不同灌溉方式對樟子松生長、光合特性及土壤水分運(yùn)移的影響

劉雅楠，劉 洋*，蘭再平，鐵 牛，張夢弢，王成德，羅奇輝，張 晨

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，北京 100091；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷 030801；4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東 泰安 271018)

水資源是林木賴以生存和生長的物質(zhì)條件，加強(qiáng)水肥一體化灌溉，大力提高林地生產(chǎn)力，應(yīng)采取智能節(jié)水灌溉技術(shù)[1]。當(dāng)前節(jié)水灌溉技術(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用已受到世界各國高度重視，澳大利亞、西班牙、摩洛哥等國家已將噴灌、滴灌等技術(shù)應(yīng)用于苗木繁育和經(jīng)濟(jì)林培育等林業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，形成一系列成型灌溉設(shè)備和灌溉技術(shù)模式，取得了一定的成效[2-7]。如在澳大利亞，Heard等[8]對潛在增產(chǎn)、節(jié)水、資金成本和勞動力進(jìn)行了評估，認(rèn)為滴灌可以更好地利用灌溉水，解決了澳大利亞水資源有限的問題；西班牙滴灌技術(shù)的發(fā)展，大大減少了水分的流失，減少了雜草生長，提高了灌溉效率，解決了西班牙土壤的鹽堿化問題[9]；摩洛哥農(nóng)民在供水管理問題的各種解決方案中，確認(rèn)滴灌是節(jié)約水資源的最好方法[10]。我國是全球13個(gè)缺水國家之一[11]，尤其處于干旱、半干旱地區(qū)的西北各省區(qū)，常年降雨量少，多年來林地灌溉多以自然降雨或漫灌為主，僅僅依靠降雨會造成林木缺水和干旱，會導(dǎo)致林木死亡[12]，而采用漫灌又造成水資源嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)已成為亟待解決的關(guān)鍵問題，也是全國乃至全球缺水的嚴(yán)峻形勢對林業(yè)生產(chǎn)提出的新課題。基于此，自2009年起蘭再平團(tuán)隊(duì)從美國綠木源公司引進(jìn)了“楊樹速生豐產(chǎn)林節(jié)水灌溉與高效栽培技術(shù)”，并將這項(xiàng)技術(shù)與我國林情相結(jié)合，進(jìn)行本土化創(chuàng)新研究，最終形成林業(yè)智能滴灌技術(shù)[13-14]，在栽培楊樹人工林時(shí)單次的灌水比常規(guī)灌水節(jié)省84.4%～95.6%的用水量[13]。同時(shí)研究顯示用滴灌方式培育楊樹在節(jié)水、節(jié)肥、省工的同時(shí)很大程度上提高了楊樹人工林的生產(chǎn)力[2, 14-16]，成為林木栽培的發(fā)展趨勢。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)別名蒙古赤松、西伯利亞松，在我國北方廣泛分布，抗寒、抗旱能力高且對生長的土壤要求低，不僅可以在沙質(zhì)化的土地中生長，還可以在土壤貧瘠、土層較薄的環(huán)境中生存，尤其適合在我國北方沙化比較嚴(yán)重的地區(qū)種植，能夠起到防風(fēng)固沙的作用，極大地改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[17]。在青楊(Populuscathayana)扦插苗培育中發(fā)現(xiàn)，采用滴灌技術(shù)節(jié)水的同時(shí)可減少水分蒸發(fā)，滿足青楊早期的需肥要求，促進(jìn)苗木的生長[18]?，F(xiàn)有研究都側(cè)重于滴灌技術(shù)在林木栽培節(jié)水、節(jié)肥、省工方面的優(yōu)勢，對生長和生理特性的影響鮮見報(bào)道。因此，本研究以樟子松為研究對象，探討滴灌、漫灌和未灌溉(對照)3種方式對樟子松生長狀況、光合、蒸騰特性和水分運(yùn)移的影響，為今后干旱、半干旱地區(qū)高效培育樟子松以及進(jìn)行植物與水分關(guān)系研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙古大青山國家級自然保護(hù)區(qū)坐落于陰山山脈中段，東西約217 km，南北平均18 km，總面積38.9萬hm2，西從包頭市昆都侖河開始，北至包頭市固陽縣、還與呼和浩特市武川縣相銜接，東到烏蘭察布市卓資縣頭道北山山脊，向南與土默川平原相連。研究區(qū)地理位置為109°08′42″E，40°07′27.6″N，海拔1 210 m。全年光照充足，年平均氣溫6.7 ℃，年平均降水量350～400 mm，蒸發(fā)量是降水量的4倍左右，屬于溫帶大陸性氣候。研究區(qū)無霜期較短(100～120 d)，年平均日照時(shí)間2 873.4 h，年太陽輻射總量為586.04 kJ/cm2[19]。山地隨著地勢升高，植被和土壤類型也發(fā)生較大改變，即隨海拔增高，氣候變冷，植被類型由灌叢草原向森林灌叢草原—森林草原—山地草原演變；土壤類型垂直分布，即山地草甸土—灰色森林土—淋溶灰褐土—典型灰褐土—石灰性灰褐土—栗鈣土[20]。

經(jīng)踏查，在自然保護(hù)區(qū)樟子松林(株行距為2 m×2 m)內(nèi)的滴灌、漫灌和對照(未進(jìn)行過灌溉)3種不同灌溉方式的試驗(yàn)區(qū)設(shè)置樣地。在每種灌溉的試驗(yàn)區(qū)分別設(shè)置3塊樣地(50 m×50 m)，共設(shè)置9塊。9塊樣地的林齡(16 a)、林木平均地徑和高度、林分密度與立地質(zhì)量(Ⅱ地位級)一致。相鄰試驗(yàn)區(qū)間距至少為2 km。滴灌區(qū)根據(jù)土壤墑情利用自動化滴灌系統(tǒng)從4月初解凍水開始一直到初冬10月下旬澆凍水，全年灌水6～8次，春季2～3次，夏季3～4次，每次12 h的灌溉量約為48 L/株(每株樹2個(gè)滴頭，每個(gè)滴頭出水量2 L/h)，秋季控水階段暫停灌溉，冬季澆凍水1次(灌溉24 h，灌溉量約為96 L/株)；而漫灌區(qū)從春季至秋季上凍前共灌溉6～7次，單次灌溉量約為500 L/株。灌溉完成后的10月上旬，在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選取50株樟子松(達(dá)到大樣本要求)，測量其樹高、地徑(D)、冠幅和抽穗長。由文獻(xiàn)[21]中經(jīng)驗(yàn)公式ln(W)=-1.496 3+0.734 6 ln(D)計(jì)算單株樹木的生物量(W)。

1.2 林木光合特性的測定

2020年10月上旬(生長季結(jié)束后)在上述試驗(yàn)地選擇3個(gè)晴朗無遮云日，使用LI-6400便攜式光合儀(Li-cor公司, USA)測定不同試驗(yàn)區(qū)樟子松的光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。具體測定方法如下：在每個(gè)晴朗無遮云日的7:00—18:00，連續(xù)整點(diǎn)測量，每塊樣地每小時(shí)測定1次，每次測量選取1簇針葉進(jìn)行測定，測定時(shí)讀取3個(gè)平行數(shù)據(jù)。由于葉片的氣孔能調(diào)控蒸騰和光合，因此用光合速率與蒸騰速率之比計(jì)算水分利用效率(WUE，公式中以EWUE表示)[22]，具體計(jì)算公式為：

EWUE=Pn/Tr。

式中：Pn為葉片的凈光合速率，μmol/(m2·s)；Tr為葉片的蒸騰速率，mmol/(m2·s)；EWUE為葉片水分利用效率，換算為mmol/mol。

1.3 不同滴灌方式樟子松人工林土壤水分運(yùn)移測定

為了比較滴灌與漫灌方式下的土壤水分變化規(guī)律，采用典型選樣的方法在樟子松林內(nèi)挖取3個(gè)土壤剖面，每個(gè)土壤剖面的長、寬和高為2、2、1 m，調(diào)查土壤的機(jī)械組成和結(jié)構(gòu)(調(diào)查地點(diǎn)的土壤性質(zhì)基本相同)。

在每個(gè)剖面的左側(cè)距離剖面邊緣10cm處利用自動化滴灌系統(tǒng)(TORO公司, USA)進(jìn)行灌溉(出水量為3 L/h)，灌溉時(shí)間分別為2、4和6 h；在每個(gè)剖面的右側(cè)距離剖面邊緣10 cm處利用漫灌分別在第2、4和6小時(shí)一次性完成灌溉(即漫灌在2、4和6 h 時(shí)一次性灌溉總用水量與滴灌在2、4和6 h內(nèi)的出水量總和相等)。在進(jìn)行每個(gè)灌溉實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用卷尺測量滴灌和漫灌過程中以及停止灌溉以后土壤剖面的濕潤鋒垂直運(yùn)移距離和在距離地面0、10、20、30、40、50、60 和70 cm 處的水平運(yùn)移距離。在灌溉結(jié)束時(shí)和停止灌溉后每20 min測量1次水分水平和垂直運(yùn)移距離，直到水分在兩個(gè)方向上停止運(yùn)移。

1.4 不同灌溉方式下土壤水分運(yùn)移模型模擬

本研究結(jié)合土壤水分在水平和垂直方向的散點(diǎn)圖變化規(guī)律，選取了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Eq.1—Eq.4)對土壤水分運(yùn)移輪廓進(jìn)行模擬和比較，土壤水分運(yùn)移4個(gè)備選模型的具體表達(dá)式如式(1)—(4)。

多項(xiàng)式模型：

MR1=LMR[a1(RMH-1)+a2(RMH2-1)+a3(RMH3-1)+a4(RMH4-1)]。

(1)

Crecente-Campo模型[23]：

MR2=LMR[a1(RMH-1)/(RMH+1)+a2(RMH-1)]。

(2)

二次函數(shù)模型：

(3)

Baldwin模型[24]：

MR4=a1+[(RMH-1)/(RMH+1)]+a2(RMH-1)。

(4)

式中：MRi(i=1，2，3，4)為垂直方向上任意位置處土壤水分水平運(yùn)移距離，cm；LMR為土壤水分水平最大運(yùn)移距離，cm；MH為垂直方向上任意位置處土壤水分垂直運(yùn)移距離，cm；RMH為垂直方向上任意位置處土壤水分垂直運(yùn)移相對距離，cm；ai為模型參數(shù)。

1.5 土壤水分運(yùn)移模型的評價(jià)

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用單因素方差分析(One-way ANOVA)分析灌溉方式對樟子松單木生長和光合特性的影響，組間的多重比較法選用Tukey HSD(P< 0.05)。方差分析前，使用箱型圖和直方圖剔除異常值。同時(shí)，使用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)(P> 0.05)和Bartlett檢驗(yàn)(P> 0.05)確定數(shù)據(jù)是否滿足正態(tài)分布和方差齊性。所有數(shù)據(jù)分析采用R 3.5.2軟件完成[26]，并利用SigmaPlot 14作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式對樟子松生長特性的影響

研究表明，滴灌條件下樟子松的地徑和抽穗長顯著高于漫灌和對照(P<0.05，表1)。滴灌條件下樟子松的地徑、樹高、冠幅、抽穗長和生物量比漫灌條件下分別高出1.5 cm、0.5 m、0.1 m、5.9 cm和0.4 kg，比對照分別高出3.4 cm、0.9 m、0.6 m、7.2 cm和2.5 kg，生長趨勢從好到差呈現(xiàn)滴灌>漫灌>對照。由此可見，在外界環(huán)境因素一致的條件下，樟子松生長特性的差異主要是由灌溉方式引起。在3種灌溉方式處理下，滴灌更促進(jìn)了樟子松林木的生長。

表1 不同灌溉方式下樟子松生長狀況的方差分析

2.2 不同灌溉方式對樟子松光合特性的影響

1)凈光合速率(Pn)。不同灌溉方式下樟子松葉片的Pn日變化趨勢均為先上升再下降后有一個(gè)小回升(圖1A)，滴灌方式下的Pn明顯高于漫灌和對照，其中滴灌的最高峰值[5.34 μmol/(m2·s)]和漫灌的最高峰值[5.0 μmol/(m2·s)]均出現(xiàn)在11:00，而對照的最高峰值[4.15 μmol/(m2·s)]則出現(xiàn)在上午10:00。但在14:00后，滴灌、漫灌和對照的Pn均有所回升，但回升幅度較小。滴灌條件下的Pn與對照均有顯著的差異(P<0.05)，而漫灌與對照在個(gè)別時(shí)間差異性不顯著，表明滴灌可以顯著提高樟子松林木的Pn。

2)蒸騰速率(Tr)。Tr與Pn的變化趨勢一致，不同灌溉方式下Tr日變化也為雙峰曲線，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在9:00和15:00，滴灌的第一峰值比漫灌和對照均高出0.36 mmol/(m2·s)，第二峰值比漫灌和對照分別高38%和91%，即滴灌>漫灌>對照(圖1B)。滴灌的Tr與對照在各時(shí)間點(diǎn)均存在顯著的差異(P<0.05)，而漫灌和對照的Tr在8:00、9:00、10:00均無顯著差異(P>0.05)。

3)氣孔導(dǎo)度(Gs)：滴灌、漫灌和對照樣地的樟子松Gs均呈現(xiàn)先下降后回升的趨勢(圖2A)，滴灌的Gs最高值[0.107 mmol/(m2·s)]出現(xiàn)在8:00，漫灌和對照的Gs在7:00達(dá)到最高分別為0.094 mmol/(m2·s)和0.089 mmol/(m2·s)，之后趨于下降，在14:00出現(xiàn)一個(gè)小幅回升后再度下降。滴灌條件下Gs和對照在10：00、16:00差異不顯著(P>0.05)，其他時(shí)間點(diǎn)均有顯著差異(P<0.05)。

4)胞間CO2濃度(Ci)。由圖2B可知，不同灌溉方式的Ci日變化規(guī)律呈“V”字形，最低值均出現(xiàn)在12:00。滴灌方式下全天Ci均值比漫灌和對照分別高31%和54%。滴灌與漫灌、滴灌與對照、漫灌與對照的Ci差異均顯著(P<0.05)。

5)水分利用效率(EWUE)。不同灌溉方式下樟子松EWUE最高值均出現(xiàn)在12:00，峰值后滴灌的EWUE呈下降趨勢，而滴灌漫灌和對照分別在18：00、16:00和14:00有所回升(圖3)。就最高峰而言，對照樣地比滴灌的EWUE高8.18 mmol/mol，比漫灌高4.75 mmol/mol。這表明樟子松在干旱的條件下，具有較強(qiáng)忍耐干旱的能力。滴灌與對照的EWUE除18:00外其余時(shí)間點(diǎn)差異性均顯著(P<0.05)。

2.3 不同灌溉方式下土壤水分濕潤鋒的運(yùn)移距離

經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)，在灌溉2、4和6 h后，滴灌處理下土壤的濕潤鋒垂直運(yùn)移距離分別下滲到39.6、53.9和60.8 cm的土層中(圖4A)。持續(xù)灌溉2～6 h，土壤濕潤鋒在不同深處的水平運(yùn)移距離也逐漸增加。每增加2 h，不同土壤深處濕潤鋒的水平運(yùn)移距離增幅不同，停灌時(shí)土壤濕潤鋒的最大水平運(yùn)移距離在0～20 cm土層，分別為32、42和51 cm。持續(xù)灌溉2～6 h，灌溉相同時(shí)間內(nèi)，停灌時(shí)濕潤鋒的最大垂直運(yùn)移距離均大于濕潤鋒的最大水平運(yùn)移距離。停灌后，土壤濕潤鋒最終垂直運(yùn)移距離下滲到43.9、60.1和70.5 cm的土層中，比停灌時(shí)分別增加了4.3、6.2和9.7 cm。最終垂直運(yùn)移距離隨灌溉時(shí)長的增加而增加，土壤濕潤鋒最終在各土壤深處的最大水平運(yùn)移距離也都出現(xiàn)在0～20 cm土壤層，分別為36.8、44.9和53.1 cm。可以看出持續(xù)灌溉2～4 h時(shí)，濕潤鋒最終運(yùn)移的變化幅度逐漸增大，持續(xù)灌溉6 h時(shí)，濕潤鋒最終運(yùn)移的變化幅度差距呈減小的趨勢。

研究發(fā)現(xiàn)，漫灌方式下在分別灌溉2、4和6 h后濕潤鋒的水平運(yùn)移距離和垂直運(yùn)移距離呈遞減的趨勢(圖4B)，停灌時(shí)土壤濕潤鋒的垂直運(yùn)移距離分別下滲到24.8、36.7、48.4 cm的土層中。持續(xù)漫灌2、4、6 h時(shí)土壤濕潤鋒的最大水平運(yùn)移距離分別為43.97、59.63、70.12 cm，均在地表0～10 cm土壤層。當(dāng)漫灌停止后，最終土壤濕潤鋒的垂直運(yùn)移距離分別下滲到26.7、39.1和51.7 cm的土層中，比停灌時(shí)分別增加了1.9、2.4和3.3 cm，土壤濕潤鋒的最大水平運(yùn)移距離為46.8、63.3、74.5 cm，也出現(xiàn)在地表0～10 cm土層，都大于相同時(shí)長的最終垂直運(yùn)移距離，且在灌溉2、4和6 h后最終土壤濕潤鋒的垂直運(yùn)移距離分別下滲到24.8、36.7和48.4 cm時(shí)，土壤濕潤鋒的最終垂直運(yùn)移停止距離增加。

2.4 不同灌溉方式土壤水分運(yùn)移輪廓模擬

研究發(fā)現(xiàn)(表2)，針對滴灌和漫灌擬合的土壤水分運(yùn)移的4個(gè)備選模型都收斂。依據(jù)最優(yōu)模型的選取原則，滴灌和漫灌方式下土壤水分運(yùn)移的最優(yōu)輪廓模型分別為Eq.1 和Eq.4。最優(yōu)模型的估計(jì)參數(shù)在95%的置信區(qū)間上均顯著(表2)，最優(yōu)模型至少解釋了樟子松土壤水分運(yùn)移變動的83%。

表2 兩種灌溉方式下樟子松林地土壤水分運(yùn)移最優(yōu)輪廓模型的參數(shù)回歸系數(shù)和模型評價(jià)指標(biāo)

3 討 論

1)滴灌試驗(yàn)區(qū)樟子松的地徑、樹高、冠幅、抽穗長以及生物量均比漫灌試驗(yàn)區(qū)和對照區(qū)高，且其光合特性與漫灌和對照差異顯著。滴灌技術(shù)應(yīng)用于樟子松林木培育，可加快樹木的生長。樟子松的光合特性受水分利用效率影響，合理的灌溉可改善樟子松生長的生理機(jī)制。

2)在持續(xù)灌溉2、4和6 h后，滴灌試驗(yàn)區(qū)60 cm土層以上的土壤濕潤鋒在最終水平運(yùn)移距離上均大于漫灌區(qū)。因此，滴灌處理方式下的水分分布有利于樟子松根系對水分的合理高效利用，有利于樟子松根系生長。

樟子松生長過程中受水分、光照、溫度等因素的影響，其中水分是影響樟子松生長的最主要因素。與漫灌相比，滴灌這種少量精準(zhǔn)的灌溉方式應(yīng)用于樟子松的培育可有效地促進(jìn)植物生長。馬鐵成[27]研究得出滴灌能夠明顯促進(jìn)紫花苜蓿株高和莖粗生長，本研究對比不同灌溉方式時(shí)發(fā)現(xiàn)，各灌溉處理下樟子松整體生長趨勢為：滴灌>漫灌>對照，說明樟子松在過量灌溉和水分脅迫下生長有所下降。植物葉片光合產(chǎn)物是植株和產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，而水分對植物光合性能具有直接和顯著的影響。不同灌溉方式樟子松的凈光合速率、蒸騰速率日變化規(guī)律均為先上升再下降，在下午時(shí)有個(gè)小回升，氣孔導(dǎo)度、水分利用效率只有一個(gè)峰值；在水分虧缺下，由于氣孔關(guān)閉，凈光合速率、蒸騰速率的日變化峰值、峰值出現(xiàn)的時(shí)刻、變化規(guī)律明顯不同，這說明灌溉方式對植物光合特性具有顯著調(diào)節(jié)作用[28-30]。本研究中發(fā)現(xiàn)滴灌處理方式下樟子松的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度，胞間CO2濃度均顯著高于對照(P<0.05)，這與陳金平等[31]得出滴灌能促進(jìn)刺槐人工林幼樹光合潛力的研究結(jié)果一致。此外，不同灌溉方式土壤水分在水平方向上運(yùn)移的差異，導(dǎo)致樹冠層空氣的溫度和濕度小氣候之間的差異，使得樟子松葉片氣孔的氣體交換和光合的同化能力也不同。初始無灌溉處理下的樟子松瞬時(shí)水分利用效率最低，而漫灌短期內(nèi)過量的灌溉，表現(xiàn)為根區(qū)土層貯水量迅速增加，其水分利用效率起初高于其他灌溉方式。隨著時(shí)間的推移，對照樣地的水分利用效率明顯升高，可能的原因是當(dāng)林地水分虧缺時(shí)，林木根區(qū)缺水導(dǎo)致根系長度增加，根徑減小，水分吸收的阻力會減小，說明適度的干旱脅迫能顯著提高植物水分利用效率[32]。另一個(gè)可能的原因是不同的灌溉方式影響了水分在樟子松根區(qū)的分布，灌溉區(qū)的水分入土方式不同，營造了不同根區(qū)的土壤水分環(huán)境，從而影響了根從土壤中的吸水和運(yùn)輸效率。

由滴灌持續(xù)灌溉的最終垂直運(yùn)移距離可知，水分主要在0～50 cm土層內(nèi)波動，這與鄭強(qiáng)卿等[33]得出的0～60 cm土層的相對濕度變化幅度較大，60～80 cm土層相對濕度變幅微小的研究結(jié)果一致。結(jié)合相關(guān)研究[34]，由滴灌的最終水平運(yùn)移距離可知，持續(xù)灌溉2、4、6 h土壤濕潤鋒的最大垂直運(yùn)移距離和最大水平運(yùn)移距離范圍與吳丹[35]的研究中樟子松根系主要集中分布在0～40 cm土層深度內(nèi)，而水平上則集中在0～0.5 m的范圍相吻合。因此，滴灌更有利于樟子松根系從土層中吸收水分。滴灌和漫灌的最優(yōu)模型至少解釋了樟子松水分運(yùn)移變動的83%，對于實(shí)測值和理論值存在的偏差，可能的原因是本研究進(jìn)行水分運(yùn)移模擬時(shí)未考慮樟子松根系吸水和土壤地表蒸發(fā)[36]。因此，所建模型不適用于模擬長期土壤水分運(yùn)移輪廓。今后應(yīng)在考慮根系吸水、土壤蒸發(fā)的因素下，進(jìn)一步優(yōu)化土壤水分運(yùn)移模型，構(gòu)建更具普適性的運(yùn)移模型。