晋西黄土区降雨稀少, 蒸发量大, 干旱是该地区主要的气候特征之一^[1-3]; 同时, 该地区侵蚀较强, 沟坡坡度较大, 植被较为稀疏, 是主要的产沙源和输沙通道, 水土流失、滑坡及崩塌等自然灾害, 时有发生^[4-5]。晋西黄土区已成为黄土高原林业生态工程建设的重点区域之一。在该地区人工林的营造过程中, 缺乏先进、成熟和有效的技术作为保障^[6], 存在成活率低、生长慢、绿化质量低及效益差等诸多问题^[7-8], 严重制约了我国林业生态工程建设进度和成效发挥。因此, 在晋西黄土区开展有关造林及植被恢复技术的研究, 对于改善生态环境, 防治水土流失等自然灾害的发生, 具有重要意义。

对干旱陡坡造林地供水, 可以提高栽植穴土壤含水量, 进而可提高造林苗木的成活率。目前, 国内对于供水造林技术的研究较多, 已取得很多成果。如山西普泉公司研制的普泉控水袋、中国矿业大学研制的蓄水渗膜(渗水袋)、废弃输液袋供水、高压注水及插管供水等技术。2008年, 甘肃省林业科学研究院在干旱少雨期的山地绿化工程中, 用高压水枪直接为柠条(Caragana korshinskii)、毛条(Caragana rororshisrii)和侧柏(Platycladus orientalis)等苗木根系供水, 有效地提高了土壤水分, 造林成活率平均达98%以上。季元祖等^[9]在造林试验中, 使用普泉控水袋, 油松(Pinus tabulaeformis)和柴松(Pinus tabulaeformis F.shekanensis)造林成活率达到92.4%和89.2%, 分别比普通造林的成活率提高7.9和6.1百分点; 油松和柴松的新枝生长量分别为11.5和8.6 cm, 分别比普通造林提高38.55%和10.26%。吴朝甲等^[10]在油松造林试验中, 采用中国矿业大学研制的蓄水渗膜技术, 成活率比对照提高7百分点, 苗高和地径较对照提高8和0.23 cm。杨慧荣等^[11]在陕北黄土高原丘陵沟壑区干旱山地造林试验中, 节水包渗灌技术使枣树(Ziziphus jujuba)造林成活率提高52.5%, 水分利用效率达到95%, 渗灌1 t水比穴灌1 t水可使枣树增产50%。吴普特等^[12]在枣园布设涌泉根灌设施, 其净增收入1万926元/hm², 净增值率高达235.0%。可见, 目前关于供水造林的研究成果有很多, 效果较为显著。但是各种供水措施也存在着不足, 集中体现在:大型供水设备的制造以及在困难立地的布设, 成本较大, 且操作不方便; 其次, 部分壤中供水装置存在堵塞的问题^[13]; 再者, 一些供水设备遗留的废弃管(带)极难降解, 容易形成土壤隔层, 影响降雨的入渗和土壤的透气性, 使土壤劣化, 造成严重的土壤污染。所以, 针对晋西黄土区干旱陡坡造林的特点, 研制一种成本较低, 且操作方便, 同时可降解的防堵塞渗灌产品, 是当前需要解决的问题之一。

笔者自行设计了一种可降解型防堵塞壤中限量渗灌供水袋。供水袋渗灌水的最大垂直入渗深度和最大水平湿润半径是渗灌湿润体的重要特征值, 其共同决定了湿润体的形状和体积。通过对供水袋渗灌轨迹、造林栽植穴的土壤含水量、苗木的成活率及生长量的测定, 以期探究晋西黄土区干旱陡坡供水袋渗灌技术的湿润体特征, 及其对造林成效的影响。

研究区位于山西省吉县蔡家川流域(E 110°39′45″~ 110°47′45″, N 36°14′27″~36°18′23″), 流域总面积38 km², 长约14 km, 海拔950~1 370 m, 属暖温带大陆性气候。年均降水量为575.9 mm, 降水主要集中在6—9月, 约占全年降水量的70%, 年均气温10 ℃, 历年最低气温-20.4 ℃, 历年最高气温38.1 ℃, 年平均水面蒸发量为1 725 mm, 光照时间平均2 563.8 h, 无霜期平均170 d。该流域为典型的黄土残垣沟壑区, 土壤为微碱性碳酸盐褐土, 黄土母质。森林覆盖率为39.18%, 上游是由山杨(Populus davidiana)、辽东栎(Quercus liaotungensis)、虎棒子(Ostryopsis davidiana)和丁香(Syringa oblate)等组成的天然次生林, 中游为刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松和侧柏等组成的人工林, 下游为荒草坡和农地。

材料主要为2年生侧柏容器苗、亮蓝染液和自制供水袋。

自制供水袋由水袋和渗灌头组成(图 1)。水袋和渗灌头可拆卸连接, 渗灌头内设置有定量渗水膜(混合纤维素微孔滤膜), 其孔径可设置为0.22、0.30、0.45、0.65和1.2 μm。适宜孔径的定量渗水膜的使用, 使供水袋里的水缓慢流出, 实现对造林苗木根系持续有效供水, 避免苗木栽植后, 由于一次大量灌水, 水分深层入渗造成的水分浪费。渗灌头为多孔型(图 2), 避免出水口堵塞的问题; 水袋材料为可降解的壳聚糖, 减少对土壤环境的污染。使用该供水袋对造林苗木根系进行壤中渗灌, 成本较低, 且操作方便。

图 1(Figure 1)

图 1 供水袋结构示意图 Figure 1 Structure diagram of water supplying bag

图 2(Figure 2)

图 2 供水袋使用示意图 Figure 2 Diagram of using water supplying bag

2015年3月5日, 选择蔡家川流域北坡的荒草坡为试验样地(阳坡、坡度32°、下坡位), 进行鱼鳞坑提前整地, 整地规格为1 m(长径)×0.8 m(宽径)×0.6 m(深)。降雨的次日(2015年4月1日)进行造林试验, 栽植苗株行距为2 m×2 m。首先将侧柏容器苗放入栽植穴, 然后将自制供水袋埋在苗木根系旁边, 距离地表 20 cm左右, 最后回填栽植穴。供水袋容积为3 L, 定量渗水膜孔径分别设置为0.22、0.45和1.20 μm, 同时设置定期浇水组(每5 d浇1 L水), 以及不做任何处理的对照组。每个试验处理栽植侧柏容器苗30株, 研究共栽植苗木150株。2015年4月1日至5月20日, 用便携式手持土壤水分测定仪(TDR)每隔3 d测定一次壤中渗灌造林试验, 各试验处理栽植穴的土壤含水量, 每次测定时间分别为08:00、12:00和16:00, 平均值作为当天的土壤含水量。苗木生长量的调查以苗高生长量和新枝生长量作为参考指标, 分别于造林初期和生长季结束, 用钢卷尺对各试验处理苗木进行测量; 同时, 在生长季结束后, 统计造林成活率。在造林地附近选择一块荒草地, 去除地表杂草, 挖3个规格为4 m(长)×3 m(宽)×1 m(深)的土壤剖面。对剖面1进行均匀浇水遮盖处理, 剖面2进行遮盖处理, 剖面3不做任何处理, 1周后用环刀取样, 每个剖面选取3个典型位置, 进行重复取样, 以每20 cm为一个土层, 测定每个剖面0~40 cm土层的平均土壤含水量、土壤密度和土壤孔隙度, 结果见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 土壤剖面基本情况表 Table 1 Basic situation of soil profile 编号 No. 土壤含水量 Soil moisture content/% 密度 Bulk density/(g·cm-3) 总孔隙度 Total porosity/% 毛管孔隙度 Capillary porosity/% 非毛管孔隙度 Non capillary porosity/% 1 14.71 1.46 39.87 33.64 6.23 2 9.33 1.46 39.86 33.65 6.21 3 4.56 1.46 39.89 33.67 6.22

表 1 土壤剖面基本情况表 Table 1 Basic situation of soil profile

取样结束之后, 在每个剖面地表分别布设供水袋渗灌试验, 供水袋里加入亮蓝染液, 滴管头内定量渗水膜孔径为0.45 μm, 容积分别为1、2、3和4 L, 各设5个重复, 如遇雨天对剖面进行遮盖处理。待自制供水袋地表渗灌完毕后, 以每2 cm为一个观测层, 根据亮蓝在各土层的轨迹, 确定渗灌湿润体在各土层的湿润范围, 根据测定层数, 确定渗灌水的最大垂直入渗距离。

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理及绘图, 采用SPSS软件进行单因素方差分析和回归分析。

最大垂直入渗距离和最大水平湿润半径是供水袋地表渗灌湿润体的重要特征值^[14]。用亮蓝染液确定供水袋渗灌轨迹的研究结果表明:供水袋渗灌湿润体各观测层湿润范围近似圆形, 最大垂直入渗距离＞最大水平湿润半径。可见, 供水袋渗灌湿润体形状近似垂直半椭球体, 如图 3所示。

图 3(Figure 3)

图 3 湿润体形状示意图 Figure 3 Shape diagram of wetted soil

计算供水袋渗灌湿润体最大垂直入渗距离和最大水平湿润半径的试验结果见图 4。由图 4可知, 供水袋渗灌湿润体最大垂直入渗距离和最大水平湿润半径, 是随水袋供水量和初始土壤含水量的增加而增大。

图 4(Figure 4)

图 4 不同土壤含水量下湿润体的特征值 Figure 4 Characteristic value of wetted soil in different soil moisture content

假设供水袋渗灌头所在位置为坐标原点, 则垂直半椭球形湿润体的拟合方程式为:x²/A²+ y²/B²+z²/B²=1(A为最大垂直入渗距离, B为最大水平湿润半径)。由此可知, 湿润体体积计算公式为:V=2πAB²/3, 计算求得的湿润体体积V与供水量体积W的关系如图 5所示。回归分析得出, 拟合方程呈V=aW^b的幂函数关系, 各拟合方程决定系数均在0.97以上, 表明幂函数可以准确描述湿润体体积和供水量的关系。通过以上拟合结果, 在使用供水袋渗灌造林时, 可以依据造林地初始土壤含水量情况, 选择合适的拟合方程; 同时, 根据栽植苗根系分布范围, 确定有效的渗灌湿润体体积, 进而可以求出供水袋适宜有效的供水量。这样就可以避免因供水量不足而造成的渗灌效果较差, 以及供水量过多而造成的水量浪费。为晋西黄土区干旱陡坡造林, 选择合适的供水袋规格提供了重要依据。

图 5(Figure 5)

图 5 不同土壤含水量下湿润体体积和供水量的关系 Figure 5 Relationship between wetted soil volume and water supplying amount in different soil moisture content

2015年4月1日至5月20日, 试验地无降雨发生, 为期50 d的供水袋壤中渗灌试验, 造林栽植穴土壤含水量变化见图 6。由图 6可知:供水袋大孔径渗灌, 在前17 d内, 土壤含水量从15.02%急剧上升到19.55%, 之后开始下降, 最终降至7.17%;中等孔径渗灌初期, 造林栽植穴土壤含水量虽然小于大孔径渗灌, 但是同样呈现增加趋势, 土壤含水量从15.02%增加到18.90%, 之后进入稳定期, 土壤含水量稳定在19.07%左右; 定期浇水处理的造林栽植穴土壤含水量一直在17.28%左右波动; 小孔径渗灌造林栽植穴土壤含水量虽然高于对照, 但是和对照一样, 土壤含水量逐渐减小, 土壤含水量从15.02%下降到6.15%, 对照处理的土壤含水量从15.02%下降到5.06%。可见使用供水袋, 对造林栽植穴进行壤中渗灌, 可以提高土壤含水量, 中等孔径渗灌和定期浇水, 土壤含水量能较长时间维持在较高水平。

图 6(Figure 6)

CK:对照Control check; D:定期浇水Water regularly; S, M, B分别为供水袋小, 中等, 大孔径渗灌S, M, and B are infiltrating and irrigating with small, medium and big aperture, respectively.以下类同。The same below. 图 6 不同试验处理下土壤含水量变化 Figure 6 Change of soil moisture content under different experimental treatments

供水袋壤中渗灌试验各处理造林成活率和苗木生长量见图 7。可知:2015年10月生长季结束后, 定期浇水、中等孔径、大孔径及小孔径渗灌造林苗木成活率分别为86.7%、90.0%、73.3%和63.3%, 较对照分别提高26.7、30.0、13.3和3.3百分点; 苗高生长量分别为10.8、10.6、7.5和6.9 cm, 较对照分别提高92.86%、89.29%、33.93%和23.21%;新枝生长量分别为9.7、9.4、6.3和5.8 cm, 较对照分别提高97.96%、91.83%、28.57%和18.37%。经方差分析得出:各试验处理苗木生长量较对照显著提高, 中等孔径渗灌和定期浇水处理苗木生长量较大孔径、小孔径渗灌处理显著提高(P<0.05, n=30)。各试验处理均可提高苗木成活率、苗高和新枝生长量, 以定期浇水和中等孔径渗灌处理效果最为显著。

图 7(Figure 7)

不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05, n=30)。Different small letters refer to significant differences at 0.05 level among treatments. 图 7 不同试验处理下苗木成活率及生长量 Figure 7 Seedlings survival rate and growth in different test treatments

笔者得出供水袋渗灌湿润体最大垂直入渗距离＞最大水平湿润半径, 主要是因为渗灌水在水平和垂直方向上的运动距离, 是由土壤水势差的大小决定。在水平方向上, 土壤水势大小主要由土壤基质势决定; 而在垂直方向上, 土壤水势大小由土壤基质势和重力势共同决定, 且随供水袋滴出水量的增加, 重力势逐渐增大。所以, 渗灌水在垂直方向运动的距离＞水平方向运动的距离, 这也是供水袋渗灌湿润体形状近似垂直椭球体的原因。这与牛文全等^[15]对涌泉根灌土壤渗透特征的研究结果较为相似。

笔者认为, 湿润体最大垂直入渗距离和最大水平湿润半径, 随供水量和初始土壤含水量的增加而增大。这是因为供水袋的渗灌速度＞渗灌水在土壤中的入渗速度, 渗灌一段时间, 滴管头附近土壤含水量达到饱和后, 会产生积水, 积水不断向水平方向扩散和垂直方向入渗, 供水量越大, 便会有更多的渗灌水向基质势和重力势更低的地方扩散; 所以, 渗灌水垂直入渗距离和水平湿润半径会随供水量的增加而增大。同时, 渗灌过程中, 渗灌水分填充土壤孔隙后, 土壤水势增大, 便形成了土壤水势差, 在水势差的作用下, 渗灌水分向基质势和重力势更低的地方扩散。土壤初始含水量越小, 土壤水势则越小, 形成土壤水势差需要的渗灌水则越多, 而供水袋渗灌属于限量渗灌, 这样由供水袋提供的向水平和垂直方向扩散的水分便减少; 所以, 当土壤初始含水量较小时, 渗灌水分垂直入渗深度和水平湿润半径也较小。这与吴启发等^[16]对土壤含水量越小, 滴灌湿润锋运移速度越慢的解释原因较为一致。

结合各试验处理栽植穴土壤含水量、苗木的成活率及生长情况, 笔者认为造林时, 使用供水袋进行壤中渗灌, 选择中等孔径渗灌的供水袋较为适宜。这主要是因为大孔径渗灌的供水袋虽然渗灌前期土壤含水量较高, 但是供水袋里的水很快就渗灌完毕, 不能实现对造林苗木根系持续有效供水; 小孔径渗灌的供水袋渗灌时间虽然较长, 但是由于渗灌出来的水量较小, 无法起到提高苗木栽植穴土壤含水量的效果, 渗灌水分得不到有效地利用; 定期浇水和供水袋中等孔径渗灌苗木栽植穴土壤含水量、苗木成活率及生长量均表现较高水平, 但是在干旱陡坡, 大面积造林实现定期浇水难度很大, 而中等孔径渗灌供水袋, 每日供水袋释放的水量和造林栽植穴消耗的水量达到平衡后, 土壤含水量能较长时间维持较高水平。另外, 本次试验共计50 d, 定期浇水处理为每5 d浇水1 L, 则每株苗木浇水总量为10 L, 中等孔径渗灌的供水袋, 试验完成时供水总量为3 L, 在造林苗木成活率及生长量相当的情况下, 供水袋中等孔径渗灌可以比定期浇水节水7 L/株。吉县地区坡地造林, 密度一般控制在1 600株/hm², 那么使用中等孔径渗灌的供水袋比定期浇水的造林地就可以节水11.20 t/hm²。

供水袋渗灌湿润体的研究为野外试验, 虽然试验的立地条件与造林地比较接近, 但无法做到对湿润体的实时观测, 这限制了对于湿润锋的运移规律, 以及湿润体内土壤含水量的分布规律的研究。张振华等^[17]将滴灌供水系统和有机玻璃土箱相结合, 在室内开展相关试验, 这对于供水袋渗灌后续研究有一定参考价值。

1) 供水袋地表渗灌湿润体近似垂直半椭球体, 最大垂直入渗距离＞最大水平湿润半径, 且二者随供水量和初始土壤含水量的增加而增大。

2) 供水袋地表渗灌湿润体体积与供水量呈幂函数关系。在晋西黄土区干旱陡坡造林时, 根据造林苗木根系的分布范围, 可以确定有效的渗灌湿润体体积, 进而可以选择更为合适有效的供水量。这对于提高造林地渗灌水分利用效率, 减少造林灌溉成本, 均有重要意义。

3) 供水袋大孔径、中等孔径、小孔径壤中渗灌及定期浇水造林, 可以提高造林地土壤含水量, 以中等孔径渗灌和定期浇水效果最为显著。

4) 供水袋中等孔径渗灌和定期浇水, 对促进苗木成活和生长的效果最为显著, 但中等孔径渗灌比定期浇水的造林地可以节水11.20 t/hm²。建议在晋西黄土区干旱陡坡造林时, 选用中等孔径供水袋进行壤中渗灌。