陜北黃土區(qū)山地棗林土壤水分研究進(jìn)展

宗巧魚，艾 寧,2,3*，劉長海，2，劉 姣，郝寶寶，張智勇，常海飛，2

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院；2.陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

土壤水分是植被生長所需的最基礎(chǔ)條件[1]，它直接影響到植被對地下養(yǎng)分的吸收利用及植被從土層中汲取并用于蒸騰蒸發(fā)的水量，同時(shí)影響植被產(chǎn)生的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，是陜北黃土區(qū)決定植被生產(chǎn)力的主要因素之一[2]。陜北黃土區(qū)溝壑縱橫，土壤瘠薄，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)脆弱，土壤干化缺水[3-5]，因此，選擇一種耐旱的經(jīng)濟(jì)樹種具有重要的意義。棗樹(Ziziphusjujua)耐干旱，而且在堿性土壤和酸性土壤上均能良好生長，是陜北黃土區(qū)退耕還林的一種重要經(jīng)濟(jì)林木，發(fā)展棗林產(chǎn)業(yè)改善該區(qū)生存環(huán)境，同時(shí)是提高生活水平的有效措施，即生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)棗樹在陜北地區(qū)種植面積已經(jīng)達(dá)到50多萬hm2[6，7]。但陜北黃土區(qū)水資源匱乏，水土流失與干旱缺水并存，棗林地存在水分虧缺、土壤干層[8，9]等，歸結(jié)為土壤水分與棗樹生長關(guān)系的問題，本研究總結(jié)近年國內(nèi)外學(xué)者研究成果，對陜北黃土區(qū)棗樹生長與土壤水分關(guān)系的研究作以系統(tǒng)論述，以期為今后該區(qū)域進(jìn)行山地棗園營造和管理、紅棗生產(chǎn)基地穩(wěn)定發(fā)展提供科技支撐與理論依據(jù)。

1 山地棗林土壤水分動態(tài)研究

目前，陜北黃土區(qū)關(guān)于山地棗林土壤水分的動態(tài)研究，主要集中在棗林地的蒸騰蒸發(fā)耗水[10-13]、棗林地土層內(nèi)水分動態(tài)變化[14-16]及林地水量平衡三個(gè)方面的研究[17]。在生態(tài)脆弱的陜北黃土區(qū)，林地耗水一直以來都是專家學(xué)者長期關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問題，能準(zhǔn)確測定植物耗水特征是土壤水分動態(tài)研究的關(guān)鍵。有相關(guān)研究表明在生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，植被通過蒸散損耗掉的土壤水分總量超過90%[18]。而常用的蒸散量計(jì)算方法有Shuttleworth-Wallace(SW)[19]和Penman-Monteith(PM)[20]等模型，其中SW模型是Shuttleworth等在PM模型基礎(chǔ)上建立了蒸發(fā)和蒸騰二源耦合，可以單獨(dú)模擬蒸發(fā)和蒸騰過程。通過研究比較SW和PM模型在天然林、草地、人工林等植被條件下的精度，發(fā)現(xiàn)SW較PM模型模擬蒸散量具有更高的精度[21]。衛(wèi)新東[10]等通過實(shí)驗(yàn)對SW這一模型精度進(jìn)行了充分的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該模型適用于陜北黃土區(qū)山地棗林有關(guān)耗水規(guī)律的相關(guān)研究。魏新光[22]等對不同種植年限下的山地棗林蒸騰耗水特征和蒸騰差異性進(jìn)行了研究，其中山地棗樹蒸騰特征的研究運(yùn)用熱擴(kuò)散式液流探針從2012年5月-2014年10月對其進(jìn)行了連續(xù)的動態(tài)觀察及數(shù)據(jù)測定，結(jié)果表明在蒸騰日內(nèi)山地棗樹呈現(xiàn)出的變化趨勢為單峰，當(dāng)氣象因子達(dá)到閾值上限，棗樹蒸騰不繼續(xù)增加而保持基本穩(wěn)定，從而有效降低蒸騰，實(shí)現(xiàn)對土壤水分的保守型利用。魏瑞鋒[23]等研究表明土壤水分條件與植被耗水量呈正相關(guān)，棗樹耗水量隨著水分供應(yīng)量增加而增加；相反減少植被蒸騰蒸發(fā)等水分消耗可以通過減少水分供應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。所以，在不影響棗樹光合作用的前提下，適當(dāng)減少對棗樹水分的供應(yīng)，可以作為提高山地棗樹水分利用效率的方法。王經(jīng)民[16]等應(yīng)用Gauss函數(shù)與擴(kuò)張因子b的積數(shù)學(xué)模型擬合在生長過程中山地棗樹土壤水分的變化，分別定量描述不同林齡棗林地土壤耗水變化曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為隨樹齡增長擴(kuò)張因子擴(kuò)大，兩者具有二次相關(guān)性，進(jìn)一步說明了山地棗林土壤水分消耗的變化規(guī)律，即隨著林齡增長而增大。陜北黃土區(qū)棗樹林地存在土壤干化缺水等問題，針對這些嚴(yán)重的現(xiàn)象，靳姍姍[15]等利用地膜覆蓋、秸稈覆蓋和石子覆蓋等覆蓋措施下定位測定棗樹林地土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析不同覆蓋對休眠期內(nèi)山地棗林土壤水分消耗的影響；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明覆蓋是促進(jìn)休眠期內(nèi)山地棗樹土壤水分向深層移動的有效途徑，其中地膜覆蓋保墑效果最好。汪星[13]等將0～10 m土層范圍山地密植棗林土壤水分從上到下劃分為穩(wěn)定層、活躍層以及難恢復(fù)層，對陜北黃土區(qū)山地棗林的土壤水分變化規(guī)律進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明山地棗樹土壤水分提升最快的時(shí)期和山地棗林土壤水分最低的時(shí)期，分別是山地棗樹生長最旺盛的階段和棗樹開始萌芽、休眠結(jié)束的階段；即山地棗樹水分消耗與土壤水分提升變化規(guī)律相一致，山地棗樹土壤水分含量高低與棗樹耗水規(guī)律相反，和降雨量規(guī)律一致。研究將土層2 m以下稱為山地棗林土壤水分難恢復(fù)層，難恢復(fù)層深度取決于棗樹的林齡，棗樹林齡越大其深度越深。為探求山地棗樹耗水特性，有研究者利用光合儀在陜北黃土區(qū)做了棗樹生育期的葉片蒸騰研究[24]。研究山地棗樹土壤水分動態(tài)變化特征，有利于棗樹可持續(xù)生長，進(jìn)一步使自然補(bǔ)給的土壤水分與棗樹生長過程中消耗的土壤水分達(dá)到動態(tài)平衡，而棗樹不同土層深度土壤水分的消耗程度與山地棗樹林齡和林分的分布狀況有關(guān)[16]。有研究表明[17]陜北山地棗產(chǎn)業(yè)區(qū)適宜的土壤經(jīng)濟(jì)水勢區(qū)間為-68～-84 kPa。高志永[25]等研究表明露水是陜北黃土區(qū)棗林的重要水源，是水量平衡中不可缺少的輸入項(xiàng)。

2 山地棗林土壤干層研究

自1999年退耕還林還草工程實(shí)施以來，紅棗因?yàn)槟秃翟陉儽钡貐^(qū)被廣泛種植和推廣，作為主要的經(jīng)濟(jì)樹種紅棗產(chǎn)業(yè)為陜北黃土區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用[26，27]。隨著山地棗林種植面積的不斷增加，雖然棗樹抗旱能力極強(qiáng)，但是山地棗林地不同土層依然會出現(xiàn)不同程度的土壤干層現(xiàn)象[28-30]，棗樹隨著林齡的增長對中深層土壤水分的需求增大，從而陜北黃土區(qū)植被出現(xiàn)中深層土壤水分不同程度的虧缺，甚至由于土壤水分的虧缺形成永久性土壤干層[4，5]。由于棗樹林地深層土壤水分的虧缺棗樹的正常生長受到影響；而且深層土壤干化后也不利于植被后續(xù)的演替和更新[30]。出現(xiàn)的土壤干層問題是土壤水分虧缺形成的生長問題。土壤干層形成的原因是土壤水分通過植被物理蒸發(fā)與蒸騰作用形成的黃土高原特有的土壤水文現(xiàn)象[31]，實(shí)質(zhì)就是林地水分不能通過天然降雨得到有效補(bǔ)充，導(dǎo)致土壤深層的水分長期處于較低水平，進(jìn)一步導(dǎo)致植被深層的土壤水分虧缺不斷加重。研究者對陜北黃土區(qū)土壤干層特征和機(jī)理從多種植被不同林齡、不同立地方式、不同土地利用類型下等多個(gè)方面進(jìn)行了研究[4，5，32，33]。眾多學(xué)者通過研究都認(rèn)為陜北黃土區(qū)出現(xiàn)的土壤永久性干層對植被的生長產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[34，35]。王志強(qiáng)[4]、王力[5]等對棗樹林地土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)定點(diǎn)觀測，研究發(fā)現(xiàn)土壤水分通過地表蒸發(fā)損失基本在0～2 m土層深度和當(dāng)年降雨入滲影響深度相一致，這一深度范圍稱為易恢復(fù)層，而降雨入滲很難到達(dá)2 m以下的土層，被稱之為永久性土壤干層，因?yàn)檫@個(gè)深度土層形干層后，林地很難通過降雨恢復(fù)到造林之前的水平。孫波[36]等對棗樹的抗旱性進(jìn)行研究，研究中把棗樹葉片受到水分脅迫后出現(xiàn)萎蔫癥狀且此癥狀不能隨脅迫解除而恢復(fù)時(shí)的土壤水分用永久萎蔫系數(shù)表示，其中萎蔫系數(shù)越高，抗旱性越弱。研究結(jié)果表明棗樹是一種十分抗旱的樹種，在陜北黃土區(qū)棗樹不會出現(xiàn)干旱致死。汪星[13]等研究發(fā)現(xiàn)12 a山地密植棗林土壤干化深度達(dá)5.7 m，從而證明山地棗樹林地土壤水分虧缺這一現(xiàn)象在不斷發(fā)展，所以研究如何提高棗樹林地的水分利用從而減輕棗林土壤干化對天然降雨少同時(shí)缺乏灌溉的陜北黃土區(qū)具有十分重要的意義。劉曉麗[28]、辛小桂[37]、馬建鵬[38]等研究表明隨著山地棗林種植年限的增加，棗樹對下層土壤水分利用加劇，年耗水量增大，耗水深度增加，土壤儲水量下降，下層土壤水分虧缺加大，進(jìn)而導(dǎo)致棗林土壤干層的分布深度增加，土壤干燥化強(qiáng)度也趨于增加。

3 山地棗林土壤水分與根系分布的研究

氣象條件、土壤特性、土地利用類型以及根系分布等因素都直接影響植被土壤水分的垂直變化特征[2，39]，同時(shí)土壤水分含量影響植被在土壤剖面上的根系分布[2，40]。植被根系吸水主要消耗降水入滲達(dá)到最大深度以下的土壤水分，植被吸取土壤水分空間大小由植被根系的空間分布特征決定，對土壤水分的消耗具有直接作用，所以植被根系分布的最大深度可以作為其消耗土壤水分深度的重要參考指標(biāo)[41-42]。劉曉麗[28]等對隨林齡的增長山地棗林深層土壤水分消耗的變化規(guī)律研究進(jìn)行研究，研究中棗樹土壤水分消耗的深度用山地棗林細(xì)根分布的最大深度計(jì)算，結(jié)果表明棗樹根系吸收水分順序是先吸收淺層的土壤水分，之后當(dāng)淺層的水分不能滿足棗樹生長所需的水分即水分供應(yīng)不足時(shí)，根系開始吸收深層土壤水分。棗林在人工水肥管理措施的條件下，根系會形成淺層型的適應(yīng)模式，在密植環(huán)境下，會形成根網(wǎng)型的適應(yīng)模式，棗樹根系數(shù)量表現(xiàn)為隨著土層深度的增加根系數(shù)量呈遞減的變化規(guī)律，與林齡無關(guān)[43]。也有研究表明[44]如果能有效控制植被根系深度，從而棗樹根系在降水入滲的深度范圍內(nèi)能有效得到補(bǔ)充，那么植被在陜北黃土區(qū)就不會形成土壤干層。馬建鵬[38]等研究表明，在棗樹根系層，土壤水分和粉粒含量顯著相關(guān)。盧俊寰[45]等研究表明9 a生棗樹在0～9 m根系生物量累積垂直分布符合Y=1-βd模型，7 m以下再無根系分布。李發(fā)永[46]、MA[47]等研究表明滴灌可以影響棗樹的根系深度分布，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)要達(dá)到減少棗樹根系深層耗水量目的，可以通過滴灌水量使棗樹最大根系深度減半，因?yàn)榈喂嗫梢砸种粕降貤棙涓档纳L，主要是抑制根系向深層土壤生長，從而減少深層土壤水分的消耗。劉曉麗[2]等研究也表明滴灌密植可以顯著影響棗林根系分布特征，通過滴灌能使棗林細(xì)根最大分布深度減短，使整體棗林根系分布較淺，從而進(jìn)一步減少對土壤深層水分的消耗。陜北黃土區(qū)的植被普遍根系較深，植被根系水分利用方式由根系分布特征決定，分布較深的根系為維持季節(jié)性干旱的蒸騰蒸發(fā)等耗水，通過吸收深層土壤水分來維持進(jìn)而深層土壤水分不斷被消耗[48]。相關(guān)研究表明[49,50]涌泉根灌灌溉水分可直接送達(dá)樹木根系，僅對根部進(jìn)行灌溉，有效減小了地表蒸發(fā)使水分得到高效利用，涌泉根灌可以提高棗樹的產(chǎn)量，其中最佳布置方式是山地棗樹涌泉根灌與灌水量水平。汪勇[51]等研究表明在滴灌條件下施用適量保水劑可以為山地棗樹的生長發(fā)育更適宜的水分條件，從而提高土壤水分利用率進(jìn)一步促進(jìn)了棗樹的生長發(fā)育。有相關(guān)研究表明[49]，對山地棗樹生理、生長最有利最適宜的布置方式為每株山地棗樹安裝2個(gè)灌水器。何振嘉[52]等通過研究提出在雨水充足時(shí)，在果實(shí)生長關(guān)鍵期不灌或少量補(bǔ)灌，而雨水缺乏時(shí)，則需在果實(shí)生長關(guān)鍵期進(jìn)行適當(dāng)灌溉。

4 山地棗林土壤水分與節(jié)水型修剪技術(shù)的研究

魏新光[11]等在研究表明，在不影響山地棗樹可繼續(xù)經(jīng)營預(yù)期產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，山地棗樹對樹體蒸騰蒸發(fā)等土壤水分的消耗可以通過修剪措施明顯降低。同時(shí)有研究表明[11]修剪可以顯著降低山地棗樹果實(shí)膨大期和開花坐果期的樹體蒸騰，從而對土壤水分的消耗同時(shí)降低。就陜北黃土區(qū)大部分山地棗林來說，既缺少有效的灌溉條件同時(shí)又缺乏地下水的補(bǔ)給，土壤水分來源只能依靠降雨。所以陜北黃土區(qū)在水資源有限的條件下，要將自然降水利用率達(dá)到最大，除了要減少地面蒸騰蒸發(fā)等，還可以通過節(jié)水型修剪來減少樹體對水分的消耗。節(jié)水型修剪是一種常用的棗林管理技術(shù)[53]，它是結(jié)合當(dāng)?shù)厣餁夂驐l件來確定山地棗樹預(yù)期產(chǎn)量從而進(jìn)行修剪處理，可以將棗林規(guī)格控制在合理范圍之內(nèi)，同時(shí)減少棗林的土壤水分過量消耗，實(shí)現(xiàn)了陜北黃土區(qū)有效水資源的充分利用。節(jié)水型修剪以多年平均降雨為控制上限調(diào)控棗林蒸散量，通過修剪植被可以減少土壤水分的過度消耗，進(jìn)一步增加土壤儲水量[11]。汪有科[54]、趙霞[55]、汪景彥[56]、張文飛[57]等在研究表明在降水不足的陜北黃土區(qū)，采取節(jié)水型修剪這一技術(shù)是提高山地棗樹土壤水分利用率，克服棗樹土壤水分虧缺的有效途徑。何婷婷[58]等研究指出不同林齡和不同坡向是影響山地棗樹葉面積指數(shù)的重要因素，所以在棗樹的修剪和栽培過程中因根據(jù)具體環(huán)境而定。山地棗樹蒸騰蒸發(fā)消耗于不同修剪強(qiáng)度有關(guān)，山地棗樹蒸騰蒸發(fā)等對土壤水分的消耗隨著修剪強(qiáng)度加大而減小，從而提高林下土壤水分。汪星[59]、惠倩[60]等用HYDRUS1D模擬節(jié)水型修剪下的山地棗林土壤水分動態(tài)變化特征，研究結(jié)果表明節(jié)水型修剪技術(shù)能使土壤水分在今后60a保持良好水平，從而證明節(jié)水型修剪技術(shù)可以改善山地棗林的土壤水分。另有研究表明[61]通過合理的管理，在旱區(qū)實(shí)施棗樹零灌溉是有可能的。

5 展望

山地棗樹土壤水分研究對當(dāng)?shù)氐闹脖换謴?fù)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)有重要作用。土壤干層現(xiàn)象是陜北地區(qū)嚴(yán)重的土壤水文生態(tài)問題之一，制約著棗林的健康生長及其可持續(xù)發(fā)展。綜上可知，供給適當(dāng)且充足的水分不僅可增加棗樹產(chǎn)量，同時(shí)也可有效控制棗林地土壤干層現(xiàn)象。在陜北地區(qū)合理修剪和關(guān)鍵期灌溉結(jié)合運(yùn)用是促進(jìn)棗樹增產(chǎn)的有效措施。

為明確干旱地區(qū)土壤水分與棗樹生長的深層關(guān)系，進(jìn)一步提升棗林經(jīng)濟(jì)效益，下一步需從以下兩個(gè)方面展開研究：

(1)當(dāng)前有關(guān)土壤水分短缺對山地棗樹的影響研究主要集中在棗樹受干旱脅迫的某個(gè)時(shí)期一些生理生化特性，對系列土壤水分梯度下棗樹的生理生態(tài)參數(shù)響應(yīng)過程、光合生產(chǎn)力、水分利用效率以及山地棗樹持續(xù)干旱條件下光合高效生產(chǎn)的適宜水分條件及其受旱閾值還需更進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

(2)盡管壟溝覆膜、補(bǔ)充灌溉棗樹根區(qū)等技術(shù)在一定程度上減緩了棗樹干旱缺水的狀況，提高了棗樹水分利用率，但準(zhǔn)確地評估棗樹是否遭遇水分脅迫這仍然是干旱監(jiān)測中還沒有解決的關(guān)鍵問題之一，所以對陜北地區(qū)山地棗樹還需進(jìn)行干旱監(jiān)測。