覆砂和灌水量对退耕压砂地生态枣林土壤水热及枣果产量的影响

刘巧玲，李王成，2，3*，赵广兴，贾振江，安文举，王洁，穆敏

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；
2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021；
3.省部共建西北土地退化与生态恢复国家重点实验室，银川 750021）

土表覆砂是我国西北干旱半干旱地区一种增温保墒及作物增产提质的保护性耕作方式[1]。覆砂使土壤表面空气动力学粗糙度和空气湍流增强，增大了水汽流动阻力，从而减少了土壤蒸发[2]。覆砂后土壤能够截蓄更多的水分，增强土壤蓄水能力、促进水分向深层运动[3]。同时，地表覆砂还可以调节土壤温度，提高其土壤水分利用效率，促进作物生长，并最终达到增产提质的效果[4]。随着科技的进步和人们生活的需要，宁夏中部干旱带在原种植面积基础上新增加了大量垦荒面积用于压砂瓜（Citrullus lanatus）的种植[5]。但长此以往，区域种植作物单一化、病虫害率高的问题暴露。同时，压砂地退化问题也日渐凸显，如砂层细砂粒含量增加、土壤结构质地改变、生态化学计量比失衡、肥力下降、酶活性降低、微生物群落丰度减少等[6-8]。压砂地保水保墒能力下降，引起水土流失，导致压砂瓜产量逐渐降低，甚至绝产[9]。退化的压砂地被撂荒，造成土地荒漠化，成为当地生态治理难题。枣树（Ziziphus jujubaMill.）作为一种生命力和适应性较强的耐旱植物[10]，广泛栽培于我国西北干旱半干旱地区，在水土保持方面发挥重要作用[11]。因此，当地政府部门选择种植枣树来改造退化的压砂地，同时期望获得一定的经济效益以维护当地的生态持续稳定与发展。

目前，学者们主要围绕退耕压砂地生态枣林的土壤水分、枣树生长发育等方面展开研究[12-14]，而针对退耕压砂地的土壤条件、覆砂与灌水量复合措施对枣林土壤水热和枣果产量的影响研究鲜有报道。因此开展覆砂和灌水量对退耕压砂地枣林生长的影响研究对生态脆弱区的植被恢复和生态修复具有重要意义。鉴于此，本研究以宁夏中部干旱带退耕压砂地生态枣林为例，探讨不同覆盖模式下灌水量对土壤水热的时空动态变化规律，分析退耕压砂地枣树生长、产量和水分利用效率特征，以期为压砂地退耕还林后寻求高效合理的种植方式及宁夏中部干旱带经济和生态持续稳定发展提供思路和依据。

1.1 研究区概况

试验于2021 年5—10 月在宁夏中部干旱带中卫市香山乡红圈子村（36°56′24″N，105°13′44″E）进行，研究区平均海拔1 697.8 m，地下水埋深在100 m 以下，年均温度为7～8.5 ℃，年均降水量为180～200 mm，且主要集中于5—9 月，年均蒸发量为2 100～2 400 mm，全年无霜期140～150 d。试验期内日降雨量和气温如图1 所示，有效降雨量为91.6 mm，日平均气温为25.9 ℃。试验区土壤为淡灰钙土，质地为砂壤土，田间持水量为23.3%。0～80 cm 平均土壤容重为1.40 g·cm-3，全氮0.65 g·kg-1，有机质5.35 g·kg-1，有效磷5.8 mg·kg-1，速效钾79 mg·kg-1。

图1 研究区枣树生育期日平均温度和日降雨量Figure 1 Average daily temperature and daily rainfall in the study area during the growth period

1.2 试验设计

试验将42 年退耕压砂地通过保持原状形成覆砂（M）、除去覆盖层形成裸土（N），这两种覆盖方式的覆砂厚度均为12 cm。灌水量依据当地枣树灌溉制度设为三个灌水量，分别为低水180 mm（W1）、中水210 mm（W2）、高水240 mm（W3），采用完全组合设计，共6 个处理：裸土低水（NW1）、裸土中水（NW2）、裸土高水（NW3）、覆砂低水（MW1）、覆砂中水（MW2）、覆砂高水（MW3）。灌溉方式采用环绕式灌溉，一行一支管（管径16 mm，壁厚0.9 mm），在支管上接毛管以树干为中心形成直径约为1 m的圆环，每棵树4个滴头，滴头流量均为4 L·h-1。全生育期灌溉制度如表1 所示。供试枣树为树龄12 年的同心圆枣，株行距为3 m×8 m，种植密度为40 棵·亩-（11 亩=667 m2）。各处理3次重复，共选取长势良好、大小一致的枣树18棵。各小区其他田间管理方式相同。

表1 枣树生育期灌水量Table 1 Irrigation water during date palm fertility

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分

在枣树萌芽展叶期、开花坐果期、果实膨大期、果实成熟期分别采用土钻取土。取土位置距枣树主干50 cm 处，取土深度为80 cm，每10 cm 一层，每20 d 测定一次。采用烘干法测定不同土层的土壤含水率，并根据公式（1）计算土壤贮水量W[15]。

式中：W为土壤贮水量，mm；
H为土层厚度，cm；
S为土壤质量含水率，%；
ρ为土壤容重，g·cm-3。

1.3.2 土壤温度

在枣树各生育时期前、中、后期选择晴天采用数显温度计（精确度为±0.5 ℃，分辨率为0.1 ℃）测定8：00、10：00、12：00、14：00、16：00、18：00 土壤0～80 cm 土层温度，每10 cm 一层，每10 d 测定一次。温度计布设在各处理中间距枣树主干50 cm 处，各处理各生育时期前、中、后期读数的平均值作为该生育时期的土壤温度。采用变异系数Cv和日间最大温差Ti表示土壤剖面温度变化程度。

变异系数采用公式（2）计算：

式中：SD为标准差为平均值。

日间最大温差采用公式（3）计算：

式中：Timax为试验期内第i层土壤8：00—18：00间的平均最高温度，℃；
Timin为试验期内第i层土壤8：00—18：00间的平均最低温度，℃。

1.3.3 枣树生长指标和产量

使用卷尺和游标卡尺测量果实成熟期各处理的枣吊长、枣吊粗和新稍长、新稍粗。

盛花期初期在枣树东南西北四个方向分别选择长势一致的二次枝，每枝选择3 个枣吊进行标记，统计其开花数量N1，在枣树果实成熟期统计标记枣吊上的枣果数量N2，坐果率Z采用公式（4）计算：

枣果收获时，在枣树上中下三层、东南西北四个方向随机取样测定单果质量，并通过人工逐个采摘枣果进行测产，各处理产量（Y）采用公式（5）计算：

式中：Y为单位面积产量，kg·亩-1为平均单株产量，kg；
N为平均单位面积植株数，株。

1.3.4 水分利用效率

根据公式（6）计算生育期耗水量：

式中：ET为枣树全生育期耗水量，mm；
W0、Wt分别为初始时刻、果实成熟期末0～80 cm 土层土壤贮水量，mm；
P为时段t内的有效降水量，mm；
I为时段t内的灌水量，mm。由于本试验区水资源匮乏，地下水埋深较深，降雨量少，因而忽略了径流量、渗漏量和地下上升水的影响。

根据公式（7）计算水分利用效率：

式中：WUE为水分利用效率，kg·m-3；
其他参数与公式（5）和公式（6）一致。

1.3.5 气象资料

试验区设有小型气象站Vantage Pro2（美国DAVIS），用于观测气温（℃）、降雨量（mm）、风速（km·h-1）、太阳辐射（μm）等气象数据。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 25.0 软件进行数据整理和统计分析。通过双因素方差分析法研究覆砂和灌水量以及两者的交互作用对土壤水热、枣树生长和产量指标影响的显著性。不同处理间的差异采用单因素方差分析，均采用LSD法进行显著性检验（P＜0.05），Origin 2021软件绘制图表。

2.1 不同处理土壤温度时空变化特征

从图2 中可以看出，各处理土壤温度变异系数和日间最大温差均随深度的加深而减小。各处理0～80 cm 土壤剖面温度变异系数表现为裸土＞覆砂，低水＞中水＞高水。所有处理组合0～80 cm 土层平均日间最大温差 从大到 小表现 为NW1＞MW1＞NW2＞MW2＞NW3＞MW3。在图2a 中，各处理0～10 cm 土层受气温扰动较大（Cv＞10%），因此选用0～10 cm土壤剖面的平均温度代表时刻温度。在图2b 中，各处理最大温差平均值从大到小依次为0 cm（14.1 ℃）＞10 cm（7.2 ℃）＞20 cm（4.5 ℃）＞30 cm（2.7 ℃）＞40 cm（1.41 ℃）＞50 cm（1.20 ℃）＞60 cm（0.41 ℃）＞70 cm（0.32 ℃）＞80 cm（0.26 ℃）。气温变化能够直接影响0～50 cm 土壤剖面的温度（温差＞1 ℃），因此选用0～50 cm 平均土壤温度代表日平均温度。

图2 土壤剖面温度变化特征Figure 2 Soil profile temperature variation characteristics

由图3 可知，各处理0～10 cm 土层土壤温度在8：00—16：00 升温，8：00 时土壤温度最低，各处理平均土壤温度为22.0 ℃，16：00 时最高，各处理平均土壤温度为31.5 ℃。10：00 时各处理土壤温度差异最小，16：00 时各处理差异最大。在8：00—18：00，所有处理0～10 cm 土壤温度从高到低表现为MW1＞MW2＞NW1＞MW3＞NW2＞NW3。MW1 处理较NW3 处理最大温差和最小温差分别为5.5 ℃和1.2 ℃。覆砂处理0～10 cm 土壤温度较裸土处理提高0.8～3.1 ℃。裸土处理条件下地温的日变化与气温趋于一致，其地温上升速度主要集中在8：00—14：00，平均升温速度为1.5 ℃·h-1，最高升温时段为10：00—12：00；
覆砂处理升温时段集中在10：00—14：00 之间，平均升温速度为1.9 ℃·h-1，最高升温时段在12：00—14：00。裸土处理和覆砂处理的升温时段表明覆砂处理的土壤温度升温集中且迅速，对气温的响应存在滞后效应。

图3 土壤温度与气温日变化特征Figure 3 Diurnal changes in soil temperature and air temperature

不同生育时期各处理0～50 cm 土层土壤日平均温度变化见表2，各处理土壤温度与气温变化一致，均在果实膨大期最高，果实成熟期最低。不同生育时期内，覆砂和灌水量对土壤温度的影响均达到了显著水平（P＜0.05），而覆砂和灌水的交互作用对土壤温度的影响仅在果实成熟期达到了显著水平（P＜0.05）。在果实成熟期，相对NW1 处理，MW1、MW2 处理和MW3 处理分别使土壤温度升高11.06%、9.13%、3.37%，而NW2 处理和NW3 处理使土壤温度分别下降4.81%和6.25%。这说明在土壤增温方面，覆砂和灌水的交互作用减弱了单独覆砂对土壤增温的影响，覆砂和灌水存在拮抗作用，且覆砂起主导作用。覆砂处理较裸土处理的增温度数在果实膨大期最低，果实成熟期最高，分别为1.6 ℃和2.4 ℃。

表2 不同生育时期土壤日平均温度变化（℃）Table 2 Change of daily average soil temperature in different growth stages（℃）

2.2 不同处理生育期内0～80 cm土壤贮水量变化

由图4 可知，各处理0～80 cm 土壤贮水量在果实成熟期最高，平均为143.79 mm，萌芽展叶期最低，平均为102.54 mm。补水量为各生育时期灌水量和有效降雨量总和。整个生育期内，覆砂和补水量显著影响土壤贮水量，其中，覆砂和灌水的交互作用对土壤贮水量的影响在萌芽展叶期达到了显著水平（P＜0.05）。覆砂和灌水的交互作用提升了单独灌水对土壤贮水量的增益效果。同一补水量下，覆砂处理土壤贮水量较裸土处理平均提高10.97%。各生育时期覆砂处理土壤贮水量较裸土处理增幅从大到小依次为萌芽展叶期（14.54%）＞果实成熟期（11.62%）＞开花坐果期（11.28%）＞果实膨大期（7.35%）。同一覆盖条件下，土壤贮水量随补水量的增加而增加。果实成熟期补水量最高，萌芽展叶期最低。所有处理全生育期的平均土壤贮水量由大到小表现为MW3＞MW2＞MW1＞NW3＞NW2＞NW1。萌芽展叶期和果实成熟期MW3处理土壤贮水量较NW1 处理分别提高13.27%和39.67%。

图4 不同生育时期0～80 cm土壤贮水量和补水量Figure 4 Soil water storage and recharge of 0～80 cm layer at different growth stages

2.3 不同处理对枣树生长、产量和水分利用效率的影响

灌水量和覆盖方式能够影响枣果产量和枣树的生长指标。由表3 可知，与裸土处理相比，覆砂处理能够显著提高枣果的坐果率和产量以及枣树的新梢长、新稍粗、枣吊粗（P＜0.05）。覆砂条件下高、中、低灌水量处理的产量较裸土处理分别提高5.99%、10.54%、26.79%。枣树各项生长指标和产量随灌水量的增加而增加，且MW3 处理最高，NW1 处理最低。MW3 处理各项生长指标和产量较NW1 处理的增幅从大到小依次表现为坐果率（104.26%）＞新梢长（83.62%）＞新梢粗（71.67%）＞枣吊长（56.35%）＞产量（51.20%）＞单果质量（26.91%）＞枣吊粗（26.62%）。覆砂和灌水的交互作用对枣树生长和枣果产量的影响未达到显著水平（P＞0.05）。不同处理的水分利用效率从高到 低依次 为MW2＞MW3＞NW2＞MW1＞NW3＞NW1。覆砂处理水分利用效率较裸土处理增加了7.30%～28.70%，说明覆砂的保墒抑蒸效果明显，是提高土壤水分利用效率的有效保护措施。

表3 不同处理下枣树的生长及产量指标Table 3 Growth and yield indicators of jujube under different treatments

3.1 不同处理土壤水热变化

覆砂和灌溉能够直接引起土壤水热分布变化[16]，从而影响作物生长。与土壤本身相比，覆盖的砂层导热性较差，可作为保温层减少气温对下层土壤的扰动，从而降低0～80 cm 土壤剖面的变异系数和日间最大温差。此外，由于砂层能够将更多的太阳辐射转换为热能，从而提高了土壤温度[17]。覆砂处理0～10 cm的日间土壤温度比裸土处理高0.8～3.1 ℃，这与LI[18]研究得到的覆砂条件下0～10 cm 土层平均土壤温度比裸土高0.5～4.5 ℃的结果相似。0～10 cm 土层的土壤温度日变化中，与裸土处理相比，覆砂处理的主要升温时段滞后，这与赵成政等[19]研究得到的砾石覆盖后土壤呼吸峰值明显滞后于裸土的结果一致。与以往研究不同的是，本研究发现覆砂条件下土壤温度0～10 cm 日变化主要升温时段比裸土更集中，升温速度比裸土平均高0.4 ℃·h-1。这可能是因为砂层的导热性和蓄热能力相对裸土均较差：在早晨气温低时，覆砂处理中热量主要存蓄在砂层，仅有少部分热量传导至下层土壤，因而出现了覆砂后土壤温度对气温响应的滞后效应；
当中午至下午气温较高时，热量超过砂层的蓄热极限，导致砂层温度迅速升高，并将热量向周围环境和下层土壤传导[20]，从而出现覆砂后土壤集中升温的现象。土壤含水率与灌水量呈正相关，当土壤含水率低时，土壤中含有大量气体，导致土体导热性和热容较低，土壤温度更易受气温波动的影响，因此低灌水量时土壤温度变异系数和日间最大温差比高灌水量时大。在0～50 cm 土壤温度的研究中发现，覆砂和灌水的交互作用在果实成熟期达到了显著水平，覆砂和灌水的交互作用既增加了土壤温度，也提高了土壤水分。覆砂能弱化灌水引起的土壤降温现象，两者具有拮抗作用[21]，覆砂升温的增益效果明显高于灌水导致的降温负效益，总体表现为升温，促进植物生长和成熟。

本研究表明覆砂可以提高0～80 cm 土壤贮水量。覆砂促进了干燥表面的形成，并使蒸发锋更深地移位，减少蒸发，增加土壤水[22]。覆砂处理的土壤贮水量相对裸土处理的增幅在萌芽展叶期最高，在果实膨大期最低。当土壤含水率较低时，较高的灌水量更易形成干燥表面，更快速地形成保护层[23]。由于枣林试验前期主要靠自然降雨补充水分，土壤含水率低，对水分的输入更敏感[24]，因此，覆砂处理土壤贮水量增幅在萌芽展叶期最高。此外，覆砂和灌水的交互作用在该生育时期达到显著水平同样验证了此结果。覆砂后增加了土壤的截蓄能力[25]，本研究中果实膨大期降雨量在全生育期内最低，可能是导致果实膨大期覆砂处理较裸土处理增幅较低的原因。

3.2 不同处理生长指标、产量和水分利用效率的变化

土表覆砂作为一种传统的保护性耕作措施，能够抑制土壤水分蒸发，提高水分有效利用率，使土壤保持较高的含水率，具有增产提质的效果[26]。土表覆盖可以改善枣树根部土壤环境，提高根系活力，从而促进枣吊长、枣吊粗、单果质量等生长指标[27]，同时有明显的增产作用。土壤水分是释放土壤养分的基础，而大量的水分补给，对于作物增产效果不明显，且使水分利用效率降低[28]。本研究结果表明，覆砂和增加灌水量均可提高枣树生长指标和产量。高灌水量处理下枣果产量最高，但较裸土处理产量增幅最低。且随着灌水量增加水分利用效率先增加后降低，覆砂处理和裸土处理均为中灌水量下水分利用效率最高。因此，综合考虑土壤水分、枣果产量、水分利用效率等指标，覆砂中水处理（MW2）为宁夏中部干旱带退耕压砂地枣林适宜的种植模式。

（1）与裸土处理相比，覆砂处理降低了土壤温度变异系数和日间最大温差，提高了土壤保温能力和土壤温度。土壤覆砂后升温时间滞后，升温时段集中且速度快。此外，覆砂与灌水对土壤温度的影响具有拮抗作用，覆砂升温的增益效果明显高于灌水导致的降温负效益，总体表现为升温，覆砂土壤温度高于裸土温度。

（2）覆砂处理0～80 cm 土壤贮水量在枣树各生育时期均高于裸土处理，且在土壤含水率最低的萌芽展叶期增幅最高，达14.54%。

（3）在三种灌水量下，覆砂处理的枣树生长指标、枣果产量和水分利用效率均高于裸土处理。其中，覆砂条件下灌水量210 mm 时水分利用效率最高，为1.55 kg·m-3，该种植模式可使产量提高10.54%，是宁夏中部干旱带退耕压砂地枣林适宜的种植模式。