干化土壤中節水型修剪棗樹生長與水分利用效率研究

汪有科 惠 倩 汪 星 馬建鵬 張文飛

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

干化土壤中節水型修剪棗樹生長與水分利用效率研究

汪有科1,2惠 倩1汪 星2馬建鵬2張文飛2

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

在野外山地設置4種不同土壤含水率水平的定位試驗小區，試驗棗樹采用相同的節水型修剪標準使其保持一致的規格，在自然降水情況下連續2年觀測土壤含水率、棗樹生長、產量等。不同初始含水率的土壤在自然降水條件下，土壤含水率趨向某一個值，該值受年降水量的影響而異，2014平水年該值為(13.83±0.22)%，2015偏旱年為(9.46±0.32)%。初始土壤干化程度不同會顯著抑制棗樹棗吊生長和果實個數，在相同干化土壤中棗樹的生長取決于當年的降水量，但節水型修剪下的產量比常規矮化修剪提高36%～41%，產量水分利用效率提高3.6倍以上。節水型修剪技術有利于提高棗樹的產量水分利用效率。

棗樹； 修剪； 雨養； 土壤含水率； 水分利用效率

引言

陜北黃土丘陵區地處半干旱半濕潤氣候帶[1]，干旱缺水和水土流失是限制該地區林業可持續發展的兩大瓶頸[2-3]。為了治理水土流失改善當地惡化的生態環境，國家長期以來大力號召植樹種草，特別是1999年進行的退耕還林工程對黃土高原水土流失治理和改變該區域的生態景觀起到顯著的作用[4-8]。黃土高原實施退耕還林以來，由于大面積種植高耗水的林木導致該地區土壤水分消耗增加，土壤水分生態問題——土壤干化普遍出現[9-11]。土壤干化是指在林木種植地區，由于植被蒸騰耗水較多，天然降雨不能有效補充，致使土壤深層的水分持續嚴重虧缺，土壤含水率長期處于較低狀況[12]。土壤干化是北方少雨地區人工植被土壤退化的主要表現形式[13]，已經成為黃土高原廣泛存在的一種水文現象[14]，關于土壤干化方面的研究已有很多[15-22]。前期研究證明半干旱區所有無灌溉的人工喬、灌林和紫花苜蓿等多年生豆科牧草都能使土壤干化[23]。

山地密植棗林是陜北地區自退耕還林形成的大規模特色生態經濟林種，雖然棗樹具有極強的抗旱能力，但是棗林地仍然普遍存在不同程度的土壤干化狀況[24-26]，12齡山地密植棗林土壤干層深度達5.7 m[27-28]，說明棗林地土壤水分生態仍在持續惡化，在缺乏灌溉的丘陵地帶研究減輕棗林土壤干化和提高水分利用效率十分重要。

節水型修剪技術是一種棗園管理技術[29]，它是結合當地自然降雨和土壤水分狀況來確定棗樹目標產量，根據目標產量對棗樹進行修剪，使棗樹規格控制在合理范圍之內。節水型修剪不片面追求棗樹產量，可以減少棗樹的過量蒸騰，使陜北丘陵地區有效的水資源實現水分利用效率的最大化。魏新光等[30-31]研究證實棗樹節水型修剪可以顯著降低棗樹的耗水量，并可提高棗樹的水分利用效率。

本文以節水型修剪下矮化密植梨棗(ZiziphusjujubeMill.)林為研究對象，設置4種不同土壤含水率水平，在完全自然降水情況下測定棗林的土壤水分、棗樹產量、生長等指標，分析評價節水型修剪下不同土壤干化水平對棗樹生長、水分利用效率的影響，以期為該地區棗樹在干化土壤條件下生產管理和研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在陜西省米脂縣孟岔村山地棗樹示范基地(109°28′E、37°12′N，海拔高度870 m)進行，該地區屬于典型的黃土丘陵溝壑區，中溫帶半干旱氣候。年均日照時數2 761 h，年總輻射量580.5 kJ/cm2，年平均溫度8.5℃，無霜期162 d。試驗區土壤為黃綿土，有效氮、磷、鉀、有機質質量比為13.5、2.79、86、210 mg/kg，pH值為8.6，平均坡度為22°。多年平均降水量為451.6 mm，主要集中于7—9月份。2014年降水量460.4 mm，為平水年，2015年降水量380.8 mm，為偏旱年。表層土壤容重為1.29 g/cm3，0～60 cm計劃濕潤層的田間持水量為22%(質量分數)。

1.2 試驗設計

2009年設置4種水分梯度的小區試驗，各小區采用水泥砌墻與周圍土壤隔離，底部用厚塑料膜防滲，使各小區形成封閉土壤環境，每個小區尺寸為2 m×1 m×1 m(長×寬×深)，每個小區栽植一棵棗樹，重復3次，共計12個小區。試驗布設如圖1所示。試驗區的棗樹全部采取節水型修剪保持棗樹長勢長期一致，小區頂部建防雨棚阻擋降水降入小區。2010—2013年連續實施各小區控水，控水采用EQ15型張力計(德國Ecomatik公司生產)監測土壤含水率，結合GP1灌溉控制器實現小區土壤含水率的差異，控制的4種小區土壤體積含水率分別為：1區(15.17±0.23)%、2區(13.33±0.31)%、3區(11.34±0.19)%、4區(8.61±0.14)%。按照萬素梅等[32]土壤干化劃分標準，本試驗區土壤分別處于非干化土壤、輕度干化、中度干化和重度干化狀態。2014年去除遮雨棚時試驗區停止控水，全部試驗開始在自然降水下進行觀測。試驗區每株樹能夠接收的降水量僅為大田棗樹的1/3，依據前期節水型修剪經驗，本試驗樹體控制在高度(110±3.3) cm，冠幅(100±1.8) cm×(100±2.4) cm，該規格約為大田密植棗樹修剪規格的1/2。為了保持試驗樹體規格相對穩定不變，每7 d檢查一次樹體規格變化并剪除多余長度的枝條。試驗觀測時間為2014、2015年2個棗樹生育期。

圖1 試驗布設圖Fig.1 Sketch of test arrangement

1.3 試驗觀測項目與方法

土壤含水率測定：由EQ15型平衡式土壤水分張力計(Equilibrium tensiometer)監測土壤水勢，測量范圍為-1 500～0 kPa。每個小區都安裝土壤水勢儀探頭，埋在距樹干10 cm處，埋設深度為30 cm。所有探頭與DL2型數據采集器(Delta Device，英國)相連，每30 min自動記錄一次數據。土壤含水率由測得的土壤水勢通過土壤水分特征曲線轉換獲得，轉換公式[33]為

(1)

式中B1——土壤水勢，kPaθ——土壤體積含水率，%

氣象要素測定：由安裝在試驗地的自動氣象站觀測氣象參數。包括降水量、風速、太陽輻射、溫度、濕度等。

棗吊長度：在棗樹的東、西、南、北4個方向各選3個棗吊，用卷尺每隔8 d定點測量一次。

單果體積：在棗樹的東、西、南、北4個方向各選3個果實，用游標卡尺每隔8 d測量果實橫徑、果實縱徑，二者的乘積為果實體積。

單果質量：在棗樹果實成熟末期隨機選擇10個果實進行稱量，取平均值。

產量測定：對棗樹果實采摘稱量得到平均每棵樹的產量，然后根據當地棗樹矮化密植的種植密度換算為每公頃的產量。

生物量測定：用卷尺、鋼尺、游標卡尺等測量儀器，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、單棵棗吊數目、葉片縱徑、葉片橫徑、棗吊上葉片數、果實橫徑、果實縱徑、單棵果實數，然后用佘檀等[34]建立的模型計算生物量。

1.4 土壤耗水量與水分利用效率

試驗小區的棗樹耗水量用農田水量平衡法計算。小區周圍有水泥砌墻阻隔，徑流量計為零。小區底部用厚塑料防滲，故沒有地下水的補給。試驗處理為雨養，沒有灌溉水量。因此，計算棗樹耗水量的公式可以簡化為

ETa=0.001(P-ΔW)Sρ

(2)

式中ETa——作物耗水量，m3/hm2P——降水量，mmΔW——計算時段內的土壤儲水量變化量，mmS——平均單棵棗樹占地面積，m2/棵ρ——棗樹栽植密度，棵/hm2

土壤儲水量公式為

W=0.1rvh

(3)

式中W——土壤儲水量，mmr——土壤質量含水率，%v——土壤容重，g/cm3h——土層深度，cm

棗樹的水分利用效率計算公式為

WUE=Y/ETa

(4)

式中WUE——水分利用效率，kg/m3Y——棗樹產量，kg/hm2

1.5 數據處理

用DPS進行數據統計分析，用SigmaPlot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 節水型修剪下棗林不同干化土壤含水率變化

圖2 不同干化土壤下棗林土壤水分變化Fig.2 Changes of soil moisture under different soil desiccation conditions

前期經過遮雨和控制灌溉處理形成了4種土壤含水率差異明顯的小區，各小區試驗棗樹采用統一的節水型修剪保持樹體之間差異最小化。該情況下相同的自然降水對棗樹土壤含水率的影響如圖2所示。由圖2可以看出，2014年生育期開始，體積含水率由小到大排序為：1區(15.17%)、2區(13.33%)、3區(11.34%)、4區(8.61%)，最大值和最小值相差6.56個百分點。對4種小區進行差異顯著性分析，含水率有顯著性差異(P<0.05，下同)，2014年生育期結束時4種小區土壤含水率差異不顯著，說明幾種原來土壤含水率差異的小區經過雨季后土壤含水率在向一個共同含水率靠近。2015年降水量偏少但各處理之間的土壤含水率差異繼續縮小，生育初期土壤含水率最大的為3區(10.44%)，最小的為1區(9.61%)，二者相差0.83個百分點。到2015年生育期結束時，4種小區的土壤含水率相差0.62個百分點。在棗樹的生長過程中，4種小區的土壤含水率一直在不斷地接近一個穩定值。該現象說明，同一地區初始土壤含水率不同的土壤在相同的植被、立地和自然降水條件下土壤含水率差異會縮小，之前不同的土壤含水率會向著一個穩定值靠近，該穩定值由于年降水量的不同而不同，本試驗期間2014年基本穩定在(13.83±0.22)%，2015年穩定在(9.46±0.12)%。

圖3 不同干化土壤對棗吊長度、剪去枝條累積長度和生物量的影響Fig.3 Effects of different soil desiccations on length of branches, length of cutting branches and biomass

連續2年的小區觀測還證明土壤含水率與棗樹生長存在互動關系，或雙向調節作用，即土壤含水率高會促進棗樹生長，棗樹生長加快會降低土壤含水率。結合圖3可知，雖然試驗區棗樹全部實施統一的規格及時進行修剪，但是前期幾年連續的土壤含水率差異處理使得高含水率小區中的棗樹整體健壯，后期修剪量會較大。2014年5月1日—7月9日之間除1區土壤含水率有所下降外，2區、3區、4區的土壤含水率均有所增加。對照各區生物量分析可以看出，生物量(單棵地上生物量，包括修剪去除的枝量，下同)高到一定值土壤含水率即降低(如1區)，生物量低于一定值土壤含水率會上升或者保持不變(如2區、3區、4區)。特別是修剪去除的新增量與小區土壤含水率變化關系密切。截至2014年7月9日各個小區剪去的枝條量為：1區0.72 kg、2區0.43 kg、3區0.40 kg、4區0.35 kg。1區剪去的生物量是2區的1.67倍，所以土壤水分消耗相對較多，土壤含水率下降較快，1區土壤含水率在生長30 d后下降到低于2區土壤含水率，60 d后下降到4種小區的最低值。2區、3區、4區因為樹勢較弱，新增生物量較小，耗水量也較小，在降水的補給下，2014年5月30日之前土壤含水率均在增加，2014年5月30日—7月10日之間土壤含水率保持不變，說明棗樹耗水與同期降水持平。2014年7月10日—8月2日4種小區土壤含水率均處于增加階段，該階段主要是降水量大于棗樹的生長耗水需求，之后棗樹果實膨大又進入生長耗水，各小區土壤含水率開始降低，整個生育期生物量與土壤含水率相互作用，相互促進又相互制約。在生育期結束時，1區的含水率從生育期開始到結束共下降了0.81個百分點，2區下降了1.41個百分點，3區上升了1.01個百分點，4區上升了5.96個百分點，生物量總體表現為：1區>2 區>3區>4區，這說明1區、2區由于高生物量降低了土壤含水率，3區、4區生物量較小耗水較小從而提高土壤含水率，生物量最小的4區中土壤含水率增加最多，說明節水型修剪減小生物量有增加土壤含水率的作用。經過2014年棗樹生長和土壤含水率的互動調整后，2015年春季4種小區土壤含水率已經差異不大，生物量也沒有顯著性差異，在該情況下各小區的生物量和土壤含水率全部取決于降水量，2015年降水量僅為2014年降水量的82.7%，降水量不足造成4種小區的土壤含水率在整個生育期都處在很低的水平。試驗證明，在相同的植物、規格、相同的環境和降水量條件下，初始土壤干化程度不同會產生不同的生物量，植物通過生物量的調節使得土壤含水率接近一個值。

試驗觀測的2年中正好遇到平水年(2014)和干旱年(2015)，平水年各試驗小區也只有降水集中的期間(07-10—08-02、09-18—09-30)土壤出現短暫水分較充足的現象，降水量不足時各個小區土壤很快處于干化狀態。2015年4種試驗小區整個生育期土壤處于中度干化狀態，土壤含水率只有(9.09±1.20)%。所以，土壤干化缺水是該研究區主要特征，不缺水占據的時間很短。

2.2 不同干化土壤中節水型修剪棗樹的生長

2.2.1 棗吊長度、剪去枝條累積長度和生物量

干化土壤對于植物生長不利表現在土壤用于植物生長可調控的水分太少，植物只能依靠當年降水和降水入滲層土壤水分來維持生長。黃土丘陵區棗樹和其他人工林地一樣，0～200 cm深度受降水和根系作用土壤含水率變化明顯，0～100 cm土層是棗樹根系密集區[35-36]且降水入滲最多[37]。當深層土壤嚴重干化后，0～100 cm土層的土壤水分是植物維持生存的最主要資源。所以本試驗小區設計深度為0～100 cm，每個小區土壤體積為2 m3，土壤儲水量很小，用于調控棗樹生長的土壤水分十分有限，該試驗中的棗樹生長能夠較好反映嚴重干化土壤中的節水型修剪棗樹生長特點。2年觀測中棗樹采取高強度的矮化修剪以減輕棗樹生長耗水量和對土壤水分的依賴，該情況下棗樹生長情況如圖3所示。從圖3可以看出，棗吊長度、剪除枝條累積長度、生物量均隨著時間的推移呈現增長—平緩的趨勢。2014年棗吊長度、剪去枝條累積長度和生物量有較大差異，而且因為初始土壤含水率不同導致棗吊、枝條的生長及生物量不同。2014年4種不同干化土壤對棗吊長度、剪除枝條累積長度和生物量影響比較明顯，干化程度越重，棗吊長度越短，剪去枝條長度越小，生物量越少。與1區相比，3區、4區的最終棗吊長度減小7.2%、16.2%，1區、2區的最終棗吊長度相當(圖3a)，說明土壤干化達到一定程度會抑制棗吊的生長。剪去枝條的累積長度1區最多，與1區相比，2區、3區、4區分別減小8.2%、20%、29.3%，說明土壤干化會抑制枝條的生長。2015年初期土壤含水率已經相近，即土壤干化程度相當，此時4種小區的棗吊長度、剪去枝條的累積長度和生物量均無顯著性差異，顯示出當土壤含水率無差異時，降水量決定棗樹的生長，并且生長量接近。但是2015年降水量比2014年少，導致2015年棗吊長度和剪去枝條累積長度比2014年最小的小區還小。2014年棗樹生長差異主要由初始含水率決定。說明春季土壤水分的缺少仍會影響到棗樹的生長，并且會造成明顯的生長差異。節水型修剪棗樹在0～100 cm深度的土壤空間能夠生長，說明節水型修剪棗樹依靠當地降水量就可以滿足對水分的需求，也意味著在當地任何程度的干化土壤中采用節水型修剪棗樹都能生長。

2.2.2 不同干化土壤中棗樹果實的生長

表1為節水型修剪棗樹不同干化土壤對果實的影響。從表1可以看出， 2014、2015年4種不同干化土壤的單果體積、單果質量之間沒有顯著性差異，但是2014年不同干化程度對單棵果實個數影響較大，4種小區之間都有顯著性差異，2015年棗樹單株果實個數沒有顯著性差異，說明春季初始土壤含水率對棗樹結果數量有較大影響。由于干化程度的不同，重度干化的棗樹會利用有限的水量通過減少果實個數來維持自己的生長。干化程度對單果質量和單果體積的影響不顯著，對果實個數影響顯著。與1區相比，2區、3區、4區的果實個數分別減少30.3%、55.1%、64.3%。2015年初期土壤含水率基本趨于一致，4種小區之間果實個數沒有顯著性差異。以試驗區附近同類型地塊的常規矮化密植山地棗樹(高度約2 m，冠幅約2 m×2 m)為對照，2014年4種小區的單果體積、單果質量、單棵樹結果數量與對照均有顯著性差異，2015年4種小區土壤含水率基本相同，小區之間的棗樹多項生長指標接近，其中果實指標只有果實個數與對照有顯著性差異，說明節水型修剪對棗樹產量的作用主要是提高單株果實數量，對于棗樹單個果實增大作用不明顯。

表1 不同干化土壤對果實的影響Tab.1 Effects of different soil desiccations on jujube

注：同列數值后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。對照為試驗地外10 m處常規矮化修剪的棗樹，下同。

2.3 不同干化土壤中棗樹的水分利用效率

無論偏旱年還是平水年，棗樹水分利用效率是一個很重要指標。節水型修剪能否提高棗樹的水分利用效率是關系到該技術能否推廣應用的關鍵。將試驗區附近同類型地塊的常規矮化密植山地棗樹作為對照與2014、2015年試驗區棗樹各個處理的單株生物量、產量、耗水量以及水分利用效率進行對比分析(表2)。從表2看出，4種小區和對照的生物量水分利用效率都有顯著性差異，且對照的生物量水分利用效率都高于4種小區，但4種小區的果實產量水分利用效率高于對照，說明節水型修剪比起常規矮化修剪，主要是將水分利用效率轉移到棗樹的生殖生長方面。2014年初始土壤含水率不同，故4種處理下的產量水分利用效率和生物量水分利用效率有顯著性差異，2015年初始差異小，故沒有顯著性差異。2014年，無論是產量水分利用效率還是生物量水分利用效率，都是1區處理水分利用效率最高。2014年由于初始干化程度有明顯差異，4種小區產量之間都有顯著性差異。干化程度低的1區和2區產量分別高達18 753.0、12 434.3 kg/hm2，產量水分利用效率高達15.7、10.7 kg/m3。4種小區初始干化程度(即初始土壤含水率)換算為儲水量分別為151.7、143.3、113.4、86.1 mm，儲水量最大值與最小值只差65.6 mm，由初始干化程度造成的產量相差12 003 kg/hm2。由此看出土壤初始干化程度對于當年的棗樹產量具有非常重要的作用。

2015年土壤含水率已經不存在顯著性差異，這個階段的產量和水分利用效率主要由降水量決定。2015年生育期降水量為2014年的82.7%，產量為2014年的48.4%，說明降水量對棗樹產量起主導作用。

另外，本試驗各小區處理下的產量和水分利用效率均較高，即使是最低的土壤含水率條件仍然可以獲得6 750.0 kg/hm2產量，該產量相當于當地大田棗林產量的1.5倍。說明采用精細化節水型修剪在當地棗樹旱作增產技術方面具有重要價值，也說明在半干旱區降水不足時棗樹仍有較大生產潛力。

表2 不同干化土壤2014、2015年的單株生物量、產量、水分利用效率比較Tab.2 Comparisons of output, water consumption and water use efficiency of different soil desiccations in 2014 and 2015

2015年4種小區的耗水量都大于生育期的降水量，說明降水量不能滿足棗樹的生長需要，且需要從土壤水分補給，所以在生育期內4種小區的土壤含水率都有所降低，棗林地的土壤基本與對照一樣。2015年節水型修剪下的4種小區的產量、耗水量、產量和生物量水分利用效率都與對照有顯著差異。4種小區產量分別比對照提高36%、40%、41%、36%，產量水分利用效率提高3.6、3.9、3.9、3.7倍，生物量水分利用效率減小2.5%、21.6%、38.0%、65.8%。2014年產量水分利用效率提高14.3、9.7、6.9、5.6倍，生物量水分利用效率降低8%、6%、4%、4%。

3 結論

(1)初始土壤含水率不同的土壤在自然降水環境下土壤含水率會趨向某一個值發展，即土壤含水率存在一個穩定年值，該相對穩定值因每年降水量不同而有所不同。

(2)初始土壤干化會顯著抑制棗樹棗吊生長和果實個數進而影響棗樹產量，這意味著每年的春季土壤含水率會影響到當年的棗樹產量，所以如何提高春季土壤含水率是值得研究的課題。

(3)在降水不足的半干旱黃土丘陵區，采取節水型修剪技術是提高棗樹水分利用效率的有效途徑。2年觀測結果說明常規修剪的大田棗樹生物量水分利用效率高于試驗地棗樹，但產量水分利用效率均為試驗地棗樹高于大田棗樹，說明節水型修剪更有利于水分向生殖生長方向轉化。節水型修剪棗樹與大田棗樹相比，2014年水分利用效率提高4.5倍以上；2015年水分利用效率提高3.6倍以上，證明節水型修剪技術在生產中具有較好的應用價值。

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Growth and Water Use Efficiency of Water-saving Type Pruning Jujube Tree in Dry Soil

WANG Youke1,2HUI Qian1WANG Xing2MA Jianpeng2ZHANG Wenfei2

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

For a long time, the soil of artificial forest land in the loess hilly-gully region was continued to be dry, which had serious impact on the subsequent vegetation. Studying on jujube growth in the dry soil had important significance to realize forestry sustainable development in this region. Four different initial soil volumetric water content levels were set for the experiment in the open air, and the same water-saving type pruning was used to keep consistent specifications. Soil moisture, jujube growth and yield for two consecutive years were tested under a completely natural rainfall condition. Results showed that the soil moisture was tended to be a fixed value for different initial soil moisture contents under natural rainfall. And this value was depended on rainfall. Normal precipitation year soil moisture was steady at (13.83±0.22)% in 2014, partial drought year soil moisture was steady at (9.46±0.32)% in 2015. Different initial soil drying degrees would significantly inhibit the growth of branches and jujube fruit number. Jujube growth under the same dry soil was depended on rainfall. The yield under water-saving type pruning technology was 36%～41% higher than that of conventional dwarf pruning, water use efficiency was increased by more than 3.6 times. Water-saving pruning techniques would improve jujube water use efficiency. This research can solve dry jujube soil water shortage in the loess hilly-gully region and provide new basis for achieving sustainable development. This research had the important theoretical significance and value in practice.

jujube tree; pruning; rainfed; soil moisture; water use efficiency

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.033

2016-07-02

2016-07-29

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAC01B03)和陜西統籌項目(2014KTCG01-03)

汪有科(1956—)，男，教授，博士生導師，主要從事水土保持和節水灌溉研究，E-mail： gjzwyk@vip.sina.com

S152.7； S665.1

A

1000-1298(2017)02-0247-08