黄土丘陵区红枣林农林复合系统生态水文过程与模拟研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:zqs656690
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间作复合系统具有改变土壤微环境、保蓄土壤水分、降低土壤蒸发和改变系统小气候的作用,但同时也存在过度水分消耗和水分竞争的问题,然而在旱地果园实行间作复合经营的可行性研究较为薄弱。在黄土丘陵区,降水是农业和植被生长的唯一来源,雨养枣园的长期清耕管理导致了严重的土地退化和水土流失等问题,影响了枣园经济效益和生态功能。因此本研究将经济农作物饲料油菜和黄花菜引入到黄土丘陵区雨养枣园,构建两种农林复合系统,通过连续4年土壤水分、果园蒸散、果树生长的定位监测、以及土壤理化特性和细根分布等测定,系统研究红枣林行间作物间作对果园土壤理化特征、根系分布、剖面土壤水分和果园蒸腾动态过程影响,评价两种间作复合系统枣园水分利用状况和生态效益。
  (1)厘清了作物间作对红枣林复合系统土壤质量的影响。与对照相比,在枣树冠层下,饲料油菜处理和黄花菜处理土壤田间持水量分别增加3.4%和2.3%;土壤速效磷含量分别降低31.7%和33.4%;土壤阳离子交换分别提高28.6%和17.0%。在行间,饲料油菜处理和黄花菜处理土壤容重分别降低5.5%和2.9%;土壤田间持水量分别增加11.9%和9.4%;土壤饱和导水率分别增加29.1%和27.2%;土壤速效氮分别增加167.0%和78.7%;土壤有机碳含量分别增加53.4%和36.1%;土壤阳离子交换量分别提高了12.3%和降低了3.9%。
  (2)探明了红枣林间作复合系统土壤水分调控效应与种间水分竞争协同关系。在枣树冠层下,两种间作复合系统0-60cm土层土壤水分含量均要显著高(p<0.05)于对照处理。在枣树行间,两种间作系统与0-60cm土层土壤水分含量在研究期间均显著高(p<0.05)于对照处理;但黄花菜间作复合系统60-180cm土层土壤含水量均显著低(p<0.05)于对照处理,饲料油菜间作复合系统则在2015-2017年显著低于(p<0.05)对照。构建了土壤水分相对差分指标(SWDR),判断土壤水分竞争发生与否及其强弱,研究期内枣树与饲料油菜之间不存在显著土壤水分竞争,而枣树与黄花菜之间存在严重的水分竞争:其中,0-60cm土层平均SWDR在-5.0%以内变化,竞争较弱,60-120cm土层平均SWDR超过-5.0%,竞争强烈。四年内,土壤储水量变化量(?W)在树冠层下为-23.9%低于行间的-8.8%;干旱年后的两年中,各处理土壤储水量有所恢复,两种间作系统土壤储水量恢复速率(5.8%)快于对照处理(4.8%)。
  (3)阐明了作物间作对红枣林根系分布和土层干燥层影响。与对照相比,枣树冠层下,两种间作系统枣树细根根长密度在0-60cm土层均显著增加;在行间,饲料油菜处理中枣树细根根长密度在0-60cm土层显著增加,而黄花菜处理中,0-60cm土层枣树根细根长密度显著减少,但是120-300cm土层枣树细根根长密度显著增加。饲料油菜处理枣树冠层下和行间土壤干燥层相比对照分别降低50cm和62.5cm深度;黄花菜处理仅降低了行间土壤干燥层,其深度为65cm,但相应土层土壤水分与对照处理差异较小。
  (4)明晰了作物间作对枣树耗水的影响。四年内饲料油菜处理和黄花菜处理枣树蒸腾量分别比对照处理提高了22.0%和20.9%。在干旱年,各处理中枣树蒸腾速率在6-7月份受到明显抑制,但间作系统平均蒸腾速率(1.2mm d-1)高于对照处理(0.9mm d-1)。饱和水气压亏缺(VPD)、蒸腾变量(VT)和总辐射(RS)是枣树蒸腾速率重要的气象驱动因子,相比对照,饲料油菜和黄花菜处理下枣树蒸腾速率对气象因子反应的临界值更高。0-60cm土层土壤储水量显著影响了枣树蒸腾量,间作系统为平水年和干旱年枣树蒸腾提供了更多的可用水分资源。
  (5)从模型角度,揭示间作复合系统对枣树蒸腾耗水影响机制。模型结果表明,整体上,三年内拟合结果均能满足模型精度要求,随验证年份增加,均方根误差RMSE和一致性系数d分别呈线性增加和降低趋势。平水年,两种间作系统枣树均表现为轻度水分胁迫,对照处理中枣树仍有中度水分胁迫状况;干旱年和干旱年之后的平水年,对照处理中枣树出现重度和中度水分胁迫状况,间作系统显著改善了枣树水分胁迫环境,增加了枣树蒸腾速率和蒸腾量,这与实测结果一致。验证了在间作系统中,枣树水分环境的改善,减轻了枣树受到的水分胁迫程度,最终增加枣树蒸腾量。
  以上研究表明,间复合系统作为一种经济可行的果园管理措施,对半干旱雨养果园改善枣树土壤水分状况,增加枣树蒸腾量和改良土壤理化性质有重要作用。相比黄花菜,饲料油菜对土壤微环境改善程度更高,与枣树土壤水分竞争更弱,同时更明显的降低了果园土壤干燥层,因此,在黄土丘陵区雨养果园,枣树/饲料油菜间作复合系统能够实现水分资源利用最大化(养水)和竞争最小化(争水),有利于实现枣园可持续发展目标。
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