不同灌水量對胡楊幼齡林葉水勢與土水勢的影響

何宇翔，武勝利，韓 煒,管文軻

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院/新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室/新疆師范大學實驗室與設備管理處，烏魯木齊 830054;2.新疆林業(yè)科學院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】胡楊是塔里木盆地生態(tài)系統(tǒng)中抵御風沙、遏制沙化、維護區(qū)域生態(tài)平衡、保護生物多樣性和保障綠洲農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的重要屏障[1]。近些年胡楊林大齡樹多、幼齡樹少、病腐的多、健壯的少、分布稀疏的胡楊林多、分布密集的少[2]。干旱環(huán)境下一定量的灌水措施可以促進胡楊幼齡林的生長[3]。研究合理的灌水措施對胡楊幼齡林的更新?lián)嵊兄匾饬x。【前人研究進展】水勢作為最常用的表征植物水分的生理指標，是判斷植物的水分虧缺并衡量抗旱性強弱的重要指標之一，可以反映植物體內(nèi)水分的運輸情況[4-6]。付愛紅等[8-10]研究表明，胡楊葉水勢在趨勢上呈單峰形，1 d中的最高值出現(xiàn)在08：00左右，最低值出現(xiàn)在14：00～18：00，分析了植物水勢在脅迫因素下的響應機制。司建華等[11]結果表明，極端干旱區(qū)胡楊葉水勢的日、季變化曲線均呈單峰型，與當?shù)貧鉁亍⒋髿庀鄬穸取⑤椛湔斩取⑼寥浪值染酗@著相關性。楊培林等[12]研究發(fā)現(xiàn),土水勢隨著土壤深度的增加呈上升趨勢。占東霞等[13]研究發(fā)現(xiàn)，自然生長的胡楊相較于其他樹種更易受到水分脅迫。曾凡江等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)，胡楊生長對水分狀況具有較強的依賴性，一次性人工灌水不會對植物的水分狀況產(chǎn)生顯著的影響。【本研究切入點】前人研究多集中在胡楊近熟林的生理生化特征方面，而對胡楊幼齡林進行科學合理更新?lián)嵊难芯枯^少。需研究不同灌水量對胡楊幼齡林葉水勢、土水勢的影響。【擬解決的關鍵問題】在塔里木河中下游流域選取典型地段，分析人工模擬洪水灌水研究灌水前后胡楊幼齡林的葉、土水勢以及土壤含水量、溫度、電導率變化，研究不同灌水處理對胡楊幼齡林生理生長指標的影響，為改善胡楊幼齡林生長環(huán)境提供合理的灌水依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州輪臺縣南部沙漠70 km處的胡楊林保護區(qū)內(nèi)，E84°14′27″～84°17′50″，N40°11′33″～40°12′36″，年均溫為10.6～11.5℃，年降水量在23～70 mm，其年蒸發(fā)量在2 000～3 000 mm，空氣相對濕度為40%～50%，該地區(qū)全年多風沙，8級以上大風的日數(shù)為41～46 d，土壤類型為鹽堿土[16]。

選取塔里木河中下游離河道1 km處原生胡楊的天然落種、無人工干預、2～4年生的胡楊幼樹作為材料，灌水來源于夏季當?shù)厮畮旌樗畮齑妗?/p>

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設置有灌水樣地9塊、對照3塊，面積均為5 m×5 m，灌水樣地前有2 km左右的地表土溝可近似認為洪水并圍筑30 cm高土堰。樣地內(nèi)幼樹數(shù)量為15～23株不等；設置2、3、4年生胡楊灌水量依次為20 L/m2(W2a-20、W3a-20、W4a-20)、40 L/m2(W2a-40、W3a-40、W4a-40)、60 L/m2(W2a-60、W3a-60、W4a-60)，2、3、4年生胡楊對照樣地各1個(CK2a、CK3a、CK4a)作為對照。選擇該地區(qū)蒸發(fā)量最大的7～9月晴朗天氣試驗，分別在7月21日、8月14日和9月19日灌水，灌水后晴朗天氣采集數(shù)據(jù)。計算灌水量：

H(a-w)×d×s×h.

式中，H為使土壤達飽和含水量的保證系數(shù)，a為土壤飽和含水量，w為土壤自然含水量，d為土壤容重，s為測試區(qū)面積，h為土層需灌水深度。

1.2.2 指標測定

1.2.2.1 葉水勢

各樣地中選3株生長狀況良好幼樹的枝條葉片為樣品，WP4C露點水勢儀提前2 h進行空氣平衡，平衡完成后剪取葉片中部直徑約0.5～1 cm的小塊葉片，放在C-52的4個樣品室中，將樣品室與露點水勢儀連接讀取μv值，每2 h換1次樣品，每次各樣地共測12份樣品。

1.2.2.2 土水勢

在樣地南側挖80 cm深度土坑，土層深度分為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm與60～80 cm共計4個層次。TPSBR-SZL傳感器土水勢探頭提前平衡1 h，依次測得各土層的土水勢，08：00～22：00每2 h測1次，重復3次取平均值。

1.2.2.3 土壤含水量、電導率、溫度

對胡楊林地進行灌水后，將WET型土壤三參數(shù)速測儀探頭埋入土壤1 h，待數(shù)值穩(wěn)定后進行讀數(shù)，測定土壤含水量、電導率、溫度，上述步驟重復3次取平均值，7 d測1次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2016軟件整理數(shù)據(jù)、OriginPro9.1繪制圖表，運用SPSS25.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 胡楊幼樹葉水勢日變化

研究表明，2、3、4年生胡楊幼樹葉水勢日變化均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，且在灌水后葉水勢明顯高于對照，葉水勢最高值出現(xiàn)在08：00，最低值出現(xiàn)在14：00～15：00。2年生胡楊幼樹不同灌水量下葉水勢差值為-1.75～-0.5 MPa，3、4年生胡楊幼樹葉水勢差值則在-0.5 MPa之內(nèi)。2年生胡楊幼樹灌水后的葉水勢分別為-1.98 、-0.57和-0.25 MPa,對照的葉水勢最低值為-2.33 MPa，灌水后葉水勢明顯高于對照且隨灌水量增加而升高。40、60 L/m2處理下2年生胡楊幼樹葉水勢上升趨勢相比20 L/m2處理更加明顯且穩(wěn)定，3種水分處理下3年、4年生胡楊幼樹葉水勢趨勢相近。2年生胡楊幼樹在40、60 L/m2葉水勢極顯著(P<0.01)高于對照葉水勢，40、60 L/m2灌水量更有利于2年生胡楊幼樹的生長；3年生與4年生胡楊幼樹在不同灌水量下葉水勢日變化規(guī)律相似，灌水后葉水勢也極顯著(P<0.01)高于對照葉水勢，而不同灌水量處理的葉水勢變化差異較小。表1

表1 2～4年生胡楊幼樹葉水勢對不同灌水量日響應變化描述特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of diurnal variation of leaf water potential of Populus euphratica seedlings to different irrigation amounts from 2 to 4 years old

灌水后胡楊幼樹葉水勢均有所提高，其生存能力得到加強；而對照幼樹的葉水勢在上午10:00后開始顯著下降。不同樹齡的胡楊幼樹對灌水量的需求不同，樹齡越小，對灌水量的要求越高；樹齡越大，胡楊幼樹自身的生存適應能力越強，灌水量要求較小。圖1

圖1 2～4年生胡楊幼樹葉水勢日變化Fig.1 Diurnal variation of leaf water potential in Populus euphratica seedlings from 2 to 4 years old

2.2 胡楊幼樹土水勢日變化

研究表明，胡楊幼樹土水勢日變化在不同灌水量下均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，單峰“V”型變化特征，灌水后土水勢明顯高于對照，最高值出現(xiàn)在08:00，最低值在14：00～17：00。胡楊幼樹在3個水分處理下的土水勢比對照土水勢峰值時間提前，灌水后的土水勢差值均在-0.05 MPa范圍內(nèi)，灌水對土水勢有直接影響，而對照樣地由于土壤水分少，土水勢差值為-0.25～0.29 MPa。2年生胡楊幼樹灌水后的土水勢最低值分別為-0.34、-0.17、-0.16 MPa，對照樣地土水勢最低值為-0.44 MPa，灌水后的土水勢明顯高于對照且隨灌水量增加而升高，對照樣地幼樹生長狀態(tài)明顯比灌水后差。60 L/m2處理下2年生幼樹土水勢上升趨勢相比20、40 L/m2處理更加明顯且穩(wěn)定，2年生胡楊幼樹生長有著較高的需水量。2年生胡楊幼樹在40、60 L/m2灌水后土水勢極顯著(P<0.01)高于對照土水勢，20 L/m2與對照之間土水勢顯著性不明顯(P>0.05)，說明在40、60 L/m2水分處理下更利于2年生胡楊幼樹的生長。3年生胡楊幼樹20、60 L/m2灌水后極顯著(P<0.01)高于對照土水勢，40 L/m2與對照之間土水勢顯著性不明顯(P>0.05)，在20、60 L/m2水分處理下更利于3年生胡楊幼樹的生長。4年生胡楊幼樹在不同灌水量處理下的土水勢變化差異較小，樹齡較大的胡楊幼樹需水量較少，同樣的環(huán)境下少量的灌水即可滿足其生長的需求。

胡楊幼樹在灌水后的土水勢均有所提高，比對照土水勢更加穩(wěn)定；灌水對土水勢的影響較大；2年生胡楊幼樹土水勢均值比3年、4年生胡楊幼樹低，樹齡小的幼樹自身適應能力較弱，需水量更大。圖2，表2

圖2 胡楊2～4年胡楊幼樹土水勢日變化Fig.2 Diurnal variation of soil water potentialn Populus euphratica seedlings from 2 to 4years old

表2 2～4年生胡楊幼樹土水勢對不同灌水量日響應變化描述特征Table 2 Descriptive statistical characteristics of diurnal variation of soil water potential of Populus euphratica seedlings to different irrigation amounts from 2 to 4 years old

2.3 胡楊幼樹土壤含水量、溫度和電導率變化

研究表明，胡楊幼樹土壤含水量在不同灌水量下均呈現(xiàn)出隨著灌水量的增加而增加的特征；樹齡越大，胡楊土壤含水量越大，2、3、4年生胡楊幼樹的土壤含水量在20 L/m2處理下為22.37%、23.86%、27.74%；40 L/m2處理下為23.51%、25.89%、24.17%，60 L/m2處理下為26.12%、27.26%、28.76%；土壤深度越大，土壤含水量越高，2、3、4年生胡楊幼樹在20、40、60 L/m2處理下80 cm深度的土壤含水量比0 cm表層土壤含水量分別提高6.80%、11.34%、21.07%、4.87%、6.07%、4.36%、4.76%、6.03%、3.86%。胡楊幼樹土壤溫度在不同灌水量下變化規(guī)律不明顯，但灌水后土壤溫度較對照明顯下降，樹齡越大，胡楊幼樹土壤溫度在灌水后下降低效果越顯著，2、3、4年生胡楊幼樹在20、40、60 L/m2處理下較對照溫度下降了0.5、0.72、1.6、2.34、2.44、2.56、3.42、3.46和3.52℃。灌水后胡楊幼樹土壤電導率較對照明顯下降，灌水量越大電導率下降越明顯，2、3、4年生胡楊幼樹土壤電導率在20、40、60 L/m2處理下較對照分別降低38.61%、39.37%、39.86%、46.50%、46.72%、47.21%、53.69%、54.40%和55.18%，且土壤電導率隨著土壤深度的增加而增加，土壤深度越大，土壤電導率越高。

土壤含水量高低影響植物的土壤水勢高低，干旱環(huán)境下可通過灌水增加土壤含水量，2年生的胡楊幼樹需要足夠灌水量以保障胡楊幼樹的正常生長，而對于3、4年生的胡楊幼樹則可以在2年生胡楊幼樹灌水量基礎上適當減少灌水量。圖3

圖3 胡楊2～4年幼樹土壤含水量、溫度、電導率變化Fig.3 Changes of soil humidity,temperature and conductivity of Populus euphratica seedlings in 2 to 4 years

3 討 論

當生存環(huán)境中的水分不能滿足其正常生長需求時，胡楊幼樹生存就會受到威脅，降低水勢以適應環(huán)境[17]。李小琴等[7]、高麗娟[18]研究表明，水勢是研究植物水分狀況的最佳判斷指標，當植物受到水分脅迫時，會降低自身水勢從土壤中獲取水分。當水勢降低到低于-1 MPa時會抑制植物的生長發(fā)育，葉片生理生化過程將受到抑制影響生存能力[19]。胡楊幼樹在不同灌水量下的葉水勢、土水勢呈早晚高，中午下午較小，均為“V”型趨勢，2、3、4年生胡楊幼樹平均值分別為-0.496、-0.193、-0.153 MPa，而對照胡楊幼樹平均值為-1.47、-1.46、-1.46 MPa，一定程度體現(xiàn)了胡楊幼樹適應環(huán)境的生理機制。胡楊幼樹采用降低自身水勢來適應干旱環(huán)境與側柏(Platycladusorientalis)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、刺槐(Robiniapseudoacacia)[20]等大多數(shù)植物通過低水勢抵抗脫水耐旱機制類似，體現(xiàn)了胡楊耐旱的特性。植物在受到水分補充后能否迅速恢復并修復干旱對其造成的影響是體現(xiàn)耐旱性的重要表現(xiàn)[21]。2～4年生胡楊幼樹的葉、土水勢均隨灌水量的增加而逐漸提高，與王丁[22]研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特主要造林樹種降低干旱脅迫因素后，苗木水勢逐漸提升的結果一致，反映了不同地區(qū)植物水分生理特征和適應機制的相似性。

王項娜[23]研究認為土壤鹽分和干旱造成的滲透脅迫是限制植物生長的重要因子，定期灌水胡楊幼樹能夠適應土壤水分變化，減少其受干旱脅迫的損失。楊玉海等[24]研究發(fā)現(xiàn)，塔里木河下游胡楊幼樹在飽和灌水15 d后土壤含水量就處于重度干旱脅迫水平，21 d后幼樹生長會受到傷害。在塔里木河中下游地區(qū)影響植被生存的除了水分外，鹽分也是重要因素之一可以用來衡量胡楊的鹽脅迫程度，并且土壤鹽分濃度越高，土壤電導率越高[25-26]。莊麗等[27]研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量對土壤鹽分的影響比地下水位大，土壤中鹽分過多會使土壤水勢下降影響植物水勢，定期人工輸水有效降低該區(qū)域內(nèi)土壤含水量和土壤鹽分。研究也發(fā)現(xiàn)不同灌水量后樣地內(nèi)土壤含水量明顯提高，灌水量越大土壤電導率越低，土壤溫度也隨之降低，但土壤溫度對胡楊幼樹生長影響不大，灌水后胡楊幼樹枝葉嫩綠生長較好，而對照胡楊幼樹枝葉則出現(xiàn)枯黃落敗，多次灌水后胡楊幼樹生長狀態(tài)得到改善補充，短期灌水的意義不大多次灌水才能有效促進胡楊幼樹的生長。胡楊幼樹水勢與環(huán)境因子的關系需要進一步加強研究。

4 結 論

多次灌水對干旱區(qū)胡楊幼樹的生長有著明顯的促進作用。不同灌水量下胡楊幼樹的葉水勢與土水勢明顯高于對照處理，且灌水量越大水勢越大，葉水勢與土水勢日變化差異為60 L/m2<40 L/m2<20 L/m2<對照，2年生、3年生、4年生胡楊幼樹的最適宜灌水量為60、40和20 L/m2。灌水有效增加了胡楊幼樹的土壤含水量，降低了土壤電導率和土壤溫度從而減輕淺層土壤中的鹽分堆積，改善了胡楊幼樹的生存環(huán)境。