农林复合经营在控制水土流失和提高土地利用率等方面发挥着重要作用,近10年来在晋西黄土区得到广泛的应用。苹果树是该区主要的经济树种,在该区广泛种植,但果树生长周期长,效益滞后,因此在未坐果的幼龄果树行间间作大豆成为了晋西黄土区主要的农林复合经营模式之一[1]。但该区地下水位深(30m以下)、土壤蒸发强烈,降低了间作系统对水资源的利用效率[2]。此外,该区土壤肥力水平较低,加之种间对水分和养分的竞争,更易加剧间作系统水肥资源的匮乏,成为制约该区农林复合经营的主要因素。目前该区在间作系统内进行的水分和养分补给多采用较为粗放的大田漫灌方式,更增加了水分和养分的无效消耗,不适合为供水有限地区水肥资源高效利用提供技术依据。

滴灌作为一种高效的水肥一体化灌溉技术,不仅能大幅度提高水肥利用效率,还能实现高产[3,4]。当前该水肥一体化技术主要应用在单作系统,而间作系统内部复杂的种间关系及生理生态互作效应,使其光合效率、产量及水分利用与单作相比均存在较大差异。已有研究[5]表明,间作能提高作物功能叶片的叶绿素含量,改变叶绿素构成,显著提高净光合速率,延缓叶片衰老。且农林复合系统的水分利用在时间和空间上具有互补性,Wanvestraut等[6]研究了美洲山核桃和棉花间作系统的水分竞争,发现为避免水分竞争,山核桃的根系可伸展到更深的土层,从而提高了间作系统的水分利用效率;此外在间作系统中,林木深根可从农作物根系分布以下区域土壤中吸收未被利用而从表层淋溶的养分,同时通过对树木剪枝,养分以凋落物的形式被农作物重复利用,从而提高了系统的养分利用效率[7]。目前对于滴灌条件下的果农间作研究主要集中在南疆地区的枣棉间作系统,李发永等[8]采用一膜四行两管膜下滴灌方式,对枣棉间作模式下全生育期水肥的交互影响及水分利用效率进行了研究。然而,因不同土质下滴灌湿润体分布规律及各间作方式下的种间互作的差异,滴灌水肥一体化作为精准调控管理方式,因各地区气候、土质和间作条件的不同而异,在晋西黄土区,降水稀少且分配不均,春旱现象严重,土壤疏松多孔,透水性强,针对该区特殊的气候和土壤特征,当前需重点研究滴灌下果农间作系统生理生态过程和水分利用状况,这对提高该区果农间作系统水肥利用率以及持续经营具有重要意义。

综上,本试验以晋西黄土区典型的幼龄苹果-大豆间作系统为研究对象,采用滴灌施肥技术,重点研究不同滴灌水肥调控措施对间作系统光合生理特性、产量及水分利用的影响,旨在为该地区果农间作系统滴灌水肥一体化技术的推广应用提供理论依据。

1、材料与方法

1.1研究区概况

试验区位于山西省吉县(36°53′10″—36°21′02″N,110°27′30″—111°07′20″E),该地属于黄土残塬沟壑区,表层为第四纪风积黄土,呈微碱性(pH=7.9),土壤贫瘠,有机质在1%以下。气候属温带大陆性气候,近30年平均降水量575.9mm,主要集中在6—8月,约占全年降水量的61.8%,年平均蒸发量为1723.9mm。年平均无霜期170天左右,平均气温10℃,平均积温3357.9℃。供试果园田间持水量(Fc)为22.22%(kg/kg),平均干容重为1.38g/cm3;0—60cm土层基础肥力(质量比)为:有机质9.47g/kg,全氮0.62g/kg,铵态氮0.62mg/kg,硝态氮5.91mg/kg,速效磷4.53mg/kg,速效钾77.86mg/kg。2018年生育期降水量为401.3mm,平均空气温度为10.1℃。

1.2供试材料

在山西省吉县中垛乡苹果精品示范园区,选择苹果-大豆间作模式作为研究对象,果树栽植于2014年,品种为短枝红富士,尚未开始坐果,株行距为4m×5m,树行东西走向,平均株高3.7m,胸径6.5cm,南北冠幅2.9m,东西冠幅3.2m,冠高2.9m。大豆品种为“晋豆35号”,株行距为0.3m×0.5m,种植行距离果树1m,播种时间为2018年4月19号,每个小区共2棵果树,小区面积40m2(图1)。

图1试验小区和监测点布设示意

1.3试验设计

1.3.1灌水量设定

试验于2018年4—10月进行。根据该地区多年月平均降水量及苹果和大豆的月平均耗水量[9],在大豆的关键生育期进行灌溉,灌溉方式为滴灌。滴灌带内径为16mm,壁厚0.3mm,滴头间距300mm,滴管带布置间距为50cm,滴头设计流量1.38L/h。利用球阀控制灌水,管路通过水泵直接供水,在管路的前部安装压力表监测管内水压力,调节各支管闸阀将压力控制至0.1MPa。

灌水量根据苹果和大豆适宜的土壤水分范围,设定灌溉上限4水平分别为:0—60cm土层平均质量含水量占田间持水量的60%(W1),70%(W2),80%(W3)和90%(W4)。由于苹果尚未坐果,所以该间作系统的生育期以大豆为参照,在大豆需水的关键期(播种至出苗期、幼苗期至分枝期、开花结荚期和鼓粒期)进行灌溉,每个生育期内,选择1周以上无有效降雨的时段进行灌水,灌水之前先测定土壤含水量,根据实际含水量和设定的上限间的差值来定灌水量,灌水量用水表进行控制(表1)。

灌水定额计算公式为:

M=10γH(θw-θ0)

式中:M为灌水量(mm);γ为土壤计划湿润层内的土壤容重(g/cm3);H为土壤计划湿润层深度,取0.6m,该土层厚度为苹果—大豆主要竞争区域,且滴灌条件下果树根系80%以上垂直分布在距地表以下0.1～0.4m土层中[10];θw为设定灌溉水平下土壤质量含水量;θ0为测定时的土壤质量含水量。

1.3.2施肥量设定

磷肥与钾肥参考当地经验施肥量于播种前作为基肥一次性施入,P2O5168.8kg/hm2+K2O168.8kg/hm2。氮肥施用量根据2种作物的需肥量并结合当地的经验施肥量设定了3个水平,生育期总计施N量为59.40(F1),92.00(F2),124.32kg/hm2(F3)。全生育期施肥3次(幼苗期至分枝期、结荚期和鼓粒期),随灌溉水进行滴灌施肥。施肥采用1/4～1/2～1/4模式,即前1/4通过输水管灌清水,中间1/2打开施肥罐阀门施肥,后1/4的时间灌清水冲洗。

试验处理采用双因素随机区组设计,双因素包括灌水量和施肥量。共设13个处理,包括1组空白对照(CK),空白对照处理仅在播种前施用基肥,生育期不进行灌水和施肥,每个处理重复3次。共计39个试验小区。

表1不同水分调控灌溉定额导出到EXCEL

1.4测定项目与方法

1.4.1土壤含水量的测定

播种后,每隔7天用德国IMKO公司TRIME-IPCO土壤水分测定仪监测田间土壤含水量,在距离树行0.5,1.0,1.75,2.5m处布设取样点(图2),监测土层深度为0—60cm,每层10cm。在灌水和降雨后进行加测,采用烘干法进行校正。

图2滴灌带布设示意

1.4.2植物生理指标的测定

(1)叶片叶绿素含量在大豆出苗期、分枝期、结荚期和鼓粒期,采用日本Minolta公司SPAD-502叶绿素仪测定苹果和大豆叶绿素相对含量,每个小区通过样线确定取样点,取样线位于2棵果树之间,垂直于树行方向(图1),取样点分别距离树行1.0,1.7,2.4m,选择距离取样点最近的大豆并挂牌标记,每株大豆选择3片上层三出复叶的中间叶测定叶绿素指标[11]。在果树阳面距树底部1.5～2.0m的新枝上选取3片健康叶片测定叶绿素指标,每个试验小区选取生长一致的向阳健康新枝,并挂牌标记。测量时避开叶脉,多次测量取平均值。

(2)叶片光合指标选择晴朗无云的天气,在大豆分枝期、结荚期和鼓粒期采用美国Li-Cor公司Li-6400便携式光合仪测定苹果和大豆的光合指标,测定时间为9:00—17:00,每个指标测3个重复,最后取平均值,叶片选取同叶绿素指标。

测量指标包括净光合速率Pn(μmol/(m2⋅s))、蒸腾速率Tr(mmol/(m2⋅s))。

1.4.3作物生长指标的测定

在大豆分枝期、结荚期和鼓粒期,用卷尺测定株高(cm),游标卡尺测量主茎第3节的茎粗(mm),长宽系数法测定大豆叶面积(长×宽×0.75)[12],并将单位土地面积上叶面积换算为叶面积指数(LAI),大豆植株的选取同叶绿素。

1.4.4产量的测定

于成熟期分小区测量大豆籽粒产量。因幼龄果树不挂果或挂果较少,不计苹果产量。

1.5数据处理与统计分析

1.5.1耗水量的计算

采用水量平衡原理计算间作系统中大豆各生育期的耗水量,计算公式为:

ET=I+P+U-R-F±ΔW

式中:ET为阶段耗水量(mm);I为阶段内灌水量(mm);P为阶段内有效降水量(mm);U为地下水补给水量(mm);R为地表径流量(mm);F为深层渗漏量(mm);ΔW为阶段初和阶段末0—60cm土壤贮水消耗量的差值(mm)。本试验地势平坦,可视地表径流为0;地下水埋深30m以下,地下水补给量为0;滴灌不考虑深层渗漏量,深层渗漏为0,R、U、F值均忽略不计。

1.5.2水分利用效率

基于大豆产量的间作系统水分利用效率计算公式为:WUE=GY/ET。式中:WUE为水分利用效率kg/(hm2·mm);GY为大豆籽粒产量(kg/hm2)。灌溉水利用效率计算公式为:IWUE=GY/I。式中:IWUE为灌溉水利用效率(kg/m3);I为灌水量(m3/hm2)。

1.6数据处理与分析

采用MicrosoftExcel2010软件进行数据处理,使用Origin9.0软件作图,采用SPSS20.0软件进行方差分析和相关分析,LSD法进行差异显著性检验(P=0.05)。

2、结果与分析

2.1土壤水分空间分布

由图3可知,0—60cm土层土壤平均含水量总体随距树行距离的增大先降后升,最小值出现在1m处。在相同的施肥水平下,分枝期内不同距离的土壤含水量总体上随灌水量的增加先升高后降低,W3水平下达到最大值,其余生育期均随灌水量的增加而升高。在相同的灌溉水平下,土壤含水量随施肥量的增加先升高后降低,在F2水平下达到最大值。

在垂直方向上(图4),土壤含水量随生育期呈先增后降的趋势,鼓粒期达到最大。不同生育期0—60cm土层土壤含水量均随土层深度的增加而增加,0—30cm土层土壤含水量变化比较剧烈,30—60cm土层土壤含水量变幅逐渐趋于稳定。在相同的施肥水平下,0—30cm土壤含水量随灌水量的增加先升高后降低,W3组达到最大值。0—60cm土层内,W3和W4组垂直变化较低灌水变化剧烈,鼓粒期尤为明显。全生育期,W3F3和W4F3处理50—60cm土壤含水量均大于其他处理。

图3大豆生育期内土壤含水量水平变化动态

注:不同小写字母表示同一处理不同距离之间土壤含水量差异显著(P<0.05)。

方差分析(表2)表明,灌水量、施肥量对0—60cm土层内土壤含水量影响均达到极显著水平(P<0.01),其中,灌水量因素对于土壤含水量的影响大于施肥量和两者交互作用。

表2不同生育期土壤含水量的双因素方差分析导出到EXCEL

2.2苹果和大豆叶绿素含量

由表3可知,不同水肥处理下苹果叶片SPAD值均随生育期呈增加趋势。生育前期SPAD值增加最为迅速,生育中期增加趋于平缓,生育后期增加缓慢。苹果叶片SPAD最大值出现在成熟期,为61.74。不同水肥处理的苹果SPAD值较CK提高5.4%～14.7%。在相同的灌溉水平下,整个生育期内,F2组的苹果SPAD值可较其余施肥组提高0.5%～7.8%。在相同施肥水平下,整个生育期,W3组苹果和大豆的SPAD值可较其余灌溉组提高0.3%～5.2%。苹果各生育期SPAD最大值均为W3F2处理,果实膨大期W3F2处理显著高于其余处理,且较其余处理提高0.5%～14.3%(P<0.05)。

不同水肥处理下大豆叶片SPAD值随生育期变幅与苹果叶片类似。大豆叶片最大值出现在鼓粒期,为50.06。不同水肥处理的苹果SPAD值较CK提高1.7%～9.2%。相同的灌溉水平下,除大豆出苗期外,F2组的大豆SPAD值可较其余施肥组提高0.7%～4.7%。在相同施肥水平下,整个生育期,W3组大豆的SPAD值可较其余灌溉组提高0.2%～8.5%。

方差分析表明,除大豆出苗期外,其余生育期灌水量、施肥量对果树和大豆叶片SPAD值的影响均达到极显著水平,交互作用对果树和大豆叶片SPAD值均无显著影响。

图4大豆生育期内土壤含水量垂直变化动态

2.3苹果和大豆光合生理特性

2.3.1苹果光合特性

由图5可知,各处理果树的Pn和Tr均在果实膨大期达到峰值,且均随生育期呈先增后减的趋势。不同生育期各处理苹果Pn和Tr日变化均为单峰曲线,Pn和Tr峰值分别出现在11:00和13:00,最小值均在17:00。总体上,在相同的灌溉水平下,不同生育期苹果Pn和Tr均随施肥量的增加呈先增后减的趋势,坐果至成熟期,F2组的Pn和Tr较其余施肥组分别提高1.6%～7.8%和7.9%～14.4%。总体上,在相同的施肥水平下,坐果期苹果Pn以及果实膨大期和成熟期苹果Tr不同灌水水平差异显著(P<0.05),分枝至鼓粒期,W3组的Pn和Tr较其余灌水组分别提高1.3%～12.0%和4.8%～38.1%。其中,全生育期W3F2处理的Pn和Tr较其余处理提高1.4%～34.7%和3.7%～67.9%。

方差分析表明,灌水和施肥对果树叶片的Pn和Tr影响均达到极显著水平,两者交互作用对不同生育期的Pn和Tr值影响显著性水平因生育期的不同而异,其中对坐果期Pn和果实膨大期Tr影响极显著,对成熟期Pn影响显著,对果实膨大期Pn和成熟期Tr无显著影响。

2.3.2大豆光合特性

由图6可知,大豆的Pn和Tr均在开花结荚期达到峰值,且均随生育期呈先增后减的趋势。不同生育期各处理大豆Pn和Tr日变化与苹果类似。总体上,在相同的灌溉水平下,不同生育期大豆Pn和Tr均随施肥量的增加呈先增后减的趋势,分枝至鼓粒期,F2组的Pn和Tr较其余施肥组分别提高2.2%～6.9%和4.7%～12.3%。在相同的施肥水平下,全生育期大豆Pn和Tr不同灌水水平差异显著,分枝至鼓粒期,W3组的Pn和Tr较其余灌水组分别提高2.0%～14.6%和4.0%～36.1%。其中,全生育期W3F2处理的Pn和Tr较其余处理提高3.9%～42.6%和3.6%～69.0%。

方差分析表明,灌水和施肥以及两者交互作用对大豆叶片不同生育期的Pn和Tr均有极显著影响。

表3不同滴灌水肥调控下苹果和大豆叶绿素含量变化动态导出到EXCEL

2.4大豆生长指标

由表4可知,不同水肥处理下,W3F2处理在大豆各生育期的生长指标均为最大值,并显著高于其他处理(P<0.05)。分枝期至结荚期各处理株高、茎粗和叶面积指数增加较快,其中,W4F2处理增长速度较其他处理增大5.6%～59.0%。全生育期,在相同的灌溉水平下,大豆株高、茎粗和叶面积指数均随施肥量的增加先升高后降低,F2组较其余施肥组提高1.9%～15.0%,2.9%～13.1%,14.4%～41.0%;在相同的施肥水平下,分枝期内大豆叶面积指数随灌水量的增加而升高,其余生育期大豆株高、茎粗和叶面积指数随灌水量的增加先升高后降低,W3组较其余灌水组增高3.0%～18.6%,4.0%～19.5%,19.6%%～44.7%。

方差分析表明,灌水量和施肥量对大豆分枝期和结荚期各生长指标均有极显著影响,灌水量对大豆鼓粒期各生长指标均有极显著影响,施肥量仅对鼓粒期大豆茎粗影响极显著,全生育期两者交互作用仅对结荚期株高影响显著。

2.5大豆产量及水分利用效率

由表5可知,W3F2处理下大豆产量达到最大值,较其他处理提高10.9%～99.3%。在相同的灌溉水平下,产量随施肥量的增加先升高后降低,F2水平下达到最大值,较F1组和F3组增大1.1%～26.3%;在相同的施肥水平下,产量随灌水量的增加先升高后降低,W3组较其余灌水组组提高了17.7%～79.8%。耗水量总体上随灌水量的增大而增大,除W1组外,耗水量随施肥量的增加先增大后减小。WUE对水肥因素的响应规律与产量相同,即W3F2处理下达到最大,较其他处理提高8.0%～70.0%。在相同的灌溉水平下,F2组较F1组和F3组增大2.3%～29.2%;在相同的施肥水平下,W3组较其余灌水组增大9.0%～57.2%。在相同的灌溉水平下,IWUE除W3组外,其余灌水组均随施肥量的增加先增大后减小;在相同的施肥水平下,IWUE均随灌水量的增大而降低,且W1组显著高于其他灌水水平。

根据方差分析表明,灌水量、施肥量及两者交互作用对大豆籽粒产量、耗水量、水分利用效率及灌溉水利用效率均达到极显著影响,且灌水量因素的影响大于施肥量和两者交互作用。

图5不同水肥调控对苹果光合作用的影响

注:同一施肥组同一时间的值为W1、W2、W3、W4组的均值,误差棒表示均值的标准差(n=9);CK处理的误差棒表示均值的标准差(n=3)。下同。

3、讨论

3.1滴灌水肥调控对土壤水分空间分布的影响

本研究发现,在水平方向上,间作系统土壤含水量随着距树行距离的增加先降后升,最小值出现在1m处,而廖文超等[13]对晋西黄土区核桃与作物的研究中发现,随着距树行距离的增加,土壤含水量呈逐渐增大的趋势,这种差异可能是果树的水力提升作用增加了果树和大豆行间(距树行0.5m处)的土壤水分[14]。

在竖直方向上,不同生育期间作系统土壤含水量均随土层深度的增加而增加,0—30cm土层土壤含水量变化比较剧烈,30—60cm逐渐趋于稳定,可能是由于滴灌湿润体主要分布在0—60cm范围内,但仅在0—30cm土层形成湿润饱和区[15],而苹果细根主要分布在0—40cm土层,大豆细根主要分布在0—20cm,土壤水分分布与作物主要根系分布较匹配,提高了水分利用率[1]。W3F3和W4F3处理50—60cm土壤含水量均大于其他处理,可能是由于间作系统对水分的竞争随着土壤水分亏缺变得越来越强烈,低灌水处理的作物需利用深层次土壤水分以维持自身正常的生长发育[16]。总体上,滴灌条件下水平方向上土壤含水量随着距树行距离的增加先降后升,竖直方向上土壤含水量均随土壤深度的增加而增加,灌水后在0—30cm形成湿润饱和区,其中W3F2处理更有利于间作植物的水分吸收利用。

图6不同水肥调控对大豆光合作用的影响

3.2滴灌水肥调控对苹果和大豆光合生理特性的影响

本研究发现,在滴灌施肥处理下,不同生育期苹果和大豆叶绿素均较对照组有不同程度的增加。尤其在生育中后期,W3F2处理显著大于其余各处理,而齐付国等[17]对膜下棉瓜套作研究发现,低灌水处理较高灌水处理的叶绿素含量高,差异可能是由于本研究中滴灌采用随水施肥措施,更有利于根系对肥料的吸收利用,提高了叶片叶绿素含量[18]。苹果和大豆的净光合速率和蒸腾速率日变化均呈单峰型曲线,峰值分别出现在11:00和13:00,无光合“午休”现象,而一些学者[19]对单作系统的光合特性研究发现,叶片净光合速率和气孔导度日变化呈双峰型曲线,差异一方面可能是由于果农间作系统能明显改善农田小气候,降低系统内的大气湿度并提高地面温度[20],从而降低了间作系统的光合有效辐射,而高光强是多种植物光合“午休”现象出现的最重要的生态因子;另一方面可能是由于滴灌后湿润饱和区主要集中在表层土壤,是作物细根的主要分布区域,水分利用效率提高,导致气孔导度增大。此外,本研究中F2组净光合速率和蒸腾速率较其他水平的施肥处理均有不同程度的增大,可能是氮肥的适量施加缓解了间作系统因种间竞争造成的氮比例失调[21],有效降低了氮缺失对叶片光合作用的抑制程度。且本研究中W3组净光合速率和蒸腾速率较其他水平的灌水均有不同程度的增大,这与李发永等[8]对南疆沙漠绿洲区不同种植和滴灌模式下枣棉间作系统的研究结果类似,说明适宜的水肥用量也会提高晋西黄土区果农间作系统叶片净光合速率和蒸腾速率。总体上,灌水施肥增大了果农间作系统叶片的叶绿素、净光合效率和蒸腾速率,且净光合速率和蒸腾速率均呈单峰型曲线,其中W3F2处理显著提高了苹果和大豆的叶绿素含量,提高了光合效率。

表4不同水肥调控对大豆生长指标的影响

表5不同水肥调控对间作系统产量和水分利用的影响

3.3滴灌水肥调控对间作大豆生长、产量及水分利用的影响

植物光合作用的强弱受多种因素的影响,如叶绿素、胞间二氧化碳浓度、酶活性等,而这些因素又与水分、养分等环境条件密切相关。水分胁迫下可通过气孔和非气孔因素影响光合作用,养分可通过调节类囊体蛋白和叶片叶绿素含量而直接影响叶片的光合能力[22]。通过相关分析(表6)表明,发现不同生育期总体上水肥及两者交互作用对叶片光合作用均达到极显著影响。且叶片光合速率的大小是衡量植物吸收光能转化为体内同化物质强弱的标准[23],因此苹果和大豆叶片Pn、Tr和SPAD值与籽粒产量和水分利用效率呈显著正相关,说明间作系统光合生理特性的提高有利于产量的增加,进而促进水分利用效率的提高。

本研究表明,间作大豆产量和WUE随灌水量和施肥量的增加呈先增后减的趋势,且灌水因素对产量的影响高于施肥,可能是由于随着灌水定额的减小,滴灌湿润饱和区面积减小,间作系统种间竞争更为激烈,大豆产量急剧降低,而过量灌水致使养分向深层淋溶,导致养分利用率降低[24];施用氮肥会增加作物根系生长,而过量施氮会降低根系活力、渗透物质含量与相关酶活性,从而加速植株衰老,以致高肥处理下产量降低[25]。综上,本研究中W3F2处理产量和水分利用效率较其他处理高。

表6不同水肥调控下苹果大豆叶片光合生理指标与产量及耗水指标的相关性

4、结论

不同滴灌水肥处理下,土壤含水量具有明显的空间分布特征,水平方向均为随距树行距离的增加先减后增,最小值出现在1.0m处,垂直方向上为随土层深度的增加而增加。灌水、施肥和交互作用对土壤含水量的影响均为极显著水平,灌水量对土壤含水量的影响程度最高,且W3F2处理能维持较好的土壤水分水平。滴灌水肥调控措施有效提高了苹果和大豆的SPAD值,分别较CK处理提高5.4%～14.7%和1.7%～9.2%,最大均为W3F2处理。苹果和大豆的Pn和Tr日变化动态呈单峰曲线,峰值分别出现在11:00和13:00,不同生育期内苹果和大豆的Pn和Tr随灌水量和施肥量的增加先增后降,W3F2处理光合效率最高。灌水量和施肥量对大豆株高、茎粗和叶面积指数具有极显著影响,水肥调控处理显著提高了大豆生长指标,各指标最大值均为W3F2处理。大豆产量和WUE随灌水量和施肥量的增加均表现为先增后降,W3F2处理的产量和WUE分别较其余处理提高10.9%～99.3%,8.0%～70.0%。综上,在保证大豆高产和水分利用效率最优的条件下,建议采用田间持水量的80%为灌水上限的灌溉制度,同时在大豆幼苗至分枝期、结荚期和鼓粒期共施加92.00kg/hm2的氮肥。

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基金：中央高校基本科研业务费专项(2017PT12).