旱作覆盖集雨条件下梨树生长对土壤水热的响应研究

刘艳武，郭向红，杨 凯，续海红，雷 涛，孙西欢，马娟娟，路明杰

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024; 2.山西省农业科学院果树研究所，太原 030100)

0 引 言

中国是世界上最大的梨果生产国之一，梨的种植面积、收获产量、出口量及品种数量均居世界前列[1]。山西省作为梨果生产区之一，拥有丰富的光热资源，具有高产的能量基础，但该地区水资源匮乏，年降雨量少且年内分配不均匀，严重制约了梨的高产以及高品质的实现。因此，针对水资源短缺的严峻形势，实现有机旱作节水农业技术是我国大部分地区，尤其是在北方黄土高原地区，克服水资源短缺，实现农业可持续发展的必然选择[2]。

为了解决水资源不足和水分利用效率低等问题，世界各国提出并逐步完善了旱作覆盖栽培技术，对作物的生长、产量的提高以及水分利用效率的提升起到了极大的推动作用[3]。目前国内外果园所采用的覆盖栽培技术种类不同，主要包括：地膜覆盖、园艺地布覆盖、秸秆覆盖以及生草覆盖等。关于旱作覆盖栽培技术在果园管理方面的应用，国内外学者已经进行了大量的研究，结果表明：对果园进行旱作覆盖栽培，不仅能够缓冲降雨对表层土壤的侵烛作用、降低地表径流损失以及水土流失、延长土壤水分入渗过程、减少浅层土壤水分蒸发、增加土壤水分含量，还能够有效抑制果树根部杂草生长、调节土壤温度、缩小地表温差，从而促进果树树体的生长发育(例如新梢长、新梢粗、树干以及叶片等的生长)，提高果树产量，并且提升果实品质(如果实中的可溶性固形物含量以及果实酸度等)[7-15]。

有关覆盖技术方面，前人虽然已经展开了大量的研究并取得了丰富成果，但关于地布覆盖技术的研究十分罕见，对于本文提出的新型覆盖栽培技术“地布覆盖+小沟集雨”的研究更是十分鲜见。此外，山西省作为有机旱作的典型示范区，针对该地区干旱半干旱气候的特殊性，旱作覆盖集雨条件下梨树生长对土壤水热状况的响应机制研究也亟待开展。因此，本文以3年生玉露香梨为试验对象，研究不同覆盖处理对土壤水热状况以及梨树生长的影响，以期为山西省果园旱作栽培技术提供理论支持和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

本试验于山西省农业科学院果树研究所的有机旱作示范果园进行，该果园地处山西省晋中市太谷县中梁村，地理位置为东经112°32′，北纬37°23′。果园平均海拔781.9 m，年均气温9.8 ℃，年均降雨量442.64 mm，降雨主要集中于6-8月份，属典型的大陆性半干旱气候。试验区土壤主要为沙壤土，土壤体积质量为1.47 g/cm3，饱和含水率为0.492 cm3/cm3，田间持水量为0.30 cm3/cm3[16]。试验材料为3年生“玉露香梨”树，种植规模为2 m×4 m。

1.2 试验方法

为研究旱作覆盖集雨条件下梨树生长对土壤水热的响应，本试验共采用秸秆和园艺地布两种覆盖材料，共设置了4个覆盖处理：全年地布覆盖(T1)、4-9月地布覆盖(T2)、10-翌年3月地布覆盖(T3)、全年秸秆覆盖(T4)，并与对照组无覆盖处理(CK)进行对比，每个处理3组重复。其中，园艺地布由PE塑料编织制成，具有透水、保水、透气、防草等优点。地布覆盖从树盘开始起垄，坡度2°～5°，树行两侧各采用1 m宽幅园艺地布进行覆盖，树下地布叠压处搭接7～10 cm，用地钉每隔20 cm进行固定，且在地布覆盖外围边缘开挖与树行平行的水平沟，沟宽40 cm，深60 cm，作为集雨沟和施肥沟，沟上覆秸秆，对应的布置图见图1；秸秆覆盖是将小麦秸秆编织成毡，再覆盖在树行部分的表土之上，覆盖厚度约10 cm、宽度约2 m，在秸秆覆盖外围边缘起垄拦蓄水分，垄高约10 cm。

1-树干；2-园艺地布(宽1 m)；3-集雨沟图1 园艺地布覆盖布置图Fig.1 Garden floor covering layout

此外，所有处理均不进行人工灌溉，自然降水为唯一水源。各处理基肥采用农家肥(羊粪、猪粪、牛粪等)与有机物料(粉碎后的秸秆、枝条、蘑菇渣等)以1:1的比例混合高温发酵腐熟制成，按每株40 kg的标准，于上年果实采收后，园艺地布覆盖集中施于集雨沟内，并压埋填土5 cm；秸秆覆盖集中施于秸秆底部的地表。追肥采用叶面喷施，全年共6次：生长前期2次，以氮肥为主；后期3次，以磷钾肥为主；果实采收后再追1次氮肥以达到保叶的目的。各肥料使用浓度为：尿素0.2%～0.3%、磷酸二氢钾0.3%～0.5%、硼砂0.1%～0.3%。

1.3 试验测定项目

试验测定项目包括土壤水分、土壤温度、新梢累计增长量和树干直径累计增长量。土壤水分利用TRIME-PICOIPHTDR土壤水分测量系统(TDR)每隔15 d左右测定一次，测定深度为距地表0～200 cm；土壤温度利用i500系列土壤温度记录仪进行监测，测定深度为距地表0～80 cm；新梢累计生长量利用钢卷尺测量，在试验开始时从树体东南西北4个方向各选取3枝进行挂牌标记，每隔15 d左右测量一次；树干直径累计生长量利用游标卡尺进行测量，每隔15 d左右测量一次。

1.4 数据处理

通过Excel2013对数据进行处理，用Origin2019进行作图，用SPSS 22.0对数据进行配对T检验，用1stOpt1.5Pro进行作物生长模型拟合。

2 结果与分析

2.1 旱作覆盖集雨条件下梨园土壤水分动态变化

图2为旱作条件下不同覆盖处理梨园土壤体积含水率动态变化对比情况(距地表0～200 cm深度的平均值)以及生育期内降雨量情况。由图2可以看出，各覆盖处理的土壤体积含水率动态波动趋势基本一致，波动主要是因降雨过程造成，整体上波动幅度较小，基本介于15%～20%范围内。从图2还可以看出，不同覆盖处理对土壤体积含水率存在明显作用。整体对比5个处理，生育期内各处理的土壤体积含水率峰值表现为T4(20.15%)>T1(19.87%)>T2(19.76%)>T3(19.13%)>CK(19.07%)，最小值表现为T4(17.06%)>T1(16.81%)>T3(16.21%)>T2(15.72%)>CK(15.46%)，均值表现为T4(18.71%)>T1(18.34%)>T2(18.13%)>T3(17.67%)>CK(17.47%)，T4处理的含水率峰值、最小值和均值均明显大于其他处理。此外，对各处理的土壤体积含水率动态变化进行配对T检验，结果表明：T1～T2以及T3～T5处理间差异显著(p<0.05)，其他处理间的体积含水率差异均达到了极显著水平(p<0.01)。综上所述，旱作条件下对梨园进行覆盖处理，具有明显的集雨保水效果，能够明显增加土壤中的水分含量。其中秸秆覆盖处理(T4)由于覆盖材料以及覆盖层厚度的特殊性，集雨保水效果最佳，而在地布覆盖情况下，全年地布覆盖处理(T1)由于覆盖时间的优势，集雨保水效果最佳。

图2 不同覆盖处理梨园土壤体积含水率及降雨情况Fig.2 Soil moisture content and rainfall of pear orchard treated with different mulching

2.2 旱作覆盖集雨条件下梨园土壤温度动态变化

图3为旱作条件下不同覆盖处理梨园土壤温度动态变化对比情况(距地表0～80 cm深度的平均值)。由图3可知，生育期内各处理的土壤温度动态变化规律基本一致，均表现为4-10月份期间，土壤温度先增大后减下，峰值均出现在8月份，最低值均出现在4月份。结合配对T检验整体上对比5个处理的土壤温度动态变化可知，T1～T2处理间差异显著(p<0.05)，其余各处理间的土壤温度动态变化差异均未达到显著水平。

图3 不同覆盖处理梨园土壤温度动态变化Fig.3 Dynamic change of soil temperature in pear orchard under different mulching treatments

从图3中还可以看出，在不同的生育期，不同覆盖处理对土壤温度的影响不同。具体来说，4-5月份期间，各处理土壤温度均值表现为T4>T1>T2>T3>CK，T4处理土壤温度最大(16.25 ℃)，分别为T1、T2、T3、CK处理的1.05倍、1.06倍、1.09倍、1.13倍；6-8月份期间，各处理土壤温度均值表现为CK>T3>T1>T2>T4，CK处理土壤温度最大(22.52 ℃)，分别为T3、T1、T2、T4处理的1.00倍、1.03倍、1.04倍、1.05倍；9-10月份期间，各处理土壤温度均值表现为T4>T1>T2>T3>CK，T4处理土壤温度最大(19.59 ℃)，分别为T1、T2、T3、CK处理的1.02倍、1.03倍、1.06倍、1.08倍。由此可知，在气温较低的4-5月份以及9-10月份期间，土壤温度较低，覆盖可以起到较好的保温作用，其中秸秆覆盖处理(T4)保温效果最好，园艺地布覆盖处理(T1、T2、T3)效果次之，均高于对照组无覆盖处理(CK)；6-8月份，大气温度高且太阳辐射强，而覆盖处理明显削弱了辐射强度，起到了较好的隔热作用，其中秸秆覆盖由于覆盖材料以及覆盖层厚度的特殊性，隔热效果最好，园艺地布覆盖效果次之，因此覆盖后土壤温度均明显低于对照组无覆盖处理。

2.3 旱作覆盖集雨条件下梨树生长对土壤水热的响应

2.3.1 梨树新梢生长对土壤水热的响应

图4为旱作条件下不同覆盖处理玉露香梨树新梢累计增长量的对比情况。由图4可知，对梨园进行不同覆盖处理，均可促进梨树新梢的生长发育，生育期内新梢的长势基本一致，均表现为4月份至6月份上旬，新梢快速增长，6月中下旬至7月中旬新梢生长缓慢，7月下旬之后新梢基本停长。具体来说，4-6月份上旬，处于梨树的新梢旺长期，各处理新梢均快速增长，在6月上旬新梢旺长期结束时，各处理的新梢累计增长量表现为T4(45.95 cm)>T1(43.33 cm)>T3(38.82 cm)>T2(37.33 cm)>CK(35.37 cm)，T1、T2、T3、T4处理的新梢累计增长量均明显大于CK处理，4种覆盖处理中T4处理的新梢累计增长量最大。由此可知，秸秆覆盖处理(T4)能够明显促进新梢旺长期梨树新梢的生长发育。从6月下旬开始，梨树新梢旺长期结束，新梢增长速度放缓，到7月上旬T3、CK处理首先停长，而T1、T2、T4处理新梢到7月下旬新梢才停长，由此可知，秸秆覆盖处理(T4)和地布覆盖处理(T1、T2)能够延长新梢的生长期限，增加新梢生长量。综合对比5个处理，各处理新梢生长结束时，新梢累计增长量大小表现为T4(56.40 cm)>T1(53.70 cm)>T2(49.21 cm)>T3(45.91 cm)>CK(45.13 cm)，其中T4处理新梢累计增长量值最大，较T1、T2、T3、CK处理分别高出5.13%、14.47%、22.20%、25.12%。此外，结合配对T检验整体上对比5个处理的新梢累计增长量动态变化可知，T2～T3处理间差异不显著，T2～T5处理间差异显著(p<0.05)，其他处理间新梢累计增长量的差异均达到极显著水平(p<0.01)。综上所述，旱作条件下对梨园进行覆盖处理，能够明显促进玉露香梨新梢的生长发育，其中秸秆覆盖处理(T4)的新梢生长量最大，更有助于新梢的生长发育。

图4 不同覆盖处理梨树新梢累计增长量对比情况Fig.4 Dynamic change of soil temperature in pear orchard under different mulching treatments

2.3.2 梨树树干直径生长对土壤水热的响应

图5为旱作条件下不同覆盖处理玉露香梨树干直径累计增长量的对比情况。由图5可知，对梨园进行不同覆盖处理，均可促进梨树树干直径的生长发育，生育期内树干直径的长势基本一致，大致表现为4-5月份期间增长速度较慢，5-8月份期间树干直径快速增长，9月份之后增长速度极为缓慢。

图5 不同覆盖处理梨树树干直径累计增长量对比情况Fig.5 Dynamic change of soil temperature in pear orchard under different mulching treatments

具体来说，4-5月份期间，各处理的树干直径均缓慢增长，树干直径累计增长量大小关系为T1(0.28 cm)>T4(0.23 cm)>T3(0.22cm)>T2(0.20 cm)>CK(0.18 cm)，T1、T2、T3、T4处理的树干直径累计增长量均明显大于CK处理，4种覆盖处理中T1处理的树干直径累计增长量最大。5-8月份期间，各处理的树干直径增长速度明显加快，树干直径累计增长量大小关系为T4(1.41 cm)>T1(1.37 cm)>T2(1.36 cm)>T3(1.27 cm)>CK(1.10 cm)，T1、T2、T3、T4处理的树干直径累计增长量均明显大于CK处理，4种覆盖处理中T4处理的树干直径累计增长量最大，增长速度也最快。从9月份开始，树体生长逐渐停止，树干直径的生长速度放缓，基本保持稳定。到生育期结束时，树干直径累计增长量大小关系为T4(1.64 cm)>T1(1.58 cm)>T2(1.52 cm)>T3(1.46 cm)>CK(1.42 cm)，T1、T2、T3、T4处理的树干直径累计增长量均明显大于CK处理，4种覆盖处理中T4处理的树干直径累计增长量最大。此外，结合配对T检验整体上对比5个处理的树干直径累计增长量动态变化可知，T2～T3处理间差异不显著，T1～T4处理间差异显著(p<0.05)，其他处理间新梢累计增长量的差异均达到极显著水平(p<0.01)。综上所述，旱作条件下对梨园进行覆盖处理，能够明显促进玉露香梨树体的生长发育，树干直径累计增长量明显增大，其中，秸秆覆盖处理(T4)树干直径累计生长量最大，更有助于树体的生长发育。

2.3.3 Logistic梨树生长模型分析

从图4和图5可以看出，梨树和新梢的生长曲线基本符合Logistic作物生长模型，可进行模型拟合，拟合方程如式(1)所示[17]。拟合结果分别如表1和表2所示。

表1 不同覆盖处理梨树新梢累计增长量Logistic方程拟合结果Tab.1 Logistic equation fitting results of cumulative growth of new shoots of pear trees under different covering treatments

表2 不同覆盖处理梨树树干直径累计增长量Logistic方程拟合结果Tab.2 Logistic equation fitting results of cumulative growth of new shoots of pear trees under different covering treatments

(1)

式中：Y表示梨树生长指标累计生长量的预测值；A表示对应生长指标累计生长量的最大值；B为常数尺度；e为自然对数得底数；K表示相对生长率；t表示试验累计进行天数，d。

从表1和表2可以看出，不同覆盖处理新梢和树干直径的R2值均大于0.965，说明Logistic生长模型可以很好地拟合不同覆盖处理的新梢和树干直径累计增长量的变化过程。并且各处理通过模型拟合得到的新梢和树干直径的最大值均略大于实测值，预测值也均大于实测值，说明新梢和树干直径的模型拟合度均极高。

3 结 论

本文主要研究了旱作覆盖集雨条件下梨树生长对土壤水热特性的响应，分析了不同覆盖处理对梨园土壤水分、土壤温度、新梢生长以及树干直径生长的影响，并对生长指标进行了模型拟合。结果表明：与对照组无覆盖处理相比，各覆盖处理均能够明显改善土壤水热状况，促进梨树的生长发育，并且各处理间的土壤水分差异、梨树新梢以及树干直径的生长差异基本上达到了极显著水平，而各处理间的土壤温度差异基本未达到显著水平。其中：

(1)秸秆覆盖处理(T4)能够较好的集蓄降雨资源，使土壤体积含水率始终保持较高水平；同时，秸秆覆盖处理(T4)由于覆盖材料以及覆盖层厚度的特殊性，还具有较好的保温隔热作用。

(2)秸秆覆盖处理(T4)可明显促进梨树的生长发育，增加梨树的新梢累计增长量和树干直径累计增长量，并且各覆盖处理的新梢和树干直径的生长过程均可用Logistic作物生长模型很好的拟合。

综合以上结论认为，旱作覆盖集雨条件下，秸秆覆盖处理(T4)最有利于玉露香梨树的生长发育，可较好的集蓄有限的降雨资源，使其得到合理的利用，同时还可调节土壤温度状况，因此可作为该试验地区“玉露香梨”树推广种植的旱作栽培措施。