不同覆蓋措施對(duì)寧夏沙化地區(qū)枸杞地土壤水熱條件及產(chǎn)量的影響

張 哲, 李志剛, 倪細(xì)爐

(1.寧夏林業(yè)研究院 種苗生物工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 寧夏 銀川 750004;2.寧夏銀川城市森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 寧夏 銀川 750004)

寧夏地處西北地區(qū)，其西部、北部和東部分別被騰格里沙漠、烏蘭布和沙地和毛烏素沙地包圍，是中國(guó)沙漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]。由于土壤長(zhǎng)期干旱缺水，全區(qū)90%的用水被用作農(nóng)業(yè)灌溉用水[2]，而沙化土壤對(duì)水分的保持能力低[3]，不僅使得有限的降水未得到充分利用，而且相當(dāng)一部分灌溉用水也因滲漏而被損失。水資源不足成為限制寧夏生態(tài)建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要問(wèn)題，也是需要解決的技術(shù)難題。

寧夏枸杞(Lyciumbarbarum)屬茄科枸杞屬落葉灌木，其干燥果實(shí)是我國(guó)重要的藥用植物資源和藥食同源的名貴中藥材，具有增強(qiáng)免疫力、防衰老、抗腫瘤、抗氧化等多方面的藥理作用[4]。寧夏枸杞主要分布在我國(guó)寧夏、內(nèi)蒙古、新疆等省(區(qū))的干旱、半干旱地區(qū)，具有很強(qiáng)的耐鹽和耐旱特性，非常適合在鹽堿、干旱和沙荒地種植[5]。近年來(lái)，隨著枸杞種植面積的日益擴(kuò)大和寧夏引黃河水總量的逐年減少，改善土壤水分條件，提高水分利用效率，將是今后枸杞生產(chǎn)栽培中急需解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

覆蓋栽培作為一種重要的旱作農(nóng)業(yè)抗旱技術(shù)手段，在北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)被廣泛地推廣應(yīng)用，成為提高該區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的一個(gè)重要措施[6-7]，通過(guò)研究覆蓋措施對(duì)干旱地區(qū)土壤理化性質(zhì)、保水能力以及作物產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)[8-10]，覆蓋技術(shù)改善了土壤的水、熱狀況等外部生態(tài)環(huán)境，活化了土壤養(yǎng)分，使養(yǎng)分有效性和水分利用效率提高。目前，國(guó)內(nèi)外在干旱半干旱地區(qū)覆蓋技術(shù)研究多集中地膜、秸稈和凋落物等有機(jī)物料，而少見(jiàn)利用林木廢棄物來(lái)作為覆蓋材料的相關(guān)研究。與秸稈及其他草本材料相比，木質(zhì)材料(如樹(shù)枝)在土壤中的分解速率慢[11-12]，可以降低材料的成本，而且林木廢棄物中還含有大量的纖維素和半纖維素，是天然的保水材料[13]，可以在保持沙化土壤水分方面具有長(zhǎng)效作用。針對(duì)以上問(wèn)題及現(xiàn)狀，本研究以楊樹(shù)和柳樹(shù)枝條以及地膜為覆蓋材料，探討單一覆膜、覆蓋枝條、覆膜加覆蓋枝條等覆蓋措施對(duì)枸杞試驗(yàn)田土壤水分和溫度以及枸杞產(chǎn)量等方面的影響，闡明不同覆蓋措施對(duì)土壤水熱效益的作用機(jī)理，從而為寧夏沙化土壤干旱地區(qū)覆蓋栽培技術(shù)的改進(jìn)和枸杞產(chǎn)量水平的提高提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于寧夏賀蘭山東麓的銀川腹部沙地(107°22′E，38°28′N(xiāo))，屬于寧夏沙漠化地區(qū)，毗鄰黃河，節(jié)灌農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。試驗(yàn)區(qū)海拔1 115 m，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是晝夜溫差大、雨雪稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、氣候干燥、風(fēng)大沙多等。年均氣溫10.1℃，年均降水量181.2 mm，年均蒸發(fā)量1 882.5 mm。1月份平均最低氣溫-15.2℃，極端最低氣溫-27.9℃，7月份平均最高氣溫30.1℃，極端最高氣溫37.2℃。相對(duì)濕度45%～66%。土壤類(lèi)型為沙壤土，有機(jī)質(zhì)含量1.14 g/kg，pH值8.53，沙粒含量13.7%，黏粒含量2.6%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以寧夏枸杞為研究材料，設(shè)計(jì)4組人工處理方式。1.對(duì)照(CK)不作任何處理，2.覆膜(F)即枸杞樹(shù)兩側(cè)鋪設(shè)寬60 cm透明塑料薄膜，3.覆蓋枝條(B)即在枸杞樹(shù)兩側(cè)覆蓋厚度達(dá)3 cm寬60 cm的楊樹(shù)粉碎枝條、4.覆膜+覆蓋枝條(FB)即在覆蓋枝條的基礎(chǔ)上覆蓋塑料薄膜，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)小區(qū)面積約200 m2，枝條覆蓋量為7 500 kg/hm2，覆蓋枝條材料為直徑0.5 cm、長(zhǎng)度為1 cm 的新疆楊枝條粉碎材料。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定與方法

利用直角地溫計(jì)測(cè)定10 cm土層的溫度，測(cè)定時(shí)間為早上8：00，中午12：00，下午6：00。每月中旬和每次澆水前采用土壤剖面水分測(cè)定儀PR2(英國(guó)Delta-T)測(cè)定10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，60 cm，100 cm土層的土壤體積含水量。在夏果期和秋果期，采摘并統(tǒng)計(jì)每個(gè)處理枸杞產(chǎn)量(鮮果重量)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)按照枸杞生長(zhǎng)周期進(jìn)行，分別為現(xiàn)蕾期：4月下旬—6月中旬、夏果期：6月中旬—8月上旬、休果期：8月上旬—9月下旬、秋果期：9月下旬—10月中旬。田間水肥管理按照常規(guī)進(jìn)行。

1.4 土壤水分的計(jì)算

土壤貯水量的計(jì)算公式為：

(1)

式中：H為土壤貯水量(mm)；Qi為第i層土壤體積含水量(%)；hi為第i層土壤厚度(cm)；n為測(cè)定土壤體積含水量土的層序。

水分利用效率(water use efficiency，WUE)的計(jì)算公式如下：

WUE=Y/(P-ΔS)

(2)

式中：WUE為水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y為單位面積作物產(chǎn)量(kg/hm2)；P為作物生育期內(nèi)的降水量(mm)；ΔS是收獲期與播種期土壤儲(chǔ)水量之差(mm)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007建立數(shù)據(jù)庫(kù)及繪圖，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分

從土壤含水量的剖面變化來(lái)看，不同覆蓋處理下土壤水分在不同生長(zhǎng)周期存在一定的差異性。現(xiàn)蕾期降雨較少，枸杞主要通過(guò)吸收利用土壤水分來(lái)滿(mǎn)足自身生長(zhǎng)需要。在土壤表層10 cm處，各處理土壤體積含水量大小表現(xiàn)為FB>B>F>CK，但差異不顯著。在0—40 cm土層范圍內(nèi)，隨著深度的增加，F(xiàn)B，B和F處理土壤水分均呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。40—100 cm土層范圍內(nèi)，與其他處理相比，F(xiàn)處理土壤含水量表現(xiàn)出明顯減小趨勢(shì)，這可能是由于覆膜處理下枸杞能夠利用土壤深層儲(chǔ)水來(lái)滿(mǎn)足生長(zhǎng)需要，這與覆膜措施存在會(huì)消耗土壤深層儲(chǔ)水現(xiàn)象的已有研究結(jié)果一致[14]。B，F(xiàn)B隨土層深度增加無(wú)明顯波動(dòng)，但是FB土壤含水量要明顯高于CK處理，而B(niǎo)處理土壤含水量與CK無(wú)明顯差異。CK處理下，0—20 cm土層內(nèi)，土壤水分呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，隨著土層深度的增加，土壤水分無(wú)明顯增長(zhǎng)現(xiàn)象。夏果期，降雨增多，各覆蓋處理蓄水保墑效果明顯。表層土壤含水量差異顯著，F(xiàn)，F(xiàn)B和B土壤含水量分別比CK高出173.5%，116.8%，61.9%。0—100 cm土層土壤含水量剖面變化特征與現(xiàn)蕾期相似。休果期，降雨較多且枸杞減緩生長(zhǎng)，土壤水分消耗減少。各處理土壤含水量剖面變化整體表現(xiàn)出與現(xiàn)蕾期相同的趨勢(shì)，但覆膜處理土壤含水量卻出現(xiàn)明顯降低現(xiàn)象，在0—40 cm土層要低于FB和B處理。秋果期，溫度下降，降雨減少，土壤含水量相對(duì)減小，各覆蓋措施土壤含水量剖面變化與其他三個(gè)生長(zhǎng)周期基本一致。

圖1不同生長(zhǎng)周期下各處理土壤含水量的剖面特征

2.2 土壤儲(chǔ)水量

分析比較不同生長(zhǎng)周期各處理間土壤儲(chǔ)水量發(fā)現(xiàn)(圖2)，各生長(zhǎng)周期土壤儲(chǔ)水量整體變化與降雨量的變化基本一致，夏果期和休果期儲(chǔ)水量明顯高于現(xiàn)蕾期和秋果期?，F(xiàn)蕾期土壤儲(chǔ)水量最低，F(xiàn)B>F>CK，B，由于此時(shí)期無(wú)明顯降雨且為試驗(yàn)布設(shè)初期，所以各處理保水效果不顯著，土壤儲(chǔ)水量差異較小。夏果期，F(xiàn)，F(xiàn)B和B處理土壤儲(chǔ)水量分別比CK高出31.45%，30.66%，4.85%，覆膜與覆膜加覆蓋枝條處理由于減少了水分蒸發(fā)，蓄水保墑效果顯著，單一覆蓋枝條有一定保水作用但效果不明顯。休果期，土壤儲(chǔ)水量整體最高，這可能是因?yàn)樾莨阼坭缴L(zhǎng)減緩對(duì)土壤水分的消耗減少。土壤儲(chǔ)水量表現(xiàn)為FB>B，CK>F，相比于夏果期，休果期土壤儲(chǔ)水量除F外均有一定程度增長(zhǎng)，F(xiàn)顯著降低，比CK減少11.11%，這可能是由于覆膜處理對(duì)降雨的截流作用以及使表層土壤溫度過(guò)高從而增加土壤水分蒸發(fā)消耗導(dǎo)致的。秋果期無(wú)明顯降雨，各處理土壤儲(chǔ)水量均呈現(xiàn)下降現(xiàn)象，保水能力表現(xiàn)為FB最大，F(xiàn)次之，B大于CK但差異不顯著。

2.3 土壤溫度

土壤溫度是影響微生物生物活性和植物生長(zhǎng)過(guò)程的重要因素之一，其表征土壤的熱狀況，不僅直接影響植物根系和幼苗的生長(zhǎng)，還影響到近地面大氣的溫?zé)釥顩r，并在微觀層面上對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的遷移和轉(zhuǎn)化都有直接或間接的影響[15]。圖3顯示了不同處理措施下4月下旬至10月上旬土壤表層溫度變化，土壤表層溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，這與氣溫變化趨勢(shì)一致。4—6月，9—10月，F(xiàn)和FB土壤溫度要明顯高于B和CK，而在7月、8月兩個(gè)月各處理間溫度差異減小。在7月以前和9月以后溫度較低的時(shí)期，覆蓋枝條處理土壤溫度要高于對(duì)照處理，而在7月到8月溫度最高的時(shí)期對(duì)照處理土壤溫度要高于覆蓋枝條處理。

圖2各處理不同生長(zhǎng)周期土壤儲(chǔ)水量變化

比較4種處理土壤表層平均溫度發(fā)現(xiàn)(表1)，各覆蓋措施對(duì)土壤表層溫度影響差異顯著，F(xiàn)比FB，CK和B分別高出1.3℃，3.3℃和4.4℃。覆膜、覆膜加枝條均能明顯提高土壤表層溫度，而覆蓋枝條有降低土壤溫度的作用。土壤溫度的日變化是一天內(nèi)土壤熱狀況的直接反映[16]。從表中一天內(nèi)不同時(shí)間段各處理土壤表層溫度可以看出，在溫度較低的8：00，B處理土壤表層溫度要大于CK處理，而隨著溫度的升高，在14：00和18：00時(shí)CK處理溫度反而高于B處理。F與FB處理在不同時(shí)間段土壤溫度均顯著大于CK處理，但是在8點(diǎn)時(shí)兩者溫差減小，差異不顯著，而在14：00和18：00時(shí)F土壤溫度要明顯高于FB。從早上8：00—14：00，B，CK，F(xiàn)，F(xiàn)B溫度依次升高8.17℃，10.16℃，11.85℃，9.30℃，土壤溫度的日變幅大小表現(xiàn)為F>CK>FB>B。比較各處理土壤溫度變異系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)最大為0.22，CK次之為0.21，B和FB最小為0.18。

圖3 不同處理土壤表層溫度變化

注：同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.4 枸杞產(chǎn)量及水分利用效率

比較各處理對(duì)枸杞產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)(表2)，與CK相比，F(xiàn)B，B和F的枸杞產(chǎn)量分別提高了76.06%，45.78%，9.65%。其中FB和B明顯高于CK，而覆膜和對(duì)照處理產(chǎn)量差異不顯著。通過(guò)對(duì)不同覆蓋處理對(duì)土壤水分及溫度的影響的分析，F(xiàn)，B和FB均能有效改善枸杞地土壤水熱條件從而提高枸杞產(chǎn)量，但是單一覆膜處理增產(chǎn)效果不好。分析原因，可能是因?yàn)楦材な雇寥辣韺訙囟冗^(guò)高從而抑制枸杞的生長(zhǎng)，同時(shí)消耗大量深層儲(chǔ)水導(dǎo)致枸杞產(chǎn)量下降。

結(jié)合土壤儲(chǔ)水量、枸杞單位面積產(chǎn)量、生育期降雨量等數(shù)據(jù)，計(jì)算出枸杞地不同處理土壤水分利用效率。F，F(xiàn)B，B和CK水分利用效率分別為13.92，23.72，20.31，13.39 kg/(hm2·mm)，F(xiàn)B和B分別比CK顯著提高了77.14%和51.68%，而F僅僅比CK 高出3.95%。各處理水分利用效率與產(chǎn)量基本是對(duì)應(yīng)的。覆膜加枝條和覆蓋枝條能夠顯著提高枸杞產(chǎn)量和水分利用效率。

表2 不同處理下枸杞產(chǎn)量及土壤水分利用效率

3 討論與結(jié)論

已有大量研究表明，地膜覆蓋能夠顯著提高表層土壤含水量和溫度，提高水分利用效率[17-19]，而以秸稈枝條為材料的覆蓋技術(shù)措施可有效改善土壤的結(jié)構(gòu)，增加土壤的水碳儲(chǔ)量[20-25]。但是亦有不少研究表明，地膜覆蓋下的土壤墑情變化莫測(cè)，其增產(chǎn)作用受到了一定的限制，有些情況下甚至?xí)?dǎo)致減產(chǎn)減收[26-31]。本研究表明，覆膜、覆蓋枝條、覆膜加覆蓋枝條3種覆蓋措施在枸杞不同生長(zhǎng)周期下土壤水分剖面變化基本一致，在0—40 cm土層均表現(xiàn)為上升的趨勢(shì)，而40—100 cm土層表現(xiàn)各有差異。F，F(xiàn)B和B處理均能提高土壤表層土壤含水量，特別是在降雨量較大且枸杞生長(zhǎng)最為旺盛的夏果時(shí)期，F(xiàn)，F(xiàn)B和B表層土壤含水量分別比CK高173.5%，116.8%，61.9%，保水效果顯著。覆膜措施雖然能夠提高土壤表層墑情，但需要消耗深層儲(chǔ)水，導(dǎo)致土壤含水量在40 cm土層以下出現(xiàn)明顯下降，這可能是因?yàn)榈啬?duì)降雨的截流作用以及作物蒸騰耗水的增加導(dǎo)致深層土壤儲(chǔ)水量下降[31]。而枝條地膜雙覆蓋措施無(wú)論是對(duì)表層還是深層土壤水分均有明顯提高作用，在40—100 cm土層深度范圍內(nèi)土壤含水量顯著高于對(duì)照處理，這可能是由于枝條地膜雙覆蓋膜側(cè)的土壤界面具有良好的蓄水保墑能力，從而彌補(bǔ)了一部分深層土壤水分的消耗[32]。覆蓋枝條土壤含水量整體要高于對(duì)照處理，但差異不明顯。本研究表明，不同處理土壤儲(chǔ)水量與土壤含水量的變化趨勢(shì)基本是一致的。覆膜加枝條處理土壤儲(chǔ)水量在不同生長(zhǎng)周期均顯著大于對(duì)照處理，而覆膜和覆蓋枝條在不同階段差異也不同。在枸杞生長(zhǎng)旺盛的夏果期和秋果期，F(xiàn)和B處理土壤儲(chǔ)水量要明顯大于CK處理，在生長(zhǎng)初期三者差異不顯著，在降雨將多的休果期，覆膜要顯著低于對(duì)照處理。這說(shuō)明土壤儲(chǔ)水量的變化是降雨和枸杞生長(zhǎng)消耗共同作用的結(jié)果。

本研究表明，覆膜、覆蓋枝條，覆膜加覆蓋枝條這3種處理對(duì)土壤表層溫度均有一定影響，土壤平均溫度F比FB，CK和B分別高1.3℃，3.3℃和4.4℃。覆膜和覆膜加枝條處理在生長(zhǎng)早期及后期增溫效果明顯，而覆蓋枝條在溫度較低時(shí)具有保溫效應(yīng)，而溫度較高時(shí)又能起到降溫作用。B，CK，F(xiàn)，F(xiàn)B處理的土壤溫度的日變幅為8.17℃，10.16℃，11.85℃，9.30℃，而各處理間土壤溫度變異系數(shù)F最大為0.22，CK次之為0.21，B和FB最小為0.18。結(jié)果說(shuō)明，覆膜措施可以增大土壤表層溫度日差異，而覆蓋枝條處理能夠減緩溫度的升高平抑溫度的差異，枝條地膜雙覆蓋技術(shù)在提高溫度的同時(shí)又能夠減小土壤溫度的劇烈變化，給土壤提供一個(gè)穩(wěn)定的溫度條件。已有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，溫度的穩(wěn)定性將有利于產(chǎn)量的提高[32]。

水熱條件是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的因素，作物產(chǎn)量的形成往往是二者綜合作用的結(jié)果[33]，這與本研究結(jié)果相一致。與常規(guī)耕作措施相比，覆膜技術(shù)顯著地改善了土壤的水分條件，但是地膜覆蓋造成的土壤溫度過(guò)高會(huì)脅迫作物生長(zhǎng)從而導(dǎo)致產(chǎn)量和水分利用效率降低[34-36]，而覆蓋枝條措施在保墑蓄水的同時(shí)能夠降低土壤溫度，對(duì)枸杞的產(chǎn)量和水分利用效率有一定的促進(jìn)作用。在本研究中，地膜加覆蓋枝條的覆蓋技術(shù)很好的將前二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，不僅顯著提高了土壤儲(chǔ)水量并且改善了土壤表層的熱量條件，為枸杞提供了良好穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，將水熱優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，顯著提高了枸杞的產(chǎn)量和水分利用效率(分別較常規(guī)耕作增加了(76.06%和77.14%)。

綜上所述，單一覆膜措施不適合枸杞的應(yīng)用推廣。從枸杞產(chǎn)量和水分利用效率的角度來(lái)說(shuō)，覆膜加覆蓋枝條的覆蓋技術(shù)具有一定的推廣前景，但還要綜合考慮其經(jīng)濟(jì)效益和其他方面的因素，最終才能看出其推廣前景及可行性的問(wèn)題，而有關(guān)其應(yīng)用的可行性方面有待進(jìn)一步的研究。

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