孔凱凱 師戈里 韓煒武勝利文強(qiáng) 管文軻

(新疆師范大學(xué)，烏魯木齊，830054) (新疆維吾爾自治區(qū)林業(yè)和草原局) (新疆師范大學(xué)) (新疆林業(yè)科學(xué)研究院)

土壤環(huán)境能對植物生長發(fā)育產(chǎn)生重要影響，而水分則是影響塔里木河胡楊(Populuseuphratica)更新的主要因素之一。如何加強(qiáng)胡楊生長季蓄水保墑、協(xié)調(diào)胡楊需水的矛盾，是塔里木河沿岸胡楊良好生長的關(guān)鍵[1]。地表覆蓋可以改善土壤微環(huán)境，提高植物抗旱性，被廣泛推廣使用。當(dāng)前地表覆蓋物主要有液膜、秸稈和沙土覆蓋等方式[2-4]。相關(guān)研究表明，液膜可以改善土壤水熱條件、提升葉片光合能力，但也有覆膜時(shí)間長，產(chǎn)生地溫過高，造成有機(jī)質(zhì)礦化、水漬、影響植株光合機(jī)構(gòu)活性等報(bào)道[2，5-6]。草苫子作為可降解材料，對調(diào)節(jié)土壤水分、有機(jī)質(zhì)、提高葉片光合能力等方面作用顯著，也具有較好的資源可持續(xù)利用效應(yīng)[2，4，7]；沙子作為地域性的覆蓋，具有保水增溫、抑鹽堿等作用[8]。近年來，隨著農(nóng)田覆蓋技術(shù)的發(fā)展，地表覆蓋在林業(yè)領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。王力剛等[9]認(rèn)為地表覆蓋可以大幅提高土壤含水量，顯著提高造林成活率。孫旭偉等[8]、趙榮瑋等[10]認(rèn)為地表覆蓋可有效減弱地表水分的蒸發(fā)，為植物的生長發(fā)育提供良好的生存環(huán)境條件。國內(nèi)外對地表覆蓋的研究主要集中在土壤水溫、養(yǎng)分、植株光合生理性能以及生長與產(chǎn)量效應(yīng)等方面做出相關(guān)詮釋，但缺乏全面的效應(yīng)評價(jià)和機(jī)理研究。此外，地表覆蓋雖具良好的蓄水保墑，但水分下滲困難，對植株生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響[10]。因此，塔里木河沿岸胡楊幼苗的更新生長采用何種覆蓋物與覆蓋方式已成為當(dāng)前亟待解決的主要問題。

以1年生胡楊幼苗為試驗(yàn)植株，通過覆蓋液體地膜、草苫子、沙子，探討3種地表覆蓋物在不同月份，對土壤水分、葉片光合特征和生長發(fā)育的影響，綜合分析各覆蓋物的差異性及效果，針對胡楊幼苗的前期管理和后期為野外天然胡楊幼苗生長調(diào)控的最佳保墑措施提供借鑒。

1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于庫爾勒市巴州苗圃，地處塔里木河中下游段，屬典型暖溫帶大陸性干旱氣候，總?cè)照諘r(shí)間2 990 h，平均氣溫11.4 ℃，年最高氣溫為7月份，月平均氣溫27.8 ℃。年均降水量58.7 mm，最大蒸發(fā)量為2 788.2 mm[11]。常年盛行東北風(fēng)，夏季風(fēng)熱同期，揚(yáng)塵浮沙嚴(yán)重，對干旱區(qū)植物的生長造成嚴(yán)重危害[8]。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

供試植株為巴州苗圃溫室大棚中長勢良好的1年生胡楊幼苗。土壤類型為粉砂壤土，土壤總鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.65 g·kg-1，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)：有機(jī)質(zhì)16.3 g·kg-1、堿解氮58.0 mg·kg-1、速效磷28.2 mg·kg-1、速效鉀538.4 mg·kg-1。液體地膜由陜西楊凌明瑞化工科技公司生產(chǎn)，包括渣油、瀝青、乳化劑和水4種成分；草苫子(約40 cm×20 cm)和沙子(粒徑約2 mm)均由巴州苗圃提供。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年4月20日在巴州苗圃進(jìn)行穴狀整地，次日移栽胡楊幼苗于試驗(yàn)地中，共設(shè)置覆膜(T1)、覆草苫子(T2)、覆沙(T3)和裸地(CK)4個(gè)處理，每穴(處理)栽植3株，每處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列，相鄰兩個(gè)處理間種植一行面積相等的胡楊幼苗作為保護(hù)行。小區(qū)總面積為112 m2，其中每處理占地面積4 m2。T1處理，預(yù)留以植株為圓心，半徑為10 cm的圓，剩余部分均勻噴設(shè)液體地膜(2倍稀釋水分)；T2處理，樣地經(jīng)踩塌均勻覆滿小區(qū)，厚度約為10 cm，覆蓋量1.8 kg/m2，為防止風(fēng)襲，在表層覆土約2 cm；T3處理，粒徑約1 mm的沙子均勻覆滿小區(qū)，厚度約5 cm；CK為對照組，裸地，常規(guī)種植。

5月30日開始灌水處理，9月1日灌水結(jié)束，周期為8 d，嚴(yán)格遵循胡楊幼苗移栽野外灌水規(guī)范。采用測墑補(bǔ)灌法確定灌水量[12-13]，公式為：Sa=10ρH(βi-βj)。式中：Sa為灌水量，H為試驗(yàn)土層深度，ρ為土壤密度，βi為目標(biāo)相對含水量(本試驗(yàn)為20%)與田間持水量的乘積，βj為灌溉前土壤含水率。

根據(jù)胡楊幼苗的生長周期，將4月21日—5月28日定義為緩苗期，5月29日—6月30日為生長前期，7月1日—7月31日為生長中期，8月1日—8月31日為生長后期。

2.3 測定項(xiàng)目

土壤水分：每個(gè)月中旬灌水8 d后(6月22日、7月23日、8月24日)利用土鉆取土烘干法[2](105 ℃，10 h)測定土壤含水率，每處理選擇距穴100 cm處取土，重復(fù)3次。由于試驗(yàn)植株為1年生幼苗，本試驗(yàn)只取0～80 cm土層深度的土樣，每隔20 cm取一層。

生長指標(biāo)：8月31日測定每處理內(nèi)所有植株的株高和地徑。株高采用鋼卷尺測量；地徑采用游標(biāo)卡尺測量；計(jì)算株高和地徑的相對生長率(R)[14]：R=[(lnQ1-lnQ2)/Δt]，Q1為8月31日測定的數(shù)值，Q2為種植時(shí)測定的數(shù)值，Δt為緩苗期結(jié)束(5月30日)到測定數(shù)據(jù)(8月31日)所用的時(shí)間。

氣體交換參數(shù)：6月22日、7月23日和8月24日(灌水8 d后缺水的自然條件更能體現(xiàn)不同處理的生理差異)利用LI-6400XT便攜式光合儀(Li-COR，USA)在8:00—20:00測定光合日變化。每個(gè)處理選取5片長勢良好的中上部葉片，每隔2 h進(jìn)行測定，每片葉重復(fù)3次。6月22日、7月23日和8月24日的光合有效輻射(PAR)的日平均值分別為1 382.25、1 519.39、1 476.84 μmol·m-2·s-1。參數(shù)包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、葉片水分利用效率(WUE)=Pn/Tr，每個(gè)月的數(shù)據(jù)均取8:00—20:00的平均值。

7月21日—23日，在9:00—12:00測定胡楊幼苗的光響應(yīng)曲線。儀器設(shè)置為開放式氣路，CO2摩爾分?jǐn)?shù)為400 μmol·mol-1，氣體流速為500 μmol·s-1，其余參數(shù)均為默認(rèn)設(shè)置。PAR分別在2 500、2 200、2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、50、20、0 μmol·m-2·s-1的光強(qiáng)點(diǎn)下測定葉片凈光合速率，每個(gè)光強(qiáng)點(diǎn)測定等待時(shí)間為120～180 s。利用直角雙曲線修正模型[15]對曲線進(jìn)行擬合，得到最大凈光合速率(Pmax)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、表觀量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)等參數(shù)。每個(gè)處理3次重復(fù)，數(shù)據(jù)取平均值。計(jì)算公式如下：

LCP=Rd/γ。

式中：α為初始量子效率，β、γ分別為光抑制項(xiàng)和光飽和項(xiàng)。

利用直角雙曲線修正模型擬合得出的光飽和點(diǎn)(LSP)普遍高于PAR值設(shè)定的范圍和實(shí)際野外光環(huán)境的光照強(qiáng)度，原因是模型計(jì)算得到的參數(shù)之間會(huì)相互約束[16]。因此，對弱光條件下(PAR≤200 μmol·m-2·s-1)的Pn和PAR進(jìn)行直線回歸，利用方程計(jì)算LSP。T1、T2、T3和CK處理的線性方程分別是y=0.046x-2.310 9(R2=0.982 7)、y=0.044 3x-0.967 8(R2=0.989)、y=0.034 8x-1.261 4(R2=0.993 3)和y=0.047x-2.222 8(R2=0.984 7)，線性關(guān)系良好(R2>0.95)，用不同處理的線性方程與直角雙曲線修正模型計(jì)算得出的Pmax值相交，交點(diǎn)所對應(yīng)的X軸值即LSP。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS20.0和Origin2017對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和制圖。采用單因素方差分析中的LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。采用Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)胡楊幼苗生長與生理生態(tài)因子之間的相關(guān)性。利用模糊數(shù)學(xué)方法隸屬函數(shù)值法[17]對不同地表覆蓋的效果進(jìn)行綜合評價(jià)。

(1)

(2)

式中：Uij指i處理j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xij指i處理j指標(biāo)的值，Xi,min和Xi,max分別指各處理指標(biāo)中的最小值和最大值。如果胡楊幼苗生長與需計(jì)算指標(biāo)之間呈正相關(guān)，采用式(1)；如果胡楊幼苗生長與需計(jì)算指標(biāo)之間呈負(fù)相關(guān)，采用式(2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同地表覆蓋對土壤含水率的影響

由表1可知，土壤含水率總體表現(xiàn)為3種覆蓋處理均顯著大于對照(CK)(P<0.05)，T1處理與T2處理間無顯著差異(P>0.05)，與其它處理間呈顯著性差異(P<0.05)，T1、T2、T3處理的平均土壤含水率比CK分別提高了26.1%、27.9%和23.5%。主要由于地表覆蓋后形成隔離層，降低了土壤蒸發(fā)累積量，產(chǎn)生較好的抑制蒸發(fā)作用[18]。6月份胡楊幼苗處于緩苗過渡期，耗水相對較少，T1處理土壤含水率最大，T1、T2、T3處理的土壤含水率比CK分別提高了30.7%、30.1%和23.8%；8月份土壤含水率由大到小的順序?yàn)椋篢3處理、T2處理、T1處理、CK，T1、T2、T3處理的土壤含水率比CK分別提高了18.9%、21.7%和23.0%，說明覆膜隨生長期的延長，保水效果逐漸變差，而草苫子土壤含水率略低于細(xì)沙，可能由草苫子后期腐解耗水所致[2]。7月份受高溫的影響，土壤含水率總體低于6月份與8月份，土壤含水率由大到小的順序?yàn)椋篢2處理、T1處理、T3處理、CK，T1、T2、T3處理的土壤含水率比CK分別提高了28.8%、32.6%和23.7%，并且T2處理與其他處理差異顯著(P<0.05)，說明草苫子對高溫干旱的季節(jié)保水效果較好。

表1 不同覆蓋處理下土壤含水率周期變化

注：表中數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.2 不同地表覆蓋對胡楊幼苗生長發(fā)育的影響

株高與地徑作為植物形態(tài)特征的重要體現(xiàn)，可直觀判斷不同地表覆蓋物的效果[8]。由表2可知，3種地表覆蓋物下的胡楊幼苗成活率、株高、地徑及相對生長率均與CK存在顯著差異(P<0.05)，均為T2處理最高，CK最差。T1、T2、T3處理的成活率分別比CK高14.9%、16.1%、10.4%；株高分別比CK高42.6%、46.8%、29.8%；地徑分別比CK高64.3%、87.6%、40.4%。說明3種地表覆蓋顯著促進(jìn)了胡楊幼苗的生長發(fā)育，其中草苫子效果最好。

表2 不同覆蓋處理下胡楊幼苗株高和地徑的差異

注：表中數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.3 不同地表覆蓋對胡楊幼苗氣體交換特征的影響

3.3.1 氣體交換參數(shù)

表3顯示，胡楊幼苗葉片凈光合速率(Pn)隨生長周期而逐漸增高，氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)呈低—高—低的變化趨勢，水分利用效率(WUE)則為高—低—高的變化趨勢。6月份，T1處理顯著提高了葉片Pn(P<0.05)，胡楊幼苗葉片凈光合速率比T2處理、T3處理、CK分別提高了13%、29.2%、31.5%。7月份，受高溫和植株生理耗水的影響，Pn表現(xiàn)為T2處理>T1處理>T3處理>CK，T2、T1、T3處理比CK分別提高51.9%、45.8%、24.8%，且T2與T1處理間無顯著差異，但其余指標(biāo)彼此間均具顯著差異(P<0.05)；8月份，T2、T3處理Pn的提高幅度最為明顯，較比CK分別提高67.5%、55.8%。此外，3種處理下的Gs、Tr變化趨勢與Pn基本一致，且差異顯著(P<0.05)；而3種處理對葉片WUE的影響較小且與CK間無明顯差異(P>0.05)。因此，3種地表覆蓋處理均能夠明顯提高胡楊幼苗葉片的光合性能，其中生長初期液膜效果較好，生長末期草苫子效果最佳。

表3 不同覆蓋處理下葉片光合參數(shù)月變化特征

處理7月份Pn/μmol·m-2·s-1Gs/mmol·m-2·s-1Tr/mmol·m-2·s-1WUE/μmol·mmol-1T1(13.46±0.36)a(0.31±0.006)a(12.50±0.58)a(1.17±0.08)aT2(14.02±0.28)a(0.30±0.005)a(11.79±0.54)a(1.24±0.08)aT3(11.52±0.41)b(0.26±0.007)a(10.55±0.47)b(1.12±0.09)aCK(9.23±0.24)c(0.17±0.004)b(8.92±0.38)c(1.13±0.07)a

處理8月份Pn/μmol·m-2·s-1Gs/mmol·m-2·s-1Tr/mmol·m-2·s-1WUE/μmol·mmol-1T1(12.40±0.35)b(0.17±0.009)b(7.91±0.34)b(1.64±0.08)aT2(15.09±0.29)a(0.28±0.005)a(9.60±0.31)a(1.69±0.09)aT3(14.04±0.40)ab(0.20±0.008)b(8.08±0.29)b(1.81±0.08)aCK(9.01±0.35)c(0.11±0.009)c(5.61±0.31)c(1.66±0.07)a

注：表中數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.3.2 光響應(yīng)特征

由圖1可知，不同覆蓋處理的胡楊幼苗光響應(yīng)曲線變化趨勢基本一致，葉片Pn表現(xiàn)為T2>T1>T3>CK，表明3種地表覆蓋處理有利于葉片有機(jī)物的積累。在PAR位于0～500 μmol·m-2·s-1時(shí)，不同處理的Pn均大幅上升，彼此間差異不顯著(P>0.05)，說明此階段胡楊幼苗受光強(qiáng)影響較大；隨PAR繼續(xù)增大，CK、T3、T1處理逐漸達(dá)到光飽和點(diǎn)(LSP)，彼此間差異顯著(P<0.05)，表明3種地表覆蓋處理增大了植株凈光合速率光響應(yīng)的峰值和光飽和點(diǎn)，但光抑制程度相對減弱。

圖1 不同覆蓋條件下葉片光響應(yīng)曲線差異

由表4可知，不同覆蓋處理的表觀量子效率(AQY)間無顯著性差異(P>0.05)，與CK相比，覆蓋處理顯著提高了葉片最大凈光合速率(Pmax)和LSP(P<0.05)，以T2提高能力最強(qiáng)，T2與T1處理間差異不顯著(P>0.05)；覆蓋處理對光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)和暗呼吸速率(Rd)影響較小，T2處理反而降低了LCP和Rd。3種地表覆蓋處理，顯著提升了胡楊幼苗對強(qiáng)光利用的能力，對利用弱光能力的影響較小，且減少了夜間植株呼吸對光合產(chǎn)物的消耗，有利于光合有機(jī)物的積累[14]。

表4 不同覆蓋條件下葉片光響應(yīng)特征參數(shù)差異

注：表中數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.4 胡楊幼苗生長指標(biāo)的相關(guān)性分析

表5可知，胡楊幼苗的株高、地徑及相對生長率與土壤含水率、葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、最大凈光合速率(Pmax)、光飽和點(diǎn)(LSP)間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與表觀量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)間呈顯著負(fù)相關(guān)(P>0.05)，與水分利用效率(WUE)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)間呈負(fù)相關(guān)。

3.5 不同地表覆蓋對胡楊幼苗效果綜合評價(jià)

不同地表覆蓋對胡楊幼苗產(chǎn)生的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，單一指標(biāo)的評價(jià)往往具有較大的局限性且各指標(biāo)之間也具有一定的相關(guān)關(guān)系。因此，引用統(tǒng)籌各個(gè)參數(shù)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行綜合評價(jià)，才能較準(zhǔn)確的得出有意義的研究結(jié)果。

由表6可知，對環(huán)境、光合等13個(gè)指標(biāo)利用隸屬函數(shù)值法進(jìn)行分析，利用相關(guān)分析的結(jié)果對WUE、AQY、LCP和Rd用公式(2)計(jì)算，其余指標(biāo)均采用式(1)計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得出，不同覆蓋處理的隸屬函數(shù)值由大到小依次為T2處理、T3處理、T1處理、CK。其中，T2處理的平均隸屬函數(shù)值最大，為0.90，屬于Ⅰ級地表覆蓋方式；T3處理、T1處理的平均隸屬函數(shù)值分別為0.65、0.61，可定位Ⅱ級地表覆蓋方式；CK的平均隸屬函數(shù)值為0.09，為Ⅴ級地表覆蓋方式[19]?？梢?，草苫子更有利于胡楊幼苗的生長發(fā)育。

表5 胡楊幼苗生長與生理生態(tài)因子的Pearson相關(guān)系數(shù)

注：*在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；** 在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表6 不同地表覆蓋對胡楊幼苗效果綜合評價(jià)表

4 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)地表覆蓋可以改善土壤生態(tài)環(huán)境，形成有利于植物生長的田間小氣候，從而對胡楊幼苗生長產(chǎn)生良好影響。與CK相比，3種地表覆蓋處理下灌水1 d后土壤含水率差異不顯著，而灌水8 d后土壤含水率差異顯著，這與譚雪紅等[20]研究結(jié)果相一致。由于地表覆蓋后，土壤水分蒸發(fā)界面由直接蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)椤案采w物—大氣”的間接蒸發(fā)，延緩了土壤水分的蒸發(fā)速度[10]。胡楊幼苗生長初期，覆膜土壤含水率最大，這與孫旭偉等[8]在塔中利用覆膜對沙拐棗研究結(jié)果相似，主要是因?yàn)椴萆蛔雍蜕匙拥目紫抖容^大，容易散失水分。Li et al.[21]認(rèn)為覆膜使干旱區(qū)玉米生長前期耗水嚴(yán)重，生長期末出現(xiàn)“青干現(xiàn)象”；Chandra et al.[22]指出在植物生長的干旱期，草苫子蓄水保墑能力更強(qiáng)。這與本研究中胡楊幼苗生長中后期草苫子保水效果較好，液膜保水能力低于草苫子和沙子與這一結(jié)果相吻合。但趙榮瑋等[10]研究表明，地表覆草對土壤蒸發(fā)的抑制效果弱于地表覆膜，是由于在草苫子表層覆土厚度的不一致所引起的差異。

光合作用作為植物生命活動(dòng)重要的基礎(chǔ)，反映植物的生長勢與抗旱特性。干旱缺水影響植物氣體交換過程，降低植物的光合速率，而地表覆蓋措施不僅可以提高土壤水分，更有利于植株光合性能和生長發(fā)育[6，21，23]。各覆蓋處理均不同程度的提高了葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率，其中液膜對三者的影響隨生長期而逐漸降低，這與李云光等[24]對北疆地區(qū)棉花的研究結(jié)果相似，原因是覆膜時(shí)間長，造成地溫過高，土壤水分下降，葉片衰老速度加快所致[5，25]。各覆蓋顯著提高了葉片最大凈光合速率與光飽和點(diǎn)，草苫子處理提升幅度最大，而對水分利用效率與表觀量子效率影響較小，差異不顯著。但草苫子處理下，光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率明顯下降，這與雷俊等[26]的研究結(jié)果相似，原因是草苫子造成地溫偏低作用的結(jié)果[7]。黃萍等[27]認(rèn)為草苫子在植物生長后期可以發(fā)生腐解作用，顯著提高了植株光合速率，與本試驗(yàn)中的草苫子處理植株中后期的結(jié)果相一致。由于胡楊作為喜溫喜光物種，尹曉寧等[2]提出的覆草苫子使地溫偏低影響植株發(fā)育的問題還需進(jìn)一步試驗(yàn)論證。

草苫子不僅可以阻礙毛管水上移，相比液膜來說更具有良好的通透性，便于水分下滲和水汽交換，顯著提高葉片光合速率；腐解產(chǎn)生的肥料也可作為胡楊幼苗進(jìn)行相關(guān)生長的營養(yǎng)物質(zhì)。此外，本研究對不同地表覆蓋的綜合效果只做出初步評價(jià)，但隨時(shí)間的延長，液膜出現(xiàn)大量降解與草苫子面臨腐解的可能性會(huì)影響保墑效果。因此，在時(shí)間尺度下，基于不同覆蓋物對胡楊幼苗產(chǎn)生的效果與成本等還有待進(jìn)一步探究。