3個(gè)枝條，在這種情況下棗林變?yōu)橛糸]度由原來(lái)的0.75降至0.30左右的矮化棗林。

1.2.2 蒸騰監(jiān)測(cè)

采用熱擴(kuò)散法監(jiān)測(cè)全生育期棗樹(shù)樹(shù)干液流。為消除安裝方位、高度等引起的觀測(cè)誤差，統(tǒng)一在選取的主要觀測(cè)棗樹(shù)樹(shù)干北側(cè)、距離地表20 cm處各安裝1組熱擴(kuò)散式探針(Thermal diffuse probe，TDP-20型，圖2)[21]，同時(shí)用30 cm寬的錫箔紙對(duì)探針進(jìn)行包裹，以減少外界環(huán)境的影響。數(shù)據(jù)采集用美國(guó)Campbell 公司生產(chǎn)的CR1000型數(shù)據(jù)采集器，采集頻率為10 min/次。棗樹(shù)液流密度計(jì)算公式[22]為

(1)

式中Js——液流密度，g/(m2·s) ΔTm——液流量為零時(shí)測(cè)頭溫度與周圍空氣溫度差值，℃

ΔT——有上升液流時(shí)測(cè)頭溫度與周圍空氣溫度差值，℃

棗樹(shù)日蒸騰量計(jì)算公式為

(2)

式中TA——日蒸騰量，mm/dAs——邊材面積，cm2Jsi——當(dāng)日第10i分鐘時(shí)的液流密度

通過(guò)在試驗(yàn)地周邊調(diào)查同齡棗樹(shù)，獲得棗樹(shù)邊材面積與胸徑數(shù)據(jù)回歸方程為

As=0.824 9DBH+1.563 4 (R2=0.890 1)

(3)

式中DBH——棗樹(shù)胸徑，cm

從而確定主要觀測(cè)棗樹(shù)的邊材面積。

1.2.3 土壤含水率監(jiān)測(cè)

對(duì)于自然生長(zhǎng)、矮化密植、農(nóng)地和截干處理?xiàng)椓衷囼?yàn)，土壤含水率監(jiān)測(cè)深度為0～1 000 cm。對(duì)于不同修剪強(qiáng)度處理試驗(yàn)，為了更準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)各個(gè)修剪強(qiáng)度處理下的土壤含水率，本試驗(yàn)對(duì)每個(gè)處理小區(qū)0～300 cm土層進(jìn)行了隔離，隔離采用大棚膜以防止各處理之間的根系與水分相互作用和流通，監(jiān)測(cè)深度0～300 cm。上述試驗(yàn)采用CNC100型中子水分測(cè)管對(duì)土壤含水率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)定步長(zhǎng)20 cm，每10 d測(cè)定一次，表層0～20 cm土壤含水率用取土烘干法測(cè)定，中子管布設(shè)在各小區(qū)棗樹(shù)株間位置(圖2)。對(duì)于極端矮化處理試驗(yàn)淺層0～100 cm土壤含水率采用EQ15型張力計(jì)(德國(guó)Ecomatik)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)定步長(zhǎng)30 cm。

1.2.4 土壤儲(chǔ)水量

土壤儲(chǔ)水量計(jì)算公式為

W=10Hθ

(4)

式中W——土壤儲(chǔ)水量，mmH——土層深度，cmθ——土壤體積含水率，%

1.2.5 棗林耗水量

棗林耗水量采用田間水量平衡法計(jì)算，研究區(qū)設(shè)置常年山地棗林徑流觀測(cè)場(chǎng)未獲得有效徑流，地下水位在50 m以下，所以徑流和地下水可忽略。棗林耗水量計(jì)算公式為

ET=P-ΔS

(5)

式中ET——棗林耗水量，mmP——降水量，mmΔS——土壤儲(chǔ)水量變化量，mm

1.2.6 水分利用效率

水分利用效率計(jì)算公式為

(6)

式中WUE——水分利用效率，kg/m3Y——產(chǎn)量，kg/hm2

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析主要采用Excel 2012和PASW Statistics 18.0軟件，作圖采用SigmaPlot 12.5和AutoCAD 2010軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然生長(zhǎng)與矮化密植棗林耗水量

山坡農(nóng)地、山地自然生長(zhǎng)棗林和矮化密植山地棗林2015年12個(gè)月0～1 000 cm土壤含水率平均值如圖4所示。當(dāng)?shù)剞r(nóng)地種植土豆、糜子、豆類等傳統(tǒng)作物已有上千年歷史，一般認(rèn)為這些作物在旱作栽培中僅消耗當(dāng)年降水量，或者消耗淺層土壤含水率，不會(huì)形成永久性干層。由圖4看出，棗林地土壤含水率較農(nóng)地土壤含水率小很多，15齡矮化密植棗林出現(xiàn)深約600 cm的土壤干層，自然生長(zhǎng)棗林出現(xiàn)深約800 cm的干層。在0～1 000 cm的土壤剖面農(nóng)地土壤含水率最高，其次是矮化密植棗林，自然生長(zhǎng)的棗林土壤含水率最低。計(jì)算0～1 000 cm土層的儲(chǔ)水量為農(nóng)地1 261.61 mm，矮化密植棗林939.83 mm，自然生長(zhǎng)棗林841.66 mm。與農(nóng)地相比矮化密植棗林儲(chǔ)水量減少321.78 mm，年均多耗水21.45 mm；自然生長(zhǎng)棗林減少419.95 mm，年均多耗水28.00 mm。如果旱作農(nóng)地作物消耗當(dāng)年降水量，那么棗林消耗的水量則是降水量加上被消耗的土壤儲(chǔ)水量。即15齡棗林耗水量為棗林生長(zhǎng)期間累計(jì)降水量加上較農(nóng)地減少的土壤儲(chǔ)水量。15齡棗林生長(zhǎng)期間降水量為6 215.9 mm，加上同期土壤損失的水分可知15齡山地矮化密植棗林耗水量大約為6 537.68 mm，年均耗水量為435.84 mm；15齡自然生長(zhǎng)棗林耗水量大約為6 635.85 mm，年均耗水量為442.39 mm。棗樹(shù)生長(zhǎng)期間年均降水量414.39 mm，矮化密植山地棗林每年平均耗水435.84 mm，較同期降水量多21.46 mm；自然生長(zhǎng)山地棗林每年平均耗水442.39 mm，較同期降水量多28.00 mm。由上述分析看出，矮化密植棗林較同齡的自然生長(zhǎng)棗林耗水量小，造成的土壤干層也較淺，自然生長(zhǎng)棗林每年在土壤中耗水量較矮化密植棗林大6.54 mm，耗水深度較矮化密植棗林大13.3 cm，這說(shuō)明矮化密植棗林具有降低棗林根系深度和減小耗水量的作用，即矮化棗樹(shù)具有調(diào)節(jié)樹(shù)體耗水的功能，這與馬理輝等[23]對(duì)棗林根系研究的結(jié)果一致。

圖4 農(nóng)地、矮化棗林及自然生長(zhǎng)棗林土壤含水率狀況Fig.4 Soil water contents of farmland, dwarfed and natural jujube plantations

2.2 截干更新措施下的棗林耗水量

圖5為12～15齡(2012—2015年)棗樹(shù)截桿后的年平均土壤含水率。由圖5看出，12齡矮化密植棗林土壤耗水深度達(dá)540 cm，2013年春季棗林進(jìn)行全面大樹(shù)截干后土壤含水率恢復(fù)明顯，0～100 cm土層含水率超過(guò)12%，恢復(fù)深度達(dá)300 cm。2014年地表土壤含水率較2013年低，但是降水入滲深度較大，土壤含水率恢復(fù)深度達(dá)400 cm，該入滲深度的土壤含水率部分來(lái)自上一年入滲水分在土壤中的遷移[24]。2015年是偏旱年份，土壤剖面含水率整體減小，但是剖面土壤含水率恢復(fù)深度仍有增加，同上應(yīng)該是前2年入滲水分在剖面向下遷移的結(jié)果。土壤恢復(fù)深度較以往研究報(bào)道要大[15,25]，可能原因有3個(gè)：①大樹(shù)截干后當(dāng)年發(fā)芽較晚，樹(shù)枝保留只有3個(gè)枝條。②大樹(shù)根系發(fā)達(dá)可能起到對(duì)降水的向下疏導(dǎo)作用。③棗林采取清耕方式，地面沒(méi)有其他植物生長(zhǎng)耗水。12齡矮化密植棗林由于消耗水分大于降水量形成540 cm深度的土壤干層，棗林生長(zhǎng)造成每年約45 cm的干層，其中200 cm以下一般認(rèn)為是永久性干層，對(duì)12齡棗林截干3年后土壤含水率恢復(fù)深度達(dá)460 cm，每年恢復(fù)深度達(dá)153.3 cm，是形成干層速度的3.41倍。已經(jīng)恢復(fù)的土壤剖面儲(chǔ)水量達(dá)489.07 mm，當(dāng)?shù)睾底鬓r(nóng)田同層次土壤儲(chǔ)水量為573.38 mm，兩者差異較大，說(shuō)明棗林截干處理對(duì)林地土壤水分入滲具有較好的作用。

圖5 12齡棗林截干后的土壤含水率恢復(fù)情況Fig.5 Soil water restoration for 12 years old jujube plantation of cutting stem

2.3 不同修剪強(qiáng)度下的棗林耗水量

棗林氣態(tài)水損失主要由棗樹(shù)蒸騰耗水和林地蒸發(fā)耗水兩部分組成。一般認(rèn)為蒸騰耗水是植物生長(zhǎng)需求的有效耗水，地面蒸發(fā)視為無(wú)效耗水。由于黃土高原人工林地干層形成的直接原因是林地耗水量大于當(dāng)?shù)亟邓?，地面蒸發(fā)在造林之前就存在，實(shí)際土壤干層形成是林木蒸騰的結(jié)果。為了探索緩解棗林地深層土壤干化和防治途徑，基于棗樹(shù)修剪可以控制樹(shù)體規(guī)格，樹(shù)體規(guī)格可控制樹(shù)體葉面積總量和生物量從而會(huì)影響棗樹(shù)蒸騰耗水的思考，2012年趙霞等[26]提出棗樹(shù)節(jié)水型修剪的理念，并在近年進(jìn)行了不同修剪強(qiáng)度與蒸騰耗水的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，增大修剪強(qiáng)度可以顯著減少棗樹(shù)蒸騰耗水，提高林地土壤含水率。

2.3.1 不同修剪強(qiáng)度下棗樹(shù)日蒸騰量分析

從圖6可以看出，受氣象因素、土壤含水率等環(huán)境因子的影響，全生育期內(nèi)棗樹(shù)逐日蒸騰耗水量有小范圍波動(dòng)現(xiàn)象，但變化趨勢(shì)一致。5月份棗樹(shù)解除休眠后，各修剪強(qiáng)度棗樹(shù)日蒸騰量變化范圍差異逐漸增大，修剪強(qiáng)度越大，棗樹(shù)日蒸騰量上升趨勢(shì)越緩慢，直到生育期達(dá)到最大幅度。修剪強(qiáng)度決定了各處理日蒸騰量的變化范圍，棗樹(shù)蒸騰耗水量逐日變化范圍隨修剪強(qiáng)度的增大而減小，對(duì)照(PI-1)、輕度(PI-2)、中度(PI-3)、重度(PI-4)修剪棗樹(shù)日蒸騰量分別為2.64、2.51、2.10、1.65 mm/d。輕度修剪與對(duì)照處理的棗樹(shù)日蒸騰量變化差異較小，中度、重度修剪與對(duì)照處理相比，逐日蒸騰量變化差異明顯。8月份后輕度修剪與對(duì)照處理的棗樹(shù)日蒸騰量變化差異較小，是由于雨季的到來(lái)，輕度修剪不能有效控制棗樹(shù)樹(shù)冠對(duì)土壤水分需求的緣故。9月底，不同修剪強(qiáng)度下棗樹(shù)逐日蒸騰量開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，10月份之后大幅度下降直到休眠，這期間不斷出現(xiàn)落葉現(xiàn)象，葉片活性降低，蒸騰作用放緩，各處理間棗樹(shù)日蒸騰量變化差異并不明顯。

圖6 2015年不同修剪強(qiáng)度下棗樹(shù)日蒸騰量變化曲線Fig.6 Variation curves of daily transpiration under different pruning intensities in 2015

2.3.2 不同修剪強(qiáng)度下棗林地土壤含水率特性分析

圖7 2014年和2015年不同修剪強(qiáng)度下棗林地土壤含水率變化曲線Fig.7 Variation curves of soil moisture of jujube plantation under different pruning intensities in 2014 and 2015

2014年和2015年4種修剪強(qiáng)度下土壤含水率如圖7所示。由圖7可以看出，2014年土壤含水率高于2015年，這主要是由于2014年在棗樹(shù)生育期降水量較多造成的。無(wú)論是2014年還是2015年4個(gè)修剪強(qiáng)度的土壤含水率均存在差異，均為隨著修剪強(qiáng)度的增加土壤含水率在提高。在降水量多的2014年4個(gè)修剪強(qiáng)度造成的土壤含水率差異較大，在降水量較小的2015年4個(gè)修剪強(qiáng)度造成的土壤含水率差異較小。這種差異除了修剪直接減少棗樹(shù)蒸騰耗水量外，可能還和修剪棗樹(shù)對(duì)根系產(chǎn)生影響，即與產(chǎn)生根剪作用有關(guān)，馬理輝等[23]和汪星等[27]研究發(fā)現(xiàn)矮化修剪能夠降低棗樹(shù)根系深度，張雪等[28]研究表明牧草修剪高度也可以降低其根系分布深度，本試驗(yàn)棗樹(shù)修剪強(qiáng)度表現(xiàn)出的土壤含水率關(guān)系與上述研究結(jié)果一致。由圖7還可以看出，2014年的土壤含水率波動(dòng)比2015年明顯較大，這是由于棗樹(shù)生長(zhǎng)和土壤含水率存在密切的互動(dòng)關(guān)系，即土壤含水率高會(huì)促進(jìn)棗樹(shù)生長(zhǎng)，棗樹(shù)生長(zhǎng)快又會(huì)消耗更多土壤含水率而降低土壤含水率。2014年整個(gè)棗樹(shù)生育期土壤含水率均高于2015年，較高的土壤含水率下棗樹(shù)生長(zhǎng)與土壤含水率的相互作用也更加明顯。2015年棗樹(shù)整個(gè)生育期土壤含水率很低，棗樹(shù)生長(zhǎng)較弱，所以棗樹(shù)生長(zhǎng)與土壤含水率互相作用較2014年明顯減弱。前期有研究表明，6%的土壤體積含水率是影響棗樹(shù)蒸騰的一個(gè)閾值，當(dāng)土壤含水率低于6%時(shí)會(huì)對(duì)棗樹(shù)蒸騰耗水起到限制作用[29]，圖7所示的2個(gè)生育期土壤含水率規(guī)律也再次證明了該結(jié)論。4種修剪強(qiáng)度下的2個(gè)生育期土壤含水率反映了1個(gè)多雨年和1個(gè)少雨年棗林土壤水分狀況，生育期結(jié)束時(shí)多雨的2014年由修剪造成的土壤含水率最大差值為2.57%，少雨的2015年由修剪造成的土壤含水率最大差值為1.59%，無(wú)論少雨還是多雨年份，修剪均能體現(xiàn)出其對(duì)土壤含水率的作用，這種由修剪造成的土壤含水率差值可緩解林地土壤干化的程度仍然是值得研究的關(guān)鍵。采用水量平衡法算得2014年4個(gè)修剪強(qiáng)度下棗林耗水量分別為434.85、426.24、405.72、393.24 mm，修剪造成棗樹(shù)耗水量最大差值為41.61 mm；2015年4個(gè)修剪強(qiáng)度下的棗林耗水量分別為335.46、329.84、315.55、305.86 mm，修剪造成棗樹(shù)耗水量最大差值為29.60 mm。說(shuō)明無(wú)論降雨年份如何，修剪強(qiáng)度都會(huì)影響棗樹(shù)的耗水量,降雨多的年份修剪強(qiáng)度降低耗水量作用較大。

2.3.3 極端矮化樹(shù)體下的棗林耗水量

前期經(jīng)過(guò)4年的遮雨和控制灌溉處理，試驗(yàn)區(qū)形成了4種土壤含水率差異明顯的1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)，土壤儲(chǔ)水量分別只有195.6、169.5、142.6、98.6 mm，加上試驗(yàn)小區(qū)深度與面積很小，意味著土壤補(bǔ)充水分和接收的降水量十分有限。連續(xù)2年的小區(qū)觀測(cè)證明土壤含水率與棗樹(shù)生長(zhǎng)存在較好的互動(dòng)關(guān)系，或雙向調(diào)節(jié)作用，即土壤含水率高會(huì)促進(jìn)棗樹(shù)生長(zhǎng)，棗樹(shù)生長(zhǎng)加快會(huì)降低土壤含水率。由圖8結(jié)合圖9來(lái)看，雖然試驗(yàn)區(qū)棗樹(shù)全部實(shí)施統(tǒng)一的規(guī)格及時(shí)進(jìn)行修剪，但是前期幾年連續(xù)的土壤含水率差異處理使得高水分小區(qū)中的棗樹(shù)整體健壯，后期修剪量會(huì)較大。2014年5月1日—7月9日之間除1區(qū)土壤含水率有所下降外，2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)的土壤含水率均有所增加。對(duì)照各區(qū)生物量分析可以看出，生物量(單棵地上生物量，含修剪去除的枝量，下同)增加到一定值土壤含水率會(huì)降低(如1區(qū))，生物量低于一定值土壤含水率會(huì)上升或者保持不變(如2區(qū)、3區(qū)、4區(qū))。特別是修剪去除的新增量與小區(qū)土壤含水率變化關(guān)系密切。本試驗(yàn)截至2014年7月9日各個(gè)小區(qū)剪去的枝條量為：1區(qū)0.72 kg、2區(qū)0.43 kg、3區(qū)0.40 kg、4區(qū)0.35 kg。1區(qū)的剪去生物量是2區(qū)的1.67倍，所以土壤含水率消耗相對(duì)較多，土壤含水率下降的快，1區(qū)土壤含水率在生長(zhǎng)30 d后下降到低于2區(qū)土壤含水率，60 d后下降到4種小區(qū)的最低值。2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)因?yàn)闃?shù)體長(zhǎng)勢(shì)較弱，新增生物量較小，耗水量也較小，在降水的補(bǔ)給下， 5月30日之前土壤含水率均在增加，5月30日—7月10日之間土壤含水率保持不變說(shuō)明棗樹(shù)耗水量與同期降水量持平。7月10日—8月2日4種小區(qū)土壤含水率均處于增加階段，該階段主要是降水量大于棗樹(shù)的生長(zhǎng)耗水量需求，之后棗樹(shù)果實(shí)膨大又進(jìn)入生長(zhǎng)耗水期，各小區(qū)土壤含水率開(kāi)始降低，整個(gè)生育期生物量與土壤水分相互作用，互相促進(jìn)又互相制約。經(jīng)過(guò)2014年一年棗樹(shù)生長(zhǎng)和土壤含水率的互動(dòng)調(diào)整后，2015年春季4種小區(qū)土壤含水率已經(jīng)差異不大，生物量也沒(méi)有顯著性差異，在這種情況下各小區(qū)的生物量和土壤含水率全部取決于降水量。在半干旱的黃土丘陵區(qū)一棵棗樹(shù)在2 m3土體內(nèi)生長(zhǎng)，每棵樹(shù)占據(jù)2 m2的小區(qū)僅僅為常規(guī)棗林每棵樹(shù)占據(jù)面積6 m2的1/3，意味著用常規(guī)棗林1/3的降水量在維持生長(zhǎng)，觀測(cè)2年中2014年棗樹(shù)生育期耗水量為119.3、115.9、112.3、108.8 mm，2015年棗樹(shù)生育期耗水量為85.1、83.5、84.4、83.6 mm，棗樹(shù)在嚴(yán)重缺乏水分的情況下仍具有很強(qiáng)的生存能力，說(shuō)明棗樹(shù)耗水量具有較大的降低空間，在低于當(dāng)?shù)囟嗄昶骄邓?/4的情況下仍然能夠生存，可見(jiàn)限制供水量是降低棗樹(shù)耗水量的一個(gè)途徑。

圖8 極端矮化棗樹(shù)林土壤儲(chǔ)水量變化曲線Fig.8 Changes of soil water storage under extremely dwarfed jujube plantation

圖9 不同干化土壤對(duì)剪去枝條累積長(zhǎng)度和生物量的影響Fig.9 Effects of different soil desiccations on length of cutting branches and biomass

2.4 不同規(guī)格棗樹(shù)的棗林水分利用效率

表2為2014年和2015年8種不同樹(shù)體規(guī)格下棗樹(shù)耗水量。由表2看出，自然生長(zhǎng)(規(guī)格Ⅰ)下棗樹(shù)耗水量顯著高于其他處理(p<0.05)，極端矮化(規(guī)格Ⅶ)棗樹(shù)耗水量顯著低于其他處理(p<0.05)，最高耗水量是最低耗水量的4.02和5.34倍；不同修剪處理?xiàng)棙?shù)耗水量無(wú)顯著差異(p<0.05)，但隨著修剪強(qiáng)度的增加，耗水量在逐漸降低，其中規(guī)格Ⅲ(修剪PI-1)較規(guī)格Ⅵ(修剪PI-4)2年分別多耗水41.61 mm和29.60 mm;截干與不同修剪處理?xiàng)棙?shù)耗水量無(wú)顯著差異(p<0.05)，但其耗水量分別高于規(guī)格Ⅵ(修剪PI-4)10.69 mm和28.12 mm。

表2 不同處理下棗樹(shù)耗水量比較Tab.2 Comparison of water consumption in different treatments mm

注：數(shù)值為不同年份不同處理?xiàng)棙?shù)耗水量均值，不同小寫(xiě)字母表示同一年不同處理?xiàng)棙?shù)耗水量均值差異顯著(p<0.05)。

降低耗水量不能作為經(jīng)濟(jì)林的最終目標(biāo)，還必須考慮棗樹(shù)水分利用效率。棗林的水分利用效率如表3所示。由表3看出，在2014年降水較多的年份和2015年干旱年份中，自然生長(zhǎng)(沒(méi)有人工修剪)的棗林樹(shù)體最高，耗水量最大，2014年和2015年棗樹(shù)水分利用效率分別為2.1、1.8 kg/m3，屬于本研究中的最低水平；常規(guī)矮化密植棗林較同齡自然生長(zhǎng)棗林樹(shù)高降低，產(chǎn)量提高，耗水量也減少，棗樹(shù)水分利用效率提高了62%和72%；極端矮化下棗樹(shù)的高度最低，耗水量也最低，盡管產(chǎn)量較同齡的常規(guī)矮化密植棗林有明顯減少，但是2014年和2015年棗樹(shù)水分利用效率達(dá)到4.7 kg/m3和4.3 kg/m3；不同修剪強(qiáng)度措施下的棗樹(shù)高度由2.2 m逐漸降低，實(shí)際操作中冠幅及枝條數(shù)量均有控制，樹(shù)體耗水量隨修剪強(qiáng)度逐漸下降，4種修剪強(qiáng)度中修剪PI-2和修剪PI-3產(chǎn)量較高，水分利用效率也最高，說(shuō)明合理的修剪是降低耗水量并提高棗樹(shù)水分利用效率的有效途徑。降水對(duì)于提高棗樹(shù)產(chǎn)量和水分利用效率都有明顯作用，但是無(wú)論降水量多少，合理修剪處理較自然生長(zhǎng)有較高的水分利用效率。本試驗(yàn)證明，目前常規(guī)的矮化密植棗林，仍然有潛力可以提高產(chǎn)量、降低耗水量并提升水分利用效率。特別是極端矮化棗樹(shù)，雖然產(chǎn)量不高，但是水分效率較高，這與大強(qiáng)度修剪有關(guān)，棗樹(shù)樹(shù)高只有1.1 m，大幅降低了蒸騰耗水量。

表3 不同處理下棗樹(shù)水分利用效率比較Tab.3 Comparison of water use efficiency in different treatments

3 討論

棗林耗水是大氣、植株和土壤三者共同作用的結(jié)果，3個(gè)條件中任何一個(gè)條件改變都會(huì)對(duì)棗樹(shù)耗水量產(chǎn)生影響。對(duì)于大田棗林來(lái)講，大氣變化是一個(gè)不可改變的條件，能夠改變的是棗樹(shù)本身和土壤環(huán)境。改變土壤的措施有耕作、施肥、集雨、覆蓋等，把棗樹(shù)規(guī)格和結(jié)構(gòu)與棗林耗水聯(lián)系起來(lái)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。一般認(rèn)為蒸騰量是植物維持正常生長(zhǎng)需求的耗水量，但為了棗林長(zhǎng)久可持續(xù)發(fā)展，防治棗林土壤深層干化，應(yīng)該依據(jù)當(dāng)?shù)亟邓縼?lái)控制棗樹(shù)規(guī)格。追求蒸騰耗水量更多轉(zhuǎn)化在提高產(chǎn)量，比如自然生長(zhǎng)的棗樹(shù)個(gè)體高大，耗水量大于矮化密植棗林，產(chǎn)量較矮化密植棗林低。

本試驗(yàn)研究涉及到的8個(gè)不同樹(shù)體規(guī)格處理已經(jīng)證明，隨著棗樹(shù)樹(shù)體規(guī)格的縮小其林下土壤含水率消耗也隨之降低，也就是說(shuō)控制棗樹(shù)樹(shù)體規(guī)格可以作為一種防治林下土壤干層的途徑。從本試驗(yàn)期間的8個(gè)棗樹(shù)規(guī)格中的耗水量看，截干處理(規(guī)格Ⅷ)下的林地土壤含水率逐漸提高，說(shuō)明這種棗樹(shù)規(guī)格能夠恢復(fù)已經(jīng)干化的土壤，極端矮化處理(規(guī)格Ⅶ)下的棗樹(shù)生育期耗水量低于2000—2015年間棗樹(shù)生育期平均降水量405.9 mm和最低降水量277.6 mm，所以可以認(rèn)為能夠防止林下永久性干層的發(fā)生。4個(gè)修剪強(qiáng)度(規(guī)格Ⅲ、規(guī)格Ⅳ、規(guī)格Ⅴ、規(guī)格Ⅵ)下的棗林耗水量在豐水年(生育期降水量461.1 mm)均不會(huì)發(fā)生林下干層，在平水年(生育期降水量393.3 mm)和生育期降水量300 mm以上的年份不會(huì)發(fā)生林下干層。如何基于降水預(yù)測(cè)來(lái)控制林下干層的研究還有待深入。

相同15齡自然生長(zhǎng)的棗林和矮化密植棗林，林地土壤干化層深度相差超過(guò)200 cm，說(shuō)明矮化密植有利于降低土壤含水分消耗，該現(xiàn)象與馬理輝等[23]曾經(jīng)研究該區(qū)域矮化密植棗林與自然生長(zhǎng)棗林根系分布特征十分吻合，根系分布研究表明同齡的自然生長(zhǎng)棗林根系較矮化密植棗林根系深約200 cm。但是，在生產(chǎn)中對(duì)于矮化密植技術(shù)更多關(guān)注的是產(chǎn)量，缺乏將矮化密植技術(shù)與棗樹(shù)耗水量相聯(lián)系，需要今后加大這方面的研究。

通常把林地200 cm以下的干層稱為永久性干層，即200 cm以下的干層很難恢復(fù)。12齡棗樹(shù)截干處理下的土壤含水率恢復(fù)深度超過(guò)以往研究認(rèn)為200 cm以下需要多年恢復(fù)的結(jié)論[15]，該現(xiàn)象一方面可以證明大樹(shù)截干以后耗水量很小，另一方面也說(shuō)明截干后林地土壤有利于降水的入滲。

當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)矮化密植棗林的株行距為2 m×3 m，即每株棗樹(shù)占據(jù)的土地面積為6 m2，本試驗(yàn)極端矮化棗樹(shù)試驗(yàn)中每株棗樹(shù)占據(jù)面積為2 m2，另外，常規(guī)矮化密植棗樹(shù)有深達(dá)數(shù)10 m的黃土作為棗樹(shù)根系允許深度，而極端矮化試驗(yàn)的棗樹(shù)根系深度不能超過(guò)1 m。在這樣極其有限的空間中，棗樹(shù)依靠自然降水能夠生長(zhǎng)并有一定產(chǎn)量，充分說(shuō)明棗樹(shù)具有較強(qiáng)的抗旱性和耗水量的調(diào)控性。從該結(jié)果推理，棗樹(shù)在降水量降低1/3時(shí)仍然可以獲得一定產(chǎn)量，當(dāng)然該結(jié)果是基于合理修剪基礎(chǔ)上得出的，在自然生長(zhǎng)狀態(tài)不一定合理。換句話說(shuō)，合理的修剪是棗樹(shù)在降低耗水量情況下獲得產(chǎn)量的保障。

修剪強(qiáng)度不同，棗樹(shù)的耗水量也不同，修剪對(duì)于棗樹(shù)耗水量的影響在上述試驗(yàn)中也已體現(xiàn)出來(lái)，如矮化密植棗林較自然生長(zhǎng)棗林樹(shù)體小耗水量小，其實(shí)還是修剪作用。修剪高度對(duì)于牧草根系深度和根長(zhǎng)具有顯著作用，可以通過(guò)修剪控制牧草地面高度來(lái)影響其對(duì)土壤含水率的消耗[28]，修剪也同樣可以降低棗樹(shù)根系深度從而減少對(duì)土壤含水率的消耗[23]，有研究發(fā)現(xiàn)修剪可以使得葡萄導(dǎo)管產(chǎn)生堵塞從而降低葡萄的耗水量[30]，這些研究從不同角度證明修剪具有節(jié)水作用。

由表3看出，本文涉及的幾個(gè)棗樹(shù)規(guī)格均不同程度降低了棗林耗水量，降低棗樹(shù)耗水量也會(huì)降低棗樹(shù)產(chǎn)量，但是棗樹(shù)水分利用效率一般都有所提高，這是因?yàn)闂棙?shù)得到精心修剪，控制了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了有限水分和養(yǎng)分向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化，保證了試驗(yàn)區(qū)的棗樹(shù)產(chǎn)量。其中修剪PI-2處理的產(chǎn)量最高，說(shuō)明在一定的供水條件下存在一個(gè)合理修剪強(qiáng)度，該合理修剪強(qiáng)度不僅能夠降低耗水量，也能提高棗樹(shù)產(chǎn)量和水分利用效率。

4 結(jié)論

(1)旱作棗林矮化密植栽培模式較以往傳統(tǒng)的自然生長(zhǎng)棗林耗水量減少。由棗林耗水量不同造成的林地土壤干層深度不同，12齡自然生長(zhǎng)棗林干層深度較同齡的矮化密植棗林干層增加200 cm。

(2)棗樹(shù)截干處理下的林地土壤含水率恢復(fù)較快，12齡棗林進(jìn)行截干3年后土壤含水率恢復(fù)深度達(dá)460 cm，每年恢復(fù)深度達(dá)153.3 cm，是形成干層速度的3.41倍。

(3)極端矮化棗樹(shù)耗水量表明棗樹(shù)規(guī)格具有一個(gè)較大可變范圍，另外，棗樹(shù)可以通過(guò)改變樹(shù)體規(guī)格實(shí)現(xiàn)較大范圍的耗水量調(diào)控。

(4)不同修剪強(qiáng)度下的棗林耗水量呈現(xiàn)隨著修剪強(qiáng)度增加而耗水量降低的趨勢(shì)，要獲得較高產(chǎn)量和棗樹(shù)水分利用效率就需要確定合理的修剪強(qiáng)度，本研究中修剪PI-2和修剪PI-3可以作為當(dāng)?shù)貤棙?shù)適宜修剪強(qiáng)度的參考指標(biāo)。

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Relationships between Tree Crown Size and Water Consumption of Rain-fed Jujube Plantation in Loess Hilly Region

WANG Xing1GAO Zhiyong2GAO Jian’en1,3WANG Youke1,3NIE Zhenyi4
(1.ResearchCenterofSoilandWaterConservationandEcologicalEnvironment,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofEducation,Yangling,Shaanxi712100,China2.DepartmentofWaterConservancy,YanglingVocationalandTechnologicalCollege,Yangling,Shaanxi712100,China3.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China4.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to investigate the relationships between tree crown size and water consumption of rain-fed jujube plantations, soil moisture under different conditions (natural planting, high-density dwarfing, stem-cutting, extreme dwarfing and pruning with different intensities) were measured by using the CNC100 neutron gauges, meanwhile, water balance method was used to calculate the water consumption and water use efficiency of above-mentioned jujube plantations. Results showed that compared with natural plantation, high-density dwarfed jujube trees reduced annual water consumption of 6.54 mm and water consumption depth of 13.3 cm, respectively. Moreover, it increased the water use efficiency to 1.8 kg/m3(the lowest for natural jujube plantation was 2.1 kg/m3). The soil moisture restoration of 12 years old cutting stem jujube plantation reached 460 cm depth in the third year (153.3 cm per year on average), which was 3.41 times faster than the formation of soil dry layer. Extremely dwarfed jujube with half of normal crown size decreased the water consumption by 25% and improved the water use efficiency by 1.26 times of natural jujube plantation, respectively. Pruning is an effective approach to improve soil water status and water use efficiency in jujube plantation because of the close relationship between crown size and jujube water usage. Furthermore, the reasonable pruning intensity, which aimed to obtain high yield and water use efficiency, should be determined based on local rainfall considering its high variability in the semi-arid Loess Plateau.

jujube; technique of dryland farming; water consumption of plantation; loess hilly region

2016-09-16

2016-12-15

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAC01B03)和陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2014KTCG01-03)

汪星(1984—)，男，博士后，主要從事林地耗水研究，E-mail: WangXingSTR@163.com

高建恩(1962—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水資源高效利用研究，E-mail: gaojianen@126.com

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.028

X152.7； S181

A

1000-1298(2017)05-0227-10