葡萄开荒种植对贺兰山荒漠草原土壤温湿度的影响

左 忠， 李 龙， 李 婧， 王东清

(1.宁夏农林科学院 荒漠化治理研究所， 宁夏 银川 750002； 2.铜仁学院， 贵州 铜仁 554300； 3.宁夏出入境检验检疫局 检验检疫综合技术中心， 宁夏 银川 750002)

葡萄(Vitisvinifera)是干旱半干旱地区种植的主要经济作物，在农业生产上占有重要地位[1]。宁夏作为干旱半干旱地区酿酒葡萄的主产区，近年来种植面积逐年增加[2]。贺兰山酿酒葡萄基地位于宁夏贺兰山东麓(105°45′～106°27′E，37°43′～39°05′N)，属于宁夏黄河冲积平原和贺兰山冲积扇之间的绿洲-荒漠交错带，是典型的中温带干旱气候区，具备独特的土壤、光照、温度、降水、地形和水热系数等风土条件[3-5]，植被为山前荒漠草原[6]，使得当地酿制的葡萄酒在品质上具有卓越表现[7]。随着生态移民与产业开发，人类活动对退化土地的扰动日益突出。贺兰山东麓由于特殊的冷凉气候与沙质土壤，特别适合酿酒葡萄的种植，是《宁夏葡萄产业规划》确定的2个重点产业带之一，近年来发展速度明显加快。2011年至今，宁夏贺兰山东麓葡萄种植面积已发展至3.8万hm2。大规模开发种植葡萄是否会对产区周边原始地貌及林草覆盖区土壤温湿度产生影响，对其进行研究具有重要意义。

土壤温湿度变化的研究目前已有大量文献报道。赵维俊等[8]对祁连山林草复合流域不同下垫面土壤温度变化规律进行研究发现，浅层(10～20 cm)土壤温度日变化呈正弦曲线趋势，深层(40～80 cm)土壤温度日变化呈直线趋势，林地土壤湿度年动态变化呈正弦曲线趋势，草地在土壤结冻后和未消融期间土壤湿度较低且变化不明显。韩璐等[9]对柴达木盆地土壤温湿度变化特征进行分析发现，浅层土壤温湿度变化剧烈，深层土壤变化相对平稳。袁余等[10]研究发现，葡萄园近地表土壤温度日变化幅度相对较大，深层土壤温度日变化趋势平缓。研究较少涉及土壤温湿度在一定土壤刨面深度的年变化特征和地表植被类型如何影响土壤温湿度变化。

贺兰山东麓地理区位较为特殊，当地的葡萄林与荒漠草原植被组合特征较为典型，再加上当地的水分受季节变化影响较大，因此对当地土壤干湿状况进行细致研究，有利于深入了解大规模种植葡萄对土壤的影响[11-15]。为此，以原始地貌荒漠草原为对照，利用宁夏农林科学院采集的贺兰山东麓葡萄种植基地和荒漠草原气象观测场1年的土壤温湿度数据资料，采用方差分析及线性趋势分析法系统全面地开展葡萄开荒种植对不同深度土壤温度和湿度变化的影响研究，以期为贺兰山及类似荒漠草原区域的葡萄开荒种植制定科学合理的田间管理措施提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 土壤 宁夏农林科学院贺兰山东麓葡萄种植基地及周边的原始地貌荒漠草原的土壤。

1.1.2 仪器与设备 土壤温湿度监测探头，土壤墒情监测探头，采用武汉新普惠科技仪器有限公司生产的PH-1监测系统进行数据监测。土壤温度传感器量程-50～80℃，分辨率0.1℃，准确度±0.5℃。土壤湿度为体积含水量的传感器，RH量程0～100%，分辨率0.1%RH，准确度±5%RH。

1.2 土壤温湿度观测

2017年3月1日至2018年2月28日在宁夏农林科学院贺兰山东麓葡萄种植基地及荒漠草原进行试验。在3年生葡萄农田和荒漠草原2个地点的20 cm、40 cm和60 cm深度的主要耕作层设置土壤表层与耕作层土壤温湿度监测探头和土壤墒情监测探头，每隔30 min自动采集1次数据，每观测层设置3个探头，剔除异常数据后取其平均数。通过搭载的GPRS远距离数据传输模块，将监测区不同深度内的土壤湿度、土壤温度、降水以及日照、灌溉前后土壤墒情动态变化规律进行实时传输。

1.3 数据处理

采用Excel 2010进行数据统计和方差分析及线性趋势分析。

2 结果与分析

2.1 不同深度土壤温度的变化规律

2.1.1 葡萄基地 从图1看出，3月开始，葡萄基地20 cm、40 cm和60 cm深度土壤温度的变化趋势基本一致，均处在上升阶段，至7月平均温度达最大值，8月开始各深度的土壤温度均呈下降趋势，至1月和2月时，均降至0℃以下，最小值均出现在第2年的2月。其中，3—7月，20 cm深度土壤温度均显著高于其他深度，随着土层深度增加，温度呈下降趋势。8—9月3个深度间土壤温度差异不显著；10月至次年2月，各深度土壤温度均呈60 cm>40 cm>20 cm，3个土层的土壤温度存在显著差异。

2.1.2 荒漠草原 从图2看出，3月开始，荒漠草原20 cm、40 cm和60 cm深度的土壤温度均呈上升趋势，5月之前，各深度土壤温度均处在0℃以下，至9月平均温度均达最高值；10月开始各深度土壤温度开始下降，直至翌年2月各深度土壤温度降至0℃以下，最小值出现在3月。其中，5—11月，各深度温度均为20 cm>40 cm>60 cm，20 cm深度土壤温度均显著高于40 cm和60 cm；3—4月、12月至翌年2月各深度温度均为60 cm>40 cm>20 cm，各土层深度的土壤温度存在显著差异。

2.1.3 葡萄基地与荒漠草原土壤温度的差异性 从图3和表1看出，葡萄基地和荒漠草原20 cm、40 cm和60 cm深度土壤温度趋于正弦分布。3—8月，葡萄基地各深度土壤温度均高于荒漠草原；8月之后，荒漠草原各深度土壤温度高于葡萄基地，说明，荒漠草原土壤温度变化滞后。其中，在20 cm、40 cm和60 cm深度，葡萄基地3—7月土壤温度均极显著高于荒漠草原(葡萄基地20 cm深度7月土壤温度除外)；8月荒漠草原土壤温度只有20 cm深度数值显著高于葡萄基地，其他土层差异不显著；9月至翌年1月荒漠草原20 cm、40 cm和60 cm深度土壤温度均极显著高于葡萄基地；2月葡萄基地不同深度的土壤温度显著低于荒漠草原，20 cm深度土壤温度差异达极显著水平。

表1 葡萄基地和荒漠草原不同深度土壤温度的配对t检验

2.2 不同深度土壤湿度的变化规律

2.2.1 葡萄基地 从图4看出，随时间变化葡萄基地20 cm、40 cm和60 cm深度土壤湿度变化明显。4—8月各深度土壤湿度均呈逐渐增加趋势；9—11月呈下降趋势；12月至翌年1月土壤湿度略微上升，至2月土壤湿度开始下降。其中，3—11月及翌年1—2月，60 cm深度土壤湿度均显著高于20 cm和40 cm深度；而12月，20 cm深度土壤湿度数值显著高于40 cm和60 cm。

2.2.2 荒漠草原 从图5看出，7随时间变化不同深度土壤湿度变化明显。3—8月各深度土壤湿度呈逐渐升高趋势，9—11月呈下降趋势；12月至翌年2月，60 cm深度土壤湿度呈增加趋势，40 cm深度土壤湿度呈先升后降趋势，而20 cm深度土壤湿度呈降低趋势。其中，3—9月、11月至翌年1月，40 cm深度土壤湿度均显著高于20 cm和60 cm深度；10月和1月40 cm和60 cm深度土壤湿度显著高于20 cm深度，但二者间差异不显著。

2.2.3 葡萄基地与荒漠草原土壤湿度的差异性 从图6和表2看出，不同深度土壤湿度随时间变化呈波浪形分布。总体上，葡萄基地各深度土壤湿度均高于荒漠草原。其中，5月至翌年2月，葡萄基地20 cm深度土壤湿度与荒漠草原同一深度土壤湿度差异极显著，3月的差异显著。3月、5—7月、9月和翌年1—2月，葡萄基地40 cm深度土壤湿度与荒漠草原同一深度土壤湿度差异均极显著，8月、10—12月的差异显著。3月至翌年2月葡萄基地60 cm深度土壤湿度均极显著高于荒漠草原同一深度土壤湿度。

表2 葡萄基地与荒漠草原不同深度土壤湿度的配对t检验

3 结论与讨论

土壤温度除与区域性因素(海拔、经度及纬度)有关外，还受地表覆盖物、土壤湿度等因素影响，特别是亚高山地带，土壤温度明显受局地因素影响[16]。土壤温度直接影响土壤呼吸、碳排放等植物根系生长代谢[17-18]。研究结果表明，葡萄基地和荒漠草原年变化呈正弦型曲线。葡萄基地与荒漠草原土壤温度从2017年3月至2018年2月均呈先升后降趋势。与袁余等[10]的研究结果相似。葡萄基地和荒漠草原月平均土壤温度最高值分别出现在7月和9月，葡萄基地从8月开始表现出降温趋势，降温时间早于荒漠草原，原因在于葡萄基地7月中旬葡萄叶片大部分覆盖地面，葡萄基地的植被覆盖面积较大，土壤墒情较好，有效地避免了太阳光的直接照射，减小了昼夜和季节温差变化幅度，使得该地区地表温度和地层深度的温度相差不大；而荒漠草原的植被覆盖面积较小，土壤墒情较差，地表温度和地层温度的昼夜与季节温度差异较为明显，与陈娜娜等[19]的研究结果一致。荒漠草原月平均土壤温度最低值出现在翌年3月，葡萄基地月最低温度出现在翌年2月，葡萄基地封冻时长较荒漠草原少30 d。与赵维俊等[8]长期监测结果相反，原因在于葡萄基地冬天地上部分凋落，而荒漠草原地上部分阻隔了热量与水汽的交换[20]。

地表植被盖度[21-24]、土壤粒度[25-26]、土地利用类型[20，27-28]和农田防护林网特征[29-32]等均可影响地表风蚀，近而影响土壤湿度。贺兰山东麓葡萄基地和荒漠草原对照区不同深度土壤湿度随时间变化呈波浪形分布。总体上，葡萄基地土壤湿度高于荒漠草原，与赵维俊等[8]的研究结果相似。主要原因是荒漠草原对照区属于自然干旱区，降雨量较少、地表植被盖度较低，使得该地区的土壤水分蒸发较快，光照强度较高，植被的蒸腾作用加快，导致该地区土壤不能有效地储存水分，以至于水分大量流失，即便在雨季土壤湿度也不足10%。葡萄基地在葡萄休眠期地表裸露水分散失较为严重。因此，在3—4月的土壤湿度不足10%，但随着葡萄的生长，能避免太阳光的直射，降低地表水分的蒸发。在葡萄生长期间，还不定期地对葡萄林地进行补水灌溉，补充植株消耗的水分，因此，葡萄基地土壤湿度相对较大，与荒漠草原区存在显著差异。研究结果对葡萄覆土越冬保护、葡萄节水灌溉和拓荒建设对环境影响均具有一定的指导意义。