覆蓋材料對土壤水分、胡楊幼苗光合特性和生長發(fā)育的影響

孔凱凱，韓 煒，管文軻，文 強

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054；2.新疆林業(yè)科學研究院 林業(yè)科技推廣處，烏魯木齊 830000)

胡楊(Populuseuphratica)作為典型的荒漠優(yōu)勢種，對塔里木河沿岸綠洲的保護與開發(fā)起屏障作用。近年來，伴隨水源短缺及人為破壞，胡楊林退化嚴重[1]。胡楊林更新主要有無性和有性繁殖兩種，有性繁殖占主體地位[2]。然而野外天然落種更新極少，主要是幼苗對干旱環(huán)境的適應性較差所致[3]，因此研究蓄水保墑對胡楊幼苗的更新至關(guān)重要。地膜、草苫子和細沙覆蓋是地表常用的覆蓋方式。塑料地膜覆蓋具有保持土壤表層水的作用[4]，同時也可提升深層水分至植物可吸收層[5]，還可改善水熱狀況起到保溫、保水保墑的作用[4]。但也有研究認為地膜使夏季地溫過高、阻礙雨水下滲、產(chǎn)生水漬[6-7]，而草苫子為可降解材料，可增加土壤養(yǎng)分與有機質(zhì)含量[8]。細沙覆蓋可產(chǎn)生保墑蓄水和排鹽壓堿[9]作用。在干旱區(qū)，地表覆蓋材料對改善土壤水溫與結(jié)構(gòu)[10]、抑蒸、抑草、提高植物光合作用[11]和水分利用效率[12]方面具有重要作用。地膜與細沙在農(nóng)作物應用較多，并且效果顯著，而在林業(yè)育苗方面效應尚不清楚。草苫子是選用編好的秸稈覆蓋在地表，操作方便，受風干擾小。

目前，國內(nèi)外學者對覆蓋保墑在農(nóng)作物[5,9-10,13]上研究廣泛，在林業(yè)領(lǐng)域近10a研究甚少，尤其對產(chǎn)生的土壤水分變化、植物光合作用及成本預算的系統(tǒng)研究鮮有報道。本研究以塔里木河下游庫爾勒為試驗地，選取地膜、草苫子和細沙3種地表覆蓋材料，擬通過監(jiān)測胡楊幼苗在不同覆蓋材料下，夏季土壤含水率、胡楊幼苗光合蒸騰作用及生長狀況，并結(jié)合造林成本對各處理措施進行綜合評價，系統(tǒng)比較其差異性，以期合理選擇覆蓋材料，為胡楊幼苗管理及生長調(diào)控提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

庫爾勒市巴州苗圃(86°13′E、41°71′N)地處塔里木河中下游，屬于典型的暖溫帶大陸性干旱氣候，總?cè)照諘r數(shù)2 990 h，多年均溫11.4 ℃，年最熱月為7月，月均溫27.8 ℃，年均降雨量 58.7 mm，年最大蒸發(fā)為2 788.2 mm[14]。常年盛行東北風，夏季風熱同期，揚塵浮沙嚴重，產(chǎn)生高溫干旱對植物生長造成嚴重危害[15]。

1.2 試驗設(shè)計

2018-04-20開始穴狀整地(穴深與直徑均為20 cm)，土壤采集于31團沿塔河兩岸荒漠過渡帶30 cm深的粉砂壤土，田間持水量為24.8%，土壤理化指標為：含水率5.3%、溫度25.8 ℃、總鹽質(zhì)量分數(shù)1.65 g·kg-1、有機質(zhì)16.3 g·kg-1、堿解氮58.0 mg·kg-1、速效磷28.2 mg·kg-1和速效鉀538.4 mg·kg-1。于次日進行移栽，選取1 a生種子苗，苗木規(guī)格達一級標準，平均株高60 cm，地徑4 mm。試驗設(shè)覆膜(T1)、覆草苫子(T2)、覆細沙(T3)和無覆蓋4種處理，其中以無覆蓋作為對照(CK)，覆膜(T1)：采用寬100 cm，厚0.06 mm的塑料黑膜覆蓋，鋪滿在處理對應的小區(qū)中；覆草苫子(T2)：長約20 cm的草苫子均勻覆蓋在對應小區(qū)中，覆蓋量為1.8 kg·m-2，經(jīng)踩踏厚度約10 cm，表層覆土1～2 cm防止風襲；覆細沙(T3)：粒徑約1 mm細沙均勻覆滿對應小區(qū)中，厚度約5 cm；對照(CK)：常規(guī)種植，未覆蓋。為保證各處理株數(shù)和總灌水量一致，每處理(穴)育苗3株，每次每穴灌水25 L。以上各處理均同。每處理面積為2 m×2 m，并對應1穴。每穴育苗3株，分3次重復。相鄰2處理間種植1行面積相等的胡楊幼苗作為保護行。試驗期間若有死亡及時補苗，保證每處理間的株數(shù)一致。按照對應處理分為4個小區(qū)，每個小區(qū)面積為 2 m×8 m，包括保護行小區(qū)面積共112 m2。為保證胡楊幼苗成活率，栽植時，采用生根粉(ABT)蘸根處理，秉承“三埋二踩一提苗”的原則[16]，每穴灌水20 kg。栽后加強撫育管護，試驗期間定期進行5次除草，2次殺蟲。緩苗期結(jié)束后的5月30日開始灌水，周期為8 d，9月1日灌水結(jié)束。所有處理除覆蓋材料，其余病蟲害防治等處理均相同，試驗期間無施肥。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤水分測定 每月中旬灌水后1 d(6月16日、7月17日和8月18日)和8 d(6月22日、7月23日和8月24日)在距植株約1 m處用鉆頭直徑4 cm的土鉆取0～80 cm土層土樣，每20 cm取一層，在植株不同方向分別取3個土樣作為重復，并用烘干法[9]測定土壤質(zhì)量含水率。

1.3.2 光合指標測定 于7月灌水8 d后(7月23日)測定光合日變化，此階段高溫干旱的狀態(tài)可清晰反映覆蓋材料間的效果差異。7月23日光合有效輻射670～2 210 μmol·m-2·s-1、大氣溫度15.5～30.8 ℃、CO2摩爾分數(shù)380～450 mmol·mol-1、相對濕度20.5%～31.5%。利用LI-6400便攜式光合儀(LICOR，USA)在8:00—20:00每隔2 h測定1次。每處理選取4株，每株選3片葉片進行重復測定，待儀器各參數(shù)穩(wěn)定后，記錄凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)等數(shù)據(jù)。葉片水分利用效率(WUE)=Pn/Tr[17]。因1 a生幼苗葉片無法充滿葉室，所以光合數(shù)據(jù)先通過掃描儀計算葉面積[17]，然后將參數(shù)進行相應轉(zhuǎn)化。

1.3.3 生長指標測定 緩苗期(4月21日—5月30日)統(tǒng)計各處理所有株數(shù)的成活率；每處理選取4株長勢良好的植株掛牌標記，6月1日開始測量，7 d為1周期，每月測量4次，并使用卷尺和游標卡尺分別測量株高與地徑。8月31日采用土壤剖面法[18]挖取植株，從地徑處分成地上與地下兩部分，用噴壺將根、莖、葉沖洗干凈。隨后晾干并裝入封口袋帶回實驗室，于120 ℃殺青2 h后，置于70 ℃條件下烘干至恒量，用0.000 1 g天平稱量，獲取根莖葉(生物量)的干質(zhì)量，根冠比=根干質(zhì)量/地上干質(zhì)量。

1.3.4 造林成本預估 于2018年4月初利用市場調(diào)研法確定造林所需材料價格。3種地表覆蓋材料(地膜、草苫子和細沙)購于新疆庫爾勒市華凌市場；胡楊幼苗費、運費、整地費和后期撫育管護費源于巴州苗圃規(guī)定的價格。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 19.0對不同處理間進行方差分析，在差異顯著情況下利用LSD法進行多重比較，顯著性水平為0.05，各圖表中的數(shù)據(jù)為“平均值±標準誤”。最后采用隸屬函數(shù)值法對各覆蓋產(chǎn)生的效果進行綜合評價[19]，所用公式如下：

(1)

(2)

若胡楊幼苗生長與需計算指標之間呈正相關(guān)，采用式(1)；胡楊幼苗生長與需計算指標之間呈負相關(guān)，則采用式(2)。

式中：Uij指i處理j指標的隸屬函數(shù)值，Xij指i處理j指標的值，Ximin和Ximax分別指各處理指標中的最小值和最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋處理對土壤水分的影響

灌水后，6—8月不同處理垂直土層土壤水分的變化差異較大。整體上看，各處理40 cm土層以上土壤含水率較大，且從灌水后1 d到8 d明顯下降；40 cm土層以下土壤含水率較小，從灌水后1 d到8 d變幅較小。對比不同月份土壤含水率發(fā)現(xiàn)，灌水后1 d和8 d對不同覆蓋的響應程度不同。圖1表明，整個周期0～20 cm土層土壤含水率均表現(xiàn)為T1最大，并且6月T1與其他處理均差異顯著，而7月和8月灌水8 d后，隨T2土壤含水率逐漸升高，T1與其差異不顯著，但與T3和CK差異顯著。土層深度達40 cm時，除7月23日T1與其他處理間差異并不顯著。隨土層加深，T1逐漸低于T2與T3，說明覆膜對提高表層(0～20 cm)土壤水分的效果優(yōu)于其他處理。灌水1 d后，T1較T2、T3與CK土壤水分分別提高3.19%、 12.47%和7.35%；灌水8 d后，T1較T2、T3與CK分別提高6.57%、26.54%和 46.02%。

6月份，灌水1 d后，40 cm土層土壤含水率表現(xiàn)為T2>T3>T1>CK，彼此間無顯著差異；40 cm土層以下表現(xiàn)為T3>T2>CK>T1，T3與CK間差異顯著(圖1-A)；灌水8 d后，土壤水分損失較大，在40 cm土層深度T3土壤含水率高達14.30%，T1和CK最低，均為13.10%(圖1-D)。7月幼苗生長受高溫和蒸騰耗水的影響，土壤水分消耗較大，7月土壤含水率總體低于6月和8月，0～60 cm土層土壤含水率下降幅度較大。灌水1 d后，不同處理與CK差異不明顯，而灌水8 d后，不同處理與CK均差異顯著(T3在20 cm數(shù)值除外，整個土層T1、T2和T3的土壤含水率較CK高33.26%、32.56%和23.72%(圖1-E)。8月氣溫略有下降，土壤含水率變化幅度與6月相似。

由表1可知，灌水1 d后，整個周期土壤含水率的均值表現(xiàn)為T2>T1>T3>CK，其中CK與T2、T1差異顯著；灌水8 d后，不同處理在不同月份的土壤含水率表現(xiàn)略有差異，6月、7月和8月分別以T2、T1和T3最大，經(jīng)計算T1、T2和T3較CK高26.51%、27.95%和23.50%。T1、T2在8月的土壤含水率均值低于T3，可能與植物生長后期地膜的“青干現(xiàn)象”及草苫子腐解耗水有關(guān)[20]。此外，整個周期不同土層的土壤含水率T1、T2與T3較CK高11.71%、13.36%和 9.29%。綜上，草苫子和地膜效果最好，可為胡楊幼苗生長創(chuàng)造良好的微環(huán)境。

表1 6-8月灌水1 d和8 d后0～80 cm土層土壤含水率均值變化Table 1 Mean changes of soil moisture content in soil layer 0-80 cm after 1 d and 8 d of irrigation in June and August

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下表同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference(P<0.05),the same below.

2.2 不同覆蓋處理對胡楊幼苗光合作用的影響

2.2.1 胡楊幼苗光合參數(shù)日均值比較 由表2可知，各處理均相應不同程度提高了葉片Pn，T2、T3與T1較CK高51.79%、45.83%和 24.81%，CK與不同處理間差異顯著。主要由于CK水分虧缺嚴重，氣孔縮小，影響光合作用。T2處理Pn最大，可能是草苫子腐解增多光合原料，光合酶促反應更為劇烈，增大葉片氣孔導度[21]。水分利用效率T2、T1與T3較CK高24.24%、 17.17%和12.12%。

表2 不同處理下胡楊幼苗光合參數(shù)的日均值變化Table 2 Diurnal mean values of photosynthetic parameters of Populus euphratica seedlings under different treatments

2.2.2 胡楊幼苗光合日變化 圖2可見，CK處理Pn日變化為“雙峰型”，峰值出現(xiàn)在10:00 (13.73 μmol·m-2·s-1)和14:00(13.15 μmol·m-2·s-1)，12:00出現(xiàn)“光合午休”現(xiàn)象；T1、T2和T3均為“單峰型”，其中T2處理Pn最高，12:00達到峰值21.39 μmol·m-2·s-1。說明3種覆蓋材料均增加了對胡楊幼苗午間光能的利用，沒有出現(xiàn)“光合午休”。方差分析表明，CK與不同處理間均差異顯著，T2處理在Pn較大時，顯著大于同時段的T1和T3。氣孔是植物葉片與外界進行水氣更新的“通道口”[22]，Gs對Pn有一定的調(diào)節(jié)作用。12:00—20:00不同覆蓋處理均提高Gs，CK分別與T1、T2和T3間差異顯著，說明覆蓋材料在大氣溫度較高時，可減少幼苗葉片氣孔的收縮，使其繼續(xù)保持高效的光合速率。

Tr主要受土壤水分和光照等外界因子的影響[20]。不同覆蓋材料下，Tr變化趨勢與Pn相同，但峰值大小出現(xiàn)的時間有所不同。12：00-16：00不同覆蓋處理與CK差異顯著，并以T2和T3曲線最高(P<0.05)。說明草苫子和油沙在大氣溫度變高時增濕效果明顯，有效降低幼苗葉片Tr，覆蓋材料對Tr產(chǎn)生較大影響。WUE作為判斷植物對逆境適應能力的指標，試驗中WUE的變化趨勢與Tr相反，隨光照和Tr的增高WUE呈遞減趨勢[21,23]，8：00-10：00和20：00 T2和T1較高，二者均與CK差異顯著，說明草苫子和地膜在大氣溫度較低時，對胡楊幼苗WUE影響較大，隨溫度升高，覆蓋材料對幼苗WUE影響逐漸減小。

2.3 不同覆蓋處理對胡楊幼苗生長發(fā)育的影響

株高、地徑等是植物形態(tài)特征的重要體現(xiàn)，可直觀判斷不同覆蓋材料的效果[15]。試驗表明，T2、T1和T3處理的成活率為92.32%、89.48%和87.83%，分別較CK高16.02%、12.45%和10.38%。表3表明，株高、地徑在不同月份的生長量存在差異，6月與8月的生長量大于7月，這可能受高溫影響，7月土壤水分蒸發(fā)量過大所致。株高和地徑的月增加值在7月T2最大，說明高溫的7月更適合覆草苫子。此外，8月T2的生長量低于T1、T3處理，可能與后期草苫子腐爛消耗大量水分有關(guān)。方差分析顯示，CK的株高、地徑、生物量與各處理均差異顯著。生物量與根冠比都表現(xiàn)為T2最大，CK最小，不同處理與CK相比，差異顯著。說明干旱條件下，覆蓋材料增強了胡楊幼苗對環(huán)境的適應能力，而草苫子效果 最佳。

同一時刻下不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05) Different lowercase letters under the same indicator indicating significant differences(P<0.05)

圖2 不同處理下胡楊幼苗主要光合參數(shù)日變化Fig.2 Diurnal variations of main photosynthetic parameters of Populus euphratica seedlings under different treatments

2.4 不同覆蓋處理下胡楊造林成本預估

據(jù)市場行情及常規(guī)生產(chǎn)造林的調(diào)查，地膜 1 000元·hm-2，草苫子1 300元·hm-2，細沙 1 350元·hm-2，胡楊幼苗及運費共每株1元，整地費2 000元·hm-2，撫育管護費5 000 元·hm-2。按照株行距4 m×4 m，栽植2 500 株·hm-2。表4表明，覆蓋處理使胡楊幼苗造林成本增加，但造林成活率與生長指標的增加幅度大于造林成本(結(jié)合表3)。假設(shè)后期需要補苗，總造林成本(前期造林成本+補苗成本)T3> T2>T1>CK，成本提高率較補苗前造林成本明顯下降，下降幅度依次為84.27%、86.38%和 18.52%?？梢姡a苗之后T2與T1總成本明顯降低，T3降幅較小。

表4 不同處理下胡楊幼苗造林成本對比Table 4 Comparison of afforestation cost of Populus euphratica seedlings under different treatments

2.5 不同覆蓋處理下保墑措施綜合評價

利用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)值法綜合評價不同覆蓋材料對胡楊幼苗產(chǎn)生的影響。本試驗中，除造林成本指標采取式(2)，其余指標均為式(1)計算所得。表5可知，4種處理的隸屬函數(shù)值T2最大(0.95)，CK最小(0.14)，T1、T2、T3之間差異不顯著(P>0.05)，CK與各處理差異顯著(P< 0.05)。依據(jù)裴宗平等[24]5級劃分尺度：T1與T2的隸屬函數(shù)均值大于0.7，定位Ⅰ級強抗，0.6≤T3(0.61)<0.7，可將T3定位Ⅱ級抗，而0≤CK(0.14)<0.3屬于V級不抗。

表5 不同處理下各項指標的隸屬函數(shù)值和綜合排名Table 5 The subordinate function value method and comprehensive ranking of each index under different processing

3 討 論

地表覆蓋材料是半干旱、干旱區(qū)蓄水措施之一，其可減少水分蒸發(fā)，提高利用效率[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨土層的加深，覆蓋材料對土壤水分影響逐漸降低，在高溫7月和灌水8 d后保水效果凸顯，與譚雪紅等[27]研究的陶粒覆蓋在干旱月份保水效果明顯這一結(jié)論相似。由于覆蓋材料間的通透性不同，故土壤水分在不同月份、土層間差異較大。試驗中，覆膜在0～40 cm土層土壤水分明顯大于40～80 cm土層，這與孫旭偉等[15]研究的覆膜與細沙、蒸發(fā)抑制劑相比，可顯著提高表層土壤水分結(jié)論一致?？赡苁歉材ぷ韪敉寥浪执怪闭舭l(fā)，改變土壤水分運移方式，膜下水分橫向遷移的緣故[6,28]。然而，Li等[20]認為覆膜使植物生長前期耗水嚴重，生長末期出現(xiàn)“青干現(xiàn)象”，與試驗中8月23日覆膜的土壤水分低于其他2種覆蓋處理結(jié)果相吻合。覆細沙的土壤水分以下滲和側(cè)滲為主，在0～20 cm出現(xiàn)干沙層，20～80 cm土層土壤水分較高，驗證了劉新平等[29]提出干沙層可穩(wěn)定土壤水分，抑制蒸發(fā)的結(jié)論。草苫子在保墑和提高水分利用效率等方面作用突出，且秸稈也被有效利用，便于資源可持續(xù)發(fā)展[6]。Chandra等[30]研究表明異常干旱季節(jié)草苫子保墑蓄水能力更強。本研究中，覆草苫子的土壤水分增幅最大且在7月和灌水8 d后表現(xiàn)更明顯，與前人研究結(jié)果一致[4,9,12,21]。

光合作用作為植物有機物合成與能量獲取的途徑之一，其參數(shù)可揭示植株生長與抗逆性強弱的程度[27,31-32]，以便從幼苗生理角度選擇最佳地表覆蓋材料。研究發(fā)現(xiàn)：覆蓋材料均不同程度地提高葉片Pn、Tr、Gs，主要因覆蓋材料調(diào)節(jié)了土壤水肥氣熱，優(yōu)化胡楊幼苗生長環(huán)境，改善葉綠體結(jié)構(gòu)[10-11]。黃萍等[12]認為草苫子因后期腐解釋放出CO2，增添光合原料，有利于提高植株光合能力，這與本試驗覆草苫子Pn最大相一致。覆膜Pn顯著低于覆草苫子和覆細沙，可能是由于胡楊幼苗根系主要分布在20～60 cm土層[33]，而覆膜在此土層土壤水分低于胡楊適宜生長的臨界值15%[1]。WUE隨Pn與Tr變化而變化，覆蓋處理在保持土壤水分，提高葉片Pn的同時也使WUE保持在較高的水平。草苫子由于良好的透水性能，對灌水后的水分可及時吸收，穩(wěn)定了土壤水分，使光合速率最大，水分利用效率最高。地膜透水性能較差，使水分順膜面流失。因此，縱觀時間尺度地膜保水效果以及對幼苗的光合積累不及草苫子。

覆蓋材料穩(wěn)定了土壤水分，彌補了常規(guī)移植中過量耗水對幼苗產(chǎn)生的副作用，大幅提高生長量。本研究中，3種覆蓋處理顯著提高了幼苗的成活率與根冠比。株高和地徑的月增加值7月低于6月和8月，可能是7月幼苗受高溫影響，耗水嚴重，水分利用效率低所致[15]；其中7月覆草苫子的月增加值最大，說明草苫子在高溫季節(jié)效果更佳，而8月的月增加值低于覆膜和覆細沙，可能與草苫子腐解耗水嚴重有關(guān)[34]。此外，8月覆細沙的地徑月增加值最大，可能與沙層散熱快迫使土壤水分上移有關(guān)[12]。覆膜和覆草苫子顯著提高了幼苗生物量與根冠比，主要是二者良好的保水效果為幼苗運輸營養(yǎng)物質(zhì)提供基礎(chǔ)，便于根、莖、葉的吸收。

4 結(jié) 論

6—8月份，利用覆膜、覆草苫子和覆細沙3種覆蓋處理均可提高0～80 cm土層的質(zhì)量含水率，在7月和灌水8 d后表現(xiàn)最明顯。不同覆蓋材料覆蓋處理顯著提高了胡楊幼苗葉片凈光合速率和水分利用效率，改善其光合能力，增強幼苗對環(huán)境的適應程度。同時，胡楊幼苗的成活率得到大幅提高，株高、地徑、生物量和根冠比均明顯增長，在不同程度上促進植株生長發(fā)育。通過對3種覆蓋材料的造林成本預估核算，其成本均有所降低。本試驗條件下覆草苫子效果最好，造林成本最劃算。隸屬函數(shù)值的結(jié)果也表明，覆草苫子>覆膜>覆細沙>CK。綜上，塔里木河胡楊幼苗移植撫育中推薦以草苫子作為土壤覆蓋材料。