改性荒漠沙在甘肃河西荒漠区绿化造林工程中的应用研究

陈延军，雷建生，任增茂，胡永权，罗天祥

(1.甘肃省建材科研设计院有限责任公司，兰州 730020；2.甘肃省绿色建筑技术重点实验室，兰州 730020；3.酒泉市金塔县林业技术推广站，甘肃 金塔735300)

甘肃省河西荒漠化地区气候干旱，降雨量少，水资源缺乏，且沙区旱区土壤本身的高渗漏性、高蒸发量，导致水资源利用率低，因此如何提高水利用率实现节水灌溉，一直是干旱荒漠区绿化种植中遇到的重要问题之一。而本文提到的改性荒漠沙是以荒漠沙或风积沙为主要原料，研制出的一种具有防渗透气功能的新型环保防渗材料。该材料为散装固体颗粒，与土壤相容性好，具有自修复作用，可用于荒漠农业种植、荒漠绿化种植、盐碱地改造及生态修复和环境治理等方面，达到有效减少绿化造林灌溉用水量，隔绝盐水迁移的目的。目前，国内学者对蓄水保墒抗旱技术在旱作农业方面的应用研究较广泛[1-5]，而在干旱区绿化造林抗旱方面研究相对较少。鉴于此，本文以典型荒漠植物胡杨(Populus euphratica)和密胡杨(Populus talassica × p.euphratic)为试验对象，以改性荒漠沙为试验材料，通过工程试验，探讨其在干旱荒漠区胡杨造林中的适用性，以期总结出一种干旱荒漠区人工造林的节水新材料和新方法，为以后甘肃河西荒漠区绿化造林工程节水灌溉提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

金塔县位于黑河流域中下游，河西走廊中部北侧，巴丹吉林沙漠边缘，属典型的温带大陆性气候，年平均降水量59.5 mm，年平均蒸发量2 538.6 mm，干旱缺水、植被稀少，且风大沙多，风向以西北风为主。该区草本植物主要有耐盐碱、耐干旱的胡杨、梭梭、红柳、泡泡刺等，胡杨为该区乔木主要树种。金塔县境内土壤主要以灌溉耕作土、风沙土、灰棕漠土等为主[6-8]。

1.2 试验地概况

本研究确定2处样地，位于金塔县城西拦河湾金嘉公路南北两侧，假设其周围气候、水文等环境条件无差异，分别为“金塔沙产业试验区”(以下简称“A区”)和“金塔密胡杨造林示范基地”(以下简称“B区”)，其中，A区面积约2.7 hm2，B区面积约13.3 hm2。2处样地在幼苗栽植前已完成滴灌管道系统布置、挖坑及客土换填等基础性工程。滴灌采用手动控制分区轮灌，且同一地块高差相对保持一致，保证同一等高区内使灌溉水量相对均匀；定植坑为挖掘机施工，上口尺寸为1.0 m×1.0 m，下口尺寸为1.0 m×0.8 m，深度0.8 m，采用4～5 m的行距，4 m的株距，设计栽植密度为495～630 株/hm2。

1.3 试验材料与方法

(1)试验材料。改性荒漠沙由甘肃省建材科研设计院有限责任公司研制生产；胡杨、密胡杨苗木，分别来自酒泉市林科所和新疆乌鲁木齐县科林苗圃，都为3 a生，其长势良好、无病虫害、根系完整、茎干粗细均匀。

(2)试验方法。本研究在前期先进行小面积试验，即利用改性荒漠沙，通过不同处理方式栽植幼苗，在其生长期内观测苗木成活率、地径、胸径、新梢生长量、土壤含水率等指标，通过分析各处理方法对幼苗生长的影响，评价各处理方法的实施效果，初步筛选出一种或多种适宜的处理方法；然后扩大试验面积，在已选处理方法的基础上通过控灌，重复验证和评价改性荒漠沙应用于荒漠区绿化造林工程的实际效果。具体做法：① 为探究不同处理方式对胡杨生长的影响，2018年5月在A区以胡杨为试验对象，设置6种试验处理，分别为：EG1(顶部铺沙)、EG2(顶部铺沙+塑料管)、EG3(底部和顶部铺沙+塑料管)、EG4(底部铺沙)、EG5(底部铺沙+侧壁塑料膜)、CG(对照组)。上述的铺沙在不作特别说明情况下，均指铺设改性荒漠沙(以下同)，处理时顶部铺沙量为10 kg，底部铺沙量为15 kg，其中顶部铺沙后再覆1～2 cm普通沙土作为其保护层，防止改性荒漠沙层遭风袭；塑料管为PVC材质，直径为20 cm，高度为40 cm，嵌入土壤深度20 cm，如图1所示；塑料膜为普通棚膜，厚度为0.2 mm，侧壁铺设高度为60～80 cm；对照组是指不作任何处理。每种处理设置2行，每行有42株，试验行间设置不作任何处理的保护行。每种处理简单随机抽取胡杨幼苗10株作为观测样本，并挂牌标记。2018年对所有组别采取常规灌溉，即每月平均各浇灌3次，灌水时长相同(忽略滴灌压力差异引起的误差)；以2018年试验研究为基础，2019年对EG1和CG采取控灌，即每月平均浇灌1次。② 以A区试验研究为基础，将铺沙厚度(决定于铺沙施用量)和控灌作为共同影响因素，进一步探讨顶部铺沙处理在控灌条件下的节水效果，2019年5月对B区设置了6种处理：EG1-1(顶部铺沙7.5 kg)、EG1-2(顶部铺沙7.5 kg+控灌)、EG2-1(顶部铺沙5 kg)、EG2-2(顶部铺沙5 kg+控灌)、EG3-1(顶部铺沙2.5 kg)、CG(对照组)，其中这里的CG也指不作任何处理。

图1 金塔沙产业试验区

1.4 主要指标测定

(1)生长量测定。成活率以缓苗期内各处理所有株数的成活率进行统计；地径是用0.01 mm的电子游标卡尺量取苗木离地面0.20 m处树干固定位置的直径；胸径是用0.01 mm的电子游标卡尺量取苗木自地面至1.30 m处树干固定位置(南北方向，做标记)的直径；新梢生长量是用0.1 cm的钢卷尺量取树冠外围距地1.50 m左右高度的发育枝长度平均值。

(2)土壤含水率测定。在距测试样树干水平距离30 cm处，每个待测样本预埋10、20、30、40 cm长为一组的探针，利用便携式JK-100系高周波水分仪(测量范围为0～100%，分辨率0.1%)监测相应深度处的土壤含水率。选择在非降雨天9∶00-10∶00，对每个处理按样本编号同时进行测定，以减少天气差异和测定时间不同步引起的误差。

(3)数据处理。测定时由于考虑到样本之间的个体差异，试验数据取算术平均值。

2 结果与分析

2.1 不同铺沙处理方式对胡杨生长的影响

对于土壤水分及土壤表面温度而言，覆盖材料对土壤保水性能与土壤保温隔热性能具有积极影响[9]，覆盖材料和覆盖方式在干旱区可减少土壤水分地表无效蒸发、地下渗漏[9-11]，达到蓄水保墒作用，是提高植物光合作用和水分利用效率[12,13]的有力措施之一。在金塔试验地，光、热条件非常充分，水分是影响胡杨生长的主要因子，而通过胡杨生长量变化(如胸径、地径等)可分析和评价不同处理方式对胡杨生长的影响。从表1可见，5-8月胡杨幼苗的成活率数据有所波动，短期内无明显变化规律；5-8月胡杨幼苗生长相对较快，8月后其生长量变化趋于缓慢，胸径增加量大小为EG1= EG3>EG2>EG4>CG>EG5，即除EG5外，其他处理较CG均有不同幅度的提高，其中EG1和EG3效果表现最好，较CG均提高50.0%。而新稍生长量增量大小为EG2>EG3>EG1>CG>EG5>EG4，其中EG2效果表现最好，EG2较CG提高32.6%；EG4与EG5较CG效果表现差。说明利用改性荒漠沙的透气、防渗、防蒸发作用，通过铺沙处理促进了幼苗的生长发育。EG2胸径增量较EG1低，主要是因为塑料管虽起到滴灌时储水的作用，但有时因塑料管内水分下渗速度过慢而外溢以及降雨难以收集，间接影响2种处理下生长量的差异；对于新稍生长量和胸径，EG5

表1 不同铺设处理下胡杨幼苗的生长状况

2.2 顶部铺沙和控灌对胡杨生长的影响

为了进一步证明顶部铺沙对胡杨生长的有利影响，2019年我们对A区顶部铺沙10 kg(EG1)和对照组(CG)样区控灌(这里灌水量减少66.7%)，并将观测样本数量增加至20株，继续跟踪监测EG1试验组苗木生长情况，在5月、7月、9月、10月共4个月观测其地径、胸径、新稍生长量，如表2所示。从表2可知，顶部铺沙处理后的胡杨幼苗在整个生长季，其胸径和地径，较对照组均呈现出大幅增加的趋势，分别为46.74%和66.53%，尤其在 7-9月生长尤其迅速，地径、胸径和新稍生长量分别增加242.42%、303.57%和100.00%，地径和胸径增幅相对较大，2019年9月A区胡杨长势如图1(b)所示；而对照组生长缓慢，与这几个月气温较高，迫使地表水分蒸发快，造成土壤缺水有关。结果显示，对胡杨树坑表面覆沙后，即使减少了灌水频次，也能很好地促进胡杨幼苗的生长，说明了顶部铺沙措施是可取的。

2.3 顶部铺沙厚度和控灌对密胡杨幼苗生长的影响

从表3结果可知，在不控灌条件下，密胡杨的地径增加量大小表现为EG1-1> EG2-1>CG >EG3-1，EG1-1和EG2-1较CG分别提高20.5%和10.6%；其胸径增加量大小表现为EG3-1>EG1-1>CG>EG2-1，EG3-1和EG1-1较CG分别提高47.6%和40.6%，EG2-1降低16.6%，其中EG3-1处理后胸径增幅较大，分析认为是由于2.5 kg的施用量较少，在实际施工时很难铺设形成厚薄均匀的覆盖层，当水分沿树干下渗速度缓慢时，覆盖层上部多余积水会冲破其最薄弱处快速下渗，使得土壤中保持较高的含水率，从而促进了幼苗的生长，但同时也会造成覆盖层结构的局部破坏，然后形成蒸发通道，保水能力减弱。总体上，在幼苗栽植的第1年，为保证幼苗成活率，不控灌条件下的灌水次数较多，在此情况下，顶部铺沙施用量的多少对幼苗生长发育无明显贡献，其有利作用在一定程度上被削弱。

表2 顶部铺沙处理下胡杨幼苗的生长状况

表3 顶部铺沙处理和控灌条件下密胡杨幼苗的生长状况

在控灌条件下，密胡杨地径增加量大小表现为CG>EG1-2>EG2-2，EG1-2和EG2-2较CG分别降低8.9%和9.6%；其胸径增加量大小表现为EG1-2>CG>EG2-2，EG1-2和EG2-2较CG分别提高9.1%和降低14.4%。分析认为，5 kg、7.5 kg施用量形成的沙覆盖层[如图2(c)所示]相对厚实均匀，当滴灌速度大于水分沿树干下渗的速度时，造成多余水滞留树坑后外溢而流失，导致土壤含水率保持在较低水平，反而为树盘周围其他植物提供了所需水分，使其生长旺盛[如图2(d)所示]。此时，EG1-2和EG2-2处理下土壤含水率则会更低，但由于沙覆盖层的防蒸发作用，土壤内部含水量与幼苗生长耗水量达到基本的动态平衡。因此，在幼苗栽植第2年，考虑顶部铺沙厚度这一因素对于控灌节水才有显著意义，这与在2.2中的讨论结果一致。同时，在上述研究基础上，考虑到铺沙施工的可操作性、质量可靠性及经济性，优先选择顶部铺沙5 kg的施用量，且在幼苗栽植第2年进行控灌，并控制滴灌速度。

图2 金塔县密胡杨造林示范工程

2.4 顶部铺沙处理和控灌对土壤含水率的影响

土壤水分是胡杨、密胡杨幼苗生长发育的决定性因素。2019年在A区顶部铺沙10 kg(EG1)和对照组(CG)样区选取一定比例的观测样本，实行控灌(每月灌水1次)，然后在2019年6月9日(灌水7 d后)、7月22日(灌水14 d后)、8月20日(灌水14d后)、9月16日(灌水14 d后)4个时间节点对上述2种处理下胡杨林的土壤含水率进行了调查，得出土层不同深度处的水分分布状况，如图3所示。

从图3可知：在40 cm以内的土层深度梯度内，无论是灌水7 d后还是14 d后，EG1的含水率始终大于CG的含水率，且土壤含水率随深度基本呈增大趋势[9]，这主要是由于距离地表和主根系越远，水分散失就越少；在10 cm深处，6月2者含水率差异小是由于灌水后时间短，水分蒸发少，且由上到下湿度梯度小，垂向范围内达到湿度平衡；7月2者含水率差异变大，是由于当地7月气温较高，不作任何处理的浅表层土壤水分受日照和当地大风气候的影响而蒸发强烈，水分含量较低；在30 cm深处，7月份2者土壤含水率差异也较大，分析认为是因为沙覆盖层的透气性使土壤水分向上垂向传递，且此时随着气温降低，胡杨生长变慢，植物蒸腾作用减弱，耗水量减少。8月、9月时，10、20、30 cm深处的水分差异相对趋于稳定，而40 cm深处含水率差异增大，这跟9月当地气温开始下降、根系呼吸作用减弱等因素有关。同时结合表2中反映的生长量，分析认为7月份2者土壤含水率的差异引起胡杨生长量的不同，说明铺沙处理在控灌条件下具有蓄水保墒能力，降低了水分胁迫对胡杨持续生长带来的影响，可见试验区内顶部铺沙处理在控灌条件下，土壤含水率变化的响应比较明显，因此，在幼苗栽植的第2年，在铺沙处理的基础上可采取相应控灌措施，维持水分动态平衡，2者具有显著的关联性。

图3 顶部铺沙处理和控灌条件下胡杨土壤不同深度处的水分分布

图4 7月份不同铺沙厚度和控灌与密胡杨土壤含水率之间的关系

此外，我们在2019年6月、7月、8月、9月对B区6种处理(如表3所示)测定了其土壤含水率。下面以7月22日(灌水14 d后)测定的土壤含水率为例，分析顶部铺沙厚度与控灌对土壤含水率的影响，如图4所示。从图4(a)可见，对于3种不同铺沙厚度，即EG1-1、EG2-1、EG3-1，在不控灌条件下，在10～40 cm土壤深处3者的含水率较对照组CG并无增加趋势且无明显规律，然而在30 cm深处，含水率大小为CG> EG3-1> EG1-1> EG2-1，说明铺沙厚度反而抑制土壤含水量的提高；从图4(b)可见，对于相同的铺沙厚度，EG2-1和EG2-2的土壤含水率变化较对照组CG，亦无增加趋势且无明显规律，说明在相同铺沙厚度下土壤含水率变化对控灌的响应不明显。因此，在幼苗栽植第1年，顶部铺沙厚度和控灌对土壤含水率的变化具有交互影响，2者关联性不明显。

2.5 节水效益估算

以本实施项目为例，在第1年，1 hm2种植面积平均用水量为1 800～2 250 m3/a，从第2年开始，通过改性荒漠沙的应用和控灌措施，1 hm2每年可节省用水量约66.7%，同时节省部分水电费和人工费，相比常规种植模式，大约可节省30%～40%的费用，节省的费用相当造林绿化所需改性荒漠沙材料的大部分成本。

3 结 语

(1)在幼苗栽植第2年，顶部铺沙处理和控灌，可大幅提高0～40 cm土层的土壤含水率，试验组胸径、地径较对照组提高66.53%和46.74%，7月、8月、9月表现效果显著；改性荒漠沙应用与控灌相结合时，优先选择的顶部铺沙施用量是5 kg/m2。

(2)改性荒漠沙在金塔县胡杨造林中的应用效果比较明显，有效提高灌溉水利用率；且材料本身环保无污染，在该地区的工程应用中具有良好的适用性和经济性，有望在甘肃河西干旱荒漠区绿化造林节水灌溉时大面积推广应用。

试验研究虽总结得出了一些阶段性成果，但因野外监测数据有限，未涉及不同土层的土壤盐分[14-17]分布情况对胡杨生长发育的影响，不同铺沙厚度与土壤水分蒸发之间的关系等内容，更重要的是，胡杨成林后极具旅游欣赏价值，应补充观测各物候期(叶黄期，落叶期等)的开始、结束和持续时间差异及分析其物候特征和生态适应性[17]，这些都有待以后继续深入探讨。