某地國家儲備林土壤含水量變化規律研究*

秦建明，張桂云，王董董，趙夢蝶

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，鄭州市，450001；2.鄭州大學綜合設計研究院有限公司，鄭州市，450002；3.華北水利水電大學，鄭州市，450045；4.河南省黃河流域水資源節約集約利用重點實驗室，鄭州市，450045)

0 引言

中國是木材生產和消費大國[1]，目前，我國木材缺口較大[2-3]，且木材進口量逐年上升[4-5]，建設國家儲備林是保障我國木材安全、解決供求矛盾的重要途徑。自2014年“國家儲備林”概念提出以來，我國出臺多項政策并設立專項資金支持國家儲備林建設[6]。河南省是我國國家儲備林首批試點省，部署了十年建成森林河南的戰略規劃。某地規劃國家儲備林基地建設面積共17.4 khm2。該地國家儲備林二期項目建設規模5.4 khm2，其中綠化澆灌總面積約2.56 khm2，項目總投資約9億元。目前該地國家儲備林一期項目已完工，因地勢地貌、灌溉用水保障不足及灌溉不合理等原因，導致一期林木生長緩慢，且大面積枯萎，造林成活率低，需要進行多次補植，不僅建設費用增加，也挫傷了人民造林的積極性。

水分是植物生長過程中的主要限制因子之一，充足的水資源及合理的灌溉是抗旱造林的重要構成部分，因地制宜制定合理的灌溉制度顯得尤為重要。探索土壤水分運動規律，對于灌溉制度的正確制定有著重要意義。目前，眾多學者利用儀器設備研究作物土壤水分狀況，如高陽等[7]通過在農田不同土層深度埋設土壤水分傳感器研究土壤剖面含水率的動態變化；張洪波等[8]利用土壤水分快速測試儀測定土壤水分含量來控制灌溉；王風嬌等[9]利用水分傳感器研究不同位置和灌水閾值對棉花生理及產量的影響；唐敏等[10]利用土壤水分傳感器研究不同土地類型土壤剖面含水量變化情況；張敏等[11]采用TDR觀測黃土丘陵緩坡風沙區0～100 cm土層含水量情況，研究不同土地利用類型下土壤水分變化規律。然而，應用土壤溫濕度傳感器分析人工林土壤水分狀況的研究較少，特別是利用土壤水分傳感器研究幼林成活期土壤水分變化規律并指導科學灌溉方面的研究鮮有報道。本文主要針對某國家儲備林中杜仲林基地研究樹盤式灌溉條件下不同灌水定額對應的土壤水分的變化規律，揭示停灌后土壤含水量的變化過程，為確定灌水定額和灌水周期等灌溉制度提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于河南省某地國家儲備林建設基地(北緯34°31′～34°52′，東經112°49′～113°17′)，屬溫帶季風氣候，根據氣象資料統計，該地區年平均降水量597.2 mm，主要集中在夏季汛期，約占全年降水量的一半，7、8月份降水量最多，約232.9 mm。年平均氣溫14.8 ℃，7月平均氣溫27.1 ℃，年平均日照時數1 954.7 h，無霜期234 d。試驗區土層深厚，以粉土為主，地下水位較深。

供試杜仲樹為2018年春季移栽的苗木，株行距2 m×3 m，樹齡為2年，未出現凋萎、枯死的現象，苗木長勢良好、無蟲無病、株徑相近、枝條數量相近，平均樹高1.8 m，平均胸徑4.0 cm。根系集中分布在距地表50 cm的土層內。

1.2 土壤濕度傳感器布設

在距樹干30 cm處開挖兩對稱剖面，將土壤溫濕度傳感器按照圖1所示豎直放置在土壤中，埋放深度分別為10 cm、25 cm、35 cm、45 cm和55 cm，在一定的時間和不同的土壤深度下，監測土壤含水量的變化情況[12]，最后將開挖土壤恢復原狀，確保傳感器的探頭與土壤緊密接觸[13]。土壤溫濕度傳感器通過4G信號將所測數據傳入云平臺，設置數據上傳時間間隔為30 min/次，由此實現土壤體積含水量的實時監測。

圖1 土壤溫濕度傳感器埋放示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor layout of circular cofferdam in tree disk

1.3 試驗設計

試驗中灌水定額取值參照河南省地方標準《農業用水定額》(DB41/T 958—2014)(表1)進行確定。

表1 河南省地方農業用水定額Tab.1 Local agricultural water quota of Henan Province

將A022中100 L/(棵·次)作為本次試驗灌水定額的參考取值，其余試驗組灌水定額數值依據該參考值進行選取。試驗中6組灌水定額數據如下：60 L/(棵·次)、80 L/(棵·次)、100 L/(棵·次)、120 L/(棵·次)、140 L/(棵·次)、160 L/(棵·次)。

根據天氣情況，在持續高溫的6月開始進行試驗。6月23號灌水試驗正式開始，試驗時將不同水量灌入相對應的兩組樹木圓形圍堰中，記錄灌水日期及各灌水量對應的樹木編號，同時通過云平臺觀測各圓形圍堰內土壤體積含水量的變化。

1.4 測定項目

1.4.1 田間持水量、容重及空隙率

試驗區內隨機選取3個測點，開挖尺寸為1.0 m×1.0 m正方形土壤剖面坑，深度為1.2 m。用有編號的環刀取0～60 cm的土樣，取土深度分別為10 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm。把取好的土壤樣品帶回實驗室，然后將環刀有孔蓋一側向下放入浸泡容器中24 h，浸泡后置于蓋有濾紙的風干試樣環刀中進行水分下滲[14]，直至土壤水分平衡。用天平稱量每個環刀和濕土重量(M1，g)。然后取下環刀蓋，放入恒溫烘箱中，105 ℃下烘干至恒重，再稱重(M2，g)，取出干土樣對環刀進行稱重(M3，g)[15]。根據稱重結果及相關公式，計算田間持水量及容重。

1.4.2 土壤體積含水量測定

在灌水前1周將土壤溫濕度傳感器埋入，對灌水前試驗區土壤含水量進行測定，并結合室內環刀測含水量法對儀器測定結果進行校正。試驗時將60 L、80 L、100 L、120 L、140 L、160 L水分別灌入對應的圓形圍堰中，然后進行土壤含水量的測定。

1.5 數據分析

運用Excel 2016對數據進行統計、處理與分析，采用Origin和Visio軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 田間持水量與土壤容重

由表2可知，田間持水量受土壤深度變化的影響，隨著土壤深度的增加，田間持水量先增大后減小，在土壤深度分別達到25 cm及35 cm時，其對應的田間持水量遠高于其余各土層深度下的田間持水量。土壤干容重和田間持水量呈負相關，隨著土壤深度的增加，土壤容重先減小后增大，10 cm處容重最大，為1.53 g/cm3。

表2 土壤不同深度田間持水量和容重Tab.2 Field water holding capacity and bulk density at different depths of soil

2.2 不同灌水定額下土壤體積含水量

2.2.1 灌水后12 h土壤體積含水量變化規律

試驗期間總體氣溫較高，日平均氣溫維持在27 ℃以上，除7月4日天氣轉陰，夜間發生一次3 mm的短暫降雨外，天氣均符合高溫、高輻射強度的試驗要求。

由圖2可知，灌水后12 h，6種灌水定額下每個土層深度的土壤體積含水量均高于其田間持水量，10 cm深處土層各測點含水量集中分布在22.57%～27.99%，相對其它土層深度該數據較為集中，表明灌水量的大小對地表土壤水分含量影響不大。

圖2 灌水后12 h時各測點土壤體積含水量變化Fig.2 Change of soil volumetric water content at each measuring point 12 h after irrigation

從圖2中可以看出，在同一土層深處，隨著灌水量的增加，土壤體積含水量逐漸增大，但各個含水量的增加量并不均等。在灌水量由60 L/(棵·次)逐漸增加到120 L/(棵·次)時，40～70 cm各深度處，土壤體積含水量增長較明顯，當灌水量由120 L/(棵·次)增加到160 L/(棵·次)時，土壤體積含水量增長緩慢。

2.2.2 不同灌水定額下的灌水周期

將灌水結束后土壤溫濕度傳感器采集到的數據進行篩選和整理，對不同灌水定額下土壤10 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm深處傳感器布設點的土壤含水量變化結果進行以下對比分析。

由圖3～圖8可知，在灌水后10 d，6種灌水量各個土層深度的土壤體積含水量均小于該層的田間持水量，但各測點含水量均超過田間持水量的70%。任超[16]通過試驗，將0～180 cm土層按土壤水分運移規律劃分為4個層次，分別為活躍層(0～30 cm)、貯水層(30～60 cm)、緩變層(60～100 cm)、均穩層(100～180 cm)。其中貯水層是促進作物生長的主要供水層。由圖3～圖8可以看出，灌水后10 d，25 cm土層處土壤含水量基本比其它各層含水量都高，該層為貯水層，且2年生杜仲樹主要吸收根系分布在距地面50 cm土層內[17]，因此，該層土壤的蓄水能力對樹木的成活率有很大影響。

圖3 灌水量60 L/(棵·次)時土壤體積含水量變化Fig.3 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 60 L/(tree·time)

由圖3可知，灌水量為60 L/(棵·次)時，灌水后14 d各層土壤體積含水量均低于田間持水量的70%，由圖4可知，灌水量為80 L/(棵·次)時，灌水后16 d各土層含水量降到田間持水量的70%以下。據相關研究，作物的根系生長受土壤含水量的影響，土壤水分含量在田間持水量的70%到田間持水量之間，最適合根系的生長[18-19]。因此，在該試驗條件下，灌水量60 L/(棵·次)和80 L/(棵·次)對應的灌水周期分別為14 d和16 d。由圖5～圖8可知，灌水量100 L/(棵·次)、120 L/(棵·次)、140 L/(棵·次)、160 L/(棵·次)對應的灌水周期分別為18 d、22 d、23 d、24 d。由圖5～圖8可以看出，50～60 cm土層的含水量并未低于同期田間持水量的70%，但考慮到2年生杜仲樹主要吸收根系的分布范圍，因此在確定灌水周期時以土層10～40 cm的土壤含水量作為評判標準。

圖4 灌水量80 L/(棵·次)時土壤體積含水量變化Fig.4 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 80 L/(tree·time)

圖5 灌水量100 L/(棵·次)時土壤體積含水量變化Fig.5 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 100 L/(tree·time)

圖6 灌水量120 L/(棵·次)時土壤體積含水量變化Fig.6 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 120 L/(tree·time)

圖7 灌水量140 L/(棵·次)時土壤體積含水量變化Fig.7 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 140 L/(tree·time)

圖8 灌水量160 L/(棵·次)時土壤體積含水量變化Fig.8 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 160 L/(tree·time)

3 討論

由圖2可以看出，灌水12 h后，6種不同灌水量下各土層深度的土壤體積含水量均高于田間持水量。10 cm 深處土層各測點含水量差異較小，表明停灌后12 h灌水量的大小對該層土壤體積含水量影響較小。隨著灌水量由60L/(棵·次)增加到120L/(棵·次)，30～60 cm段土壤含水量增長較明顯，當灌水量繼續增加時，含水量增長速率顯著降低。

由圖3～圖8可以看出，灌水后10 d，6種灌水定額下各土層深度的土壤體積含水量均保持在田間持水量的70%以上。10 cm土層深處土壤體積含水量較灌水后12 h降低最多，這是因為表層土壤水分在達到一定量后開始下滲，且該層土壤在土壤性狀本身及氣象條件作用下，水分運動最為活躍，損失最大[20]，導致這段深度的土壤含水量急劇降低。隨著土層深度和灌水量的增加，下層土壤含水量變化幅度較小，降低速率變慢。同灌水12 h后規律相同，灌水量在由60 L/(棵·次)增加到160 L/(棵·次)過程中，土壤貯水層含水量增加速率由快變慢，當灌水量超過120 L/(棵·次)，土壤含水量變化不大。可見，灌水量達到120 L/(棵·次)時，土壤水保持力基本達到最大，增加灌水量不能顯著提高土壤的持水能力。

杜仲樹的耗水特征、氣象條件、土壤水分狀況、降雨情況及對雨水的利用均能對其灌溉造成影響。適當的灌溉能有效的保證樹木的正常生長和生理活動，從而避免其出現明顯的缺水癥狀，每當土壤含水量降至田間持水量70%時，應進行灌溉以確保人工林的根系始終在合適的土壤水分條件下生長。

4 結論

本文選取河南省某地國家儲備林中杜仲樹為對象進行試驗設計，對不同灌溉量下杜仲樹灌水后土壤水分運移規律進行研究，得到以下結論。

1)通過試驗結果分析可知，灌水量達到120 L/(棵·次)時，土壤水保持力基本達到最大，增加灌水量不能顯著提高土壤的持水能力，推薦120 L/(棵·次)作為該地國家儲備林的灌水定額。

2)不同灌水量對應的灌水周期不同。灌水量60 L/(棵·次)、80 L/(棵·次)、100 L/(棵·次)、120 L/(棵·次)、140 L/(棵·次)、160 L/(棵·次)對應的灌水周期分別為14 d、16 d、18 d、22 d、23 d、24 d。適合當地國家儲備林的灌溉制度為：灌水定額120 L/(棵·次)、灌水周期22 d。

本試驗只對河南省某地高溫條件下盤灌栽培的杜仲林土壤水分動態變化進行了研究，在氣候和土壤類型條件方面具有一定的局限性。今后希望開展不同季節和土壤條件下盤灌栽培的杜仲林土壤水分動態研究，以期為灌溉工程規模的確定提供更為準確的理論依據。