張 哲, 李志剛, 倪細爐

(1.寧夏林業(yè)研究院 種苗生物工程國家重點實驗室, 寧夏 銀川 750004;2.寧夏銀川城市森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 寧夏 銀川 750004)

寧夏地處西北地區(qū)，其西部、北部和東部分別被騰格里沙漠、烏蘭布和沙地和毛烏素沙地包圍，是中國沙漠化最嚴重的地區(qū)之一[1]。由于土壤長期干旱缺水，全區(qū)90%的用水被用作農業(yè)灌溉用水[2]，而沙化土壤對水分的保持能力低[3]，不僅使得有限的降水未得到充分利用，而且相當一部分灌溉用水也因滲漏而被損失。水資源不足成為限制寧夏生態(tài)建設和農業(yè)生產的重要問題，也是需要解決的技術難題。

寧夏枸杞(Lyciumbarbarum)屬茄科枸杞屬落葉灌木，其干燥果實是我國重要的藥用植物資源和藥食同源的名貴中藥材，具有增強免疫力、防衰老、抗腫瘤、抗氧化等多方面的藥理作用[4]。寧夏枸杞主要分布在我國寧夏、內蒙古、新疆等省(區(qū))的干旱、半干旱地區(qū)，具有很強的耐鹽和耐旱特性，非常適合在鹽堿、干旱和沙荒地種植[5]。近年來，隨著枸杞種植面積的日益擴大和寧夏引黃河水總量的逐年減少，改善土壤水分條件，提高水分利用效率，將是今后枸杞生產栽培中急需解決的一個關鍵問題。

覆蓋栽培作為一種重要的旱作農業(yè)抗旱技術手段，在北方旱作農業(yè)區(qū)被廣泛地推廣應用，成為提高該區(qū)農業(yè)產量的一個重要措施[6-7]，通過研究覆蓋措施對干旱地區(qū)土壤理化性質、保水能力以及作物產量的影響發(fā)現(xiàn)[8-10]，覆蓋技術改善了土壤的水、熱狀況等外部生態(tài)環(huán)境，活化了土壤養(yǎng)分，使養(yǎng)分有效性和水分利用效率提高。目前，國內外在干旱半干旱地區(qū)覆蓋技術研究多集中地膜、秸稈和凋落物等有機物料，而少見利用林木廢棄物來作為覆蓋材料的相關研究。與秸稈及其他草本材料相比，木質材料(如樹枝)在土壤中的分解速率慢[11-12]，可以降低材料的成本，而且林木廢棄物中還含有大量的纖維素和半纖維素，是天然的保水材料[13]，可以在保持沙化土壤水分方面具有長效作用。針對以上問題及現(xiàn)狀，本研究以楊樹和柳樹枝條以及地膜為覆蓋材料，探討單一覆膜、覆蓋枝條、覆膜加覆蓋枝條等覆蓋措施對枸杞試驗田土壤水分和溫度以及枸杞產量等方面的影響，闡明不同覆蓋措施對土壤水熱效益的作用機理，從而為寧夏沙化土壤干旱地區(qū)覆蓋栽培技術的改進和枸杞產量水平的提高提供科學依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于寧夏賀蘭山東麓的銀川腹部沙地(107°22′E，38°28′N)，屬于寧夏沙漠化地區(qū)，毗鄰黃河，節(jié)灌農業(yè)發(fā)達。試驗區(qū)海拔1 115 m，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，主要氣候特點是晝夜溫差大、雨雪稀少、蒸發(fā)強烈、氣候干燥、風大沙多等。年均氣溫10.1℃，年均降水量181.2 mm，年均蒸發(fā)量1 882.5 mm。1月份平均最低氣溫-15.2℃，極端最低氣溫-27.9℃，7月份平均最高氣溫30.1℃，極端最高氣溫37.2℃。相對濕度45%～66%。土壤類型為沙壤土，有機質含量1.14 g/kg，pH值8.53，沙粒含量13.7%，黏粒含量2.6%。

1.2 試驗設計

本試驗以寧夏枸杞為研究材料，設計4組人工處理方式。1.對照(CK)不作任何處理，2.覆膜(F)即枸杞樹兩側鋪設寬60 cm透明塑料薄膜，3.覆蓋枝條(B)即在枸杞樹兩側覆蓋厚度達3 cm寬60 cm的楊樹粉碎枝條、4.覆膜+覆蓋枝條(FB)即在覆蓋枝條的基礎上覆蓋塑料薄膜，每個處理3次重復，每個重復小區(qū)面積約200 m2，枝條覆蓋量為7 500 kg/hm2，覆蓋枝條材料為直徑0.5 cm、長度為1 cm 的新疆楊枝條粉碎材料。

1.3 試驗數(shù)據(jù)測定與方法

利用直角地溫計測定10 cm土層的溫度，測定時間為早上8：00，中午12：00，下午6：00。每月中旬和每次澆水前采用土壤剖面水分測定儀PR2(英國Delta-T)測定10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，60 cm，100 cm土層的土壤體積含水量。在夏果期和秋果期，采摘并統(tǒng)計每個處理枸杞產量(鮮果重量)。試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計按照枸杞生長周期進行，分別為現(xiàn)蕾期：4月下旬—6月中旬、夏果期：6月中旬—8月上旬、休果期：8月上旬—9月下旬、秋果期：9月下旬—10月中旬。田間水肥管理按照常規(guī)進行。

1.4 土壤水分的計算

土壤貯水量的計算公式為：

(1)

式中：H為土壤貯水量(mm)；Qi為第i層土壤體積含水量(%)；hi為第i層土壤厚度(cm)；n為測定土壤體積含水量土的層序。

水分利用效率(water use efficiency，WUE)的計算公式如下：

WUE=Y/(P-ΔS)

(2)

式中：WUE為水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y為單位面積作物產量(kg/hm2)；P為作物生育期內的降水量(mm)；ΔS是收獲期與播種期土壤儲水量之差(mm)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007建立數(shù)據(jù)庫及繪圖，試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤水分

從土壤含水量的剖面變化來看，不同覆蓋處理下土壤水分在不同生長周期存在一定的差異性?，F(xiàn)蕾期降雨較少，枸杞主要通過吸收利用土壤水分來滿足自身生長需要。在土壤表層10 cm處，各處理土壤體積含水量大小表現(xiàn)為FB>B>F>CK，但差異不顯著。在0—40 cm土層范圍內，隨著深度的增加，F(xiàn)B，B和F處理土壤水分均呈現(xiàn)出上升的趨勢。40—100 cm土層范圍內，與其他處理相比，F(xiàn)處理土壤含水量表現(xiàn)出明顯減小趨勢，這可能是由于覆膜處理下枸杞能夠利用土壤深層儲水來滿足生長需要，這與覆膜措施存在會消耗土壤深層儲水現(xiàn)象的已有研究結果一致[14]。B，F(xiàn)B隨土層深度增加無明顯波動，但是FB土壤含水量要明顯高于CK處理，而B處理土壤含水量與CK無明顯差異。CK處理下，0—20 cm土層內，土壤水分呈現(xiàn)上升趨勢，隨著土層深度的增加，土壤水分無明顯增長現(xiàn)象。夏果期，降雨增多，各覆蓋處理蓄水保墑效果明顯。表層土壤含水量差異顯著，F(xiàn)，F(xiàn)B和B土壤含水量分別比CK高出173.5%，116.8%，61.9%。0—100 cm土層土壤含水量剖面變化特征與現(xiàn)蕾期相似。休果期，降雨較多且枸杞減緩生長，土壤水分消耗減少。各處理土壤含水量剖面變化整體表現(xiàn)出與現(xiàn)蕾期相同的趨勢，但覆膜處理土壤含水量卻出現(xiàn)明顯降低現(xiàn)象，在0—40 cm土層要低于FB和B處理。秋果期，溫度下降，降雨減少，土壤含水量相對減小，各覆蓋措施土壤含水量剖面變化與其他三個生長周期基本一致。

圖1不同生長周期下各處理土壤含水量的剖面特征

2.2 土壤儲水量

分析比較不同生長周期各處理間土壤儲水量發(fā)現(xiàn)(圖2)，各生長周期土壤儲水量整體變化與降雨量的變化基本一致，夏果期和休果期儲水量明顯高于現(xiàn)蕾期和秋果期。現(xiàn)蕾期土壤儲水量最低，F(xiàn)B>F>CK，B，由于此時期無明顯降雨且為試驗布設初期，所以各處理保水效果不顯著，土壤儲水量差異較小。夏果期，F(xiàn)，F(xiàn)B和B處理土壤儲水量分別比CK高出31.45%，30.66%，4.85%，覆膜與覆膜加覆蓋枝條處理由于減少了水分蒸發(fā)，蓄水保墑效果顯著，單一覆蓋枝條有一定保水作用但效果不明顯。休果期，土壤儲水量整體最高，這可能是因為休果期枸杞生長減緩對土壤水分的消耗減少。土壤儲水量表現(xiàn)為FB>B，CK>F，相比于夏果期，休果期土壤儲水量除F外均有一定程度增長，F(xiàn)顯著降低，比CK減少11.11%，這可能是由于覆膜處理對降雨的截流作用以及使表層土壤溫度過高從而增加土壤水分蒸發(fā)消耗導致的。秋果期無明顯降雨，各處理土壤儲水量均呈現(xiàn)下降現(xiàn)象，保水能力表現(xiàn)為FB最大，F(xiàn)次之，B大于CK但差異不顯著。

2.3 土壤溫度

土壤溫度是影響微生物生物活性和植物生長過程的重要因素之一，其表征土壤的熱狀況，不僅直接影響植物根系和幼苗的生長，還影響到近地面大氣的溫熱狀況，并在微觀層面上對土壤水分、養(yǎng)分的遷移和轉化都有直接或間接的影響[15]。圖3顯示了不同處理措施下4月下旬至10月上旬土壤表層溫度變化，土壤表層溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這與氣溫變化趨勢一致。4—6月，9—10月，F(xiàn)和FB土壤溫度要明顯高于B和CK，而在7月、8月兩個月各處理間溫度差異減小。在7月以前和9月以后溫度較低的時期，覆蓋枝條處理土壤溫度要高于對照處理，而在7月到8月溫度最高的時期對照處理土壤溫度要高于覆蓋枝條處理。

圖2各處理不同生長周期土壤儲水量變化

比較4種處理土壤表層平均溫度發(fā)現(xiàn)(表1)，各覆蓋措施對土壤表層溫度影響差異顯著，F(xiàn)比FB，CK和B分別高出1.3℃，3.3℃和4.4℃。覆膜、覆膜加枝條均能明顯提高土壤表層溫度，而覆蓋枝條有降低土壤溫度的作用。土壤溫度的日變化是一天內土壤熱狀況的直接反映[16]。從表中一天內不同時間段各處理土壤表層溫度可以看出，在溫度較低的8：00，B處理土壤表層溫度要大于CK處理，而隨著溫度的升高，在14：00和18：00時CK處理溫度反而高于B處理。F與FB處理在不同時間段土壤溫度均顯著大于CK處理，但是在8點時兩者溫差減小，差異不顯著，而在14：00和18：00時F土壤溫度要明顯高于FB。從早上8：00—14：00，B，CK，F(xiàn)，F(xiàn)B溫度依次升高8.17℃，10.16℃，11.85℃，9.30℃，土壤溫度的日變幅大小表現(xiàn)為F>CK>FB>B。比較各處理土壤溫度變異系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)最大為0.22，CK次之為0.21，B和FB最小為0.18。

圖3 不同處理土壤表層溫度變化

注：同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)，下同。

2.4 枸杞產量及水分利用效率

比較各處理對枸杞產量的影響發(fā)現(xiàn)(表2)，與CK相比，F(xiàn)B，B和F的枸杞產量分別提高了76.06%，45.78%，9.65%。其中FB和B明顯高于CK，而覆膜和對照處理產量差異不顯著。通過對不同覆蓋處理對土壤水分及溫度的影響的分析，F(xiàn)，B和FB均能有效改善枸杞地土壤水熱條件從而提高枸杞產量，但是單一覆膜處理增產效果不好。分析原因，可能是因為覆膜使土壤表層溫度過高從而抑制枸杞的生長，同時消耗大量深層儲水導致枸杞產量下降。

結合土壤儲水量、枸杞單位面積產量、生育期降雨量等數(shù)據(jù)，計算出枸杞地不同處理土壤水分利用效率。F，F(xiàn)B，B和CK水分利用效率分別為13.92，23.72，20.31，13.39 kg/(hm2·mm)，F(xiàn)B和B分別比CK顯著提高了77.14%和51.68%，而F僅僅比CK 高出3.95%。各處理水分利用效率與產量基本是對應的。覆膜加枝條和覆蓋枝條能夠顯著提高枸杞產量和水分利用效率。

表2 不同處理下枸杞產量及土壤水分利用效率

3 討論與結論

已有大量研究表明，地膜覆蓋能夠顯著提高表層土壤含水量和溫度，提高水分利用效率[17-19]，而以秸稈枝條為材料的覆蓋技術措施可有效改善土壤的結構，增加土壤的水碳儲量[20-25]。但是亦有不少研究表明，地膜覆蓋下的土壤墑情變化莫測，其增產作用受到了一定的限制，有些情況下甚至會導致減產減收[26-31]。本研究表明，覆膜、覆蓋枝條、覆膜加覆蓋枝條3種覆蓋措施在枸杞不同生長周期下土壤水分剖面變化基本一致，在0—40 cm土層均表現(xiàn)為上升的趨勢，而40—100 cm土層表現(xiàn)各有差異。F，F(xiàn)B和B處理均能提高土壤表層土壤含水量，特別是在降雨量較大且枸杞生長最為旺盛的夏果時期，F(xiàn)，F(xiàn)B和B表層土壤含水量分別比CK高173.5%，116.8%，61.9%，保水效果顯著。覆膜措施雖然能夠提高土壤表層墑情，但需要消耗深層儲水，導致土壤含水量在40 cm土層以下出現(xiàn)明顯下降，這可能是因為地膜對降雨的截流作用以及作物蒸騰耗水的增加導致深層土壤儲水量下降[31]。而枝條地膜雙覆蓋措施無論是對表層還是深層土壤水分均有明顯提高作用，在40—100 cm土層深度范圍內土壤含水量顯著高于對照處理，這可能是由于枝條地膜雙覆蓋膜側的土壤界面具有良好的蓄水保墑能力，從而彌補了一部分深層土壤水分的消耗[32]。覆蓋枝條土壤含水量整體要高于對照處理，但差異不明顯。本研究表明，不同處理土壤儲水量與土壤含水量的變化趨勢基本是一致的。覆膜加枝條處理土壤儲水量在不同生長周期均顯著大于對照處理，而覆膜和覆蓋枝條在不同階段差異也不同。在枸杞生長旺盛的夏果期和秋果期，F(xiàn)和B處理土壤儲水量要明顯大于CK處理，在生長初期三者差異不顯著，在降雨將多的休果期，覆膜要顯著低于對照處理。這說明土壤儲水量的變化是降雨和枸杞生長消耗共同作用的結果。

本研究表明，覆膜、覆蓋枝條，覆膜加覆蓋枝條這3種處理對土壤表層溫度均有一定影響，土壤平均溫度F比FB，CK和B分別高1.3℃，3.3℃和4.4℃。覆膜和覆膜加枝條處理在生長早期及后期增溫效果明顯，而覆蓋枝條在溫度較低時具有保溫效應，而溫度較高時又能起到降溫作用。B，CK，F(xiàn)，F(xiàn)B處理的土壤溫度的日變幅為8.17℃，10.16℃，11.85℃，9.30℃，而各處理間土壤溫度變異系數(shù)F最大為0.22，CK次之為0.21，B和FB最小為0.18。結果說明，覆膜措施可以增大土壤表層溫度日差異，而覆蓋枝條處理能夠減緩溫度的升高平抑溫度的差異，枝條地膜雙覆蓋技術在提高溫度的同時又能夠減小土壤溫度的劇烈變化，給土壤提供一個穩(wěn)定的溫度條件。已有研究發(fā)現(xiàn)，對于一個生態(tài)系統(tǒng)，溫度的穩(wěn)定性將有利于產量的提高[32]。

水熱條件是影響作物生長發(fā)育最重要的因素，作物產量的形成往往是二者綜合作用的結果[33]，這與本研究結果相一致。與常規(guī)耕作措施相比，覆膜技術顯著地改善了土壤的水分條件，但是地膜覆蓋造成的土壤溫度過高會脅迫作物生長從而導致產量和水分利用效率降低[34-36]，而覆蓋枝條措施在保墑蓄水的同時能夠降低土壤溫度，對枸杞的產量和水分利用效率有一定的促進作用。在本研究中，地膜加覆蓋枝條的覆蓋技術很好的將前二者的優(yōu)點結合起來，不僅顯著提高了土壤儲水量并且改善了土壤表層的熱量條件，為枸杞提供了良好穩(wěn)定的生長環(huán)境，將水熱優(yōu)勢轉化為最終產量優(yōu)勢，顯著提高了枸杞的產量和水分利用效率(分別較常規(guī)耕作增加了(76.06%和77.14%)。

綜上所述，單一覆膜措施不適合枸杞的應用推廣。從枸杞產量和水分利用效率的角度來說，覆膜加覆蓋枝條的覆蓋技術具有一定的推廣前景，但還要綜合考慮其經(jīng)濟效益和其他方面的因素，最終才能看出其推廣前景及可行性的問題，而有關其應用的可行性方面有待進一步的研究。

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