蘋果種植分區(qū)土壤水分特征研究

蘋果種植分區(qū)土壤水分特征研究

隨著西部經濟的發(fā)展和果果經濟的發(fā)展，蘋果已成為陜西省的主要作物。目前種植面積已占全省總耕地面積的1/10,主要產在渭北和陜北兩大地區(qū)。由于渭北塬區(qū)光照充足、晝夜溫差大,土層深厚,適合優(yōu)質蘋果生產。但該區(qū)水資源極缺,降水少且年內分配不均,多年平均降水量500～700mm,其中60%以上集中在7～9月。降水年際變率大,地下水埋藏深,土壤干旱嚴重。由于蘋果樹根系發(fā)達,產量高和生物量大,其強烈的蒸騰耗水作用比一般農作物都要高,蘋果生長所需的水分供需矛盾十分突出。因此,研究該區(qū)土壤水分特征及其時空變化規(guī)律一直是渭北旱作農業(yè)生產和優(yōu)質果品等支柱產業(yè)持續(xù)發(fā)展的關鍵問題,同時對合理利用該區(qū)水資源,加強水分管理和有限水資源條件下果樹發(fā)展的合理布局,充分發(fā)揮蘋果的生產潛力,以及確保該區(qū)蘋果業(yè)持續(xù)發(fā)展,具有生產實踐意義。1適生區(qū)立地條件及氣象條件渭北旱塬位于陜西省關中平原以北,陜北丘陵溝壑區(qū)以南,東西分別與山西省和甘肅省接壤,東西長400km,南北寬275km。全區(qū)包括延安南部、渭南、咸陽、寶雞三地區(qū)北部及銅川市,共23個縣,總土地面積379萬hm2,其中蘋果種植面積33.3萬hm2,占耕地面積的36.7%,人均耕地0.2hm2,發(fā)展蘋果生產潛力大,是陜西省經濟發(fā)展的主要戰(zhàn)略地帶和馳名中外的蘋果生產基地。該區(qū)屬暖溫帶半濕潤偏旱氣候區(qū),光熱資源豐富,年均氣溫8～12℃,夏季平均氣溫19～23℃,果實生長期氣溫日較差在10～14℃,>10℃的積溫在3000℃以上,年均降雨量525～730mm。土地平坦肥沃,適于蘋果根系生長,但水資源極其缺乏。該區(qū)共有水資源1.52×109m3,其中地表水1.33×109m3,地下水9.2×108m3,每1hm2耕地水量僅1.52×103m3,相當于全國平均水平的5.8%。近年來,隨著蘋果種植面積擴大,進一步加劇了水資源的供需矛盾。根據渭北地區(qū)自然條件、地貌差異以及各縣的干濕狀況,結合地形和土壤蓄水特征,將渭北蘋果適生區(qū)劃分成3個分區(qū)(圖1):(1)渭北旱原溝壑區(qū):包括洛川、長武、彬縣、旬邑、宜君、黃陵、黃龍、富縣。海拔約850m～1200m,氣候條件全部符合蘋果最適宜區(qū)標準,是公認的優(yōu)質蘋果產區(qū)。該區(qū)地貌類型以黃土高原溝壑為主,塬面平坦,塬周侵蝕深切,土層深厚。與渭北臺塬東部地區(qū)相比,降水量相對較大。但春旱嚴重,對蘋果的生長發(fā)育影響較大。(2)渭北臺塬東部區(qū):包括合陽、蒲城、澄城、韓城、富平、白水、銅川和耀縣。塬區(qū)寬坦,土層深厚,土質肥沃。海拔800m以上,氣候條件適合蘋果生產,是陜西蘋果的重要產區(qū)。該區(qū)降水偏少且年際、年內分布不均,蒸發(fā)量大,干旱程度較渭北旱原溝壑區(qū)和渭北臺塬西部區(qū)嚴重。(3)渭北臺塬西部區(qū):位于渭河及其支流中下游兩岸的二級階地上,塬面溝壑縱橫,水土流失嚴重,侵蝕模數為4000～5000t·km-2·a-1。包括淳化、永壽、禮泉、乾縣、鳳翔、隴縣、寶雞七縣。降水量相對較多,全區(qū)多年平均降水量635.0mm,但蒸發(fā)量大于降水量,干燥度1.10～1.36。降水年變率為14%～22%,冬季到初春期間干旱少雨,對蘋果生長不利。2土壤水分的測定為減少工作量,選取長武和洛川(渭北高原溝壑區(qū))、合陽(渭北臺塬東部區(qū))及淳化(渭北臺塬西部區(qū))作為研究對象(表1)。結合各類型區(qū)當地蘋果種植制度和管理措施,選取蘋果樹齡一致的樣點,進行土壤水分平衡觀測,按統(tǒng)一技術標準,定期對土壤水分進行測定,系統(tǒng)測定深度為2m,不定期測定深度為3～10m。采用烘干法測定土壤含水量,每15d觀測一次,重復3次。其中0～100cm土層每10cm取一個土樣,100cm以下每20cm取一個土樣,測定時間為1997年和1998年蘋果的兩個生長季,3～10m土層剖面含水量測定時間為1999年。根據測定的土壤水分,用水量平衡法計算蘋果樹階段耗水量和土壤儲水供給量。同時,選取各蘋果種植分區(qū)所轄縣市(渭北高原溝壑區(qū)8個,渭北臺原東部區(qū)8個,渭北臺原西部區(qū)7個)進行區(qū)域水分研究,依據各縣(市)的氣象觀測資料(1962～1998年),采用聯(lián)合國糧農組織(FAO)推薦的Penman-Monteins公式計算蘋果地的潛在蒸散量,從大范圍尺度上揭示渭北旱塬蘋果種植分區(qū)土壤水分特征。3結果與討論3.1干旱塬區(qū)土壤水分綜合評價影響渭北旱塬蘋果地土壤水分空間特征的重要因子不外乎由氣候條件決定的自然降水和蒸散量以及果樹不同生育期的耗水特性。從表2顯示的結果看,渭北旱塬蘋果地土壤水分具有明顯的區(qū)域性特征。不同蘋果種植類型區(qū)多年平均降水量存在較大差異,渭北臺塬東部區(qū)明顯小于旱原溝壑區(qū)和臺塬西部區(qū),降水量變幅從臺塬西部區(qū)經渭北旱原溝壑區(qū)至臺塬東部區(qū)逐漸減少。同一類型區(qū)中降水量的變幅也很大,如臺塬東部區(qū),降水量最大為682.1mm(1998年),而最低只有322.1mm(1997年)。渭北旱塬區(qū)蘋果地潛在蒸散量表現(xiàn)出如下特征:總的變化趨勢是渭北臺塬東部區(qū)蘋果地潛在蒸散量最大,臺塬西部區(qū)蘋果地潛在蒸散量最低,旱原溝壑區(qū)居中。區(qū)域內的變幅是渭北高原溝壑區(qū)>渭北臺塬西部區(qū)>渭北臺塬東部區(qū)。表2還表明,各蘋果種植分區(qū)土壤水分均存在虧缺現(xiàn)象,但各類型區(qū)之間水分虧缺程度不同。如果以潛在水分虧缺量為依據,臺塬東部地區(qū)最為嚴重,旱原溝壑區(qū)次之,臺塬西部區(qū)最輕。在臺塬東部區(qū),蘋果地土壤水分平均潛在虧缺量為390.9mm,最大虧缺量達674.6mm,最小虧缺量也達186.3mm,前者是后者的3.6倍。在渭北旱原溝壑區(qū),蘋果地水分平均潛在虧缺量為264.4mm,最大虧缺量達441.2mm,在個別地方也出現(xiàn)水分盈余的現(xiàn)象,盈余量達38.7mm。渭北臺塬西部區(qū)的土壤水分總體上表現(xiàn)為虧缺,盡管平均虧缺量和最大虧缺量分別達128.2mm和348.7mm,但蘋果地出現(xiàn)水分盈余的現(xiàn)象較高原溝壑區(qū)普遍,最大盈余量達151.8mm。表明渭北塬區(qū)蘋果地土壤水分狀況以臺塬西部區(qū)最好,其次是高原溝壑區(qū),臺塬東部區(qū)最差,表2提供的土壤濕潤度值就是這一結論的有力佐證。3.2土層水分儲存量和利用特征表3是陜西渭北旱塬三個類型區(qū)蘋果地土壤水分儲存量在不同生育期的變化?？傮w上看,渭北旱塬蘋果種植區(qū)2m土層的水分儲存量變化在281.3～571.7mm之間,均經歷一個由下降至上升再到下降的變化過程。從分區(qū)上看,在整個生育期2m土層水分儲存量是渭北臺塬西部區(qū)>渭北高原溝壑區(qū)>渭北臺塬東部區(qū),但臺塬西部區(qū)與旱塬溝壑區(qū)差異不明顯。土壤水分儲存量的這種空間分布格局與渭北塬區(qū)降水量的空間分布格局密切相關。另外,渭北旱塬蘋果種植分區(qū)土壤水分儲存量隨生育期變化也存在較明顯的地區(qū)差異(表3)。在渭北旱原溝壑區(qū),蘋果地的土壤水分儲存量在春梢生長與果實發(fā)育前期(4月20日～6月20日)有一定程度的下降,原因是該區(qū)春旱嚴重,又是果樹萌芽、開花、新梢發(fā)育生長的旺盛階段,蘋果樹耗水量大。6月底以后,蘋果進入果實膨大期(6月底～8月下旬),降水量增加,水分充足,土壤儲水量顯著增加,基本上可滿足果實對水分的需求,此期間果園一般不需灌水,應以深翻土壤增加儲水為主。隨著果實的成熟,果實處在著色和糖分轉化期,果樹需水強度下降,需水量相應減少,至成熟期(8月下旬～10月)土層儲水量達到最大值;在渭北臺塬東部區(qū),從春梢生長期到果實成熟期,2m土層水分儲存量的變化與渭北旱塬溝壑區(qū)基本相似,不同的是果實彭大期和成熟期土體儲水量明顯小于渭北旱原溝壑區(qū),這與臺塬東部區(qū)氣候干燥、土壤蓄保特性較渭北旱原溝壑區(qū)差有關。針對上述兩個類型區(qū)土壤儲水特征,在4月下旬至6月初,抓好補充灌水具有增產意義;7～8月是高溫伏旱期,蒸發(fā)量大,蘋果又處在果實彭大期,在臺塬東部區(qū)也應補充灌水。在渭北臺塬西部區(qū),蘋果地土壤水分儲存量在春梢生長期(4月20～5月上中旬)變化不大,但進入幼果發(fā)育前期,土壤儲水量急劇下降,至6月達到最低點。此后,2m土層水分貯存量呈現(xiàn)明顯增加的趨勢。這是因為3月下旬至4月,該區(qū)降水量增加,因此,一般在果樹萌芽期和開花期可不進行灌溉。進入5月中下旬至6月,氣溫升高,葉面積迅速增大,蒸騰耗水量劇增,果樹進入需水臨界期,加上該時段降水量不多,易出現(xiàn)春末夏初干旱,土壤水分不足易使新梢停長和幼果脫落,應適當補灌。7～8月份雖進入雨季,土壤儲水量增加,但易發(fā)生伏旱,為防止對彭大期果實生長產生的不利影響,也應視土壤墑情進行補灌。蘋果地土壤水分的利用狀況是影響水分貯存量的一個重要因素。表4是渭北旱塬不同類型區(qū)蘋果生育期的水分利用特征。從表4可以看出,渭北旱塬溝壑區(qū)和臺塬東部區(qū)土壤失墑以及生育期蘋果樹耗水較臺塬西部區(qū)嚴重。由于年際降水量的差異,即使在同一類型區(qū)內,蘋果地對土壤水分的利用狀況也表現(xiàn)出不同的特征。以渭北臺塬西部區(qū)為例,在正常水文年(1998年),蘋果全生育期4～10月有效降水522.7mm(全年降水量619.2mm),比同期多年平均降水量(470.5mm)多52.2mm,土壤失墑不明顯或者土壤水分得到部分補充,土壤儲水基本能滿足果樹生長需要,在生育期末土壤水分盈余27.9mm(表4)。但由于年內降水分配不均以及果樹不同階段生理需水的差異,在果樹生長發(fā)育的某些關鍵期仍需補充灌水。而在干旱年(1997年),降水量嚴重不足,4～10月有效降水量只有272.5mm,降水量距多年平均值少185.2mm,除7月份降雨124.3mm外,5、6、8三個月連續(xù)干旱,降水量只有同期多年平均降雨量的6.6%、27.4%和16.7%,而這三個月又是蘋果需水量較多的時段,有效降雨及土壤供水滿足程度僅29.4%和42.5%,果樹需水虧缺量達191.8mm,生育期末土壤水分貯存量減少81.4mm,土壤失墑明顯,結果造成土壤儲墑期無水可儲的局面,因此,補充灌水和減少土壤表面的無效蒸發(fā)成為滿足蘋果生長發(fā)育對水分需求的必要措施之一。3.3不同類型土壤水分耗水特征從蘋果樹耗水量多少上看(表5),蘋果樹生育期的水分輸入量與輸出量存在明顯的失衡現(xiàn)象,生育期耗水量與有效降水量之比多變動在1.06～1.35之間,表明水分的供需矛盾甚為突出,結合表4還可以看出干旱年(1997年)三個不同類型區(qū)蘋果全生育期耗水量比正常年份(1998年)低得多,這是蘋果樹減少蒸騰耗水以適應干旱的結果。從耗水量的組分來看,在大數情況下,蘋果樹的耗水量主要來源于生育期間的有效降雨,但同時又要依靠土壤水分的補給和調節(jié)(表5)。根據渭北旱塬蘋果地水分觀測試驗發(fā)現(xiàn),蘋果樹耗水量組成及其耗水層深度因水文年份不同而波動。在正常年份(如1998年),蘋果樹的耗水量絕大部分來自生育期的有效降水,生育期有效降水量占總耗水量的90%以上(表5),耗水層深度在2～3m之內,降水分布與耗水規(guī)律基本一致。但在干旱年份(如1997年),耗水量除來自生育期降水外,還有相當一部分依賴土壤水分的調節(jié)和補償,耗水層深度超過3m。如1999年(屬于干旱年),渭北旱塬溝壑區(qū)蘋果生育期降雨量僅345.3mm,特別是5、6、7三個月降水量分別只有同期多年平均降水量的15.7%、14.9%和38.2%,而此時又是蘋果樹蒸騰耗水量最大的時段,有效降水以及3m土層供水難以滿足其需水要求,果樹需水虧缺量達106.0mm。在不考慮人工補灌的情況下,虧缺的水量只能靠根系吸收深層土壤水分來補充。據1999年在洛川、淳化和合陽等地實測的土壤水分垂直分布看(圖2),較大樹齡蘋果地土壤剖面含水量明顯低于農田,3～9m土層含水量接近凋萎濕度,形成生物利用型土壤干層。在洛川,15年生和28年生蘋果樹多年平均蒸散量分別達600.3mm和616.6mm,同期多年降雨量平均值分別為549.4mm(1985～1999年)和585.5mm(1972～1999年),共分別超額利用10m土層有效儲水762.9mm和785.6mm,表明蘋果樹的強列蒸騰耗水作用不僅消耗掉每年的降雨入滲量,而且還不斷利用豐水年下滲進入深層土壤的有效儲水,表明深層儲水在干旱年份對蘋果樹生長所需水分的供給起著不可忽視的重要作用。另外,比較三個類型區(qū)發(fā)現(xiàn)耗水量還存在區(qū)域分異特征。在渭北臺塬東部區(qū),耗水量超過溝壑區(qū)和臺塬西部區(qū),蘋果樹全生育期的耗水量高于同期的降水量(表5)。在渭北旱原溝壑區(qū),自然降水也不能滿足蘋果樹生育期的耗水,蘋果生育期耗水與降水量之比為1.06～1.28。在臺塬西部區(qū),雖然蘋果樹的耗水量出現(xiàn)階段性的需要土壤水分補給的情況(表4),但整個生育期自然降水都超過其耗水量(干旱年除外)。這主要與三個類型區(qū)不同的氣象因子有關。渭北臺塬東部區(qū)各縣年平均氣溫為12.4℃,旱原溝壑區(qū)和西部臺塬區(qū)年平均氣溫只有9.1℃和9.6℃,顯然東部臺塬區(qū)熱量條件明顯優(yōu)于西部區(qū)和旱原溝壑區(qū),從而造成東部臺塬區(qū)蘋果地耗水量高于西部臺塬區(qū)和旱原溝壑區(qū)。4立地條件及土壤水分特征(1)渭北旱塬不同蘋果種植分區(qū)土壤水分特征主要受自然降水和蘋果地蒸散量的影響,其變化規(guī)律與降水量的分配相一致。在區(qū)域尺度上,蘋果地潛在蒸散量總的變化趨勢是渭北臺塬東部區(qū)>高原溝壑區(qū)>臺塬西部區(qū),區(qū)域內的變幅則是渭北高原溝壑區(qū)>臺塬西部區(qū)>臺塬東部區(qū)。(2)3種類型區(qū)蘋果地土壤水分都存在虧缺現(xiàn)象,但各類型區(qū)水分虧缺的程度不同。在臺塬東部區(qū),蘋果地土壤水分平均潛在虧缺量為390.9mm,最大虧缺量達674.6mm,最小虧缺量也達186.3mm;在旱原溝壑區(qū),蘋果地水分平均潛在虧缺量為264.4mm,最大虧