限定枣树生长下的枣林耗水特征

刘 恋，张敬晓，靳姗姗，孙 波，董建国,5，汪有科,5

(1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.河北水利电力学院，河北 沧州 061000；3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；4.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430000；5.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

黄土高原是世界上水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一。为了改善黄土高原恶劣的生态环境，我国政府开展了退耕还林还草工程，对黄土高原水土流失治理和改变该区域的生态环境起到显著的作用[1-3]，可同时也带来了深层土壤干燥化问题[4]。陕北地区在退耕还林政策的扶持下，发展了大规模的红枣人工经济林，但枣林和其他人工造林植被一样，面临着严重的土壤水分亏缺问题[5]。

长期以来，黄土高原人工植被引起的土壤干化问题一直是生态学界关注的焦点。如何解决当地植被建造所造成的土壤水分亏缺也一直是大家试图解决的热点问题。黄土高原人工林地的蒸散量大于降水量，导致土壤水分长期处于负补偿效应，经过植被多年的生长耗水根区范围土壤水分已生态失调，进而形成了一定程度的土壤干层。土壤干化导致植物生长减缓甚至大片死亡，造成土壤干燥化的趋强发展和产生林相衰败的小老树等限制当地林草植被建设的问题[6-7]。因此，在黄土高原地区发展人工林必须慎重考虑土壤水分的补偿特征，若要防治人工植被土壤干化就必须合理调控林地生产力，使植物蒸腾耗水与土壤水分补偿之间保持平衡[8]。

榆林大面积山地枣树种植年限已经有18 a，随着树龄增加，枣林地土壤干化也在不断加重，马建鹏等的研究表明5、15 a枣林地耗水深度分别为440、800 cm，出现干层的厚度分别为100、400 cm[9]。土壤干层的形成，严重影响植被的正常生长。如何降低枣林耗水深度缓解土壤干化已成为近年学者研究的一个重点。靳姗姗和白一茹的研究证实，薄膜、地布、石子等覆盖保墒措施能够有效减少枣林地土壤水分蒸发量，从而提高土壤含水量[10-11]。蔺君等提出鱼鳞坑、聚水沟、水平阶等降雨径流拦蓄措施对于减少林地水分流失也具有重要意义[12-13]。此外，魏新光等和聂真义研究认为通过修剪、矮化密植等措施缩小树体规格减少蒸腾耗水也能够实现枣林水分利用效率的调控[14-15]。

生物量作为枣树在生态系统中积累的植物有机物的总量，是决定枣树营养生长和生殖生长的能量基础和物质来源。旱作条件下土壤水分是影响枣树生物量的主要因子，是决定枣树产量的关键因素[16]。相反，枣树生物量也直接影响其耗水量，从而影响土壤水分，这与以往研究提出降低土地水分承载量的道理是一致的[17]。本研究在控制枣树树体规格的基础上，对枣树生物量、土壤水分与耗水特性的关系进行分析，为旱作枣林科学修剪管理和完善“节水型修剪”技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点在陕北米脂县银州镇远志山红枣示范基地(37°12′N、109°28′E)，该区域属于典型黄土高原丘陵沟壑区，平均海拔1 049 m，地势总体西北高东南低。米脂县域西部与榆林的风沙区接壤，地貌类型主要有峁、梁、沟、川。沟道浅而宽、梁峁起伏较大，土壤风蚀沙化明显，植被稀少，水土流失严重。土层深厚，地下水埋深在50 m以下，对植物根系吸水的影响较小。地属中温带半干旱大陆性季风气候，全年雨量不足，气候干燥，冬春长，夏秋短，四季分明，日照充沛，年平均气温8.4℃，极端最高气温38.2℃，极端最低气温-25.5℃，无霜期162 d。年均降水量451.6 mm，其中7—8月份降水量占全年降水量的49% ，8月份最多[18]。土壤以黄土母质发育的黄绵土为主，质地为粉质沙壤土，容重1.24 g·cm-3，田间持水量为23%。

1.2 试验布设与指标测定

1.2.1 试验布设 研究设置5个处理，每个处理设置4个重复。每个处理面积为6 m2(2 m×3 m)规格的小区(如图1所示)。1～5小区深度分别2、3、4、5、6 m。各小区四周采用水泥砌墙与周围土壤隔离(衬膜)，底部用塑料隔膜限制各小区深度，2013年各小区分别栽植1棵枣树。2014年枣树度过缓苗期，生长状况达到稳定状态，树体控制规格为高160 cm±14 cm，冠幅160 cm×160 cm,二次枝总长度300 cm±10 cm，每7天复查修剪一次，尽量保持树体规格指标的精准化。

图1 研究小区布设示意图Fig.1 Experimental layout

1.2.2 枣树生长指标观测 在枣树生育期每隔7天测量一次枣树树高、冠幅东西、冠幅南北、冠幅厚度、主枝长度、侧枝总长度、枣吊长度、叶片横径、叶片纵径等各项生长指标。主枝数、侧枝数、枣吊数、叶片数通过目测得到。树高、冠幅：每月初用钢卷尺测定一次。主枝：采用钢卷尺每7天测量一次主枝长度，用游标卡尺测量主枝中部粗度，单位为mm。侧枝：每7天在枣树四面随机选取3个侧枝，用钢卷尺测量侧枝长度，用游标卡尺测量侧枝中部粗度，单位mm。枣吊：每7天在枣树四面随机选取15个枣吊，用卷尺测量枣吊长度，用游标卡尺测量枣吊中部粗度，单位mm。叶面积：每7天在枣树四周随机选取15片叶片，用直尺测量叶长和叶宽，通过计算求得叶面积(叶面积=叶长×叶宽×0.67)。产量测定：采摘果实称量得到每棵树的平均产量，根据当地枣园矮化密植的种植密度换算成每公顷的产量。

生物量：用卷尺、钢尺、游标卡尺等测量仪器，测量包括修剪去除的全部枝条长度、枝条枝径、枣吊长度、枣吊枝径、单棵枣吊数目、叶片纵径、叶片横径、枣吊上叶片数、果实横径、果实纵径、单棵果实数，然后用佘檀等[19]建立的模型计算生物量，公式如下:

B=B1+B2+B3+B4

(1)

(2)

(3)

(4)

B4=4.568×10-5Z1.374×T0.901

(5)

式中，B为枣树单株生物量(g)；B1为主枝生物量(g)；D1为主枝直径(mm)；H1为主枝长度(mm)；B2为侧枝生物量(g)；D2为侧枝直径(mm)；H2为侧枝长度(mm)；B3为枣吊生物量(g)；D3为枣吊直径(mm)；H3为枣吊长度(mm)；B4为叶片生物量(g)；Z为叶片纵径(mm)；T为叶片横径(mm)。

1.2.3 土壤含水率测定 在各小区的中心位置按测量深度分别放置2、3、4、5、6 m深铝管作为中子仪土壤水分测定点，采用CNC503B型NP中子仪在每月初测定一次土壤体积含水量，测定间隔20 cm，如遇降雨则在雨停之后测定。

1.2.4 土壤储水量 土壤储水量计算公式为：

W=0.1rvh

(6)

式中，r为土壤质量含水率(%)；v为土壤容重(g·cm-3)；h为土层深度(cm)。

1.2.5 枣树耗水量 枣树耗水量的计算公式为：

ET=0.001(P-ΔW)sρ

(7)

式中，ET为作物耗水量(m3·hm-2)；P为降水量(mm)；ΔW为土壤储水量变化量(mm)；S为平均单棵枣树占地面积(m2·棵-1)；ρ为枣树栽植密度(棵·hm-2)。

1.2.6 水分利用效率 水分利用效率计算公式为:

(8)

式中，WUE为水分利用效率(kg·m-3)；Y为产量(kg·hm-2)；ET为作物耗水量(m3·hm-2)。

1.3 数据处理

数据统计分析主要采用Excel 2012和IMB SPSS Statistics 19.0软件，作图采用AutoCAD和Origin 9.1软件。

2 结果与分析

2.1 限制枣树生长下的地上生物量与土壤水分

生物量是绿色植物转换利用光能与营养物质累积的结果[20]，旱作枣树生物量是影响半干旱区枣林土壤水分的重要指标。根据刘晓丽等的研究，将密植枣林深层土壤剖面分别命名为:强耗水层(2.0～4.4 m)、弱耗水层(4.4～5.0 m)及微弱耗水层(5.0～7.0 m)[21]。本研究中耗水层是指植物根系吸收水分用于植物生长与蒸腾最多的土层，也就是观测期间土壤含水量发生明显变化的土层。在此，对试验区2015—2017年枣树规格、单株地上生物量(保留部分+修剪部分)、耗水层年平均土壤含水量进行统计(表1)，由表1可以看出同年各小区之间的生物量在P=0.05水平上无显著性差异，符合试验设计要求。

由表1还可以看出，尽管试验采取了相同的修剪指标控制树体规格，限制树体自由生长，但是不同年份各小区的生物量表现出2017年>2016年>2015年的规律。这里可能有树龄因素也有降水量的影响，观测期三年中的降水量2015年434.80 mm，2016年590.8.20 mm，2017年619.60 mm，与生物量的变化规律一致。经测算发现，试验区枣树根系深度还受到小区深度限制，如1区和2区处理深度只有2 m和3 m，导致枣树根系层深度无法超越小区深度，同时，小区深度也会限制土壤储水量，由于缺少深层土壤水分补给，所以1区、2区供给枣树生长的土壤储水量较3区、4区、5区要少，所以枣树生长总量较小。1区、2区、3区、4区、5区处理深度逐渐加大，意味着土壤储水能力和土壤储水量对枣树生长作用逐渐增加，枣树各处理上的总生物量也呈增加的趋势并呈现一定的相关性，三年内生物量与小区深度的Pearson相关系数分别为0.986**、0.921*、0.963**，但由于我们采取修剪控制树体生长，各处理之间的生物量差异不显著，由此造成的各处理地上生物量与耗水层土壤水分差异也不显著，这也证明限制枣树生长一定程度上限制了土壤水分的消耗量。

表1 各小区枣树生长状况与水分状况

注：同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note: Different letters in a column are significant difference atP<0.05 level.

2.2 限定枣树生长下的枣树耗水状况

降雨是试验区土壤水分补充的唯一途径，各小区地表面积相同，因此接收的降雨量也相同，通过小区水量平衡可以计算出枣树耗水量。试验观测期间，试验各处理土壤含水率变化见图2。可以看出，2014年枣树度过缓苗期树体较小消耗的水分少，土壤含水率达7%左右。2015年，枣树树体达到一定规格，生长需水量增大，但降雨量较少，1～2 m土层土壤含水率接近凋萎含水量，枣树通过吸收更深层的土壤水分维持生长，导致2015年耗水深度明显增加。2016年降雨量增加，降雨量能够满足枣树生长需水量，土壤含水量在0～300 cm土层有所恢复。2017年降雨量较大，在满足枣树生长前提下，土壤水分仍有富余，土壤含水量在2016年的基础上再次增加。3区、4区、5区320 cm以下土壤水分含量有逐年增大的趋势，320 cm以上土层各小区土壤水分变化规律基本相同，说明枣树在试验所限定的规格下土壤耗水深度均在320 cm左右。根据马建鹏等[9]在本地区的研究，未修剪的5a枣树耗水深度可达440 cm，试验地5龄枣树耗水深度远低于未修剪的枣树，说明一定强度的节水型修剪可以有效降低枣林的耗水深度。研究表明，通过控制树体规格可以调控树体的水分消耗[22]。树冠生长与根系生长和土壤水肥资源之间存在函数关系，根系吸水能力的变化可用于判断枝条生长情况[23]。并且树木地上部分各器官的形成和生长与地下部分根系的形成和生长也密切相关[24]。通过修剪导致枣树根系发生了一系列变化以平衡根-枝比，从而影响根系吸水能力，使枣树的根系分布层被限制在一定范围，进而控制枣树耗水深度[25]。

图2 各小区0～600 cm土层土壤水分年际变化Fig.2 The soil moisture in 0～600 cm soil layer under different treatments

由于小区深度不同，在相同降雨条件下小区储水量不同，使得5个小区存在储水量梯度。5个小区在自然降雨条件下耗水层的土壤储水变化情况如图3所示。干旱年(2015年)各小区储水量相比2014年呈明显下降趋势，2016、2017年的土壤水分通过自然降水恢复，储水量的变化情况与降水量的变化规律相同，这说明在非干旱年可以通过节水型修剪雨养枣树恢复土壤干层。

图3 各小区耗水层土壤储水量逐年变化Fig.3 Annual change of soil water storage in water-consuming layer of different test plot

由表2可知当降水量多土壤水分含量较高时，枣树的耗水量较大；反之，降水少土壤水分含量较低时，枣树对水分的消耗大幅降低。2015年各小区耗水量分别为456.00、470.60、469.99、488.88、482.66 mm，该年降水量434.8 mm低于当年枣树耗水量，水分严重亏缺，枣树生长消耗的土壤水分不能被降水及时补充，造成土壤干化。2016、2017年试验枣树耗水量分别为546.77、517.45、522.96、530.19、539.62 mm和567.41、560.08、551.56、558.33、549.21 mm，枣树耗水量均低于当年降水量，降水能够满足枣树生长需求。三年试验期间枣树平均耗水量为520.78 mm，接近平均降雨量548.40 mm，说明试验采取的修剪强度符合当地降雨条件，可以作为节水型修剪的控制指标。在非干旱年降水量能够满足枣树生长耗水需求。

2.3 限定枣树生长下的枣树水分利用效率

陕北地区干旱少雨，因此提高枣树的水分利用效率是实现枣林地生态可持续发展的关键，水分利用效率高，说明枣树对水分的利用更加经济。将试验区附近同类型地块的常规矮化密植山地枣树作为对照，与 2015、2016、2017 年试验区各处理的产量和水分利用效率进行了对比分析(表3)。表3可以看出，4个小区无论是生物量水分利用效率还是产量水分利用效率都明显高于对照，说明节水型修剪可以提高枣树水分利用效率。此外，枣树的产量还受年降水量的影响，水分充足的2017年平均产量接近2015年两倍，说明降水量对枣树产量仍然起主导作用。

表2 各小区2015-2017年降雨量、储水量变化量和耗水量比较Table 2 Comparisons of rainfall, changes in water storage and water consumption from 2015 to 2017

表3 各小区产量及水分利用效率比较

3 讨论与结论

1)植被耗水所导致的土壤水分亏缺是形成土壤干层的主因，深入研究枣林的耗水特征是维系枣林生态系统稳定的关键。经过研究发现采用修剪限定枣树生长具有明显的限制枣树耗水量的作用。虽然在土壤水分较充足或者降雨量大的年份时枣树耗水量还是略有增加，枣树生物量也会略有增加，但限定枣树生长的修剪仍然可以作为防治土壤水分过度消耗的措施。

2)随着林龄的增长，修剪后枣林耗水深度小于自然生长下的枣林。试验所采取的修剪规格，5 a生枣树耗水深度约为3 m，这个深度可以通过丰水年得到恢复并且可以补充下层的土壤水分，所以3 m土壤干化的深度可以看成临时性干层，也就是可允许的干层深度。汪星等的研究也证实在陕北黄土丘陵区，矮化密植枣林根系分布深度和消耗土壤水分的深度比传统的稀植枣林浅，说明矮化密植措施降低了枣林根系深度，具有对枣树根系调控的作用[25]。试验区观测期各处理的平均耗水量为520.78 mm，接近当地平均降雨量548.40 mm，林地土壤水分补充与消耗基本持平，说明试验采取的修剪强度符合当地降雨条件，可以作为节水型修剪的控制指标。水分亏缺的干旱年我们还可以在节水型修剪的基础上，增加灌溉、覆盖保墒等其他措施，尽量限制枣园水分无效消耗，对实现枣林可持续发展，防控枣林土壤的干化具有重要意义。

3)枣树在有限的生长空间内依靠自然降雨正常生长，试验限定枣树生长的规格并没有降低枣树产量。不同年份枣林产量受降雨量影响，水分充足的年份产量较高，水分亏缺的年份产量相对较低。与常规矮化密植山地枣树相比，试验枣树的生物水分利用效率和产量水分利用效率均有所提高，水分利用效率高，意味着枣树对水分的利用更加经济。说明节水型修剪在生产中具有一定的应用价值，所以试验采用的修剪规格可作为当地生产管理的参考。