趙榮瑋，張建軍，2，劉曉易

晉西黃土區(qū)降雨稀少，蒸發(fā)量大，干旱是該地區(qū)主要的氣候特征之一［1-3］;同時，該地區(qū)侵蝕較強，溝坡坡度較大，植被較為稀疏，是主要的產(chǎn)沙源和輸沙通道，水土流失、滑坡及崩塌等自然災(zāi)害，時有發(fā)生［4-5］。晉西黃土區(qū)已成為黃土高原林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)的重點區(qū)域之一。在該地區(qū)人工林的營造過程中，缺乏先進、成熟和有效的技術(shù)作為保障［6］，存在成活率低、生長慢、綠化質(zhì)量低及效益差等諸多問題［7-8］，嚴重制約了我國林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)進度和成效發(fā)揮。因此，在晉西黃土區(qū)開展有關(guān)造林及植被恢復(fù)技術(shù)的研究，對于改善生態(tài)環(huán)境，防治水土流失等自然災(zāi)害的發(fā)生，具有重要意義。

對干旱陡坡造林地供水，可以提高栽植穴土壤含水量，進而可提高造林苗木的成活率。目前，國內(nèi)對于供水造林技術(shù)的研究較多，已取得很多成果。如山西普泉公司研制的普泉控水袋、中國礦業(yè)大學(xué)研制的蓄水滲膜(滲水袋)、廢棄輸液袋供水、高壓注水及插管供水等技術(shù)。2008年，甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院在干旱少雨期的山地綠化工程中，用高壓水槍直接為檸條(Caragana korshinskii)、毛條(Caragana rororshisrii)和側(cè)柏(Platycladus orientalis)等苗木根系供水，有效地提高了土壤水分，造林成活率平均達98%以上。季元祖等［9］在造林試驗中，使用普泉控水袋，油松(Pinus tabulaeformis)和柴松(Pinus tabulaeformis F．shekanensis)造林成活率達到92.4%和89.2%，分別比普通造林的成活率提高7.9和6.1百分點;油松和柴松的新枝生長量分別為11.5和8.6 cm，分別比普通造林提高38.55%和10.26%。吳朝甲等［10］在油松造林試驗中，采用中國礦業(yè)大學(xué)研制的蓄水滲膜技術(shù)，成活率比對照提高7百分點，苗高和地徑較對照提高8和0.23 cm。楊慧榮等［11］在陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)干旱山地造林試驗中，節(jié)水包滲灌技術(shù)使棗樹(Ziziphus jujuba)造林成活率提高52.5%，水分利用效率達到95%，滲灌1 t水比穴灌1 t水可使棗樹增產(chǎn)50%。吳普特等［12］在棗園布設(shè)涌泉根灌設(shè)施，其凈增收入1萬926元/hm2，凈增值率高達235.0%?？梢?，目前關(guān)于供水造林的研究成果有很多，效果較為顯著。但是各種供水措施也存在著不足，集中體現(xiàn)在:大型供水設(shè)備的制造以及在困難立地的布設(shè)，成本較大，且操作不方便;其次，部分壤中供水裝置存在堵塞的問題［13］;再者，一些供水設(shè)備遺留的廢棄管(帶)極難降解，容易形成土壤隔層，影響降雨的入滲和土壤的透氣性，使土壤劣化，造成嚴重的土壤污染。所以，針對晉西黃土區(qū)干旱陡坡造林的特點，研制一種成本較低，且操作方便，同時可降解的防堵塞滲灌產(chǎn)品，是當前需要解決的問題之一。

筆者自行設(shè)計了一種可降解型防堵塞壤中限量滲灌供水袋。供水袋滲灌水的最大垂直入滲深度和最大水平濕潤半徑是滲灌濕潤體的重要特征值，其共同決定了濕潤體的形狀和體積。通過對供水袋滲灌軌跡、造林栽植穴的土壤含水量、苗木的成活率及生長量的測定，以期探究晉西黃土區(qū)干旱陡坡供水袋滲灌技術(shù)的濕潤體特征，及其對造林成效的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣蔡家川流域(E 110°39'45″～110°47'45″，N 36°14'27″～36°18'23″)，流域總面積38 km2，長約14 km，海拔950～1 370 m，屬暖溫帶大陸性氣候。年均降水量為575.9 mm，降水主要集中在6—9月，約占全年降水量的70%，年均氣溫10℃，歷年最低氣溫－20.4℃，歷年最高氣溫38.1℃，年平均水面蒸發(fā)量為1 725 mm，光照時間平均2 563.8 h，無霜期平均170 d。該流域為典型的黃土殘垣溝壑區(qū)，土壤為微堿性碳酸鹽褐土，黃土母質(zhì)。森林覆蓋率為39.18%，上游是由山楊(Populus davidiana)、遼東櫟(Quercus liaotungensis)、虎棒子(Ostryopsis davidiana)和丁香(Syringa oblate)等組成的天然次生林，中游為刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松和側(cè)柏等組成的人工林，下游為荒草坡和農(nóng)地。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

材料主要為2年生側(cè)柏容器苗、亮藍染液和自制供水袋。

自制供水袋由水袋和滲灌頭組成(圖1)。水袋和滲灌頭可拆卸連接，滲灌頭內(nèi)設(shè)置有定量滲水膜(混合纖維素微孔濾膜)，其孔徑可設(shè)置為0.22、0.30、0.45、0.65和1.2μm。適宜孔徑的定量滲水膜的使用，使供水袋里的水緩慢流出，實現(xiàn)對造林苗木根系持續(xù)有效供水，避免苗木栽植后，由于一次大量灌水，水分深層入滲造成的水分浪費。滲灌頭為多孔型(圖2)，避免出水口堵塞的問題;水袋材料為可降解的殼聚糖，減少對土壤環(huán)境的污染。使用該供水袋對造林苗木根系進行壤中滲灌，成本較低，且操作方便。

圖1 供水袋結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Structure diagram of water supplying bag

圖2 供水袋使用示意圖Fig．2 Diagram of using water supplying bag

2.2 試驗設(shè)計

2015年3月5日，選擇蔡家川流域北坡的荒草坡為試驗樣地(陽坡、坡度32°、下坡位)，進行魚鱗坑提前整地，整地規(guī)格為1 m(長徑)×0.8 m(寬徑)×0.6 m(深)。降雨的次日(2015年4月1日)進行造林試驗，栽植苗株行距為2 m×2 m。首先將側(cè)柏容器苗放入栽植穴，然后將自制供水袋埋在苗木根系旁邊，距離地表20 cm左右，最后回填栽植穴。供水袋容積為3 L，定量滲水膜孔徑分別設(shè)置為0.22、0.45和1.20μm，同時設(shè)置定期澆水組(每5 d澆1 L水)，以及不做任何處理的對照組。每個試驗處理栽植側(cè)柏容器苗30株，研究共栽植苗木150株。2015年4月1日至5月20日，用便攜式手持土壤水分測定儀(TDR)每隔3 d測定一次壤中滲灌造林試驗，各試驗處理栽植穴的土壤含水量，每次測定時間分別為08:00、12:00和16:00，平均值作為當天的土壤含水量。苗木生長量的調(diào)查以苗高生長量和新枝生長量作為參考指標，分別于造林初期和生長季結(jié)束，用鋼卷尺對各試驗處理苗木進行測量;同時，在生長季結(jié)束后，統(tǒng)計造林成活率。在造林地附近選擇一塊荒草地，去除地表雜草，挖3個規(guī)格為4 m(長)×3 m(寬)×1 m(深)的土壤剖面。對剖面1進行均勻澆水遮蓋處理，剖面2進行遮蓋處理，剖面3不做任何處理，1周后用環(huán)刀取樣，每個剖面選取3個典型位置，進行重復(fù)取樣，以每20 cm為一個土層，測定每個剖面0～40 cm土層的平均土壤含水量、土壤密度和土壤孔隙度，結(jié)果見表1。

表1 土壤剖面基本情況表Tab．1 Basic situation of soil profile

取樣結(jié)束之后，在每個剖面地表分別布設(shè)供水袋滲灌試驗，供水袋里加入亮藍染液，滴管頭內(nèi)定量滲水膜孔徑為0.45μm，容積分別為1、2、3和4 L，各設(shè)5個重復(fù)，如遇雨天對剖面進行遮蓋處理。待自制供水袋地表滲灌完畢后，以每2 cm為一個觀測層，根據(jù)亮藍在各土層的軌跡，確定滲灌濕潤體在各土層的濕潤范圍，根據(jù)測定層數(shù)，確定滲灌水的最大垂直入滲距離。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)處理及繪圖，采用SPSS軟件進行單因素方差分析和回歸分析。

圖3 濕潤體形狀示意圖Fig．3 Shape diagram of wetted soil

3 結(jié)果與分析

3.1 無苗木栽植時供水袋濕潤體特征

最大垂直入滲距離和最大水平濕潤半徑是供水袋地表滲灌濕潤體的重要特征值［14］。用亮藍染液確定供水袋滲灌軌跡的研究結(jié)果表明:供水袋滲灌濕潤體各觀測層濕潤范圍近似圓形，最大垂直入滲距離＞最大水平濕潤半徑。可見，供水袋滲灌濕潤體形狀近似垂直半橢球體，如圖3所示。

計算供水袋滲灌濕潤體最大垂直入滲距離和最大水平濕潤半徑的試驗結(jié)果見圖4。由圖4可知，供水袋滲灌濕潤體最大垂直入滲距離和最大水平濕潤半徑，是隨水袋供水量和初始土壤含水量的增加而增大。

圖4 不同土壤含水量下濕潤體的特征值Fig．4 Characteristic value of wetted soil in different soil moisture content

假設(shè)供水袋滲灌頭所在位置為坐標原點，則垂直半橢球形濕潤體的擬合方程式為:x2/A2+ y2/B2+z2/B2=1(A為最大垂直入滲距離，B為最大水平濕潤半徑)。由此可知，濕潤體體積計算公式為:V=2πAB2/3，計算求得的濕潤體體積V與供水量體積W的關(guān)系如圖5所示?；貧w分析得出，擬合方程呈V=aWb的冪函數(shù)關(guān)系，各擬合方程決定系數(shù)均在0.97以上，表明冪函數(shù)可以準確描述濕潤體體積和供水量的關(guān)系。通過以上擬合結(jié)果，在使用供水袋滲灌造林時，可以依據(jù)造林地初始土壤含水量情況，選擇合適的擬合方程;同時，根據(jù)栽植苗根系分布范圍，確定有效的滲灌濕潤體體積，進而可以求出供水袋適宜有效的供水量。這樣就可以避免因供水量不足而造成的滲灌效果較差，以及供水量過多而造成的水量浪費。為晉西黃土區(qū)干旱陡坡造林，選擇合適的供水袋規(guī)格提供了重要依據(jù)。

圖5 不同土壤含水量下濕潤體體積和供水量的關(guān)系Fig．5 Relationship between wetted soil volume and water supplying amount in different soil moisture content

3.2 供水袋滲灌孔徑對苗木栽植穴土壤含水量的影響

2015年4月1日至5月20日，試驗地無降雨發(fā)生，為期50 d的供水袋壤中滲灌試驗，造林栽植穴土壤含水量變化見圖6。由圖6可知:供水袋大孔徑滲灌，在前17 d內(nèi)，土壤含水量從15.02%急劇上升到19.55%，之后開始下降，最終降至7.17%;中等孔徑滲灌初期，造林栽植穴土壤含水量雖然小于大孔徑滲灌，但是同樣呈現(xiàn)增加趨勢，土壤含水量從15.02%增加到18.90%，之后進入穩(wěn)定期，土壤含水量穩(wěn)定在19.07%左右;定期澆水處理的造林栽植穴土壤含水量一直在17.28%左右波動;小孔徑滲灌造林栽植穴土壤含水量雖然高于對照，但是和對照一樣，土壤含水量逐漸減小，土壤含水量從15.02%下降到6.15%，對照處理的土壤含水量從15.02%下降到5.06%?？梢娛褂霉┧瑢υ炝衷灾惭ㄟM行壤中滲灌，可以提高土壤含水量，中等孔徑滲灌和定期澆水，土壤含水量能較長時間維持在較高水平。

圖6 不同試驗處理下土壤含水量變化Fig．6 Change of soil moisture content under different experimental treatments

3.3 供水袋滲灌孔徑對苗木成活率及生長量的影響

供水袋壤中滲灌試驗各處理造林成活率和苗木生長量見圖7?？芍?2015年10月生長季結(jié)束后，定期澆水、中等孔徑、大孔徑及小孔徑滲灌造林苗木成活率分別為86.7%、90.0%、73.3%和63.3%，較對照分別提高26.7、30.0、13.3和3.3百分點;苗高生長量分別為10.8、10.6、7.5和6.9 cm，較對照分別提高92.86%、89.29%、33.93%和23.21%;新枝生長量分別為9.7、9.4、6.3和5.8 cm，較對照分別提高97.96%、91.83%、28.57%和18.37%。經(jīng)方差分析得出:各試驗處理苗木生長量較對照顯著提高，中等孔徑滲灌和定期澆水處理苗木生長量較大孔徑、小孔徑滲灌處理顯著提高(P＜0.05，n=30)。各試驗處理均可提高苗木成活率、苗高和新枝生長量，以定期澆水和中等孔徑滲灌處理效果最為顯著。

圖7 不同試驗處理下苗木成活率及生長量Fig．7 Seedlings survival rate and growth in different test treatments

4 討論

筆者得出供水袋滲灌濕潤體最大垂直入滲距離＞最大水平濕潤半徑，主要是因為滲灌水在水平和垂直方向上的運動距離，是由土壤水勢差的大小決定。在水平方向上，土壤水勢大小主要由土壤基質(zhì)勢決定;而在垂直方向上，土壤水勢大小由土壤基質(zhì)勢和重力勢共同決定，且隨供水袋滴出水量的增加，重力勢逐漸增大。所以，滲灌水在垂直方向運動的距離＞水平方向運動的距離，這也是供水袋滲灌濕潤體形狀近似垂直橢球體的原因。這與牛文全等［15］對涌泉根灌土壤滲透特征的研究結(jié)果較為相似。

筆者認為，濕潤體最大垂直入滲距離和最大水平濕潤半徑，隨供水量和初始土壤含水量的增加而增大。這是因為供水袋的滲灌速度＞滲灌水在土壤中的入滲速度，滲灌一段時間，滴管頭附近土壤含水量達到飽和后，會產(chǎn)生積水，積水不斷向水平方向擴散和垂直方向入滲，供水量越大，便會有更多的滲灌水向基質(zhì)勢和重力勢更低的地方擴散;所以，滲灌水垂直入滲距離和水平濕潤半徑會隨供水量的增加而增大。同時，滲灌過程中，滲灌水分填充土壤孔隙后，土壤水勢增大，便形成了土壤水勢差，在水勢差的作用下，滲灌水分向基質(zhì)勢和重力勢更低的地方擴散。土壤初始含水量越小，土壤水勢則越小，形成土壤水勢差需要的滲灌水則越多，而供水袋滲灌屬于限量滲灌，這樣由供水袋提供的向水平和垂直方向擴散的水分便減少;所以，當土壤初始含水量較小時，滲灌水分垂直入滲深度和水平濕潤半徑也較小。這與吳啟發(fā)等［16］對土壤含水量越小，滴灌濕潤鋒運移速度越慢的解釋原因較為一致。

結(jié)合各試驗處理栽植穴土壤含水量、苗木的成活率及生長情況，筆者認為造林時，使用供水袋進行壤中滲灌，選擇中等孔徑滲灌的供水袋較為適宜。這主要是因為大孔徑滲灌的供水袋雖然滲灌前期土壤含水量較高，但是供水袋里的水很快就滲灌完畢，不能實現(xiàn)對造林苗木根系持續(xù)有效供水;小孔徑滲灌的供水袋滲灌時間雖然較長，但是由于滲灌出來的水量較小，無法起到提高苗木栽植穴土壤含水量的效果，滲灌水分得不到有效地利用;定期澆水和供水袋中等孔徑滲灌苗木栽植穴土壤含水量、苗木成活率及生長量均表現(xiàn)較高水平，但是在干旱陡坡，大面積造林實現(xiàn)定期澆水難度很大，而中等孔徑滲灌供水袋，每日供水袋釋放的水量和造林栽植穴消耗的水量達到平衡后，土壤含水量能較長時間維持較高水平。另外，本次試驗共計50 d，定期澆水處理為每5 d澆水1 L，則每株苗木澆水總量為10 L，中等孔徑滲灌的供水袋，試驗完成時供水總量為3 L，在造林苗木成活率及生長量相當?shù)那闆r下，供水袋中等孔徑滲灌可以比定期澆水節(jié)水7 L/株。吉縣地區(qū)坡地造林，密度一般控制在1 600株/hm2，那么使用中等孔徑滲灌的供水袋比定期澆水的造林地就可以節(jié)水11.20 t/hm2。

供水袋滲灌濕潤體的研究為野外試驗，雖然試驗的立地條件與造林地比較接近，但無法做到對濕潤體的實時觀測，這限制了對于濕潤鋒的運移規(guī)律，以及濕潤體內(nèi)土壤含水量的分布規(guī)律的研究。張振華等［17］將滴灌供水系統(tǒng)和有機玻璃土箱相結(jié)合，在室內(nèi)開展相關(guān)試驗，這對于供水袋滲灌后續(xù)研究有一定參考價值。

5 結(jié)論

1)供水袋地表滲灌濕潤體近似垂直半橢球體，最大垂直入滲距離＞最大水平濕潤半徑，且二者隨供水量和初始土壤含水量的增加而增大。

2)供水袋地表滲灌濕潤體體積與供水量呈冪函數(shù)關(guān)系。在晉西黃土區(qū)干旱陡坡造林時，根據(jù)造林苗木根系的分布范圍，可以確定有效的滲灌濕潤體體積，進而可以選擇更為合適有效的供水量。這對于提高造林地滲灌水分利用效率，減少造林灌溉成本，均有重要意義。

3)供水袋大孔徑、中等孔徑、小孔徑壤中滲灌及定期澆水造林，可以提高造林地土壤含水量，以中等孔徑滲灌和定期澆水效果最為顯著。

4)供水袋中等孔徑滲灌和定期澆水，對促進苗木成活和生長的效果最為顯著，但中等孔徑滲灌比定期澆水的造林地可以節(jié)水11.20 t/hm2。建議在晉西黃土區(qū)干旱陡坡造林時，選用中等孔徑供水袋進行壤中滲灌。

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