山地枣树在不同土层厚度下的土壤水分状况变化

冯 喆,马理辉,王志昊

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨陵 712100;2.西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨陵 712100;3.中国科学院水利部 水土保持研究所,陕西 杨陵 712100)

土壤水分作为联系土壤-植被-大气连续体(SPAC)中的关键因子,对当地生态系统的结构和功能起着非常重要的作用[1]。目前,众多学者对土壤水分的研究主要集中于植被因素(植被种类、密度、树龄等)[2-3]、气象因子(降雨、温度等)[4-5]和地形因子(坡向、坡度等)[6,7]等指标的影响,但对于土壤层厚度这一重要指标对土壤水分影响的相关研究则鲜见报道。

土壤层厚度作为土壤质量的重要表征指标之一,关系着土壤水分储量和土壤水分植被承载力[8],是植物生长发育的重要物质基础。子桂才等[9]研究了不同土层厚度下油橄榄(Oleaeuropaea)生长状况,结果表明土层厚度对油橄榄各项生长和挂果指标均具有极显著影响;Li等[10]和Zhao等[11]通过研究喀斯特地区不同土层厚度下的草本植物,指出浅土层较厚土层明显抑制了植物地上各部分生物量的积累;杨小琴等[12]研究了土层厚度对千根草(Euphorbiathymifolia)生物量分配的影响,指出浅土层下千根草的根生物量分配较厚土层更高;王林等[13]研究了不同土层厚度下刺槐(Robiniapseudoacacia)的水分和生长状况,发现随着土层厚度变浅,刺槐旱季土壤水分下降,生长状况减弱,土壤水分承载力出现不足。以上研究表明土层厚度的差异影响了植物的生长及水分状况,当前深根系植被已成为全球普遍存在的现象,深层土壤水分受到学者们的极大关注[14-16],而目前有关土层厚度的研究对象多为浅根系植被,研究范围大多处于1 m以内,对于深根系的林木而言仍处于浅层土壤的范畴[17],因此,土层厚度这一重要指标的研究范围有必要得到扩充,以了解深根林木在不同土层厚度下的土壤水分状况及其耗水策略。

本研究构建了足够大且可控制的土体空间,以山地枣树(Zizyphusjujuba)土壤水分为对象进行定位观测试验,研究不同土层厚度下枣树土壤水分的变化特征,探究枣树在不同土层厚度下的耗水策略,以期为干旱区植被恢复与重建提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验点位于陕西省米脂县银州镇远志山试验基地(109°49′E,37°39′N),为典型黄土高原丘陵沟壑区,海拔1 049 m左右,属温带半干旱大陆性季风气候,多年平均日照时数2 761 h,年平均气温8.4 ℃,最高气温38.2 ℃,最低气温-25.5 ℃。多年平均降水量451.6 mm,7、8月降水量占全年降水量的49%。当地土壤主要为黄土母质发育的黄绵土,质地为粉质沙壤土,土壤容重为1.24 g·cm-3,田间持水量22%,凋萎系数5.16%。土壤贫瘠,有机质含量为 0.21%。

1.2 试验布设

根据米脂县孟岔红枣基地2012年的取样发现[18],12年生枣林的细根最大深度为5 m左右,因而确定控制土体厚度的最大深度为6 m,构建起足够大(土体厚度超过观测到的最大深度)、但可控制(四周、底部围防渗膜)的土体空间,最小土体厚度为2 m。2013年初开挖了2、3、4、5、6 m共5种土体厚度的基坑,基坑规格为2 m×3 m(图1),确保单株枣树根系有足够大的生长空间。基坑四周和底部用防渗膜铺设与周围土壤隔离,地面四周砌墙与周围土壤隔离,使试验小区为相对隔离的土壤环境。采用原状土回填,试验小区仅依靠自然降雨进行土壤水分补给,排除地下水补给和土壤水分侧渗补给。以土体厚度为控制因子,设置5个水平,对应5个土体厚度,同一水平设4个重复。2013年春天栽植2年生枣树苗,每个试验小区在中间位置栽植1株苗,进行试验观测。各小区枣树生长状况见表1。

图1 研究小区布设示意

表1 各小区枣树生长状况

1.3 观测指标及测定方法

1.3.1 土壤水分长期定位观测 按照测定深度各小区分别安置了2、3、4、5、6 m的中子管,并采用CNC503B型NP中子仪测定各小区的土壤水分,测定深度间隔为20 cm,2022年自5月开始枣树生育期内隔10 d测定1次,如遇降雨则在雨停之后及时测定。

1.3.2 降雨量测定 采用已经安装好的自动气象站(RR-9100,GRANT Instruments Ltd.,UK)进行观测,观测时间步长为10 min。

1.3.3 土壤储水量及枣树耗水量 土壤储水量计算公式如下。

(1)

式中:W为土壤储水量(mm);n为土壤所划分的总层次数;θi为第i层土壤的体积含水量(%);hi为第i层土壤的厚度(mm)。

利用水量平衡法计算枣树耗水量。试验小区无灌溉、无深层渗漏,不发生侧渗和地表径流,因此枣树耗水量只通过降雨量和土壤储水的变化量来计算。

ET=P+ΔW

(2)

式中:ET为枣树耗水量(mm);P为降雨量(mm);ΔW为计算时段起止土壤储水量的变化量(mm)。

1.3.4 细根根长密度 细根根长密度计算公式为

FRLD=L/(π×r2×h)

(3)

式中:FRLD为细根根长密度(m·m-3);L为土芯内细根根长(m);r为土芯半径(m);h为采样深度(m)。

1.4 数据处理

采用Excel 2019软件进行试验数据整理,利用SPSS 22.0软件进行单因素ANOVA检验与非参数检验分析不同处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同土层厚度土壤水分垂直分布状况

由图2可以看出,各小区土壤水分的消耗与补给主要发生在浅层土壤,深层土壤水分基本保持不变。2、3、4 m深小区深层土壤水分在枣树根系吸水作用下都已接近凋萎湿度(5.16%),深层平均土壤含水率分别为5.81%、5.38%、5.21%,表明深层土壤已失去了“土壤水库”的调控能力,2～4 m土层厚度下树体仅能靠当年降雨满足其水分需求,受到水分胁迫的风险大大增加。5 m与6 m深小区深层土壤水分整体较高,深层土壤平均含水率分别为9.86%、9.22%,最低值为5.47%和5.36%,分别出现在2.6 m和1.8 m处。因当年降雨基本满足枣树需水要求,各小区根系主要吸水深度与降雨入渗深度类似,分别为1.6、1.6、2.2、2.2、2.2 m。

图2 生育期内各深度小区月初土壤水分垂直分布

2.2 不同土层厚度土壤水分随时间变化特征

由图3可以看出,5月土壤水分消耗较少,各深度小区土壤水分与初始值相差不大,由大到小关系为5、2、3、6、4 m。6月进入土壤水分快速消耗期,该时期除5 m深小区外各小区土壤水分均接近凋萎湿度,7、8月随着雨季的到来,土壤水分得到补给,整体呈波动上升趋势,土层厚度为2 m和3 m的浅土层小区土壤水分变化速率较快,6 m深土层土壤水分整体处于低值,其原因可能是该小区枣树生长状况最好(表1),枣树需水量较大。9月中旬后降雨明显减少,此时枣树处于果实成熟期,降雨量并不能满足需水要求,各小区土壤水分呈下降趋势。

天数起始时间自生育期起始时间即5月6日算起。下同。

2.3 不同土层厚度枣树耗水特征

由表2可见,不同土层厚度下枣树生育期内耗水量由大到小关系表现为:6、2、3、5、4 m。其中,6 m深小区产生较大水分亏缺,2 m和3 m深小区降雨大致满足枣树耗水,4 m和5 m深小区土壤分别得到37.7 mm和35 mm的水分补给。在枣树整个生育期中,6月与9月枣树产生较大水分亏缺。生育期内各月份枣树耗水量变化情况见图4,随着生育期的进行,枣树耗水量整体呈现先增加后减少的变化趋势。5月枣树处于萌芽展叶期,各小区枣树耗水量不高,6 m深小区耗水量偏大;至6月下旬,随着枣树从萌芽展叶期进入开花坐果期,枣树耗水量出现明显增长;7月枣树进入开花坐果后期,各小区枣树耗水量提高;8月,枣树处于果实膨大期,各小区枣树耗水量进一步增大,2、3 m和6 m深小区内枣树耗水量明显高于4 m和5 m深小区;9月随着枣林进入果实成熟期,枣树耗水量较果实膨大期开始减少。

图4 各深度小区枣树耗水量变化特征

表2 不同土层厚度土壤水分耗水量与补给量

2.4 降雨对土壤水分的补给

降雨量与土壤水分增量随时间变化关系见图5,可以看出,旬尺度下枣树整个生育期内,仅有7月中旬、8月中旬、9月中旬3个时段降雨对各深度小区进行较多的水分补给,降雨量分别为76.2、218、60.7 mm。9月中旬降雨对各小区土壤水分的补给深度最大,分别达到了150、180、220、240、210 cm,8月中旬降雨量最大,但多是短历时的强降雨,降雨量大、历时长的降雨相较于短历时的强降雨虽然土壤水分补充总量较小但补充深度更大[19]。7月中旬降雨量也较高,但各小区初始土壤水分较低,补充深度较浅。降雨对枣林地土壤水分的补给量与时间关系密切,5月上旬23.6 mm的降雨仍能为2、4、5 m深小区带来约5 mm的水分补给,6月下旬32.2 mm的降雨量仅2 m深小区土壤水分获得6 mm的补给,8月下旬枣树处于果实成熟期时,30.6 mm的降雨量反而让各小区土壤产生不同程度的水分亏缺。

图5 生育期内土壤水分增量随时间变化

2.5 不同土层厚度枣树细根分布特征

枣树耗水量与其细根分布特征密切相关。枣树细根主要集中在0～0.6 m土层中,且细根根长指标更能代表枣树吸收土壤水分能力的强弱[20],因此,为解释不同土层厚度枣树耗水量的差异,对各深度小区0～0.6 m土层进行了打钻取样,并选取细根根长密度这一形态特征参数进行分析比较,结果见表3。从表3可知,随着土层厚度的增加,细根根长密度呈现先降低后增大的变化趋势。

表3 各深度小区0～0.6 m土层细根根长密度

3 讨论

土壤水分主要受降雨补给、土壤蒸发及植物根系吸收三者影响而发生改变。土壤厚度作为土壤的关键属性,其决定了生根空间、水分和养分储量等影响植物生长的一系列条件[21]。土壤厚度的差异直接影响了植物的生长发育与根系分布,众多学者研究表明,土壤厚度越大时,植株生长就越旺盛[22-23],同时植物耗水量也随之改变,进而反馈至土壤水分的差异。

本研究发现,不同土层厚度枣树耗水量由大到小关系表现为:6、2、3、5、4 m,土层厚度浅的土壤中枣树耗水量反而较高,随着土层厚度增加至4 m,枣树耗水量逐渐降低,之后随着土层厚度的增加,枣树耗水量逐渐增高。枣树耗水量与其细根分布特征密切相关,为解释不同土层厚度下枣树耗水量的差异,本研究通过对细根根长密度这一形态特征参数进行分析比较发现,细根根长密度也随着土层厚度的增加呈现先降低后增大的变化趋势,这与枣树耗水量表现的规律一致,结合表1中所表现的随土层厚度增加枣树生长状况加强的规律,可以推断,浅土层下枣树削减了地上部分的资源投入而加强了根系的生长发育,提高自身吸收水分的能力来适应土壤水资源的严重匮乏,随着土层厚度增加,可利用资源总量变多,促进了枣树的生长发育,其根系生长随之得到加强。结合图5可知,2 m和3 m深小区枣树耗水量最大值发生在产生强降雨的8月,而2 m和3 m深小区枣树树高、冠幅较小,该区浅层土壤水分较高,可能也存在较强的土壤蒸发造成浅层土壤更多的水分消耗。

在对不同土层厚度枣树土壤水分垂直分布状况的研究中,发现2～4 m深小区深层土壤水分已邻近凋萎湿度,此后枣树耗水量仅能依靠当年降雨,难以抵御干旱频率和持续时间增加的风险,深层土壤水分的缺乏会导致果树受到更严重的水分胁迫,蒸腾速率、光合作用速率及日间叶水势均有所下降[24],这也造成了不同土层厚度下枣树生长状况的差异。5 m与6 m深小区虽受到根系吸水作用即浅层土壤水分有所消耗但仍高于其他小区,表明在有深层土壤可利用水分的情况下果树并不会将浅层土壤水分完全吸收至凋萎湿度,而是倾向于吸收更深层的土壤水分[25-26],相较于6 m深小区,5 m深小区土壤水分最低值所在位置更深,表明更高的深层土壤储水有效缓解了土壤干化程度的加深。有学者研究表明严重的水分胁迫会抑制植物的生长发育,显著降低其根系的生长量[27-28],不同于该结论,本研究表明,严重的水分胁迫虽然抑制了枣树地上部分的生长发育,但其根系生长得到显著加强。这种差异可能源于植物对干旱适应程度的不同[29-30],枣树作为耐旱植物,在完全干化的土壤中仍能保持存活,这得益于其发达的根系。但若仅以厚土层小区枣树为研究对象,则可得出随着土壤水分的降低,植物根系生长受到抑制的结论,这意味着,不同于土壤水分严重匮乏的浅土层,厚土层内土壤水分越高,枣树生长发育状况越好,其蒸腾速率越高,对水分的需求越强,相应的其根系生长量也越高。

4 结论

1)土层越厚,枣树土壤水分状况越好。2～4 m深土层在11 a枣树耗水下深层土壤水分已邻近凋萎湿度,此后枣树耗水仅能依靠降雨补充,厚土层(5 m和6 m)因深层土壤储水充足其浅层土壤水分较2～4 m深土层更高。

2)不同土层厚度下降雨补给量和补给深度不同,厚土层较浅土层降雨补给深度更深。

3)枣树耗水量随着土层厚度的增加呈现出先降低后增高的变化趋势。浅土层抑制了枣树地上部分的生长而加强了细根的生长发育,提高了枣树的根系吸水能力,厚土层拥有更多的深层土壤储水,枣树生长状况更好,根系吸水能力相应加强。

因此,枣树在深层土壤储水严重缺乏的浅土层中会抑制自身生长发育而加强根系吸水能力,但随着土层厚度与深层土壤储水的增加,枣树保持着深层土壤储水越多、生长状况越好、耗水量越多的规律。