黃土旱塬區蘋果園生草覆蓋對深層土壤水分和根系分布特征的影響

李惟婕，王立，馬景永，王自奎

（蘭州大學草地農業科技學院，草地農業生態系統國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730020）

黃土高原地區是我國蘋果（Malus pumila）主產區之一，蘋果產業已成為當地農民增收致富和實現全面小康的支柱產業［1］。然而傳統果園主要采用清耕制的耕作管理方式，化肥和農藥投入量很高［2］。長期清耕管理會導致果園地力退化、生物多樣性降低、果實產量和品質下降等一系列生態和生產問題［3-4］。果園生草覆蓋是指在果樹行間或全園種植草本植物的一種果園土壤耕作管理模式，在國內外已經廣泛應用［5］，具有改善土壤結構與肥力、增加農業系統固碳、壓制雜草、減少農藥施用量等諸多生態服務功能［6］。

在黃土高原推廣蘋果園生草覆蓋種植模式一方面可提升果園的生態效益，另一方面可生產牧草、提高土地的利用效率，符合國家糧飼兼顧的農業發展戰略［7-8］。目前在黃土高原地區針對果園生草覆蓋的研究主要側重于短期生草覆蓋對淺層土壤理化性質、土壤含水量和根系分布的影響。例如李會科等［9］在渭北黃土高原旱地果園研究了果園生草覆蓋后土壤物理性質的改變，發現生草覆蓋降低了0～40 cm土層土壤容重，增加了孔隙度，提高了水穩性團聚體含量；高茂盛等［10］在渭北黃土高原旱地果園研究發現生草處理0～60 cm土層土壤在5月土壤貯水量最低，較裸地低31.7 mm，而在10月與裸地貯水量相當；白崗栓等［11］在渭北黃土高原旱地果園種植白三葉（Trifolium repens）和鴨茅（Dactylis glomerata）后0～120 cm土層土壤水分降低，蒸散量較清耕果園分別提高了30.20和48.65 mm；楊萍［12］發現在隴東旱塬蘋果園不同覆蓋處理下，生草覆蓋果園表層（0～40 cm）果樹根系活力和鮮重較清耕果園高。根系是果樹吸收水分的重要器官，果園地面生草覆蓋管理主要通過果草種間競爭影響果樹根系的分布而影響果樹的吸水范圍和吸水量，進而影響果園水分狀況和生產力［11］。旱作果園果樹根系分布較深，生草覆蓋提高降水入滲速率和果園表層土壤水分含量已經被廣泛證明［8，13-14］，但是果草競爭對土壤深層土壤水分的影響還不確定，果草復合系統中果樹根系在不同土層的分布規律及用水策略還缺乏研究。

以黃土高原隴東地區旱作蘋果園為研究對象，設置清耕和生草處理，以農田為對照，研究生草管理對蘋果園深層土壤水分變化規律的影響，分析清耕和生草覆蓋果園果樹根系密度的空間變異及其與土壤水分的關系，以期為隴東黃土高原地區蘋果園生草覆蓋模式的推廣應用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗在甘肅慶陽草地農業生態系統國家野外科學觀測研究站蘋果園進行。該站位于甘肅省慶陽市西峰區什社鄉（35°39′N，107°51′E），海拔1297 m。該地區是典型的黃土旱塬雨養農業區，當地的主要糧食作物為小麥（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays），主要經濟作物為蘋果。多年平均氣溫為10.1℃，平均年降水量為568.2 mm（2001-2020年），降水年際與季節間分布不均勻，年內多集中在7-9月。圖1為慶陽地區2020和2021年以及多年（1969-2019年）的平均氣溫和降水量，2020年6月1日之前降水量很小，降水主要發生在6月中旬；2021年3-7月降水分布較為均勻。試驗地土壤類型為黑壚土，0～500 cm土層質地類型均為粉壤土，粉粒含量為73.8%～80.5%，黏粒含量為7.6%～8.8%，砂粒含量小于10.0%。2020年測定的果園0～500 cm土層田間持水量和土壤容重列于表1中。

圖1 慶陽試驗站2020和2021年月降水氣溫變化趨勢及其與多年平均值的比較Fig.1 Dynamics of precipitation and air temperature at Qingyang experimental station in 2020 and 2021 and comparison with the long-term average

表1 清耕蘋果園0～500 cm不同土層土壤容重和田間持水量Table 1 Soil bulk density and field water capacity in the 0-500 cm soil profiles in apple orchard

1.2 試驗設計

試驗果園為喬化蘋果園，蘋果品種為秦冠，果樹行距400 cm，株距400 cm。果園于2004年建植，在2004-2014年實施清耕管理。果園生草覆蓋試驗于2014年秋季開始，試驗設置果園清耕處理和行間生草覆蓋處理，以同試驗站作物田（距離50 m）為對照。生草覆蓋處理于2014年秋播種鴨茅，播量為15 kg·hm-2，生草帶邊緣與樹干距離為70 cm，帶幅寬度為260 cm，鴨茅在抽穗前刈割，每年刈割3～5次；清耕處理每年春季施肥前翻耕或旋耕平整土地，蘋果樹生育期內采用中耕鋤草的方法清除雜草。清耕和生草覆蓋果園均占地0.3 hm2。2020年6月22日和2021年7月4日在清耕和生草覆蓋果園中選擇3株長勢一致且位于果園中間位置的果樹作為重復，分別在果樹行間和行內進行土壤和根系取樣，同時選擇果園旁邊的一年生作物田為對照進行取樣。

1.3 指標測定與計算

采用內徑為9 cm的根鉆進行土壤和根系的取樣。如圖2所示，每個蘋果樹底下設置4個采樣點，分別為蘋果樹的行間距離蘋果樹樹干100和200 cm處（簡稱行間100 cm和行間200 cm）和蘋果樹的行上距離蘋果樹樹干100和200 cm處（簡稱行上100 cm和行上200 cm）。各取樣點取樣深度均為500 cm，根鉆沿深度方向每10 cm取樣一次，每兩次取樣（20 cm）裝進一個土帶進行根系和水分的測定，因此每棵樹下每個取樣點共包括25個土樣，果園6個果樹共計測定600個土樣。

圖2 果園生草覆蓋系統中果草配置及生草覆蓋（a）和清耕果園（b）土壤取樣位置Fig.2 Diagram of apple tree-cover crop system and soil sampling points in cover crop（a）and clean tillage（b）treatments

取土后立即從土樣中取出少量裝入鋁盒，用烘干法進行土壤含水量的測定，然后通過容重換算為體積含水量。第i層土壤體積含水量（wi，%）、土壤貯水量（Wi，mm）及土壤水分虧缺量（ΔSi，mm）的計算公式為：

式中：Mi為濕土質量（g）；mi為烘干后土壤質量（g）；γi為土壤容重（g·cm-3）；h為土層深度（cm）；W0，i和W0分別表示第i層土壤穩定貯水量和土壤實際貯水量（mm），土壤穩定貯水量為對照農田土壤水分［15］。

其余土樣用于果樹根系的測定，先將土樣裝入直徑為0.149 mm網篩中進行至少8 h的浸泡，待土塊完全變軟后利用水龍頭進行沖洗，之后用鑷子進行根系的挑揀和整理，研究僅測定果樹的根系，通過辨認顏色和形態的方法挑出果樹的根系［16］（與草類植物相比，果樹根系顏色較深、呈褐色），用去離子水清洗干凈后用WinRhizo根系圖像分析系統（Regent Instruments Inc.，uebec，加拿大）獲取細根根長。細根長密度（ρ）的計算公式為：

式中：ρ為細根長密度（cm·cm-3）；l為細根根長（cm）；ν為土壤體積（cm3）。

1.4 數據分析

用Excel 2016進行數據整理，用SPSS 25.0軟件進行土壤水分和根系分布數據的多因素方差分析以及土壤水分和根系之間關系的線性回歸分析，數據分析的顯著和極顯著水平的標準分別設為P=0.05和P=0.001。

2 結果與分析

2.1 土壤剖面含水量的變化特征

2020和2021年對照農田0～300 cm土層土壤平均含水量分別為21.6%和20.9%，而清耕果園分別為19.8%和19.5%，比對照下降了8.3%和6.7%（P＜0.01）。清耕果園與對照300～500 cm土層的土壤含水量變化趨勢一致，平均值分別為21.4%和21.3%。生草覆蓋果園與清耕果園相比，0～500 cm整個剖面的土壤含水量均有所下降。2020年清耕果園0～500 cm土層土壤平均含水量為20.5%，生草覆蓋果園為18.1%，較清耕果園顯著下降了11.5%（P＜0.01）；2021年清耕果園為20.3%，生草覆蓋果園為17.8%，比清耕果園下降了12.3%（P＜0.01）。2021年前半年氣象干旱，生草處理土壤水分下降幅度與2020年相比進一步增加（圖3）。

圖3 蘋果園及對照農田0～500 cm土壤剖面含水量分布Fig.3 Soil water content distribution of 0-500 cm profiles in apple orchards and the reference crop field

2020年生草覆蓋果園行間100 cm處0～100 cm土層土壤含水量較清耕果園相同位置僅下降了8.9%，而行間200 cm處0～100 cm土層土壤含水量下降達22.6%；果樹行上100和200 cm處0～100 cm土層土壤含水量下降幅度差異不大，分別為13.7%和15.7%（圖4）。所有位置100～300 cm土壤含水量的下降幅度較小，行間為5.8%～5.9%，行上為9.9%～10.5%。300～500 cm土層生草處理與清耕相比土壤含水量下降幅度較大，距離樹干100 cm處的變幅為13.5%～13.8%，大于距離樹干200 cm處（12.1%～13.0%）。

圖4 2020年生草和清耕蘋果園果樹行上和行間距離樹干不同位置0～500 cm剖面土壤含水量分布Fig.4 Soil water content distribution of 0-500 cm profiles at different places on the tree row and inter row in apple orchards with and without cover crop in 2020

2021年生草覆蓋果園行間100 cm處0～100 cm土層土壤含水量較清耕果園相同位置僅下降8.0%，而果樹行上100 cm處及行間和行上200 cm處0～100 cm土層土壤含水量下降幅度較大，為17.6%～23.2%（圖5）。100～300 cm土層中，行間不同位置土壤含水量下降幅度較小，為6.1%～6.9%，較2020年下降幅度增大了10.9%；而行上不同位置下降幅度為11.0%～12.2%，較2020年下降幅度增大了12.1%。300～500 cm土層生草處理與清耕相比土壤含水量下降幅度為10.7%～15.9%。距離樹干100 cm處的變幅較2020年縮小了18.5%，距離樹干200 cm處的變幅較2020年增大了15.7%。

2.2 土壤貯水量與水分虧缺特征

2020和2021年清耕果園不同位置土壤貯水量為1013.2～1035.3 mm和986.8～1036.5 mm，而生草覆蓋果園土壤貯水量為895.8～913.8 mm和876.4～900.8 mm；2021年清耕果園平均貯水量較2020年降低了0.9%，生草覆蓋果園下降了1.8%（圖6）。統計分析結果顯示2020和2021年清耕果園的土壤貯水量均顯著高于生草覆蓋果園（P＜0.01），而不同取樣位置之間的土壤貯水量無顯著差異（P2020=0.916，P2021=0.525），生草模式和取樣位置之間的交互作用也不顯著（P2020=0.929，P2021=0.429）。

2020年清耕果園0～100 cm和100～300 cm土層土壤平均水分虧缺量為43.8和11.5 mm，而300～500 cm沒有發生水分虧缺。生草果園果樹下不同位置各個土層均出現了水分虧缺，0～100 cm、100～300 cm和300～500 cm土層土壤平均水分虧缺量為72.6、44.1和55.4 mm，總虧缺量達172.1 mm，為清耕處理的3.2倍（圖7）。

2021年清耕果園在0～100 cm土層土壤水分平均虧缺量為26.1 mm，較2020年下降了40.3%；中間土層（100～300 cm）水分虧缺量為17.0 mm，比2020年上升48.3%；300～500 cm土層平均水分虧缺量為-4.2 mm。生草蘋果園表層0～100 cm土層水分虧缺量平均值為59.5 mm，較2020年降低了18.0%；中間土層（100～300 cm）為53.4 mm，較2020年增加了21.0%；300～500 cm為51.0 mm，較2020年相同深度位置降低了8.0%。0～500 cm水分總虧缺量為163.9 mm，為清耕處理的4.2倍。

2.3 蘋果樹根系變化特征

兩年均在0～100 cm土層土壤平均細根長密度最高，達0.187 cm·cm-3，2020年生草覆蓋果園細根長密度較清耕果園提升了88.5%，2021年兩個果園細根長密度均值接近；在100～500 cm土層兩個果園平均細根長密度都保持在一個較低水平，清耕果園為0.006～0.080 cm·cm-3，生草覆蓋果園為0.009～0.099 cm·cm-3（圖8）。

圖8 清耕與生草覆蓋果園0～500 cm土壤細根長密度的分布Fig.8 Distribution of fine root length density in 0-500 cm in apple orchards with and without cover crop

2020和2021年蘋果園0～100 cm淺層土壤細根長密度總體表現為20～40 cm土層的細根長密度最高（表2）。由于根系分布變化幅度大，統計分析結果顯示覆蓋模式僅對30～40 cm土層的細根長密度具有顯著影響（P=0.044），年際間對30～80 cm土層具有顯著影響（P＜0.05），而年際與覆蓋模式的交互作用均表現為不顯著（P＞0.05）。兩年間兩個果園30～40 cm土層土壤細根長密度如圖9所示，2020年生草覆蓋果園30～40 cm土層土壤細根長密度較清耕果園提高了0.75倍（P＜0.05），2021年生草覆蓋果園提高了2.55倍，由于不同方位細根長密度差異較大，方差分析顯示兩者差異不顯著。

表2 蘋果園0～100 cm淺層土壤細根長密度和統計分析Table 2 Fine root length density and statistical analysis of 0-100 cm shallow soil in apple orchards

2.4 細根長密度和土壤含水量關系分析

上述結果可知果園生草系統果草競爭關系改變了果樹根系分布格局，根系分布是影響深層土壤水分的關鍵因素。如圖10所示，細根長密度隨著土壤含水量的增加顯示出不斷下降的趨勢，呈負相關關系。整體而言，2020年細根長密度和土壤水分的取值范圍更寬，二者的相關性較高（P＜0.05）；2021年清耕果園細根長密度和行上、行間土壤含水量的回歸關系均不顯著（P＞0.05），而生草覆蓋果園二者的回歸關系在果樹行達顯著水平（P＜0.05），行間接近于顯著水平（P=0.053）。

圖10 清耕和生草果園土壤含水量與蘋果樹細根長密度的相關關系Fig.10 Correlation between soil water content and fine root length density of apple trees in apple orchards with and without cover crop

3 討論

3.1 果園生草覆蓋對土壤水分的影響

李會科等［2］在綜述果園生草覆蓋的水分效應中指出，在降水量小于500 mm的地區，生草制果園300 cm以下土層土壤水分明顯低于清耕制果園，在降水量為500～550 mm的地區，300 cm以下土層土壤水分較清耕制果園低0.5%～1.5%；生草制果園在降水量為550 mm以上地區，生草制果園300 cm以下土層土壤水分與清耕果園基本無差異或略高于清耕制果園。而本研究點的年均降水量大于550 mm，觀測結果發現蘋果園在生草覆蓋后0～500 cm土層土壤含水量與清耕相比降低幅度高達11.5%～12.3%，300 cm以下土層的下降幅度為12.9%～13.1%，與李會科等［2］的結論不一致。觀測結果的不一致可能是生草覆蓋年份或果園年齡的不同所引起的。果園生草覆蓋類型多為多年生牧草，建植的初期耗水量少，一般2～3年之后才到生長旺盛期，所以生草覆蓋前期對深層土壤水分的影響效應可能不顯著；另外，幼齡期果園對水分的需求較少，果園生草系統的水分競爭關系較弱，果園生草覆蓋對土壤水分和果樹生長的影響較小［16］。果草復合系統中種間競爭的大小與果樹和牧草的根系分布情況緊密相關，鴨茅根系較淺［17］；而干旱地區蘋果樹的根系較深，樹草根系重疊范圍比較小。本研究取樣測定時果樹年齡為16～17齡，正處于果樹盛產期，水分需求量大，而鴨茅已經種植6～7年，已經顯現對果園土壤水分的持續影響。

由于牧草能大幅度地減少徑流、保存雨水，同時其覆蓋作用減少了表層土壤水分的蒸發，生草區0～80 cm土層內的土壤含水量顯著高于裸地小區［18］。果園生草覆蓋可提高淺層土壤含水量的主要原因是根系快速周轉可提高土壤有機質含量［19］，產生團粒結構和有效孔隙使土壤透水能力和持水能力提高［20］；而同時果園生草覆蓋會增加地表覆蓋率和減少植被蒸騰，水分不足時引起果草水分競爭，且牧草的根系主要分布在表層，所以也會加劇淺層土壤水分的消耗［21］。本研究表明蘋果園果樹行間0～500 cm整個剖面土壤含水量略高于果樹行土壤含水量，且生草覆蓋后兩者含量差異變大，主要是因為行間牧草的生長促進了果樹根系在果樹行的分配比例，增加果樹在果樹行的耗水量，進一步降低了果樹行的土壤水分。另外，果樹冠層結構影響了降水的空間分布，也是果樹行的土壤水分低于行間水分的主要原因［22］。行間200 cm處0～100 cm土層土壤水分較行間100 cm處在果園生草覆蓋后下降明顯，說明果園行間種植鴨茅后，鴨茅蒸騰耗水主要發生在0～100 cm土層。

3.2 土壤水分虧缺特征

與大田作物相比，果樹根系分布更深且蒸騰能力更強，可以吸收利用深層土壤中的水分，研究表明蘋果樹的最大耗水深度可達1000 cm［23-24］。深層土壤水的補給和更新比較緩慢，尤其是在干旱半干旱地區；在黃土高原長武和洛川地區，高齡蘋果園的深層土壤中，平均質量含水量已經接近土壤凋萎濕度［25］。本研究發現，清耕果園0～100 cm、100～300 cm的土層均出現了較大土壤水分虧缺，行間深層土壤（300～500 cm）水分虧缺較小，部分位置甚至沒有虧缺。生草覆蓋加劇了100～300 cm土層土壤水分的虧缺程度，并且使300～500 cm土層出現了大量的水分虧缺，部分位置虧缺量甚至大于100～300 cm土層。2021較2020年表層（0～100 cm）土壤水分虧損量減少，100～300 cm土壤水分虧損量較2020年增加。2021年6和7月較為干旱，降水量遠低于2020年和多年平均值（圖1），導致果樹利用了更多深層土壤（100～300 cm）的水分。根據楊軒［26］在2017年使用慶陽50年氣象數據對作物生長的模擬結果表明，降水為限制該區域作物生長的主要因素。2020年雨水較為豐沛，牧草地上生物量大于2021年，所以牧草在表層（0～100 cm）對水分利用較多，表層土壤水分虧缺較2021年更加嚴重。劉柯渝等［27］通過同位素標記法發現，13齡的果樹在干旱期50%的水分主要來源于100～300 cm土層，而降水后水分主要來源于0～100 cm土層，本研究結果與之相符合。鴨茅屬于多年生作物，生草覆蓋7年后較生草覆蓋6年后有更豐富的根系，因此在降水量嚴重不足的2021年，鴨茅和果樹在深層土壤對水分的競爭更大。土壤干燥化的出現會阻止上層土壤與地下水之間的水交換，進而干擾土壤-植物-大氣系統的水循環。土壤水分的耗竭，造成土壤剖面深度干燥化，會嚴重阻礙土壤的可持續利用，所以在黃土高原干旱半干旱地區推廣果園生草覆蓋技術的同時，應該注意生草覆蓋種植和管理技術的優化，以減少生草覆蓋對土壤水庫的負面影響。Wang等［28］的研究結果也指出通過控制果園中牧草的種植帶幅寬度可減小牧草的蒸騰耗水；Cao等［29］的研究表明，通過加強多年生牧草的刈割管理可有效控制果園中牧草過度耗水。果園生草系統中，通過牧草的種植密度、帶幅寬度、刈割管理及結合清耕帶地膜覆蓋等措施可降低果園生草覆蓋對水分的負面效應，充分利用生草覆蓋的產草、固碳、減藥、節肥等生產生態服務功能。

3.3 根系分布特征及根水關系

研究發現，清耕和生草處理中4個取樣點均表現為表層（0～100 cm）土壤中果樹細根長密度最高，這是因為表層土壤中果樹根系可以獲取更多的熱量、水分、氧氣和礦物營養，而隨著土壤深度的增加，土壤溫度、含水量和含氧量均逐漸變低，根系的生長受阻；生草覆蓋讓淺層土壤中微生物的活動加劇、土壤孔隙度和酶活性提高，可減小根系在土壤中的穿透阻力，使根系生長發育的速度加快［30-32］。本研究結果與以往的研究一致，例如張勁松等［33］的研究發現蘋果吸水根主要集中在0～80 cm土層內，約占總量的94.33%，楊萍［12］的研究發現覆草后根系根長、表面積和活力均有所提高。

生草覆蓋可提高果樹的根系密度，因為果樹的根系具有很強的可塑性，在應對資源競爭與脅迫時可調整根系的發育和生長來適應周圍環境，水分不足會促進果樹淺層根系的生長，以提高對雨水的利用效率［34-35］。以往研究表明雨養條件下，果草復合系統下果樹細根長密度與土壤貯水量顯著負相關［36］，本研究結果也表明根系密度隨著土壤水分的降低而增加，與以往的研究結果一致。干旱年份，水分不足的條件下植物會促進干物質向根系分配，提高根冠比，因而根系密度和土壤水分的相關關系更加顯著。

4 結論

1）清耕果園0～300 cm土層土壤水分較對照農田顯著下降，而300～500 cm土層土壤水分與對照無差異。生草覆蓋果園0～500 cm整個剖面的土壤水分較清耕果園均顯著下降。果樹行間0～100 cm土層土壤水分下降幅度大于果樹行上，而果樹行上100～300 cm土層土壤水分下降幅度大于果樹行間位置。

2）生草覆蓋促進了果園水分的虧缺程度，0～500 cm土層土壤水分虧缺量為清耕果園的3.2～4.2倍。

3）生草覆蓋促進了0～100 cm土層果樹細根的密度，兩個果園30～40 cm土層土壤細根長密度差異顯著，對深層根系分布影響不顯著。

4）土壤水分隨果樹細根長密度的增加而降低，二者呈負相關。生草覆蓋處理下二者的相關性更為顯著；2020年干旱條件下二者的相關性高于2021年。