寧夏南部半干旱黃土丘陵區(qū)山杏微集水促滲技術(shù)對(duì)土壤水分的影響

王月玲， 馬 璠， 蔡進(jìn)軍， 許 浩， 黃立國(guó)， 王思成

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所，寧夏銀川 750002； 2.寧夏農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)辦公室，寧夏銀川 750011)

寧夏南部半干旱黃土丘陵區(qū)氣候干燥，年降水量少，且年際和年內(nèi)分配不均，年變率大，暴雨多而集中，大部分的降水形成地表徑流匯集到河流中去，加之地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，由此造成嚴(yán)重的“十年九旱”[1]現(xiàn)象。林業(yè)生產(chǎn)中成活率低、生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益差的問(wèn)題突出。水分是制約植株生存和生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因素，而有限的自然降水是寧夏南部半干旱黃土丘陵區(qū)林地土壤水分的唯一來(lái)源，人工匯集利用雨水一直是林業(yè)生產(chǎn)中的重要課題[2]。

山杏(Armeniacavulgaris)是寧夏南部半干旱黃土丘陵區(qū)重要的生態(tài)防護(hù)樹(shù)種，其耐旱、耐貧瘠，護(hù)土保水效果優(yōu)良，在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行的水土保持、生態(tài)恢復(fù)工程中具有重要地位。實(shí)際上山杏也是一種重要的資源樹(shù)種。山杏的果肉可制杏脯，風(fēng)味獨(dú)特，深受消費(fèi)者喜愛(ài)；杏仁可入藥或提取油脂、植物蛋白；種殼是生產(chǎn)活性炭的優(yōu)質(zhì)原料。山杏的整個(gè)果實(shí)都能發(fā)揮重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出作用。寧夏南部山區(qū)的山杏種植面積大，資源豐富，如果能充分利用，將產(chǎn)生較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)農(nóng)民增收。但當(dāng)?shù)厣叫由L(zhǎng)面臨著一個(gè)主要問(wèn)題是干旱貧瘠。在寧夏南部半干旱黃土丘陵區(qū)干旱貧瘠的自然條件下，如果不進(jìn)行水肥管理，無(wú)論什么樹(shù)種都是無(wú)法產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益的，山杏也是如此。因此，在該地區(qū)造林中，提高造林成活和促進(jìn)生長(zhǎng)最根本的問(wèn)題就是提高土壤含水量，并保持苗木根部土壤在生根期充分濕潤(rùn)，自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)學(xué)者在旱地集水利用技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究[3-10]，但主要集中于坡面的雨水匯集利用，且投資較高，土地利用率較低。近年來(lái)，為了抵御干旱、高效利用自然降水、改善林木生長(zhǎng)的水分供應(yīng)，相繼推廣了樹(shù)盤整地集水、覆膜集水、集水節(jié)灌等技術(shù)。但樹(shù)盤整地集水、覆膜集水忽視了水分的強(qiáng)烈快速蒸發(fā)和深層下滲儲(chǔ)備，從而降低了有限集水的利用率，影響了林木生產(chǎn)力的提高，集水節(jié)灌則投資成本較高。因此，本研究開(kāi)展融集水、促滲為一體的促滲管微集水技術(shù)研究，對(duì)寧夏南部半干旱黃土丘陵區(qū)有限自然降水的高效利用、防止土壤干化和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于彭陽(yáng)縣東北13 km處的白陽(yáng)鎮(zhèn)中莊村，地貌類型屬于黃土高原腹部梁峁丘陵地，地形破碎，地面傾斜度大，平均海拔為1 600～1 700 m。該村年平均氣溫為7.6 ℃，≥10 ℃ 的積溫為2 200～2 750 ℃，境內(nèi)年蒸發(fā)量較大，干燥度(≥0 ℃的蒸發(fā)量)為1.21～1.99，無(wú)霜期為140～160 d。降水是雨水資源量的決定因素，項(xiàng)目區(qū)多年平均年降水量為420～500 mm，降水量集中且年內(nèi)分配不均，主要集中在7—9月，而且降水的年際變差系數(shù)較大，雨量集中月份常以暴雨形式出現(xiàn)，易發(fā)局地暴雨洪水。土壤以普通黑壚土為典型土壤，土層深厚，土質(zhì)疏松。植被類型以草原植被為基礎(chǔ)，生長(zhǎng)有長(zhǎng)芒草、角蒿、鐵桿蒿、星毛萎等；其次還有中生和旱中生的落葉闊葉灌叢、落葉闊葉林、草甸等。人工植被以山桃、沙棘、山杏、山楊等為主，林草覆蓋率在50%以上。

1.2 試驗(yàn)材料

早前報(bào)道中的促滲管規(guī)格為鐵皮制成，直徑為25 mm，長(zhǎng)60～100 cm，管口半封閉，留有若干小孔用于雨水流入。但是這種促滲管的缺點(diǎn)是造價(jià)較高，容易被腐蝕，而且管徑較細(xì)，容易被流入的泥沙淤滿。本研究中將促滲管改成直徑為 110 mm 的聚氯乙烯管，上端不封口，直接與地面齊平埋設(shè)。促滲管較粗，而且不封口的好處是如果埋設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)之后，管內(nèi)泥沙雜物較多，很容易清理，并且可以通過(guò)促滲管施加化肥或有機(jī)肥料，不用再挖坑施肥，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且也有一定的緩釋效果。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)30、45、60 cm等3種深度的促滲管，目的是考察不同深度的促滲管對(duì)根際土壤水分條件的影響。由于雨水直接在促滲管下端才能入滲并擴(kuò)散至上下土層中，雨后促滲管下端會(huì)形成一個(gè)近似于球形的濕潤(rùn)土體，這個(gè)濕潤(rùn)土體的中心位置與促滲管的深度密切相關(guān)。濕潤(rùn)土體如果分布于杏樹(shù)的主要根系層，可以改善林木的土壤水分供應(yīng)，提高有限雨水的利用效率，對(duì)杏樹(shù)生長(zhǎng)有利。

1.4 試驗(yàn)點(diǎn)的選擇與布設(shè)

本研究的水分調(diào)控措施是以促滲管技術(shù)為依托。在有代表性、立地條件大致相同的地點(diǎn)選取樹(shù)齡、生長(zhǎng)狀況一致的山杏若干株作為研究樣本。在植株周圍埋設(shè)促滲管，埋設(shè)位置均以主干為圓心，以1/4冠幅為半徑的圓周上，均勻布設(shè)。促滲管埋設(shè)共3種規(guī)格，埋深分別為30、45、60 cm，以不埋設(shè)促滲管為對(duì)照，每種埋設(shè)處理設(shè)20次重復(fù)，共80株。在埋設(shè)促滲管的同時(shí)整理樹(shù)盤，將管口處整理為樹(shù)盤內(nèi)的低洼匯水點(diǎn)，將冠下降水匯集于促滲管內(nèi)。

1.5 觀測(cè)項(xiàng)目

土壤水分的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：在促滲管埋設(shè)的3種處理(30、45、60 cm促滲管)以及對(duì)照中，各選2株山杏，布設(shè)水分管，采用德國(guó)產(chǎn)的時(shí)域反射儀(time domain reflectometry，簡(jiǎn)稱TDR)法，在2015—2016年，對(duì)所選樣地土壤水分進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，每月1次，土層深度為0～100 cm，每20 cm為1層，共5層。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)均通過(guò)Excel進(jìn)行處理，采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用Microsoft Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)2014—2016年降水量的季節(jié)分布特征

降水是該地區(qū)雨水資源量的決定因素，能被植物直接利用，是解決或緩解該地區(qū)干旱狀況的最重要途徑。從圖1可以看出，2014—2016年1—12月降水量呈季節(jié)動(dòng)態(tài)變化，降水量集中且年內(nèi)分配不均，主要集中在7—9月，而且降水的年際變差系數(shù)較大。3個(gè)年份相比，研究區(qū)春季降水最多的是2014年4月，降水量為94 mm，其次為2015年4月，降水量為63.5 mm；夏季降水量最多的是2016年的7月，降水量為110.9 mm，其次為2015年8月，降水量為86.1 mm；雨季降水最多的是2014年的9月，降水量為189.8 mm。

在生長(zhǎng)季4—9月，研究區(qū)多年平均降水量為372.3 mm，2014年為439.1 mm，2015為412.1 mm，均高于生長(zhǎng)季多年平均值，2016年為348.8 mm，低于多年生長(zhǎng)季平均降水總量。降水量在2014年9月出現(xiàn)峰值，遠(yuǎn)高于多年平均值，其次是2015年9月，也明顯高于多年平均值，2016年9月降水量最低，且低于多年平均值，對(duì)土壤水分的調(diào)控補(bǔ)給明顯不足。整體來(lái)看，2016年相比其他2個(gè)年份，除了夏季7月份降水較多外，而其他各月降水量均低于2014、2015年。2016年，干旱嚴(yán)重，給植物生長(zhǎng)帶來(lái)一定的影響。其他各月春季降水明顯偏低，雖然3個(gè)年份春季降水量均高于多年平均值，但是對(duì)于蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，而地下水埋藏很深的寧夏南部黃土丘陵區(qū)，僅有的降水還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。春季降水普遍偏少，會(huì)造成嚴(yán)重的春旱，對(duì)植被的返青，以及當(dāng)年的生長(zhǎng)發(fā)育都會(huì)產(chǎn)生一定的不利影響。

2.2 促滲管微集水對(duì)土壤水分季節(jié)動(dòng)態(tài)的影響

研究點(diǎn)位于寧夏南部半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤含水量主要靠降水補(bǔ)給，土壤含水量主要受大氣降水、地表蒸發(fā)、植物蒸騰的影響，土壤水分季節(jié)變化差異較大。

通過(guò)對(duì)促滲管不同埋深土壤水分的季節(jié)變化(圖2)可以看出，2015年5—10月土壤體積含水量的變化較大，曲線幅度也較大。5月土壤體積含水量較大，由于降水量較高，盡管氣溫上升，但植物耗水較少，土壤體積含水量仍保持著較高的水平；6月土壤體積含水量明顯降低，主要是氣溫升高，降水量大幅度減少，土壤水分的消耗量大于補(bǔ)給；7月土壤體積含水量明顯偏高，主要是雨季降水有所增加，土壤水分的補(bǔ)給大于消耗量；8月土壤體積含水量又有所下降，主要是降水量雖然增加，但是氣溫達(dá)到最高值，植物處于生長(zhǎng)旺盛期，土壤水分的消耗量大于補(bǔ)給量；10月相比8月土壤體積含水量開(kāi)始上升，因?yàn)橹参锷L(zhǎng)趨于停止，氣溫明顯下降，土壤水分散失量小于補(bǔ)充量所致。

從圖3可以看出，2016年4—10月土壤體積含水量變化基本和2015年的趨勢(shì)相近，7月土壤體積含水量最高，主要是7月降水量為本年度降水的峰值。不同促滲管微集水措施土壤水分變化趨勢(shì)一致，水分含量基本表現(xiàn)為埋深 30 cm>埋深 45 cm>埋深60 cm>對(duì)照。由此可見(jiàn)，不同季節(jié)土壤水分的變化主要受降水和氣溫的影響，但不同的促滲管微集水措施對(duì)土壤水分變化的幅度有明顯的影響，即寧夏南部半干旱黃土丘陵區(qū)的土壤水分含量季節(jié)動(dòng)態(tài)特征主要決定于年內(nèi)降水的季節(jié)性變化，變化幅度則受不同技術(shù)措施和降水的雙重影響。

從圖2、圖3促滲管不同埋深土壤水分的季節(jié)變化可以看出，3種深度促滲管總體的集水效果差異不是很大，但都優(yōu)于對(duì)照，說(shuō)明促滲管在調(diào)控土壤水分上仍具有較大的改善作用。

2.3 促滲管微集水對(duì)土壤水分年際垂直空間的影響

從圖4可以看出，該區(qū)域2015年5—10月促滲管不同埋深土壤水分的垂直變化，在0～100 cm土層，不同處理措施土壤含水量垂直變化基本規(guī)律在0～20 cm土層，土壤含水量的依次順序?yàn)椋郝裆?0 cm>埋深45 cm>埋深60 cm>對(duì)照；在20～40 cm土層，埋深30 cm的土壤體積含水量明顯上升，在40 cm土層處達(dá)到峰值，為14.41%，分別比促滲管埋深45、60 cm 及對(duì)照高2.42%、1.24%、3.44%；在40～100 cm土層，促滲管埋深30 cm土壤體積含水量有下降趨勢(shì)，促滲管埋深45、60 cm的體積含水量繼續(xù)呈上升趨勢(shì)，主要是由于植被根系層在40～60 cm土層的吸收導(dǎo)致。

從圖5可以看出，研究區(qū)2016年4—10月促滲管不同埋深土壤水分的垂直變化，埋深30 cm的促滲管形成的0～20、20～40 cm 土層體積含水量較高，埋深45、60 cm的促滲管形成的濕潤(rùn)土層主要在40～80 cm土層，與主要根系層位置不太吻合?？傮w來(lái)看，不同處理之間，埋深30 cm處理的土壤體積含水量要高于埋深45、60 cm及對(duì)照，但不是很明顯。埋深45、60 cm處理的土壤體積含水量沒(méi)有明顯差異，曲線交織在一起。對(duì)照處理的土壤水分最低。此外，促滲管越長(zhǎng)，土壤體積含水量最大值出現(xiàn)的土層就越深。埋深30 cm處理的最大值出現(xiàn)在20～40 cm土層；埋深45 cm處理土壤體積含水量最大值出現(xiàn)在40～60 cm土層；埋深60 cm處理土壤體積含水量最大值出現(xiàn)在60～80 cm土層。對(duì)照處理的土壤體積含水量最大值出現(xiàn)在60～80 cm 土層。表明促滲管微集水在促進(jìn)林地土壤水分的快速恢復(fù)上效果明顯。

由此可見(jiàn)，通過(guò)TDR法進(jìn)行水分監(jiān)測(cè)表明，30 cm深度的促滲管所形成的濕潤(rùn)土體位置比較適中，在0～40 cm土層形成了相對(duì)濕潤(rùn)區(qū)，TDR法測(cè)定這2個(gè)土層的水分?jǐn)?shù)據(jù)明顯偏高。初步確定幼年期山杏的主要根系層就分布在20～60 cm 土層，濕潤(rùn)土層的深度與主要根系層的位置是吻合的[1]。

3 結(jié)論

在寧夏南部半干旱黃土丘陵區(qū)，采用促滲管微集水造林技術(shù)，可以使有限的雨水集中到苗木的根部，減少土壤蒸發(fā)損耗，促進(jìn)林木生長(zhǎng)。通過(guò)埋設(shè)不同深度的促滲管獲得從2015—2016年2年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，無(wú)論是年際變化還是季節(jié)變化，30 cm深度的促滲管所形成的濕潤(rùn)土體位置比較適中，在0～40 cm土層形成了相對(duì)濕潤(rùn)區(qū)，土壤水分含量在0～20 cm、20～40 cm 2個(gè)土層明顯偏高。在20～40 cm 土層，促滲管埋深30 cm的土壤含水量明顯上升，在 40 cm 處達(dá)到峰值，為14.41%，分別比促滲管埋深45、60 cm及對(duì)照高 2.42%、1.24%、3.44%。因此，采用促滲管微集水可以使林木根系水分達(dá)到一個(gè)良好的狀態(tài)，可以促進(jìn)苗木生長(zhǎng)，提高造林成活率，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)林木的可持續(xù)健康發(fā)展。該技術(shù)融保墑、促滲為一體、使用年限長(zhǎng)、簡(jiǎn)單易行，在我國(guó)廣大的干旱黃土丘陵區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。