生草栽培對白龍江干熱河谷地帶油橄欖園小氣候的影響

潤安， ， ， ，

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州730070； 2. 甘肅省作物遺傳改良和種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室，甘肅 蘭州730070； 3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 甘肅 蘭州730070； 4.甘肅省隴南市經(jīng)濟林研究院， 甘肅 隴南 746000)

隴南市白龍江干熱河谷地帶是我國油橄欖主產(chǎn)區(qū)之一。我國目前現(xiàn)行的果園土壤耕作管理措施仍主要是清耕法[1]，清耕制果園在剛造林時易發(fā)生地表溫度過高現(xiàn)象，使得植株易受灼傷，且清耕制果園的坡面蓄水抑蒸保墑抗蝕效果差[2]。當前武都區(qū)的油橄欖生產(chǎn)存在低產(chǎn)問題，其主要原因除了氣候因素之外，還可能包括粗放的果園土壤管理模式導(dǎo)致的土壤肥力低下[3]。因此，改善隴南山地油橄欖園的土壤管理方式是有必要的。果園生草也稱作“果園生草覆蓋制”，果園生草栽培是歐美和日本等果樹生產(chǎn)發(fā)達國家廣泛應(yīng)用的一種現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展的先進的果園土壤管理方式[4]。與清耕制果園相比，果園生草可以抑制其它雜草生長，穩(wěn)定土壤的溫濕度，改變果園的小氣候，有利于優(yōu)化果樹生長環(huán)境。

小氣候又稱微氣候，是指在局部地區(qū)內(nèi)和土壤上層的氣候，其中包含溫濕度、光照強度等因子，這些因子在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。果樹樹冠內(nèi)的溫濕度均直接影響花芽形成、開花坐果、果實產(chǎn)量品質(zhì)等[5]。李歡等[6]研究了果園小氣候與棗果內(nèi)各元素含量之間的關(guān)系。果園小氣候不僅直接影響果樹的光合、呼吸、蒸騰作用，而且通過影響土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性等影響土壤有機質(zhì)分解、養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化、生物多樣性、水熱交換[7]，與果園中生物因子間存在著多重的相互調(diào)節(jié)效應(yīng)[8-9]。研究表明[10]果樹的間作能夠有效地改善果園環(huán)境，減小風速，能起到蓄水保墑的效果，特別是在山地果園；果園生草在不同季節(jié)對果園氣溫和濕度起不同的調(diào)節(jié)作用，并促進果樹生長[11]。

受境內(nèi)立體氣候及變化復(fù)雜性的影響，油橄欖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了地域性小氣候條件的制約[12]，本研究以甘肅省隴南市武都區(qū)的生草制油橄欖園為對象，通過觀測油橄欖園果樹—生草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)小氣候因子，探討生草對小氣候因子的影響，開展毛苕子和自然生草對果園小氣候綜合效應(yīng)評估的研究，為果園生草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和試驗材料

試驗地位于甘肅省隴南市武都區(qū)大堡油橄欖試驗園(33°24′03.6″ N，104°53′32.8″ E)，海拔1 048 m左右。年平均氣溫15.3℃，極端最高氣溫38.2℃，極端最低氣溫-7℃；平均年降水量468 mm，降水主要集中在6—9月，年均相對濕度56.6%；年日照時數(shù)1 871小時，無霜期270天以上。土壤為沙壤土，排水良好。果園內(nèi)種植油橄欖品種為‘豆果’(‘Arbequina’)，樹齡7年，株高范圍2.06～3.25 m，基徑范圍27.61～29.60 cm，東西冠幅范圍1.78～2.67 m，南北冠幅范圍1.73～2.88 m；行株距5 m×4 m。

1.2 試驗設(shè)計

2014年4月初于油橄欖園的果樹行間撒播毛苕子 (ViciavillosaRoth) (毛苕子是豆科野豌豆屬的一年生或越年生草本植物，是春性和冬性的中間類型，偏向冬性[13])，播量為60 kg·ha-1，同時確定供試自然生草(主要草種有刺兒菜(CrisiumsetosumL.)、早熟禾(PoaannuaL.)、苦苦菜(SonchusoleraceusL.)等)和清耕(作為對照組)的果園，設(shè)置3個重復(fù)，共9個小區(qū)，小區(qū)面積為12 m×10 m，每個小區(qū)9株油橄欖樹。于每年5月底對間作毛苕子和自然生草的油橄欖園進行刈割(刈割高度25 cm)，割下的生草覆蓋于油橄欖樹盤，刈割余下的生草繼續(xù)完成生命周期以供結(jié)實，產(chǎn)生的種子第二年自然繁育，不需重復(fù)播種，不使用除草劑。清耕則采用常規(guī)的中耕除草措施。

1.3 果園小氣候測定方法

于2017年6月26日、27日(夏至后第五、六日)和10月27日、28日(霜降后第四、五日)測量油橄欖園的氣象因子，用便攜式風速氣象測定儀(Kestrel 4500 Pocket Weather Tracke)測定試驗樣地50 cm高處的空氣溫度和相對濕度；用直角地溫計測定0～15 cm的土壤地溫：直角地溫計放置于待測樹體外圍滴水線處，土溫測定深度為5、10、15 cm，每個土層重復(fù)3次，在各小區(qū)隨機選取5個采樣點。對各指標進行從06:00到20:00的14 h連續(xù)觀測，每2 h觀測1次。土壤溫度垂直變化特征采用每天各處理每個土層08:00, 14:00和18:00三個時間點土壤溫度的算術(shù)平均值；而各土層土壤平均溫度則采用6月和10月的兩天內(nèi)各處理每個土層這三個時間點土壤溫度的平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖。

采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對各生草草種小氣侯效應(yīng)進行綜合評判，其原理是：關(guān)聯(lián)度反映各評價草種與清耕的遠離程度，即評價草種的優(yōu)劣次序。因此，可利用關(guān)聯(lián)度對評價草種進行比較[14]。

關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式為

再根據(jù)公式

其中，ρ的取值通常為為0.5，其中判別系數(shù)ρ取0.50，計算關(guān)聯(lián)度rij[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 各土層土壤平均溫度

由圖1可知，各處理對應(yīng)的土壤溫度都表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即6月時隨著土層的加深呈先降低后升高的趨勢，在地表(0～5 cm處)各處理對應(yīng)的土壤溫度最高；10月時隨著土層的加深呈升高趨勢，但5～10 cm之間增幅極小。由表1可知，6月時間作毛苕子的升溫效應(yīng)在三土層均高于自然生草；10月時則相反。

圖1 不同處理對油橄欖園土壤剖面溫度的影響(A：6月；B：10月)Fig.1 Effect of different treatments on soil temperarure of 0～15 cm layer in olive orchard (A:June ; B:October)

表1 不同土層土壤溫度在生草處理與對照之間的差值Table 1 The differences of soil temperature under different layers between sod-cultures treatments and contrast

土層變幅在各處理下表現(xiàn)為，6月時，0～5 cm、5～10 cm和10～15 cm土層分別以間作毛苕子處理、間作毛苕子處理、自然生草處理為最高；三土層均以清耕為最低，即清耕的控溫效果最佳；10月時，0～5 cm、5～10 cm和10～15 cm土層分別以間作毛苕子處理、間作毛苕子處理、清耕為最高；三土層分別以清耕、自然生草處理、間作毛苕子處理為最低(表2)。

表2 各處理不同土層土壤溫度的變化幅度Table 2 Rangeability of soil temperature under different sod-cultures treatments

2.2 生草栽培對果園不同土層土壤溫度時間變化特征的影響

由圖2可知，間作毛苕子、自然生草處理和清耕的5 cm平均地溫：6月：26日分別為28.76℃、28.95℃和28.09℃，27日分別為29.69℃、28.16℃和26.95℃；10月：27日分別為14.80℃、14.85℃和14.28℃，28日分別為14.35℃、14.23℃和13.33℃，生草處理的平均地溫高于清耕。兩日的日地溫變異系數(shù)：6月：均以間作毛苕子處理最大(分別為19.80%和19.02%)，清耕最小(11.34%和10.53%)；10月：均以清耕最大(分別為19.55%和14.63%)，自然生草處理最小(17.50%和7.62%)。間作毛苕子、自然生草和清耕的5 cm土層最高溫出現(xiàn)時間：6月26日分別為14:00、12:00和16:00；10月：27日分別為14:00、14:00和16:00，28日則均為16:00。

圖2 生草栽培林地在不同時間0～5 cm 土溫變化Fig.2 The time variation of soil temperature at 0～5 cm layer under different sod-culture treatments注：A：6月26日、B：6月27日、C：10月27日 、D：10月28日，下同Note：A: June, 26, B: June, 27, C: October, 27, D: October, 28, the same as below

由圖3可知，間作毛苕子、自然生草處理和清耕的10 cm平均地溫：6月：26日分別為27.34℃、26.98℃和25.58℃，27日分別為27.11℃、26.69℃和25.41℃；10月：27日分別為14.84℃、15.06℃和14.53℃，28日分別為14.89℃、14.68℃和14.23℃，生草處理的平均地溫高于清耕。兩日的日地溫變異系數(shù)：6月：均以間作毛苕子處理最大(分別為14.52%和10.95%)，清耕最小(8.34%和7.19%)；10月：均以清耕最大(分別為14.11%和8.91%)，自然生草處理最小(11.52%和5.64%)。間作毛苕子、自然生草和清耕的10 cm土層最高溫出現(xiàn)時間：6月：26日分別為14:00、14:00和16:00，27日分別為14:00、16:00和14:00；10月：27日分別為14:00、14:00和16:00，28日則均為16:00。

圖3 生草栽培林地不同時間5～10 cm土溫變化Fig.3 The time variation of soil temperature at 5～10 cm layer under different sod-cultures treatments

由圖4可知，間作毛苕子、自然生草處理和清耕的15 cm平均地溫：6月：在26日分別為26.66℃、27.15℃和25.98℃，在27日分別為27.21℃、27.00℃和25.91℃；10月：在27日分別為16.21℃、17.26℃和15.54℃，在28日分別為14.76℃、14.81℃和13.94℃，生草處理的平均地溫高于清耕。兩日的日地溫變異系數(shù)：6月：均以間作毛苕子處理最大(分別為9.04%和8.36%)，清耕最小(3.57%和5.09%)；10月：在27日以自然生草處理最大(10.60%)，間作毛苕子處理最小(7.75%)，在28日以清耕處理最大(7.58%)，自然生草處理最小(5.20%)。間作毛苕子、自然生草和清耕的15 cm土層最高溫出現(xiàn)時間：6月：在26日分別為16:00、18:00和16:00；10月：在27日分別為14:00、14:00和16:00，在28日則均為分別為14:00、16:00、18:00。6月27日3種處理模式各土層在觀測時段內(nèi)的最低溫均出現(xiàn)在06:00。

在觀測時間段內(nèi)0～5 cm土溫的日變異系數(shù)高于5～10 cm和10～15 cm，波動程度大于5～10和10～15 cm，即表層土壤對太陽輻射等外界因素的影響更為敏感。

2.3 生草栽培下土壤溫度垂直變化特征

由圖5可知，6月時在地表(0～5 cm處)各處理對應(yīng)的土壤溫度最高，隨著土層的加深呈先降低后升高的趨勢；在0～15 cm土層內(nèi)土壤溫度表現(xiàn)為間作毛苕子>自然生草>清耕，各處理10～15 cm的土層土溫變化均較小，10月時在地表(0～5 cm處)各處理對應(yīng)的土壤溫度最低，隨著土層的加深呈升高趨勢；在0～15 cm土層內(nèi)土壤溫度呈自然生草>間作毛苕子處理>清耕，各處理5～10 cm的土層土溫變化均較小，尤其是間作毛苕子處理。

2.4 土壤溫差時間變化

圖6，圖7為測定的15 cm土層內(nèi)土壤溫度最大差值時間和深度變化。地溫隨時間的最大變幅為觀測時段內(nèi)不同時刻三個土層地溫的最大值與最小值之差，地溫隨剖面最大變幅為每一層全天最高地溫與最低地溫之差值。計算地溫最大差值可得出不同處理14 h內(nèi)土溫變化劇烈程度。

圖4 生草栽培林地不同時間10～15 cm土溫變化Fig.4 The time variation of soil temperature at 10～15 cm layer under different sod-cultures treatments

圖5 各處理0～15 cm土層土溫垂直變化Fig.5 Vertical variation of soil temperature at 0～15 cm layer under each treatments

圖6 地溫最大差值的時間變化Fig.6 Time changes of the max difference of soil temperature

圖7 地溫最大差值的深度變化Fig.7 Changes of the max difference of soil temperature with depth

由圖6可見，各處理地溫最大變幅在6月時整體上均呈現(xiàn)隨時間變化先升高再降低的趨勢，地溫的升高隨時間的延長而趨于明顯，生草處理的地溫變幅高于對照，兩日內(nèi)自然生草的地溫最大差值隨時間變化趨勢完全一致，在08:00開始快速上升，12:00升至峰值，之后開始快速下降；清耕整體上變幅較小。10月時各處理地溫最大變幅整體上均呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢。

從圖7可以看出，不同處理剖面地溫最大變幅均隨著深度的增加而遞減，6月時地溫變幅呈現(xiàn)間作毛苕子>自然生草>清耕的趨勢。三種處理淺層的地溫最大差值的差異較大，隨深度增加，其差異減小。10月時地溫變幅呈現(xiàn)清耕>間作毛苕子>自然生草的趨勢。

2.5 生草栽培下果園氣溫日變化特征

從圖8可以看出，間作毛苕子自然生草處理和清耕的平均氣溫為：6月。在26日分別為：30.45℃、29.76℃與30.38℃，在27日分別為：28.33℃、28.11℃與27.66℃，生草處理的果園氣溫高于清耕；10月：在27日分別為15.68℃、15.56與15.65℃，在28日分別為14.18℃、14.30℃與13.39℃。兩日內(nèi)的日氣溫變異系數(shù)：6月：均以間作毛苕子處理最大(分別為15.33%與12.92%)，清耕最小(分別為13.56%與12.09%)；10月：在27日：以間作毛苕子處理最大(29.38%)，自然生草處理最小(27.78%)；在28日：以清耕最大(17.68%)，自然生草處理最小(10.07%)。觀測時段內(nèi)間作毛苕子、自然生草與清耕的氣溫最值出現(xiàn)時間：6月：在26日：最低溫均為06:00，最高溫均為16:00；10月：在27日：最低溫分別為08:00、 06:00與06:00，最高溫分別為12:00、14:00、14:00；在28日：最低溫均為06:00，最高溫均為16:00。

圖8 生草栽培林地空氣溫度日變化Fig.8 The daily variation of air temperature under different sod-culture treatments

2.6 生草栽培下果園濕度日變化特征

從圖9可以看出，不同處理果園空氣濕度的日變化均呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢。間作毛苕子、自然生草處理和清耕的平均空氣濕度為：6月：在26日分別為：34.38%、32.98%與31.80℃，在27日分別為42.01%、43.21%與41.85%℃，10月：在27日分別為：70.31%、68.14%與66.63%，在28日分別為：28日：分別為79.11%、67.20%與77.43%。兩日的日空氣濕度變異系數(shù)：在6月：均以間作毛苕子處理最大(分別為30.83%與26.31%)，清耕處理最小(25.69%與23.58%)；10月：在27日以清耕最大(23.62%)，自然生草處理最小(22.73%)，在28日：以自然生草處理最大(20.71%)，間作毛苕子處理最小(12.76%)。觀測時段內(nèi)間作毛苕子、自然生草和清耕的空氣濕度最值出現(xiàn)時間：6月：在26日，最低濕度均出現(xiàn)在16:00，與最高溫度出現(xiàn)時間一致，在27日：最高濕度均出現(xiàn)在06:00。10月27日：最低濕度分別出現(xiàn)在16:00、14:00、14:00，自然生草與清耕處理模式的最低濕度與最高溫度出現(xiàn)時間一致。綜上所述，生草有增濕的效應(yīng)。

圖9 生草栽培林地空氣濕度日變化Fig.9 The daily variation of aerial moisture under different sod-culture treatments

為了分析不同生草草種小氣候綜合效應(yīng)大小，本文采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對間作毛苕子與自然生草小氣候綜合效應(yīng)進行了分析。以清耕區(qū)為參考系列，根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度的計算公式，分別計算兩個處理氣溫、相對濕度、0～5 cm土溫、5～10 cm土溫、10～15 cm土溫的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，由表3可知，間作毛苕子和自然生草區(qū)氣溫對于清耕區(qū)的關(guān)聯(lián)度分別為:0.3821與0.5907，關(guān)聯(lián)度越大表明生草對果園氣溫的調(diào)節(jié)能力越差，因之兩處理對果園空氣溫度的調(diào)節(jié)能力為: 間作毛苕子>自然生草。同理，兩處理調(diào)節(jié)果園相對濕度、0～5 cm土溫、5～10 cm土溫的能力均為:間作毛苕子>自然生草；調(diào)節(jié)10～15 cm土溫的能力為自然生草>間作毛苕子。

兩處理相對清耕區(qū)的綜合關(guān)聯(lián)系數(shù)分別為:0.4194和0.5954，由此可知生草處理的小氣候調(diào)節(jié)效能由強到弱的順序為: 間作毛苕子>自然生草，可見白龍江流域油橄欖園間作毛苕子小氣候綜合效應(yīng)強于自然生草。

表3 子系列的關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 3 Correlating degree and correlation coefficient of sub-series

3 討論與結(jié)論

在相同的大氣候和局地氣候范圍內(nèi)，果園小氣候不僅受果樹冠幅和株行距的影響，還與地面管理模式有關(guān)，不同的地面管理模式影響光能在大氣和土壤中的傳輸，進而改變果園小氣候。生草栽培也是常見的地面管理模式之一，不同類型果園生草試驗研究表明生草栽培具有調(diào)節(jié)果園氣溫、土壤溫度，改變果園相對濕度，調(diào)控果園小氣候，改變果園生態(tài)環(huán)境的效應(yīng)。一是果園生草在高溫季節(jié)能抑制地溫大幅上升，有效調(diào)控淺層土壤溫度，楊江山[16]、張義等[17]和Wu等[18]研究表明生草處理在果園土壤溫度方面表現(xiàn)出降溫效應(yīng)；二是生草有調(diào)控土壤溫度，平穩(wěn)地溫和空氣濕度，使土壤熱環(huán)境保持相對穩(wěn)定的效應(yīng)，如閻永齊[19]在水蜜桃園、惠竹梅[20]在葡萄園、毛培春等[21]在桃園的生草試驗證明了這論斷；三是生草在低溫季節(jié)有保溫效應(yīng)，唐敏等[22]在棗園，俞立恒[23]在蘋果園內(nèi)的生草試驗均證明了這一觀點。

在本試驗發(fā)現(xiàn)白龍江干熱河谷地帶油橄欖園種植毛苕子和自然生草可調(diào)節(jié)地溫，提高0～15 cm土層的土溫和地上50 cm氣溫，可能原因是：雖然在6月時自然生草生長較為旺盛，莖葉密集覆蓋地表增加了地表覆蓋度，減少光照對地表的直接輻射和熱量向深層土壤的傳遞；生草覆蓋層空氣在一定程度上處于靜止狀態(tài)，以及空氣導(dǎo)熱系數(shù)低的特點，使得覆蓋物下的土壤升溫過程緩慢，表現(xiàn)出高溫時的“降溫”作用，但因為果園地表的草呈生活狀態(tài)(相對應(yīng)刈割狀態(tài))且該時期也是生草生長旺盛期，其自身根系在土壤中進行的呼吸作用也較為強烈，聯(lián)結(jié)生草與果樹根系的叢枝菌根真菌活動也較為頻繁，前面刈割覆蓋的生草在微生物的作用下腐解釋放養(yǎng)分[24]，在這個過程中也會有大量的熱量的產(chǎn)生，多重生物因子的活動造成生草的升溫效應(yīng)高于降溫效應(yīng)，因此整體上呈現(xiàn)出間作生草土溫高于裸地清耕的現(xiàn)象。在10月，因草被枯草層的致密覆蓋，有效減少了地下溫度的擴散，從而起到了一定的保溫作用。

而在6月毛苕子處于死亡狀態(tài)，其地上部形成草覆蓋，由于其莖葉的腐解過程釋放很多熱量，在10月時其處于生長旺盛的階段，自身根系在土壤中進行的呼吸作用也較為強烈，根系還有多種固氮菌的活動，使得間作毛苕子提高了果園土壤溫度。

6月時生草栽培對果園不同土層土壤溫度日變化特征的影響表現(xiàn)出的趨勢可能與生草在強光照條件下的光合午休(同時呼吸作用正常進行)現(xiàn)象有關(guān)，6月和10月裸地清耕最高溫出現(xiàn)的最晚可能與土壤的熱量傳輸速度有關(guān)，間作生草的土壤有草的根系穿插，相對疏松，熱量傳輸快，清耕區(qū)則相反。

不同的生草模式對果園光、熱、水、氣的影響程度不同，本研究顯示間作毛苕子和自然生草均對油橄欖園有增濕效應(yīng)，毛苕子的調(diào)節(jié)小氣候功能優(yōu)于自然生草。當前對生草制果園的小氣候調(diào)查分析多局限于單個因子，未能對小氣候綜合效應(yīng)進行評判，李會科等[25]運用灰色關(guān)聯(lián)度分析評價了渭北旱地蘋果園種植不同草種小氣候綜合效應(yīng)，本研究運用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對白龍江干熱河谷地帶油橄欖園不同草種小氣候綜合效應(yīng)分析表明間作毛苕子的小氣候調(diào)節(jié)綜合效應(yīng)強于自然生草。

由于本試驗中自然生草和油橄欖的生長期重合造成果園氣溫與土溫的提高，因此在油橄欖生長過程中選擇合適的刈割時機減緩生草生長則極為重要，選擇在油橄欖園種植冷季型草種，使得果—草生育時期重合時間最短也是可供嘗試的模式之一。