山地棗樹在不同土層厚度下的土壤水分狀況變化

馮 喆,馬理輝,王志昊

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院,陜西 楊陵 712100;2.西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊陵 712100;3.中國科學院水利部 水土保持研究所,陜西 楊陵 712100)

土壤水分作為聯系土壤-植被-大氣連續體(SPAC)中的關鍵因子,對當地生態系統的結構和功能起著非常重要的作用[1]。目前,眾多學者對土壤水分的研究主要集中于植被因素(植被種類、密度、樹齡等)[2-3]、氣象因子(降雨、溫度等)[4-5]和地形因子(坡向、坡度等)[6,7]等指標的影響,但對于土壤層厚度這一重要指標對土壤水分影響的相關研究則鮮見報道。

土壤層厚度作為土壤質量的重要表征指標之一,關系著土壤水分儲量和土壤水分植被承載力[8],是植物生長發育的重要物質基礎。子桂才等[9]研究了不同土層厚度下油橄欖(Oleaeuropaea)生長狀況,結果表明土層厚度對油橄欖各項生長和掛果指標均具有極顯著影響;Li等[10]和Zhao等[11]通過研究喀斯特地區不同土層厚度下的草本植物,指出淺土層較厚土層明顯抑制了植物地上各部分生物量的積累;楊小琴等[12]研究了土層厚度對千根草(Euphorbiathymifolia)生物量分配的影響,指出淺土層下千根草的根生物量分配較厚土層更高;王林等[13]研究了不同土層厚度下刺槐(Robiniapseudoacacia)的水分和生長狀況,發現隨著土層厚度變淺,刺槐旱季土壤水分下降,生長狀況減弱,土壤水分承載力出現不足。以上研究表明土層厚度的差異影響了植物的生長及水分狀況,當前深根系植被已成為全球普遍存在的現象,深層土壤水分受到學者們的極大關注[14-16],而目前有關土層厚度的研究對象多為淺根系植被,研究范圍大多處于1 m以內,對于深根系的林木而言仍處于淺層土壤的范疇[17],因此,土層厚度這一重要指標的研究范圍有必要得到擴充,以了解深根林木在不同土層厚度下的土壤水分狀況及其耗水策略。

本研究構建了足夠大且可控制的土體空間,以山地棗樹(Zizyphusjujuba)土壤水分為對象進行定位觀測試驗,研究不同土層厚度下棗樹土壤水分的變化特征,探究棗樹在不同土層厚度下的耗水策略,以期為干旱區植被恢復與重建提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗點位于陜西省米脂縣銀州鎮遠志山試驗基地(109°49′E,37°39′N),為典型黃土高原丘陵溝壑區,海拔1 049 m左右,屬溫帶半干旱大陸性季風氣候,多年平均日照時數2 761 h,年平均氣溫8.4 ℃,最高氣溫38.2 ℃,最低氣溫-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%。當地土壤主要為黃土母質發育的黃綿土,質地為粉質沙壤土,土壤容重為1.24 g·cm-3,田間持水量22%,凋萎系數5.16%。土壤貧瘠,有機質含量為 0.21%。

1.2 試驗布設

根據米脂縣孟岔紅棗基地2012年的取樣發現[18],12年生棗林的細根最大深度為5 m左右,因而確定控制土體厚度的最大深度為6 m,構建起足夠大(土體厚度超過觀測到的最大深度)、但可控制(四周、底部圍防滲膜)的土體空間,最小土體厚度為2 m。2013年初開挖了2、3、4、5、6 m共5種土體厚度的基坑,基坑規格為2 m×3 m(圖1),確保單株棗樹根系有足夠大的生長空間?；铀闹芎偷撞坑梅罎B膜鋪設與周圍土壤隔離,地面四周砌墻與周圍土壤隔離,使試驗小區為相對隔離的土壤環境。采用原狀土回填,試驗小區僅依靠自然降雨進行土壤水分補給,排除地下水補給和土壤水分側滲補給。以土體厚度為控制因子,設置5個水平,對應5個土體厚度,同一水平設4個重復。2013年春天栽植2年生棗樹苗,每個試驗小區在中間位置栽植1株苗,進行試驗觀測。各小區棗樹生長狀況見表1。

圖1 研究小區布設示意

表1 各小區棗樹生長狀況

1.3 觀測指標及測定方法

1.3.1 土壤水分長期定位觀測 按照測定深度各小區分別安置了2、3、4、5、6 m的中子管,并采用CNC503B型NP中子儀測定各小區的土壤水分,測定深度間隔為20 cm,2022年自5月開始棗樹生育期內隔10 d測定1次,如遇降雨則在雨停之后及時測定。

1.3.2 降雨量測定 采用已經安裝好的自動氣象站(RR-9100,GRANT Instruments Ltd.,UK)進行觀測,觀測時間步長為10 min。

1.3.3 土壤儲水量及棗樹耗水量 土壤儲水量計算公式如下。

(1)

式中:W為土壤儲水量(mm);n為土壤所劃分的總層次數;θi為第i層土壤的體積含水量(%);hi為第i層土壤的厚度(mm)。

利用水量平衡法計算棗樹耗水量。試驗小區無灌溉、無深層滲漏,不發生側滲和地表徑流,因此棗樹耗水量只通過降雨量和土壤儲水的變化量來計算。

ET=P+ΔW

(2)

式中:ET為棗樹耗水量(mm);P為降雨量(mm);ΔW為計算時段起止土壤儲水量的變化量(mm)。

1.3.4 細根根長密度 細根根長密度計算公式為

FRLD=L/(π×r2×h)

(3)

式中:FRLD為細根根長密度(m·m-3);L為土芯內細根根長(m);r為土芯半徑(m);h為采樣深度(m)。

1.4 數據處理

采用Excel 2019軟件進行試驗數據整理,利用SPSS 22.0軟件進行單因素ANOVA檢驗與非參數檢驗分析不同處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同土層厚度土壤水分垂直分布狀況

由圖2可以看出,各小區土壤水分的消耗與補給主要發生在淺層土壤,深層土壤水分基本保持不變。2、3、4 m深小區深層土壤水分在棗樹根系吸水作用下都已接近凋萎濕度(5.16%),深層平均土壤含水率分別為5.81%、5.38%、5.21%,表明深層土壤已失去了“土壤水庫”的調控能力,2～4 m土層厚度下樹體僅能靠當年降雨滿足其水分需求,受到水分脅迫的風險大大增加。5 m與6 m深小區深層土壤水分整體較高,深層土壤平均含水率分別為9.86%、9.22%,最低值為5.47%和5.36%,分別出現在2.6 m和1.8 m處。因當年降雨基本滿足棗樹需水要求,各小區根系主要吸水深度與降雨入滲深度類似,分別為1.6、1.6、2.2、2.2、2.2 m。

圖2 生育期內各深度小區月初土壤水分垂直分布

2.2 不同土層厚度土壤水分隨時間變化特征

由圖3可以看出,5月土壤水分消耗較少,各深度小區土壤水分與初始值相差不大,由大到小關系為5、2、3、6、4 m。6月進入土壤水分快速消耗期,該時期除5 m深小區外各小區土壤水分均接近凋萎濕度,7、8月隨著雨季的到來,土壤水分得到補給,整體呈波動上升趨勢,土層厚度為2 m和3 m的淺土層小區土壤水分變化速率較快,6 m深土層土壤水分整體處于低值,其原因可能是該小區棗樹生長狀況最好(表1),棗樹需水量較大。9月中旬后降雨明顯減少,此時棗樹處于果實成熟期,降雨量并不能滿足需水要求,各小區土壤水分呈下降趨勢。

天數起始時間自生育期起始時間即5月6日算起。下同。

2.3 不同土層厚度棗樹耗水特征

由表2可見,不同土層厚度下棗樹生育期內耗水量由大到小關系表現為:6、2、3、5、4 m。其中,6 m深小區產生較大水分虧缺,2 m和3 m深小區降雨大致滿足棗樹耗水,4 m和5 m深小區土壤分別得到37.7 mm和35 mm的水分補給。在棗樹整個生育期中,6月與9月棗樹產生較大水分虧缺。生育期內各月份棗樹耗水量變化情況見圖4,隨著生育期的進行,棗樹耗水量整體呈現先增加后減少的變化趨勢。5月棗樹處于萌芽展葉期,各小區棗樹耗水量不高,6 m深小區耗水量偏大;至6月下旬,隨著棗樹從萌芽展葉期進入開花坐果期,棗樹耗水量出現明顯增長;7月棗樹進入開花坐果后期,各小區棗樹耗水量提高;8月,棗樹處于果實膨大期,各小區棗樹耗水量進一步增大,2、3 m和6 m深小區內棗樹耗水量明顯高于4 m和5 m深小區;9月隨著棗林進入果實成熟期,棗樹耗水量較果實膨大期開始減少。

圖4 各深度小區棗樹耗水量變化特征

表2 不同土層厚度土壤水分耗水量與補給量

2.4 降雨對土壤水分的補給

降雨量與土壤水分增量隨時間變化關系見圖5,可以看出,旬尺度下棗樹整個生育期內,僅有7月中旬、8月中旬、9月中旬3個時段降雨對各深度小區進行較多的水分補給,降雨量分別為76.2、218、60.7 mm。9月中旬降雨對各小區土壤水分的補給深度最大,分別達到了150、180、220、240、210 cm,8月中旬降雨量最大,但多是短歷時的強降雨,降雨量大、歷時長的降雨相較于短歷時的強降雨雖然土壤水分補充總量較小但補充深度更大[19]。7月中旬降雨量也較高,但各小區初始土壤水分較低,補充深度較淺。降雨對棗林地土壤水分的補給量與時間關系密切,5月上旬23.6 mm的降雨仍能為2、4、5 m深小區帶來約5 mm的水分補給,6月下旬32.2 mm的降雨量僅2 m深小區土壤水分獲得6 mm的補給,8月下旬棗樹處于果實成熟期時,30.6 mm的降雨量反而讓各小區土壤產生不同程度的水分虧缺。

圖5 生育期內土壤水分增量隨時間變化

2.5 不同土層厚度棗樹細根分布特征

棗樹耗水量與其細根分布特征密切相關。棗樹細根主要集中在0～0.6 m土層中,且細根根長指標更能代表棗樹吸收土壤水分能力的強弱[20],因此,為解釋不同土層厚度棗樹耗水量的差異,對各深度小區0～0.6 m土層進行了打鉆取樣,并選取細根根長密度這一形態特征參數進行分析比較,結果見表3。從表3可知,隨著土層厚度的增加,細根根長密度呈現先降低后增大的變化趨勢。

表3 各深度小區0～0.6 m土層細根根長密度

3 討論

土壤水分主要受降雨補給、土壤蒸發及植物根系吸收三者影響而發生改變。土壤厚度作為土壤的關鍵屬性,其決定了生根空間、水分和養分儲量等影響植物生長的一系列條件[21]。土壤厚度的差異直接影響了植物的生長發育與根系分布,眾多學者研究表明,土壤厚度越大時,植株生長就越旺盛[22-23],同時植物耗水量也隨之改變,進而反饋至土壤水分的差異。

本研究發現,不同土層厚度棗樹耗水量由大到小關系表現為:6、2、3、5、4 m,土層厚度淺的土壤中棗樹耗水量反而較高,隨著土層厚度增加至4 m,棗樹耗水量逐漸降低,之后隨著土層厚度的增加,棗樹耗水量逐漸增高。棗樹耗水量與其細根分布特征密切相關,為解釋不同土層厚度下棗樹耗水量的差異,本研究通過對細根根長密度這一形態特征參數進行分析比較發現,細根根長密度也隨著土層厚度的增加呈現先降低后增大的變化趨勢,這與棗樹耗水量表現的規律一致,結合表1中所表現的隨土層厚度增加棗樹生長狀況加強的規律,可以推斷,淺土層下棗樹削減了地上部分的資源投入而加強了根系的生長發育,提高自身吸收水分的能力來適應土壤水資源的嚴重匱乏,隨著土層厚度增加,可利用資源總量變多,促進了棗樹的生長發育,其根系生長隨之得到加強。結合圖5可知,2 m和3 m深小區棗樹耗水量最大值發生在產生強降雨的8月,而2 m和3 m深小區棗樹樹高、冠幅較小,該區淺層土壤水分較高,可能也存在較強的土壤蒸發造成淺層土壤更多的水分消耗。

在對不同土層厚度棗樹土壤水分垂直分布狀況的研究中,發現2～4 m深小區深層土壤水分已鄰近凋萎濕度,此后棗樹耗水量僅能依靠當年降雨,難以抵御干旱頻率和持續時間增加的風險,深層土壤水分的缺乏會導致果樹受到更嚴重的水分脅迫,蒸騰速率、光合作用速率及日間葉水勢均有所下降[24],這也造成了不同土層厚度下棗樹生長狀況的差異。5 m與6 m深小區雖受到根系吸水作用即淺層土壤水分有所消耗但仍高于其他小區,表明在有深層土壤可利用水分的情況下果樹并不會將淺層土壤水分完全吸收至凋萎濕度,而是傾向于吸收更深層的土壤水分[25-26],相較于6 m深小區,5 m深小區土壤水分最低值所在位置更深,表明更高的深層土壤儲水有效緩解了土壤干化程度的加深。有學者研究表明嚴重的水分脅迫會抑制植物的生長發育,顯著降低其根系的生長量[27-28],不同于該結論,本研究表明,嚴重的水分脅迫雖然抑制了棗樹地上部分的生長發育,但其根系生長得到顯著加強。這種差異可能源于植物對干旱適應程度的不同[29-30],棗樹作為耐旱植物,在完全干化的土壤中仍能保持存活,這得益于其發達的根系。但若僅以厚土層小區棗樹為研究對象,則可得出隨著土壤水分的降低,植物根系生長受到抑制的結論,這意味著,不同于土壤水分嚴重匱乏的淺土層,厚土層內土壤水分越高,棗樹生長發育狀況越好,其蒸騰速率越高,對水分的需求越強,相應的其根系生長量也越高。

4 結論

1)土層越厚,棗樹土壤水分狀況越好。2～4 m深土層在11 a棗樹耗水下深層土壤水分已鄰近凋萎濕度,此后棗樹耗水僅能依靠降雨補充,厚土層(5 m和6 m)因深層土壤儲水充足其淺層土壤水分較2～4 m深土層更高。

2)不同土層厚度下降雨補給量和補給深度不同,厚土層較淺土層降雨補給深度更深。

3)棗樹耗水量隨著土層厚度的增加呈現出先降低后增高的變化趨勢。淺土層抑制了棗樹地上部分的生長而加強了細根的生長發育,提高了棗樹的根系吸水能力,厚土層擁有更多的深層土壤儲水,棗樹生長狀況更好,根系吸水能力相應加強。

因此,棗樹在深層土壤儲水嚴重缺乏的淺土層中會抑制自身生長發育而加強根系吸水能力,但隨著土層厚度與深層土壤儲水的增加,棗樹保持著深層土壤儲水越多、生長狀況越好、耗水量越多的規律。