某地國家儲備林土壤含水量變化規(guī)律研究*

秦建明，張桂云，王董董，趙夢蝶

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州市，450001；2.鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州市，450002；3.華北水利水電大學(xué)，鄭州市，450045；4.河南省黃河流域水資源節(jié)約集約利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州市，450045)

0 引言

中國是木材生產(chǎn)和消費(fèi)大國[1]，目前，我國木材缺口較大[2-3]，且木材進(jìn)口量逐年上升[4-5]，建設(shè)國家儲備林是保障我國木材安全、解決供求矛盾的重要途徑。自2014年“國家儲備林”概念提出以來，我國出臺多項(xiàng)政策并設(shè)立專項(xiàng)資金支持國家儲備林建設(shè)[6]。河南省是我國國家儲備林首批試點(diǎn)省，部署了十年建成森林河南的戰(zhàn)略規(guī)劃。某地規(guī)劃國家儲備林基地建設(shè)面積共17.4 khm2。該地國家儲備林二期項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模5.4 khm2，其中綠化澆灌總面積約2.56 khm2，項(xiàng)目總投資約9億元。目前該地國家儲備林一期項(xiàng)目已完工，因地勢地貌、灌溉用水保障不足及灌溉不合理等原因，導(dǎo)致一期林木生長緩慢，且大面積枯萎，造林成活率低，需要進(jìn)行多次補(bǔ)植，不僅建設(shè)費(fèi)用增加，也挫傷了人民造林的積極性。

水分是植物生長過程中的主要限制因子之一，充足的水資源及合理的灌溉是抗旱造林的重要構(gòu)成部分，因地制宜制定合理的灌溉制度顯得尤為重要。探索土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對于灌溉制度的正確制定有著重要意義。目前，眾多學(xué)者利用儀器設(shè)備研究作物土壤水分狀況，如高陽等[7]通過在農(nóng)田不同土層深度埋設(shè)土壤水分傳感器研究土壤剖面含水率的動(dòng)態(tài)變化；張洪波等[8]利用土壤水分快速測試儀測定土壤水分含量來控制灌溉；王風(fēng)嬌等[9]利用水分傳感器研究不同位置和灌水閾值對棉花生理及產(chǎn)量的影響；唐敏等[10]利用土壤水分傳感器研究不同土地類型土壤剖面含水量變化情況；張敏等[11]采用TDR觀測黃土丘陵緩坡風(fēng)沙區(qū)0～100 cm土層含水量情況，研究不同土地利用類型下土壤水分變化規(guī)律。然而，應(yīng)用土壤溫濕度傳感器分析人工林土壤水分狀況的研究較少，特別是利用土壤水分傳感器研究幼林成活期土壤水分變化規(guī)律并指導(dǎo)科學(xué)灌溉方面的研究鮮有報(bào)道。本文主要針對某國家儲備林中杜仲林基地研究樹盤式灌溉條件下不同灌水定額對應(yīng)的土壤水分的變化規(guī)律，揭示停灌后土壤含水量的變化過程，為確定灌水定額和灌水周期等灌溉制度提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河南省某地國家儲備林建設(shè)基地(北緯34°31′～34°52′，東經(jīng)112°49′～113°17′)，屬溫帶季風(fēng)氣候，根據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)年平均降水量597.2 mm，主要集中在夏季汛期，約占全年降水量的一半，7、8月份降水量最多，約232.9 mm。年平均氣溫14.8 ℃，7月平均氣溫27.1 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)1 954.7 h，無霜期234 d。試驗(yàn)區(qū)土層深厚，以粉土為主，地下水位較深。

供試杜仲樹為2018年春季移栽的苗木，株行距2 m×3 m，樹齡為2年，未出現(xiàn)凋萎、枯死的現(xiàn)象，苗木長勢良好、無蟲無病、株徑相近、枝條數(shù)量相近，平均樹高1.8 m，平均胸徑4.0 cm。根系集中分布在距地表50 cm的土層內(nèi)。

1.2 土壤濕度傳感器布設(shè)

在距樹干30 cm處開挖兩對稱剖面，將土壤溫濕度傳感器按照圖1所示豎直放置在土壤中，埋放深度分別為10 cm、25 cm、35 cm、45 cm和55 cm，在一定的時(shí)間和不同的土壤深度下，監(jiān)測土壤含水量的變化情況[12]，最后將開挖土壤恢復(fù)原狀，確保傳感器的探頭與土壤緊密接觸[13]。土壤溫濕度傳感器通過4G信號將所測數(shù)據(jù)傳入云平臺，設(shè)置數(shù)據(jù)上傳時(shí)間間隔為30 min/次，由此實(shí)現(xiàn)土壤體積含水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖1 土壤溫濕度傳感器埋放示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor layout of circular cofferdam in tree disk

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中灌水定額取值參照河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)用水定額》(DB41/T 958—2014)(表1)進(jìn)行確定。

表1 河南省地方農(nóng)業(yè)用水定額Tab.1 Local agricultural water quota of Henan Province

將A022中100 L/(棵·次)作為本次試驗(yàn)灌水定額的參考取值，其余試驗(yàn)組灌水定額數(shù)值依據(jù)該參考值進(jìn)行選取。試驗(yàn)中6組灌水定額數(shù)據(jù)如下：60 L/(棵·次)、80 L/(棵·次)、100 L/(棵·次)、120 L/(棵·次)、140 L/(棵·次)、160 L/(棵·次)。

根據(jù)天氣情況，在持續(xù)高溫的6月開始進(jìn)行試驗(yàn)。6月23號灌水試驗(yàn)正式開始，試驗(yàn)時(shí)將不同水量灌入相對應(yīng)的兩組樹木圓形圍堰中，記錄灌水日期及各灌水量對應(yīng)的樹木編號，同時(shí)通過云平臺觀測各圓形圍堰內(nèi)土壤體積含水量的變化。

1.4 測定項(xiàng)目

1.4.1 田間持水量、容重及空隙率

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)測點(diǎn)，開挖尺寸為1.0 m×1.0 m正方形土壤剖面坑，深度為1.2 m。用有編號的環(huán)刀取0～60 cm的土樣，取土深度分別為10 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm。把取好的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，然后將環(huán)刀有孔蓋一側(cè)向下放入浸泡容器中24 h，浸泡后置于蓋有濾紙的風(fēng)干試樣環(huán)刀中進(jìn)行水分下滲[14]，直至土壤水分平衡。用天平稱量每個(gè)環(huán)刀和濕土重量(M1，g)。然后取下環(huán)刀蓋，放入恒溫烘箱中，105 ℃下烘干至恒重，再稱重(M2，g)，取出干土樣對環(huán)刀進(jìn)行稱重(M3，g)[15]。根據(jù)稱重結(jié)果及相關(guān)公式，計(jì)算田間持水量及容重。

1.4.2 土壤體積含水量測定

在灌水前1周將土壤溫濕度傳感器埋入，對灌水前試驗(yàn)區(qū)土壤含水量進(jìn)行測定，并結(jié)合室內(nèi)環(huán)刀測含水量法對儀器測定結(jié)果進(jìn)行校正。試驗(yàn)時(shí)將60 L、80 L、100 L、120 L、140 L、160 L水分別灌入對應(yīng)的圓形圍堰中，然后進(jìn)行土壤含水量的測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、處理與分析，采用Origin和Visio軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 田間持水量與土壤容重

由表2可知，田間持水量受土壤深度變化的影響，隨著土壤深度的增加，田間持水量先增大后減小，在土壤深度分別達(dá)到25 cm及35 cm時(shí)，其對應(yīng)的田間持水量遠(yuǎn)高于其余各土層深度下的田間持水量。土壤干容重和田間持水量呈負(fù)相關(guān)，隨著土壤深度的增加，土壤容重先減小后增大，10 cm處容重最大，為1.53 g/cm3。

表2 土壤不同深度田間持水量和容重Tab.2 Field water holding capacity and bulk density at different depths of soil

2.2 不同灌水定額下土壤體積含水量

2.2.1 灌水后12 h土壤體積含水量變化規(guī)律

試驗(yàn)期間總體氣溫較高，日平均氣溫維持在27 ℃以上，除7月4日天氣轉(zhuǎn)陰，夜間發(fā)生一次3 mm的短暫降雨外，天氣均符合高溫、高輻射強(qiáng)度的試驗(yàn)要求。

由圖2可知，灌水后12 h，6種灌水定額下每個(gè)土層深度的土壤體積含水量均高于其田間持水量，10 cm深處土層各測點(diǎn)含水量集中分布在22.57%～27.99%，相對其它土層深度該數(shù)據(jù)較為集中，表明灌水量的大小對地表土壤水分含量影響不大。

圖2 灌水后12 h時(shí)各測點(diǎn)土壤體積含水量變化Fig.2 Change of soil volumetric water content at each measuring point 12 h after irrigation

從圖2中可以看出，在同一土層深處，隨著灌水量的增加，土壤體積含水量逐漸增大，但各個(gè)含水量的增加量并不均等。在灌水量由60 L/(棵·次)逐漸增加到120 L/(棵·次)時(shí)，40～70 cm各深度處，土壤體積含水量增長較明顯，當(dāng)灌水量由120 L/(棵·次)增加到160 L/(棵·次)時(shí)，土壤體積含水量增長緩慢。

2.2.2 不同灌水定額下的灌水周期

將灌水結(jié)束后土壤溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和整理，對不同灌水定額下土壤10 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm深處傳感器布設(shè)點(diǎn)的土壤含水量變化結(jié)果進(jìn)行以下對比分析。

由圖3～圖8可知，在灌水后10 d，6種灌水量各個(gè)土層深度的土壤體積含水量均小于該層的田間持水量，但各測點(diǎn)含水量均超過田間持水量的70%。任超[16]通過試驗(yàn)，將0～180 cm土層按土壤水分運(yùn)移規(guī)律劃分為4個(gè)層次，分別為活躍層(0～30 cm)、貯水層(30～60 cm)、緩變層(60～100 cm)、均穩(wěn)層(100～180 cm)。其中貯水層是促進(jìn)作物生長的主要供水層。由圖3～圖8可以看出，灌水后10 d，25 cm土層處土壤含水量基本比其它各層含水量都高，該層為貯水層，且2年生杜仲樹主要吸收根系分布在距地面50 cm土層內(nèi)[17]，因此，該層土壤的蓄水能力對樹木的成活率有很大影響。

圖3 灌水量60 L/(棵·次)時(shí)土壤體積含水量變化Fig.3 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 60 L/(tree·time)

由圖3可知，灌水量為60 L/(棵·次)時(shí)，灌水后14 d各層土壤體積含水量均低于田間持水量的70%，由圖4可知，灌水量為80 L/(棵·次)時(shí)，灌水后16 d各土層含水量降到田間持水量的70%以下。據(jù)相關(guān)研究，作物的根系生長受土壤含水量的影響，土壤水分含量在田間持水量的70%到田間持水量之間，最適合根系的生長[18-19]。因此，在該試驗(yàn)條件下，灌水量60 L/(棵·次)和80 L/(棵·次)對應(yīng)的灌水周期分別為14 d和16 d。由圖5～圖8可知，灌水量100 L/(棵·次)、120 L/(棵·次)、140 L/(棵·次)、160 L/(棵·次)對應(yīng)的灌水周期分別為18 d、22 d、23 d、24 d。由圖5～圖8可以看出，50～60 cm土層的含水量并未低于同期田間持水量的70%，但考慮到2年生杜仲樹主要吸收根系的分布范圍，因此在確定灌水周期時(shí)以土層10～40 cm的土壤含水量作為評判標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 灌水量80 L/(棵·次)時(shí)土壤體積含水量變化Fig.4 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 80 L/(tree·time)

圖5 灌水量100 L/(棵·次)時(shí)土壤體積含水量變化Fig.5 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 100 L/(tree·time)

圖6 灌水量120 L/(棵·次)時(shí)土壤體積含水量變化Fig.6 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 120 L/(tree·time)

圖7 灌水量140 L/(棵·次)時(shí)土壤體積含水量變化Fig.7 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 140 L/(tree·time)

圖8 灌水量160 L/(棵·次)時(shí)土壤體積含水量變化Fig.8 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 160 L/(tree·time)

3 討論

由圖2可以看出，灌水12 h后，6種不同灌水量下各土層深度的土壤體積含水量均高于田間持水量。10 cm 深處土層各測點(diǎn)含水量差異較小，表明停灌后12 h灌水量的大小對該層土壤體積含水量影響較小。隨著灌水量由60L/(棵·次)增加到120L/(棵·次)，30～60 cm段土壤含水量增長較明顯，當(dāng)灌水量繼續(xù)增加時(shí)，含水量增長速率顯著降低。

由圖3～圖8可以看出，灌水后10 d，6種灌水定額下各土層深度的土壤體積含水量均保持在田間持水量的70%以上。10 cm土層深處土壤體積含水量較灌水后12 h降低最多，這是因?yàn)楸韺油寥浪衷谶_(dá)到一定量后開始下滲，且該層土壤在土壤性狀本身及氣象條件作用下，水分運(yùn)動(dòng)最為活躍，損失最大[20]，導(dǎo)致這段深度的土壤含水量急劇降低。隨著土層深度和灌水量的增加，下層土壤含水量變化幅度較小，降低速率變慢。同灌水12 h后規(guī)律相同，灌水量在由60 L/(棵·次)增加到160 L/(棵·次)過程中，土壤貯水層含水量增加速率由快變慢，當(dāng)灌水量超過120 L/(棵·次)，土壤含水量變化不大。可見，灌水量達(dá)到120 L/(棵·次)時(shí)，土壤水保持力基本達(dá)到最大，增加灌水量不能顯著提高土壤的持水能力。

杜仲樹的耗水特征、氣象條件、土壤水分狀況、降雨情況及對雨水的利用均能對其灌溉造成影響。適當(dāng)?shù)墓喔饶苡行У谋ＷC樹木的正常生長和生理活動(dòng)，從而避免其出現(xiàn)明顯的缺水癥狀，每當(dāng)土壤含水量降至田間持水量70%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行灌溉以確保人工林的根系始終在合適的土壤水分條件下生長。

4 結(jié)論

本文選取河南省某地國家儲備林中杜仲樹為對象進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對不同灌溉量下杜仲樹灌水后土壤水分運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

1)通過試驗(yàn)結(jié)果分析可知，灌水量達(dá)到120 L/(棵·次)時(shí)，土壤水保持力基本達(dá)到最大，增加灌水量不能顯著提高土壤的持水能力，推薦120 L/(棵·次)作為該地國家儲備林的灌水定額。

2)不同灌水量對應(yīng)的灌水周期不同。灌水量60 L/(棵·次)、80 L/(棵·次)、100 L/(棵·次)、120 L/(棵·次)、140 L/(棵·次)、160 L/(棵·次)對應(yīng)的灌水周期分別為14 d、16 d、18 d、22 d、23 d、24 d。適合當(dāng)?shù)貒覂淞值墓喔戎贫葹椋汗嗨~120 L/(棵·次)、灌水周期22 d。

本試驗(yàn)只對河南省某地高溫條件下盤灌栽培的杜仲林土壤水分動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了研究，在氣候和土壤類型條件方面具有一定的局限性。今后希望開展不同季節(jié)和土壤條件下盤灌栽培的杜仲林土壤水分動(dòng)態(tài)研究，以期為灌溉工程規(guī)模的確定提供更為準(zhǔn)確的理論依據(jù)。