干旱缺水和水土流失是制约黄土高原生态恢复和农业发展的两大瓶颈(Shi et al., 2000)。自1999年退耕还林政策实施以来, 黄土高原水土流失状况得到了显著改善; 但随着退耕还林植被不断生长, 对土壤水分需求量越来越大, 林地土壤水分亏缺越来越严重, 形成了大范围土壤干化, 林地土壤水分调控作用降低, 从而影响植被生长发育, 甚至导致群落衰败和生态系统退化(Chen et al., 2007; Wang et al., 2008; Chen et al., 2015)。如何防治半干旱黄土丘陵区人工林地日趋严重的土壤水分生境恶化已成为必须面对的重大课题。

大枣(Ziziphus jujuba)是陕北地区重要的特色经济林树种, 自退耕还林工程实施以来形成了大规模山地枣林, 种植面积超过66 666.7 hm²。由于灌溉水源稀缺, 多为旱作模式经营(Chen et al., 2014), 已有研究证明, 12龄山地枣林林地干层接近6 m(汪星等, 2015)。为缓解枣林土壤干化程度, 近年来实施了集雨微灌工程、截水沟、覆盖保墒等旱作节水技术, 这些措施促进了枣树生长, 提高了枣林产量和水分利用效率(员学锋等, 2006; 吴普特等, 2008; 汪有科等, 2008; 蔺君等, 2013); 然而, 并未完全遏制枣林地土壤干化, 土壤干燥化仍在加重(Chen et al., 2015)。

赵霞等(2012)提出了节水型修剪理念, 试图通过修剪减少枣林耗水, 以达到缓解土壤干化目的。随后的研究证明, 修剪能减少枣树蒸腾耗水量(Liu et al., 2013; Chen et al., 2014; 魏新光等, 2014; 2015)。覆盖处理也是提高土壤含水量的有效途径, 覆盖能够减少地表土壤蒸发损失, 提高作物水分利用效率(Chen et al., 2007;Wang et al., 2009), 但不同修剪强度对土壤水分影响如何, 不同覆盖处理对枣林土壤水分影响如何, 修剪技术与覆盖结合能否有效缓解林地土壤干化, 这些关键问题鲜见报道。鉴于此, 本研究以黄土丘陵半干旱区旱作枣林为对象, 采用树高、冠幅及二次枝总长度为控制指标, 设计10种试验处理:常规(PI-1)、轻度(PI-2)、中度(PI-3)、重度(PI-4)修剪; 林下秸秆、石子覆盖地膜覆盖、林下裸地; PI-4+塑料膜覆盖; 农地。采用中子水分仪定位监测土壤剖面水分含量, 并对不同处理下的土壤水分状况进行分析, 探究枣林地干化土壤修复的新途径, 以期为黄土丘陵区林地土壤干层修复提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于陕西省榆林市米脂县(109°49′—110°29′E, 37°39′—38°5′N)孟岔山地大枣节水示范基地。该区域属典型的黄土高原丘陵沟壑区, 温带半干旱性气候区, 气候干燥。年均降水量451.6 mm, 主要集中在7—9月, 年均气温8.4 ℃, 年均日照时数2 761 h, 日照百分率62%, 年总辐射580.5 kJ·cm^-2, 平均海拔1 049 m。试验地土壤为黄绵土, 0~1 m土层平均土壤密度为1.29 g·cm^-3, 田间持水量为23%, 凋萎系数为5.2%。试验区枣树为2000年以来逐年栽植, 株行距为2 m×3 m, 分布在各个坡向, 水平阶较多。

2 研究方法 2.1 试验设置

试验区布设在25°坡面的水平阶上, 立地条件相似, 无灌溉处理, 每种处理树龄相同。本试验设4种不同修剪强度处理、4种林下地表覆盖处理、1种修剪+覆盖处理和农地, 共10种处理。

2.1.1 修剪处理

修剪处理设计4种修剪强度, 分别为常规(PI-1)、轻度(PI-2)、中度(PI-3)和重度(PI-4)修剪, 处理指标见表 1。每种修剪处理3次重复, 每块重复样地面积6 m×8 m, 8株枣树, 试验于2014-04-01—2015-11-01进行, 在枣树生育期(4—11月)每隔5天复检, 剪掉一些徒长枝条等, 以控制修剪后表 1中5个指标不变。

2.1.2 覆盖处理

4种覆盖处理分别为在林下设置玉米秸秆覆盖、地膜覆盖、石子覆盖及裸地(对照), 每种处理3次重复, 每块重复样地面积6 m×8 m, 8株枣树。试验采用的玉米秸秆长5~7 cm, 覆盖厚度为10~12 cm; 石子粒径为0.5~1 cm, 覆盖厚度为5 cm; 地膜采用大棚膜, 平铺在除去杂草的枣林地上; 裸地处理为枣林下无任何覆盖。覆盖时间均为2012-03-01— 2015-10-01。

2.2.3 修剪+覆盖处理

实地调查发现, 枣林地塑料膜覆盖土壤水分显著高于其他覆盖处理, 结合赵霞等(2012)节水型修剪理念, 为进一步探究枣林地覆盖和修剪结合对土壤干层的修复效应, 本研究选择PI-4+塑料膜覆盖作为1个处理, 该处理3次重复, 每块重复样地面积6 m×8 m, 8株枣树。试验时间为2014-04-01—2015-11-01。

2.1.4 农地处理

为了对比常规(PI-1)修剪枣林干化程度, 分析PI-4+地膜覆盖处理土壤水分恢复情况, 设计面积为6 m×8 m的3块农地作为对照样地。

2.2 土壤水分监测

采用CNC100型中子水分仪对土壤水分监测, 监测深度包括0~300和0~1 000 cm, 测定深度步长20 cm, 每10天测1次, 测定始末时间与各处理试验时间同步, 中子管布设在各小区枣树株间和农田中部位置。表层20 cm土壤水分含量用取土烘干法测定。为更准确地保证各处理下的土壤水分, 本研究对每个处理小区周围0~300 cm深土层采用大棚膜进行隔离, 以防止各处理间的根系与水分相互作用和流通。

2.3 数据处理

土壤储水量计算公式为:

$ W = 10H\theta。$

(1)

土壤储水量变化量计算公式为:

$ \Delta W = {W_\rm{l}} - {W_0}。$

(2)

式中:W为土壤储水量(mm); H为土层深度(cm); θ为土壤体积含水量(cm³·cm^-3); ΔW为土壤储水量变化量(mm); W_l为时段末储水量(mm); W₀为时段始储水量(mm)。

采用Excel 2012和PASW Statistics 18.0软件进行数据统计分析, 采用Origin 2016和AutoCAD 2010软件作图。

3 结果与分析 3.1 旱作枣林地土壤干化程度

2015年(15龄)枣林生育期(4—10月)和同期附近的山坡农地平均土壤含水量对比情况如图 1所示。可清晰看出, 15龄枣林0~560 cm深度平均土壤含水量为7.3%, 较农地低5.27%, 土壤储水量较农地少295.28 mm。当地农地栽培历史已有上千年, 所以一般认为旱作农作物不形成土壤干层, 土壤生态专家常用旱作农地土壤水分作为对照来分析其他土地利用方式的土壤干化程度。如以图 1中农地土壤水分作对照, 15龄枣林0~400 cm深度平均土壤含水量为6.18%, 已形成重度干层, 其中400~560 cm深度平均土壤含水量为9.82%, 为轻度干层, 干化土壤深度达560 cm, 平均每年加深干层约37 cm, 15龄枣林较农地多耗水295.28 mm, 平均每年约多消耗19.69 mm土壤水。

3.2 修剪强度对土壤水分的影响

图 2表明, 不同修剪处理下枣林地土壤含水量存在显著性差异, 土壤含水量随着修剪强度增加而增大(P < 0.05), 其中PI-4处理土壤含水量较PI-1、PI-2和PI-3处理分别高1.91%、1.30%、0.73%(2014年)和2.31%、1.48%、0.79%(2015年)。从土壤储水量变化量来看(图 2), 枣林地土壤储水量变化量随着修剪强度增加而增大, PI-3和PI-4处理均显著大于其他处理(P < 0.05), PI-4处理土壤储水量变化量分别较PI-1、PI-2和PI-3处理多54.36、46.75、22.88 mm(2014年)和75.30、51.41、24.86 mm; 此外, PI-1和PI-2处理的土壤储水量变化量分别为-11.15、-3.54 mm(2014年)和-33.04、-9.15 mm(2015年), 说明PI-1和PI-2处理强度下, 降雨量不能满足枣林对水分的需求, 枣林只能通过消耗土壤水分来获取生长所需水量。

3.3 覆盖对土壤水分的影响

图 3所示为2012年3月—2015年10月不同覆盖措施下0~300 cm土层土壤储水量变化动态。可以看出, 4个生育期结束时, 秸秆覆盖土壤储水量分别比对照高32.5、30.4、26.5和36.3 mm, 石子覆盖分别高56.0、51.7、58.8和66.3 mm, 地膜覆盖分别高68.7、75.6、69.2和83.1 mm。3个休眠期结束时, 对照土壤储水量最低, 为283.78 mm。秸秆覆盖土壤储水量较对照分别减少损失21.9, 30.1和24.8 mm, 石子覆盖减少损失43.3, 59.3和56.6 mm, 地膜覆盖减少损失35.1、48.8和53.6 mm。3种覆盖处理下, 林地土壤储水量均显著高于对照(无覆盖) (P < 0.05), 地膜覆盖和石子覆盖之间的土壤储水量差异不显著(P < 0.05);与对照相比, 秸秆覆盖土壤储水量高31.8~43.1 mm, 石子覆盖高69.9~71.4 mm, 地膜覆盖高84.0~92.7 mm。在2012—2015年连续3年的生育期中, 对照土壤储水量均显著低于3种覆盖处理(P < 0.05);枣林休眠期地膜覆盖储水量达339.45 mm, 显著高于石子覆盖和秸秆覆盖(P < 0.05), 地膜覆盖储水量较石子覆盖高23.85 mm, 较秸秆覆盖高57.44 mm。

3.4 修剪+覆盖对土壤水分的影响

枣树修剪+覆盖同时进行的土壤含水量动态和农地土壤量动态见图 5。2014年4月, 0~300 cm土层枣林土壤含水量只有7.3%, 农地土壤含水量为9.4%, 林地土壤含水量低于农地。在4月覆盖后由于时间短且缺少降雨, 覆盖效果还未能显现。随着降雨增加和时间延续, 到9月, 枣林土壤与农地基本接近。在枣树休眠期的11月至2015年4月期间, 土壤含水量整体下降, 枣林和农地土壤含水量无显著性差异(P < 0.05)。但是, 由于这一时期农地土壤含水量下降快, 枣林土壤含水量下降慢, 在休眠期结束的3月农地土壤含水量为9.6%, 枣林土壤含水量为10.4%, 枣林土壤含水量高于农地。2015年是少雨年份, 枣林地和农地水分均不足, 土壤含水量差异不明显, 并且整个生育期土壤含水量虽低于2014年农地水平, 但却高于2014年5月之前的枣林土壤含水量。此外, 枣树2015年生育期(5—10月)期间, 与农地土壤水含水量差异显著(P < 0.05), 枣林土壤储水量高于农地7.47 mm。由此看出, 枣树采取修剪+地膜覆盖可实现0~300 cm土层土壤含水量与农地持平。试验结果显示, 在枣树采取修剪情况下, 覆盖对林地土壤水分修复有明显效果。土壤水分修复需要较长时间, 在降水较多的2014年, 0~300 cm土层土壤水分恢复到与农地相同水平差不多用了1个生育期的时间, 如遇到少雨年份恢复的时间可能更久。试验也证明, 在半干旱黄土丘陵山地枣林中采取修剪+地膜覆盖的模式可有效防治林地土壤干层加重或发生, 但能否修复已出现的深度土壤干化还有待进一步研究。

4 讨论

本研究表明, 枣树修剪可显著提高林地土壤含水量, 与已有苹果(Malus pumila)(Li et al., 2003)、梨(Pyrus spp.)(Lopez et al., 2008)、桉(Eucalyptus robusta)树(Shelden et al., 2000)修剪研究结果一致。修剪抑制冠层生长, 减小木质部导管直径, 减少水力学导度, 减少树体蒸腾进而减缓了土壤水分亏缺(Namirembe et al., 2009)。此外, 矮化修剪能够降低枣树根系深度, 影响其从土壤中获取水分的范围, 降低耗水深度, 缓解深层土壤干化(马理辉等, 2012; 汪星等, 2015)。但如何实现修剪的可视化、数字化和精准化进而改善林地土壤水分状况有待进一步研究。

覆盖作为一种传统保墒措施, 不仅能保蓄土壤水分, 提高水分利用效率(Sheng et al., 2008), 还可改善农田小气候, 但未见有覆盖改善和治理林地土壤干层的报道, 本研究采取枣树生长下的覆盖试验, 清晰揭示了覆盖对土壤水分的作用, 这一做法值得今后生产和研究中参考借鉴, 但还需进行基于收益与成本关系分析的优化研究。虽然覆盖是一种传统的旱作技术措施, 特别是膜覆盖在枣林休眠期具有显著的保墒效果, 但目前生产中采用全面膜覆盖和全年覆盖十分少见, 也未见有针对林地干层治理进行覆盖治理的应用研究。如何针对土壤干化问题将传统覆盖措施进行定量化、标准化研究, 尽快将覆盖技术应用于黄土高原人工林(草)地土壤干化治理是个具有理论和实际应用意义的重要课题。

关于半干旱黄土丘陵区人工植被造成土壤干化的研究很多, 普遍认为人工植被造成的土壤干化特别是深层干化会对后续多年生植被生存产生不利影响(杨维西, 1996; 杨文治, 2001; 王力等, 2004), 目前还未见有在干化土壤环境再建多年生植物的研究报道, 也少见对该区域深层干化土壤进行专门治理的研究报道。本研究初步结果显示, 膜覆盖+修剪能明显改善0~300 cm土层的土壤水分状况, 并且取得了当年土壤水分恢复到与附近农田相同的结果。0~300 cm土层是植物主要的水分和养分吸收范围, 说明采用这种模式可防治枣林土壤干化加剧。但尚不能确定采用该模式是否能够防止和治理枣林地深层土壤干化, 期待更多、更深入的研究成果。

本研究发现15龄枣林已形成近600 cm深度的干层, 与农地对照计算得出枣林每年较农地多消耗土壤水分19.69 mm, 是否意味着每年给枣林增加19.69 mm水分输入, 或使枣林每年蒸散减小19.69 mm, 就不会形成土壤干化, 特别是深层(>2 m)土壤不发生干化, 是个值得思考和进一步探索的课题。本试验在控制枣树高为160 cm, 冠幅为160 cm×160 cm情况下进行了覆膜, 丰水年林地休眠期土壤含水量高于农地, 并且林地土壤水分恢复到与农地持平的水平, 但缺乏大于300 cm深度的土壤水分监测与分析, 所以还不能确定枣树修剪+膜覆盖对深层干化土壤修复作用, 这个问题亦需继续深入研究。

4 结论

本研究表明, 15龄山地旱作枣林地土壤干层深度达到560 cm。全年秸秆覆盖、石子覆盖和膜覆盖不但可增加枣林生育期土壤水分储量, 而且能降低休眠期林地土壤水分损失量。4种枣树修剪强度下, 随着修剪强度增加其林地土壤水分含量也有增加趋势。节水型修剪+全年覆盖更有利于林地土壤水分恢复, 是修复枣林土壤干层的一种有效措施。