晋西黄土区苹果－农作物间作土壤水分研究

田 阳，周玉喜，云 雷，毕华兴，高路博，李 璐，申 明

（1．北京林业大学 水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，北京100083；2．水利部 水土保持监测中心，北京100055）

土壤水分不仅是土壤、植物、大气连续体的关键因子，还是土壤系统养分循环和流动的重要载体，对土壤的特性、植物的生长、分布以及生态系统小气候的变化具有重要影响［1］。果农间作是晋西黄土区开发的主要模式之一，特别是国家实行退耕还林政策以来，大量坡耕地改种为具有较高经济价值的果树，使得果农间作模式不断推广。但在干旱半干旱的晋西黄土区，果农间作不得不面对一个重要难题——水分竞争，虽然关于黄土区不同植被土壤水分动态变化的研究起步较早，并得到了很多结论［2－16］，但多针对如林地、草地、农地等单一系统，针对间作系统土壤水分的研究仍不多见［17］。本文以晋西黄土区具有代表性的苹果（Maluspumila）—花生、苹果—大豆两种果农间作模式为研究对象，通过对间作系统水分时空分布特征进行研究，旨在为该地区间作系统水分布模型的建立，水分生态特征分析等提供一定的基础资料，也为该地区土地资源合理利用和农林复合经营的可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于山西省吉县东城乡雷家庄（110°41′E，36°06′N），地处吕梁山南端，属于典型的黄土残塬沟壑区。年平均降雨量在580mm左右，降水量季节分配不均，降雨集中在7—9月，占全年降水量的70%左右（2008年降水总量为396．1mm，属于偏旱年。2009年降水总量为521．8mm，属于正常年，具体见图1）。该地区春季干旱多风，气候回升快，昼夜温差大，年均气温10℃，年均日照时数2 740h，无霜期175d左右。土壤属黄土母质，土层深厚，土质均匀。东城乡雷家庄是全国优质果品生产基地、农业部无公害农产品生产地，该地区果树主要为苹果、核桃。

图1 2008－2009年降水量分布

2 研究方法

2．1 试验设计

试验选取当地主要果树类型——苹果以及典型作物花生、大豆为研究对象。苹果始栽植于2000年，苹果树行间内种植花生、大豆（同一树行南北两侧种植相同作物），苹果树行向与花生、大豆行向一致，皆为东西走向，苹果树株行距为3．0m×4．0m，平均树高4．0m，冠幅半径2．1m；间作模式中的花生、大豆的株行距均为0．45m×0．50m，并设置单作花生和大豆作为对照，间作和单作作物的株行距及管理方式一致。苹果树行与二者的距离均为2m（图2）。

图2 苹果—农作物间作土壤水分监测试验布设

2．2 土壤水分

土壤水分样点布设与测定：在苹果—农作物间作中，以选择的苹果树行为中心，在苹果树行南北两侧布设样线，分别以距苹果树行0m（林下），0．5，1．0，1．5，2．0，2．5m作为土壤水分取样点，每种间作模式3条样线（相邻样线距离相等），共33个取样点（图2）；单作对照花生、大豆样地按照“S”形各选取5个样点；每个取样点设3个重复。

利用土钻对布设的水分监测点进行取土，采用烘干法测定，取土深度为0—100cm，每20cm为一层，分层测定土壤的质量含水量。

取样时间：在2008年5月、7月、9月和2009年6月、8月、9月分别进行取样，在花生和大豆的典型物候期测定土壤水分。

2．3 数据处理

为了更好地研究间作模式树木对农作物产生的影响［18－19］，本文规定苹果树林行南侧为负方向、北侧为正方向；定义从距苹果树行2．0m到2．5m的范围为间作系统的农作物区（苹果树行与作物之间的距离为2m），记为［2．0m，2．5m］；引入间作系统的水分效应EM

［20］（即树木对农作物土壤水分影响的程度，这种影响既包括树木根系对土壤水分的竞争，又包括树木通过遮荫降低土壤蒸发，树木根系的提水作用对土壤水分的增益），其计算公式分别为：

式中：M——间作模式农作物范围（［2．0m，2．5m］）土层深度土壤含水量；MCK——对照农作物土层深度土壤含水量；EM——土壤水分效应（%）。数据处理采用 Excel 2003，SPSS 15．0，Surfer 8．0等。

3 结果与分析

3．1 间作系统土壤水分时间变化

从苹果—花生、苹果—大豆两种间作模式土壤含水量的时间变化可以看出，间作作物在不同物候期，土壤含水量的变化与土层深度有关，与60—100cm的深层土壤相比，0—20cm表层土壤含水量随时间变化更明显（图3）。

图3 苹果－农作物间作土壤含水量时间变化

以对花生、大豆两种作物的观测时间作为影响因素，对苹果—花生、苹果—大豆两种间作模式0—100 cm土层的土壤含水量进行方差分析，结果表明，两种间作模式土壤含水量物候期变化显著（F苹果—花生＝85．919，p＜0．01；F苹果—大豆＝41．193，p＜0．01），说明间作系统并没有改变土壤水分季节差异显著的特征。

3．2 间作系统土壤水分空间分布

苹果—农作物间作土壤含水量测定结果统计特征（表1）表明，在垂直方向上，苹果—花生、苹果—大豆两种间作模式土壤含水量层次变化非常显著（F苹果—花生＝49．108，p＜0．01；F苹果—大豆＝42．308，p＜0．01）。各土层土壤含水量的变异系数随土层深度的增加而减小，再次证明相对于深层土壤，浅层土壤的变化更为强烈，土壤含水量各层变异系数均大于0．1且小于1．0属于中等变异性，即处于中等变异程度。

表1 苹果—农作物间作土壤含水量测定结果统计特征

在水平方向上，两种间作模式土壤水分分布具有一定的梯度特征，总体趋势均为距苹果树行越近，土壤含水量越少，但随着树行距离的增加，土壤含水量呈现先增加后减少的趋势（图4）。

图4 苹果－农作物间作土壤含水量水平分布

土壤含水量先增加，主要是由随着离果树行距离的增大，苹果根系网络逐渐稀疏，对土壤水分的影响逐渐变小造成的；而土壤含水量有减小的趋势可能是由于进入间作模式的作物区域，苹果根系网络吸水和作物根系群体生长需水共同影响的结果，相对而言，苹果—大豆间作模式表现更为明显，这主要是作物种类、光照以及苹果树根系分布造成的。

二维分布等值线图可以较好地显示间作系统土壤水分的空间分布格局，对苹果—花生、苹果—大豆两种间作模式0—100cm土层土壤含水量绘制二维分布等值线图（图5），可以看出，这两种间作模式土壤水分二维分布特征具有一定的相似性。在垂直方向上，土壤水分随着土层深度的增加有减小的趋势；在水平方向上，随着离苹果树行距离的增加土壤含水量有先增加后减少的趋势。两种间作模式土壤含水量的二维分布，是降雨、果树和作物生长吸水、间作模式配置等因素共同作用的结果。

图5 土壤含水量二维分布等值线图

对苹果—花生和苹果—大豆两种间作模式0—250cm带距范围各测点0—100cm土层内土壤水分WS（%）与离果树距离D（cm）、土层深度Z（cm）的关系进行多元非线性回归分析，结果显示，回归方程拟合较好，具有显著的统计意义（p＜0．01）。

（1）苹果—花生：WS＝－4．8×10－5D2＋0．021D－5．6×10－8Z4＋0．022Z＋11．114，复相关系数r＝0．948，决定系数为0．899。

（2）苹果—大豆：WS＝－5．1×10－8Z4＋0．022Z＋12．697，复相关系数r＝0．894，决定系数为0．696。

3．3 间作系统土壤水分效应

以2009年降水量正常年数据为例，方差分析结果表明，在2009年整个生长季，土层深度为0—40cm和0—100cm时，间作花生与对照单作花生、间作大豆与对照单作大豆土壤水分差异均呈极显著（F花生0—40cm＝9．35，p＜0．01；F花生0—100cm＝36．53，p＜0．01；F大豆0—40cm＝17．42，p＜0．01；F大豆0—100cm＝94．43，p＜0．01）。根据公式（1）计算苹果—花生和苹果—大豆两种间作模式的水分效应，得出当土层深度取农作物根系主要分布区（0—40cm）时，土壤水分效应值分别为－10．54%和－12．81%；当土层深度取整个土壤库（0—100cm）时，土壤水分效应值分别为－11．20%和－16．83%。即两种间作模式均为负效应，说明果树对农作物存在土壤水分竞争。针对同一种作物，比较而言，土壤水分效应值苹果—花生＞苹果—大豆，说明苹果对花生土壤水分的影响要小于苹果对大豆土壤水分的影响。

4 结 论

（1）时间上，间作系统并没有改变土壤水分季节差异显著的特征，苹果—花生和苹果—大豆这两种间作模式土壤含水量的季节变化特征显著。

（2）空间上，垂直方向上，苹果间作土壤水分的变异系数随着土层深度的增加而减小，且变异系数处于（0．1，1．0）之间属于中等变异程度；水平方向上，间作模式土壤含水量出现不同程度的降低，降低的程度与果树和农作物的距离有关，离果树越近，土壤含水量越少。二维分布等值线图将土壤水分的点数据转化为面数据，可以直观描述土壤水分空间分布特征，较好地体现间作系统土壤水分空间分布规律。

（3）引入土壤水分效应量化苹果树对花生、大豆的影响程度，苹果—花生和苹果—大豆作两种间作模式当土壤层次取0—40cm时，其土壤水分效应依次为－10．54%和－12．81%；当土壤层次取0—100cm时，其土壤水分效应依次为－11．20%和－16．83%，负效应表明果树对作物存在土壤水分竞争，相对而言，苹果对花生土壤水分的影响要小于对大豆的影响。

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