張文飛，汪 星，汪有科，張敬曉，惠 倩

（1. 中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100）

黃土丘陵區(qū)深層干化土壤中節(jié)水型修剪棗樹生長及耗水

張文飛1,2，汪 星1※，汪有科1,3，張敬曉3，惠 倩3

（1. 中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，楊凌 712100；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100）

黃土丘陵區(qū)人工林地深層土壤干層是否影響后續(xù)植物的生長是眾多學(xué)者關(guān)心的熱點。該文在砍伐23 a生旱作山地蘋果園地后休閑4 a又栽植棗樹，連續(xù)3 a觀測干化土壤中棗樹的生長及土壤水分變化, 研究采用節(jié)水型修剪的再植棗林的生長及耗水情況。結(jié)果表明，前期23 a生蘋果園地已使0～1 000 cm深土壤干化，休閑4 a后0～300 cm土層水分得到恢復(fù)，300～500 cm范圍為中度偏重虧缺，500～700 cm為中度虧缺，700～1 000 cm為輕度虧缺；3齡棗樹時開始采取節(jié)水型修剪，0～300 cm土層有效水分被消耗34.97%，至4齡時0～300 cm范圍內(nèi)前期恢復(fù)的土壤水分已消耗殆盡；在此情況下采取節(jié)水型修剪的棗樹仍可保持良好生長，產(chǎn)量及其水分利用效率均高于相同水分條件下的常規(guī)修剪棗樹，產(chǎn)量可達正常水分條件下棗樹的1.39倍以上，產(chǎn)量水分利用效率可達1.52倍以上。研究結(jié)果證明節(jié)水型修剪是半干旱區(qū)深層干化土壤中棗樹克服雨量不足和土壤水分虧缺的一條有效途徑。

土壤；水分；果園；干層；棗樹；水分利用效率

張文飛，汪 星，汪有科，張敬曉，惠 倩. 黃土丘陵區(qū)深層干化土壤中節(jié)水型修剪棗樹生長及耗水[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(7)：140－148.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.018 http://www.tcsae.org

Zhang Wenfei, Wang Xing, Wang Youke, Zhang Jingxiao, Hui Qian. Growth and water consumption of jujube with water-saving pruning in deep dried soil of Loess Hilly Area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 140－148. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.018 http://www.tcsae.org

0 引 言

黃土區(qū)地下水埋藏深，降水是該地區(qū)土壤水分補給的主要來源。黃土區(qū)的林木普遍具有較深的根系，根系通過吸收深層土壤水分以維持季節(jié)性干旱的蒸騰耗水，進而造成深層土壤水分的不斷消耗，形成“利用型”土壤干層[1-4]。由于黃土區(qū)降水入滲深度一般在200 cm以內(nèi)且無深層滲漏，因此干層一旦形成往往經(jīng)過若干年也很難恢復(fù)，故稱之為永久性干層[3]。目前研究表明多年生人工林草植被耗水深度可達1 000 cm[5-15]。王志強等[16]在陜北綏德縣的研究表明7齡人工紫花苜蓿草地、23齡人工檸條灌木林和人工油松林的耗水深度分別達到 1 550、2 240、2 150 cm。曹裕等[17]研究也表明黃土高原超過15 a生的旱作蘋果園地耗水深度會達到甚至超過 1 180 cm。眾多學(xué)者擔心，永久性干層的形成，不僅會對現(xiàn)存植被生長不利，而且會給后續(xù)植被的選擇和生存帶來很大影響[12,18-22]。在黃土高原大規(guī)模退耕還林還草的背景下，研究干化土壤上后續(xù)植被的種植及其生長狀況甚為重要。目前關(guān)于該問題的研究較為薄弱，主要關(guān)注土壤水分的恢復(fù)及后續(xù)農(nóng)作物種植[23-26]，鮮見對人工林生長狀況的研究。王志強等[23]對陜北綏德地區(qū)林后坡耕地、放牧荒草地和保護草地的土壤水分恢復(fù)研究表明，林后坡耕地的土壤含水率大約需要40 a才能恢復(fù)到持續(xù)農(nóng)地土壤含水率的水平，保護草地則至少需要150 a，而林后放牧荒坡的土壤水分長期不能恢復(fù)。梁一民等[24]對陜北吳旗人工沙打旺衰敗后土壤水分進行的研究表明，3 m土層內(nèi)的水分在5 a內(nèi)得到補償，其中2 m以內(nèi)得到較好補償。謝軍紅等[25]從土壤水分恢復(fù)和土地生產(chǎn)力角度綜合分析得出玉米是黃土高原區(qū)多年生苜宿地土壤干層水分恢復(fù)的適宜后茬。王美艷等[26]提出黃土高原半干旱區(qū)適宜的糧草輪作模式為7 a苜蓿-13 a糧食作物。

棗樹作為一種耐旱經(jīng)濟樹種，在黃土丘陵區(qū)大量的種植和推廣，截至2010年其種植面積已達100 hm2[27]，為推動當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展起到了重要作用。目前對人工林砍伐或死亡后再植棗樹尤其是采用節(jié)水型修剪棗樹的生長及耗水研究還較少。因此本文以半干旱黃土丘陵區(qū)蘋果林砍伐后采用節(jié)水型修剪的再植棗林為對象，研究其生長及耗水情況，以期對干化土壤后續(xù)植被建造及深入研究人工林耗水形成的干層治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省米脂縣境內(nèi)遠志山紅棗示范基地（37°12′N、109°28′E)，為典型黃土高原丘陵溝壑區(qū)；屬中溫帶半干旱性氣候，年平均氣溫 8.4 ℃，極端最高氣溫38.2 ℃，極端最低氣溫?25.5 ℃。2012－2015年降水量分別為 404.4、530.1、460.4、334.8 mm，年均降水量451.6 mm，降雨主要集中在夏季，其中7、8月份降雨量占全年降水量的 49%。土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土為主，質(zhì)地為粉質(zhì)沙壤土，容重1.24 g/cm3，田間持水率22%。土層深厚，地下水埋深在50 m以下，對根系吸水影響可忽略。研究區(qū)1984－2007年間為旱作蘋果園地，2007年蘋果林伐后休閑，2011年栽植棗樹。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2011年4月完成造林后布設(shè)試驗5個樣地：樣地I（試驗區(qū)）為土壤深層干化地，前期23 a生蘋果林伐后再植棗樹的節(jié)水型修剪觀測區(qū)；樣地II（對照棗林1）是土壤深層干化地，前期23 a生蘋果林伐后再植棗樹的常規(guī)矮化修剪觀測區(qū)；樣地 III（對照棗林 2）是土壤深層未干化地（退耕造林）再植棗林的常規(guī)矮化修剪觀測區(qū)；樣地IV是距樣地I約200 m處的15 a生棗林地（前期退耕還林）土壤水分調(diào)查區(qū)；樣地 V（農(nóng)地）為位于距樣地I約150 m處（屬于2戶，稱為農(nóng)地A和農(nóng)地B，農(nóng)地A種植豆子，農(nóng)地B種植糜子）的土壤水分調(diào)查區(qū)。樣地均為梯田，面積在520～740 m2之間，觀測點在梯田中央。各樣地基本情況見表1。

2.2 棗樹修剪標準

樣地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ棗樹栽植規(guī)格為高度（120±6）cm，地徑（12±2）cm，密度200 cm×300 cm，2013年開始進入正常結(jié)果期，此時根據(jù)樣地設(shè)計分別進行常規(guī)矮化修剪和節(jié)水型修剪，常規(guī)矮化修剪標準為高度200 cm、冠幅200 cm×200 cm，節(jié)水型修剪標準為高160 cm、冠幅160 cm×160 cm。本試驗采用的節(jié)水型修剪[28-29]技術(shù)首先是以提高棗樹水分利用效率為目的，不是單純追求產(chǎn)量。在前期研究基礎(chǔ)上提出“以水定樹，以樹定產(chǎn)”的理念，即依據(jù)多年平均降雨量確定適合的樹體規(guī)格，再根據(jù)樹體規(guī)格大小確定適宜該樹體的目標產(chǎn)量。實質(zhì)是依靠修剪降低蒸騰耗水量，通過蒸騰調(diào)控實現(xiàn)棗樹年耗水量和降雨量的相對平衡。在旱作棗林中，節(jié)水型修剪追求長久的水分平衡，避免為追求近期產(chǎn)量而造成土壤水分嚴重虧缺或樹體蒸騰量過大減產(chǎn)。

2.3 土壤水分測定

土壤水分測定為人工取土烘干測定和中子儀定期測定，測定深度均為1 000 cm，測定間隔20 cm，測定時間見表1。樣地中部各設(shè)定3個取樣點，測定前一周均無降雨及灌溉。人工利用洛陽鏟在取樣點取樣，取樣后裝進鋁盒并在105 ℃下烘干12 h，所測土壤含水率為質(zhì)量含水率。本文所用含水率為體積含水率，換算公式為體積含水率=質(zhì)量含水率×土壤容重，當?shù)赝寥廊葜貫?1.24 g/cm3。土壤水分定期測定借助CNC503B型NP中子儀（北京渠道科學(xué)器材有限公司），測定周期為10 d，如遇降雨，則在雨停后及時測定。土壤機械組成用MS2000型激光粒度儀（Malvern Instruments, Malvern, England）測定。

表1 樣地基本情況介紹Table1 Introduction of sampling sites

2.4 棗樹生長指標測定

樣地棗林中各選擇 5棵代表平均生長水平的棗樹，測定生長指標。棗吊平均長度：在棗樹的東西南北 4個方向各選5個棗吊，用卷尺每隔7 d定點測量1次。單果質(zhì)量為棗樹果實成熟期末隨機選擇 30個果實的平均質(zhì)量。生物量包括修剪去除的全部枝條長度、枝條直徑、棗吊長度、棗吊直徑、單棵棗吊數(shù)目、葉片橫縱徑、單枝棗吊葉片數(shù)、果實橫徑、果實縱徑、單棵果實數(shù)，然后用佘檀等[30]建立的模型計算生物量。

2.5 相關(guān)指標計算

土壤干化狀況評價指標參考陳海濱等[31-33]的劃分方法，以土壤生長阻滯含水率（相當于 60%田間持水率）為依據(jù)，計算土壤水分虧缺度，并在此基礎(chǔ)上細化中度虧缺（表2），公式如下：

式中K為土壤水分虧缺度，%；θ為土壤體積含水率，%；θa為生長阻滯體積含水率，%。K＜0時，表示土壤水分不虧缺。

土層儲水量：根據(jù)土壤體積含水率計算。土壤儲水量的公式為

式中W為土壤儲水量，mm；ω為體積含水率，%；h為土層深度，cm。

試驗區(qū)棗樹耗水量利用農(nóng)田水量平衡法計算。試驗區(qū)棗樹為雨養(yǎng)，無灌水，不發(fā)生深層滲漏，無地下水補給，試驗期間未發(fā)生地表徑流。因此，棗樹耗水量公式可簡化為

式中ET為棗樹耗水量，mm；Pr為降雨量，mm；?W為計算時段初與計算時段末土壤儲水量之差，mm。

表2 黃土高原土壤干化水分狀況評價指標Table2 Evaluation index of soil dried layer in loess plateau

可用有效水量指高于棗樹可用有效水下限的部分。可用有效水總量為

式中WTAW為可用有效水總量，mm；WPO為伐后土壤儲水量，mm；θd為可用有效水下限，%。筆者課題組前期研究[34-37]表明，正常水分狀況下4齡棗林耗水深度約400 cm，隨樹齡增加，棗樹根系生長速度減緩，耗水深度增長減緩，12齡時耗水深度約560 cm，至15齡時約600 cm。劉曉麗等[36]研究表明采取常規(guī)矮化修剪的9 a生和12 a生棗林 200～400 cm土層中水分已被耗盡，其深層土壤水分消耗量趨于穩(wěn)定。根據(jù)棗樹生長實際情況，本文取15 a老棗林0～600 cm土層平均體積含水率6.15%為棗樹可用有效水下限。

剩余有效水量計算公式為

式中WRAW為土壤剩余有效水量，mm；WP為目前土壤儲水量，mm。

消耗可用有效水比例為

式中WPAWC為消耗可用有效水的比例，%。

生物量為棗樹地上各部分生物量之和，采用佘檀等[30]建立的模型計算，公式如下

式中B為棗樹生物量，g；B1為枝條生物量，g；D1為枝條直徑，mm；H1為枝條長度，mm；B2為棗吊生物量，g；D2為棗吊直徑，mm；H2為棗吊長度，mm；B3為葉片生物量，g；Z1為葉片橫徑，mm；T1為葉片縱徑，mm；B4為果實生物量，g；Z2為果實橫徑，mm；T2為果實縱徑，mm。

棗樹水分利用效率計算公式為式中WUEy為產(chǎn)量水分利用效率，kg/m3；WUEb為生物量水分利用效率，kg/m3；Y為棗樹產(chǎn)量，kg/hm2；B為棗樹生物量，單位換算為kg/hm2；ET為作物耗水量，單位換算為m3/hm2。

2.6 數(shù)據(jù)處理

用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用Origin8.0繪圖軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 前期土壤干化狀況

研究區(qū)前期是已經(jīng)生長23 a的山地旱作蘋果園，2007年挖去全部蘋果樹后園地處于休閑狀態(tài)，2011年4月21日—4月24日測定伐后土壤和對照農(nóng)地土壤水分（農(nóng)地A與農(nóng)地B的平均體積含水率）見圖1和表3所示。將利用式（1）計算所得土壤水分達重度虧缺時相應(yīng)體積含水率6.6%作為本文的干層指標。由圖1及表3看出，在0～250 cm層次土壤水分與農(nóng)地基本一致，二者在此層內(nèi)土壤水分均值僅相差0.5%，這是蘋果林伐后土地休閑4 a恢復(fù)的層次；250～300 cm層次土壤含水率隨深度增加逐漸接近干層指標，該層次土壤水分由上向下逐漸遷移，屬于雨水入滲遷移改善層，故0～300 cm土層為短期可恢復(fù)層次。300～500 cm土壤含水率最接近干層指標線即干化最為嚴重，加之雨水入滲難以達到，故稱為難恢復(fù)層；500～1 000 cm土壤水分雖較300～500 cm層次有所提升，但仍明顯低于農(nóng)地土壤含水率，即前期蘋果林消耗土壤水分深度已經(jīng)達到1 000 cm，超過300 cm的干層被稱為永久性干層[3]。300～1 000 cm土壤平均體積含水率為8.71%，儲水量為756.13 mm，農(nóng)地同層次土壤體積含水率平均為14.14%，土壤儲水量為1 206.62 mm，伐后果園儲水量較農(nóng)地減少37.33%，這可看作蘋果林23 a來逐漸消耗的土壤儲水量。23 a蘋果林耗水深度達1 000 cm，與曹裕等[17]對半濕潤偏旱和半干旱黃土丘陵區(qū)多個旱作蘋果園地的研究結(jié)果一致。

圖1 伐后果園與農(nóng)地0～1 000 cm土壤含水率Fig.1 Soil moisture at 0-1 000 cm after orchard cutting and farmland

考慮到0～300 cm土層水分受降雨和地表植物的影響波動較大，又是受降雨已經(jīng)有所恢復(fù)的層次，在此分析300 cm以下土壤干化程度，如表3所示。伐后果園土壤水分虧缺程度隨土層深度增加而減小，其中 300～500 cm為中度偏重虧缺；＞500～700 cm為中度虧缺；＞700～1 000 cm為輕度虧缺。300～500、＞500～700、＞700～1 000 cm 土壤儲水量分別為農(nóng)地同層次的46.93%、66.82%、71.51%。農(nóng)地在300～500 cm為不虧缺，＞500～700 cm為輕度虧缺，＞700～1 000 cm為不虧缺。一般認為農(nóng)作物在旱作栽培中僅僅消耗當年降雨，或者說消耗淺層土壤水分，不會形成永久性干層。農(nóng)地500～700 cm土層范圍出現(xiàn)的土壤水分輕度虧缺現(xiàn)象可能是土壤顆粒組成差異造成，未受作物耗水影響[16]。表3中，土壤水分虧缺程度與不同層次土壤水分差異出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，說明傳統(tǒng)的土壤水分虧缺程度劃分較統(tǒng)計學(xué)分析粗放，如伐后果園土壤500～600、＞600～700 cm同屬于中度虧缺，但 2層次土壤含水率之間存在顯著差異（P＜0.05），農(nóng)地300～400、＞400～500 cm按土壤水分虧缺程度劃分為無虧缺，但 2層次土壤含水率之間存在顯著差異（P＜0.05）。

表3 伐后果園土壤與農(nóng)地300～1 000 cm剖面土壤水分虧缺度Table3 Soil water deficit at 300-1 000 cm profile of soil in orchard after cutting and farmland

為進一步確定土壤顆粒與土壤水分的關(guān)系，參考王志強等[16,23]所用的方法將農(nóng)地A 300 cm以下土壤含水率與土壤顆粒組成數(shù)據(jù)進行回歸分析，如表 4所示。土壤含水率與黏粒（＜0.002 mm）、砂粒（＞0.05 mm）含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與粉粒（0.05～0.002 mm）含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與土層深度的相關(guān)性不顯著（P＞0.05），說明深層土壤含水率均受砂粒、粉粒、黏粒的影響[16,23]，含水率隨土層深度變化主要受土壤質(zhì)地的影響[16]。將顆粒組成與土壤含水率進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，土壤含水率隨黏粒的增加呈對數(shù)曲線的形式增加，結(jié)果如圖2所示。

表4 農(nóng)地A土壤含水率與土層深度和顆粒組成的Pearson相關(guān)系數(shù)Table4 Pearson correlation coefficient of soil moisture, soil depth and particle composition for farmland A

將農(nóng)地B土壤剖面的黏粒含量數(shù)據(jù)代入圖2中關(guān)系式計算其土壤含水率，并與實測值進行比較，如圖3a所示，農(nóng)地B土壤含水率實測值與計算值曲線基本重合（均方根誤差為0.28%），說明用對數(shù)方程可有效地描述土壤顆粒與深層土壤水分之間的關(guān)系。將蘋果林伐后土壤黏粒含量代入圖 2中關(guān)系式得計算值，與實測值比較可知（圖3b），伐后果園土壤實測與計算含水率之間存在明顯差別，300～1 000 cm土層含水率平均計算值為14.35 %，計算值比實測值（8.66%）高65.7%，表明蘋果樹可能已經(jīng)嚴重消耗了深層土壤水分。

圖2 農(nóng)地A黏粒與土壤含水率的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil moisture and clay content in farmland A

圖3 農(nóng)地B及伐后蘋果園土壤含水率實測值與計算值比較Fig.3 Comparison of measured and calculated soil moisture in orchard after cutting and farmland B

3.2 再栽棗樹后的干化土壤水分變化

將試驗區(qū)棗林2013－2015年土壤水分及2011年4 月21日測定的伐后果園土壤水分換算為棗林土壤有效水分作圖4及表5。

圖4 伐后果園土壤與試驗區(qū)各齡棗林土壤有效水含量Fig.4 Available water content of orchard after cutting and Jujube of every age

由表5看出，0～1000 cm伐后果園土壤可用有效水總量為386.77 mm，0～300 cm土層土壤可用有效水總量為149.71 mm，棗樹生長過程中剩余有效水量逐年遞減，分別為334.22、262.05、252.21 mm，消耗可用有效水為13.59%、21.59%、3.64%；由圖4和表5看出棗林生長的幾年間主要消耗0～300 cm土層的水分，消耗可用有效水量為131.2 mm，3齡棗林消耗可用有效水為34.97%，4齡棗林消耗可用有效水為 83.04%，5齡時棗林由于缺乏有效水分只能消耗剩余有效水量的4.59%?？梢姉椓衷?齡后即基本失去土壤水分的有效供給。

將試驗區(qū)5齡棗林土壤水分與15齡老棗林土壤水分作圖5。

由此推斷，15齡老棗林0～600 cm土層的平均土壤含水率可作為棗樹生長可利用水下限。15齡老棗林 0～600 cm土壤含水率低于干層指標線，說明棗樹較蘋果樹吸水能力更強。從圖5可知，15齡老棗林0～600 cm范圍土壤體積含水率為6.15%，試驗區(qū)5齡棗林同層次平均土壤體積含水率為6.88%，二者僅相差0.73%，差異極小。也就意味著試驗區(qū)0～600 cm土層土壤水分狀況已接近15齡老棗林，在這種情況下棗樹根系不會向缺乏水分的土層延伸，試驗區(qū)再栽棗樹缺乏深層土壤儲水。通過以上分析，推斷深層土壤水分的缺乏可能抑制了試驗區(qū)棗樹根系的生長，5齡棗樹耗水深度僅為300 cm左右，只能依靠當年降水和降水在土壤淺層的入滲生長，“土壤水庫”的功能已基本消失。

表5 棗林生長過程中0～1 000 cm土壤有效水變化Table5 Change of available water content during growth of jujube in 0-1 000 cm

圖5 試驗區(qū)5齡棗林與15齡老棗林土壤含水率Fig.5 Soil moisture of 5-yr jujube in experiment plot and 15-yr jujube

3.3 干化土壤中棗樹的生長及水分利用效率

將對照棗林1與試驗區(qū)4齡棗樹（2014年）、5齡棗樹（2015年）棗吊平均長度、剪去枝條累積長度、單株生物量等變化作圖6分析。從圖6看出，棗吊平均長度、剪去枝條累積長度、單株生物量均隨著時間增長，達到一定值后趨于穩(wěn)定。2015年降雨量較2014年少，各指標增長速度與最終值均小于2014年，說明在半干旱黃土丘陵區(qū)降雨可顯著影響棗樹生長。由圖 6可知，2015年試驗區(qū)與對照區(qū)1棗吊平均長度最終值較2014年分別減少34.26 %、32.46 %，2 a中試驗區(qū)棗吊平均長度最終值分別為對照區(qū)1的1.08倍、1.05倍。試驗區(qū)棗樹采用節(jié)水型修剪，修剪強度大于對照區(qū)，在此情況下棗吊平均長度仍略高于對照區(qū)1，說明節(jié)水型修剪有利于棗樹生殖生長，這也是產(chǎn)量的基礎(chǔ)。剪去枝條累積長度用來體現(xiàn)修剪量的大小，2 a間試驗區(qū)修剪量均大于對照區(qū)1，且二者修剪量在2015年均有所減小。試驗區(qū)單株生物量2015年較2014年減少22.31%，對照區(qū)1 2015年單株累計生物量較2014年減少52.33%；同時，2014年試驗區(qū)單株生物量為對照區(qū)1的56.77%，2015年試驗區(qū)單株生物量為對照區(qū)1的81.89%，說明降雨量減少對對照區(qū)1棗樹生物量的影響大于試驗區(qū)，試驗區(qū)棗樹因采用節(jié)水型修剪降低蒸騰耗水量[25-26]能一定程度減小降雨量對其生長的影響。

表6為試驗區(qū)與對照棗林1（以下簡稱對照1）及對照棗林2（以下簡稱對照2）4齡、5齡棗樹果實生長狀況和單株生物量、產(chǎn)量、耗水量以及水分利用效率。追求較高的水分利用效率是缺水條件下農(nóng)業(yè)得以持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵所在[38]。本文從生物量和產(chǎn)量來分析水分利用效率。

圖6 試驗區(qū)與對照1棗林棗吊平均長度、剪去枝條累積長度、單棵生物量Fig.6 Average length of branches, length of cumulative cutting branches and biomass per plant of jujube in experiment plot and CK1

表6 不同處理棗樹單果質(zhì)量、果實個數(shù)、生物量、產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率Table 6 Average fruit weight (AFW), number of fruit (NF), biomass, yield, water consumption (WC) and water use efficiency (WUE) of jujube under different treatments

由表6可知，試驗區(qū)4齡、5齡棗樹果實個數(shù)大于對照1、對照2，單果質(zhì)量差異不大。2 a中試驗區(qū)棗樹耗水量均低于對照區(qū)棗樹。試驗區(qū) 4齡棗樹生物量分別是其對照區(qū)1和2的97%、57%，生物量水分利用效率分別是其對照區(qū)1和2的96%、62%，5齡棗樹生物量分別是其對照區(qū)1和2的93%、82%，生物量水分利用效率分別是其對照區(qū)1和2的96%、95%，主要是試驗區(qū)棗樹采用節(jié)水型修剪限制了自身營養(yǎng)生長。試驗區(qū) 4齡棗樹產(chǎn)量分別為對照區(qū)1和2的3.45倍、1.39倍，產(chǎn)量水分利用效率分別是其3.53倍、1.52倍。2015年時棗樹為5齡，一般來說5齡棗樹較4齡棗樹產(chǎn)量有所提高，而由于2015年降雨量減小，試驗區(qū)與對照區(qū)產(chǎn)量均較2014年有所減小，但試驗區(qū)5齡棗樹產(chǎn)量仍為對照區(qū)1及2的2.96倍、1.43倍，產(chǎn)量水分利用效率是其3.06倍、1.63倍。試驗區(qū)棗樹2 a間的產(chǎn)量及其水分利用效率均遠高于同處深層干化狀況的對照區(qū) 1棗樹，此時二者土壤深層水分調(diào)節(jié)能力都較差，降雨成為棗樹產(chǎn)量的主導(dǎo)因素。說明節(jié)水型修剪通過將棗樹樹體規(guī)格保持在較小范圍內(nèi)，使其在不同降雨條件下仍能保持較高的水分利用效率。

4 結(jié) 論

在半干旱黃土丘陵區(qū)種植23 a蘋果林砍伐后，重新栽植節(jié)水型修剪型棗林，研究其生長及耗水情況，結(jié)果表明：

1） 23 a生蘋果園0～1 000 cm深土層內(nèi)已形成了干化層，其中300～500、＞500～700、＞700～1 000 cm范圍土壤水分虧缺度分別為中度偏重虧缺、中度虧缺、輕度虧缺。在蘋果樹伐后休閑4 a 0～300 cm土層水分得到恢復(fù)，0～250 cm土層水分與農(nóng)地基本一致。

2）經(jīng)過4 a休閑后的干化土壤中栽植棗樹，此時0～300 cm 層次土壤對棗樹而言土壤可用有效水總量為149.71 mm。棗樹栽植前3 a不采取特殊措施能夠正常生長，但第3年開始0～300 cm土層有效水分被棗樹消耗34.97%，第4年時0～300 cm范圍內(nèi)前期恢復(fù)的土壤水分被消耗殆盡，棗樹生長只能依靠當年降水及其在淺層的入滲。

3）在0～1000 cm土層通體干化情況下，棗樹采用節(jié)水型修剪仍可以保持良好生長，產(chǎn)量及其水分利用效率均高于相同水分條件下的常規(guī)修剪棗樹，產(chǎn)量可達到正常水分條件下棗樹的1.39倍以上，產(chǎn)量水分利用效率可達1.52倍以上。

綜上，在前期嚴重干化的土壤中，土壤水分已經(jīng)失去調(diào)控棗樹生長的功能，對棗樹生長及產(chǎn)量作用甚微，棗樹只能依靠當年降雨生長，而節(jié)水型修剪可以通過減小蒸騰耗水提高水分利用效率，在一定程度上提高產(chǎn)量。但本文僅獲得了干化土壤中常規(guī)修剪棗樹的年度生物量和產(chǎn)量，在后續(xù)研究中還需完善更多生長指標的動態(tài)觀測。

本試驗研究僅為5 a生棗林，對于果樹來講屬于幼樹，在深層干化土壤中能否達到正常生長年限，能否持久獲得穩(wěn)定產(chǎn)量，以及深層干化土壤環(huán)境與修剪措施對棗樹根系的影響等問題還需要更長時間的試驗觀測來確定。從理論上講，土壤儲水在棗樹生長中起到一定的調(diào)節(jié)作用，雖然深層干化土壤的調(diào)節(jié)功能大大降低，但是加大棗樹修剪強度又在一定程度上降低了棗樹蒸騰耗水，可起到彌補土壤水分的作用，修剪強度適度則可以維持棗樹持續(xù)生長和適宜產(chǎn)量，需進一步研究獲得適宜的修剪強度，為生產(chǎn)實踐提供參考。

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Growth and water consumption of jujube with water-saving pruning in deep dried soil of Loess Hilly Area

Zhang Wenfei1,2, Wang Xing1※, Wang Youke1,3, Zhang Jingxiao3, Hui Qian3
(1.Research Center of Soil and Water Conservation and Ecological Environment,Chinese Academy of Sciences and Ministry of Education, Yangling712100,China; 2.University of Chinese Academy Sciences,Beijing100049,China; 3.College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University,Yangling712100,China)

Soil dried layers occur widely in years of trees plantation in orchards. It is important to study soil water restoration condition after tree cutting and effects of dried layers on subsequent vegetation construction and growth. This study aimed to investigate the growth and water consumption of jujube with water-saving pruning in deep dry soil of Loess Hilly Area. The study area was in Jujube Demonstration Base in Mizhi county, Shaanxi province (37°12′N, 109°28′E). The experiment plot had the silt sandy loam with bulk density of 1.24 g/cm3, field water holding capacity of 22% and groundwater depth of 50 m below. In 2011, 5 sampling sites (treatments) were designed. In the sampling site I (experiment plot), 23-yr apple trees were cleared and the jujube with water-saving pruning was planted in soil with dried layers after 4 years; In the sampling site II (CK1), 23-yr apple trees were cleared and the jujube with traditional pruning was planted in soil with dried layers after 4 years; In the sampling site III (CK2), the jujube with traditional dwarf pruning was planted in soil without dried layers; In the sampling site IV (15-yr jujube), the 15-yr jujube with traditional dwarf pruning in soil without dried layers was selected for soil moisture measurement; In the sampling site V (farmland), the farmlands without dried layers for soybean and millet cultivation was selected for soil moisture measurement. Soil moisture in 1 000 cm depth was determined by neutron probes. The jujube yield was determined. The 1-m soil water storage and water consumption were calculated. Available water content, remainder available water and proportion of available water consumption were calculated for orchard soil after cutting, 3-yr jujube soil, 4-yr jujube soil and 5-yr jujube soil. The results showed that 23 years of apple planting had caused soil dried layers in 0-1 000 cm depth. Among the depth, the soil was in the condition of moderate heavy water deficit, moderate water deficit and minor water deficit for 300-500, 500-700 and 700-1 000 cm, respectively. After 4 years of orchard cutting, the soil moisture was recovered in 0-300 cm and the soil moisture in 0-250 cm was almost consistent with the farmland. For the jujube planting after 4-yr of orchard cutting, the soil available water content was 149.71 mm. For the first 3 years, the jujube could growth well but the soil available water in 0-300 cm could be consumed by 34.97%. For the 4thyear, the soil available water in 0-300 cm was nearly used up and the jujube had to depend on the precipitation in the same year. In the soil with deep dried layers in 0-1 000 cm, jujube with water-saving pruning could growth well with the yield more than 1.39 times and the yield water use efficiency up to 1.52 times of that with traditional pruning, respectively. The result indicates that the water-saving pruning is an effective way to overcome precipitation shortage and soil water deficit in semi-arid area.

soils; water content; orchards; dried layer; jujube; water use efficiency

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.018

S152.7; S155.4+6

A

1002-6819(2017)-07-0140-09

2016-08-06

2017-04-10

國家支撐計劃項目“陜北水蝕區(qū)植被功能調(diào)控技術(shù)與示范”（2015BAC01B03）；陜西統(tǒng)籌項目“紅棗優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)集成與示范”（2014KTCG01-03）

張文飛，山東濱州人，博士生，主要研究方向為土壤干層恢復(fù)。楊凌 中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，712100。

Email：zwfzwf1991@163.com

※通信作者：汪 星，陜西楊凌人，副研究員，主要從事林業(yè)水分高效利用方面的研究。楊凌 中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，712100。

Email：gjzwyk@vip.sina.com