节水灌溉在林木与竹子上的应用研究综述

张 磊，谢锦忠，张 玮，冀琳珂

(中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 富阳 311400)

节水灌溉在林木与竹子上的应用研究综述

张 磊，谢锦忠，张 玮，冀琳珂

(中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 富阳 311400)

综述了滴灌、喷灌和渗灌3种节水灌溉方式在林木上的应用，主要阐述滴灌对林木生理活动的影响、滴灌条件下土壤水分运移及林木根系分布规律等方面，同时对目前竹林的节水灌溉应用进行总结，旨在为以后的相关研究提供参考。

林木；竹子；滴灌；喷灌；渗灌

水是地球上所有生物生存所必须的自然资源之一。我国水资源虽然总量大，但人均占有量却很少，我国是一个严重缺水的农林业大国。节水灌溉技术在林木和竹子上的普遍推广和应用将成为显著提高水资源利用效率和最大限度节约水资源的最为根本的途径[1]。无论从世界范围内对水资源的利用趋势还是从我国的基本国情出发，发展节水灌溉是实现社会可持续发展的必由之路，同时也是解决干旱和半干旱地区水资源短缺问题的非常重要的措施。目前的节水灌溉方式主要有滴灌、喷灌、渗灌等，它们都存在一定的推广价值，能够在农林业节水灌溉中起到重要的作用[2]，对节水灌溉在林木和竹子上的应用进行研究有其必要性和现实意义。

1 节水灌溉在林木上的应用

1.1 滴灌在林木上的应用

1.1.1 滴灌对林木生理活动的影响 目前，滴灌对林木生理活动影响的研究主要集中在经济树种上，对用材树种生理活动影响的研究相对较少。滴灌在一定程度上可以减少由于干旱造成的叶片伤害，从而可提高植物的光合蒸腾速率等[3]。滴灌条件下葡萄(VitisviniferaL)的净光合速率年变化呈现出先升高后降低的变化趋势，年平均净光合速率随年灌水量的减少而降低，蒸腾速率同样表现出灌水多的高于灌水少的，水分利用效率则不尽相同，出现了灌水多反而比灌水少的低的现象[4]。王龙等[5]研究不同滴灌定额对大枣(ZiziphusjujubaMill.)净光合速率和蒸腾速率的影响，发现了与此相同的规律。杨树(Populus)人工林从一个滴灌周期来看，滴灌区树木水分利用效率比对照区(不灌溉)有显著提高[6]，然而这与Dickmann DI 等[7]的研究结果却存在一定差异，Dickmann DI 在研究中发现2种杨树杂交无性系(Ptristis×P.balsamiferacv.Tristis 1与Populus×euramericanacv.Eugenei)萌生后的光合速率都不受滴灌的影响，但在没有滴灌的情况下气孔导度则降低。

滴灌与林木叶水势存在密切关系。滴灌条件下成龄核桃树(Juglansregia)叶水势日变化呈现出单峰曲线的变化趋势，并且在下午出现一天中的最低值，叶水势日变化与相对湿度呈现正相关关系，与太阳辐射和大气温度呈现负相关关系，不同生育期核桃露点叶水势与土壤含水量的关系不尽相同，在油脂转化的前期呈现出负相关关系，而在果实膨大期、油脂转化后期和硬核期却呈现出正相关关系[8]。而极端干旱区不同滴灌条件下葡萄叶水势日变化趋势均表现出清晨出现最高点，中午出现最低点，下午出现回升的现象，同时葡萄叶水势均与土壤的含水量之间呈现出正相关关系[9]。Fernandez J E等[10]测定了橡胶树(不灌溉与滴灌)的叶水势和气孔导度，结果发现2种处理的叶水势中午差异要比黎明前更大，但是2种处理的气孔导度则没有明显差异；重新灌溉干旱的橡胶树12 h后，2种处理的叶水势差明显降低，重新灌水后已经干旱的树到第3天才完全恢复。Torrecillas A等[11]对成熟的柠檬树用滴灌进行亏水灌溉试验，发现在亏水灌溉期间常规灌溉量处理与亏水灌溉处理的黎明前叶水势有显著差异。

滴灌在一定程度上可以改变植物的茎流速率。利用包裹式茎流仪对滴灌条件下核桃树液流规律进行研究，发现核桃树的液流速率日变化呈现单峰曲线，并随着太阳辐射的增强液流速率逐渐上升，液流速率出现最大值的时间要比太阳辐射出现最强的时间要早，液流速率与大气温度、冠层风速、太阳辐射、相对湿度都具有良好的相关性，其中主要影响液流的气象因子是太阳辐射[12]。利用同样方法在极端干旱区对滴灌条件下葡萄茎流变化规律进行研究，发现在阴天，葡萄植株茎流变化呈现出多峰型曲线，在晴天，葡萄植株茎流速率的日变化曲线呈现双峰，茎流和风速、光合有效辐射极显著相关，和饱和水汽压显著相关，和湿度、温度不显著相关[13]。

1.1.2 滴灌条件下土壤水分运移规律 当前，对于滴灌条件下土壤水分运动规律的研究相当多，且主要集中在滴头流量研究、滴灌入渗过程中土壤质地的研究、灌水量和土壤初始含水量等影响因子对湿润峰运移及土壤水分运动规律的研究等，对于入渗和再分布过程中土壤水分动态变化规律的研究还较少[14-19]。在滴灌条件下砂壤土水分运动规律的研究中发现，点源供水条件下，湿润体内土壤含水率的分布出现由中心向外逐渐减小的现象，并且含水率剖面呈三角形特征，当供水停止后，在土壤水分再分布过程中，土壤湿润峰面出现不断向外部推移的现象，同时湿润层土壤含水量也开始有所增加，等到后期湿润体内的土壤含水量普遍降低，且高含水区逐渐下移，最后出现相对稳定的状态[19]，也有研究发现在滴灌停止后，土壤湿润峰在垂直方向和水平方向上都还能够继续移动1～3 h，垂直方向上运移的距离大约为2～10 cm，水平方向上运移的距离大约为1～10 cm。通常滴灌持续的时间不同，停止灌溉后在垂直方向和水平方向上水分运移的距离也不尽相同，在持续滴灌1～3 h的情况下，土壤湿润体形态为逐渐增大的扁半椭球体；而在持续滴灌4～6 h的情况下，土壤湿润体的形态由逐渐增大的扁半椭球体变为逐渐增大的长半椭球体[20]。土壤土质不同水分运移规律也存在差异，当土壤为粘质土，且滴灌速率为2.67 L·h-1时，湿润峰在水平方向上移动的速率远大于其在垂直方向上移动的速率，水平方向的速率是垂直方向的1.22倍[21]。滴灌设施的不同对土壤水分运移也会产生一定的影响，双管滴灌条件下，水分在不同含水量土壤中的湿润体形态依灌水量大小而各不相同，灌水量较小时呈双碗状，随着灌水量的增加，湿润体逐渐呈现出坛状；而单管滴灌的条件下，水分在不同含水量土壤中湿润体均能够呈坛状[22]。这些研究均表明滴灌可以显著改善土壤水分的再分布，能够更好地满足植物的需水量。

随着计算机技术的应用和推广，数字模型已成为另一种研究土壤水分运移规律的更好也更加有效的方法。Kandelous M M[23]提出了地下滴灌水流运动的二维数学模型，并且利用该模型初步探讨了地埋点源滴灌的最优埋深和间距等。Or.D 等[24]利用随机方法把土壤基质势和相对饱和度及土壤水力特性联系在一起，并建立了二维水流运动的参数模型。在灌溉流量和灌溉水量一定的情况下，土壤水平湿润锋显著小于垂直湿润锋，并且随着灌水量的增加呈直线关系，水平湿润峰随时间的变化呈现出明显的二项式函数关系[25]，在流量稳定的情况下，湿润体在垂直和水平扩散距离都与时间有显著的幂函数关系[26-27]。地埋滴灌在垂直方向上土壤水分的变化呈近似二次曲线分布，并且随着时间的推移水分的变化逐渐趋于水平[28]。灌水延续时间和湿润锋垂直入渗深度之间的关系可用幂函数进行描述，湿润锋水平扩散的半径、地表积水区半径和灌水延续时间的关系则可用对数函数描述[29]。

1.1.3 滴灌条件下林木根系分布规律 目前，滴灌条件下对经济林树木根系分布规律的研究多于对用材树种的林木根系分布规律的研究。滴灌能够在一定程度上改变林木根系的分布范围，对生长在砾土质戈壁土壤上的红枣进行滴灌发现，大量的垂直根系主要分布在20～80 cm土层，同时主要密集在20～60 cm土层，达到总根量的65%～80%；水平方向的根系主要在0～50 cm土层分布，其根系数量占到全部根系数量的90%以上，其中0～40 cm土层根系占全部根系数量的79%以上[30]。而采用分层分段挖掘法对自然条件下、滴灌条件下的梨枣(ZiziphusjujubaMill.)根系的空间分布进行研究，则发现在垂直方向上，滴灌条件下的输导根主要分布在土层的0～80 cm，自然条件下的输导根则主要分布在土层的0～60 cm[31]。相关研究显示在采用双管滴灌的情况下根系数量最大，但根系在垂直方向上的分布范围比沟灌缩小了20 cm；覆草滴灌的根系在水平分布范围上比沟灌扩大了9.1%；膜下滴灌的根系在垂直分布范围上比沟灌减少了20 cm；同时发现滴灌条件下的根系分布较浅，粗根的比例较大，细根的比例相对较少，根系大部分集中在20～40 cm土层，占总根系的55.51%[32]。在土耳其，Tuzcu O等[33]研究不同灌溉方法对柠檬植株根系分布的影响，发现滴灌条件下根主要分布在0～20 cm土层处，占总根系的40%，而微喷灌、浇灌、畦灌分别为32%、24%、39%，而40 cm土层深处根系分布无差异。滴灌条件下的葡萄根系垂直和水平分布比漫灌条件下的葡萄根系根幅相对较小，同时根系也更加集中，并且滴灌条件下葡萄吸收根的总量比漫灌条件下的增加33.49%～38.65%[34]。在干旱的荒漠区对葡萄进行滴灌，发现其根系在垂直方向主要分布0～70 cm的范围，水平方向主要分布在0～120 cm范围内[35]。

除了经济林树种以外，在用材林树种方面对杨树进行林木根系分布规律的研究相对较多。采用分层分段挖掘法和全挖法对常规栽培和滴灌栽培的杨树个体和林分根系进行研究，发现滴灌栽培的杨树主根分布深度比常规栽培的杨树主根分布深度浅了很多，滴灌栽培的杨树根系，顺行方向分布范围是常规栽培的1.2倍，行间方向分布范围是常规栽培的1.8倍，根数量是常规栽培的2.0倍，Ⅱ级和Ⅲ级侧根的生物量和总长度远远大于常规栽培[36]。同时有关研究表明地下滴灌能够使杨树<10 mm的根量显著增加，其中地表下20～50 cm土层中<10 mm的根量是常规灌溉的3倍多，地下滴灌杨树<10 mm的根系垂直方向上主要集中在20～50 cm土层，常规灌溉的则呈现出均匀分布，滴灌杨树<10 mm的根水平方向上主要集中在靠近地下滴灌管的地方，行间3 m处<10 mm的总根量甚至出现了比常规灌溉还减少了50%的现象[37]。从以上研究可知滴灌能够显著改变林木根系的数目以及根系分布的相对位置。

1.2 喷灌和渗灌在林木上的应用

1.2.1 喷灌在林木上的应用 喷灌是一种节约水分明显，同时适用性比较强的节水灌溉方式。目前，喷灌主要应用在小麦、玉米和棉花上，林木方面喷灌也主要集中在经济林树种上。喷灌在一定程度上可以改变林木生长的小气候[38-39]、提高产量[40-41]，同时喷灌对土壤结构影响也较小[42]。陈志银[43]在桑园中开展喷灌和非喷灌的气候效应分析试验，结果发现喷灌桑园与不喷灌桑园相比，蒸发耗热和辐射收入都有所增大，土壤显热通量和热通量减小。在白天桑园的空气相对湿度和平均水汽压增加，地面和叶冠温度也出现了降低，夜间叶层最低气温降低，同时桑园出现了同化效率增强，夜间呼吸强度减弱的现象。杨静[44]在沙地果树水雾微喷灌高效节水技术研究中发现，增加微喷灌以后不同土层的土壤总孔隙度都有了明显的增加，土壤容重方面水雾微喷也比大水漫灌出现降低，土层土壤持水量比大水漫灌有所增加，中午水雾微喷灌1 h后，相对湿度提高，树下气温降低，显著改变了果树生长的小气候；此外新梢的生长量、树冠投影面积以及果子重量都有不同程度的增加。喷灌还可以改变土壤中的养分分布以及土壤剖面理化特性，在喷灌50 mm水的情况下，能将土壤表施的尿素和表层硝态氮淋洗到5～20 cm作物根系周围，并在此密集，有利于作物吸收，同时又不产生深层渗漏损失[45]。在长期喷灌条件下，土壤剖面理化特性与其他灌溉类型区相比，喷灌区的全剖面，特别是底土层和心土层的含水率都有较大幅度的降低，同时底土层和心土层的有机质质量分数也出现大幅度降低，而犁底层及其以下一定深度范围内土层的干密度却有较大幅度的增加[46]。

1.2.2 渗灌在林木上的应用 渗灌是利用地下管道将灌溉水输入埋于地下一定深度的渗水管道内，借助土壤毛细管作用湿润土壤的一种灌水方法[2]。由于它能充分满足作物在生长过程中各个生长时期的水肥需求，并能准确适量地直接送到作物根系周围，达到节水、节肥、增产和减少病虫害等目的，现已成为全球研究的热点。渗灌研究多集中在水稻、麦田、蔬菜以及经济林的灌溉中。渗灌不仅可以改善土壤水分状况，还可以改善土壤各种理化性质。渗灌对干旱地土壤含水量的影响非常明显，在需水关键期进行适量渗水，能够显著改善土壤的含水率，并且水平渗幅明显大于垂直下渗深度，特别是20～80 cm土层含水率比对照组升高明显，渗水管道埋设深度不同，水分在土壤中的分配模式也不尽相同，以30～40 cm最为合适[47]。渗灌条件下土壤容重比漫灌有所降低，毛管孔隙度、土壤总孔隙度和非毛管孔隙度渗灌却比漫灌都有了提高，同时各土层平均地温渗灌比漫灌也有了一定程度的升高，漫灌使1～0.05 mm的土壤粒径下降，而渗灌却没有明显的变化，并且渗灌不易出现土壤表层裂缝和板结现象。漫灌与渗灌土壤颗粒的分形维数差异显著，漫灌土壤的分形维数变化相对大，尤其是漫灌在0～10 cm土层内土壤颗粒分形维数变化更加明显，这些都说明渗灌比漫灌具有更好地维持土壤物理性质的功能，漫灌对土壤结构特别是表层土壤结构的破坏非常严重[48-50]。渗灌同样可以改变林木生长的小气候，英超[51]在苹果园开展了渗灌与漫灌补水效果试验研究，结果发现渗灌比漫灌能更好地改变果园小气候，地表以上0.2 m和2 m处的平均气温渗灌比漫灌提高；同时在相同高度处，渗灌与漫灌相比，平均相对湿度也有所降低，从而更加有利于果实的生长。因为空气相对湿度太大对于果实成熟着色和病虫害方面都有不利的影响，同样也证明了渗灌在土壤总孔隙度、土壤容重、非毛管孔隙度和土壤毛管孔隙度等方面物理性状都好于漫灌。

2 节水灌溉在竹子上的应用

竹子属于禾本科(Gramineae)竹亚科(Bambusoideae)，是一种多年生的常绿植物。在全世界，竹子有70多个属共计1200多个种，竹子主要分布在我国的热带和亚热带地区[52]，竹类植物具有生长迅速、再生能力强以及用途十分广泛等特点，是我国森林资源的重要组成部分，也是南方经济发展的重要资源。竹子的生长离不开水，但随着我国水资源的日益短缺，传统的漫灌等浪费水资源的灌溉方式已经不能够在竹林培育中继续进行下去，在竹林中发展新的节水灌溉方式势在必行。

喷灌技术不仅具有生态环保、节本增效、当年投资当年见效且长期收益的特点，而且具有显著的经济效益、生态效益和社会效益，现在对竹林的节水灌溉的研究也大多集中在喷灌上。喷灌能够明显提高竹林的产量和产值，在干旱的冬季对毛竹(PhyllostachysedulisCarr.)进行合理喷灌，无论是笋的个体形状、单重还是个体数量等方面上都有显著提高[53]，喷灌对毛竹春笋数量和产量的影响同样非常显著，特别是在大年期秋冬季节天气又非常干旱的情况下对毛竹林进行合理的喷灌，可以大大提高竹林单位面积的产量和产值[54]。不同的喷灌方式会产生不同的土壤湿度，在喷灌时采用喷灌2 d停2 d的方式，无论是竹笋数量、产量还是平均单个竹笋的重量等指标都表现出最佳水平[55]。何继学[56]在毛竹林节水灌溉新技术中提到，采用喷灌技术以后，尽管土壤依旧很干旱，但是毛竹孕笋数量明显增多了，冬春笋明显变大，新竹也明显长壮了，特别是冬笋增产幅度高达1～3倍，产值与之前相比也提高了很多。当前，滴灌在竹林中的应用研究并不多，竹林滴灌主要是湿润竹子根部的一部分土壤，它主要应用在没有很大落差的竹林地块，滴灌相比于其他灌溉方式，节水显著，节水率高达87%，同时滴灌还可以和肥料同时进行，对竹林起到补水和增肥的双重效果，从而使得竹林经济效益大大提高[57]。在竹林中应用节水灌溉技术能够显著提高竹笋的数量和产量，以及新竹留养量和质量，同时在竹林中运用节水灌溉技术，还能够显著节约用水量，明显改善土壤的透水性、保水性能等；此外，节水灌溉还能够提高毛竹林的生物多样性，促进竹子根系生长。当前，关于竹林节水灌溉方面的研究相对较少，在以后的节水灌溉研究方面需要加大对竹林节水灌溉的研究。

3 小结及展望

当前，农业节水灌溉已有大量研究，其部分成果已在生产上进行推广和应用[58]。林木节水灌溉的应用研究虽然也相当多，但是大多集中在经济林树种上，对用材树种进行节水灌溉的应用研究相对较少。林木节水灌溉对土壤水分运移、林木根系分布、林木的生长以及一些生理生态指标的影响是当前研究的热点。我国是一个人口大国，对水资源和木材需求量都相当大，因此在以后的研究中，需要加大对用材树种的节水灌溉技术的研究，在节约水资源的同时，满足我国对木材的需求。

目前，对于竹林节水灌溉方面的研究也相对较少，且主要集中在喷灌和滴灌方面的研究，但由于竹子生长环境的特殊性，使用这2种节水灌溉方式，需投入大量的人力和财力，且最终达到的经济效益并不是特别理想。因此，要从竹子自身的生物学特性出发，寻求一种既节省物力和财力，又能够有较大经济效益的节水灌溉方式。如在毛竹林中，可以运用毛竹储水自灌技术，这种技术突破了传统的毛竹林经营管理模式，主要是利用机械工具对毛竹伐桩进行打通处理，使其能利用自然降水来进行储水与灌溉，在干旱天气、降水稀少的月份也可以采用人工向伐桩中注水的方式来实现灌溉，从而提高毛竹林的抗旱能力。毛竹储水自灌技术当前在浙江湖州市的林场已经进行了相关研究，涵盖笋用林、笋竹两用林和材用林等，并起到良好的抗旱效果[59]。这种灌溉方式不仅可以利用毛竹伐桩内壁吸水与供肥的特性来满足毛竹自身的生长，同时还可以从伐桩入手，通过设置不同注水的伐桩数目研究伐桩注水对毛竹土壤—植物—大气连续体(SPAC)的水分特征、毛竹林分光合及蒸腾作用的影响等，研究适合单位面积毛竹生长的最佳的伐桩数量配比，从而为构建毛竹储水自灌技术提供有力的理论依据和技术支持，这种技术可以大大降低毛竹灌溉成本，提高毛竹林的经济收入。

随着人口的增加，生活用水的需求不断增加，为了满足人类的生存，农林业用水就显得日趋紧张。要满足日益增加的森林对水的需要，除了要加强节水灌溉的力度，还要努力寻求多种灌溉水资源。目前最具开发潜力的灌溉水资源有雨水和微咸水等，雨水很早就被人们所收集用于灌溉，微咸水的节水灌溉技术在许多地方也已投入使用，并且能够在不伤害植物生长的前提下，满足植物对水分的需求，努力寻找多种灌溉水资源具有重大的现实意义。同时现在我国灌溉用水管理水平还相对较低，管理技术也相对落后，应加大研究符合我国基本国情的节水灌溉制度，制定有利于发展节水灌溉的保障体系和政策措施，从而使我国的节水灌溉事业获得可持续发展，并且取得更好的节水效果、更大的社会效益、经济效益和环境效益。

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A Review on the Application of Water-Saving Irrigation in Forest Tree and Bamboo

ZHANG Lei，XIE Jinzhong，ZHANG Wei，JI Linke

(ResearchInstituteofSubtropicalForestry，ChineseAcademyofForestry，Fuyang311400，Zhejiang，China)

The application of drip irrigation，sprinkler irrigation and subsurface irrigation in forest trees were reviewed.It mainly discussed that the effects of drip irrigation on physiological activities of trees，the soil water movement under drip irrigation and the distribution of roots.And the current applications of water-saving irrigation in the bamboo forest were also summarized.These could provide theoretical references for future relative researches.

forest tree；bamboo；drip-irrigation；sprinkler irrigation；subsurface irrigation

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.04.049

2015-12-25

浙江省林业科技推广项目(2015B05)；杭州市科技发展计划项目(20130432B75)

张磊(1989—)，男，河南新乡人，中国林业科学研究院亚热带林业研究所在读硕士，从事竹林生态的研究。E-mail：zhangleilx2010@163.com。

谢锦忠。中国林业科学研究院亚热带林业研究所副研究员，博士，从事竹林培育与竹类资源利用研究。E-mail：jzhxie@163.net。

S723.6

A

1002-7351(2016)04-0230-07