田 陽，周玉喜，云 雷，畢華興，高路博，李 璐，申 明

（1．北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，北京100083；2．水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京100055）

土壤水分不僅是土壤、植物、大氣連續(xù)體的關(guān)鍵因子，還是土壤系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和流動的重要載體，對土壤的特性、植物的生長、分布以及生態(tài)系統(tǒng)小氣候的變化具有重要影響［1］。果農(nóng)間作是晉西黃土區(qū)開發(fā)的主要模式之一，特別是國家實(shí)行退耕還林政策以來，大量坡耕地改種為具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的果樹，使得果農(nóng)間作模式不斷推廣。但在干旱半干旱的晉西黃土區(qū)，果農(nóng)間作不得不面對一個(gè)重要難題——水分競爭，雖然關(guān)于黃土區(qū)不同植被土壤水分動態(tài)變化的研究起步較早，并得到了很多結(jié)論［2－16］，但多針對如林地、草地、農(nóng)地等單一系統(tǒng)，針對間作系統(tǒng)土壤水分的研究仍不多見［17］。本文以晉西黃土區(qū)具有代表性的蘋果（Maluspumila）—花生、蘋果—大豆兩種果農(nóng)間作模式為研究對象，通過對間作系統(tǒng)水分時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，旨在為該地區(qū)間作系統(tǒng)水分布模型的建立，水分生態(tài)特征分析等提供一定的基礎(chǔ)資料，也為該地區(qū)土地資源合理利用和農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣東城鄉(xiāng)雷家莊（110°41′E，36°06′N），地處呂梁山南端，屬于典型的黃土殘塬溝壑區(qū)。年平均降雨量在580mm左右，降水量季節(jié)分配不均，降雨集中在7—9月，占全年降水量的70%左右（2008年降水總量為396．1mm，屬于偏旱年。2009年降水總量為521．8mm，屬于正常年，具體見圖1）。該地區(qū)春季干旱多風(fēng)，氣候回升快，晝夜溫差大，年均氣溫10℃，年均日照時(shí)數(shù)2 740h，無霜期175d左右。土壤屬黃土母質(zhì)，土層深厚，土質(zhì)均勻。東城鄉(xiāng)雷家莊是全國優(yōu)質(zhì)果品生產(chǎn)基地、農(nóng)業(yè)部無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)地，該地區(qū)果樹主要為蘋果、核桃。

圖1 2008－2009年降水量分布

2 研究方法

2．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取當(dāng)?shù)刂饕麡漕愋汀O果以及典型作物花生、大豆為研究對象。蘋果始栽植于2000年，蘋果樹行間內(nèi)種植花生、大豆（同一樹行南北兩側(cè)種植相同作物），蘋果樹行向與花生、大豆行向一致，皆為東西走向，蘋果樹株行距為3．0m×4．0m，平均樹高4．0m，冠幅半徑2．1m；間作模式中的花生、大豆的株行距均為0．45m×0．50m，并設(shè)置單作花生和大豆作為對照，間作和單作作物的株行距及管理方式一致。蘋果樹行與二者的距離均為2m（圖2）。

圖2 蘋果—農(nóng)作物間作土壤水分監(jiān)測試驗(yàn)布設(shè)

2．2 土壤水分

土壤水分樣點(diǎn)布設(shè)與測定：在蘋果—農(nóng)作物間作中，以選擇的蘋果樹行為中心，在蘋果樹行南北兩側(cè)布設(shè)樣線，分別以距蘋果樹行0m（林下），0．5，1．0，1．5，2．0，2．5m作為土壤水分取樣點(diǎn)，每種間作模式3條樣線（相鄰樣線距離相等），共33個(gè)取樣點(diǎn)（圖2）；單作對照花生、大豆樣地按照“S”形各選取5個(gè)樣點(diǎn)；每個(gè)取樣點(diǎn)設(shè)3個(gè)重復(fù)。

利用土鉆對布設(shè)的水分監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行取土，采用烘干法測定，取土深度為0—100cm，每20cm為一層，分層測定土壤的質(zhì)量含水量。

取樣時(shí)間：在2008年5月、7月、9月和2009年6月、8月、9月分別進(jìn)行取樣，在花生和大豆的典型物候期測定土壤水分。

2．3 數(shù)據(jù)處理

為了更好地研究間作模式樹木對農(nóng)作物產(chǎn)生的影響［18－19］，本文規(guī)定蘋果樹林行南側(cè)為負(fù)方向、北側(cè)為正方向；定義從距蘋果樹行2．0m到2．5m的范圍為間作系統(tǒng)的農(nóng)作物區(qū)（蘋果樹行與作物之間的距離為2m），記為［2．0m，2．5m］；引入間作系統(tǒng)的水分效應(yīng)EM

［20］（即樹木對農(nóng)作物土壤水分影響的程度，這種影響既包括樹木根系對土壤水分的競爭，又包括樹木通過遮蔭降低土壤蒸發(fā)，樹木根系的提水作用對土壤水分的增益），其計(jì)算公式分別為：

式中：M——間作模式農(nóng)作物范圍（［2．0m，2．5m］）土層深度土壤含水量；MCK——對照農(nóng)作物土層深度土壤含水量；EM——土壤水分效應(yīng)（%）。數(shù)據(jù)處理采用 Excel 2003，SPSS 15．0，Surfer 8．0等。

3 結(jié)果與分析

3．1 間作系統(tǒng)土壤水分時(shí)間變化

從蘋果—花生、蘋果—大豆兩種間作模式土壤含水量的時(shí)間變化可以看出，間作作物在不同物候期，土壤含水量的變化與土層深度有關(guān)，與60—100cm的深層土壤相比，0—20cm表層土壤含水量隨時(shí)間變化更明顯（圖3）。

圖3 蘋果－農(nóng)作物間作土壤含水量時(shí)間變化

以對花生、大豆兩種作物的觀測時(shí)間作為影響因素，對蘋果—花生、蘋果—大豆兩種間作模式0—100 cm土層的土壤含水量進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，兩種間作模式土壤含水量物候期變化顯著（F蘋果—花生＝85．919，p＜0．01；F蘋果—大豆＝41．193，p＜0．01），說明間作系統(tǒng)并沒有改變土壤水分季節(jié)差異顯著的特征。

3．2 間作系統(tǒng)土壤水分空間分布

蘋果—農(nóng)作物間作土壤含水量測定結(jié)果統(tǒng)計(jì)特征（表1）表明，在垂直方向上，蘋果—花生、蘋果—大豆兩種間作模式土壤含水量層次變化非常顯著（F蘋果—花生＝49．108，p＜0．01；F蘋果—大豆＝42．308，p＜0．01）。各土層土壤含水量的變異系數(shù)隨土層深度的增加而減小，再次證明相對于深層土壤，淺層土壤的變化更為強(qiáng)烈，土壤含水量各層變異系數(shù)均大于0．1且小于1．0屬于中等變異性，即處于中等變異程度。

表1 蘋果—農(nóng)作物間作土壤含水量測定結(jié)果統(tǒng)計(jì)特征

在水平方向上，兩種間作模式土壤水分分布具有一定的梯度特征，總體趨勢均為距蘋果樹行越近，土壤含水量越少，但隨著樹行距離的增加，土壤含水量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢（圖4）。

圖4 蘋果－農(nóng)作物間作土壤含水量水平分布

土壤含水量先增加，主要是由隨著離果樹行距離的增大，蘋果根系網(wǎng)絡(luò)逐漸稀疏，對土壤水分的影響逐漸變小造成的；而土壤含水量有減小的趨勢可能是由于進(jìn)入間作模式的作物區(qū)域，蘋果根系網(wǎng)絡(luò)吸水和作物根系群體生長需水共同影響的結(jié)果，相對而言，蘋果—大豆間作模式表現(xiàn)更為明顯，這主要是作物種類、光照以及蘋果樹根系分布造成的。

二維分布等值線圖可以較好地顯示間作系統(tǒng)土壤水分的空間分布格局，對蘋果—花生、蘋果—大豆兩種間作模式0—100cm土層土壤含水量繪制二維分布等值線圖（圖5），可以看出，這兩種間作模式土壤水分二維分布特征具有一定的相似性。在垂直方向上，土壤水分隨著土層深度的增加有減小的趨勢；在水平方向上，隨著離蘋果樹行距離的增加土壤含水量有先增加后減少的趨勢。兩種間作模式土壤含水量的二維分布，是降雨、果樹和作物生長吸水、間作模式配置等因素共同作用的結(jié)果。

圖5 土壤含水量二維分布等值線圖

對蘋果—花生和蘋果—大豆兩種間作模式0—250cm帶距范圍各測點(diǎn)0—100cm土層內(nèi)土壤水分WS（%）與離果樹距離D（cm）、土層深度Z（cm）的關(guān)系進(jìn)行多元非線性回歸分析，結(jié)果顯示，回歸方程擬合較好，具有顯著的統(tǒng)計(jì)意義（p＜0．01）。

（1）蘋果—花生：WS＝－4．8×10－5D2＋0．021D－5．6×10－8Z4＋0．022Z＋11．114，復(fù)相關(guān)系數(shù)r＝0．948，決定系數(shù)為0．899。

（2）蘋果—大豆：WS＝－5．1×10－8Z4＋0．022Z＋12．697，復(fù)相關(guān)系數(shù)r＝0．894，決定系數(shù)為0．696。

3．3 間作系統(tǒng)土壤水分效應(yīng)

以2009年降水量正常年數(shù)據(jù)為例，方差分析結(jié)果表明，在2009年整個(gè)生長季，土層深度為0—40cm和0—100cm時(shí)，間作花生與對照單作花生、間作大豆與對照單作大豆土壤水分差異均呈極顯著（F花生0—40cm＝9．35，p＜0．01；F花生0—100cm＝36．53，p＜0．01；F大豆0—40cm＝17．42，p＜0．01；F大豆0—100cm＝94．43，p＜0．01）。根據(jù)公式（1）計(jì)算蘋果—花生和蘋果—大豆兩種間作模式的水分效應(yīng)，得出當(dāng)土層深度取農(nóng)作物根系主要分布區(qū)（0—40cm）時(shí)，土壤水分效應(yīng)值分別為－10．54%和－12．81%；當(dāng)土層深度取整個(gè)土壤庫（0—100cm）時(shí)，土壤水分效應(yīng)值分別為－11．20%和－16．83%。即兩種間作模式均為負(fù)效應(yīng)，說明果樹對農(nóng)作物存在土壤水分競爭。針對同一種作物，比較而言，土壤水分效應(yīng)值蘋果—花生＞蘋果—大豆，說明蘋果對花生土壤水分的影響要小于蘋果對大豆土壤水分的影響。

4 結(jié) 論

（1）時(shí)間上，間作系統(tǒng)并沒有改變土壤水分季節(jié)差異顯著的特征，蘋果—花生和蘋果—大豆這兩種間作模式土壤含水量的季節(jié)變化特征顯著。

（2）空間上，垂直方向上，蘋果間作土壤水分的變異系數(shù)隨著土層深度的增加而減小，且變異系數(shù)處于（0．1，1．0）之間屬于中等變異程度；水平方向上，間作模式土壤含水量出現(xiàn)不同程度的降低，降低的程度與果樹和農(nóng)作物的距離有關(guān)，離果樹越近，土壤含水量越少。二維分布等值線圖將土壤水分的點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為面數(shù)據(jù)，可以直觀描述土壤水分空間分布特征，較好地體現(xiàn)間作系統(tǒng)土壤水分空間分布規(guī)律。

（3）引入土壤水分效應(yīng)量化蘋果樹對花生、大豆的影響程度，蘋果—花生和蘋果—大豆作兩種間作模式當(dāng)土壤層次取0—40cm時(shí)，其土壤水分效應(yīng)依次為－10．54%和－12．81%；當(dāng)土壤層次取0—100cm時(shí)，其土壤水分效應(yīng)依次為－11．20%和－16．83%，負(fù)效應(yīng)表明果樹對作物存在土壤水分競爭，相對而言，蘋果對花生土壤水分的影響要小于對大豆的影響。

［1］ 黃志剛，李瑞峰，曹云，等．南方紅壤丘陵區(qū)杜仲人工林土壤水分動態(tài)［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18（9）：1937－1944．

［2］ 李洪建，王孟本，柴寶峰．晉西北人工林土壤水分特點(diǎn)與降水關(guān)系研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，1998，4（4）：60－65．

［3］ 王孟本，李洪健．晉西北黃土區(qū)人工林土壤水分動態(tài)的定量研究［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，1995，5（2）：178－184．

［4］ 邱揚(yáng)，傅伯杰，王軍，等．黃土丘陵小流域土壤水分時(shí)空分異與環(huán)境關(guān)系的數(shù)量分析［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，20（5）：741－747．

［5］ Wang J，F(xiàn)u B J，Qiu Y，et al．Geostatistical analysis of soil moisture variability on Danangou catchment of the Loess Plateau，China［J］．Environment Geology，2001，41（1／2）：113－120．

［6］ 李洪建，王孟本，柴寶峰．黃土高原土壤水分變化的時(shí)空特征分析［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，14（4）：515－519．

［7］ 陳洪松，邵明安，王克林．黃土荒草地和裸地土壤水分的循環(huán)特征［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16（10）：1853－1857．

［8］ 張思祖，李凱榮，易亮，等．黃土高原溝壑區(qū)杏樹林地土壤水分時(shí)空動態(tài)變化及適宜性研究［J］．水土保持研究，2010，17（5）：21－25．

［9］ 賈志清．晉西北黃土丘陵溝壑區(qū)典型灌草植被土壤水分動態(tài)變化規(guī)律研究［J］．水土保持通報(bào)，2006，26（1）：10－15．

［10］ 趙傳燕，馮兆東，南忠仁．黃土高原西部土壤水分時(shí)空變化模擬研究：以安家坡流域?yàn)槔跩］．冰川凍土，2007，29（5）：785－794．

［11］ 張建軍，張巖，張波．晉西黃土區(qū)水土保持林地的土壤水分［J］．林業(yè)科學(xué)，2009，45（11）：63－69．

［12］ 梁超，郝文芳，袁?。S土丘陵區(qū)不同植被群落土壤水分研究［J］．水土保持研究，2011，18（2）：103－111．

［13］ 劉志鵬，邵明安．黃土高原小流域土壤水分及全氮的垂直變異［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（5）：71－77．

［14］ 賀康寧，張光燦，田陽，等．黃土半干旱區(qū)集水造林條件下林木生長適宜的土壤水分環(huán)境［J］．林業(yè)科學(xué)，2003，39（1）：10－16．

［15］ 王晶，朱清科，劉中奇，等．黃土丘陵區(qū)不同林地土壤水分動態(tài)變化［J］．水土保持研究，2011，18（1）：220－223．

［16］ 朱樂天，焦峰，劉源鑫，等．黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型土壤水分時(shí)空變異特征［J］．水土保持研究，2011，18（6）：115－118．

［17］ 馬雯靜，畢華興，云雷，等．晉西黃土區(qū)林草復(fù)合界面土壤水分、養(yǎng)分分布規(guī)律研究［J］．水土保持研究，2009，16（5）：78－82．

［18］ 王德利．關(guān)于生態(tài)場的幾點(diǎn)評述［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，11（3）：472－476．

［19］ 王德利．植物生態(tài)場導(dǎo)論［M］．長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1994．

［20］ 孟平，張勁松．梨麥間作系統(tǒng)水分效應(yīng)與土地利用效應(yīng)的研究［J］．林業(yè)科學(xué)研究，2004，17（2）：167－171．