根灌和滴灌對三種典型荒漠植物生長的影響

李得祿, 嚴子柱, 姜生秀, 張芝萍, 王多澤, 李昌龍, 唐衛東

(甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站/甘肅省治沙研究所, 甘肅 武威 733000)

根灌和滴灌對三種典型荒漠植物生長的影響

李得祿, 嚴子柱, 姜生秀, 張芝萍, 王多澤, 李昌龍, 唐衛東

(甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站/甘肅省治沙研究所, 甘肅 武威 733000)

根灌是一種能將水直接灌到植物根部的高效節水農業新技術，具有抗旱、保水的功能。利用根灌和滴灌對人工栽植于退耕地上的檉柳、沙棗、檸條錦雞兒進行了灌溉試驗，通過研究不同灌溉方式下植物生長量和土壤含水率及其變化規律，探討了兩種灌溉方式對土壤水分的補給和保持作用以及對植物生長的促進作用。結果表明：(1) 根灌和滴灌對土壤水分補給的范圍和深度不一致，滴灌主要集中在土壤表面，而根灌主要集中在20 cm以下區域，而且與灌水時間和灌水量密切相關。(2) 根灌能夠更好地保存土壤水分，而滴灌表層土壤水分散失較快。(3) 根灌灌溉的三種植物生長量均大于滴灌灌溉的，根灌能夠更好地促進植物生長，是三種典型沙生植物理想的灌溉方式。

沙生植物; 滴灌; 根灌; 生長量; 土壤水分

在干旱區，由水資源過度開發利用而引起的生態環境問題十分普遍，水危機和生態環境惡化引起的社會經濟可持續發展問題，已成為全世界普遍關注的熱點[1]。我國的干旱區主要包括新疆、甘肅河西走廊及內蒙古賀蘭山以西地區，地表水和地下水分別占全國的3.3%和5.5%，而土地面積約占全國的24.5%[2]。西北干旱區面積約250萬km2，平均年降水量230 mm，蒸發能力為降水量的8～10倍；水資源總量約1 979億m3，占全國的5.84%[3]。西北干旱區水資源短缺及其在時空分布的高度異質性決定了其生態系統的脆弱性。近年來隨著人口的增加，人們對水資源不合理的開發利用和過度超采，導致地下水位持續下降，荒漠植被因土壤水分虧缺出現了不同程度的衰敗，風沙四起，生態環境進一步惡化。干旱區水資源開發過程中的生態與經濟問題日益尖銳，因此在現有水資源的條件下，如何提高水資源利用率成為干旱荒漠區生態環境建設與農業發展的關鍵所在。

由于干旱荒漠區特殊的水資源環境條件，節水灌溉始終是干旱荒漠區永恒的主題。在農林業上應用較多的有滴灌(包括膜下滴灌)、噴灌、微噴灌、滲灌[4-9]，而且這些技術已經十分成熟，被廣泛應用于農林生產實踐中。近年來發明并開始推廣應用的有根灌節水技術。根灌技術吸取滴灌脈沖式灌溉的優點，而縮短水分自地表向根系入滲的路徑，直接灌溉植物根系所在土壤層，使灌溉區域表層土壤起到覆蓋物的效果[10-13]。根灌技術直接把水分輸送到一定深度的植物根系土壤層，可以減少土壤表面水分蒸發損失，提高水資源利用效率，是一項新的節水灌溉技術。本文利用根灌和滴灌對人工栽植于退耕地上的檉柳(Tamarixramosissima)、沙棗(Elaeagnusangustifoli)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)進行了灌溉試驗，通過測定不同灌溉方式下的土壤含水率變化規律和植物生長量指標，旨在探討滴灌和根灌對典型荒漠植物生長的影響，為干旱荒漠區退化植被的恢復選擇適宜的灌溉方式提供參考依據。

1 研究區概況

試驗地設在甘肅民勤沙生植物園，地理位置為103°51′E，38°38′N，海拔1 378 m。該區域屬于典型的溫帶大陸性荒漠氣候。冬季寒冷，夏季酷熱，晝夜溫差大，年平均氣溫7.6℃，極端低溫-30.8℃，極端高溫40.0℃，無霜期175 d；降雨量小，蒸發量大，氣候干燥，年均降雨量113.2 mm，年均蒸發量2 604.3 mm，干燥度5.1，最高達18.7，相對濕度47%；光熱充足，年均日照時數2 799.4 h，≥10℃的活動積溫3 036.4℃；冬季盛行西北風，全年風沙日可達83 d，多集中在2—5月份，年均風速2.5 m/s，最大風速為23.0 m/s；土壤為堿性沙土，沙層深厚，肥力很差，含鹽量0.146%，有機質為0.197 5%，全氮0.007 9%，全磷0.116%，pH值為8.3。潛水埋深16 m以下。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為干旱荒漠區典型沙生植物檸條錦雞兒、沙棗和多枝檉柳。定植時均為兩年生實生苗。

2.2 試驗方法

在甘肅省民勤治沙綜合試驗站以風沙土為基質的退耕地進行土地平整，然后進行開溝，溝深30 cm，溝距1 m，然后將兩年生檸條錦雞兒、沙棗、多枝檉柳定植于含有風沙土的土壤中，株距1.5 m，三種植物按隨機區組定植，每個小區定植25株。定植后第一次進行漫灌，苗木成活后布設一級支管及毛管，毛管上安裝滴灌滴頭和根灌滴頭，滴頭均安裝在距植株主干10 cm處，以5帶為基數，滴灌和根灌輪流布設，試驗中實測根灌與滴灌的滴頭出水量為2 L/h。試驗布設后，定時進行灌溉，灌溉量以灌溉時間來控制，分別設0.5 h，1 h，1.5 h三個灌溉時間梯度，每個灌溉時間試驗重復5次。圖1為根灌和滴灌灌溉示意圖。

圖1滴灌和根灌示意圖

2.3 觀測指標

灌溉后在灌溉開始前及結束第5 d測定土壤含水率各1次。土壤水分用土鉆取樣，稱重法進行測定，監測同一流量下的20，40，60，80，100，120，140，160，180，200 cm深度的土壤水分；植物生長量在布設試驗前測定一次高度、冠幅、地徑等指標，10月份試驗結束后測定一次高度、冠幅、地徑、新稍生長量、新稍平均生長量等指標，生長量用鋼卷尺進行測定，地徑用游標卡尺進行測定。每個測定指標重復10株，以平均值作為最后結果。根灌和滴灌條件下植物生長量以1.5 h灌水時間進行研究。

2.4 數據分析方法

觀測數據用SPSS統計軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗，用Excel軟件進行均值計算。

3 結果與分析

3.1 不同灌溉方式不同灌溉時間土壤水分特征

圖2為滴灌和根灌在不同流量條件下(間隔10 h)的土壤水分分布圖。從圖中可以看出，根灌和滴灌在0—80 cm范圍內土壤水分呈明顯的規律性，80—200 cm的土壤水分變化差異不明顯。滴灌的土壤水分呈先下降后趨于穩定的趨勢，土壤水分主要集中在0—60 cm范圍內，地表含水率最高，60 cm時對土壤水分補給減小到最低，之后各層次趨于穩定，表明滴灌對土壤水分的補給主要集中在接近地表的土層內。根灌的土壤水分呈遞增后逐漸下降趨于穩定的趨勢，土壤水分主要分布在20—60 cm的范圍之內，40 cm處的土壤水分含量最高，表明根灌可以將水分輸送到更深層次，可以有效減少地面蒸發，防止水分損失，能夠長時間為植物生長提供水分需求，可以有效提高水分利用效率。隨著灌溉時間的增加滴灌和根灌的土壤水分呈增加趨勢，而800—100 cm變化不明顯。表明滴灌和根灌在0～1.5 h內對土壤水分的補給主要集中在0—60 cm的土壤范圍之內。土壤水分的入滲深度與灌水時間有著密切的聯系，而且與土壤類型也有很大的關系。

圖2不同灌溉方式及時間條件下土壤水分特征

3.2 不同灌溉方式土壤平均含水率差異性

滴灌和根灌由于灌溉輸送水分部位不一致，導致不同層次含水率呈規律性變化。圖3為滴灌和根灌在灌溉0.5 h，1 h，1.5 h時6 h后土壤含水率的平均值。表明滴灌和根灌的土壤含水率呈規律性變化，滴灌土壤水分主要集中在0—60 cm范圍內，根灌土壤水分主要集中在20—80 cm范圍之內。

圖3根灌與滴灌土壤水分分布

3.3 不同土壤水分條件下3種荒漠植物生長量

3.3.1 高度及冠幅變化 灌溉方式的不同對土壤水分的補給以及持續時間對植物生長產生了一定的影響。表1為滴灌和根灌對檸條錦雞兒、沙棗、多枝檉柳三種荒漠植物生長量影響情況。從表中可以看出，兩種灌溉措施下的檸條錦雞兒在高生長、冠幅凈增長以及地徑凈增長差異不顯著，表明滴灌和根灌措施均能夠滿足檸條錦雞兒苗木正常生長水分需求，而沙棗高生長、冠幅和地徑在根灌和滴灌灌溉方式下存在一定的差異性，根灌條件下兩種植物高生長、冠幅和地徑明顯高于滴灌條件下的高生長、冠幅和地徑。表明根灌能夠更好地保持土壤水分，持續穩定地為兩種植物提供足夠的水分，而滴灌條件下，水分主要集中在近地表范圍內，與大氣接觸面積大，水分更容易散失，不利于水分保持，因此為沙棗和多枝檉柳提供的水分就會減少，而沙棗和多枝檉柳比檸條錦雞兒耗水量大，其生長量大小與土壤水分有很大的關系，土壤含水率高其生長量也大。土壤水分含量成為影響其生長量的重要因素。

表1 根灌和滴灌對3種荒漠植物生長量的影響

3.3.2 新稍最大生長量及平均生長量 新稍生長量及平均生長量是衡量植物生長大小的關鍵指標。檸條錦雞兒、沙棗、多枝檉柳新稍生長量和新稍平均生長量以及高度、冠幅表現出相似的規律性(圖4)。滴灌和根灌條件下的檸條錦雞兒新稍生長量和平均生長量差異不顯著(p<0.05)，而滴灌和根灌條件下的沙棗、多枝檉柳新稍生長量和平均生長量差異顯著。這可能與3種植物生長對水分的需求有關，檸條錦雞兒比沙棗和多枝檉柳相比具有更強的抗旱性，沙棗和多枝檉柳屬于耗水量相對較大的物種。

4 討論與結論

4.1 不同灌溉方式下的土壤水分特征

滴灌和根灌由于灌溉導入土層的水分部位不一致，因此導致土層土壤水分含量不一致，進而造成了各層土壤水分的差異。滴灌主要是將水緩慢輸入地面，以地表入滲形式來補給土壤水分，滴灌土壤水分主要集中在表層0—60 cm范圍內，由于水分集中分布于表層，因此這部分水分越容易因蒸發而喪失，而根灌直接將水分導入20 cm以下深層次土壤，地面基本沒有水分，而且土壤水分供給范圍也正好是植物根系分布區域，因此根灌更有利于土壤水分保持和更有利于植物吸收。

圖4不同灌溉方式對3種荒漠植物最大新稍生長量的影響

4.2 不同根灌方式不同灌溉時間下的土壤水分特征

通過根灌與滴灌0.5 h，1 h和1.5 h時間尺度上土壤水分的比較，表明在不同時間段內根灌和滴灌土壤水分呈相似分布規律。在不同的灌溉時間下隨著灌溉時間的增加，土壤水分分布范圍增加，在灌溉后6 h測定土壤水分，灌溉和滴灌在一定范圍內對土壤水分補給大，土壤含水率高，但是超過一定范圍后土壤含水率變化不明顯。該研究結果和杜虎林對塔里木沙漠公路防護林帶中滴灌和根灌對土壤水分的影響研究結果相一致[10]。當然在滴灌和根灌實施后的更長時間內土壤各層次的水分是如何變化的還需要進一步研究，而且入滲深度與灌水時間呈正相關，還與土壤質地有一定的相關關系。

4.3 根灌和滴灌對植物生長量的影響

不同植物種類對水分需求不一致，檸條錦雞兒屬于耐旱性植物，滴灌和根灌均能夠滿足其正常生長水分需求，因此其高度、冠幅、地徑、新稍生長量和新稍平均生長量差異不顯著，而沙棗和多枝檉柳屬于耗水性相對較大的植物，其生長量與土壤水分供給密切相關，在充足的水分條件下能夠獲得較大的生長量，因此滴灌和根灌灌溉方式及灌水時間成為影響其生長量的重要因素。

[1] 鄧銘江,石泉.內陸干旱區水資源管理調控模式[J].地球科學進展,2014,29(9):1046-1054.

[2] 鮑超,方創琳.干旱區水資源開發利用對生態環境影響的研究進展與展望[J].地球科學進展,2008,27(3):38-42.

[3] 陳亞寧,楊青,羅毅,等.西北干旱區水資源問題研究思考[J].干旱區地理,2012,35(1):1-9.

[4] 蘇薈.新疆農業高效節水灌溉技術選擇研究[D].新疆石河子:石河子大學,2013.

[5] 黃修橋.灌溉用水需求分析與節水灌溉發展研究[D].陜西楊凌:西北農林科技大學,2005.

[6] 李宗禮,趙文舉,孫偉,等.噴灌技術在北方缺水地區的應用前景[J].農業工程學報,2012,28(6):1-6.

[7] 范永申,王全九,周慶峰,等.中國噴灌技術發展面臨的主要問題及對策[J].排灌機械工程學報,2015,33(5):450-455.

[8] 李道西,羅金耀.地下滴灌技術的研究及其進展[J].中國農村水利水電,2003(7):15-18.

[9] 李宗禮,趙文舉,孫偉.范嚴偉噴灌技術在北方缺水地區的應用前景[J].農業工程學報,2012,28(6):54-56.

[10] 杜虎林,王濤,肖洪浪,等.塔里木沙漠公路防護林帶根灌節水試驗研究[J].中國沙漠,2010,30(3):522-527.

[11] 史學斌,鮑忠文,杜虎林,等.塔里木河下游農田根灌與滴灌條件下土壤蒸發試驗研究[J].節水灌溉,2012(6):17-21.

[12] 馬文藝,杜虎林,史學斌.塔里木河下游棗樹根灌需水量與灌溉制度研究[J].西北農業學報,2014,23(11):92-99.

[13] 楊文娟,李宏彬,馮利和,等.根灌與地表滴灌節水技術對棗樹的影響[J].農村科技,2013(12):54.

EffectsofRootIrrigationandDripIrrigationontheGrowthofThreeTypicalDesertPlants

LI Delu, YAN Zizhu, JIANG Shengxiu, ZHANG Zhiping, WANG Duoze, LI Changlong, TANG Weidong

(MinqinNationalStudiesStationforDesertSteppeEcosystem/GansuDesertControlResearchInstitute,Wuwei,Gansu733000,China)

Root irrigation is a kind of new technology, which is able to deliver water directly to the roots of plants, and has the function of drought resistance and water retention. Using the root irrigation and drip irrigation experiment ofTamarixramosissima,Elaeagnusangustifolia,Caraganakorshinskiiplanted on abandoned lands was carried out. By measuring the change of soil moisture content and plant growth index under different irrigation methods, the supplies and maintaining action of two irrigation ways on soil moisture and positive impact on plant growth were examined. The results show that: (1) the range and depth of soil water supply are not consistent with the root irrigation and drip irrigation, the water mainly concentrated on the soil surface under the drip irrigation, while the water mainly concentrated below the 20 cm layer under the root irrigation, which is closely related with the irrigation time and irrigation amount; (2) root irrigation can keep the soil moisture better, while the surface soil water under drip irrigation can lost easily; (3) the growth of three species under root irrigation are greater than that under the drip irrigation, and root irrigation can better promote plant growth. Root irrigation is the ideal irrigation method on the three typical desert plants.

desert plant; drip irrigation; root irrigation; growth; soil water

2016-08-29

：2016-09-26

甘肅省科技支甘項目“民勤沙區根灌節水技術研究與示范”(1304JKCA170);甘肅省創新群體項目(145RJIA335);甘肅省自然基金項目(1308RJYA081);甘肅省青年基金項目(145RJYA270)

李得祿(1977—),男,甘肅民樂人,碩士,副研究員,主要從事荒漠植物及荒漠化防治研究。E-mail:lidlu2008@163.com

王多澤(1970—),男(蒙古族),甘肅民勤人,碩士,工程師, 主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail:wangduoze@126.com

S728.4

：A

：1005-3409(2017)05-0371-04