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

(新疆林業科學院, 新疆 烏魯木齊 830002)

水是干旱區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，它對于植物生長、存活、凈生產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，對于降雨產流、蒸散具有重要影響。因此，對土壤水分及其變化的監測是生態、農業、水文和環境等研究領域中最基礎的工作之一[5,6]。

新疆位于我國西北邊陲，由于遠離海洋，天然降水稀少，是典型的干旱氣候區[7]。新疆平原地區水資源補給主要來自山區融雪，由此形成了新疆特有的綠洲經濟和灌溉農業[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，生態環境極為脆弱[9]。20世紀90年代以來，隨著大規模的土地開發，水資源需求日益增加，水資源利用過度，農林爭水問題日益加劇，致使生態用水資源補給短缺情況加劇，由此產生了諸如土地沙漠化、草場退化、水質惡化和土壤次生鹽漬化等生態問題[10]。

為響應國家建設生態文明社會的號召，伊犁州各級政府制定優惠政策，大力引入有實力的企業從事荒山綠化造林，以期保護地方生態，美化環境。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全部選用滴灌節水措施，流量也采用8～16 L·h-1的滴頭進行灌溉。但生產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生徑流，使水分利用效率最大，卻往往無人關注，多憑經驗定奪。對此，本文在伊寧市翼龍公司生態工程區的滴灌造林區對灌水前、灌水期土壤水分時空運移規律進行了初步的探索和研究。

1　試驗區概況

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年發生1次；夏季炎熱，最高溫度36.2 ℃，但有穩定的炎熱期；秋季溫度下降快，由于北方冷空氣活動加強，于9月上旬出現寒潮和霜凍。

伊寧市翼龍公司生態工程區位于伊寧市西北，距市區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測定指標與方法

2.3數據分析

采用Excel 2007和SPSS 20.0軟件對數據進行統計分析，采用Origion 8.5繪圖。

3　結果與分析

3.1荒山滴灌造林水分時空變化規律

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，最低值出現在80 cm土層，僅2.4%；最大值出現在表層，達8.9%。夏季由于高溫和強烈的陽光照射，地表水分快速蒸發，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，通過查閱伊犁地區氣象資料，在試驗的前一周，伊犁地區有連續3 d的降雨，降雨總量達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律對滴灌條件下土壤含水量變化值進行分析(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可達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、遠輸送，并在下一監測時刻使外側或深層土壤含水量發生變化。

圖2　滴灌(8 Lh-1)土壤水分運移規律

在整個監測過程中，浸潤范圍在水平方向上最遠可達60 cm左右，浸潤深度可達80 cm左右，但整個浸潤范圍內，水平40 cm和深度60 cm以內的土體含水量較高，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可以保證植物健康生長。水平60 cm距離要經過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，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性，在這個時段內，水分的濕潤峰進入了一種易于水分滲透的土壤中，土壤浸潤深度或寬度快速增長所致。

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，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律的影響有關。

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，水平變異系數要顯著大于垂直方向浸潤范圍變異系數(P=0.017<0.05)，而比較兩個流量的變異系數，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律可循，這種規律更利于指導林地的灌溉。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有規律的變化，隨著灌溉時間的延伸，在相同的灌溉時間內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性而改變這種規律。

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下滲，被林木加以利用。

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