王芳芳,郭素娟,2,廖逸寧 ,馬雅莉,劉亞斌
(1.北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室,北京 100083;2.板栗產(chǎn)業(yè)國家創(chuàng)新聯(lián)盟,北京 100083)
近年來隨著溫室氣體CO2的大量排放,氣溫不斷升高,降水持續(xù)減少,地表蒸發(fā)量大,干旱化日趨嚴重,土壤表層含水量低[1]。目前干旱半干旱地區(qū)的水資源短缺已成為影響農(nóng)林業(yè)發(fā)展和限制經(jīng)濟作物高產(chǎn)的主要因素[2]。相關(guān)研究表明地表覆蓋是當(dāng)前世界旱農(nóng)地區(qū)慣用的土壤管理方法,在國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也得到廣泛的推廣和應(yīng)用[3]。常用的地表覆蓋措施有地膜覆蓋、秸稈覆蓋和生草覆蓋等[4],不同覆蓋措施能夠有效改善土壤理化性質(zhì),增加土壤中微生物的數(shù)量,促進礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化,改善根際微環(huán)境,提高果實品質(zhì)和產(chǎn)量[5-6],是同步提高旱作果園經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的有效途徑。
在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,自然降水是作物可利用的主要水源,干旱和半干旱地區(qū)大部分自然降水通過地表徑流和無效蒸發(fā)而損失[7-8],相關(guān)研究表明,地膜和秸稈覆蓋可以減少土壤水分的蒸發(fā)和地表徑流,提高降水的下滲[9]。秸稈覆蓋具有明顯調(diào)節(jié)土壤溫度和保墑的效應(yīng)[10], 對緩解旱作區(qū)水資源短缺和糧食增產(chǎn)具有重要意義。同時秸稈覆蓋還可以減小土壤溫度的變化幅度, 覆蓋土壤的升溫速率和降溫速率均顯著低于裸地對照,使越冬前期土壤平均溫度升高[11],而且秸稈富含有機質(zhì),還可以提高土壤有機質(zhì)、速效養(yǎng)分含量[12]。同時地表覆蓋能夠改變農(nóng)田下墊面的性質(zhì)及其能量平衡,改善土壤水分狀況,對提高作物水分利用效率有顯著作用[13]。有研究表明覆膜處理下蘋果幼樹百葉重比清耕高2.9 g[14],提高梨樹的葉面積和葉綠素含量[15],增加山地李果園單株產(chǎn)量、平均果重和坐果率[16]。
板栗(CastaneamollissimaBl.)是我國重要的出口創(chuàng)匯干果樹種,營養(yǎng)豐富,素有“鐵桿莊稼”的美稱,其適應(yīng)性強,遍布世界各地[17]。但目前板栗種植多位于干旱缺水、降水量少的山區(qū),致使板栗生長結(jié)實率低,空蓬率高,品質(zhì)下降,影響了出口貿(mào)易,嚴重制約著栗農(nóng)的收入。為解決上述問題,可以從板栗園地表管理等方面入手。近年來,關(guān)于果園覆蓋技術(shù)已在蘋果[18]、棗[19]、核桃[20]等諸多果樹上報道,并取得了相應(yīng)的成果,但是關(guān)于板栗園地面覆蓋方面的研究較少,故本研究在“板栗之鄉(xiāng)”河北遷西地區(qū)展開,通過不同行間覆蓋模式對板栗園微生態(tài)系統(tǒng)進行調(diào)控,并同時監(jiān)測土壤環(huán)境和樹體生長發(fā)育對不同覆蓋管理措施的響應(yīng),以期探討如何充分利用干旱地區(qū)有限的自然降水資源,為提高板栗產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益提供理論依據(jù)。
試驗地位于河北省遷西縣北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟林(板栗)育種與栽培試驗基地(118°54′E,40°18′N),屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,日照充足,年平均相對濕度59%,年平均無霜期176 d,土壤類型為微酸性、沙壤褐土,土壤有機質(zhì)含量10.33 g·kg-1、堿解氮56.07 mg·kg-1、有效磷20.10 mg·kg-1、速效鉀70.11 mg·kg-1。
試驗基地所在地區(qū)2009—2018年的月平均降水量和月平均溫度見圖1。2009—2018年的平均年降水量為803.33 mm,其中59.31%的降水發(fā)生在6—8月。由2019年板栗生育期月降水量和月平均溫度(圖2)可知2019年板栗生育期(4—10月)降水量(668.70 mm)遠低于前10年(4—10月)的累計平均降水量(745.87 mm),2019年生育期除4月和8月的月平均溫度低于長期平均溫度之外,其余月份均高于長期平均溫度,分別比相應(yīng)月份平均溫度高0.52℃(5月)、0.62℃(6月)、0.38℃(7月)、2.24℃(9月)、0.37℃(10月)。以上數(shù)據(jù)資料均來源于中央氣象臺網(wǎng)站(http://www.nmc.cn/publish/forecast/AHE/qianxi1.html)和JAXA Global Rainfall Watch (GSMaP)(https://sharaku.eorc.jaxa.jp/GSMaP/fiji.htm)。
1.2.1 試驗材料 選取生長一致、無病蟲害的8 a生板栗品種‘燕山早豐’(Castaneamollissima‘Yanshanzaofeng’)作為試驗樹,株行距為4 m×3 m,種植密度840株·hm-2,平均樹高2.7 m,冠幅為2.3 m×2.3 m。
試驗用膜為黑色生物可降解薄膜,寬度80 cm,厚度0.012 mm;試驗覆草屬于雜草,是2018年板栗園人工鋤草所收集,經(jīng)堆積風(fēng)干后,基本處于半腐熟狀態(tài),其化學(xué)性質(zhì)為有機質(zhì)50.03%、全氮2.14%、全磷0.25%、全鉀2.09%?;蕿椤笆┛韶S”板栗專用復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O =2∶1∶1,山東臨沂施可豐化工股份有限公司), 可緩釋5個月。
1.2.2 試驗設(shè)計 試驗共設(shè)4個處理:(Ⅰ)清耕,對照CK;(Ⅱ)覆膜;(Ⅲ)覆草,覆蓋厚度約10 cm;(Ⅳ)覆草+覆膜,先覆蓋雜草,厚度約10 cm,然后在草上覆膜。每個小區(qū)10株板栗樹,每個處理設(shè)3個重復(fù),共計12個小區(qū),120株板栗樹。各小區(qū)隨機排列,且覆蓋處理間設(shè)置保護行。于2019年3月15日在清耕后開始實施,距離樹干20 cm處覆蓋,施肥與行間覆蓋同時進行,采用環(huán)狀溝施方式, 沿每棵樹樹冠投影下方開溝, 溝寬30 cm、深30 cm, 將施可豐復(fù)合肥與土壤混拌,均勻平鋪至溝內(nèi)然后填土,施肥量按照當(dāng)?shù)乩蹀r(nóng)常規(guī)板栗專用復(fù)合肥用量(252 kg·hm-2),全部以基肥施入。覆蓋后用土將周邊壓緊,防止自然或人為因素的破壞,各覆蓋處理行間均留有50 cm寬的裸地以接受自然降水。在2019年11月1日更換地膜,重新鋪設(shè),并適量增加雜草以保證10 cm的厚度。于下年春季將腐爛的雜草結(jié)合基肥進行深翻埋壓,并繼續(xù)進行覆蓋。其他田間管理措施統(tǒng)一按常規(guī)方法進行。
1.3.1 土樣的采集與測定 土壤物理性質(zhì)測定:于2019年6月30日(外界氣溫19℃~32℃)和10月30日(外界氣溫6℃~20℃)測定土壤溫度日變化。在水平方向距樹干60 cm處,采用超長探針式溫度計測定行間地表溫度、0~20 cm和20~40 cm深處的土壤溫度,早上8∶00開始,每隔2 h測定一次,晚上20∶00結(jié)束。土壤含水量于板栗生育期間(4—10月)每月30號采用烘干法測定,遇雨天后延;各處理小區(qū)按S形采樣,用環(huán)刀法測定土壤容重和土壤孔隙度。
土壤貯水量公式[21]為:
W=10×θ×ρ×H
(1)
ΔW=W末期-W初期
(2)
式中,W為土壤貯水量(mm);θ為土壤含水量(%);ρ為土壤容重(g·cm-3);H為土層深度(cm),ΔW為板栗生育期末與生育期初土壤貯水量的差值(mm)。
土壤水分利用效率(SWUE,kg·hm-2·mm-1)公式[21]為:
ET=P+ΔW
(3)
SWUE=Y/ET
(4)
式中,P為生育期內(nèi)有效降雨量(mm),Y為板栗產(chǎn)量(kg·hm-2);ET為板栗樹生育期內(nèi)的耗水量(mm)。
土壤養(yǎng)分測定:2019年10月,各處理小區(qū)按S形采樣法采取0~20 cm土壤樣品,風(fēng)干后研磨過篩,測定土壤速效養(yǎng)分和有機質(zhì)含量。有機質(zhì)采用硫酸重鉻酸鉀法測定,堿解氮采用堿解擴散法測定,有效磷采用鉬銻抗比色法測定,速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度法測定[22]。
1.3.2 葉片采集與測定 光合指標(biāo)測定:于2019年7月中旬(葉片成熟期)的晴天上午9∶00—11∶00進行,采用美國Li-cor公司生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合儀進行測量,連續(xù)測定3 d。各處理選擇樹冠外圍東、南、西、北4個方向、位于結(jié)果枝中部且大小基本一致的3個葉片,每個葉片重復(fù)測定3次,測定指標(biāo)包括凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和葉片水分利用效率(WUE)[23],采用便攜式SPAD-502Plus型手持葉綠素儀測定葉綠素相對含量,測定時間、葉片選取方法同光合指標(biāo)測定一致。
比葉質(zhì)量測定:取樣方法與光合指標(biāo)測定選取葉片的方法相同,每個處理共取100片,擦干葉片上的灰塵,逐個稱量鮮重,并用YM-1242葉面積儀測定葉面積,然后于105℃殺青30 min,80℃下烘至恒重,逐個稱量葉片干質(zhì)量,計算葉片含水量,并計算葉片干質(zhì)量與葉面積的比值,即比葉質(zhì)量[24]。
1.3.3 果實樣品采集與測定 果實產(chǎn)量和品質(zhì)測定:于2019年板栗開花期和結(jié)果期統(tǒng)計樹上所有雌花數(shù)和刺苞數(shù)量,成熟期統(tǒng)計空苞數(shù)量,計算坐果率和空苞率。2019年9月果實成熟期,每個處理按東、南、西、北4個方向,每個方向25個刺苞,隨機采集共100個刺苞,然后用電子天平分別稱量每個刺苞重和刺苞中所有堅果重,計算出實率和產(chǎn)量。最后每個處理隨機稱量100個堅果的單粒重,統(tǒng)計分析不同覆蓋處理下的單粒重差異。隨機選取20個無病蟲害的單果,用烘箱105℃殺青30 min,再80℃烘干至恒重,計算果實含水量,粉碎過篩后,進行果實品質(zhì)的測定。蛋白質(zhì)用全自動間斷化學(xué)分析儀測定,可溶性糖采用蒽酮比色法[25],淀粉采用紫外分光光度法測定[26]。
凈收益計算:為了分析不同行間覆蓋模式對板栗經(jīng)濟效益的影響,采用凈收益(NEP)法進行計算[27],計算公式如下:
R=Y×P
(5)
NEP=R-TC
(6)
式中,R為單位面積總收入(元·hm-2);Y為單位面積板栗產(chǎn)量(kg·hm-2);P為試驗品種(燕山早豐3113)2019年在當(dāng)?shù)氐淖畹褪召弮r格(12元·kg-1),NEP為單位面積凈收益(元·hm-2),TC為單位面積總費用(元·hm-2),包括人工除草、購買地膜、和人工覆膜等。
試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2019和Origin 2018進行數(shù)據(jù)處理和作圖分析,采用SPSS 25.0軟件進行Duncan’s差異顯著性分析(p<0.05)。
2.1.1 不同行間覆蓋方式對板栗園土壤溫度日變化的影響 適宜的土壤溫度是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化以及果樹根系生長發(fā)育的重要條件[4],不同時期各土層溫度測定結(jié)果表明土壤的層次不同,受不同行間覆蓋方式處理的影響效果也不同。
從圖3(A)可以看出,夏季6月底覆草處理的地表溫度最低,其次為覆草+覆膜處理,覆膜處理的溫度最高,在14∶00時可達34.65℃。雜草覆蓋會顯著減小地表溫度日變化范圍,不同覆蓋模式的地表溫度波動范圍為Ⅱ(9.60℃)>Ⅰ(7.95℃)>Ⅳ(6.63℃)>Ⅲ(5.58℃)。各處理在下午14∶00地表溫度達到最高值,之后開始下降,覆膜處理的下降趨勢最明顯,而其他處理下降較為緩慢。由圖3(B)可知,0~20 cm土層的溫度變化趨勢與地表溫度一致,但是幅度小于地表溫度,而且各處理溫度達到最高值的時間明顯滯后約2 h。由圖3(C)可知,20~40 cm的土壤溫度變化幅度比0~20 cm土層的變化幅度更小,整體波動范圍在0.5℃左右,覆膜處理的溫度最高,其次為對照,覆草和覆草+覆膜處理的溫度較低。
在秋季10月底,由圖3(D)可知,覆草+覆膜處理的地表溫度始終高于覆草處理,覆蓋處理的溫度在10∶00前和17∶00之后高于清耕,14∶00時覆膜處理的地表溫度高于其他3個處理,之后下降趨勢明顯。圖3(E)可知覆草+覆膜處理的地溫最高,其次為覆草,所有處理在16∶00出現(xiàn)峰值,溫度由大到小排列為Ⅳ(9.58℃)>Ⅲ(9.43℃)>Ⅱ(9.35℃)>Ⅰ(9.08℃)。對照處理的變化幅度最大,尤其在16∶00以后,土溫下降趨勢最明顯,而覆蓋處理的波動范圍較小。由圖3(F)可知,20~40 cm的土壤溫度大小排序為:覆草+覆膜>覆草>覆膜>對照,所以覆草+覆膜處理的保溫效果最好,相同時間下比其他覆蓋處理高0.5~1.5℃左右。
2.1.2 不同行間覆蓋方式對板栗園土壤含水量的影響 從圖4可以看出,各覆蓋處理在0~20 cm和20~40 cm土壤水分含量均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,與板栗生育期自然降水分布密切相關(guān)。各處理間不同時期2個土層土壤含水量的順序均為:覆草+覆膜>覆草>覆膜>對照。在板栗整個生育期內(nèi),覆膜、覆草、覆草+覆膜處理的平均土壤含水量顯著高于對照,且分別比對照高1.78%、3.34%和5.11%。7月后土壤含水量均呈下降趨勢,其中0~20 cm土層下降趨勢比較明顯,但是覆草和覆草+覆膜處理的土壤含水量依然較高。在20~40 cm土層對照的土壤含水量始終低于其他覆蓋處理,8—10月地表覆蓋處理土壤含水量下降緩慢,對照下降速率最快。
2.1.3 不同行間覆蓋方式對板栗園土壤理化性質(zhì)的影響 不同行間覆蓋方式處理下的板栗園土壤容重、總孔隙度和生育期土壤貯水量差值以及土壤水分利用效率發(fā)生了明顯的變化(表1)。不同覆蓋處理均可降低2個土層的土壤容重,增加土壤總孔隙度,其中對0~20 cm土層影響最顯著,覆膜、覆草、覆草+覆膜處理的0~20 cm土層土壤容重比對照分別減少2.27%、5.30%、8.33%,土壤孔隙度分別比對照高2.48%、5.59%、8.38%,從變化幅度分析,土壤容重和孔隙度都是以覆草+覆膜處理變化最為明顯,其次為覆草處理。在生育期內(nèi)(4—10月),各層土壤貯水量差值ΔW均為正值,說明2層土壤的貯水量在生育期末較生育期初均表現(xiàn)為增加,板栗園土壤在生育期內(nèi)總體處于增墑期,0~40 cm土層對照處理共增墑31.31 mm,覆膜、覆草、覆草+覆膜處理分別增墑36.81、38.66、39.56 mm,均高于對照。土壤水分利用效率同土壤含水量表現(xiàn)趨勢一致均為:覆草+覆膜>覆草>覆膜>對照,覆草+覆膜處理最大可達2.25 kg·hm-2·mm-1,其次為覆草處理,二者分別比對照高16.58%和11.40%。
表1 不同行間覆蓋方式對板栗園土壤物理性質(zhì)的影響
由表2可知,不同行間覆蓋方式處理對板栗園土壤化學(xué)性質(zhì)和pH值影響顯著(p<0.05)。不同覆蓋措施能有效增加土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量,降低土壤pH值,其中覆草+覆膜處理的pH值最低為6.60,比對照小0.22。不同覆蓋處理均可以顯著提高板栗園土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量,其中覆草和覆草+覆膜處理效果較好。不同覆蓋處理下的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀含量均表現(xiàn)為對照<覆膜<覆草<覆草+覆膜,其中覆草+覆膜處理有機質(zhì)含量分別比對照、覆膜、覆草處理高19.35%、9.12%、4.87%。
表2 不同行間覆蓋方式對板栗園土壤化學(xué)性質(zhì)的影響
2.2.1 不同行間覆蓋方式對板栗葉片生長和葉片含水量的影響 由表3可以看出,百葉干質(zhì)量、葉面積、比葉質(zhì)量均呈現(xiàn)覆草+覆膜>覆草>覆膜>對照的趨勢,覆草+覆膜處理的百葉干質(zhì)量、葉面積和比葉質(zhì)量顯著高于對照,分別比對照增加了9.61%、2.39%、7.05%。覆膜和覆草處理的百葉干質(zhì)量、葉面積和比葉質(zhì)量雖然高于對照,但是差異并不顯著。覆草+覆膜處理的葉片含水量最大,分別比對照、覆膜、覆草處理高10.44%、2.50%、5.86%。
表3 不同行間覆蓋方式對板栗葉片生長和葉片含水量的影響
2.2.2 不同行間覆蓋方式對板栗葉片光合特性和葉綠素相對含量的影響 由圖5(A)可知:不同覆蓋條件下板栗的凈光合速率(Pn)不同,對照處理板栗葉片的Pn最低,為13.59 μmol·m-2·s-1,覆草處理的Pn為15.39 μmol·m-2·s-1,覆膜處理與對照差異不顯著,但是不同的覆蓋處理均可有效提高葉片Pn,其中以覆草+覆膜處理的效果最佳,可達15.83 μmol·m-2·s-1。由圖5(B)可以看出覆草+覆膜處理的胞間CO2濃度(Ci)最低,對照的Ci值最高,Ci值基本上呈現(xiàn)隨Pn的增加而下降的趨勢。本研究中氣孔導(dǎo)度(Gs)變化趨勢為覆草+覆膜處理>覆草處理>覆膜處理>對照。由圖5(D)可知,地表覆蓋處理的蒸騰速率(Tr)差異不是很明顯,其中對照的蒸騰速率最大,為6.61 mmol·m-2·s-1。由圖5(E)可知,不同覆蓋處理顯著影響板栗葉片的水分利用效率(WUE),其中覆草+覆膜處理的水分利用效率最大,可達3.01 μmol·mmol-1,WUE的變化趨勢與Tr和Ci恰好相反。由圖5(F)可知不同的覆蓋措施下葉綠素相對含量(SPAD)變化趨勢為:覆草+覆膜>覆草>覆膜>對照,雜草覆蓋處理與對照差異顯著,覆膜、覆草、草加膜處理的SPAD值分別比對照高3.78%、4.62%、6.95%。
由表4可知,不同覆蓋處理間板栗的單粒重、出實率和坐果率等差異顯著(p<0.05)。不同覆蓋處理對板栗單粒重和坐果率的影響效果均為覆草+覆膜處理>覆草處理>覆膜處理>對照。板栗單粒重以覆草和覆草+覆膜處理較高,可達8.5 g左右,覆膜和對照處理差異不顯著。地表覆蓋處理的出實率在36.05%~38.23%范圍內(nèi),顯著高于對照處理,其中覆草+覆膜處理的出實率和坐果率最大,分別為38.23%和79.48%。而空苞率的變化趨勢與坐果率剛好相反,對照空苞率最高,是其他處理的1.79~2.50倍。
表4 不同行間覆蓋方式對板栗結(jié)果情況的影響
由表5可知,板栗種仁含水量對其貯藏性能影響很大,不宜過高,本研究中以對照處理最高,可達47.06%,其次為覆膜處理,覆草和覆草+覆膜處理均較低,分別為44.92%和44.88%。淀粉是板栗的主要貯藏物質(zhì),同時也是影響其食用品質(zhì)的主要因素[28],其含量以覆草和覆草+覆膜處理較高,分別比對照高1.33%和1.48%,而且均顯著高于覆膜處理??扇苄蕴呛康母叩椭苯佑绊懙桨謇醯目诟泻惋L(fēng)味,本試驗中可溶性糖含量與淀粉含量相似,也以覆草和覆草+覆膜處理較高,其次為覆膜處理,對照最低,其中覆草+覆膜處理的可溶性糖含量最高,可達17.06%。不同覆蓋處理下板栗蛋白質(zhì)含量存在顯著性差異,其變化規(guī)律與淀粉和可溶性糖含量一致,也以覆草+覆膜處理最高,分別比覆草、覆膜、對照高0.05%、1.00%、1.40%。
表5 不同行間覆蓋方式對板栗果實品質(zhì)的影響
不同行間覆蓋方式對板栗的產(chǎn)量有顯著影響(p<0.05)。相比于對照,各覆蓋處理模式下的板栗產(chǎn)量都有不同程度的提高,其中覆草和覆草+覆膜處理的板栗產(chǎn)量較高,分別比對照高10.07%和15.00%。有研究表明,板栗膨大期(8月份)是需水關(guān)鍵期[29-30],由此做出板栗產(chǎn)量和膨大期土壤含水量的關(guān)系(圖6),結(jié)果表明,當(dāng)土壤含水量在21.00%~25.00%范圍內(nèi),土壤含水量與產(chǎn)量之間存在線性關(guān)系,其中20~40 cm的土層含水量對產(chǎn)量的影響更為顯著(R2=0.9581)。
由表6可知,覆草和覆草+覆膜處理的產(chǎn)量較高,分別為1 354.40 kg·hm-2和1 415.00 kg·hm-2,總收入也較大,每公頃分別比對照增收1 488.00元和2 215.20元,但是從投入地膜、人工費用等經(jīng)濟效益方面綜合考慮,覆草處理的凈收益最高,可達13 052.80元·hm-2,其產(chǎn)投比為5.08,其次為覆草+覆膜處理,凈收益12 780.00元·hm-2,產(chǎn)投比為4.04,覆膜處理的凈收益最低。由此可見在干旱地區(qū)板栗園覆膜投入費用較高,而雜草無需購買,從經(jīng)濟學(xué)角度分析,地表覆草顯著優(yōu)于其他3個處理。
表6 不同行間覆蓋方式下板栗經(jīng)濟效益比較
土壤溫度是影響果樹根系生長、微生物活性、土壤養(yǎng)分有效性的最重要因素之一[31]。本研究中覆膜處理的地表溫度日變化幅度遠高于對照,最高可達到34.65℃,覆草和覆草+覆膜處理的土壤地表溫度日變化較平緩,可能是因為覆草處理在上午影響了土壤吸收熱量,下午又減緩了熱量散失。有研究表明覆膜可能會使夏季地溫超過果樹根系生長上限溫度,不利于果樹的生長[4],但是目前關(guān)于板栗根系的生長上限溫度尚未見報道,所以還有待進一步研究。地表覆草具有平緩下層土壤溫度劇烈變化的作用,維持土壤溫度的相對穩(wěn)定[32],本試驗結(jié)果表明0~20 cm土層在行間覆草處理下溫度日變化幅度介于1.62℃~1.78℃,而覆膜處理和對照為2.01℃~3.65℃,表明行間覆草可有效避免溫度過高或過低對板栗根系的傷害。隨著土層深度的加深,溫度日變化達到峰值的時間明顯滯后約2 h,造成時間推遲的原因與不同覆蓋材料的導(dǎo)溫率有關(guān),氣體的導(dǎo)溫率大,水和土壤固相物質(zhì)的導(dǎo)溫率小,因而地表溫度的變化與外界氣溫變化比較接近,土層越深,變化幅度也越小,在20~40 cm土層溫度變化幅度僅為0.5℃左右,這與田壽樂等[33]的研究結(jié)果一致。
覆蓋處理改變了自然降水入滲的過程,增加地表水下滲,提高土壤含水量[34]。本研究中0~20 cm土層覆草+覆膜處理的土壤含水量最高為27.13%,比相同時期對照、覆膜、覆草處理分別高8.29%、7.05%、1.92%,這可能是因為覆草+覆膜的雙重覆蓋比只有一種覆蓋物和裸露土壤在控制土壤表面蒸發(fā)、蓄水保濕方面效率更高。劉春生等[35]對板栗園樹盤土壤雙重覆蓋的效應(yīng)研究中表明,草具有較強的吸水保水作用,飽和吸水率大約為自身質(zhì)量的200%~400%,這種強吸水性增加了地表水分的滯留時間,能有效蓄集降水下滲到作物根區(qū),提高降水資源的利用率,減緩了地表徑流損失,也加大了土壤的貯水量和土壤水分利用效率,與本研究結(jié)果土壤貯水量和水分利用效率呈現(xiàn)覆草+覆膜處理>覆草處理>覆膜處理>對照趨勢基本一致,其中覆草+覆膜處理的土壤水分利用效率最大可達2.25 kg·hm-2·mm-1,比對照高16.58%,這種行間覆蓋方式對于干旱期間樹體生長發(fā)育具有重要意義。本研究中覆膜處理的土壤含水量雖然高于清耕,但是卻低于雜草覆蓋,可能是由于覆膜導(dǎo)致的土壤溫度升高會加速部分土壤水分的蒸騰。
土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性狀的主要指標(biāo),其不僅影響土壤水、肥、氣、熱狀況,而且也影響礦質(zhì)養(yǎng)分供應(yīng)及果樹根系生長,進而影響果樹生長發(fā)育[36]。本研究中不同行間覆蓋處理均可降低土壤容重、增加土壤總孔隙度,均以0~20cm土層覆草+覆膜處理變化最為明顯,其容重比對照低8.33%、孔隙度比對照高8.38%,與劉春生[35]、李洪兵[37]等的研究一致。呈現(xiàn)這種變化趨勢的原因可能為:一是覆蓋減少了人為踐踏,二是有機物料的加入增加了有機質(zhì)含量,促進微生物活動,有利于根系呼吸代謝和樹體生長。有研究表明有機質(zhì)分解時會釋放金屬元素錳,同時產(chǎn)生有機酸,降低土壤局部酸堿度[38],與本研究覆草+覆膜處理pH最低6.60,其次為覆草處理6.68,均低于對照處理6.82的結(jié)果相一致。本試驗結(jié)果表明覆草和覆草+覆膜處理明顯增加了土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量,可能因為雜草通過腐化分解補充部分營養(yǎng)物質(zhì)給土壤,增加土壤有機質(zhì)含量,同時土壤有機質(zhì)分解產(chǎn)生的酸性物質(zhì)可以削弱土壤對磷、鉀的固定作用,從而提高土壤有效磷和速效鉀含量,與楊黽等[39]研究結(jié)果相同。
光合作用和蒸騰作用是植物2個重要的生理過程,植物處在一定生態(tài)條件下,外界環(huán)境因子如光合有效輻射、氣溫、葉溫及大氣相對濕度等,它們不斷變化且相互影響[40]。本研究結(jié)果表明,雜草覆蓋能顯著增加葉片質(zhì)量,促進葉片的伸展,增加葉片的光合面積,降低地表溫度,增加土壤水分含量,進而改變了冠層溫濕度,促進葉片的凈光合速率,其中覆草和覆草+覆膜處理凈光合速率分別比對照高13.25%和16.48%。孫文泰等[41]的研究表明覆草阻擋太陽光直接照射地面,具有降溫的作用,可達到光合酶最適宜溫度,增強酶促反應(yīng),同時可以增加果樹的光合原料,有利于凈光合速率的增強,本研究結(jié)果與其一致。不同行間覆蓋處理顯著影響板栗葉片的水分利用效率,其中覆草+覆膜處理的葉片水分利用效率達到最大為3.01 μmol·mmol-1,說明覆草+覆膜相比其他覆蓋方式更能有效抑制土壤水分的蒸發(fā),增加葉片水分利用效率。葉綠素具有吸收和傳遞光能的作用,是反映光合能力和生長發(fā)育是否正常的指標(biāo)之一,本研究中不同的覆蓋措施下葉綠素含量變化趨勢為:覆草+覆膜>覆草>覆膜>對照處理,由于氮元素是葉綠素的重要組成部分,高氮素有利于葉綠素的合成,可間接表明雜草覆蓋能夠供給土壤和樹體生長所需的有效氮素。
本試驗研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)土壤含水量在21.00%~25.00%范圍內(nèi),板栗的產(chǎn)量與膨大期的含水量呈顯著的線性關(guān)系,其中20~40 cm的土層含水量對產(chǎn)量的影響最大,這與宋影等[42]研究結(jié)果一致??赡苁且驗?0~40 cm土層是板栗根系富集區(qū),也是吸收土壤水分和養(yǎng)分的主要區(qū)域[43]。膨大期土壤降水量的變化,對板栗的產(chǎn)量形成、品質(zhì)的提高有著明顯的制約作用,這是因為秋季為板栗的灌漿期,枝葉茂盛、水分需求量大,當(dāng)水分充足時,有利于加快板栗果實的生長速度、降低空苞率,進而增加產(chǎn)量,不同行間覆蓋方式的增產(chǎn)范圍可達4.45%~15.00%,這與吳有華等[30]研究結(jié)果一致。但是當(dāng)土壤含水量超出21.00%~25.00%這個范圍時,是否仍然滿足這個線性關(guān)系還需進一步研究。
本研究表明:(1)在板栗整個生育期,行間覆蓋可以減小0~40 cm土層溫度日變化幅度,增加土壤貯水量,顯著降低0~20 cm土層的土壤容重,增加土壤孔隙度,有效增加土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量,且均以覆草+覆膜處理效果最好。(2)雜草覆蓋能增加百葉干質(zhì)量和葉面積,提高葉片凈光合速率和水分利用效率。(3)行間覆蓋下板栗產(chǎn)量與膨大期20~40 cm土層的土壤含水量之間存在顯著的線性關(guān)系,當(dāng)土壤含水量在21.00%~25.00%范圍內(nèi),板栗單株產(chǎn)量隨著土壤含水量的增加而增加。(4)不同覆蓋模式能促進板栗增產(chǎn),獲得較高收益,尤以覆草+覆膜處理效果最佳,但綜合從各覆蓋處理的凈收益和產(chǎn)投比等經(jīng)濟效益分析,覆草優(yōu)于其他3個處理。
綜上所述,對于干旱地區(qū)無灌溉條件的板栗園,建議當(dāng)?shù)乩蹀r(nóng)收集板栗園雜草以及農(nóng)業(yè)廢棄物資源,經(jīng)過堆積腐熟后,將其均勻鋪撒在板栗園行間,厚度約10 cm,并定期適量增加,可以高效利用有限的降水資源,調(diào)節(jié)板栗根系生長的微環(huán)境,達到增產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目的,這對于干旱半干旱地區(qū)的板栗栽培是一種蓄水保墑、高產(chǎn)節(jié)能、易實施的地表管理措施,同時還能提升當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)效益和經(jīng)濟效益。