随着国民经济建设的快速发展和人民生活水平的不断提高，木材和林产品的需求量越来越大，我国木材供求将在相当长的时期内存在较大缺口。据有关专家研究预测，我国今后几年木材的年需求量为2.42亿m³左右，缺口将达到6 000万m³。加快速生丰产林的发展，以便为国内用材提供永久性原料保障已经刻不容缓。我国现有速生丰产林近600万hm²，但平均年生产力每公顷只有9.12m³，远远低于新西兰、瑞典、巴西等林业先进国家30m³左右的水平，如何提高生产力至关重要。根据国外速生丰产林发展的经验，提高林地生产力集约经营技术的采取是关键因素之一，其中加强水肥管理将事半功倍，不仅可在短时间大幅度提高林地生产力，还将大大拓展速生丰产林的发展区域。

目前我国速生丰产林水分管理中大多采用原始的漫灌、穴灌等方式，但我国作为世界上一个严重缺水的国家，不允许也不可能大量缺乏节制地在林地上用水。为在可持续利用水资源的前提下，通过加强水肥管理大力提高速生丰产林生产力，必须采取节水灌溉技术模式。当前节水灌溉技术在林业上的应用受到高度重视，澳大利亚、以色列、墨西哥、新西兰、南非和美国等国家已将喷灌、滴灌(尤其是地下滴灌subsurface drip irrigation，以下简称SDI)等技术应用于苗木培育和经济林培育等林业生产领域，形成一系列成型灌溉设备和优化配套灌溉技术模式，取得了一定成效(郭慧滨，1998；Camp et al., 2000；Aiello et al., 1998；Hicklenton et al., 1996；韦艳葵等，2003)。但在人工用材林培育中先进节水灌溉技术应用的还不很广泛，只有较少研究和实践的例子(Arnold et al., 1999；Dickmann et al., 1996；Khatteli，1994；王燕钧等，1998)。如美国加州萨克拉曼多北部河谷一块自然生产力很低的造林地营造了4 250hm²桉树纸浆林，通过滴灌系统合理为树木提供水分，水肥结合，结果林地轮伐期缩短到8a，林地年生产力达到45m³·hm^-2，其效益是非常明显的。澳大利亚内陆地区也据此经验开展了桉树造林工作(Arnold et al., 1999)。王燕钧等(1998)在西宁市北山绿化造林中，用滴灌对云杉、油松、山杏、青杨等树种进行灌溉，结果发现滴灌下的树木，无论在节水、增温、省时、省工、经济高效等方面都表现很好。北京沿河(潮白河、永定河)沙地是条件较为苛刻的造林地，北京市共青林场1997年将地下滴灌技术应用于沙地杨树速生丰产林培育中，现也已经取得明显效果。本研究旨在通过研究地下滴灌条件下树木生长和林地生产力来揭示该技术的潜力，并同时通过对地下滴灌区与对照区树木光合作用因子的对比，对地下滴灌条件下杨树速生丰产人工林的丰产机制及配套技术模式进行了一定的探讨。

1 试验地条件

试验地位于北京市共青林场郝家疃分场，分场座落于潮白河畔，地理坐标为东经116°46′，北纬40°16′，海拔30m。共青林场1962年建场，全林场面积为980hm²。土壤主要为冲积沙土，少量含有壤质夹层，地下水位5m左右；有机质含量低于5g·kg^-1，蓄水保肥能力差。本地区属暖温带大陆性气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，年均气温11.4℃，积温5 400℃。年均降水量630mm，主要集中于7、8月份。年均蒸发量为2 000mm，无霜期180~200d。试验地土壤条件见表 1。

2 研究方法 2.1 试验区设置

试验区位于分场场部南侧，西侧隔一条公路为潮白河。地下滴灌设备由控制器、压力罐、主管道、支管道、控制阀、毛管道、渗管等组成。控制器为美国RainBird公司自控控制器，亦可人工控制。渗管埋设的深度均为20cm。试验区设5个处理，如图 1。其中：SDI1、SDI2区：采用A公司生产的滴灌管，渗管环树布置；SDI3区：采用B公司生产的滴灌管，沿树行两侧布置，滴灌管东西向排列；SDI4区：采用C公司生产的滴灌管，环树布置；CK区：对照区，采用穴灌方式(图 1)。

试验区栽植杨树为I-214杨(Populus×euramericana cv. 'I-214 ')，株行距5m ×6m，每公顷333株。于1997年春季造林，杨树苗木规格:2根2干苗。

灌溉:地下滴灌区根据土壤墒情春季浇4~5次，夏季1~2次，秋季上冻前1次，每次灌溉约12h(秋季24h)，灌溉量约为每株240L(秋季每株480L)。对照区:春季根据土壤墒情穴浇1~2次，夏季1次，秋季上冻前1次，每次灌溉量约为每株640L。

施肥:1997年施尿素，1998、1999年施硝酸氨。地下滴灌区施肥随灌水进行(6次，每次0.15g·tree^-1)，对照区施肥为沟施(2次1kg·tree^-1)。

2.2 树木生长调查

1997年春季造林时每一试验区设900m²固定标准地，计30株树，分别于造林时和每年11月对标准地进行每木检尺。找出平均标准木，求算各处理平均单株材积和每公顷蓄积。

2.3 试验设置及项目

试验在SDI1、SDI2和CK 3个区进行。2个地下滴灌区于1999年5月14晚—15日晚浇水(一个滴灌周期，约12h)，对照区在此前(4月初和4月中)已按常规浇过两次透水。5月15日起地下滴灌区与对照区停止灌水。每个处理随机选取5株平均标准木作样本，用于树木光合作用研究。

2.3.1 土壤含水量测定

从5月15日起每日7：00，在每处理每标准木距根部50cm处地下15~25cm各取一盒土样，迅速称湿重，放入烘箱在105℃下烘8h，取出称干重，计算土壤含水量。连续测定8日。

2.3.2 树木光合因子测定

利用Li-6200光合因子测定系统测定树木叶片光合因子。实验材料分别为每处理5株标准木中上部南向当年新发枝上受光成熟叶片，每标准木样枝分别测两片树叶。5月17日、19日、21日9：00分别测定SDI1、SDI2和CK树木叶光合因子(顺序为SDI1、CK和SDI2)。5月21日9：00开始，每隔1.5h测定一次SDI1区、SDI2区和CK区树木叶光合因子，至16:30，共测6次。无论是测定树木光合日动态，还是滴灌周期中光合作用变化，严格控制环境因子在测定时一致。

2.4 数据分析

对以上所有数据用统计软件进行数据处理。

3 结果与讨论 3.1 林木生长及林地生产力

从造林开始到目前调查为止，地下滴灌区与常规灌溉区树木生长和林地生产力表现出极为显著的差异(表 2)。造林当年年底3个类型的地下滴灌区树木平均胸径、树高、单株材积就已经明显高于常规灌溉区。如SDI1树木平均胸径、树高和单株材积分别达到7.22cm、6.71m和0.009 9m³·tree^-1，比常规灌溉区树木提高了33.7%、19.8%和125%。第二年地下滴灌区树木生长及林地生产力与常规灌溉的差异表现的更为显著。如SDI1树木平均胸径、树高和单株材积分别达到12.80cm、10.51m和0.0487m³·tree^-1，比常规灌溉区林分提高了25.7%、14.5%、91.7%。从林地的年生产力来看，1998年SDI1为12.91m³·hm^-2a^-1，而常规灌溉为7.01m³·hm^-2a^-1，前者是后者的1.84倍。随着树龄的增长，这种生长上的差异表现得越来越突出，这从 2000年(栽植第4年)树木生长及林地生产力可见一斑。如SDI1树木平均胸径、树高和单株材积分别为21.25cm、14.40m和0.183 8m³·tree^-1，比常规灌溉区林分提高了55%、38.5%、252.1%；林地蓄积为61.19m³·hm^-2，比常规灌溉提高了252.3%。从林地的年生产力看，2000年SDI1为22.78m³·hm^-2a^-1，而常规灌溉为4.63m³·hm^-2a^-1，前者是后者的4.92倍。从林地生产力角度来看，北方人工林林分生产力达到15m³·hm^-2a^-1已属不易，而在沙地上则更困难，但从研究结果可以看出实验林地下滴灌条件下杨树已达到了速生丰产的水平。如SDI4区2000年的林地生产力达到了25.81m³·hm^-2a^-1，是常规灌溉的5.57倍，也是到目前为止地下滴灌处理出现的最高生产力。从表 2可以看出2001年地下滴灌区树木生长大幅度减缓，SDI1区林地生产力由上一年的20.50m³降到了10.92m³。这是因为当年大旱，原水井地下水位急剧下降，抽不上水用于灌溉，致使地下滴灌区树木在生长季节大量落叶，生长量相对急剧下降。但2002年恢复灌溉后地下滴灌区树木生长再次加快，3个地下滴灌区树木的单株材积和林地蓄积比上一年度增加了22.0%~27.9%，林地生产力比上一年度增加了91.5%~185.1%，这两年树木生长的对比从纵向上说明地下滴灌在促进树木生长中的作用。到2002年为止，SDI1、SDI3和SDI4区的林分蓄积分别达到85.29、89.85和81.32m³·hm^-2，比对照提高了1.51~1.78倍。

试验的另一目的是根据各类型区树木生长情况选择适合该地区立地条件的地下滴灌设备及配置技术，但从表 2中可见3种类型的地下滴灌管没有使树木生长产生明显的规律性差异，也就是说在这种沙地条件3种地下滴灌管都适用。SDI4采用的C公司地下滴灌管是整个管道“发汗式”出水的渗管，随着林分中树木根系的不断扩大，有可能表现出比其它地下滴灌管道更大的优势。SDI1采用的是小管出流的方式，在管子一圈共有10个滴头，与“发汗式”相比，树体周围水分分布相对不均，在幼林期树体需水量不多的情况下，SDI1效果可能较好。但SDI1管特殊的防堵装置在稍粘性的土壤上防堵性能可能较好。SDI3采用的管道为直径1cm、滴斗距离20cm左右的滴管，沿树木东西两侧分布，其优点有利于树木根系向更大范围扩展。

3.2 地下滴灌和常规灌溉树木的光合作用 3.2.1 土壤含水量(绝对含水量)变化

从图 2可见，地下滴灌区灌溉后土壤含水量显著高于对照区，停止灌水后，随着时间的推移，地下滴灌区土壤水分呈下降趋势，而对照区土壤含水量在试验开展期间基本保持稳定。如停灌第一天(5月15日)，SDI土壤含水量为8.99%，显著高于对照154.0%，可见地下滴灌能迅速提高土壤含水量；停止地下滴灌7d(5月22日)时地下滴灌区与对照区的差距减小，但SDI(4.37%)比CK仍高48.6%，且差异极显著。

沙荒地不能保蓄水分，对照区靠穴灌补充的土壤水大部分下渗，保留在根系分布层的水分也会因树木吸收和土壤蒸腾而急速下降，土壤含水量很快就降低到杨树不能适合的3%~4%，从一次穴灌到下一次穴灌或有透雨补充的相当长时间里，树木长期处在干旱胁迫下，这无疑会影响其生长，同时穴灌流失了大部分水也是对水资源和能源极大的浪费。地下滴灌则因采取少量多次的原则而始终保持土壤湿润，不仅使树木持续维持较好的水分状况，且提高了水分利用的效率，节约了水资源。

3.2.2 树木光合作用及相关因子

树木光合作用直接与生长速度相关，也最能从根本上揭示地下滴灌条件下杨树速生丰产的生理机制。研究中对比了地下滴灌区与对照区树木光合作用日动态以及在不同土壤水分梯度下的树木光合作用。(1)树木光合作用日动态树木光合作用日动态各时间段环境因子及其误差限见表 3，可以看出每个时间段内环境因子变动很小，树木光合作用是在同一条件下测定的。研究结果表明，地下滴灌区和对照区树木叶气孔阻力、气孔导度、CO₂导度、蒸腾强度在一天中大多时间未表现出显著差异，但净光合速率(图 3)和水分利用效率(图 4)的差异却很显著。

从图 3可见，地下滴灌区与对照区树木叶净光合速率的日变化趋势一致，9：00光合速率最高，随后逐渐下降，至16:30二者光合速率相等。对全天每一个时刻两处理树木叶光合速率进行方差分析，结果表明除最后一次外地下滴灌区一直显著高于对照区，有的达到极显著水平(表 4)。如9：00SDI林木净光合速率为16.90μmolCO₂·m^-2s^-1，CK为15.37μmolCO₂·m^-2s^-1，SDI比CK高10.0%；15:30SDI树木叶净光合速率仍保持13.00μmolCO₂·m^-2s^-1，CK已降低到10.71μmolCO₂·m^-2s^-1，SDI比CK高21.4%。水分利用效率是指利用单位重量的水分植物所能同化的CO₂，是净光合速率与蒸腾速率的比值。从图 3可见，树木叶一天内的水分利用效率与净光合速率变化规律基本一致呈逐渐下降趋势。经方差分析，地下滴灌区林木水分利用效率显著大于对照区，下午13：30和15：00这种差异还达到了极显著(表 5)。上午10：30，SDI的水分利用效率为1.41μmolCO₂·(mmolH₂O)^-1，CK为1.31μmolCO₂·(mmolH₂O)^-1，SDI比CK高7.6%；下午15：00，SDI的水分利用效率为0.96μmolCO₂·(mmolH₂O)^-1，CK为0.81μmolCO₂·(mmolH₂O)^-1，SDI比CK高18.5%。地下滴灌区与对照区的光合作用日动态是在地下滴灌周期后期进行的(5月21日)，这时该区的土壤含水量已降低到4.69%，但仍高于对照区66.1%。对照区低的土壤含水量虽没有影响到树木的气孔开闭和蒸腾作用，但却造成了树木净光合速率与地下滴灌区的显著差异。尤其下午气温达到最高时，对照区净光合速率较大幅度下降，而地下滴灌区树木仍保持较高水平。一天中地下滴灌区树木始终保持较高的光合速率，再加上树木叶生物量上的极大优势，使得光合产物总量远远超过对照区，这也是地下滴灌林分速生丰产的重要原因。同时地下滴灌区树木高光合作用并没有建立在对水资源的极大浪费上，其在维持高光合的情况下水分利用效率也同样维持高水平，这也体现出地下滴灌在水资源高效利用上的优势。(2)不同土壤水分条件下树木光合作用于一个滴灌周期不同土壤水分条件下测定滴灌区树木叶早9:00的光合作用，并与对照区比较。3天里地下滴灌区和对照区土壤水分含量可见图 2。研究表明，地下滴灌区和对照区树木在3天里气孔阻力、气孔导度、CO₂导度、树木叶下腔CO₂浓度、饱和水气压差、蒸腾强度以及水分利用效率有一定差异，且有的因子差异还很显著。总体来看土壤水分条件较好的地下滴灌区树木生理活动朝着有利于提高光合作用强度的方向发展，这从树木的光合速率差异上明显看出(图 5)。

地下滴灌区停止灌水后树木叶光合速率可以说基本保持不变，略呈上升趋势，而对照区则呈略微下降趋势(图 5)。经方差分析，5月17日地下滴灌区与对照区树木光合速率差异不显著，但5月19日、5月21日差异显著，地下滴灌区树木光合速率分别比后者高9.0%和9.9%。说明在地下滴灌条件下树木的光合作用加强。同时通过对光合速率和地下滴灌区土壤水分含量相关的研究发现，水分含量在5%~8%时树木的光合作用能在长时间维持较高水平，而土壤水分含量低于4%，树木的光合作用强度将较低，是否4%~5%是该沙地条件下春季树木维持较高光合作用强度的土壤水分含量阀值，需要进行更为深入的研究。

综合以上对地下滴灌区和对照区树木光合作用的研究表明，在地下滴灌条件下由于树木水分条件较好，树木的光合作用强度无论是在一天里、还是在一个地下滴灌周期中都显著优于对照区，在此基础上由于地下滴灌区树木叶生物量(或总叶面积)也要远远高于对照区，这样林分的光合总产量当然要比对照区高得多。这可以说是地下滴灌用于沙荒地树木生长改善和林分生产力提高的最主要的生理机制。

4 结论与建议

与常规灌溉方法(穴灌)相比，地下滴灌技术应用于北京沙地杨树人工用材林培育，可大大加快树木的生长，同时显著提高林地生产力。2000年SDI1树木平均胸径、树高和单株材积分别为21.25cm、14.40m和0.183 8m³·tree^-1，比常规灌溉区林分提高了55%、38.5%、252.1%，当年生产力达到22.78m³·hm^-2a^-1，而常规灌溉只有4.63m³·hm^-2a^-1，地下滴灌是常规灌溉的4.92倍。地下滴灌区最高生产力出现在2000年SDI4区，达到25.81m³·hm^-2a^-1。

地下滴灌区树木光合作用强度的提高是林分树木生长改善和林地生产力提高的生理机制。从地下滴灌区树木叶光合作用日动态来看，其净光合速率在一天中几乎一直显著高于对照，提高幅度在10.0%~21.4%。尤其在午后气温最高的15:00，对照区树木叶净光合速率已降低到很低水平，而地下滴灌仍能维持较高光合速率；从一个地下滴灌周期来看，地下滴灌区树木叶净光合速率显著高于对照9.0%~9.9%；基于以上两个方面，加上地下滴灌区树木叶生物量(或总叶面积)也要远远高于对照区，这样林分的光合总产量当然要比对照区高得多。这可以说是沙地条件下地下滴灌区树木生长改善和林分生产力提高的最主要原因。

地下滴灌区树木水分利用效率较对照区提高，这在树木光合作用日变化中看得极为明显。随着一天中气温的不断升高，树木的蒸腾作用强度增加，地下滴灌区树木利用单位质量的水所产生的光合产物要较对照有显著提高，提高幅度最高达18.5%。

通过对光合作用和地下滴灌区土壤水分含量相关研究发现，土壤水分含量在5%~8%时树木的光合作用能在长时间维持较高水平，而土壤水分含量低于4%，树木的光合作用强度将较低，是否4%~5%是该沙地条件下树木维持较高光合作用强度的土壤水分含量阀值，这需要进行更为深入的研究。

进一步的经济效益分析表明，地下滴灌应用于人工用材林培育每年每公顷盈利在3 000~6 000元左右，而常规造林最多每年每公顷盈利1 700元，如需租地和贷款时还会大幅亏损，而地下滴灌平均每年每公顷只比常规灌溉增加不到600元的费用。在获取较大经济效益的同时，林地还能产生巨大的生态和社会效益，这部分效益如果货币化则更为可观。建议在干旱半干旱及存在季节性干旱的地区营造速生丰产用材林时结合当地经济条件推广地下滴灌技术，实施集约经营，这不仅将使水资源可持续利用，而且将大幅度提高林地生产力，使我国的人工林生产赶超世界先进水平，从根本上减轻我国木材需求加大对天然林和生态公益林的压力。同时需加强对地下滴灌灌溉制度和树木生理生态特异性的深入研究，以科学指导地下滴灌的应用。