荒山滴灌造林中土壤水分运移研究

早尔古·吐逊江，陈启民，褚奋飞，刘康

(新疆林业科学院, 新疆 乌鲁木齐 830002)

水是干旱区植物生存最重要的控制因素和限制因子[1,2]，土壤中水分的含量也是土壤的重要物理参数，它对于植物生长、存活、净生产力等具有极其重要的意义[3,4]。同时，土壤水分状况是气候、植被、地形及土壤因素等自然条件的综合反映，对于降雨产流、蒸散具有重要影响。因此，对土壤水分及其变化的监测是生态、农业、水文和环境等研究领域中最基础的工作之一[5,6]。

新疆位于我国西北边陲，由于远离海洋，天然降水稀少，是典型的干旱气候区[7]。新疆平原地区水资源补给主要来自山区融雪，由此形成了新疆特有的绿洲经济和灌溉农业[8]。同样，处于新疆西部的伊犁哈萨克自治州降水量少，植被覆盖率低，生态环境极为脆弱[9]。20世纪90年代以来，随着大规模的土地开发，水资源需求日益增加，水资源利用过度，农林争水问题日益加剧，致使生态用水资源补给短缺情况加剧，由此产生了诸如土地沙漠化、草场退化、水质恶化和土壤次生盐渍化等生态问题[10]。

为响应国家建设生态文明社会的号召，伊犁州各级政府制定优惠政策，大力引入有实力的企业从事荒山绿化造林，以期保护地方生态，美化环境。但由于水资源有限，林地又蒸散强烈，伊犁州荒山绿化中各企业全部选用滴灌节水措施，流量也采用8～16 L·h-1的滴头进行灌溉。但生产中宜选用多大流量滴头合适，灌溉多长时间才不会在地表产生径流，使水分利用效率最大，却往往无人关注，多凭经验定夺。对此，本文在伊宁市翼龙公司生态工程区的滴灌造林区对灌水前、灌水期土壤水分时空运移规律进行了初步的探索和研究。

1　试验区概况

伊宁市属北温带大陆性气候，四季分明，日照充足，年均气温9.2 ℃，1月最冷，年均-12 ℃，7月最热，年均22.8 ℃，年均降水量235 mm，无霜期178 d，年均日照3 014 h。春季气温上升快，但不稳定，由于冷空气的侵入频繁，易使上升的温度又急剧下降，倒春寒平均每2年发生1次；夏季炎热，最高温度36.2 ℃，但有稳定的炎热期；秋季温度下降快，由于北方冷空气活动加强，于9月上旬出现寒潮和霜冻。

伊宁市翼龙公司生态工程区位于伊宁市西北，距市区10～15 km，由多座荒山组成，海拔715～887 m。试验林地配置有榆(Ulmuspumila)、长枝榆(Ulmussp.)、大叶榆(Ulmuslaevis)和杏(Armeniacavulgaris)等抗逆性较强的树种。林下分布有芦苇(Phragmitesaustralis)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、藜(Chenopodiumalbum)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、驼绒藜(Ceratoideslatens)、东方铁线莲(Clematisorientalis)和滨藜(Atriplexpatens)等植物，其中角果藜占林下植被总量的70%左右，其他植被占30%；工程区土壤多为棕钙土，土壤灌溉下渗较快。

2　试验材料与方法

2.1试验材料

试验以栽植2～3年的榆树林为对象，株行距2 m×3 m。试验共采用2个流量设计，均为大流量滴头，分别为8 Lh-1和16 Lh-1，滴头间距1.0 m；灌溉周期保持一致，一次灌溉8～12 h。

2.2测定指标与方法

2.3数据分析

采用Excel 2007和SPSS 20.0软件对数据进行统计分析，采用Origion 8.5绘图。

3　结果与分析

3.1荒山滴灌造林水分时空变化规律

3.1.1滴灌前土壤水分空间分布特征

图1　试验前不同土层土壤含水量分布

由图1可见，在滴灌前土壤含水量随着土层的增加呈先减小后增大的趋势，最低值出现在80 cm土层，仅2.4%；最大值出现在表层，达8.9%。夏季由于高温和强烈的阳光照射，地表水分快速蒸发，致使地表土壤含水量快速下降，下层土壤在虹吸作用下，向地表输送水分，很快土壤含水量呈现上层低、下层高的趋势，但本次试验前测得的土壤含水量呈现先降后升的趋势，可能是因为在试验前本地有降雨过程所致，通过查阅伊犁地区气象资料，在试验的前一周，伊犁地区有连续3 d的降雨，降雨总量达31.1 mm，这可能是造成地表土壤含水量高于下三层土壤含水量的主要原因。

3.1.2滴灌条件下土壤水分运移规律对滴灌条件下土壤含水量变化值进行分析(图2)，可见滴灌2 h滴头处0～20 cm土层已接近饱和，之后土壤含水量基本不再增加；而此时同层20 cm水平距离处的土壤含水量也大幅增加，之后很快接近饱和，含水量不再增加，2 h时水平和垂直浸润最远可达40 cm左右。由图可见，土壤含水量在增长的前期，水分在水平和垂直方向运移并不明显，直至增长到一定程度(增加5%～10%)，土壤中游离水较为充分的条件才快速向深、远输送，并在下一监测时刻使外侧或深层土壤含水量发生变化。

图2　滴灌(8 Lh-1)土壤水分运移规律

在整个监测过程中，浸润范围在水平方向上最远可达60 cm左右，浸润深度可达80 cm左右，但整个浸润范围内，水平40 cm和深度60 cm以内的土体含水量较高，而且在滴灌开启后也可较快地得到水分补给，储存的水分在一段时期内可以保证植物健康生长。水平60 cm距离要经过8 h才能得到水分补给，深度60 cm土层需6 h左右才有水分补给，而深度80 cm要在灌溉12 h后才有水分补给，因此，滴灌在采用8 Lh-1滴头，1 m滴头间距的情况下，要使每个滴头的浸润土球连成带，滴灌需灌溉8 h左右；而随着林木的成长，根系向深层发展，滴灌宜增加灌溉时间，以保障各层土壤中分布的根系均能得到水分补给。

3.2滴灌条件下土壤浸润范围变化

图3　滴灌(8 Lh-1)土壤浸润水平变化

图4　滴灌(8 Lh-1)土壤浸润垂直变化

图5　8 Lh-1滴头灌溉浸润土体随时间的变化规律

利用锥体体积公式来近似计算土壤浸润的球体体积，我们可以看出，在12 h内，每隔2 h，浸润土体体积变化在25 000～32 000 cm3，整体呈缓慢的下降趋势；但在6～8 h和8～10 h，浸润土体体积却急剧增大，可能是因为土壤存在空间异质性，在这个时段内，水分的湿润峰进入了一种易于水分渗透的土壤中，土壤浸润深度或宽度快速增长所致。

图6　滴灌(16 Lh-1)土壤浸润水平变化

图8　16 Lh-1滴头灌溉浸润土体随时间的变化规律

同样利用锥体体积公式来近似计算土壤浸润的球体体积，我们可以看出，16 Lh-1滴头流量在8 h内，每隔2 h，浸润土体体积变化在55 000～100 000 cm3之间，整体不呈有规律的变化趋势；这可能和大流量滴头易形成地表径流，对浸润土壤体积变化造成无规律的影响有关。

表1　不同流量滴头土壤浸润范围变化

由表1可见，土壤浸润范围在水平和垂直两个方向上，水平变异系数要显著大于垂直方向浸润范围变异系数(P=0.017<0.05)，而比较两个流量的变异系数，16 Lh-1虽然大于8 Lh-1，但差异并不显著(P=0.093>0.05)；这说明水分在土壤中运移，土壤的异质性对水分的水平运移的影响要显著大于对水分的垂直运移，也就是水分在土壤中的垂直运移更有规律可循，这种规律更利于指导林地的灌溉。而流量的变化虽然会造成地表径流，影响土壤浸润范围的变化，但这种影响并不显著，可以通过限制地表径流(如穴状整地)加以改善。

4　结论与讨论

4.1伊犁州从事荒山造林，在滴头间距最常采用1 m的滴灌条件下，使用8 Lh-1滴头是较为合理的，此流量滴头在地表不会积水，形成地表径流而造成水资源的浪费，湿润范围变化也更稳定可循，16 Lh-1滴头流量过大，在荒山滴灌中容易形成地表径流，水在地表大量水平流失，从而造成水资源的浪费；土壤浸润的球体体积随着灌溉时间的延长呈现有规律的变化，随着灌溉时间的延伸，在相同的灌溉时间内湿润土壤体积整体呈缓慢的下降趋势，但也可能因为土壤空间异质性而改变这种规律。

4.2在伊犁州荒山造林普遍采用的1 m滴头间距的滴灌系统中，8 Lh-1流量滴头灌溉要使每个滴头的浸润土球连成带，需灌溉8 h左右；而深度60 cm土壤需6 h左右才有水分补给，因此，在林木根系分布范围较窄且浅的造林早期，8 Lh-1流量滴头灌溉6～8 h湿润范围就可以连接成带，避免形成灌溉死角，保证植物健康生长；随着林木的长大，根系分布向水平和垂直方向延伸，为了湿润更深的土层，灌溉时间也需随之延长，逐渐延长到灌溉12 h以满足林木的生长需要。

4.3在荒山滴灌造林中，越大的滴头流量越容易形成地表径流，从而造成水资源的浪费，但增大滴头流量，更利于水分向深层土壤移动，在林木长大后，需要更换大流量滴头以加速水分向下层土壤移动，为避免形成地表径流所造成的水资源浪费，可通过人工整地方式限制(如穴状整地)，保证水资源在林木根系范围内下渗，被林木加以利用。

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