干旱區(qū)不同供水量下楊樹水分效應(yīng)和生態(tài)用水量研究

劉明虎，張景波，孫 非，高君亮

（中國林業(yè)科學(xué)研究院 沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古 磴口015200）

楊樹是我國北方干旱區(qū)主要的人工造林樹種，其速生豐產(chǎn)的前提是具有良好的水分條件。引黃灌溉是河套地區(qū)林業(yè)發(fā)展的重要舉措，但由于長期超量灌溉導(dǎo)致土地次生鹽漬化現(xiàn)象屢見不鮮從而影響了楊樹的生長。另外，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口的增長，需水量劇增，使得黃河水資源供給已近臨界狀態(tài)，供水能力已顯不足［1］，水資源短缺已成為該地區(qū)林業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，如何有效而科學(xué)地利用水資源，確定楊樹速生林的合理供水量是當(dāng)前河套地區(qū)發(fā)展林業(yè)可持續(xù)亟待解決的問題?；诖?，本文從探討供水與土壤環(huán)境及林木生長指征的相互關(guān)系入手，研究楊樹速生林的水分供需關(guān)系及其生態(tài)用水量，以期為干旱區(qū)合理開發(fā)利用水資源和楊樹速生林的集約化經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古磴口縣境內(nèi)的中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心第二實(shí)驗(yàn)場（106°46′E，40°28′N），屬荒漠與干草原的過渡地帶，地處內(nèi)蒙古河套平原西南，東臨黃河，境內(nèi)建有三盛公黃河水利樞紐工程，引黃灌溉十分便利。海拔1 044～1 061 m；年均溫7.6℃，無霜期170d，日照時(shí)數(shù)3 170.4h；太陽總幅射643.32kJ／cm2；年均降水量148mm，多集中于7—9月；年均蒸發(fā)量2 400mm；相對濕度47%；平均風(fēng)速3m／s，主風(fēng)向西北風(fēng)，≥8級大風(fēng)日數(shù)7.9～28.3d。

2 研究方法

供試樹種為小美旱楊（Populus popular′s），栽植密度為4m×5m（495株／hm2）。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積0.13hm2，按隨機(jī)區(qū)組排列，各區(qū)間設(shè)立15m寬的隔離帶，年供水量分5個(gè)水平處理，分別為1 500 m3／（hm2·a）（W1），3 000m3／（hm2·a）（W2），4 500m3／（hm2·a）（W3），6 000m3／（hm2·a）（W4），7 500m3／（hm2·a）（W5），每個(gè)處理設(shè)4個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)地總面積為2.6hm2。采用管道供水方式，用水表控制供水量。為消除苗木不齊的影響，造林第二年進(jìn)行了平茬處理，實(shí)驗(yàn)為期4a。

2.1 土壤水分

每年4—9月，每月12日和27日采集0—20，20—50，50—70，70—100cm土層的土樣用烘干法測定含水率，每個(gè)處理重復(fù)3次；同時(shí)，定點(diǎn)采用環(huán)刀法分層測定土壤容重和田間持水量，每塊樣地設(shè)置5個(gè)測點(diǎn)，4次重復(fù)。土壤貯水量的計(jì)算公式為：

式中：Ws——土壤貯水量（m3／hm2）；W——土壤重量含水率（%）；dv——土壤容重（g／cm3）；h——土層厚度（cm）。

最佳含水量下限＝田間持水量×0.7；

土壤有效含水量＝土壤貯水量－凋萎含水量；

土壤水分虧缺值k＝［（f－W）／F］×100%

式中：F——田間持水量（%）；W——土壤重量含水率（%）。

2.2 土壤溫度

每年4—9月，按氣象站常規(guī)觀測法測定0，10，20，40，80cm土層深度的土壤溫度，隔天觀測，每天觀測3次。

2.3 蒸騰速率

在生長季，每月15日、30日用Li－6400P便攜式光合儀測定林木蒸騰速率，每日觀測24h或14h（6～20h），每2h測1次，測定部位為樹冠南面下部枝條第8片葉，各處理重復(fù)6次，并同步觀測日照、溫度、風(fēng)速、相對濕度。樹冠月蒸騰耗水量計(jì)算公式為［2］：

式中：T——功能葉蒸騰速率；Hc——陰雨天白晝時(shí)數(shù)；O——陰天系數(shù)（0.7）；P——葉位系數(shù)，枝條上全部葉的平均蒸騰速率與功能葉蒸騰速率的比值，5月、6月為0.74，7月、8 月為0.80，9 月、10 月為0.83；C——樹 冠系數(shù) （1.0）；L——樹 冠 葉鮮 重；K——換算系數(shù)，即K＝1／1000×株距×行距。

2.4 林木生長調(diào)查

在生長季，每月定期定株測定葉片數(shù)、葉重量，每個(gè)處理重復(fù)3次。每年9—10月，每木調(diào)查林木生長量（樹高、胸徑、冠高等）。材積的計(jì)算如下：

式中：V——單株材積；D——胸徑；H——樹高。

生態(tài)用水量＝蒸騰耗水量＋土壤蒸發(fā)量＋土壤貯水量［3］。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同供水量的土壤水分效應(yīng)

3.1.1 不同供水量下土壤水分的垂直分布效應(yīng) 圖1顯示，在1 500～7 500m3／（hm2·a）供水量范圍內(nèi)，隨供水量的增加各土層土壤含水量均增加，其中，土壤含水量最高值均分布在20—50cm土層中，最低值均分布在70—100cm土層中；1 500，3 000，4 500，6 000，7 500m3／（hm2·a）供水量下土壤最高含水量分別 為 12.52%，16.30%，19.39%，22.05% 和24.37%，依次分別提高3.78%，3.09%，2.66% 和2.32%；最 低 含 水 量 分 別 為 7.17%，9.50%，15.41%，17.56%，19.87%，依次分別提高2.33%，5.91%，2.15%，2.31%。值得注意的是，1 500，3 000 m3／（hm2·a）供水量下50—70cm處的土壤含水量均小于20cm土層，而4 500，6 000，7 500m3／（hm2·a）供水量下則與此相反。說明低供水量下的水分補(bǔ)給區(qū)在50cm以上土層，而高供水量下的水分補(bǔ)給區(qū)在70 cm以上土層。這是因?yàn)樵谕寥牢退种亓Φ碾p重作用下，水分垂直運(yùn)行速度越快，滲流土層越深［4］。

圖1 不同供水量下土壤含水率的垂直分布

3.1.2 不同供水量下土壤水分的月變化效應(yīng) 圖2顯示，各月的土壤含水率（4個(gè)土層的均值）均隨著供水量的增加而增加，最低供水量與最高供水量下土壤含水率的差值呈隨月份推移而遞增的趨勢。受供水量影響，土壤含水率峰值的發(fā)生時(shí)間也存在差異，即1 500，3 000，4 500，6 000m3／（hm2·a）供水量下，峰值出現(xiàn)在6月，而7 500m3／（hm2·a）供水量下其峰值出現(xiàn)在7月；在林木生長季，土壤含水率分布范圍不同：1 500m3／（hm2·a）供水量下為7.88%～10.17%；3 000m3／（hm2·a）供水量下為11.43%～15.93%；4 500m3／（hm2·a）供水量下為15.14%～18.81%；6 000m3／（hm2·a）供水量下為17.53%～21.02%；7 500m3／（hm2·a）供水量下為18.80%～22.67%。需要說明的是，3 000m3／（hm2·a）供水量下的土壤含水率僅在6月份達(dá)到15.93%，其它月份均在15%以下，而4 500，6 000，7 500m3／（hm2·a）供水量下土壤含水率在林木生長季始終保持在15%以上，尤其是7 500m3／（hm2·a）供水量下，其8月、9月份的土壤含水量高達(dá)20.66%和21.57%，為林木速生豐產(chǎn)創(chuàng)造了良好的水分條件。

圖2 不同供水量下土壤含水率的月變化

3.1.3 不同供水量下土壤水分的年變化效應(yīng) 圖3表明，不同供水量下，小美旱楊林內(nèi)土壤含水率隨著林齡的增加而遞減。1 500，3 000，4 500，6 000，7 500 m3／（hm2·a）供水量下的最高土壤含水率表現(xiàn)為：4 a生時(shí)分別為11.51%，14.06%，18.96%，21.76%，24.62%；5a生時(shí)分別為9.29%，13.64%，18.91%，21.52%，23.57%；6a生時(shí)分別為8.98%，13.35%，15.70%，19.19%，20.86%；7a生時(shí)分別為8.84%，12.59%，15.58%，17.15%，19.21%。這是因?yàn)殡S林齡增加，林木各生長指標(biāo)均逐年遞增，對水分的消耗也相應(yīng)增加，土壤含水量因此而呈逐年下降趨勢。其降幅與供水量有關(guān)，即供水量越大，降幅越大（1 500 m3／（hm2·a）供水量除外）。表明供水量越大，林木生長速度越快，因而水分消耗越多，也揭示出水分是干旱區(qū)林木生長的主要障礙因子。

圖3 不同供水量下土壤含水率的年變化

3.1.4 不同供水量下土壤溫度的垂直分布效應(yīng) 通過供水可調(diào)節(jié)輻射平衡，增加土壤導(dǎo)熱率，從而改善土壤的水熱狀況和林木生長條件［5－6］。Gary指出，水分遷移強(qiáng)度與土壤溫度有關(guān)［7］。由圖4可知，各土層土壤溫度的變化規(guī)律均為 W1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)5，即供水量越大，土壤溫度越低；各供水量下，土壤溫度隨土層深度的增加而降低。土壤溫度梯度與供水量有直接關(guān)系，隨供水量的增加溫度的垂直幅差呈遞增趨勢。其中，1 500，3 000，4 500，6 000，7 500 m3／（hm2·a）供水量下的幅差分別為8.64，9.58，9.39，9.55，9.66℃。從水平分布比較，各處理間地表溫度差異最小，變幅為1.66℃，20cm土層差異最大，變幅為3.26℃。

圖4 不同供水量下月平均土壤溫度垂直分布

3.1.5 不同供水量下土壤溫度的月變化效應(yīng) 圖5顯示，供水前（4月）各處理間土壤溫度差異不明顯，供水后土壤溫度出現(xiàn)明顯規(guī)律性變化，即土壤溫度隨供水量的增加而遞減，其降幅為0.31～1.24℃，其中，1 500，3 000，4 500m3／（hm2·a）供水量下7月份的降 幅最大，為 0.96～1.24℃，6 000，7 500 m3／（hm2·a）供水量下8月份降幅最大，為0.53～0.64℃。從土壤溫度月變化中看出，4月份土壤溫度最低，介于9.37～10.67℃；最高值出現(xiàn)在7月，范圍為24.45～27.67℃。地溫是林木生長的重要因素，尤其是在林木萌芽期（4月），因此，這時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低供水量，以提高地溫，此后隨著氣溫的升高，再逐步加大供水量。由于7月份是研究區(qū)的高溫期（月均溫24.96℃），同時(shí)也是林木的速生期和耗水高峰期（單株月耗水1 255.2～2 432.2kg），因此，最大供水期應(yīng)設(shè)在7月，以降低地溫和滿足林木對水分的需求。

圖5 不同供水量下土壤溫度月變化

3.1.6 供水量對土壤水分特征值的影響 由表1看出，土壤貯水量、有效含水量、田間持水量、最佳含水量下限4項(xiàng)指標(biāo)均隨供水量的增加而增加。其中，土壤貯水量由低到高依次增加53.3，48.9，38.4，52.3 m3／hm2，即每增加1 500m3／hm2的供水量，相應(yīng)提高土壤貯水量的百分比為4.69%～7.43%，最高供水量 7 500m3／（hm2·a）較最低供水量 1 500 m3／（hm2·a）下土壤貯水量增加了192.9m3／hm2，增幅為26.9%。土壤有效含水量的增量低于前者，由低到高依次增加20.7，27.0，94.2，10.0m3／hm2，但增幅差異較大，最大為15.5%，最小僅為1.42%，這主要與土壤吸濕量有關(guān)。田間持水量變幅相對較小，其增幅依次為7.43%，1.32%，1.0%，2.61%，說明供水對土壤田間持水量影響不大，且只發(fā)生在供水期，這是因?yàn)橥寥李愋鸵欢〞r(shí)，田間持水量基本恒定。最佳含水量下限由低到高依次增加48.5，9.3，7.1，18.8m3／hm2。土壤水分虧缺值與上述特征值變化規(guī)律相反，即隨供水量的增加而遞減，由低到高依次遞減12.5%，12.2%，7.3%，3.9%，且不同供水量間 K值差異較大。以上結(jié)果表明，供水量是引起土壤各項(xiàng)水分特征值變化的主要因素，確定林木的合理供水量是楊樹獲得速生豐產(chǎn)的關(guān)鍵。

表1 不同供水量下5－9月土壤水分特征值（4a均值）

3.1.7 供水量對林木生長的影響 由表2可見，林木胸徑、樹高和材積均隨供水量的增加而增加，7 500 m3／（hm2·a）供水量下的林木生長指標(biāo)顯著高于6 000，4 500，3 000，1 500m3／（hm2·a）供水量下的林木生長指標(biāo)。前者的胸徑倍數(shù)分別是后者的1.25，1.30，2.12，3.23倍，樹高倍數(shù)分別為1.18，1.31，1.49，1.55倍，林木材積的倍數(shù)為1.81，2.13，6.21，15.00倍。這主要是因?yàn)楣喔仁谴龠M(jìn)林木生長的重要措施，通過供水可增加葉量和葉面積，擴(kuò)大受光面積，使胸徑與樹高均得到顯著提高，進(jìn)而使材積得到增產(chǎn)［8］。

表2 不同供水量的林木生長指標(biāo)

3.2 楊樹速生林生態(tài)需水量變化動(dòng)態(tài)

3.2.1 供水量對蒸騰速率的影響 表3表明，小美旱楊的蒸騰速率隨供水量的增加而遞增。7月為蒸騰速率的高峰期，1 500，3 000，4 500，6 000，7 500 m3／（hm2·a）供水量下的蒸騰速率分別為0.463 0，0.516 3，0.524 ，0.574 8，0.635 5g／（g·h），最高供水量下的蒸騰速率較最低供水量下提高了1.37倍。9月為低谷期，蒸騰速率分別為0.372 7，0.399 2，0.416 2，0.423 2，0.496 8g／（g·h），最高供水量下的蒸騰速率為最低供水量下的1.33倍。此結(jié)果與魏天興等［9］的研究結(jié)果相吻合，即供水量的大小決定耗水量的大小，供水促進(jìn)耗水。據(jù)研究，在諸多影響因子中，氣候因素對楊樹蒸騰的影響遠(yuǎn)不如土壤含水量，光合有效輻射、葉片氣孔限制值與蒸騰速率顯著相關(guān)［10］；各樹種的光合速率隨土壤含水量降低而明顯下降，不同土壤水分對葉片蒸騰速率、水分利用率和生物量的影響存在差異［11］。

表3 不同供水量下的蒸騰速率 g／（g·h）

3.2.2 供水量對葉片鮮重的影響 供水既可改善土壤水分狀況，又能有效促進(jìn)林木葉量的生長，而葉片鮮重是衡量林木耗水量的重要指征之一。表4顯示，葉片鮮重隨供水量的增加而遞增，其中，7 500m3／（hm2·a）供水量下的葉量鮮重較1 500，3 000，4 500，6 000m3／（hm2·a）供水量下分別增加了128.12%，99.75%，92.89%，19.79%。各處理間葉量的差異均隨著供水量的遞增而加大；葉量峰值期出現(xiàn)在8月，同時(shí)也是各供水量處理間葉片鮮重差異最大的時(shí)期。

表4 不同供水量下林木單株葉片鮮重 kg／株

3.2.3 供水量對楊樹用材林生態(tài)用水量的影響 楊樹用材林生態(tài)用水量隨供水量的增加而增加，由表5可見，5—9月的生態(tài)用水量排序均為W5＞W(wǎng)4＞W(wǎng)3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1；生態(tài)用水量月變化規(guī)律為，1 500，3 000，4 500，6 000m3／（hm2·a）供水量下的峰值均在5月，依次為2 000.1，2 060.4，2 117.5，2 134.1m3／hm2，而7 500m3／（hm2·a）供水量下的峰值為7月的2 212.2 m3／hm2。這主要是因?yàn)樵谏鷳B(tài)用水量的組分中，土壤蒸發(fā)量所占比重最大，約占61.15%～65.24%；其次為土壤貯水量，約占33.42%～36.81%；楊樹蒸騰耗水量最小，約占1.34%～2.04%。所以土壤蒸發(fā)量是決定生態(tài)用水量的主導(dǎo)因子。在干旱地區(qū)，5月份是干燥多風(fēng)季節(jié)，此時(shí)，相對濕度較低，風(fēng)速較大，因此土壤蒸發(fā)量相對較高，導(dǎo)致生態(tài)用水量較高。而7 500 m3／（hm2·a）供水量下7月時(shí)，由于具有較高的土壤貯水 量 （1 043.95m3／hm2），已 超 過 土 壤 蒸 發(fā) 量（1 006.33m3／hm2），因而其生態(tài)用水量較高。在6月份，由于土壤蒸發(fā)量迅速下降，且蒸騰耗水量和土壤貯水量相對較低，導(dǎo)致生態(tài)用水量急劇下降，7月份由于蒸騰耗水量和土壤貯水量迅速增加，使得生態(tài)用水量迅速提升，8、9月份由于土壤蒸發(fā)量和土壤貯水量下降，其生態(tài)用水量逐月下降至1 240.3～1 581.6m3／hm2。比較月平均生態(tài)用水量可知，由低到高依次分別增加81.5，69.1，88.4，73.9m3／hm2，即每增加1 500m3／hm2供水量，可分別提高4.85%，3.92%，4.83%，3.85%的生態(tài)用水量。

表6表明，不同供水處理的楊樹用材林生態(tài)用水量均隨著林齡的增加而遞增。6a生林地與5a生林地相比，1 500，3 000，4 500，6 000，7 500m3／（hm2·a）供水量下的生態(tài)用水量分別增加了697.37，994.27，631.60，178.34，351.94m3／hm2，7a生林地較6a生林地分別提高4 219.96，3 968.87，4 019.24，4 146.27，4 120.88m3／hm2。由供需關(guān)系可以看出，在各處理中，僅有7 500m3／（hm2·a）供水量下的供水量虧缺量較小，其它處理的水分虧缺狀況較為嚴(yán)重。

4 結(jié)論

（1）1 500，3 000m3／（hm2·a）供水量下的水分補(bǔ)給層主要在50cm以上土層，而4 500，6 000，7 500 m3／（hm2·a）供水量下的水分補(bǔ)給層則為70cm以上土層；在20—100cm 土層內(nèi)，受供水量影響，1 500，3 000，4 500，6 000m3／（hm2·a）供水量下的土壤含水量峰值期發(fā)生在6月，而6 000m3／（hm2·a）下為7月；1 500，3 000m3／（hm2·a）供水下的低谷期為9月，而其他三者為5月。土壤含水量與林木生長和耗水關(guān)系密切，在供水量不變的條件下，隨著林齡的增加，林木生長指標(biāo)和耗水量都在逐年遞增，導(dǎo)致土壤含水量同步下降。

（2）土壤溫度隨供水量增加而遞減，其降溫幅度為0.31～1.24℃。1 500，3 000，4 500m3／（hm2·a）在7月時(shí)降幅最大，其他二者在8月份降幅最大。在林木生長初期應(yīng)適當(dāng)降低供水量，以提高地溫，以利于林木萌發(fā)期的生長，最大供水期應(yīng)在7月。長而遞增，與此同時(shí)，各處理的虧缺量呈逐年增加趨勢；各年的水分虧缺量均隨供水量的增加而遞減。

表5 不同供水量下蒸騰耗水、土壤蒸發(fā)量、土壤貯水量、生態(tài)用水量月變化 m3／hm2

表6 不同林齡楊樹地水分供耗狀況 m3／hm2

（3）土壤貯水量、土壤有效含水量、田間持水量、最佳含水量指標(biāo)均隨供水量增加而增加，每增加1 500m3／（hm2·a）供水量，可提高土壤貯水量4.69%～7.43%；土壤有效含水量增幅差異較大，最大為15.5%，最小為1.42%；供水量對田間持水量影響不明顯，土壤水分虧缺值隨供水量增加而遞減。

（4）供水可以促進(jìn)耗水，供水量的多寡決定耗水量的大小，蒸騰速率隨供水量增加而遞增，7月為蒸騰速率的高峰期，9月為低谷期。

（5）楊樹用材林地生態(tài)用水量隨供水量增加而增加；每增加1 500m3／（hm2·a）供水量，可使生態(tài)用水量依次分別提高4.85%，3.92%，4.83%，3.85%；不同供水量處理下的楊樹用材林生態(tài)用水量均隨林齡的增

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