行間生草種類對(duì)蘋果園春季土壤蒸發(fā)、空氣濕度和土壤貯水的影響

秦文利

（河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北省肥料技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050051）

果園生草是一種先進(jìn)的果園土壤管理制度，能夠抑制土壤蒸發(fā)、增加空氣濕度、改善微域小氣候，對(duì)防治我國北方果樹因春季降水稀少、升溫快、空氣干燥引起的落花落果及裂紋病有重要作用［1-5］，但牧草生長會(huì)與果樹競爭土壤水分［6-8］，加劇果園用水矛盾。華北平原是我國蘋果（Malus pumila）的主產(chǎn)區(qū)，水資源短缺嚴(yán)重制約著該區(qū)蘋果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，探明蘋果園生草中土壤蒸發(fā)、空氣濕度、土壤水分等變化特征及相互關(guān)系與影響因素對(duì)高效利用果園土壤水分、穩(wěn)定蘋果產(chǎn)量與質(zhì)量、推廣果園生草具有重要意義。

土壤蒸發(fā)與生產(chǎn)過程無關(guān)，屬無效耗水，降低土壤蒸發(fā)是提高農(nóng)田水分利用效率的一個(gè)重要途徑［9-10］。地表覆蓋物物理阻隔了土壤-大氣之間的能量傳輸和水分轉(zhuǎn)換，可增加土壤水分蒸發(fā)阻力［11-13］。研究表明，土壤蒸發(fā)阻力與秸稈覆蓋量、植被葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）呈正相關(guān)關(guān)系［14-16］，與土壤含水量、地溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［17-19］。果園生草后牧草阻隔太陽直射地表，生草區(qū)光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR）透射率下降不利于地溫上升、耗水增加降低土壤含水量，二者皆抑制了土壤蒸發(fā)［4，20］。但生草種類不同PAR透射率、LAI、土壤含水量及地溫的變化不同，進(jìn)而土壤蒸發(fā)的變化特征不同，目前關(guān)于這方面的研究甚少。

牧草群體蒸散的水分還可調(diào)控果園空氣濕度［4］。牧草種類及其生育進(jìn)程對(duì)不同季節(jié)果園空氣濕度影響不同。李春波［21］的研究表明，果園生草能提高6至9月葡萄（Vitis vinifera）園空氣濕度。高方勝等［22］的研究發(fā)現(xiàn)，與白三葉（Trifolium repens）相比，魯西北蘋果園種植黑麥草（Lolium perenne）能提高5月10日左右的蘋果樹冠層空氣相對(duì)濕度，這與其返青早、生長快相關(guān)。目前，果園生草對(duì)果樹冠層空氣濕度影響的研究多集中于多年生牧草，而隨著果園觀光旅游業(yè)、飼草業(yè)的發(fā)展及果品生產(chǎn)化肥零增長的需求，景觀作物二月蘭（Orychophragmus violaceus）、優(yōu)質(zhì)牧草小黑麥（×TriticosecaleWittmack）和綠肥作物毛葉苕子（Vicia villosa）等越年生牧草越來越受到果樹種植戶的喜愛，但關(guān)于越年生牧草對(duì)果樹冠層空氣濕度影響的研究較少。牧草群體蒸散的水分來自于根系對(duì)土壤水分的吸收，而關(guān)于果園生草對(duì)土壤水分影響的各個(gè)研究結(jié)論截然不同，這可能與生草種類、年限及季節(jié)不同有關(guān)?；葜衩返龋?］的研究認(rèn)為，行間生草降低了葡萄園土壤含水量，不同種類牧草對(duì)不同季節(jié)土壤含水量的降幅影響不同。籍增順等［23］的研究表明，旱地蘋果園生草4年后能提高0～60 cm土層土壤含水量。李同川等［24］的研究發(fā)現(xiàn)，果園生草對(duì)土壤含水量的影響與牧草生長進(jìn)程有關(guān)。牧草萌動(dòng)以前，因覆蓋地表抑制蒸發(fā)可提高土壤含水量；萌動(dòng)之后，隨生長進(jìn)程加快土壤水分消耗增加，降低了土壤含水量。種植小冠花（Coronilla varia）、百脈根（Lotus corniculatus）、雞腳草（Dactylis glomerata）等會(huì)造成4月初至5月初蘋果樹行間土壤水分虧缺。果園生草雖能改善北方春季果樹冠層空氣濕度，但生草種類不同對(duì)果樹冠層空氣濕度和土壤水分消耗的影響不同，目前關(guān)于果園生草后果樹冠層空氣濕度變化與土壤水分消耗的關(guān)系及不同種類牧草對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制能否彌補(bǔ)對(duì)土壤水分消耗的研究還鮮有報(bào)道。

本研究在蘋果樹行間種植越年生牧草（小黑麥、二月蘭、毛葉苕子）和多年生牧草［鴨茅（Dactylis glomerata）、白三葉］，探討行間生草種類對(duì)華北平原蘋果園4-5月土壤蒸發(fā)、空氣相對(duì)濕度、土壤水分等環(huán)境因子的影響特征，旨在揭示果園生草后土壤蒸發(fā)、空氣相對(duì)濕度、土壤水分的變化規(guī)律及其相互關(guān)系，為華北蘋果主產(chǎn)區(qū)采取合理的果園生草模式、實(shí)現(xiàn)水分高效利用、促進(jìn)蘋果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)園區(qū)概況

試驗(yàn)于2019-2021年在河北省農(nóng)林科學(xué)院武羅綜合示范園區(qū)蘋果園（北緯37°49′8.94″-37°49′57.62″，東經(jīng)115°56′7.36″-115°56′37.97″，海拔19.0 m）進(jìn)行。該區(qū)屬于冀中南平原，暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.6℃，年平均降水量518.0 mm，年平均日照時(shí)間2575.6 h，無霜期195 d左右。土壤為壤質(zhì)潮土，生草前0～60 cm土層土壤pH值為7.85，有機(jī)質(zhì)含量為9.07 g·kg-1，全氮含量為0.55 g·kg-1，全磷含量為0.80 g·kg-1，堿解氮含量為32.14 mg·kg-1，有效磷含量為5.17 mg·kg-1，速效鉀含量為111.83 mg·kg-1。0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm的土層土壤容重分別為：1.40、1.38、1.30、1.32、1.37 g·cm-3。蘋果樹品種為天紅2號(hào)，樹齡4年生，株行距2 m×4 m，2021年覆蓋度為45%。果樹采用小管出流滴灌技術(shù)進(jìn)行水肥一體化管理，每年在果樹萌芽期（3月中下旬）、落花期（4月下旬）、果實(shí)膨大期（6月下旬）3個(gè)果樹關(guān)鍵生育期每隔10 d灌水1次，2019、2020、2021年總灌水量分別為1200、1200、1350 m3·hm-2，每年隨灌水施用金正大大量元素水溶肥［總氮（N）、五氧化二磷（P2O5）、氧化鉀（K2O）含量均為20%，肥料中含有微量元素］750 kg·hm-2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2019年9月中旬，共設(shè)6個(gè)處理，分別為二月蘭（Ory.）、小黑麥（Trit.）、毛葉苕子（Vic.）、白三葉（Trif.）、鴨茅（Dac.）5個(gè)生草區(qū)和1個(gè)清耕對(duì)照區(qū)（CK），其中二月蘭、小黑麥、毛葉苕子為越年生牧草，白三葉、鴨茅為多年生牧草。二月蘭、小黑麥、毛葉苕子均采用機(jī)械播種，播種量分別為22.5、120.0、90.0 kg·hm-2，播深分別為1.5、3.0、4.0 cm，行距分別為30、20、30 cm，播種后于翌年5月初機(jī)械切碎地上部分覆蓋還田。2020年二月蘭、毛葉苕子、小黑麥播種時(shí)間分別為9月18日、10月8日、10月12日，還田時(shí)間均為2021年5月6日；白三葉、鴨茅均采用人工播種，播種量分別為30.0、45.0 kg·hm-2，播深均為1.5 cm，行距均為20.0 cm，于2019年9月15-16日播種。2019年播種前，所有試驗(yàn)地塊隨整地施入有機(jī)肥105×103kg·hm-2、復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）150 kg·hm-2做基肥并灌溉造墑，灌水量為800 m3·hm-2，播種完后牧草不再追肥和灌溉。2020年秋季播種越年生牧草時(shí)不再施基肥，但整地時(shí)灌溉造墑，灌水量為800 m3·hm-2，同時(shí)白三葉、鴨茅多年生牧草和清耕對(duì)照處理灌溉等量的水。生草帶寬為2.2 m，樹行每側(cè)保留0.9 m清耕保護(hù)帶。每個(gè)處理地塊面積為150 m×160 m=24000 m2，每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)布設(shè)。果樹田間管理一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤溫度 在2021年4月15日13：30-14：30時(shí)段內(nèi)采用精確度為0.1℃的直角地溫計(jì)測(cè)定蘋果樹行間中線上5、10、15、20、25 cm不同深度土層土壤溫度。每處理生草區(qū)隨機(jī)選取4個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)每個(gè)土層測(cè)定2次重復(fù)，取平均值計(jì)算。

1.3.2 牧 草 群 體LAI及PAR透射率 在2021年4月15日11：00-14：00時(shí)段內(nèi)采 用SunScan冠 層分析系統(tǒng)（英國）測(cè)定不同處理生草區(qū)牧草群體LAI和冠層PAR傳輸特性。測(cè)定時(shí)，保持漫射系數(shù)傳感器（beam fraction sensor，BFS）水平且高度超過牧草冠層（避開果樹遮蔭），將SunScan探測(cè)桿置于冠層底部并離地面5 cm，垂直向上測(cè)量透射到底部的PAR（transmission of photosynthetically active radiation，PART），BFS將同步測(cè)量冠層頂部入射的PAR（incidence of photosynthetically active radiation，PARI），SunScan直接測(cè)出LAI。每處理生草區(qū)隨機(jī)選取4個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)定2次重復(fù)，取平均值計(jì)算。PAR透射率（Tr）=PART/PARI。因測(cè)定時(shí)白三葉未完全返青、植株低矮，故未測(cè)定該生草區(qū)處理。

1.3.3 土壤蒸發(fā) 2021年4-5月用自制小型蒸發(fā)器Micro-lysimeter（由PVC管制成，內(nèi)徑8.5 cm，壁厚5.0 mm，高度15.0 cm）測(cè)定蘋果樹行間中線上土壤水分日蒸發(fā)量。測(cè)定時(shí)，將其垂直壓入距牧草10.0 cm的行間土壤內(nèi)取原狀土（為防止土壤掉入蒸發(fā)器內(nèi)，壓入時(shí)保持0.5 cm高出地面），用膠帶封底后套于外管（由PVC管制成，內(nèi)徑10.5 cm，壁厚5.0 mm，高度15.0 cm）中并固定于行間。每天16：00用精度為0.1 g的電子天平稱重，2 d內(nèi)重量的差值為土壤日蒸發(fā)量，每隔3～5 d更換蒸發(fā)器內(nèi)的原狀土（下雨后立即更換）。土壤日蒸發(fā)量由兩次稱重之間的差值和小型蒸發(fā)器底面積換算得出。每處理生草區(qū)隨機(jī)選取4個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3.4 空氣相對(duì)濕度 2021年4-5月采用路格溫濕度記錄儀（L92-1，中國杭州）監(jiān)測(cè)蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度。將記錄儀固定于果樹主干1 m處，每隔1 h記錄1次數(shù)據(jù)，取24 h平均值。每處理生草區(qū)隨機(jī)選取4個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3.5 土壤含水量和貯水量 2021年4-5月每隔10 d采用烘干稱重法測(cè)定0～100 cm土層土壤重量含水量并計(jì)算土壤貯水量。土壤貯水量（W，mm）=土壤重量含水量（ω，%）×土壤容重（ρ，g·cm-3）×土層深度（h，cm）×10。每處理生草區(qū)隨機(jī)選取4個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)采樣點(diǎn)每個(gè)土層重復(fù)測(cè)定2次，取平均值。

1.3.6 一年生牧草還田時(shí)的生物學(xué)特征 2021年5月5日在小黑麥、二月蘭、毛葉苕子越年生牧草生草區(qū)取樣測(cè)定生物量。每處理生草區(qū)隨機(jī)選取4個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)測(cè)定2次。每個(gè)采樣點(diǎn)每次重復(fù)齊地皮刈割相鄰4行1 m長牧草地上部分并稱總鮮重，稱完后隨機(jī)取500 g鮮草樣放入恒溫烘箱中65℃烘干至恒重，稱取干重計(jì)算干鮮比，根據(jù)干鮮比計(jì)算牧草地上生物量和含水量。將烘干的植物樣品粉碎后測(cè)量植株全碳（C）含量、全氮（N）含量［25］，計(jì)算牧草植株的C/N。

1.3.7 蘋果產(chǎn)量與果實(shí)品質(zhì) 2021年10月26日進(jìn)行采收、測(cè)產(chǎn)。每生草區(qū)隨機(jī)選取20株果樹進(jìn)行單株稱重測(cè)產(chǎn)，重復(fù)2次，測(cè)產(chǎn)時(shí)避開授粉樹行。每株測(cè)產(chǎn)后隨機(jī)選取20個(gè)蘋果果實(shí)測(cè)定品質(zhì)，分別采用PAL-1折光儀（日本）、蒽酮比色法、NaOH滴定法測(cè)定可溶性固形物含量、可溶性糖含量和含酸量［25］。

1.4 氣象數(shù)據(jù)

來自武邑縣氣象局設(shè)在武羅綜合示范園區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)氣象站。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SAS 9.1統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)日均溫度和降水量變化

圖1顯示了武羅試驗(yàn)區(qū)2021年和2000-2020年4-5月多年平均日均溫度和降水量變化情況。2000-2020年4-5月多年平均日均最高溫度為24.48℃，日均最低溫度為11.93℃，二者相差12.55℃，表明春季北方氣溫變化劇烈。2021年4-5月日均最高溫度為25.78℃，日均最低溫度為10.57℃，二者相差15.21℃，表明2021年春季氣溫變幅大于多年平均值。2000-2020年多年平均4、5月累積降水量分別為29.47、35.97 mm，2021年4、5月累積降水量分別為7.40、2.90 mm，二者分別相差22.07、33.07 mm，表明2021年4、5月在歷史上屬于極度干旱月份。

圖1 武羅試驗(yàn)區(qū)2021年和2000-2020年4-5月多年平均氣溫和累積降水量Fig.1 Mean temperature and accumulative precipitation of April and May of 2021 and average from 2000 to 2020 in Wuluo experiment site

2.2 行間生草種類對(duì)果園土壤溫度的影響

從圖2可見，與清耕（CK）相比，越年生牧草和多年生牧草5、10、15、20、25 cm不同土層土壤溫度均顯著下降（P＜0.05），說明行間生草阻隔了太陽光對(duì)果園地表的直接輻射，能顯著降低不同深度的土壤溫度。越年生牧草不同土層的降溫效應(yīng)均大于多年生牧草，越年生牧草5、10、15、20、25 cm土層的降溫效應(yīng)平均分別比多年生牧草高5.9、2.9、2.1、1.3、1.5℃。越年生牧草中毛葉苕子對(duì)5、10 cm土層土壤的降溫效應(yīng)顯著低于二月蘭和小黑麥，這可能與毛葉苕子4月15日之前生長慢、地上生物量少、LAI顯著低于二月蘭和小黑麥、PAR透射率明顯增加有關(guān)。

圖2 行間生草種類對(duì)果園0～25 cm土層土壤溫度的影響（2021年4月15日13：30-14：30）Fig.2 Effects of different grass species on the soil temperature of 0-25 cm profile in orchard（13：30-14：30，April 15，2021）

2.3 行間生草種類對(duì)牧草群體LAI、PAR透射率的影響

一定范圍內(nèi)，作物群體LAI與冠層截獲的太陽輻射呈正相關(guān)關(guān)系［26-27］，說明LAI越大，冠層PAR透射率越低，太陽對(duì)地表的輻射強(qiáng)度減弱，有可能阻止地溫上升、降低土壤蒸發(fā)。不同種類牧草因物候期不同，群體冠層LAI、PAR透射率不同。由圖3可知，越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子的LAI分別是8.43、6.77、4.67，PAR透射率分別是0.98%、1.72%、6.80%，多年生牧草鴨茅的LAI為2.87，PAR透射率為26.37%，越年生牧草群體LAI均顯著大于多年生牧草（P＜0.05），而PAR透射率則顯著低于多年生牧草（P＜0.05）。越年生牧草中二月蘭、小黑麥、毛葉苕子LAI差異顯著。毛葉苕子PAR透射率顯著高于二月蘭、小黑麥，二月蘭、小黑麥之間PAR透射率差異不明顯。

圖3 行間生草種類對(duì)牧草群體LAI、PAR透射率的影響（2021年4月15日11：00-14：00）Fig.3 Effects of different grass species on the grass population’s LAI and PAR transmittance（11：00-14：00，April 15，2021）

2.4 行間生草種類對(duì)果園土壤蒸發(fā)的影響

土壤蒸發(fā)強(qiáng)度與溫度呈正相關(guān)關(guān)系［19］。隨時(shí)間的推進(jìn)和氣溫的上升，2021年4-5月果樹行間土壤日蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量均呈增加的趨勢(shì)（圖1和圖4）。行間生草均能顯著抑制土壤蒸發(fā)，生草種類不同對(duì)土壤蒸發(fā)抑制的效果不同（圖4）。與CK相比，越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子4-5月日蒸發(fā)量分別降低0.44、0.47、0.40 mm·d-1，累積蒸發(fā)量分別降低26.67、28.71、24.17 mm，多年生牧草白三葉、鴨茅4-5月日蒸發(fā)量分別降低0.50、0.47 mm·d-1，累積蒸發(fā)量分別降低30.4、28.9 mm。總體來看，多年生牧草土壤的日蒸發(fā)量、累積蒸發(fā)量的降幅均大于越年生牧草，平均分別降低0.06 mm·d-1、3.14 mm，該結(jié)果與越年生牧草切碎覆蓋還田（2021年5月6日）有關(guān)。

圖4 行間生草種類對(duì)蘋果樹行間土壤日蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量的影響Fig.4 Effects of different grass species on the soil daily evaporation and accumulative soil evaporation between apple tree rows

還田之前，與CK相比，越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子土壤日蒸發(fā)量分別減少0.41、0.40、0.38 mm·d-1，累積蒸發(fā)量分別減少14.42、13.90、13.38 mm，多年生牧草白三葉、鴨茅土壤日蒸發(fā)量分別減少0.29、0.28 mm·d-1，累積蒸發(fā)量分別減少10.15、9.76 mm，越年生牧草土壤的日蒸發(fā)量、累積蒸發(fā)量的降幅平均分別比多年生牧草高0.11 mm·d-1、3.94 mm，說明還田之前越年生牧草抑制土壤蒸發(fā)的效果比多年生牧草強(qiáng)，這可能與越年生牧草生長快、群體LAI大、PAR透射率低、地溫上升慢相關(guān)［28-29］。

還田后，與CK相比，越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子土壤日蒸發(fā)量分別減少0.47、0.57、0.42 mm·d-1，累積蒸發(fā)量分別減少26.67、28.71、24.17 mm，多年生牧草白三葉、鴨茅土壤日蒸發(fā)量分別減少0.78、0.74 mm·d-1，累積蒸發(fā)量分別減少30.36、28.95 mm，多年生牧草土壤的日蒸發(fā)量、累積蒸發(fā)量的降幅平均分別比越年生牧草高0.27 mm·d-1、3.14 mm，說明還田后越年生牧草抑制土壤蒸發(fā)的效果明顯小于多年生牧草。

2.5 土壤蒸發(fā)量與土壤溫度、牧草群體LAI、PAR透射率、土壤含水量的相關(guān)性分析

由表1可見，土壤蒸發(fā)量與牧草群體LAI呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與PAR透射率和5、10、15、20、25 cm土層土壤溫度均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明隨牧草生長，牧草群體LAI增加能顯著降低PAR透射率，減弱太陽對(duì)地表的輻射強(qiáng)度，阻止春季地溫上升，進(jìn)而抑制土壤蒸發(fā)。土壤含水量也是影響土壤蒸發(fā)的一個(gè)重要因素［17］。由圖5可見，果園土壤日蒸發(fā)量與0～20 cm土層土壤含水量呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，說明行間生草消耗土壤水分的同時(shí)會(huì)降低土壤蒸發(fā)量。行間生草種類不同對(duì)土壤水分消耗和土壤蒸發(fā)的影響不同。還田之前，越年生牧草抑制土壤蒸發(fā)的效果大于多年生牧草，可能與其對(duì)土壤水分消耗較多、降低土壤含水量有關(guān)。

表1 土壤蒸發(fā)量、土壤溫度、牧草LAI及PAR透射率之間的相關(guān)性Table 1 The correlation between the indicators of soil evaporation，soil temperature，grass LAI and PAR transmittance

圖5 2021年4月1日-2021年5月5日土壤日蒸發(fā)量與0～20 cm土層土壤重量含水量的關(guān)系Fig.5 Relation of soil daily evaporation and gravimetric water content of 0-20 cm soil profile from 2021-04-01 to 2021-05-05

2.6 越年生牧草粉碎覆蓋還田時(shí)生物學(xué)性狀的比較

由表2可知，越年生牧草被切碎覆蓋還田時(shí)，禾本科作物小黑麥干重比豆科作物毛葉苕子、十字花科作物二月蘭分別多8.20、9.25 mg·hm-2，C/N分別高23.40、15.58，差異顯著（P＜0.05）。3種越年生牧草還田時(shí)植株體內(nèi)絕對(duì)含水量顯著不同，其中，小黑麥植株絕對(duì)含水量最低，分別比毛葉苕子、二月蘭低280.92%、70.66%，還田后小黑麥植株因含水量低、C/N高不易腐解，導(dǎo)致植株體內(nèi)水分散失慢，有可能對(duì)果園空氣濕度的影響小于毛葉苕子、二月蘭。

表2 越年生牧草還田時(shí)生物學(xué)性狀的比較Table 2 Comparison of biological characters of annual grasses when mulching returning

2.7 行間生草種類對(duì)蘋果樹冠層相對(duì)空氣濕度的影響

果園生草對(duì)果樹冠層空氣濕度的調(diào)控主要來源于下墊面牧草群體的蒸騰散水，而不同種類牧草群體蒸騰散水能力不同，對(duì)果樹冠層空氣濕度的調(diào)控效果表現(xiàn)不同。由圖6可見，行間種植越年生牧草和多年生牧草均能增加蘋果樹冠層1 m高度的空氣相對(duì)濕度。與CK相比，2021年4-5月越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子的每日空氣相對(duì)濕度平均分別增加24.51%、22.47%、19.36%，多年生牧草白三葉、鴨茅平均分別增加5.32%、7.99%，越年生牧草的每日空氣相對(duì)濕度比多年生牧草平均多增加15.46%，說明行間種植越年生牧草對(duì)春季果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度的改善效果大于多年生牧草。不同時(shí)間段，不同種類牧草對(duì)蘋果樹冠層1 m高度的空氣相對(duì)濕度影響不同。4月12日之前，與CK相比，白三葉、鴨茅和毛葉苕子對(duì)蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度影響不明顯，而二月蘭、小黑麥影響顯著（P＜0.05），二月蘭分別比白三葉、鴨茅、毛葉苕子的空氣相對(duì)濕度平均增加24.58%、24.28%、21.62%，小黑麥分別平均增加27.10%、26.81%、24.14%，這可能與4月12日之前白三葉、鴨茅、毛葉苕子返青慢、蒸騰作用弱相關(guān)。4月12日之后，毛葉苕子生長加快，與二月蘭、小黑麥蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度差距顯著縮小。與CK相比，5月6日-5月8日小黑麥、二月蘭、毛葉苕子果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度變化較小，這與越年生牧草被切碎覆蓋還田不能蒸散水分相關(guān)。5月9日-5月25日，與清耕、多年生牧草相比，越年生牧草能顯著增加蘋果樹冠層1 m高度的空氣相對(duì)濕度。與CK相比，二月蘭、小黑麥、毛葉苕子處理平均分別增加34.64%、26.92%、37.90%；與白三葉相比，平均分別增加25.88%、18.16%、19.14%；與鴨茅相比，平均分別增加21.86%、14.14%、25.12%，這可能與越年生牧草切碎還田后植株殘?bào)w水分大量散失有關(guān)。越年生牧草中，小黑麥對(duì)蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度的影響小于二月蘭和毛葉苕子。

圖6 行間生草種類對(duì)蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度的影響Fig.6 Effects of different grass species on the relative air humidity at 1 m height of apple tree canopy

2.8 行間生草種類對(duì)土壤含水量、貯水量的影響

牧草群體通過蒸騰散水改善果樹冠層空氣濕度，蒸騰散水來自于牧草根系對(duì)土壤水分的吸收，因此生草種類不同對(duì)果樹冠層空氣濕度的調(diào)控效果不同，進(jìn)而對(duì)土壤含水量和貯水量變化的影響不同。圖7表明，隨時(shí)間推進(jìn)，不同處理0～100 cm土層土壤含水量呈下降的趨勢(shì)，這與氣溫升高牧草生長加快消耗土壤水分相關(guān)。其中，白三葉根系吸水層主要發(fā)生在0～40 cm土層，鴨茅、毛葉苕子、二月蘭主要在0～60 cm土層，小黑麥主要在0～100 cm土層。2021年4月1日和4月11日多年生牧草白三葉、鴨茅0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土層土壤含水量均高于CK，越年生牧草小黑麥、二月蘭均低于CK，毛葉苕子與CK差異較小，說明4月11日之前白三葉和鴨茅尚未完全返青對(duì)土壤水分消耗少，枯草層覆蓋地表能抑制土壤蒸發(fā)，具有保墑作用，而小黑麥處于拔節(jié)期、二月蘭處于盛花期，二者均處于快速生長階段，對(duì)土壤水分消耗較大。4月21日之后，各種牧草均進(jìn)入快速生長階段，越年生牧草不同土層含水量均低于多年生牧草，二者之間的差距呈增加的趨勢(shì)，5月5日二者差距最大，毛葉苕子、小黑麥、二月蘭0～100 cm土層平均含水量分別比白三葉低3.70%、7.94%、5.57%，比鴨茅平均分別低1.69%、5.92%、3.56%。越年生牧草中小黑麥0～100 cm土層平均含水量最低，分別比毛葉苕子、二月蘭低4.23%、2.37%。

圖7 行間生草種類對(duì)果園0～100 cm土層土壤含水量的影響Fig.7 Effects of different grass species on the soil water contents of 0-100 cm soil profile in apple orchard

行間生草均消耗土壤水分，降低土壤貯水量。不同生草種類對(duì)土壤貯水量的影響不同（圖8）。與CK相比，多年生牧草白三葉、鴨茅1 m土體內(nèi)土壤貯水量分別降低20.93、36.97 mm，其中白三葉降低不明顯，鴨茅顯著降低，越年生牧草毛葉苕子、小黑麥、二月蘭分別降低77.99、121.79、82.61 mm，差異均顯著（P＜0.05）。越年生牧草1 m土體內(nèi)土壤貯水減少量均高于多年生牧草，其中，與白三葉相比，小黑麥、二月蘭土壤貯水量顯著降低；與鴨茅相比，小黑麥土壤貯水量顯著降低，這可能與春季越年生牧草生長迅速、蒸騰耗水量大相關(guān)。2021年4月1日至5月5日蘋果樹1 m冠層空氣相對(duì)濕度與1 m土體內(nèi)土壤貯水減少量呈線性顯著正相關(guān)關(guān)系，說明行間生草改善果園空氣濕度的水分主要來自牧草對(duì)土壤貯水的消耗，且二者具有正向協(xié)同關(guān)系。

圖8 2021年4月1日-2021年5月5日果園0～100cm土層土壤貯水量的變化及與空氣相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.8 Changes of the soil water storage of 0-100 cm soil profile in apple orchard and related with the air humidity from 2021-04-01 to 2021-05-05

2.9 行間生草種類對(duì)蘋果產(chǎn)量與果實(shí)品質(zhì)的影響

由表3可見，行間生草均降低了蘋果產(chǎn)量，平均每株降低4.07 kg。與CK相比，行間種植多年生牧草白三葉、鴨茅蘋果產(chǎn)量下降不顯著（P＞0.05），種植越年生牧草二月蘭、毛葉苕子、小黑麥下降顯著（P＜0.05），其中，小黑麥下降幅度最大，每株降低7.06 kg。行間生草提高了蘋果果實(shí)可溶性固形物含量、可溶性糖含量、糖酸比，顯著降低了含酸量，說明行間生草能改善蘋果果實(shí)品質(zhì)。

表3 行間生草種類對(duì)蘋果產(chǎn)量與果實(shí)品質(zhì)的影響Table 3 Effects of different grass species on the yield and fruit quality of apple

3 討論

3.1 行間生草種類對(duì)果園土壤蒸發(fā)的影響

本研究結(jié)果表明，行間生草能抑制春季果園土壤蒸發(fā)，這與行間生草改變了果園下墊面性質(zhì)，影響了地表與大氣能量、熱量的交換相關(guān)［4，14］。牧草冠層物理阻隔了太陽對(duì)地表的直接輻射，減弱了地表對(duì)太陽能量的吸收，降低了土壤溫度。眾多研究表明，植被LAI能抑制土壤蒸發(fā)［15］，太陽輻射、土壤溫度能促進(jìn)土壤蒸發(fā)［30-31］。本研究證實(shí)，土壤蒸發(fā)與牧草群體LAI呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與PAR透射率、土壤溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這與孫宏勇等［15］、胡兵輝等［19］、李會(huì)科［32］的研究結(jié)果相一致。行間生草種類不同，在華北平原春季的生育進(jìn)程不同，處于不同物候期的牧草群體葉面積指數(shù)、PAR透射率、土壤溫度均表現(xiàn)不同，將對(duì)土壤蒸發(fā)產(chǎn)生不同的抑制效果。本試驗(yàn)中越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子均比多年生牧草白三葉、鴨茅萌發(fā)早、生長快，導(dǎo)致越年生牧草群體LAI均顯著高于多年生牧草，PAR透射率、0～25 cm土層土壤溫度均顯著低于多年生牧草。同時(shí)，越年生牧草生長進(jìn)程快會(huì)消耗大量土壤水分，引起土壤表層含水量下降，抑制土壤蒸發(fā)，劉悅等［17］的研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。本研究結(jié)果表明，越年生牧草被切碎覆蓋還田之前，蘋果樹行間種植越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子土壤的日蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量均低于多年生牧草鴨茅、白三葉，即越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子對(duì)果園土壤蒸發(fā)的抑制效果好于多年生牧草鴨茅、白三葉；而還田之后，越年生牧草對(duì)果園土壤蒸發(fā)的抑制效果小于多年生牧草，這可能與還田后越年生牧草物理阻隔太陽輻射的效果降低有關(guān)。

已有研究表明，秸稈還田可以抑制土壤蒸發(fā)，秸稈還田量是影響土壤蒸發(fā)的一個(gè)重要因素［33-34］。本研究中越年生牧草被切碎覆蓋還田之后，越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子土壤的日蒸發(fā)量和累積蒸發(fā)量仍明顯低于清耕，說明牧草秸稈切碎覆蓋還田具有抑制土壤蒸發(fā)的效果。3種越年生牧草中，小黑麥覆蓋還田后土壤日蒸發(fā)量明顯低于二月蘭和毛葉苕子，這可能與小黑麥還田時(shí)生物量大有關(guān)。因?yàn)槔钇G等［35］研究表明，秸稈覆蓋對(duì)土壤蒸發(fā)的阻力隨覆蓋量增加呈指數(shù)增加。本試驗(yàn)中，還田時(shí)小黑麥地上生物量分別比毛葉苕子、二月蘭多8.20、9.25 mg·hm-2，差異顯著。同時(shí)，秸稈含水量顯著低于毛葉苕子、二月蘭，C/N顯著高于毛葉苕子、二月蘭。秸稈含水量、C/N是影響植物秸稈腐解快慢的兩個(gè)重要因素，秸稈含水量低、C/N大不利于土壤微生物對(duì)植物殘?bào)w的分解［36-39］，因此還田后小黑麥秸稈腐解速率慢于毛葉苕子、二月蘭，對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制效果強(qiáng)于毛葉苕子、二月蘭。

3.2 行間生草種類對(duì)果園空氣濕度的影響

許多研究發(fā)現(xiàn)，牧草通過蒸騰散水能改善果園空氣濕度［4，40-41］。本研究表明，與清耕相比，行間生草后華北平原春季蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度改善明顯，平均提高15.5%。但不同種類牧草對(duì)果樹冠層空氣相對(duì)濕度影響差異顯著，這可能與牧草群體LAI不同相關(guān)。Qin等［42］研究表明植物葉片蒸騰能力與LAI呈正相關(guān)關(guān)系。本研究中，在越年生牧草被切碎覆蓋還田之前，不同種類牧草因生育進(jìn)程不同導(dǎo)致LAI差異顯著，越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子萌發(fā)早、生長快，LAI顯著高于多年生牧草白三葉、鴨茅，試驗(yàn)結(jié)果也表明越年生牧草對(duì)蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度的調(diào)節(jié)效果顯著高于多年生牧草，平均提高15.1%。但越年生牧草中二月蘭LAI高于小黑麥，蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度卻低于小黑麥，這可能因?yàn)槟敛莸墓趯咏Y(jié)構(gòu)、植株高度、種植密度對(duì)蘋果樹冠層空氣的濕度有影響［43-45］，具體的影響機(jī)制還需要進(jìn)一步的研究。在越年生牧草被切碎覆蓋還田之后，二月蘭、小黑麥、毛葉苕子對(duì)蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度的影響仍然高于多年生牧草鴨茅和白三葉，這可能與還田時(shí)植株含有大量水分相關(guān)。還田后小黑麥對(duì)蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度的影響小于毛葉苕子、二月蘭，這可能是因?yàn)樾『邴溨仓旰康汀/N高不易腐解，導(dǎo)致植株體內(nèi)水分散失較慢。土壤水分蒸發(fā)會(huì)對(duì)果園空氣濕度產(chǎn)生影響［46］，本研究中小黑麥還田時(shí)較高的生物量顯著抑制了土壤蒸發(fā)，這也可能是導(dǎo)致其對(duì)果樹冠層空氣濕度影響小的一個(gè)因素。

3.3 行間生草種類對(duì)果園土壤水分的影響

作物蒸騰、土壤蒸發(fā)構(gòu)成了農(nóng)田耗水結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響著土壤-植物-大氣連續(xù)體（soil-plant-atmosphere continuum，SPAC）界面的水分傳輸和農(nóng)田水分平衡［47］。果園生草因改變地表特性、牧草生長耗水而降低其所接受的太陽輻射及土壤含水量，減少土壤-大氣界面水分傳輸，抑制土壤無效蒸發(fā)，提高農(nóng)田水分利用效率。較高的LAI既能更好抑制土壤蒸發(fā)，也能促進(jìn)牧草蒸騰散水而有利于改善果園空氣濕度。經(jīng)牧草群體蒸騰改善果園空氣濕度的水分主要來自根系對(duì)土壤水分的吸收。本研究表明，行間生草后春季土壤蒸發(fā)量降低27.8 mm，土壤貯水量減少52.5 mm，土壤蒸發(fā)減少量不能彌補(bǔ)牧草蒸騰失水而導(dǎo)致土壤含水量下降，加重土壤干旱，引起果樹減產(chǎn)，這與惠竹梅等［8］、李同川等［24］、趙政陽等［48］、張先來等［49］、李會(huì)科等［50］的研究結(jié)果一致。但也有研究表明［12］，果園生草能提高土壤含水量，提高果樹產(chǎn)量，本研究結(jié)果與其不一致，可能與研究時(shí)間短，土壤理化性狀改善不明顯，不能增強(qiáng)土壤水分的調(diào)蓄能力有關(guān)。本研究條件下，行間種植白三葉土壤貯水、果樹產(chǎn)量下降均不明顯，可作為華北平原蘋果園行間生草的主推草種。雖然越年生牧草二月蘭、毛葉苕子、小黑麥能顯著改善果園空氣濕度，但因此引起的土壤水分脅迫會(huì)顯著降低果樹產(chǎn)量，因此，關(guān)于華北平原蘋果園種植越年生牧草時(shí)如何優(yōu)化灌溉制度降低果樹減產(chǎn)有待深入研究。

4 結(jié)論

行間生草能抑制華北平原蘋果園春季土壤蒸發(fā)。越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子切碎覆蓋還田之前對(duì)土壤蒸發(fā)的抑制效果大于多年生牧草白三葉、鴨茅，主要與越年生牧草萌發(fā)早、生長快、群體LAI大、PAR透射率低、土壤溫度低、含水量低相關(guān)。還田后的越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子仍能抑制土壤蒸發(fā)，但抑制效果小于多年生牧草白三葉、鴨茅。

行間生草能顯著調(diào)節(jié)華北平原春季蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度。無論還田前后，越年生牧草二月蘭、小黑麥、毛葉苕子對(duì)果樹冠層空氣濕度的調(diào)節(jié)效果均顯著高于多年生牧草白三葉、鴨茅。還田前，越年生牧草對(duì)空氣濕度調(diào)控能力強(qiáng)與其群體LAI大、蒸騰散水能力強(qiáng)相關(guān)。還田后，可能與其植株殘?bào)w含水率高，腐解過程中釋放大量水分有關(guān)。

通過行間生草調(diào)節(jié)果園空氣濕度會(huì)降低華北平原蘋果園春季土壤的含水量、貯水量。蘋果樹冠層1 m高度空氣相對(duì)濕度與1 m土體內(nèi)土壤貯水減少量呈線性顯著正相關(guān)關(guān)系。因越年生牧草小黑麥、二月蘭、毛葉苕子對(duì)果園空氣濕度的影響顯著高于多年生牧草白三葉、鴨茅，其土壤含水量、貯水量降低的幅度明顯大于多年生牧草白三葉、鴨茅。果園生草后降低的土壤蒸發(fā)量不能彌補(bǔ)其用來改善果園空氣濕度對(duì)土壤的水分消耗量，會(huì)加重果園土壤干旱、降低果樹產(chǎn)量。推廣果園生草制時(shí)應(yīng)根據(jù)不同種類牧草對(duì)果園干旱季節(jié)土壤水分的消耗特征優(yōu)化果樹灌溉制度。