寧夏南部半干旱黃土丘陵區山杏微集水促滲技術對土壤水分的影響

王月玲， 馬 璠， 蔡進軍， 許 浩， 黃立國， 王思成

(1.寧夏農林科學院荒漠化治理研究所，寧夏銀川 750002； 2.寧夏農業綜合開發辦公室，寧夏銀川 750011)

寧夏南部半干旱黃土丘陵區氣候干燥，年降水量少，且年際和年內分配不均，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，加之地表蒸發強烈，由此造成嚴重的“十年九旱”[1]現象。林業生產中成活率低、生態經濟效益差的問題突出。水分是制約植株生存和生長發育的關鍵因素，而有限的自然降水是寧夏南部半干旱黃土丘陵區林地土壤水分的唯一來源，人工匯集利用雨水一直是林業生產中的重要課題[2]。

山杏(Armeniacavulgaris)是寧夏南部半干旱黃土丘陵區重要的生態防護樹種，其耐旱、耐貧瘠，護土保水效果優良，在當地進行的水土保持、生態恢復工程中具有重要地位。實際上山杏也是一種重要的資源樹種。山杏的果肉可制杏脯，風味獨特，深受消費者喜愛；杏仁可入藥或提取油脂、植物蛋白；種殼是生產活性炭的優質原料。山杏的整個果實都能發揮重要的經濟產出作用。寧夏南部山區的山杏種植面積大，資源豐富，如果能充分利用，將產生較為可觀的經濟效益，促進農民增收。但當地山杏生長面臨著一個主要問題是干旱貧瘠。在寧夏南部半干旱黃土丘陵區干旱貧瘠的自然條件下，如果不進行水肥管理，無論什么樹種都是無法產生顯著經濟效益的，山杏也是如此。因此，在該地區造林中，提高造林成活和促進生長最根本的問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，自20世紀90年代開始，我國學者在旱地集水利用技術方面進行了大量研究[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，為了抵御干旱、高效利用自然降水、改善林木生長的水分供應，相繼推廣了樹盤整地集水、覆膜集水、集水節灌等技術。但樹盤整地集水、覆膜集水忽視了水分的強烈快速蒸發和深層下滲儲備，從而降低了有限集水的利用率，影響了林木生產力的提高，集水節灌則投資成本較高。因此，本研究開展融集水、促滲為一體的促滲管微集水技術研究，對寧夏南部半干旱黃土丘陵區有限自然降水的高效利用、防止土壤干化和區域可持續發展具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于彭陽縣東北13 km處的白陽鎮中莊村，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 ℃，境內年蒸發量較大，干燥度(≥0 ℃的蒸發量)為1.21～1.99，無霜期為140～160 d。降水是雨水資源量的決定因素，項目區多年平均年降水量為420～500 mm，降水量集中且年內分配不均，主要集中在7—9月，而且降水的年際變差系數較大，雨量集中月份常以暴雨形式出現，易發局地暴雨洪水。土壤以普通黑壚土為典型土壤，土層深厚，土質疏松。植被類型以草原植被為基礎，生長有長芒草、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 試驗材料

早前報道中的促滲管規格為鐵皮制成，直徑為25 mm，長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是造價較高，容易被腐蝕，而且管徑較細，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。促滲管較粗，而且不封口的好處是如果埋設時間較長之后，管內泥沙雜物較多，很容易清理，并且可以通過促滲管施加化肥或有機肥料，不用再挖坑施肥，減輕了勞動強度，而且也有一定的緩釋效果。

1.3 試驗設計

本研究設計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散至上下土層中，雨后促滲管下端會形成一個近似于球形的濕潤土體，這個濕潤土體的中心位置與促滲管的深度密切相關。濕潤土體如果分布于杏樹的主要根系層，可以改善林木的土壤水分供應，提高有限雨水的利用效率，對杏樹生長有利。

1.4 試驗點的選擇與布設

本研究的水分調控措施是以促滲管技術為依托。在有代表性、立地條件大致相同的地點選取樹齡、生長狀況一致的山杏若干株作為研究樣本。在植株周圍埋設促滲管，埋設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。促滲管埋設共3種規格，埋深分別為30、45、60 cm，以不埋設促滲管為對照，每種埋設處理設20次重復，共80株。在埋設促滲管的同時整理樹盤，將管口處整理為樹盤內的低洼匯水點，將冠下降水匯集于促滲管內。

1.5 觀測項目

土壤水分的動態監測：在促滲管埋設的3種處理(30、45、60 cm促滲管)以及對照中，各選2株山杏，布設水分管，采用德國產的時域反射儀(time domain reflectometry，簡稱TDR)法，在2015—2016年，對所選樣地土壤水分進行持續監測，每月1次，土層深度為0～100 cm，每20 cm為1層，共5層。

1.6 數據分析

數據均通過Excel進行處理，采用SPSS統計軟件對數據進行方差分析，采用Microsoft Excel軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 研究區2014—2016年降水量的季節分布特征

降水是該地區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月降水量呈季節動態變化，降水量集中且年內分配不均，主要集中在7—9月，而且降水的年際變差系數較大。3個年份相比，研究區春季降水最多的是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。

在生長季4—9月，研究區多年平均降水量為372.3 mm，2014年為439.1 mm，2015為412.1 mm，均高于生長季多年平均值，2016年為348.8 mm，低于多年生長季平均降水總量。降水量在2014年9月出現峰值，遠高于多年平均值，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，對土壤水分的調控補給明顯不足。整體來看，2016年相比其他2個年份，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，干旱嚴重，給植物生長帶來一定的影響。其他各月春季降水明顯偏低，雖然3個年份春季降水量均高于多年平均值，但是對于蒸發量遠大于降水量，而地下水埋藏很深的寧夏南部黃土丘陵區，僅有的降水還遠遠不夠。春季降水普遍偏少，會造成嚴重的春旱，對植被的返青，以及當年的生長發育都會產生一定的不利影響。

2.2 促滲管微集水對土壤水分季節動態的影響

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

通過對促滲管不同埋深土壤水分的季節變化(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，但是氣溫達到最高值，植物處于生長旺盛期，土壤水分的消耗量大于補給量；10月相比8月土壤體積含水量開始上升，因為植物生長趨于停止，氣溫明顯下降，土壤水分散失量小于補充量所致。

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一致，水分含量基本表現為埋深 30 cm>埋深 45 cm>埋深60 cm>對照。由此可見，不同季節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的土壤水分含量季節動態特征主要決定于年內降水的季節性變化，變化幅度則受不同技術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，但都優于對照，說明促滲管在調控土壤水分上仍具有較大的改善作用。

2.3 促滲管微集水對土壤水分年際垂直空間的影響

從圖4可以看出，該區域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律在0～20 cm土層，土壤含水量的依次順序為：埋深30 cm>埋深45 cm>埋深60 cm>對照；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土層處達到峰值，為14.41%，分別比促滲管埋深45、60 cm 及對照高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，促滲管埋深45、60 cm的體積含水量繼續呈上升趨勢，主要是由于植被根系層在40～60 cm土層的吸收導致。

從圖5可以看出，研究區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土層主要在40～80 cm土層，與主要根系層位置不太吻合。總體來看，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及對照，但不是很明顯。埋深45、60 cm處理的土壤體積含水量沒有明顯差異，曲線交織在一起。對照處理的土壤水分最低。此外，促滲管越長，土壤體積含水量最大值出現的土層就越深。埋深30 cm處理的最大值出現在20～40 cm土層；埋深45 cm處理土壤體積含水量最大值出現在40～60 cm土層；埋深60 cm處理土壤體積含水量最大值出現在60～80 cm土層。對照處理的土壤體積含水量最大值出現在60～80 cm 土層。表明促滲管微集水在促進林地土壤水分的快速恢復上效果明顯。

由此可見，通過TDR法進行水分監測表明，30 cm深度的促滲管所形成的濕潤土體位置比較適中，在0～40 cm土層形成了相對濕潤區，TDR法測定這2個土層的水分數據明顯偏高。初步確定幼年期山杏的主要根系層就分布在20～60 cm 土層，濕潤土層的深度與主要根系層的位置是吻合的[1]。

3 結論

在寧夏南部半干旱黃土丘陵區，采用促滲管微集水造林技術，可以使有限的雨水集中到苗木的根部，減少土壤蒸發損耗，促進林木生長。通過埋設不同深度的促滲管獲得從2015—2016年2年的試驗數據分析結果表明，無論是年際變化還是季節變化，30 cm深度的促滲管所形成的濕潤土體位置比較適中，在0～40 cm土層形成了相對濕潤區，土壤水分含量在0～20 cm、20～40 cm 2個土層明顯偏高。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 處達到峰值，為14.41%，分別比促滲管埋深45、60 cm及對照高 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到一個良好的狀態，可以促進苗木生長，提高造林成活率，從而實現經濟林木的可持續健康發展。該技術融保墑、促滲為一體、使用年限長、簡單易行，在我國廣大的干旱黃土丘陵區具有廣闊的應用前景。