劉小勇,孔 芬,韓富軍,王司遠(yuǎn) ,高曉東,萬(wàn)文錄,楊會(huì)光
(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 林果花卉研究所,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省康縣核桃科技服務(wù)中心,甘肅康縣 746500;3.甘肅省清水縣果業(yè)局,甘肅 清水 741400)
甘肅省核桃產(chǎn)業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速,2015年全省核桃面積達(dá)到32.4萬(wàn)hm2,但大多為山地和四旁零星栽植,栽培集約化程度低,管理水平和經(jīng)濟(jì)效益不高。隴南、天水兩市是甘肅核桃主產(chǎn)區(qū),占全省核桃總面積的75.8%,而隴南市的康縣和天水市的清水縣又是甘肅核桃產(chǎn)區(qū)最具代表性的兩種不同氣候和土壤類型的核桃生產(chǎn)縣,兩地雨量均較充沛,其降水總量均能滿足核桃生長(zhǎng)的需要,但降水分布不均常導(dǎo)致旱災(zāi)的發(fā)生。在諸多氣象因子中,干旱和晚霜凍常造成核桃減產(chǎn)和品質(zhì)下降,這是制約甘肅核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要?dú)夂蛞蛩?。因此,探索山地核桃園土壤溫濕度變化規(guī)律具有重要意義。
國(guó)內(nèi)外對(duì)山地核桃栽培生理與技術(shù)的研究報(bào)道較多[1-3]。近年來(lái),山地核桃的研究熱點(diǎn)集中在養(yǎng)分管理和光合生理特性[4-6]及砧木嫁接等栽培技術(shù)研究[7]各方面,而系統(tǒng)研究核桃園土壤溫濕度變化規(guī)律的報(bào)道卻較少。為給土壤溫濕度變化和養(yǎng)分特征對(duì)山旱地核桃產(chǎn)量和品質(zhì)的影響的研究奠定基礎(chǔ),為給同類地區(qū)核桃水肥高效利用提供參考依據(jù),我們?cè)诟拭C省康縣和清水縣分別選擇具有代表性的山地核桃園,于2013—2014年連續(xù)兩年監(jiān)測(cè)了核桃園土壤溫度和濕度的變化情況,分析了不同季節(jié)(物候期)核桃園土壤溫濕度的變化規(guī)律,還測(cè)定了土壤養(yǎng)分狀況,現(xiàn)將研究結(jié)果分析報(bào)道如下。
1.1.1 康縣試驗(yàn)園
康縣位于甘肅省東南部,屬北亞熱帶溫暖濕潤(rùn)氣候向溫暖半濕潤(rùn)氣候區(qū)的過(guò)渡帶,雨量充沛,年平均氣溫11.5 ℃,年均降水量770 mm,全年無(wú)霜期208 d[8]。試驗(yàn)地位于康縣長(zhǎng)壩鎮(zhèn),N33°24.687′、E105°27.560′,海拔1306 m。土壤類型為褐土,有機(jī)質(zhì)14.9 g/kg,全氮1.11 g/kg,全磷0.57 g/kg,全鉀25.63 g/kg,堿解氮73.8 mg/kg,有效磷5.84 mg/kg,速效鉀60.4 mg/kg,土壤pH值7.35。核桃樹零星栽植于山地,其品種為當(dāng)?shù)貙?shí)生種,樹齡20 a,未施任何肥料,管理水平較差,地面自然生草。
1.1.2 清水縣試驗(yàn)園
清水縣位于甘肅省東南部,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫8.8 ℃,年平均降水量580 mm,無(wú)霜期170 d[9]。試驗(yàn)地位于清水縣草川鄉(xiāng),N34°37.315′、E106°02.629′,海拔1669 m。土壤類型為黃綿土,有機(jī)質(zhì)10.6 g/kg,全氮0.66 g/kg,全磷0.58 g/kg,全鉀23.22 g/kg,堿解氮49.6 mg/kg,有效磷4.95 mg/kg,速效鉀93.6 mg/kg,土壤pH值8.54。核桃樹栽植于山地梯田,其品種為晉龍1號(hào),樹齡5 a,栽植的株行距為5 m×6 m,行間間種馬鈴薯,每年僅施氮素化肥,土壤管理方式為清耕。
1.2.1 土壤溫度與含水量的測(cè)定
于2013年春季安裝調(diào)試土壤溫濕度水分記錄儀(L99-TWS-4,杭州路格科技有限公司生產(chǎn)),以1年為1個(gè)周期,連續(xù)觀測(cè)兩年,長(zhǎng)期觀測(cè)記錄核桃園地深度分別為20、40、60、80 cm土層的土壤溫度和含水量,統(tǒng)計(jì)每月平均土壤溫度和含水量。儀器安裝測(cè)定前,先對(duì)兩地土壤進(jìn)行取樣,對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定矯正試驗(yàn),土壤溫度值以直接讀數(shù)方式讀取,對(duì)測(cè)定的土壤濕度進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到土壤含水量。
1.2.2 土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定
取樣時(shí)間為2013年9月下旬和2014年9月下旬,待堅(jiān)果采收后取樣,分別采集康縣、清水縣試驗(yàn)園的土壤樣品。按“X”或“S”形隨機(jī)選擇5個(gè)樣點(diǎn),在樹冠外緣投影下,用土鉆按0~20、20~ 40、40~ 60、60~ 80、80~ 100 cm共 5個(gè)土層分層采樣,將同一土層的土樣混合,用四分法選留1 kg,標(biāo)記好并盡快送實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。測(cè)定指標(biāo)共14個(gè),包括土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀,堿解氮、有效磷、速效鉀,有效鋅、銅、鐵、硼,鈣離子、鎂離子和pH值等。采用常規(guī)方法測(cè)定土壤各養(yǎng)分的含量。
采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。
2.1.1 康縣核桃園土壤溫度的年周期變化規(guī)律
不同深度土層土壤溫度年周期的變化曲線如圖1 所示。從圖1中可以看出,在核桃生長(zhǎng)發(fā)育的年周期中,不同深度土層土壤溫度的變化趨勢(shì)相同,即1月的溫度最低,7月的溫度最高。12月至翌年2月為核桃休眠期,此期土壤溫度隨土層深度的增加而增高,20 cm深的土壤溫度最低,80 cm的最高。3月和11月均為土壤溫度轉(zhuǎn)換期,此期不同深度土層的土壤溫度值接近;4至10月為核桃樹生長(zhǎng)發(fā)育期,此期土壤溫度隨土層深度的增加而呈降低趨勢(shì),即20 cm土層的土壤溫度最高,而80 cm的最低。
圖1 不同深度土層土壤溫度的年周期變化曲線Fig.1 Annual cycle curves of soil temperatures in different depths of soil layer
在年周期中,60和80 cm深的土壤最低、最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間均較20和40 cm土層的推后。20和40 cm土層的月平均土壤溫度,12月的最低;而60和80 cm土層的月平均土壤溫度,1月份的最低。土壤最高溫度也表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律:20和40 cm深的土壤最高溫度,7月份的最高;而60和80 cm深的土壤最高溫度,8月份的最高。不同深度的土壤溫度變幅,20 cm深的最大,80 cm深的最小。
20、40、60、80 cm深的土壤最低溫度的出現(xiàn)時(shí)間分別為12月27日(5:40)、1月13日(2:40)、1月15日(22:40)、1月17日(0:40),對(duì)應(yīng)的溫度值分別為0.0、0.9、2.5、3.4 ℃;最高溫度分別出現(xiàn)在6月27日(14:30)、7月23日(15:30)、7月25日(15:30)、7月30日(16:30),其對(duì)應(yīng)的溫度值分別為25.5、22.2、20.2、19.8 ℃。
2.1.2 清水縣核桃生長(zhǎng)期土壤溫度的變化規(guī)律
不同深度土層旬平均土壤溫度的變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出,在核桃生長(zhǎng)期內(nèi),不同深度土壤溫度的變化規(guī)律相似,均表現(xiàn)為7月中旬(此期為核桃的硬核期至油化期)的溫度最高,10月下旬(此期為核桃的落葉期)的溫度最低。隨著土壤深度的增加,其溫度變化幅度降低,20 cm深的土壤溫度變幅最大,80 cm深的變幅最小。核桃生長(zhǎng)前期(5月中旬至7月中旬),隨著土壤深度的增加,其溫度降低;堅(jiān)果成熟前期(8月上旬至9月中旬),40 cm深的土壤溫度最高,但不同深度的土壤溫度值的差異不大;堅(jiān)果成熟后期至落葉期(9月下旬至10月下旬),土壤溫度隨土壤深度的增加而增高。
在核桃生長(zhǎng)發(fā)育期內(nèi),20、40、60、80 cm深的土壤最低溫度的出現(xiàn)時(shí)間分別為10月27日(9:15)、10月27日(8:15)、10月27日(5:15)、10月27日(4:15),對(duì)應(yīng)的土壤溫度值分別為7.3、9.2、10.1、10.9 ℃;其土壤最高溫度的出現(xiàn)時(shí)間分別為7月16日(11:40)、7月22日(15:40)、7月23日(9:40)、7月23日(10:40),對(duì)應(yīng)的土壤溫度值分別為20.7、19.8、18.5、18.1 ℃。
兩地土壤溫度的變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為:20 cm土層的溫度變幅最大,80 cm的最小。核桃生長(zhǎng)前期(康縣為4月至7月,清水縣為5月中旬至7月中旬)的土壤溫度,20 cm土層的最高,且其隨土壤深度的增加而降低;核桃生長(zhǎng)后期(硬核期至堅(jiān)果成熟期),同期不同深度土壤溫度的平均值相近,期差值小于1.0 ℃,堅(jiān)果成熟后,各深度土層的土壤溫差又逐漸變大。
圖2 不同深度土層旬平均溫度的變化曲線Fig.2 Variation curves of ten-day average soil temperatures in different depths of soil layer
2.1.3 兩地土壤溫度的變異系數(shù)
康縣和清水縣試驗(yàn)園土壤溫度的變異系數(shù)見表1。由表1可見,不同深度土壤溫度的年平均值之間的差異不大,兩地土壤各層的溫差值均小于1.0 ℃,康縣土壤各層的溫差值在11.5~11.7 ℃之間,清水縣的在14.5~15.2 ℃之間。從不同深度土壤溫度的變異系數(shù)來(lái)看,兩地均表現(xiàn)為,隨著土層深度的增加,土壤溫度的變幅減小。由于康縣的數(shù)據(jù)為全年溫度的變化值,而清水縣的數(shù)據(jù)是核桃生長(zhǎng)期的溫度變化值,所以,土壤平均溫度值,清水縣高于康縣,而其變異系數(shù)卻小于康縣。
表1 康縣和清水縣試驗(yàn)園土壤溫度的變異系數(shù)Table1 Variation coefficients of soil temperatures in the test orchards of Kang County and Qingshui County
2.2.1 康縣核桃園土壤含水量的年周期變化規(guī)律
不同深度土層土壤含水量的年周期變化曲線如圖3 所示。由圖3可見,不同深度土層土壤含水量的年周期變化規(guī)律不同。20 cm深的土壤含水量的變幅最大,40 cm的次之,這主要由于自然降水和地面蒸散等因素的影響所致,60 cm深的土壤含水量的變化趨勢(shì)與80 cm深的基本相同。從全年的變化規(guī)律來(lái)看,80 cm土層的月平均土壤含水量顯著高于其它土層的,且其變幅(18.6%~19.9%)最?。?0 cm土層的土壤含水量全年中出現(xiàn)了兩個(gè)低值,分別為6月的14.5%和9月的16.0%,在核桃的整個(gè)生長(zhǎng)期(4月至10月)內(nèi)其變化曲線呈“W”形。40、60和80 cm土層的土壤含水量在8月份后的變幅均很小,其含水量均呈平穩(wěn)變化趨勢(shì)。
2.2.2 清水縣核桃生長(zhǎng)期土壤含水量的變化規(guī)律
不同深度土層旬平均土壤含水量的變化曲線如圖4所示。由圖4可見,在5月中旬至10月下旬的核桃生長(zhǎng)期內(nèi),不同深度土層土壤含水量的變化趨勢(shì)基本相同,即隨著土壤深度的增加,土壤含水量的變幅減小。土壤含水量的最高值出現(xiàn)在6月下旬至7月上旬(核桃的硬核期),至7月下旬土壤含水量迅速降到低值,8月上旬后,其變幅很小,不同深度土層的平均含水量值保持在16.9%至17.9%之間。不同土層的土壤含水量表現(xiàn)為,核桃生長(zhǎng)前期土壤含水量的變幅較大,而核桃生長(zhǎng)后期其變幅較小。80 cm土層的土壤含水量最高(其平均值為18.1%),60 cm的次之,20 cm的最低。
圖3 不同深度土層土壤含水量的年周期變化曲線Fig.3 Annual cycle curves of soil moisture contents in different depths of soil layer
圖4 不同深度土層旬平均土壤含水量的變化曲線Fig.4 Variation curves of ten-days average soil moisture contents in different depths of soil layer
兩地土壤含水量的表現(xiàn)為:20 cm深的土壤含水量的變幅最大,40 cm深的次之;從全年的土壤含水量來(lái)看,80 cm土層的平均土壤含水量均顯著高于其它土層,且其變幅最小。在核桃整個(gè)生育期內(nèi),土壤含水量的變化規(guī)律表現(xiàn)為,核桃生長(zhǎng)前期(8月前)土壤含水量的變幅較大,核桃生長(zhǎng)后期土壤含水量的變化趨于平穩(wěn)。
2.2.3 兩地土壤含水量的變異系數(shù)
康縣和清水縣試驗(yàn)園土壤含水量的變異系數(shù)見表2。隨著土壤深度的增加,平均土壤含水量有增高的趨勢(shì),但不同土層間的差異不大??悼h試驗(yàn)園的土壤含水量在17.4%~19.0%之間(其相對(duì)含水量為75.6%~82.6%),清水縣試驗(yàn)園的土壤含水量在17.2%~18.1%之間(其相對(duì)含水量為72.6%~76.4%),且兩縣試驗(yàn)園80 cm土層的含水量均明顯高于其它深度土層的。不同土層土壤含水量年平均值間的差異不大。兩地土壤含水量的變化規(guī)律均表現(xiàn)為,隨著土壤深度的增加,土壤含水量的變幅減小。
康縣和清水縣試驗(yàn)園土壤各養(yǎng)分含量的測(cè)定結(jié)果分別見表3與表4。表3與表4顯示,隨著土層深度的增加,土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀等養(yǎng)分含量均呈降低趨勢(shì),微量元素硼與鋅的含量變化也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì);全磷、全鉀含量,不同土層間的差異不大,但有效磷含量隨土層深度的增加而呈增大(康縣)或先降后升(清水縣)的變化趨勢(shì);土壤pH值隨土層深度的增加而呈增加或降低的變化趨勢(shì),這與土壤類型的不同有關(guān);鈣與鎂的含量,不同地區(qū)的表現(xiàn)不同,康縣試驗(yàn)園土壤中鈣與鎂的含量均隨土層深度的增加而降
低,清水縣試驗(yàn)園不同土層鈣鎂含量間的差異均較大;微量元素中鐵的含量,不同土層間的差異不大;銅含量,康縣試驗(yàn)園0~60 cm土層中銅含量間的差異不大,而60 cm以下土層中的銅含量迅速降低,但清水縣試驗(yàn)園的降低幅度不大。兩地試驗(yàn)園土壤為偏堿性或堿性。
表2 康縣和清水縣試驗(yàn)園土壤含水量的變異系數(shù)Table2 Variation coefficients of soil moisture contents in the test orchards of Kang County and Qingshui County
表3 康縣試驗(yàn)園土壤各養(yǎng)分含量的測(cè)定結(jié)果Table3 Determination results of soil nutrient contents in the test orchard of Kang County
表4 清水縣試驗(yàn)園土壤各養(yǎng)分含量的測(cè)定結(jié)果Table4 Determination results of soil nutrient contents in the test orchard of Qingshui County
測(cè)定結(jié)果表明,康縣試驗(yàn)園(褐土)的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全鉀等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)均高于清水縣試驗(yàn)園(黃綿土)的,其微量元素鐵、鋅含量也均較高;而其全磷、有效磷、速效鉀以及鈣、鎂含量均低于清水縣試驗(yàn)園的。不同土壤類型其有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀、鈣、鋅等含量的表現(xiàn)特性均為:上層土壤的含量高而下層土壤的含量低。
土壤溫度是表征土壤性質(zhì)的重要參數(shù)[10],現(xiàn)代土壤分類將土壤溫度狀況作為重要的土壤診斷特性[11]。朱小虎等[12]對(duì)核桃根系的研究結(jié)果表明,核桃根系集中分布在40~80 cm的土層中,當(dāng)土壤溫度大于10 ℃時(shí),核桃根系開始生長(zhǎng),當(dāng)平均地溫達(dá)到17~19 ℃時(shí),根系發(fā)育達(dá)到高峰期。本研究結(jié)果表明,核桃生育期土壤溫度的變化曲線呈倒“V”形,40~80 cm土層在6月下旬至7月下旬(此期為根系發(fā)育高峰期)的平均土壤溫度為16.5~19.7 ℃,這一結(jié)果與朱小虎等[12]的研究結(jié)論基本一致。不同土層土壤最高、最低溫度的出現(xiàn)時(shí)間均推后,說(shuō)明隨著土層深度的增加,土壤溫度受外界氣溫的影響程度降低。核桃生育前期(萌芽期至硬核期),正值當(dāng)?shù)卮合母珊禃r(shí)節(jié),降水偏少,光照充足,表層土壤溫度高于下層,而生長(zhǎng)后期(油化期至堅(jiān)果成熟期),進(jìn)入雨季,則表現(xiàn)為表層溫度低于下層。在生產(chǎn)實(shí)踐中,要控制早春土壤溫度的快速升高,如采取果園覆草等措施,則可降低土壤溫度[13],延遲核桃萌芽期,增強(qiáng)樹體抗晚霜凍能力。
對(duì)于山地核桃園來(lái)說(shuō),自然降水是土壤水分的主要來(lái)源,也是核桃生長(zhǎng)發(fā)育利用水分的最主要途徑。土壤水分變化由降水和植被蒸散消耗兩個(gè)因素決定[14]。本研究結(jié)果表明,土壤含水量隨土層深度的增加而增高,且含量的變化相對(duì)穩(wěn)定,這與孫守家[15]、云雷[16]的研究結(jié)果一致。程宏波等人[17]的研究結(jié)果表明,土壤溫度的升高會(huì)加劇土壤水分蒸發(fā)和植株蒸騰,導(dǎo)致耗水加快和土壤含水量下降;塔娜等[18]對(duì)日光溫室內(nèi)土壤溫度和含水率的相關(guān)性也進(jìn)行了測(cè)試,他們認(rèn)為,降低含水率能提高白天和夜間的土壤平均溫度。這些結(jié)論都證明了土壤溫度與水分的負(fù)相關(guān)關(guān)系。核桃生長(zhǎng)的關(guān)鍵需水時(shí)期是4—6月份,隨著核桃生長(zhǎng)進(jìn)程的推移,樹體的需水程度逐漸降低,其抗旱性能不斷增強(qiáng)[19]。薛建輝等[20]認(rèn)為,土壤水分過(guò)多或過(guò)少都會(huì)影響根系對(duì)水分和礦質(zhì)元素的吸收,從而改變根系的生長(zhǎng)發(fā)育和根系功能的發(fā)揮。本研究結(jié)果表明,兩地降水總量均能滿足核桃樹體生長(zhǎng)的需要,土壤含水量也適宜核桃生長(zhǎng)發(fā)育的需要,但季節(jié)性降水導(dǎo)致土壤含水量發(fā)生變化,如在關(guān)鍵需水期(康縣6月、清水縣7月下旬)的輕度干旱一定程度上會(huì)影響核桃的生長(zhǎng)發(fā)育。生產(chǎn)中要充分利用自然降水,采取早伏天土壤耕作、早春壟膜覆蓋等抗旱措施,以保持土壤墑情的相對(duì)穩(wěn)定。
土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一,也是土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素特別是氮、磷的重要來(lái)源。有機(jī)質(zhì)使土壤具有保肥力和緩沖性,在土壤中起到協(xié)調(diào)土壤條件、供應(yīng)植物養(yǎng)分等作用[21]。黃土高原地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著土層深度的增加而逐層減少[22]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,兩種類型土壤的有機(jī)質(zhì)含量不同,其垂直分布均呈降低趨勢(shì)。在沒(méi)有施肥的園地上,核桃自身生長(zhǎng)發(fā)育消耗了有機(jī)養(yǎng)分,特別是下層土壤養(yǎng)分,因此,在生產(chǎn)實(shí)踐中,應(yīng)深施有機(jī)肥。磷是核桃生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)形成的物質(zhì)基礎(chǔ),在枝條旺盛生長(zhǎng)期及果實(shí)速長(zhǎng)期,各主要器官中的磷含量均呈下降趨勢(shì)[23]。兩地土壤磷含量均較低,因此,在增施有機(jī)肥的基礎(chǔ)上,應(yīng)同時(shí)增加磷肥的施用量,由于磷素在土壤中的移動(dòng)性差,施磷時(shí)應(yīng)適度深施。一般情況下,土壤中無(wú)機(jī)態(tài)鐵的溶解度受pH值控制,所以,在堿性土壤或石灰性土壤中易發(fā)生缺鐵現(xiàn)象[24-26]。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),康縣試驗(yàn)園土壤為偏堿性土壤,其pH值隨土層深度的增加而略有降低,而清水縣試驗(yàn)園土壤為堿性土壤,其pH值隨土層深度的增加而增加。清水縣試驗(yàn)園土壤中的有效鐵含量顯著低于康縣試驗(yàn)園,這可能是pH值較高導(dǎo)致土壤有效鐵含量降低的主要原因。核桃園土壤有機(jī)質(zhì)、pH值與土壤有效養(yǎng)分的相關(guān)性及動(dòng)態(tài)變化等問(wèn)題尚需進(jìn)一步探討。
土壤溫度、水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)是核桃樹生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)。甘肅隴東南核桃產(chǎn)區(qū)土壤溫濕度在正常年份能夠適應(yīng)核桃的生長(zhǎng)發(fā)育,但在干旱年份和核桃需水關(guān)鍵時(shí)期,應(yīng)采取有效的抗旱保墑措施,加強(qiáng)核桃園覆草、壟膜等土壤管理技術(shù)措施,以改善土壤溫濕度環(huán)境;在土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)管理方面,增加有機(jī)肥和磷素的施用量,以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和磷水平,促進(jìn)核桃根系的生長(zhǎng)發(fā)育,增強(qiáng)樹體抗晚霜凍能力,提高堅(jiān)果產(chǎn)量和品質(zhì)。
本文對(duì)一定土壤溫度、濕度與養(yǎng)分條件下核桃樹體生長(zhǎng)發(fā)育及堅(jiān)果品質(zhì)的研究沒(méi)有進(jìn)行深入的探討,核桃主產(chǎn)區(qū)土壤環(huán)境因素對(duì)堅(jiān)果生長(zhǎng)發(fā)育的影響將作為今后研究的主要內(nèi)容。
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