京郊櫻桃果園不同農(nóng)藝措施的土壤水熱效應(yīng)及綜合評價

王嘉航，楊培嶺(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083)

0 引 言

櫻桃是北京市都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的特色產(chǎn)業(yè)，在京郊地區(qū)種植面積廣泛，而櫻桃樹系淺根系早熟品種，對土壤的水熱條件要求嚴(yán)苛[1,2]；農(nóng)藝措施的應(yīng)用可以改善土壤的水熱條件，促進作物增產(chǎn)增收，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[3-5]。農(nóng)藝措施的種類繁多，對覆蓋材料或化學(xué)調(diào)控的保墑保溫機理與效果的研究已較為成熟[6-9]，并在不同地區(qū)果園中取得了一定成果[10,11]，但多種農(nóng)藝措施在相同條件下的比較較少。本文對6種研究廣泛且效果較好的農(nóng)藝措施進行了比對，對櫻桃果樹行內(nèi)地面覆蓋和化學(xué)調(diào)控等農(nóng)藝措施下的土壤水熱效應(yīng)進行了探索，并對6種農(nóng)藝措施的使用效果進行了綜合評價。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在北京市通州區(qū)于家務(wù)鄉(xiāng)喜豐悅櫻桃園進行。試驗區(qū)系北溫帶半濕潤半干旱大陸季風(fēng)氣候區(qū)。多年平均氣溫11.5 ℃，多年平均年光照2 250～2 600 h，無霜期185～190 d，多年平均降水量520 mm，降水呈現(xiàn)年際變化大，年內(nèi)集中的特點，汛期為6-9月，一般汛期降水量占全年80%以上。試驗區(qū)占地0.304 hm2，果樹間距為4 m×4 m，種植幼齡櫻桃果樹(樹齡為5 a)，長勢均勻，試驗品種為“紅燈”。試驗區(qū)采用果樹雙行滴灌水肥一體化技術(shù)進行統(tǒng)一的水肥管理，試驗小區(qū)隨機分布，每個小區(qū)內(nèi)包含20株果樹，排除邊界影響，以小區(qū)中部6株果樹作為每個處理的試驗用樹。

1.2 試驗處理

(1)園藝地布。山東龍口凱祥有限公司產(chǎn)品，寬幅1.0 m，雙行覆蓋果樹行內(nèi)2 m，并在連接處用鐵絲縫合、外緣挖淺溝壓實。

(2)液體地膜。昊宇金邦(北京)科貿(mào)有限公司產(chǎn)品，產(chǎn)品以農(nóng)作物秸稈為原材料提取木質(zhì)素、膠原蛋白在交聯(lián)劑的作用下形成的高分子聚合物，完全降解時間約為3個月，按比例1：40稀釋后均勻噴施與行內(nèi)，成膜后呈黑色。

(3)秸稈覆膜。玉米秸稈(粉碎狀)從附近村莊收購，均勻覆蓋于行內(nèi)，將園藝地布覆蓋于秸稈上方，方法同處理(1)。

(4)枝條覆蓋。枝條為園內(nèi)秋季修枝產(chǎn)生并由枝條粉碎機粉碎而得。

(5)塑料地膜：厚度為0.006 mm，寬幅1.0 m，果樹雙側(cè)覆蓋，并在邊緣壓土。

(6)PAM+保水劑：保水劑采用北京漢力淼公司出售的XL果樹專用型保水劑，粒徑4～6 mm，穴施于果樹兩側(cè)滴管帶正下方10～60 cm，每側(cè)200 g，土壤改良劑PAM也由該公司提供。

(7)對照：與試驗處理采用相同的水肥管理方式與制度，不作其他處理。

1.3 測定指標(biāo)

(1)土壤水分監(jiān)測。利用TRIME水分監(jiān)測儀觀測土壤水分動態(tài)，觀測深度分為0～20、20～40、40～60和60～100 cm 4層并用烘干法進行標(biāo)定。

(2)土壤溫度監(jiān)測。利用便攜式土壤溫度儀觀測土壤溫度動態(tài)，觀測深度分別為5、10、20、40和80 cm。

(3)土壤有機質(zhì)含量。在0～80 cm深度內(nèi)根據(jù)土壤質(zhì)地分三層取土，采用送檢的方式，對檢測結(jié)果計算平均值，檢測單位為北京市農(nóng)林科學(xué)院。

(4)櫻桃產(chǎn)量。櫻桃進入采收期后，每個處理選取3株長勢相近的櫻桃樹對櫻桃果實進行一次性采摘，計數(shù)并且稱重。

(5)果實品質(zhì)：果徑利用游標(biāo)卡尺測量，可溶性固形物采用手持?jǐn)?shù)字糖量計(PR-32α，日本)測量，隨機取采摘后櫻桃果實各10個進行測量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

利用EXCEL2010對數(shù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行整理和運算，統(tǒng)計分析與綜合評價采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同農(nóng)藝措施對土壤水分的影響

2.1.1土壤貯水量

表1表明，各農(nóng)藝措施處理均可以提高土壤貯水量，4個深度土層土壤貯水量最高的處理分別是秸稈覆膜、PAM+保水劑、PAM+保水劑和塑料地膜；在0～60 cm深度上，秸稈覆膜處理和園藝地布處理均顯著高于對照；在20～60 cm深度上，PAM+保水劑處理的保墑效果顯著，隨著深度的下降，各處理間的差異性逐漸減弱；從貯水量來看，秸稈覆膜、PAM+保水劑和園藝地布處理顯著提高了土壤0～80 cm的貯水量。其中秸稈覆膜處理提高了5.5%?？傮w來看，土壤0～80 cm的貯水量大小依次為：秸稈覆膜>PAM+保水劑>園藝地布>塑料地膜>液體地膜>枝條覆蓋>對照。

表1 不同處理不同土層的土壤含水率及貯水量

注：顯著性水平為0.05，表示在同一深度處不同農(nóng)藝措施處理之間的差異。

2.1.2土壤水分動態(tài)

不同農(nóng)藝措施下的各層土壤水分狀況見圖1。從圖1中可以看出，4月20日在所有農(nóng)藝措施的布設(shè)完成后，不同處理之間的差異開始表現(xiàn)，此前各處理的土壤含水率差異不大。從5月開始，測量期間共進行了3次灌水(4月23日、5月11日和8月23日)，測試期間，在降雨和灌水的作用下，土壤含水率在2～3 d后測量明顯上升，隨著氣溫的升高，植物蒸騰和土面蒸發(fā)量加大，夏季土壤含水率總體呈下降趨勢，6月進入汛期，降雨頻率和降雨量明顯增多，在降雨和蒸發(fā)的影響下，土壤含水率下降的趨勢緩慢。

從圖1(a)可以看出，在表層0～20 cm，各實驗處理組土壤含水率均在高于對照組，其中最高的為秸稈覆膜處理，土壤含水率比對照平均高出2.83%，說明秸稈和園藝地布組合覆蓋能夠有效地將水分蓄積在表層，對表層蓄水保墑的作用效果較好。此外，僅園藝地布覆蓋也能較好提高表層土壤含水率，其原因是園藝地布阻隔了土壤水分的垂直蒸發(fā)，增加了水分蒸發(fā)的阻力，從而有效地抑制了土壤水分的無效蒸發(fā)，在降雨較少的四五月地膜處理土壤含水率略高于園藝地布處理，而從6月開始，隨著降雨的增加，土壤含水率表現(xiàn)為園藝地布高于地膜處理，可能原因在于園藝地布透水率較高，能夠更好促進降雨的入滲和調(diào)節(jié)在行內(nèi)覆蓋區(qū)域的土壤水分均勻分布。液體地膜處理在噴施后在土壤表面的形成了一層固化膜，同樣阻礙了土壤水分的蒸發(fā)，土壤含水率較對照組處理高。PAM和保水劑組合處理中保水劑混土的深度為10～60 cm，而PAM又增加了土壤水分的下滲，因此該處理在表層保墑效果并不顯著。

從圖1(b)可以看出，在土壤20～40 cm深度處，農(nóng)藝措施處理土壤含水率同樣高于對照。PAM+保水劑處理最為顯著，土壤含水率平均值高于對照1.83%，該層土壤是保水劑的主要埋設(shè)層，PAM+保水劑處理對比其他處理的土壤含水變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)，保水劑在水分供給條件下能夠吸收更多的水分，并在后期緩慢釋放，使土壤含水率在各處理中長期維持在最高的水平。園藝地布和秸稈覆膜處理在該層的土壤含水率相當(dāng)，秸稈覆膜處理土壤含水率下降或上升的趨勢上緩于園藝地布處理，并在后期高于塑料地膜處理。

圖1 測試期間內(nèi)不同深度土壤水分動態(tài)

從圖1(c)可以看出，在土壤40～60 cm深度處，液體地膜和枝條覆蓋處理的土壤含水率在一些時期出現(xiàn)了略低于對照的現(xiàn)象，其他農(nóng)藝措施處理仍高于對照。PAM+保水劑處理效果顯著，該層的土壤含水率變化趨勢較為穩(wěn)定，各處理間差異較小，雖然變化規(guī)律與20～40 cm深度土層一致，液體地膜和枝條覆蓋處理和對照的差異已經(jīng)不顯著(分別高于對照0.12%和0.06%)，與多數(shù)研究一致[12,13]，這或可以說明，地表覆蓋處理對土壤40 cm以下的土壤含水率的影響開始減弱。

從圖1(d)可以看出，在土壤60～80 cm深度處，土壤含水率的變化與上面三層呈現(xiàn)了較大的區(qū)別，覆蓋措施或化學(xué)調(diào)控試劑的使用，改變了土壤對水分的入滲、截留和滲漏能力，從而改變了土壤中水分分布狀況，土壤獲得的水分更多截留在60 cm深度以上土層，由于覆蓋時間尚短，對下層的影響能力有限，而使得60 cm深度以下的土壤含水率偏低。具體而言，行內(nèi)不透水材料(塑料地膜)的鋪設(shè)使得降雨流向行間并下滲，在垂直下滲過程中發(fā)生土壤水分的橫向遷移，為行內(nèi)深層次土壤的水分含量做出貢獻，使土壤含水率高于對照0.32%，液體地膜處理與對照相當(dāng)，其他農(nóng)藝措施處理均不同程度低于對照處理。

2.2 不同農(nóng)藝措施對土壤溫度的影響

2.2.1土壤溫度平均值

從表2中可以看出，在0～80 cm深度的土壤中，中上部的土壤溫度較高，表層和深處的溫度較低，各處理的土壤溫度從上到下均表現(xiàn)為先升高后逐漸降低，最高溫度出現(xiàn)在地表以下10 cm處?？傮w來看，塑料地膜和園藝地布對提高土壤溫度作用顯著，在效果次于二者的處理中，秸稈覆膜處理對0～80 cm土壤的整體保溫效果較好，保水劑對長期內(nèi)提高土壤溫度有著顯著效果，液體地膜對提高0～80 cm土壤整體溫度的能力有限，枝條覆蓋處理整體上降低了土壤溫度。0～80 cm深度上的土壤溫度的加權(quán)平均值表現(xiàn)為：塑料地膜>園藝地布>PAM+保水劑>秸稈覆膜>液體地膜>對照>枝條覆蓋。

地膜覆蓋較對照顯著提高了土壤溫度，其次為園藝地布，但兩者與農(nóng)藝措施處理差異不完全顯著，再次為液體地膜、PAM+保水劑和秸稈覆膜處理，其中，5 cm深度處塑料地膜和園藝地布土壤溫度分別較對照提高了3.22 ℃和1.46 ℃，液體地膜處理的土壤溫度也較高，枝條覆蓋處理的總體溫度顯著低于對照處理；10 cm及以下PAM+保水劑和秸稈覆膜處理的土壤溫度較高。枝條覆蓋在5 cm處的降溫效果顯著，而在10 cm及以下與對照相當(dāng)，除此以外，農(nóng)藝措施處理在各深度均較對照處理相比土壤溫度有不同程度的提高，其中液體地膜僅在5 cm深度處顯著，PAM+保水劑處理在10、20和40 cm深度處提高效果顯著，秸稈覆膜處理在10、20和80 cm處均顯著高于對照，說明農(nóng)業(yè)措施在長期覆蓋的過程中，雖對土壤溫度均具有升溫和保溫的作用，但由于各農(nóng)藝措施的保溫和升溫機理不同，對土壤長期平均溫度的提高程度和作用深度也有著較大的差異。

表2 各深度土壤溫度平均值 ℃

注：顯著性水平為0.05，表示在同一深度處不同農(nóng)藝措施處理之間的差異。

2.2.2土壤溫度動態(tài)

從圖2(a)可以看出，在土壤表面以下5 cm深度處，多數(shù)處理的土壤溫度在測試期間均高于對照組。枝條覆蓋在某些時期也有高于對照的趨勢。秸稈覆膜處理在溫度下降的情形下多高于對照，而升溫時曲線變化較為平緩，枝條覆蓋也表現(xiàn)為相似的規(guī)律，原因是秸稈層和枝條覆蓋層具有較大的厚度，對太陽輻射的阻隔能力較大，且覆蓋層自身吸收了部分熱量，降低了大氣與土壤的熱交換速率，導(dǎo)致在溫度上升時秸稈和枝條覆蓋處理升溫緩慢。秸稈覆膜處理在秸稈覆蓋層的基礎(chǔ)上覆有園藝地布，使其總體升溫的效果優(yōu)于無覆蓋和枝條覆蓋。通過分析，在土壤表面以下10 cm處，各處理的變化規(guī)律與5 cm處相似。

從圖2(b)可以看出，在土壤表面以下20 cm處，所有處理的變化規(guī)律較5和10 cm平穩(wěn)，兩次測量間的變幅均小于上層同一時期，而變化趨勢與上兩處相似。秸稈覆膜和枝條覆蓋處理的變化曲線多次與對照處理曲線相交，對土壤溫度的調(diào)節(jié)作用極為顯著，PAM+保水劑處理通過保水劑持水提高了土壤熱容，在測試中后期逐漸起到對土壤溫度的調(diào)節(jié)作用。

圖2 測試期間內(nèi)不同深度土壤溫度動態(tài)

從圖2(c)可以看出，在土壤表面以下20 cm處，各處理的變化規(guī)律均趨于平緩，在測試期間基本呈現(xiàn)了先緩慢上升后緩慢下降的趨勢，可見當(dāng)深度達(dá)到土壤表面以下40 cm時，溫度的變化受氣溫影響開始變小，土壤自身緩沖能力相對提高，PAM+保水劑處理、秸稈覆膜和枝條覆蓋的對溫度變化的緩沖作用效果相對減弱。在80 cm深度處，整個測試期間內(nèi)土壤溫度變化趨勢極為平穩(wěn)，各處理之間差異很小，故不作詳細(xì)分析。

2.3 不同農(nóng)藝措施的綜合評價

2.3.1綜合適用性指數(shù)

果園土壤有機質(zhì)含量是土壤肥力及果園生產(chǎn)水平高低的重要參考指標(biāo)，有機材料覆蓋是影響土壤有機質(zhì)變化的一個最直接因素[14]；除此之外，土壤溫度和水分是控制有機質(zhì)分解速率的關(guān)鍵因素[15]，因此土壤水分、溫度和有機質(zhì)含量和可以較好的表征出不同農(nóng)藝措施對果園土壤的適用性；產(chǎn)量是衡量果園生產(chǎn)力水平的基礎(chǔ)，果實大小和可溶性固形物含量是衡量櫻桃果實品質(zhì)和經(jīng)濟價值的兩個重要指標(biāo)，通過這3個指標(biāo)可以很好地表征農(nóng)藝措施對果樹生長及果實的適用性。用因子分析法對以上指標(biāo)進行綜合適用性評價，各指標(biāo)的初始值見表3。

首先，通過相關(guān)系數(shù)法將各因子量綱歸一化，得到各因子指標(biāo)的隸屬度值：

表3 各因子初始值

注：土壤有機質(zhì)的測試時間為2015年11月30日。

(1)

式中：F(xi)表示某處理i因子的隸屬度值；xi表示某處理i因子的初始值；ximax和ximin分別表示i因子初始值中的最大值和最小值。

然后，利用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對初始變量進行因子分析。在提取2個公因子后，公因子的累積貢獻率可以達(dá)到89.903%，即2個公共因子可以解釋約90%的總方差，且通過相應(yīng)的檢驗，計算結(jié)果理想。提取公因子方差值并確定權(quán)重系數(shù)Ki，結(jié)果見表4。

最后，根據(jù)式(2)計算不同農(nóng)藝措施的綜合適應(yīng)性指數(shù)，結(jié)果見表4。

CAI=∑ni=1Ki F(xi) (2)

由表4可知，各處理的綜合適用性指數(shù)由大到小依次為：PAM+保水劑>秸稈覆膜>園藝地布>塑料地膜>液體地膜>枝條覆蓋>對照。根據(jù)綜合適用性指數(shù)可知，京郊果園較適宜的農(nóng)藝措施為PAM+保水劑和秸稈覆膜，其次為園藝地布，塑料地膜和液體地膜對果園的適應(yīng)性相當(dāng)，在綜合考慮土壤和果樹效應(yīng)的條件下，幾種農(nóng)藝措施中，枝條覆蓋相對效果并不理想，但其綜合適用性指數(shù)也高于不采取措施的對照組，說明在一定條件下枝條覆蓋也是對果園適用性較好的農(nóng)藝措施。

2.3.2成本分析

根據(jù)試驗布置實際情況，結(jié)合相關(guān)文獻及以往實踐經(jīng)驗，計算各項農(nóng)藝措施的成本見表5。農(nóng)藝措施材料總成本分為3部分(材料費、加工費和人工費)，枝條覆蓋由于可以使用果園內(nèi)修剪的枝條，故不計算材料成本，而枝條的粉碎在果園內(nèi)進行，加工費包含有樹枝粉碎機能耗及人力投入；秸稈以粉碎狀買入，故加工費包含在材料費內(nèi)；園藝地布和秸稈覆膜處理中加工費產(chǎn)生于園藝地布鋪設(shè)過程中固定地布的材料(地釘、鐵絲等)產(chǎn)生的費用；人工費以當(dāng)?shù)貎r格80元/(人·d)計；在其他果園管理水平相同的情況下，管理費的區(qū)別主要在于果樹行內(nèi)人工除草的差異，取相對值：塑料地膜、園藝地布能夠完全阻止雜草的生長記為0，液體地膜和枝條覆蓋均能在一定程度上減少雜草生長但沒有完全避免，除草工作量約為正常條件下1/2；以使用年限分?jǐn)偛牧峡偝杀居嬎隳昃杀綶式(3)]，解釋為：在進行農(nóng)藝措施多年連續(xù)應(yīng)用的情形下，果園相對于不采取任何措施每年多消耗或節(jié)省費用。

年均成本 = 材料總成本 / 預(yù)計使用年限 + 管理費

(3)

按照以上方法計算各農(nóng)藝措施的成本，結(jié)果見表5。各農(nóng)藝措施成本由高到低排列依次為：PAM+保水劑>液體地膜>秸稈覆膜>塑料地膜>園藝地布>對照>枝條覆蓋。

表5 各處理成本計算

PAM+保水劑、液體地膜和秸稈覆膜處理年均成本均高于對照處理2倍以上，PAM+保水劑處理進行成本控制可以從解決材料費的成本入手，嘗試研究更為廉價的保水劑的應(yīng)用效果；液體地膜的主要成本在于每年兩次噴施的人工費，由于果樹行內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，人工作業(yè)成本很難降低；秸稈覆膜處理中秸稈的成本為5.310元/m2，是成本較高的主要因素，但由于需求量較大，成本很難再降低。枝條覆蓋處理由于使用園內(nèi)修剪下來的枝條，成本降低了35.05%，但櫻桃果園年修剪枝條量約為2 250 kg/hm2，而進行覆蓋對粉碎枝條的需求量約為3萬kg/hm2，遠(yuǎn)大于果園的年枝條供應(yīng)量，要實現(xiàn)全園覆蓋，要么在果園內(nèi)分區(qū)域逐年覆蓋，要么從果園外進購材料，這樣做會導(dǎo)致農(nóng)藝措施對于果園的整體適應(yīng)性或成本發(fā)生較大變化。園藝地布覆蓋在6種農(nóng)藝措施中綜合適用性較好，成本與對照相近，因此，基于本文的研究認(rèn)為，園藝地布是適宜在京郊果園推廣的農(nóng)藝措施。

3 結(jié) 語

(1)所有農(nóng)藝措施的保墑效果均優(yōu)于對照處理，土壤0～80 cm的貯水量大小依次為：秸稈覆膜>PAM+保水劑>園藝地布>塑料地膜>液體地膜>枝條覆蓋>對照，且秸稈覆膜和園藝地布在0～60 cm深度土層、PAM+保水劑處理在20～60 cm深度土層的保墑效果極為顯著。

(2)多數(shù)農(nóng)藝措施對土壤溫度具有提高效果，枝條覆蓋對土壤溫度具有降溫效果，0～80 cm深度上的土壤溫度平均值表現(xiàn)為：塑料地膜>園藝地布>PAM+保水劑>秸稈覆膜>液體地膜>對照>枝條覆蓋。

(3)農(nóng)藝措施的應(yīng)用具有長期性，通過果園土壤和果樹的響應(yīng)對農(nóng)藝措施進行評價，表明不同農(nóng)藝措施的適用性依次為：PAM+保水劑>秸稈覆膜>園藝地布>塑料地膜>液體地膜>枝條覆蓋。

(4)PAM+保水劑和秸稈覆膜處理雖然對果園的綜合適應(yīng)性效果較好，但由于成本過高，不利于推廣，枝條覆蓋雖然降低了成本，但全園覆蓋存在覆蓋材料不足的問題，其適用性略遜色于其他農(nóng)藝措施，園藝地布處理既具有較好的適用性又與對照成本相近，故認(rèn)為較適宜在京郊果園推廣。

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