黄土高原地区, 土地资源广袤, 土层深厚, 土质疏松；光热资源充足, 昼夜温差大, 利于我国北方主要树种的生长和结实；但年降水量少, 且年际和年内分配不均, 年变率大, 暴雨多而集中, 致使大部分的降水形成地表径流直接汇集到河流中去, 加之蒸发量大, “十年九旱”；林业生产中成活率低、生态经济效益差的问题突出存在。水分是制约植株生存和生长发育的关键因素, 而有限自然降雨又是黄土高原林地土壤水分的唯一来源, 人工汇集利用雨水一直是林业生产中的重要课题。从20世纪90年代开始, 我国学者在旱地集水利用技术方面进行了大量研究(余清珠等, 1993；鲁子瑜等, 1993；陈国良等, 1995；张府娥等, 1999；王克勤等, 2000；宋吉红等, 2000；邝立刚, 2001；贺康宁等, 2003；张永涛等, 2003；党红忠等, 2003), 但主要集中于坡面的雨水汇集利用, 投资较高(李小雁等, 2002), 土地利用率降低。杏、枣是陕北黄土高原地区振兴地方经济、改善生态环境的两大支柱产业, 面积分别达到10万hm²和13.33万hm²。近年来, 为了抵御干旱、高效利用自然降水、改善林木生长的水分供应, 相继推广了树盘整地集水、覆膜集水和集雨节灌、膜下滴灌等技术。但前二者忽视了水分的强烈快速蒸发和深层下渗储备, 从而降低了有限集水的利用率, 影响了林木生产力的提高；后者则投资成本高。为此, 开展了融集水、促渗、保墒、增温为一体的塑膜微集水促渗技术研究。对黄土高原干旱半干旱地区有限自然降水的高效利用、防止土壤干化和区域可持续发展具有十分重要的现实意义。

1 试验地概况

试验在西北农林科技大学黄土高原治理研究所远志山试验基地进行。该基地位于米脂县东沟流域, 北纬37°40′~38°06′, 东经100°15′~110°16′, 面积4.1 km²。年平均温度8.9 ℃, ≥10 ℃积温3 470 ℃, 日照时数2 716 h, 无霜期160~170 d。1976—2006年平均为420.2 mm, 降水年际变率为17.3%, 降水季节性分布不均匀, 4—6月降水量少, 且多为10 mm以下的无效降雨, 而6—9月则占到降水量的74.3%, 且多以暴雨形式出现, 强度大, 在这样少的降水条件下每年有相当一部分降水形成径流流失。试验地为宽15~20 m的台地, 土壤为黄绵土, 有机质含量2.29 g·kg^-1, pH值8.91。海拔951~1 029 m。试验期间的降雨情况见表 1。

2 材料与方法 2.1 试验材料

本研究选择目前农村产业结构调整和生态环境建设的主要经济林树种——杏(Prunus armeniaca)和枣(Ziziphus jujube)为研究对象。

2.2 塑膜微集水促渗技术

当地春夏(4—6月)干旱少雨, 且降水量多为10 mm以下, 雨水下渗浅, 蒸发散失快；而此季节正是林木成活、生长和发育的关键时期, 需要吸收利用较多的土壤水分。为了最大限度地将树盘内很少的雨水集聚于林木根茎周围, 并快速下渗至深层根部, 减少水分蒸发损失, 改善林木根际水分状况, 组装集成塑膜微集水促渗技术。具体做法是：先将树盘整修成里高外低、高差为20 cm的正方形集水区, 再把厚0.07 mm的塑膜按树盘大小裁剪好, 在裁剪好的塑膜一边1/2处至中心剪开, 并在中心剪一个直径30 cm的圆(以便雨水入渗), 然后沿树干套入铺置于树盘, 塑膜四周和剪开处用土压实, 防止大风刮起, 最后在离树干30~50 cm处的东南西北各安置雨水促渗管1个。每年3月下旬林木发芽时维修好树盘, 铺置塑膜, 最后将促渗管下端垂直指向目标位置, 用脚压入土壤, 头部露出, 即可。雨水促渗管用铁皮制成, 可连年使用。促渗管地上部为一露出地面高5 cm、直径5 cm、四周带有数个圆形小孔的头, 顶部铁皮严封, 防止无雨时间的水分散失, 地下部长60~100 cm, 直径2 cm, 每隔5 cm开直径0.5 cm的圆形渗水孔2~3个(图 1)。该技术的原理是：将收集到的干净雨水通过促渗管直接流送至土壤深层根系可吸收的范围, 且促渗管中雨水的重力作用促进了雨水在土壤深层的扩散和下移, 缩短了雨水渗入土壤深层的时间, 减少了雨后高温干燥引起的浅层水分的蒸散损失量, 而下渗蓄集于深层的水分, 受塑膜覆盖保护而防止了蒸发散失, 从而改善林木的土壤水分供应状况, 提高有限雨水的利用效率。

2.3 试验方法

于2002年春栽植杏树和枣树各300株, 密度均为4 m×3 m, 杏品种为梅杏、凯特杏和胭脂红杏3个, 枣品种为赞皇大枣和油枣。2个树种各设3种处理方式:A、对照(无集水覆盖保墒措施)；B、塑膜集水；C、塑膜集水促渗。各种处理均为100株, 连年布设。土壤水分采用CNC503B(DR)型智能中子水分仪测定, 标定方程为y=52.887x-0.302 7(R²=0.934 4), 测定深度为0~600 cm。自然降水利用率(RUE)＝生长季总生物量/生长季总耗水量。生长季总生物量＝叶生物量+新生枝生物量+茎杆生物量+果实产量。叶生物量＝样株叶片总数×单叶平均质量；新生枝生物量＝新生枝总数×单枝平均质量；茎杆生物量采用Huxley(1932)提出的相对生长法求得。生长季总耗水量＝发芽前贮水量-落叶后贮水量+年降水量。试验数据采用DPS软件进行统计分析。

3 结果与分析 3.1 不同处理方式对造林成活率的影响

春季干旱少雨和气温回升慢是新植苗木成活率低的主要原因。于2002年杏树和枣树定植后的发芽期、持续干旱期末测定了1 m土层的土壤贮水量和发芽期30 cm深处的土壤温度, 统计了成活率(表 2)。结果表明, A、B、C 3种处理发芽期和持续干旱期末的土壤贮水量均存在显著差异。在发芽期, 杏苗和枣苗处理C的贮水量分别比处理A高7.3 mm和6.9 mm, 比处理B分别高3.6 mm和4.6 mm；干旱期末, 杏苗和枣苗处理C的贮水量分别比处理A高13.2 mm和12.4 mm, 比处理B分别高5.0 mm和5.7 mm。这是由于处理C不仅可使雨水集中下渗和阻止水分的强烈蒸发, 而且强化了雨水的入渗和储备所致。处理C 30 cm深处的土壤温度与处理A存在显著差异, 分别高1.5 ℃和1.3 ℃, 与处理B差异不显著。土壤水分条件的改善和温度的提升促进了苗木的发芽, 杏苗和枣苗处理C的发芽株率分别比处理A高6.5%和18.0%, 旱死的株数明显比对照少；成活率分别比处理A高12%和28%, 比处理B分别高6%和10%。

3.2 不同处理方式对杏、枣幼树生长发育和结实的影响

在黄土高原干旱半干旱地区, 土壤水分条件对杏、枣幼树发芽、枝梢生长、果实膨大、花芽形成等方面都有很大的影响。表 3结果表明, 处理C的树体生长发育明显快于A和B, 树势强、树冠大。3种处理的树高均存在显著差异；处理C和B与处理A的干径、新梢长、单叶质量差异显著, 但C和B差异不显著。处理C产量提升快, 增产后劲大, 且果实显著增大, 肉厚, 色艳, 商品性好(表 4)。杏树栽植后前5年处理C的总产量达到13 190 kg·hm^-2, 分别比处理A和B增产96.87%和34.93%；枣树栽植前5年处理C的总产量为14 050 kg·hm^-2, 分别比处理A和B增产92.51%和42.24%。可见，塑膜集水促渗技术在黄土高原经济林栽培中具有广阔的应用前景。

3.3 不同处理方式对幼林自然降水利用率的影响

自然降水利用率是干旱少雨地区农林生产中衡量抗旱节水技术措施可行与否的重要指标, 是指植物每消耗一单位水分所产生的干物质质量, 其值越大, 说明植物对降水的利用效率越高。单叶的水分利用率可用光合速率与蒸腾速率的比值计算表示, 它实质上反映了植物消耗每单位质量水分所固定的CO₂的数量；而总的自然降水利用率可用U=B/C计算表示, 式中U为自然降水利用率, B为生长季生物量, C为生长季耗水量。表 5结果表明, 处理C可显著提高自然降水利用率(P＜0.05)。5年生杏树处理C的自然降水利用率为2.92 kg·m^-3, 比处理A高53.68%, 比处理B高16.84%；5年生枣树处理C的自然降水利用率为3.45 kg·m^-3, 比处理A和B分别高53.33%和14.22%。

3.4 不同处理方式的经济效益

对杏、枣苗木栽植后前5年的实际投入和收益情况(表 6)统计分析结果表明, A、B、C 3种处理的投入回收期均为5年, 尽管处理C的总投入高于A和B, 但年平均投入也仅有1 503元·hm^-2, 仍适于一般农户的投资能力；处理C由于产量提升快, 果实商品性好, 经济收入显著高于A和B, 杏树的纯收入比A和B分别高36.73%和26.21%, 枣树的纯收入比A和B分别高63.71%和46.08%, 且树冠大, 树势强, 为后续高产高效奠定了良好的基础。

3.5 不同处理方式对土壤水分变化的影响 3.5.1 不同处理方式下根际区土壤水分的年变化特征

在陕北黄土高原沟壑区, 杏、枣幼树的根系分布主要集中在0~80 cm, 而根系对土壤水分的吸收主要集中在0~200 cm土层范围内。因此, 0~200 cm土层含水量的变化可反映幼林的土壤水分环境和对土壤水分的利用状况, 同时也决定着地上部的生长发育和结实状况及其生命期的大小。根据每年封冻前土壤水分的测定结果, 绘制出杏树和枣树在栽后五年间根际区(0~200 cm)土壤贮水量的年变化图(图 2)。不难看出, 0~80 cm土层的贮水量年际间变化与降水量的大小变化一致, 变幅较大, 处理C的贮水量显著高于A和B(P＜0.05), 且在干旱年份差异加大。如降水量仅有312.9 mm的2005年, 杏树处理C的贮水量为94.4 mm, 比A和B分别高35.1 mm和14.1 mm, 而降水较多的2006年(489.8 mm), 杏树处理C的贮水量为106.5 mm, 比A和B分别高23.6 mm和6.3 mm。0~200 cm土层土壤贮水量变化幅度较小, 但处理C的贮水量也明显高于A和B, 呈现稳定而缓慢的增长趋势, 而A和B却呈现稳定而缓慢降低的趋势；以杏树为例, 2002—2006年, 处理C的贮水量由78.25 mm增加到92.30 mm, 增长14.05 mm, 而C则减少了7.04 mm。故塑膜集水促渗处理可使经济林幼树根际区的土壤水分状况长期得到改善，实现经济林木的持续健康发展。

3.5.2 不同处理方式下根际区土壤水分的季节变化

图 3显示了5年生杏树和枣树不同处理方式下0~80 cm和80~200 cm土层含水量随季节的变化。不难看出, 生长季内, 处理C根际区(0~200 cm)的含水量一直高于其他2种处理, 且雨季差异增大, 这种现象在80~200 cm土层表现更为明显。4—6月下旬, 3种处理0~80 cm和80~200 cm土层的含水量差异均较小(P>0.05), 这是由于各处理上年贮留的水量不同, 而当季降水总量和次降水量都较小, 降雨结束后水分蒸发散失快, 植株生理耗水量大所致。进入雨季(7—9月), 降水次数、降水强度、次降水量和降水总量都增大, 0~80 cm土层含水量, 处理C与B差异不显著(P>0.05), 但二者与C相比, 都存在显著差异(P＜0.05)；80~200 cm土层, 由于该时段集聚的雨水量大, 促渗管将相对较多的一部分集水下渗到了深层的土壤中, 3种处理的含水量均产生显著差异(P＜0.05)。如9月份, 杏树处理C的含水量为12.69%, 分别比B和A高3.46%和5.42%, 枣树处理C的含水量为12.15%, 分别比B和C高3.20%和5.25%。9—11月, 就0~80 cm土层的含水量而言, 处理C与B差异不显著(P>0.05), 但二者与C相比, 仍然都存在显著差异(P＜0.05), 80~200 cm土层的含水量, 3种处理的含水量均产生显著差异(P＜0.05), 但随着冬季的到来, 差异逐渐减小。就丰雨的2006年生长初期和末期的80~200 cm贮水量看, 5年生杏树处理C的贮水量从4月到11月增加了14.0 mm, 纯B和A分别仅增加4.3 mm和4.1 mm, 表明处理C可改善干旱季节的水分供应状况, 缓解降水量400 mm左右的干旱地区林木生长的水分亏缺。

3.5.3 不同处理方式的深层土壤水分的生态效应

在黄土高原地区, 自然降水是土壤水分的唯一补给项, 由于降水量远小于蒸腾蒸发量, 林地土壤深层常出现干化现象(吴钦孝等, 1998；杨维西, 1996；侯庆春等, 1999)。消除林地深层土壤水分不足和林木生长对水分的需求之间的供需矛盾, 防止深层土壤干化是林业生产中必须解决的问题。新植苗木3年内生长量小, 耗水量较少, 随着树冠的扩大和产量的提高, 耗水量增大, 深层土壤干化逐渐出现。根据多年林草地土壤水分的调查结果和2006年6月下旬人工模拟入渗试验结果, 陕北黄土丘陵区土壤水分最大入渗深度为160~180 cm, 雨季土壤水分的补偿深度一般为80~140 cm。因此, 研究集中降水前后土壤含水量的变动趋势(王克勤, 1998), 可反映幼林地深层土壤是否存在干化的可能。

根据天气预报, 于2006年测定了不同处理方式下5年生杏树地在集中降雨前后土壤贮水量的变动趋势(表 7), 期间共降水5次, 降水量215 mm, 占年降水量的43.9%, 最大降水量80.5 mm, 最小7.5 mm。结果表明, 在集中降水结束后, 处理C贮存在根际区(0~2 m)的贮水量为262.0 mm, 分别比B和A高38.0 mm和94.9 mm, 这部分水分增加了植株后期生长发育水分需求的供应, 减少了下层水分向根际区的上移补给量, 同时, 多余的水分还可补充至深层和周围土壤空间。从变动量(贮水增量)来看, 处理C根际区的贮水增量为118.4 mm, 分别比B和A高29.4 mm和68.6 mm, 且1~2 m土层贮水增量的差异明显大于0~1 m的差异；处理C 2~6 m土层的贮水增量为31.1 mm, 相当于B的2倍, A的近40倍。说明促渗管有效地促进了集聚的雨水向深层下渗、扩散和贮存。

雨水在下渗的过程中, 由于蒸发散损失和侧渗损失, 水量不断减少, 所以水分在土壤中的下渗深度和下渗量与其下渗的速度相关。一般情况下, 雨水大约以0.2~0.25 m·d^-1的速度下移(王克勤, 1998)。由于处理B和C土壤下渗面大大减小, 上层的土壤水分迅速达到饱和向下层移动, 在一定程度上加快了雨水的下移速度, 相对减少了蒸发损失, 在同一时间的最高含水量和同一层次不同时间的含水量都高于A(图 4)。处理C因促渗管的存在, 使一部分雨水直接流到60~100 cm土层处开始下渗, 雨水的下渗深度和下渗量大大增加。下渗到深层(2 m)以下的水分, 一部分在干旱季节上移供植株生长利用, 一部分继续保留在深层土壤或下移, 有效地防止了植株对深层水分过耗引起的水分亏缺和土壤干层的发生。

4 结论

在陕北黄土高原, 采用塑膜微集水促渗技术造林, 不仅使有限的降水集中到局部叠加, 而且加大了雨水的入渗深度和入渗量, 减少了水分蒸发耗损, 可提高杏、枣栽植成活率、产量、品质、自然降水利用率和经济收入, 有效防止土壤干化及其所导致的植株生长不良。试验表明：1)杏树和枣树的栽植成活率分别比对照高14%和24%；2)幼树生长快, 树势强, 杏树栽后5年总产量达到13 190 kg·hm^-2, 比对照增产96.87%, 枣树栽后5年总产量达到18 000 kg·hm^-2, 比对照增产92.51%；果实显著增大, 商品性好；3)5年生杏树自然降水利用率达2.92 kg·m^-3, 比对照提高53.68%；5年生枣树自然降水利用率达3.45 kg·m^-3, 比对照提高53.33%；4)杏和枣的纯收入分别比对照高36.73%和63.71%；5)年底根际区(0~200 cm)土壤贮水量明显高于对照, 年际间呈现稳定而缓慢的增长趋势；6)生长季根际区含水量一直高于对照, 且雨季差异增大, 这种现象在80~200 cm土层表现更为明显。7)在集中降水前后根际区以下(200~600 cm土层)的贮水增量为31.1 mm, 相当于对照的近40倍, 这部分水可在干旱季节上移供植株利用。该技术融保墒、增温、集水、促渗为一体, 成本低、使用年限长、简单易行、经济生态效益高, 在我国广大的干旱贫困山区具有广阔的应用前景。