劉 戀，張敬曉，靳姍姍，孫 波，董建國,5，汪有科,5

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；4.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430000；5.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

黃土高原是世界上水土流失最嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一。為了改善黃土高原惡劣的生態(tài)環(huán)境，我國政府開展了退耕還林還草工程，對黃土高原水土流失治理和改變該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境起到顯著的作用[1-3]，可同時也帶來了深層土壤干燥化問題[4]。陜北地區(qū)在退耕還林政策的扶持下，發(fā)展了大規(guī)模的紅棗人工經(jīng)濟林，但棗林和其他人工造林植被一樣，面臨著嚴(yán)重的土壤水分虧缺問題[5]。

長期以來，黃土高原人工植被引起的土壤干化問題一直是生態(tài)學(xué)界關(guān)注的焦點。如何解決當(dāng)?shù)刂脖唤ㄔ焖斐傻耐寥浪痔澣币惨恢笔谴蠹以噲D解決的熱點問題。黃土高原人工林地的蒸散量大于降水量，導(dǎo)致土壤水分長期處于負補償效應(yīng)，經(jīng)過植被多年的生長耗水根區(qū)范圍土壤水分已生態(tài)失調(diào)，進而形成了一定程度的土壤干層。土壤干化導(dǎo)致植物生長減緩甚至大片死亡，造成土壤干燥化的趨強發(fā)展和產(chǎn)生林相衰敗的小老樹等限制當(dāng)?shù)亓植葜脖唤ㄔO(shè)的問題[6-7]。因此，在黃土高原地區(qū)發(fā)展人工林必須慎重考慮土壤水分的補償特征，若要防治人工植被土壤干化就必須合理調(diào)控林地生產(chǎn)力，使植物蒸騰耗水與土壤水分補償之間保持平衡[8]。

榆林大面積山地棗樹種植年限已經(jīng)有18 a，隨著樹齡增加，棗林地土壤干化也在不斷加重，馬建鵬等的研究表明5、15 a棗林地耗水深度分別為440、800 cm，出現(xiàn)干層的厚度分別為100、400 cm[9]。土壤干層的形成，嚴(yán)重影響植被的正常生長。如何降低棗林耗水深度緩解土壤干化已成為近年學(xué)者研究的一個重點。靳姍姍和白一茹的研究證實，薄膜、地布、石子等覆蓋保墑措施能夠有效減少棗林地土壤水分蒸發(fā)量，從而提高土壤含水量[10-11]。藺君等提出魚鱗坑、聚水溝、水平階等降雨徑流攔蓄措施對于減少林地水分流失也具有重要意義[12-13]。此外，魏新光等和聶真義研究認(rèn)為通過修剪、矮化密植等措施縮小樹體規(guī)格減少蒸騰耗水也能夠?qū)崿F(xiàn)棗林水分利用效率的調(diào)控[14-15]。

生物量作為棗樹在生態(tài)系統(tǒng)中積累的植物有機物的總量，是決定棗樹營養(yǎng)生長和生殖生長的能量基礎(chǔ)和物質(zhì)來源。旱作條件下土壤水分是影響棗樹生物量的主要因子，是決定棗樹產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[16]。相反，棗樹生物量也直接影響其耗水量，從而影響土壤水分，這與以往研究提出降低土地水分承載量的道理是一致的[17]。本研究在控制棗樹樹體規(guī)格的基礎(chǔ)上，對棗樹生物量、土壤水分與耗水特性的關(guān)系進行分析，為旱作棗林科學(xué)修剪管理和完善“節(jié)水型修剪”技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點在陜北米脂縣銀州鎮(zhèn)遠志山紅棗示范基地(37°12′N、109°28′E)，該區(qū)域?qū)儆诘湫忘S土高原丘陵溝壑區(qū)，平均海拔1 049 m，地勢總體西北高東南低。米脂縣域西部與榆林的風(fēng)沙區(qū)接壤，地貌類型主要有峁、梁、溝、川。溝道淺而寬、梁峁起伏較大，土壤風(fēng)蝕沙化明顯，植被稀少，水土流失嚴(yán)重。土層深厚，地下水埋深在50 m以下，對植物根系吸水的影響較小。地屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，全年雨量不足，氣候干燥，冬春長，夏秋短，四季分明，日照充沛，年平均氣溫8.4℃，極端最高氣溫38.2℃，極端最低氣溫-25.5℃，無霜期162 d。年均降水量451.6 mm，其中7—8月份降水量占全年降水量的49% ，8月份最多[18]。土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土為主，質(zhì)地為粉質(zhì)沙壤土，容重1.24 g·cm-3，田間持水量為23%。

1.2 試驗布設(shè)與指標(biāo)測定

1.2.1 試驗布設(shè) 研究設(shè)置5個處理，每個處理設(shè)置4個重復(fù)。每個處理面積為6 m2(2 m×3 m)規(guī)格的小區(qū)(如圖1所示)。1～5小區(qū)深度分別2、3、4、5、6 m。各小區(qū)四周采用水泥砌墻與周圍土壤隔離(襯膜)，底部用塑料隔膜限制各小區(qū)深度，2013年各小區(qū)分別栽植1棵棗樹。2014年棗樹度過緩苗期，生長狀況達到穩(wěn)定狀態(tài)，樹體控制規(guī)格為高160 cm±14 cm，冠幅160 cm×160 cm,二次枝總長度300 cm±10 cm，每7天復(fù)查修剪一次，盡量保持樹體規(guī)格指標(biāo)的精準(zhǔn)化。

圖1 研究小區(qū)布設(shè)示意圖Fig.1 Experimental layout

1.2.2 棗樹生長指標(biāo)觀測 在棗樹生育期每隔7天測量一次棗樹樹高、冠幅東西、冠幅南北、冠幅厚度、主枝長度、側(cè)枝總長度、棗吊長度、葉片橫徑、葉片縱徑等各項生長指標(biāo)。主枝數(shù)、側(cè)枝數(shù)、棗吊數(shù)、葉片數(shù)通過目測得到。樹高、冠幅：每月初用鋼卷尺測定一次。主枝：采用鋼卷尺每7天測量一次主枝長度，用游標(biāo)卡尺測量主枝中部粗度，單位為mm。側(cè)枝：每7天在棗樹四面隨機選取3個側(cè)枝，用鋼卷尺測量側(cè)枝長度，用游標(biāo)卡尺測量側(cè)枝中部粗度，單位mm。棗吊：每7天在棗樹四面隨機選取15個棗吊，用卷尺測量棗吊長度，用游標(biāo)卡尺測量棗吊中部粗度，單位mm。葉面積：每7天在棗樹四周隨機選取15片葉片，用直尺測量葉長和葉寬，通過計算求得葉面積(葉面積=葉長×葉寬×0.67)。產(chǎn)量測定：采摘果實稱量得到每棵樹的平均產(chǎn)量，根據(jù)當(dāng)?shù)貤棃@矮化密植的種植密度換算成每公頃的產(chǎn)量。

生物量：用卷尺、鋼尺、游標(biāo)卡尺等測量儀器，測量包括修剪去除的全部枝條長度、枝條枝徑、棗吊長度、棗吊枝徑、單棵棗吊數(shù)目、葉片縱徑、葉片橫徑、棗吊上葉片數(shù)、果實橫徑、果實縱徑、單棵果實數(shù)，然后用佘檀等[19]建立的模型計算生物量，公式如下:

B=B1+B2+B3+B4

(1)

(2)

(3)

(4)

B4=4.568×10-5Z1.374×T0.901

(5)

式中，B為棗樹單株生物量(g)；B1為主枝生物量(g)；D1為主枝直徑(mm)；H1為主枝長度(mm)；B2為側(cè)枝生物量(g)；D2為側(cè)枝直徑(mm)；H2為側(cè)枝長度(mm)；B3為棗吊生物量(g)；D3為棗吊直徑(mm)；H3為棗吊長度(mm)；B4為葉片生物量(g)；Z為葉片縱徑(mm)；T為葉片橫徑(mm)。

1.2.3 土壤含水率測定 在各小區(qū)的中心位置按測量深度分別放置2、3、4、5、6 m深鋁管作為中子儀土壤水分測定點，采用CNC503B型NP中子儀在每月初測定一次土壤體積含水量，測定間隔20 cm，如遇降雨則在雨停之后測定。

1.2.4 土壤儲水量 土壤儲水量計算公式為：

W=0.1rvh

(6)

式中，r為土壤質(zhì)量含水率(%)；v為土壤容重(g·cm-3)；h為土層深度(cm)。

1.2.5 棗樹耗水量 棗樹耗水量的計算公式為：

ET=0.001(P-ΔW)sρ

(7)

式中，ET為作物耗水量(m3·hm-2)；P為降水量(mm)；ΔW為土壤儲水量變化量(mm)；S為平均單棵棗樹占地面積(m2·棵-1)；ρ為棗樹栽植密度(棵·hm-2)。

1.2.6 水分利用效率 水分利用效率計算公式為:

(8)

式中，WUE為水分利用效率(kg·m-3)；Y為產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為作物耗水量(m3·hm-2)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析主要采用Excel 2012和IMB SPSS Statistics 19.0軟件，作圖采用AutoCAD和Origin 9.1軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 限制棗樹生長下的地上生物量與土壤水分

生物量是綠色植物轉(zhuǎn)換利用光能與營養(yǎng)物質(zhì)累積的結(jié)果[20]，旱作棗樹生物量是影響半干旱區(qū)棗林土壤水分的重要指標(biāo)。根據(jù)劉曉麗等的研究，將密植棗林深層土壤剖面分別命名為:強耗水層(2.0～4.4 m)、弱耗水層(4.4～5.0 m)及微弱耗水層(5.0～7.0 m)[21]。本研究中耗水層是指植物根系吸收水分用于植物生長與蒸騰最多的土層，也就是觀測期間土壤含水量發(fā)生明顯變化的土層。在此，對試驗區(qū)2015—2017年棗樹規(guī)格、單株地上生物量(保留部分+修剪部分)、耗水層年平均土壤含水量進行統(tǒng)計(表1)，由表1可以看出同年各小區(qū)之間的生物量在P=0.05水平上無顯著性差異，符合試驗設(shè)計要求。

由表1還可以看出，盡管試驗采取了相同的修剪指標(biāo)控制樹體規(guī)格，限制樹體自由生長，但是不同年份各小區(qū)的生物量表現(xiàn)出2017年>2016年>2015年的規(guī)律。這里可能有樹齡因素也有降水量的影響，觀測期三年中的降水量2015年434.80 mm，2016年590.8.20 mm，2017年619.60 mm，與生物量的變化規(guī)律一致。經(jīng)測算發(fā)現(xiàn)，試驗區(qū)棗樹根系深度還受到小區(qū)深度限制，如1區(qū)和2區(qū)處理深度只有2 m和3 m，導(dǎo)致棗樹根系層深度無法超越小區(qū)深度，同時，小區(qū)深度也會限制土壤儲水量，由于缺少深層土壤水分補給，所以1區(qū)、2區(qū)供給棗樹生長的土壤儲水量較3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)要少，所以棗樹生長總量較小。1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)處理深度逐漸加大，意味著土壤儲水能力和土壤儲水量對棗樹生長作用逐漸增加，棗樹各處理上的總生物量也呈增加的趨勢并呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，三年內(nèi)生物量與小區(qū)深度的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.986**、0.921*、0.963**，但由于我們采取修剪控制樹體生長，各處理之間的生物量差異不顯著，由此造成的各處理地上生物量與耗水層土壤水分差異也不顯著，這也證明限制棗樹生長一定程度上限制了土壤水分的消耗量。

表1 各小區(qū)棗樹生長狀況與水分狀況

注：同列不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters in a column are significant difference atP<0.05 level.

2.2 限定棗樹生長下的棗樹耗水狀況

降雨是試驗區(qū)土壤水分補充的唯一途徑，各小區(qū)地表面積相同，因此接收的降雨量也相同，通過小區(qū)水量平衡可以計算出棗樹耗水量。試驗觀測期間，試驗各處理土壤含水率變化見圖2?？梢钥闯?，2014年棗樹度過緩苗期樹體較小消耗的水分少，土壤含水率達7%左右。2015年，棗樹樹體達到一定規(guī)格，生長需水量增大，但降雨量較少，1～2 m土層土壤含水率接近凋萎含水量，棗樹通過吸收更深層的土壤水分維持生長，導(dǎo)致2015年耗水深度明顯增加。2016年降雨量增加，降雨量能夠滿足棗樹生長需水量，土壤含水量在0～300 cm土層有所恢復(fù)。2017年降雨量較大，在滿足棗樹生長前提下，土壤水分仍有富余，土壤含水量在2016年的基礎(chǔ)上再次增加。3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)320 cm以下土壤水分含量有逐年增大的趨勢，320 cm以上土層各小區(qū)土壤水分變化規(guī)律基本相同，說明棗樹在試驗所限定的規(guī)格下土壤耗水深度均在320 cm左右。根據(jù)馬建鵬等[9]在本地區(qū)的研究，未修剪的5a棗樹耗水深度可達440 cm，試驗地5齡棗樹耗水深度遠低于未修剪的棗樹，說明一定強度的節(jié)水型修剪可以有效降低棗林的耗水深度。研究表明，通過控制樹體規(guī)格可以調(diào)控樹體的水分消耗[22]。樹冠生長與根系生長和土壤水肥資源之間存在函數(shù)關(guān)系，根系吸水能力的變化可用于判斷枝條生長情況[23]。并且樹木地上部分各器官的形成和生長與地下部分根系的形成和生長也密切相關(guān)[24]。通過修剪導(dǎo)致棗樹根系發(fā)生了一系列變化以平衡根-枝比，從而影響根系吸水能力，使棗樹的根系分布層被限制在一定范圍，進而控制棗樹耗水深度[25]。

圖2 各小區(qū)0～600 cm土層土壤水分年際變化Fig.2 The soil moisture in 0～600 cm soil layer under different treatments

由于小區(qū)深度不同，在相同降雨條件下小區(qū)儲水量不同，使得5個小區(qū)存在儲水量梯度。5個小區(qū)在自然降雨條件下耗水層的土壤儲水變化情況如圖3所示。干旱年(2015年)各小區(qū)儲水量相比2014年呈明顯下降趨勢，2016、2017年的土壤水分通過自然降水恢復(fù)，儲水量的變化情況與降水量的變化規(guī)律相同，這說明在非干旱年可以通過節(jié)水型修剪雨養(yǎng)棗樹恢復(fù)土壤干層。

圖3 各小區(qū)耗水層土壤儲水量逐年變化Fig.3 Annual change of soil water storage in water-consuming layer of different test plot

由表2可知當(dāng)降水量多土壤水分含量較高時，棗樹的耗水量較大；反之，降水少土壤水分含量較低時，棗樹對水分的消耗大幅降低。2015年各小區(qū)耗水量分別為456.00、470.60、469.99、488.88、482.66 mm，該年降水量434.8 mm低于當(dāng)年棗樹耗水量，水分嚴(yán)重虧缺，棗樹生長消耗的土壤水分不能被降水及時補充，造成土壤干化。2016、2017年試驗棗樹耗水量分別為546.77、517.45、522.96、530.19、539.62 mm和567.41、560.08、551.56、558.33、549.21 mm，棗樹耗水量均低于當(dāng)年降水量，降水能夠滿足棗樹生長需求。三年試驗期間棗樹平均耗水量為520.78 mm，接近平均降雨量548.40 mm，說明試驗采取的修剪強度符合當(dāng)?shù)亟涤陾l件，可以作為節(jié)水型修剪的控制指標(biāo)。在非干旱年降水量能夠滿足棗樹生長耗水需求。

2.3 限定棗樹生長下的棗樹水分利用效率

陜北地區(qū)干旱少雨，因此提高棗樹的水分利用效率是實現(xiàn)棗林地生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，水分利用效率高，說明棗樹對水分的利用更加經(jīng)濟。將試驗區(qū)附近同類型地塊的常規(guī)矮化密植山地棗樹作為對照，與 2015、2016、2017 年試驗區(qū)各處理的產(chǎn)量和水分利用效率進行了對比分析(表3)。表3可以看出，4個小區(qū)無論是生物量水分利用效率還是產(chǎn)量水分利用效率都明顯高于對照，說明節(jié)水型修剪可以提高棗樹水分利用效率。此外，棗樹的產(chǎn)量還受年降水量的影響，水分充足的2017年平均產(chǎn)量接近2015年兩倍，說明降水量對棗樹產(chǎn)量仍然起主導(dǎo)作用。

表2 各小區(qū)2015-2017年降雨量、儲水量變化量和耗水量比較Table 2 Comparisons of rainfall, changes in water storage and water consumption from 2015 to 2017

表3 各小區(qū)產(chǎn)量及水分利用效率比較

3 討論與結(jié)論

1)植被耗水所導(dǎo)致的土壤水分虧缺是形成土壤干層的主因，深入研究棗林的耗水特征是維系棗林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)采用修剪限定棗樹生長具有明顯的限制棗樹耗水量的作用。雖然在土壤水分較充足或者降雨量大的年份時棗樹耗水量還是略有增加，棗樹生物量也會略有增加，但限定棗樹生長的修剪仍然可以作為防治土壤水分過度消耗的措施。

2)隨著林齡的增長，修剪后棗林耗水深度小于自然生長下的棗林。試驗所采取的修剪規(guī)格，5 a生棗樹耗水深度約為3 m，這個深度可以通過豐水年得到恢復(fù)并且可以補充下層的土壤水分，所以3 m土壤干化的深度可以看成臨時性干層，也就是可允許的干層深度。汪星等的研究也證實在陜北黃土丘陵區(qū)，矮化密植棗林根系分布深度和消耗土壤水分的深度比傳統(tǒng)的稀植棗林淺，說明矮化密植措施降低了棗林根系深度，具有對棗樹根系調(diào)控的作用[25]。試驗區(qū)觀測期各處理的平均耗水量為520.78 mm，接近當(dāng)?shù)仄骄涤炅?48.40 mm，林地土壤水分補充與消耗基本持平，說明試驗采取的修剪強度符合當(dāng)?shù)亟涤陾l件，可以作為節(jié)水型修剪的控制指標(biāo)。水分虧缺的干旱年我們還可以在節(jié)水型修剪的基礎(chǔ)上，增加灌溉、覆蓋保墑等其他措施，盡量限制棗園水分無效消耗，對實現(xiàn)棗林可持續(xù)發(fā)展，防控棗林土壤的干化具有重要意義。

3)棗樹在有限的生長空間內(nèi)依靠自然降雨正常生長，試驗限定棗樹生長的規(guī)格并沒有降低棗樹產(chǎn)量。不同年份棗林產(chǎn)量受降雨量影響，水分充足的年份產(chǎn)量較高，水分虧缺的年份產(chǎn)量相對較低。與常規(guī)矮化密植山地棗樹相比，試驗棗樹的生物水分利用效率和產(chǎn)量水分利用效率均有所提高，水分利用效率高，意味著棗樹對水分的利用更加經(jīng)濟。說明節(jié)水型修剪在生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價值，所以試驗采用的修剪規(guī)格可作為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)管理的參考。