應(yīng)用巖棉材料提高丘陵區(qū)經(jīng)濟林土壤水分保蓄能力

顧佳悅，方 偉，高 競，嚴(yán)淑嫻，馮歌林,劉彩霞，徐秋芳

(浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安 311300)

我國南方地區(qū)雖雨量充沛，但降雨呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，部分地區(qū)依然存在伏旱、秋冬旱等季節(jié)性干旱問題，特別是平均海拔約為50～100 m的丘陵地區(qū)，地下水供給少，植物生長主要依賴天然降水[1-3]。浙江省山多田少，在廣域的丘陵山地上種植著不同種類的經(jīng)濟林(梨、板栗、銀杏和蘋果等)，種植面積達112.52萬hm2，占全國經(jīng)濟林總面積的7.07%[4]，而普遍存在的季節(jié)性干旱問題嚴(yán)重影響經(jīng)濟林產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，極大地制約了丘陵地區(qū)林業(yè)生產(chǎn)發(fā)展[5-6]，實現(xiàn)水資源的有效利用已成為亟待解決的社會經(jīng)濟問題。

目前在應(yīng)對干旱問題方面，普遍使用的噴灌、管道輸水和蓄水池蓄水等節(jié)水技術(shù)在一定程度上可以改善區(qū)域缺水問題[7-8]，但修建管道工程量大、經(jīng)濟成本高。因此，對于無灌溉的丘陵經(jīng)濟林地，通過合適的水分保蓄措施、最大限度地利用天然降水，是提高無灌溉丘陵山地商品經(jīng)濟林產(chǎn)量和品質(zhì)的有效途徑之一[9]。保水材料的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代初，美國農(nóng)業(yè)部率先研制出適用于農(nóng)業(yè)的土壤保水劑[10]，隨后日本也研發(fā)出能夠應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的高吸水性樹脂型保水劑[11-12]，這類保水劑具有優(yōu)異的吸水保水性能，能同時達到保肥和保土作用，但土壤鹽分和電解質(zhì)肥料施用會大幅降低保水劑吸水保水性能[13-15]，同時又因其普遍價格昂貴，應(yīng)用成本較高，因此需要尋求一種價格相對低廉、適于大面積推廣的保水材料。巖棉是一種多孔材料，保水能力強，如表面增施親水性黏結(jié)劑又可提高其吸水能力，最大吸水量能達到自身重量的數(shù)倍。土壤中埋設(shè)巖棉可充分吸收降水，類似一個微型蓄水庫，在降雨季節(jié)吸收水分，之后緩慢釋放[16]。巖棉本身不吸持任何養(yǎng)分，但可通過水分固持水溶性肥料養(yǎng)分，并隨水分?jǐn)U散釋放至土壤中[17]，因此，巖棉材料兼具保水和保肥功能。當(dāng)前，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)方面主要應(yīng)用于經(jīng)濟效益較高的設(shè)施園藝上，如巖棉作為無土栽培的載體基質(zhì)已在月季[18]、番茄[19]、冰菜[20]和黃瓜[21]等花卉蔬菜栽培上取得成功；而將巖棉作為水分保蓄材料應(yīng)用于丘陵區(qū)土壤水分保蓄方面的研究尚未見報道。本研究先通過室內(nèi)試驗研究分析巖棉材料在不同質(zhì)地土壤中水分保蓄潛力及巖棉保蓄的水分在土壤中的擴散運動規(guī)律；然后進一步結(jié)合野外林地試驗，研究應(yīng)用巖棉材料對林地不同坡位土壤水分保蓄的影響，并以此為依據(jù)將巖棉水分保蓄技術(shù)應(yīng)用于山核桃林地，同時監(jiān)測種植在林地的油菜生長指標(biāo)，研究巖棉在山核桃林地土壤中的水分保蓄效果和對植物生長的影響，為解決丘陵區(qū)季節(jié)性干旱提供一種新的保水技術(shù)，促進區(qū)域經(jīng)濟林生產(chǎn)與生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試巖棉(施可達巖棉股份有限公司，安徽宣城)主要由83%的玄武巖、14%的高爐礦碴和3%的白云石在1580℃的高溫下進行熔化成纖，容重一般在70～100 kg·m-3，pH值為7～8，纖維直徑≤50 μm，樹脂含量為1.8%，孔隙度>95%，不含重金屬，其主要化學(xué)成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3和Fe2O3。加工過程中添加了親水性黏結(jié)劑，使其具有良好的親水性。

1.2 室內(nèi)試驗設(shè)計

1.2.1 巖棉吸水特性試驗及增水潛力估算 為研究吸水飽和的巖棉對不同質(zhì)地土壤最大容積有效水的增加潛力，通過測定巖棉最大吸水量來估算巖棉材料在不同質(zhì)地土壤中的最大增水潛力。參考張標(biāo)富[16]的方法，裁取長11.5 cm、寬10 cm、高10 cm、質(zhì)量為66.9 g的干燥巖棉塊，將其浸沒于蒸餾水中，與水箱四周壁面均無接觸，待巖棉塊充分吸水后取出，瀝除擦去表面浮水，立即稱重并記錄質(zhì)量。將等體積巖棉和土壤最大有效容積含水量的差值作為巖棉在土壤中的增水量，即為施用巖棉后土壤增加的有效容積含水量。

巖棉最大容積持水量用下面的公式計算：

w1=(m2-m1)/ρv×100%

式中,w1為巖棉最大容積持水量(%)，m2為巖棉吸水飽和后的質(zhì)量(g)，m1為干燥巖棉的質(zhì)量(g)，ρ為標(biāo)況下水的密度(g· cm-3)，v為巖棉體積(cm3)。

巖棉最大有效容積持水量用下面的公式計算：

w2=w1×(1-10%)

式中,w2為巖棉最大有效容積持水量(%)，10%為巖棉水分無法被植物利用的百分比[22]。

1.2.2 巖棉水分?jǐn)U散室內(nèi)模擬試驗 通過設(shè)計巖棉水分?jǐn)U散室內(nèi)模擬試驗來研究巖棉吸持的水分在風(fēng)干土壤中的擴散規(guī)律。2019年3月5日至18日在浙江農(nóng)林大學(xué)溫室陽光大棚內(nèi)進行試驗，裁取長30 cm、寬10 cm、高10 cm的巖棉試件，充分吸水并去除表面浮水，放置于長30 cm、寬30 cm、高30 cm的方形亞克力箱子底部角落，與箱底、箱隔貼合，填入過2 mm篩的風(fēng)干土(中壤土，容重1.32 g·cm-3)，箱內(nèi)土壤的總高度約25 cm，水分測量探針為TZS-2X-G多參數(shù)水分記錄儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，浙江杭州)，分別埋設(shè)于離巖棉上側(cè)表面垂直方向和右側(cè)表面水平方向5、10 cm處，選取每天水分集中擴散時間段的開始時刻(10∶00)和結(jié)束時刻(16∶00)測定土壤含水量，共3次重復(fù)。

水分?jǐn)U散速率用下面的公式計算：

θ=(U2-U1)/t

式中，θ為水分?jǐn)U散速率(%·d-1)，U1表示同一監(jiān)測點前一天測定土壤含水量(%)，U2表示同一監(jiān)測點后一天測定土壤含水量(%)，t表示前后兩天測定的時間差(d)。

1.3 野外試驗設(shè)計

1.3.1 研究區(qū)概況 林地試驗分別于2018年2月至5月和2018年8月至2019年3月在浙江農(nóng)林大學(xué)紅豆杉試驗地和臨安大明山山核桃林試驗地進行。試驗區(qū)均位于浙江省杭州市臨安區(qū)(30°14′N，119°42′E)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量1 613.9 mm，年平均氣溫16.4℃，光照充足，年平均日照時數(shù)1 847.3 h，境內(nèi)主要以丘陵山地為主，季節(jié)性干旱主要包括秋旱、伏旱等。

1.3.2 紅豆杉自然林不同坡位巖棉保水試驗 為探究巖棉在不同坡位土壤中的水分保蓄效果，選取浙江農(nóng)林大學(xué)2016年新造紅豆杉幼林試驗樣地，面積為10 m×20 m，坡度約為20°，紅豆杉種植密度為3 000株· hm-2，行間間隔2 m。土壤質(zhì)地為粉黏土，pH為 4.78，有機質(zhì)為12.03 g· kg-1，堿解氮為80.35 mg· kg-1，速效磷為1.57 mg· kg-1，速效鉀為158.61 mg· kg-1。紅豆杉幼林地不施肥，土壤水分主要依靠天然降水。

在2018年11月選擇林地上坡、中坡、下坡等3個不同位置埋設(shè)巖棉，并在平行于各坡位的位置設(shè)置無巖棉對照CK1、CK2和CK3，同時布設(shè)水分測量探針(TDR)，通過時域反射原位測定土壤水分技術(shù)實時監(jiān)測土壤水分動態(tài)，試驗地巖棉、TDR布設(shè)圖如圖1。在植株行間開挖長130 cm、寬25 cm、高25 cm的溝渠，埋入長120 cm、寬15 cm、高15 cm巖棉條，溝與巖棉空隙之間填土，最后覆土10 cm；水分測量探針分別埋設(shè)于距巖棉水平方向側(cè)面5 cm處和10 cm處的植物根附近，對照組水分測量探針埋設(shè)坡位和深度與巖棉地處理相同；試驗地內(nèi)處理器4臺，用于數(shù)據(jù)收集與傳輸，水分測量探針共27個，探針埋設(shè)深度均在地表下方10 cm左右，每6 h自動測定土壤含水量，取日平均值作為當(dāng)日土壤含水量。水分測量設(shè)備調(diào)試完畢后于2018年2—5月進行紅豆杉自然林土壤巖棉水分保蓄試驗。

圖1 紅豆杉林地巖棉、水分測量探針布設(shè)圖Fig.1 The layout of rock wool and water probe in Taxus chinensis forest

1.3.3 野外山核桃經(jīng)濟林土壤巖棉保水試驗 為驗證巖棉在野外經(jīng)濟林土壤中保蓄水分的效果，在2018年8月開展山核桃經(jīng)濟林巖棉水分保蓄試驗。該試驗地位于臨安大明山山核桃林地，坡度約30°，土壤質(zhì)地為粉壤土，土層厚度30 cm，pH為4.52，有機質(zhì)為25.18 g· kg-1，堿解氮為179.43 mg· kg-1，速效磷為19.67 mg· kg-1，速效鉀為239.83 mg· kg-1，植株密度約600株·hm-2，每年5月施復(fù)合肥150 kg·hm-2(每50 kg肥料N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%，總養(yǎng)分含量≥45%)，定期除草。

2018年8月，在山核桃樹前方20 cm處挖溝埋設(shè)長120 cm、寬15 cm、高15 cm的巖棉條，共計100條。山核桃樹生長周期長，為直觀驗證巖棉保蓄水分對野外經(jīng)濟作物生長的影響，9月份在整片林地隨機均勻撒播油菜籽。2018年10月14日(久旱后，前期連續(xù)20d未降雨)和 2019年3月30日(雨后第一天)隨機采集同一片林地相同坡位巖棉地(距巖棉5～10 cm處)和無巖棉地的0～20 cm表層土壤，采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量，同時監(jiān)測油菜苗期、開花期形態(tài)生長情況及測定巖棉水分影響寬度范圍，以此評價巖棉對山核桃林地土壤水分保蓄效果。

1.3.4 土壤取樣及土壤理化性質(zhì)測定

(1)取樣方法。隨機采取試驗地不同坡位3個重復(fù)土樣，取0～20 cm土壤土層用于土壤物化指標(biāo)分析，各重復(fù)土樣混合均勻，四分法取樣，所取土壤樣品剔除肉眼可見的植物殘體及石塊，過2 mm篩備用。

(2)土壤水分測定方法。本研究土壤水分測定方法主要有烘干法[23]和TDR200時域反射原位測定土壤水分技術(shù)。TDR技術(shù)是利用不同介質(zhì)中電磁波傳播速度的不同來間接測定土壤含水量。與傳統(tǒng)烘干法相比較，該方法可原位測定土壤水分，操作簡單快捷，受環(huán)境干擾小，適用性廣[24-25]。室內(nèi)巖棉水分?jǐn)U散試驗、紅豆杉自然林保水試驗和山核桃林保水試驗分別利用托普云農(nóng)TZS-2X-G多參數(shù)水分記錄儀(測定原理同TDR)、TDR200水分測定儀和烘干法測定土壤含水量。

(3)土壤物理化學(xué)指標(biāo)。基礎(chǔ)土壤物理化學(xué)指標(biāo)均用常規(guī)方法測定[23]，測定指標(biāo)包括土壤質(zhì)地(比重計法)，土壤容重(環(huán)刀法)，pH(電位法)，堿解氮(堿解擴散法)，有效磷(鹽酸-氟化銨法)，速效鉀(乙酸銨提取-火焰光度計法)，有機質(zhì)含量(高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法)。

1.3.5 山核桃林油菜形態(tài)生長指標(biāo)測定方法 株高用卷尺測定植株地上根部距土表2 cm處到主莖頂部的高度；地莖用游標(biāo)卡尺測定垂直距離土表2 mm處的植株橫徑；葉面積為每株選取頂部向下第3葉測定長、寬最大值的乘積；單株鮮重：小心挖松油菜根部土壤，輕取植株，洗凈吸干水分，用百分之一電子秤稱重。以上均重復(fù)測定3次取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2007進行初步數(shù)據(jù)統(tǒng)計，通過IBM SPSS Statistics 22.0中Duncan's法進行數(shù)據(jù)的顯著性分析(顯著水平取0.05)，并用Origin Pro 8.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 巖棉吸水特性及增水潛力分析

通過室內(nèi)巖棉吸水試驗測定，充分吸水后的巖棉塊質(zhì)量為810.3 g，從而得到巖棉的最大吸水量為743.4 g和最大容積持水量64.64%。以巖棉的最大有效容積持水量(58.18%)為依據(jù)來分析巖棉應(yīng)用于不同質(zhì)地土壤的最大有效容積含水量的增加潛力。選取松砂土、砂壤土、中壤土和輕黏土等4種典型質(zhì)地土壤，根據(jù)《土壤學(xué)》[26]得到4種質(zhì)地土壤的容重和有效水范圍(表1)，如將巖棉埋入不同質(zhì)地土壤，最大有效容積含水量增加值依次為松砂土>砂壤土>輕黏土>中壤土，增水潛力最大的松砂土增量達54.02%，最低的中壤土增量也達41.41%。

表1 不同質(zhì)地土壤使用巖棉的有效水潛在增加效果

2.2 巖棉水分?jǐn)U散室內(nèi)模擬試驗

巖棉在土壤中吸水后形成微型水庫，隨水勢梯度向周圍土壤擴散。連續(xù)14 d監(jiān)測水飽和巖棉在風(fēng)干土壤中垂直和水平2個方向的擴散情況(圖2A、2B)發(fā)現(xiàn)，在垂直和水平兩個方向距離巖棉5 cm和10 cm的位置，巖棉中的水分最終都能在土壤中達到穩(wěn)定擴散。垂直方向距巖棉5 cm和10 cm處水分?jǐn)U散達到穩(wěn)定后土壤最高含水量分別為27.89%和13.13%，水平方向距巖棉5 cm和10 cm處水分?jǐn)U散達到穩(wěn)定后土壤最高含水量分別為20.67%和13.00%。同時，距巖棉5 cm處垂直及水平方向的監(jiān)測位點(圖2C)，土壤含水量從開始至第2天呈線性升高趨勢，土壤含水量增長速率分別為8.28%·d-1和7.62%·d-1；第2天至第4天土壤含水量增長速率分別為6.78%·d-1和2.01%·d-1，第4天以后基本達到穩(wěn)定水平，穩(wěn)定時間持續(xù)較長(約10 d)。距巖棉10 cm處垂直及水平方向的監(jiān)測位點(圖2D)，垂直方向土壤含水量從第1天開始增加，始終高于水平方向，土壤含水量穩(wěn)定持續(xù)時間約為6 d，水平方向巖棉吸收的水分在前5 d未擴散到達，直到第6天土壤含水量開始隨時間增加，第9天達到穩(wěn)定，穩(wěn)定持續(xù)時間較短(約4 d)。

圖2 水飽和巖棉水分在土壤中擴散的動態(tài)變化Fig.2 Dynamics of water diffusion from water absorbing saturated rock wool

2.3 巖棉對林地不同坡位土壤水分保蓄效果的影響

在2018年2—5月，比較紅豆杉自然林不同坡位處巖棉附近、巖棉地植物根附近和無巖棉地土壤含水量發(fā)現(xiàn)，連續(xù)晴天無雨期間上、下坡位土壤含水量總體表現(xiàn)為巖棉附近>巖棉地植物根附近>無巖棉地(圖3、4、5)，其中2018年5月9—17日無降雨期間，上坡和下坡的巖棉附近土壤含水量比對照組分別高出3%～5%和3%～9%(圖3)，上坡和下坡植物根附近含水量也比對照組分別高出1%～4%和3%～7%(圖4)，而中坡則沒有表現(xiàn)出上述規(guī)律，這可能與樣地中坡地勢較平緩有關(guān)。比較同一坡位巖棉附近與植物根附近土壤含水量發(fā)現(xiàn)，降雨期間兩者土壤含水量接近(如3月19日、4月5日、4月22日和5月15日等)，但連續(xù)晴天無雨時巖棉附近土壤含水量高出植物根附近1%～4%(圖5)，這可能與植物根附近水分較容易被植物根吸收利用有關(guān)。本研究中，土壤含水量受降水影響波動明顯，3個坡位最高土壤含水量一般出現(xiàn)在降水次日，主要是土壤對降水吸收及水分遷移存在滯后反應(yīng)。同時，土壤含水量隨著降雨量的增加而增加，但各坡位土壤含水量并沒有超出其他時間段的最大含水量(如4月22日降雨量達到54.4 mm)。長期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，3個月內(nèi)土壤飽和容積含水量隨時間增加略有減小。以上結(jié)果說明，在不同坡位的土壤中，巖棉均可保蓄降雨輸入土壤的過剩水分，并在無雨時持續(xù)補給植物根系，為植物生長提供更多的水分。

圖5 同一坡位巖棉附近與植物根附近土壤水分動態(tài)Fig.5 Soil moisture dynamics near rock wool and plant roots at the same slope position

圖4 各坡位巖棉地植物根附近及對照土壤水分動態(tài)Fig.4 Soil moisture dynamics near plant roots in rock wool land and control of different slope positions

圖3 各坡位巖棉附近及對照土壤水分動態(tài)Fig.3 Soil moisture dynamics near rock wool and control of different slope positions

2.4 巖棉對山核桃林土壤水分保蓄效果的影響

自2018年8月進行山核桃經(jīng)濟林土壤巖棉水分保蓄試驗，以土壤含水量和油菜生長情況為依據(jù)，研究巖棉對山核桃林土壤水分保蓄的影響。分別在久旱后和雨后測定巖棉附近和無巖棉土壤含水量，結(jié)果表明，山核桃林地巖棉附近土壤質(zhì)量含水量均顯著高于無巖棉地(圖6)(P<0.05)，其中久旱后和雨后巖棉附近土壤含水量分別比無巖棉地提高了29.20% 和23.39%。由圖7油菜生長指標(biāo)表明：巖棉處理的林地油菜長勢良好，與無巖棉地相比，植株地莖、株高、單株鮮重和葉面積均顯著高于無巖棉地(P<0.05)，分別增加了58.63%、62.85%、65.66%和44.51%；巖棉地油菜生長分布寬度為80 cm(以土表上方10 cm高的為基準(zhǔn))，巖棉條寬度為15 cm，巖棉保水效果影響植株生長的寬度范圍是其自身寬度的5倍。

圖7 巖棉和無巖棉地油菜開花期地莖、株高、單株鮮重和葉面積對比圖Fig.7 Comparison of plant stem diameter, plant height, fresh weight of single plant and leaf area in the anthesis stage between with and without rock wool

圖6 久旱后、雨后山核桃林地巖棉與無巖棉地 土壤含水量比較Fig.6 Comparison of soil water content between rock wool and non-rock wool in Carya cathayensis forest in different periods after long drought and rain

3 討 論

3.1 巖棉對不同質(zhì)地土壤水分保蓄能力

土壤質(zhì)地顯著影響土壤有效水含量[27]，不同質(zhì)地土壤由于其不同顆粒機械組成、土壤孔隙度等差異較大，從而影響水分在土壤中的擴散和保蓄能力[28]。本研究通過室內(nèi)吸水試驗得到巖棉最大容積持水量為64.64%，進一步估算巖棉埋入不同質(zhì)地土壤后土壤有效水含量的增加潛力發(fā)現(xiàn)，巖棉埋入松砂土、砂壤土、中壤土和輕粘土等4種典型質(zhì)地土壤中有效水含量均有不同程度的增加，說明埋入巖棉提高土壤水分保蓄能力的技術(shù)對不同質(zhì)地土壤均有效，體現(xiàn)了巖棉埋入對土壤有效水含量的提高具有普適性意義。對不同質(zhì)地土壤施用巖棉后的土壤容積有效水含量的增加量進行比較，以偏砂質(zhì)土壤的增水潛力最優(yōu)，這與田丹等[29]在研究生物炭對不同質(zhì)地土壤水分?jǐn)U散影響的結(jié)果一致，砂質(zhì)土壤或者質(zhì)地較粗的林地土壤孔隙較大，保水保肥能力差，與其他質(zhì)地土壤相比，保水材料的施入對提高其持水性能效果更佳。

3.2 室內(nèi)模擬巖棉保蓄水分在土壤中的擴散規(guī)律

已有研究表明，在土壤中添加保水劑不僅可以提高土壤保水能力，同時會影響水分在土壤中的擴散過程[30]。本研究中，垂直及水平方向距巖棉5 cm的監(jiān)測點巖棉水分在開始至第2天垂直和水平方向土壤含水量增長速率接近，可認為是等速擴散階段；第2天至第4天垂直擴散速度(6.777%·d-1)大于水平擴散速度(2.013%·d-1)，為非等速擴散階段；隨著巖棉內(nèi)部水分的充分釋放，土壤水分逐步均勻化，最后達到穩(wěn)定水平，這與朱德蘭[31]等研究結(jié)果一致，他們認為水分在土壤中的擴散主要經(jīng)歷3個階段：第一階段為等速擴散階段，在該階段水分運移由土壤水吸力、熱運動和重力3種力驅(qū)動，其中土壤水吸力起主要作用，而水平和垂直方向上土壤水吸力基本相同，因此水分水平和垂直方向擴散速度基本相同；第二階段為非等速階段，土壤水吸力隨土壤含水量的增大而逐漸減小，此時熱運動和重力起主要作用，水分垂直擴散速度大于水平擴散速度；第三階段受熱運動和土壤顆粒結(jié)合力作用，土壤水分逐步均勻化，最后達到穩(wěn)定水平。本研究發(fā)現(xiàn)，巖棉水分在向上垂直和水平兩個方向均有擴散能力，且均能實現(xiàn)水分的穩(wěn)定供應(yīng)。相同水分?jǐn)U散方向距巖棉5 cm處的土壤含水量高于距巖棉10 cm方向，這與薛萬來等[32]研究微潤帶附近土壤水分動態(tài)結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)以微潤帶為中心土壤含水量向管帶四周逐漸降低，這說明在實際應(yīng)用中巖棉埋設(shè)位置距離根系不宜太遠。

3.3 巖棉對林地不同坡位土壤水分保蓄的影響

本研究中紅豆杉林地上、下坡位巖棉附近和巖棉地植物根附近的土壤含水量均高于無巖棉處理，表明巖棉對野外不同坡位土壤均能夠充分發(fā)揮保蓄水分的作用。下坡巖棉附近和巖棉地植物根附近土壤含水量的增幅較上坡大，可能原因在于下坡不僅能夠保蓄天然降水，同時對上坡通過地表徑流到達下坡的過剩水也有保蓄作用，因此下坡土壤含水量增幅較大，這說明巖棉埋入對坡下部土壤的水分保蓄效果更好。在監(jiān)測時間段內(nèi)，林地土壤飽和容積含水量隨時間略有下降，可能原因是：第一，新墾坡地土壤顆粒孔隙較大，隨時間變化土壤細微顆粒填充了土壤中的大孔隙，導(dǎo)致土壤孔隙數(shù)目減少，從而降低了土壤飽和容積含水量；第二，土壤細微顆粒填充了巖棉孔隙，導(dǎo)致孔隙度下降，本研究所用巖棉材料孔隙度達95%以上，隨埋藏時間的增加巖棉孔隙逐漸被土壤細微顆粒填充而降低了水分保蓄能力，進而降低了土壤飽和容積含水量。強降雨天氣易造成坡地土壤水土流失[33]，巖棉的應(yīng)用不僅能夠提高丘陵地不同坡位土壤水分保蓄能力，同時通過水分保蓄過程，土壤中部分水溶性養(yǎng)分也進一步得到固持，這為丘陵坡地種植植物的生長提供了更多的水肥資源。

3.4 巖棉對山核桃林土壤水分保蓄的影響

在經(jīng)營措施相同的情況下，土壤水分是影響山核桃林地油菜生長的主要因素。本研究中巖棉處理不僅提高了山核桃林地土壤含水量，并且在巖棉地種植的油菜株高、地莖及單株鮮重均顯著高于對照樣地種植的油菜，在其他生境條件類似的情況下，通過油菜生長方面的差異也體現(xiàn)了巖棉對山核桃林地土壤水分保蓄能力的提升，說明在丘陵區(qū)山核桃經(jīng)濟林土壤中埋入巖棉材料能夠有效提升土壤有效水含量。通過對天然降雨的有效截獲以及在長時間無雨期水分的緩慢釋放，能夠提供更多的水分來供應(yīng)林地植物生長，有效緩解了丘陵區(qū)山核桃林地季節(jié)性干旱的問題，對于保障山核桃果實的產(chǎn)量與質(zhì)量以及山核桃林地可持續(xù)發(fā)展有積極意義。因此，盡管目前依然存在著在野外林地埋藏巖棉工作相對不易開展等問題，但是巖棉提高土壤水分保蓄技術(shù)依然值得在丘陵區(qū)經(jīng)濟林作物栽培領(lǐng)域進行大面積推廣。

4 結(jié)論與展望

本研究所用巖棉材料最大容積持水量為64.64%，保水蓄水能力較強，且理論上對提高不同質(zhì)地土壤的水分保蓄能力均有效果。吸水飽和的巖棉材料能夠?qū)⒈Ｐ畹乃钟行U散到周圍10 cm左右土壤范圍內(nèi)，且能實現(xiàn)水分的穩(wěn)定供給，垂直和水平方向最高土壤含水量距巖棉5 cm處高于10 cm處，建議實際應(yīng)用中巖棉埋設(shè)位置宜在距離植物根系10 cm范圍內(nèi)。針對丘陵區(qū)土壤保蓄水分能力差的問題，巖棉保蓄土壤水分技術(shù)有較好的應(yīng)用效果。晴天無雨時，紅豆杉林地上、下坡土壤含水量巖棉附近最高，巖棉地植物根附近次之，無巖棉地(對照)最低；山核桃林地久旱后和雨后土壤含水量巖棉地顯著高于無巖棉地；巖棉地種植的油菜株高、地莖及單株鮮重均顯著高于對照樣地種植的油菜。巖棉材料能夠有效地蓄積天然降水且持續(xù)供應(yīng)給植物利用，從而緩解季節(jié)性干旱對經(jīng)濟林生產(chǎn)的影響，提高經(jīng)濟林收益并促進林業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。

由于巖棉材料在提高丘陵山地經(jīng)濟林土壤水分保蓄能力方面的研究還處于探索性階段，在實際應(yīng)用中還需根據(jù)不同作物根系分布情況設(shè)置巖棉埋設(shè)深度和巖棉埋設(shè)的用量，結(jié)合不同質(zhì)地土壤自身物理特性嘗試改變巖棉的分散狀態(tài)，比如對于粘性較高的土壤可以考慮應(yīng)用顆粒狀巖棉，同時起到降低土壤粘度和保蓄水分的作用。同時，還需進一步研究巖棉反復(fù)吸水的能力和使用壽命等問題，完善巖棉在農(nóng)林業(yè)應(yīng)用方面的理論實踐體系，以期在生產(chǎn)實踐中更充分發(fā)揮巖棉對提高土壤保蓄水分的能力。