不同灌水量对胡杨幼龄林叶水势与土水势的影响

何宇翔，武胜利，韩 炜,管文轲

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院/新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室/新疆师范大学实验室与设备管理处，乌鲁木齐 830054;2.新疆林业科学院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

【研究意义】胡杨是塔里木盆地生态系统中抵御风沙、遏制沙化、维护区域生态平衡、保护生物多样性和保障绿洲农牧业生产的重要屏障[1]。近些年胡杨林大龄树多、幼龄树少、病腐的多、健壮的少、分布稀疏的胡杨林多、分布密集的少[2]。干旱环境下一定量的灌水措施可以促进胡杨幼龄林的生长[3]。研究合理的灌水措施对胡杨幼龄林的更新抚育有重要意义。【前人研究进展】水势作为最常用的表征植物水分的生理指标，是判断植物的水分亏缺并衡量抗旱性强弱的重要指标之一，可以反映植物体内水分的运输情况[4-6]。付爱红等[8-10]研究表明，胡杨叶水势在趋势上呈单峰形，1 d中的最高值出现在08：00左右，最低值出现在14：00～18：00，分析了植物水势在胁迫因素下的响应机制。司建华等[11]结果表明，极端干旱区胡杨叶水势的日、季变化曲线均呈单峰型，与当地气温、大气相对湿度、辐射照度、土壤水分等均有显著相关性。杨培林等[12]研究发现,土水势随着土壤深度的增加呈上升趋势。占东霞等[13]研究发现，自然生长的胡杨相较于其他树种更易受到水分胁迫。曾凡江等[14-15]研究发现，胡杨生长对水分状况具有较强的依赖性，一次性人工灌水不会对植物的水分状况产生显著的影响。【本研究切入点】前人研究多集中在胡杨近熟林的生理生化特征方面，而对胡杨幼龄林进行科学合理更新抚育的研究较少。需研究不同灌水量对胡杨幼龄林叶水势、土水势的影响。【拟解决的关键问题】在塔里木河中下游流域选取典型地段，分析人工模拟洪水灌水研究灌水前后胡杨幼龄林的叶、土水势以及土壤含水量、温度、电导率变化，研究不同灌水处理对胡杨幼龄林生理生长指标的影响，为改善胡杨幼龄林生长环境提供合理的灌水依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究区位于新疆巴音郭楞蒙古自治州轮台县南部沙漠70 km处的胡杨林保护区内，E84°14′27″～84°17′50″，N40°11′33″～40°12′36″，年均温为10.6～11.5℃，年降水量在23～70 mm，其年蒸发量在2 000～3 000 mm，空气相对湿度为40%～50%，该地区全年多风沙，8级以上大风的日数为41～46 d，土壤类型为盐碱土[16]。

选取塔里木河中下游离河道1 km处原生胡杨的天然落种、无人工干预、2～4年生的胡杨幼树作为材料，灌水来源于夏季当地水库洪水库存。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设置有灌水样地9块、对照3块，面积均为5 m×5 m，灌水样地前有2 km左右的地表土沟可近似认为洪水并围筑30 cm高土堰。样地内幼树数量为15～23株不等；设置2、3、4年生胡杨灌水量依次为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年生胡杨对照样地各1个(CK2a、CK3a、CK4a)作为对照。选择该地区蒸发量最大的7～9月晴朗天气试验，分别在7月21日、8月14日和9月19日灌水，灌水后晴朗天气采集数据。计算灌水量：

H(a-w)×d×s×h.

式中，H为使土壤达饱和含水量的保证系数，a为土壤饱和含水量，w为土壤自然含水量，d为土壤容重，s为测试区面积，h为土层需灌水深度。

1.2.2 指标测定

1.2.2.1 叶水势

各样地中选3株生长状况良好幼树的枝条叶片为样品，WP4C露点水势仪提前2 h进行空气平衡，平衡完成后剪取叶片中部直径约0.5～1 cm的小块叶片，放在C-52的4个样品室中，将样品室与露点水势仪连接读取μv值，每2 h换1次样品，每次各样地共测12份样品。

1.2.2.2 土水势

在样地南侧挖80 cm深度土坑，土层深度分为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm与60～80 cm共计4个层次。TPSBR-SZL传感器土水势探头提前平衡1 h，依次测得各土层的土水势，08：00～22：00每2 h测1次，重复3次取平均值。

1.2.2.3 土壤含水量、电导率、温度

对胡杨林地进行灌水后，将WET型土壤三参数速测仪探头埋入土壤1 h，待数值稳定后进行读数，测定土壤含水量、电导率、温度，上述步骤重复3次取平均值，7 d测1次。

1.3 数据处理

采用Excel2016软件整理数据、OriginPro9.1绘制图表，运用SPSS25.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 胡杨幼树叶水势日变化

研究表明，2、3、4年生胡杨幼树叶水势日变化均呈现出先下降后上升的趋势，且在灌水后叶水势明显高于对照，叶水势最高值出现在08：00，最低值出现在14：00～15：00。2年生胡杨幼树不同灌水量下叶水势差值为-1.75～-0.5 MPa，3、4年生胡杨幼树叶水势差值则在-0.5 MPa之内。2年生胡杨幼树灌水后的叶水势分别为-1.98 、-0.57和-0.25 MPa,对照的叶水势最低值为-2.33 MPa，灌水后叶水势明显高于对照且随灌水量增加而升高。40、60 L/m2处理下2年生胡杨幼树叶水势上升趋势相比20 L/m2处理更加明显且稳定，3种水分处理下3年、4年生胡杨幼树叶水势趋势相近。2年生胡杨幼树在40、60 L/m2叶水势极显著(P<0.01)高于对照叶水势，40、60 L/m2灌水量更有利于2年生胡杨幼树的生长；3年生与4年生胡杨幼树在不同灌水量下叶水势日变化规律相似，灌水后叶水势也极显著(P<0.01)高于对照叶水势，而不同灌水量处理的叶水势变化差异较小。表1

表1 2～4年生胡杨幼树叶水势对不同灌水量日响应变化描述特征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

灌水后胡杨幼树叶水势均有所提高，其生存能力得到加强；而对照幼树的叶水势在上午10:00后开始显著下降。不同树龄的胡杨幼树对灌水量的需求不同，树龄越小，对灌水量的要求越高；树龄越大，胡杨幼树自身的生存适应能力越强，灌水量要求较小。图1

图1 2～4年生胡杨幼树叶水势日变化Fig.1 Diurnal variation of leaf water potential in Populus euphratica seedlings from 2 to 4 years old

2.2 胡杨幼树土水势日变化

研究表明，胡杨幼树土水势日变化在不同灌水量下均呈现出先下降后上升的趋势，单峰“V”型变化特征，灌水后土水势明显高于对照，最高值出现在08:00，最低值在14：00～17：00。胡杨幼树在3个水分处理下的土水势比对照土水势峰值时间提前，灌水后的土水势差值均在-0.05 MPa范围内，灌水对土水势有直接影响，而对照样地由于土壤水分少，土水势差值为-0.25～0.29 MPa。2年生胡杨幼树灌水后的土水势最低值分别为-0.34、-0.17、-0.16 MPa，对照样地土水势最低值为-0.44 MPa，灌水后的土水势明显高于对照且随灌水量增加而升高，对照样地幼树生长状态明显比灌水后差。60 L/m2处理下2年生幼树土水势上升趋势相比20、40 L/m2处理更加明显且稳定，2年生胡杨幼树生长有着较高的需水量。2年生胡杨幼树在40、60 L/m2灌水后土水势极显著(P<0.01)高于对照土水势，20 L/m2与对照之间土水势显著性不明显(P>0.05)，说明在40、60 L/m2水分处理下更利于2年生胡杨幼树的生长。3年生胡杨幼树20、60 L/m2灌水后极显著(P<0.01)高于对照土水势，40 L/m2与对照之间土水势显著性不明显(P>0.05)，在20、60 L/m2水分处理下更利于3年生胡杨幼树的生长。4年生胡杨幼树在不同灌水量处理下的土水势变化差异较小，树龄较大的胡杨幼树需水量较少，同样的环境下少量的灌水即可满足其生长的需求。

胡杨幼树在灌水后的土水势均有所提高，比对照土水势更加稳定；灌水对土水势的影响较大；2年生胡杨幼树土水势均值比3年、4年生胡杨幼树低，树龄小的幼树自身适应能力较弱，需水量更大。图2，表2

图2 胡杨2～4年胡杨幼树土水势日变化Fig.2 Diurnal variation of soil water potentialn Populus euphratica seedlings from 2 to 4years old

表2 2～4年生胡杨幼树土水势对不同灌水量日响应变化描述特征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 胡杨幼树土壤含水量、温度和电导率变化

研究表明，胡杨幼树土壤含水量在不同灌水量下均呈现出随着灌水量的增加而增加的特征；树龄越大，胡杨土壤含水量越大，2、3、4年生胡杨幼树的土壤含水量在20 L/m2处理下为22.37%、23.86%、27.74%；40 L/m2处理下为23.51%、25.89%、24.17%，60 L/m2处理下为26.12%、27.26%、28.76%；土壤深度越大，土壤含水量越高，2、3、4年生胡杨幼树在20、40、60 L/m2处理下80 cm深度的土壤含水量比0 cm表层土壤含水量分别提高6.80%、11.34%、21.07%、4.87%、6.07%、4.36%、4.76%、6.03%、3.86%。胡杨幼树土壤温度在不同灌水量下变化规律不明显，但灌水后土壤温度较对照明显下降，树龄越大，胡杨幼树土壤温度在灌水后下降低效果越显著，2、3、4年生胡杨幼树在20、40、60 L/m2处理下较对照温度下降了0.5、0.72、1.6、2.34、2.44、2.56、3.42、3.46和3.52℃。灌水后胡杨幼树土壤电导率较对照明显下降，灌水量越大电导率下降越明显，2、3、4年生胡杨幼树土壤电导率在20、40、60 L/m2处理下较对照分别降低38.61%、39.37%、39.86%、46.50%、46.72%、47.21%、53.69%、54.40%和55.18%，且土壤电导率随着土壤深度的增加而增加，土壤深度越大，土壤电导率越高。

土壤含水量高低影响植物的土壤水势高低，干旱环境下可通过灌水增加土壤含水量，2年生的胡杨幼树需要足够灌水量以保障胡杨幼树的正常生长，而对于3、4年生的胡杨幼树则可以在2年生胡杨幼树灌水量基础上适当减少灌水量。图3

图3 胡杨2～4年幼树土壤含水量、温度、电导率变化Fig.3 Changes of soil humidity,temperature and conductivity of Populus euphratica seedlings in 2 to 4 years

3 讨 论

当生存环境中的水分不能满足其正常生长需求时，胡杨幼树生存就会受到威胁，降低水势以适应环境[17]。李小琴等[7]、高丽娟[18]研究表明，水势是研究植物水分状况的最佳判断指标，当植物受到水分胁迫时，会降低自身水势从土壤中获取水分。当水势降低到低于-1 MPa时会抑制植物的生长发育，叶片生理生化过程将受到抑制影响生存能力[19]。胡杨幼树在不同灌水量下的叶水势、土水势呈早晚高，中午下午较小，均为“V”型趋势，2、3、4年生胡杨幼树平均值分别为-0.496、-0.193、-0.153 MPa，而对照胡杨幼树平均值为-1.47、-1.46、-1.46 MPa，一定程度体现了胡杨幼树适应环境的生理机制。胡杨幼树采用降低自身水势来适应干旱环境与侧柏(Platycladusorientalis)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、刺槐(Robiniapseudoacacia)[20]等大多数植物通过低水势抵抗脱水耐旱机制类似，体现了胡杨耐旱的特性。植物在受到水分补充后能否迅速恢复并修复干旱对其造成的影响是体现耐旱性的重要表现[21]。2～4年生胡杨幼树的叶、土水势均随灌水量的增加而逐渐提高，与王丁[22]研究发现，喀斯特主要造林树种降低干旱胁迫因素后，苗木水势逐渐提升的结果一致，反映了不同地区植物水分生理特征和适应机制的相似性。

王项娜[23]研究认为土壤盐分和干旱造成的渗透胁迫是限制植物生长的重要因子，定期灌水胡杨幼树能够适应土壤水分变化，减少其受干旱胁迫的损失。杨玉海等[24]研究发现，塔里木河下游胡杨幼树在饱和灌水15 d后土壤含水量就处于重度干旱胁迫水平，21 d后幼树生长会受到伤害。在塔里木河中下游地区影响植被生存的除了水分外，盐分也是重要因素之一可以用来衡量胡杨的盐胁迫程度，并且土壤盐分浓度越高，土壤电导率越高[25-26]。庄丽等[27]研究发现，土壤含水量对土壤盐分的影响比地下水位大，土壤中盐分过多会使土壤水势下降影响植物水势，定期人工输水有效降低该区域内土壤含水量和土壤盐分。研究也发现不同灌水量后样地内土壤含水量明显提高，灌水量越大土壤电导率越低，土壤温度也随之降低，但土壤温度对胡杨幼树生长影响不大，灌水后胡杨幼树枝叶嫩绿生长较好，而对照胡杨幼树枝叶则出现枯黄落败，多次灌水后胡杨幼树生长状态得到改善补充，短期灌水的意义不大多次灌水才能有效促进胡杨幼树的生长。胡杨幼树水势与环境因子的关系需要进一步加强研究。

4 结 论

多次灌水对干旱区胡杨幼树的生长有着明显的促进作用。不同灌水量下胡杨幼树的叶水势与土水势明显高于对照处理，且灌水量越大水势越大，叶水势与土水势日变化差异为60 L/m2<40 L/m2<20 L/m2<对照，2年生、3年生、4年生胡杨幼树的最适宜灌水量为60、40和20 L/m2。灌水有效增加了胡杨幼树的土壤含水量，降低了土壤电导率和土壤温度从而减轻浅层土壤中的盐分堆积，改善了胡杨幼树的生存环境。