荒山滴灌造林中土壤水分運移研究

早爾古·吐遜江，陳啟民，褚奮飛，劉康

(新疆林業(yè)科學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830002)

水是干旱區(qū)植物生存最重要的控制因素和限制因子[1,2]，土壤中水分的含量也是土壤的重要物理參數(shù)，它對于植物生長、存活、凈生產(chǎn)力等具有極其重要的意義[3,4]。同時，土壤水分狀況是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反映，對于降雨產(chǎn)流、蒸散具有重要影響。因此，對土壤水分及其變化的監(jiān)測是生態(tài)、農(nóng)業(yè)、水文和環(huán)境等研究領(lǐng)域中最基礎(chǔ)的工作之一[5,6]。

新疆位于我國西北邊陲，由于遠(yuǎn)離海洋，天然降水稀少，是典型的干旱氣候區(qū)[7]。新疆平原地區(qū)水資源補給主要來自山區(qū)融雪，由此形成了新疆特有的綠洲經(jīng)濟(jì)和灌溉農(nóng)業(yè)[8]。同樣，處于新疆西部的伊犁哈薩克自治州降水量少，植被覆蓋率低，生態(tài)環(huán)境極為脆弱[9]。20世紀(jì)90年代以來，隨著大規(guī)模的土地開發(fā)，水資源需求日益增加，水資源利用過度，農(nóng)林爭水問題日益加劇，致使生態(tài)用水資源補給短缺情況加劇，由此產(chǎn)生了諸如土地沙漠化、草場退化、水質(zhì)惡化和土壤次生鹽漬化等生態(tài)問題[10]。

為響應(yīng)國家建設(shè)生態(tài)文明社會的號召，伊犁州各級政府制定優(yōu)惠政策，大力引入有實力的企業(yè)從事荒山綠化造林，以期保護(hù)地方生態(tài)，美化環(huán)境。但由于水資源有限，林地又蒸散強烈，伊犁州荒山綠化中各企業(yè)全部選用滴灌節(jié)水措施，流量也采用8～16 L·h-1的滴頭進(jìn)行灌溉。但生產(chǎn)中宜選用多大流量滴頭合適，灌溉多長時間才不會在地表產(chǎn)生徑流，使水分利用效率最大，卻往往無人關(guān)注，多憑經(jīng)驗定奪。對此，本文在伊寧市翼龍公司生態(tài)工程區(qū)的滴灌造林區(qū)對灌水前、灌水期土壤水分時空運移規(guī)律進(jìn)行了初步的探索和研究。

1　試驗區(qū)概況

伊寧市屬北溫帶大陸性氣候，四季分明，日照充足，年均氣溫9.2 ℃，1月最冷，年均-12 ℃，7月最熱，年均22.8 ℃，年均降水量235 mm，無霜期178 d，年均日照3 014 h。春季氣溫上升快，但不穩(wěn)定，由于冷空氣的侵入頻繁，易使上升的溫度又急劇下降，倒春寒平均每2年發(fā)生1次；夏季炎熱，最高溫度36.2 ℃，但有穩(wěn)定的炎熱期；秋季溫度下降快，由于北方冷空氣活動加強，于9月上旬出現(xiàn)寒潮和霜凍。

伊寧市翼龍公司生態(tài)工程區(qū)位于伊寧市西北，距市區(qū)10～15 km，由多座荒山組成，海拔715～887 m。試驗林地配置有榆(Ulmuspumila)、長枝榆(Ulmussp.)、大葉榆(Ulmuslaevis)和杏(Armeniacavulgaris)等抗逆性較強的樹種。林下分布有蘆葦(Phragmitesaustralis)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、藜(Chenopodiumalbum)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、駝絨藜(Ceratoideslatens)、東方鐵線蓮(Clematisorientalis)和濱藜(Atriplexpatens)等植物，其中角果藜占林下植被總量的70%左右，其他植被占30%；工程區(qū)土壤多為棕鈣土，土壤灌溉下滲較快。

2　試驗材料與方法

2.1試驗材料

試驗以栽植2～3年的榆樹林為對象，株行距2 m×3 m。試驗共采用2個流量設(shè)計，均為大流量滴頭，分別為8 Lh-1和16 Lh-1，滴頭間距1.0 m；灌溉周期保持一致，一次灌溉8～12 h。

2.2測定指標(biāo)與方法

2.3數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007和SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Origion 8.5繪圖。

3　結(jié)果與分析

3.1荒山滴灌造林水分時空變化規(guī)律

3.1.1滴灌前土壤水分空間分布特征

圖1　試驗前不同土層土壤含水量分布

由圖1可見，在滴灌前土壤含水量隨著土層的增加呈先減小后增大的趨勢，最低值出現(xiàn)在80 cm土層，僅2.4%；最大值出現(xiàn)在表層，達(dá)8.9%。夏季由于高溫和強烈的陽光照射，地表水分快速蒸發(fā)，致使地表土壤含水量快速下降，下層土壤在虹吸作用下，向地表輸送水分，很快土壤含水量呈現(xiàn)上層低、下層高的趨勢，但本次試驗前測得的土壤含水量呈現(xiàn)先降后升的趨勢，可能是因為在試驗前本地有降雨過程所致，通過查閱伊犁地區(qū)氣象資料，在試驗的前一周，伊犁地區(qū)有連續(xù)3 d的降雨，降雨總量達(dá)31.1 mm，這可能是造成地表土壤含水量高于下三層土壤含水量的主要原因。

3.1.2滴灌條件下土壤水分運移規(guī)律對滴灌條件下土壤含水量變化值進(jìn)行分析(圖2)，可見滴灌2 h滴頭處0～20 cm土層已接近飽和，之后土壤含水量基本不再增加；而此時同層20 cm水平距離處的土壤含水量也大幅增加，之后很快接近飽和，含水量不再增加，2 h時水平和垂直浸潤最遠(yuǎn)可達(dá)40 cm左右。由圖可見，土壤含水量在增長的前期，水分在水平和垂直方向運移并不明顯，直至增長到一定程度(增加5%～10%)，土壤中游離水較為充分的條件才快速向深、遠(yuǎn)輸送，并在下一監(jiān)測時刻使外側(cè)或深層土壤含水量發(fā)生變化。

圖2　滴灌(8 Lh-1)土壤水分運移規(guī)律

在整個監(jiān)測過程中，浸潤范圍在水平方向上最遠(yuǎn)可達(dá)60 cm左右，浸潤深度可達(dá)80 cm左右，但整個浸潤范圍內(nèi)，水平40 cm和深度60 cm以內(nèi)的土體含水量較高，而且在滴灌開啟后也可較快地得到水分補給，儲存的水分在一段時期內(nèi)可以保證植物健康生長。水平60 cm距離要經(jīng)過8 h才能得到水分補給，深度60 cm土層需6 h左右才有水分補給，而深度80 cm要在灌溉12 h后才有水分補給，因此，滴灌在采用8 Lh-1滴頭，1 m滴頭間距的情況下，要使每個滴頭的浸潤土球連成帶，滴灌需灌溉8 h左右；而隨著林木的成長，根系向深層發(fā)展，滴灌宜增加灌溉時間，以保障各層土壤中分布的根系均能得到水分補給。

3.2滴灌條件下土壤浸潤范圍變化

圖3　滴灌(8 Lh-1)土壤浸潤水平變化

圖4　滴灌(8 Lh-1)土壤浸潤垂直變化

圖5　8 Lh-1滴頭灌溉浸潤土體隨時間的變化規(guī)律

利用錐體體積公式來近似計算土壤浸潤的球體體積，我們可以看出，在12 h內(nèi)，每隔2 h，浸潤土體體積變化在25 000～32 000 cm3，整體呈緩慢的下降趨勢；但在6～8 h和8～10 h，浸潤土體體積卻急劇增大，可能是因為土壤存在空間異質(zhì)性，在這個時段內(nèi)，水分的濕潤峰進(jìn)入了一種易于水分滲透的土壤中，土壤浸潤深度或?qū)挾瓤焖僭鲩L所致。

圖6　滴灌(16 Lh-1)土壤浸潤水平變化

圖8　16 Lh-1滴頭灌溉浸潤土體隨時間的變化規(guī)律

同樣利用錐體體積公式來近似計算土壤浸潤的球體體積，我們可以看出，16 Lh-1滴頭流量在8 h內(nèi)，每隔2 h，浸潤土體體積變化在55 000～100 000 cm3之間，整體不呈有規(guī)律的變化趨勢；這可能和大流量滴頭易形成地表徑流，對浸潤土壤體積變化造成無規(guī)律的影響有關(guān)。

表1　不同流量滴頭土壤浸潤范圍變化

由表1可見，土壤浸潤范圍在水平和垂直兩個方向上，水平變異系數(shù)要顯著大于垂直方向浸潤范圍變異系數(shù)(P=0.017<0.05)，而比較兩個流量的變異系數(shù)，16 Lh-1雖然大于8 Lh-1，但差異并不顯著(P=0.093>0.05)；這說明水分在土壤中運移，土壤的異質(zhì)性對水分的水平運移的影響要顯著大于對水分的垂直運移，也就是水分在土壤中的垂直運移更有規(guī)律可循，這種規(guī)律更利于指導(dǎo)林地的灌溉。而流量的變化雖然會造成地表徑流，影響土壤浸潤范圍的變化，但這種影響并不顯著，可以通過限制地表徑流(如穴狀整地)加以改善。

4　結(jié)論與討論

4.1伊犁州從事荒山造林，在滴頭間距最常采用1 m的滴灌條件下，使用8 Lh-1滴頭是較為合理的，此流量滴頭在地表不會積水，形成地表徑流而造成水資源的浪費，濕潤范圍變化也更穩(wěn)定可循，16 Lh-1滴頭流量過大，在荒山滴灌中容易形成地表徑流，水在地表大量水平流失，從而造成水資源的浪費；土壤浸潤的球體體積隨著灌溉時間的延長呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，隨著灌溉時間的延伸，在相同的灌溉時間內(nèi)濕潤土壤體積整體呈緩慢的下降趨勢，但也可能因為土壤空間異質(zhì)性而改變這種規(guī)律。

4.2在伊犁州荒山造林普遍采用的1 m滴頭間距的滴灌系統(tǒng)中，8 Lh-1流量滴頭灌溉要使每個滴頭的浸潤土球連成帶，需灌溉8 h左右；而深度60 cm土壤需6 h左右才有水分補給，因此，在林木根系分布范圍較窄且淺的造林早期，8 Lh-1流量滴頭灌溉6～8 h濕潤范圍就可以連接成帶，避免形成灌溉死角，保證植物健康生長；隨著林木的長大，根系分布向水平和垂直方向延伸，為了濕潤更深的土層，灌溉時間也需隨之延長，逐漸延長到灌溉12 h以滿足林木的生長需要。

4.3在荒山滴灌造林中，越大的滴頭流量越容易形成地表徑流，從而造成水資源的浪費，但增大滴頭流量，更利于水分向深層土壤移動，在林木長大后，需要更換大流量滴頭以加速水分向下層土壤移動，為避免形成地表徑流所造成的水資源浪費，可通過人工整地方式限制(如穴狀整地)，保證水資源在林木根系范圍內(nèi)下滲，被林木加以利用。

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