赵西宁团队在半干旱区复合系统生态水文方面取得新进展

原名： Ecohydrological advantage of young apple tree-based agroforestry and its response to extreme droughts on the semiarid Loess Plateau

译名： 黄土高原半干旱地区基于幼龄苹果树农林复合系统生态水文优势及其对极端干旱的响应

期刊： Agricultural and Forest Meteorology

通讯作者单位： 西北农林科技大学水土保持研究所

DOI： 10.1016/j.agrformet.2022.108969

本研究以黄土高原典型半干旱地区单作果园为对照，研究了一年生能源作物大豆 - 油菜轮茬种植对幼龄苹果园生态水文及树木生长的影响；通过拦截 15% ( 中度干旱 ) 和 25% ( 重度干旱 ) 的自然降水模拟不同强度干旱，探明了不同程度干旱对农林复合系统中幼龄苹果树水分利用及其干旱反馈的影响。

在黄土高原半干旱地区，相比于传统单作果园，幼龄苹果园中实施大豆 - 油菜轮茬种植模式显著（ p < 0.05 ）增加了果园 80-280 cm 土层的土壤储水量（ SWS ）（ Fig. 1g, h and Fig. 2 ），雨季深层水分补给优势更为明显（ Fig. 1c, d ）；深层土壤水分的增加为苹果树缓解干旱胁迫提供了充足水分，是保障苹果树干旱适应策略发挥的先决条件。

Fig. 1 Soil water storage (SWS) in different soil layers in the tree rows. Gray shading indicates the wet season. The dotted line represents the SWS corresponding to the wilting coefficient of each soil layer. Ⅰ : Apple-soybean intercropping period. Ⅱ : Apple- canola intercropping period. Different small case letters indicate statistically significant differences ( p < 0.05) among treatments. Blue asterisk represents statistically significant differences ( p < 0.05) between treatments during the sampling period.

此外，农林复合系统对深层土壤水分的增加及其正反馈促进了苹果树地上生长包括株高（ PH ）、冠幅（ ACD ）、基径（ BD ）、米径（ MD ）和叶面积指数（ LAI ）等（ Fig. 3 ），进而提高了苹果树日用水量（ Q ）和蒸腾速率（ Tr ）（ Fig. 4a ），优越的水分条件显著增加了苹果树黎明前叶水势（ PLWP ）和正午叶水势（ MLWP ）。

Fig. 2 Fine root length density and soil water change at the end of intercropping in the dry (2020) and wet (2021) year.

Fig. 3. The growth rate for basal diameter and meter diameter during the wet and dry seasons for multiple years for apple trees growing in different treatments.

农林复合系统在面临中度干旱时，幼龄苹果树主要干旱适应策略是将近 80% 的细根生物量分配到 0-80cm 的浅层土壤（ Fig. 2 ），以便充分捕获有限降水，同时吸收部分 80-180cm 土壤层水分（降低 11-15% SWS ）来维持果树正常生长发育（ Fig. 1 ）。 与无强制干旱的农林复合系统相比，显著（ p < 0.05 ）降低了苹果树 19-24% 的日用水量和 13-17% 的基于叶面积蒸腾量，但仍然显著（ p < 0.05 ）高于无干旱胁迫的单作苹果树（ Fig. 4 ）。

Fig. 4.  Transpiration rate (Tr _G ) per unit ground area (a) and ratio of soil water storage (b) for the different treatments.

在经历重度干旱后， 农林复合系统中 幼龄苹果树改变了地上 / 地下碳分配比例，将更多的生物量分配给地下根系来吸收和利用较深层的土壤水分，显著 ( p < 0.05) 增加了 80cm 以下土层的细根根长密度和细根生物量（ Fig. 2 ）。这种分配模式显著 ( p < 0.05) 降低了 80-280 cm 土层 16-18% 的 SWS （ Fig. 1g ， h ），重度干旱胁迫造成的果园深层土壤干燥化可能会在未来几年 对树木产生长期影响 。此外，重度干旱显著 ( p < 0.05) 降低了 50-60% 的果树日用水量和 12-38% 的基于叶面积的蒸腾量相比于无干旱胁迫的农林复合系统；然而相比于单作果树，重度干旱胁迫对苹果树地上生长包括株高、冠幅、基径和比叶面积等生长参数的影响并不显著。

综上所述，本研究证明了在黄土高原半干旱地区开展基于幼龄苹果树农林复合系统的可行性，结果表明农林复合对单一种植的幼龄苹果树具有明显的生态水文优势，但是在未来研究中不能忽略重度干旱胁迫后苹果园深层土壤干燥化带来的负面影响；本研究为半干旱地区农林复合系统经营提供了新见解。