某地国家储备林土壤含水量变化规律研究*

秦建明，张桂云，王董董，赵梦蝶

(1.郑州大学水利科学与工程学院，郑州市，450001；2.郑州大学综合设计研究院有限公司，郑州市，450002；3.华北水利水电大学，郑州市，450045；4.河南省黄河流域水资源节约集约利用重点实验室，郑州市，450045)

0 引言

中国是木材生产和消费大国[1]，目前，我国木材缺口较大[2-3]，且木材进口量逐年上升[4-5]，建设国家储备林是保障我国木材安全、解决供求矛盾的重要途径。自2014年“国家储备林”概念提出以来，我国出台多项政策并设立专项资金支持国家储备林建设[6]。河南省是我国国家储备林首批试点省，部署了十年建成森林河南的战略规划。某地规划国家储备林基地建设面积共17.4 khm2。该地国家储备林二期项目建设规模5.4 khm2，其中绿化浇灌总面积约2.56 khm2，项目总投资约9亿元。目前该地国家储备林一期项目已完工，因地势地貌、灌溉用水保障不足及灌溉不合理等原因，导致一期林木生长缓慢，且大面积枯萎，造林成活率低，需要进行多次补植，不仅建设费用增加，也挫伤了人民造林的积极性。

水分是植物生长过程中的主要限制因子之一，充足的水资源及合理的灌溉是抗旱造林的重要构成部分，因地制宜制定合理的灌溉制度显得尤为重要。探索土壤水分运动规律，对于灌溉制度的正确制定有着重要意义。目前，众多学者利用仪器设备研究作物土壤水分状况，如高阳等[7]通过在农田不同土层深度埋设土壤水分传感器研究土壤剖面含水率的动态变化；张洪波等[8]利用土壤水分快速测试仪测定土壤水分含量来控制灌溉；王风娇等[9]利用水分传感器研究不同位置和灌水阈值对棉花生理及产量的影响；唐敏等[10]利用土壤水分传感器研究不同土地类型土壤剖面含水量变化情况；张敏等[11]采用TDR观测黄土丘陵缓坡风沙区0～100 cm土层含水量情况，研究不同土地利用类型下土壤水分变化规律。然而，应用土壤温湿度传感器分析人工林土壤水分状况的研究较少，特别是利用土壤水分传感器研究幼林成活期土壤水分变化规律并指导科学灌溉方面的研究鲜有报道。本文主要针对某国家储备林中杜仲林基地研究树盘式灌溉条件下不同灌水定额对应的土壤水分的变化规律，揭示停灌后土壤含水量的变化过程，为确定灌水定额和灌水周期等灌溉制度提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于河南省某地国家储备林建设基地(北纬34°31′～34°52′，东经112°49′～113°17′)，属温带季风气候，根据气象资料统计，该地区年平均降水量597.2 mm，主要集中在夏季汛期，约占全年降水量的一半，7、8月份降水量最多，约232.9 mm。年平均气温14.8 ℃，7月平均气温27.1 ℃，年平均日照时数1 954.7 h，无霜期234 d。试验区土层深厚，以粉土为主，地下水位较深。

供试杜仲树为2018年春季移栽的苗木，株行距2 m×3 m，树龄为2年，未出现凋萎、枯死的现象，苗木长势良好、无虫无病、株径相近、枝条数量相近，平均树高1.8 m，平均胸径4.0 cm。根系集中分布在距地表50 cm的土层内。

1.2 土壤湿度传感器布设

在距树干30 cm处开挖两对称剖面，将土壤温湿度传感器按照图1所示竖直放置在土壤中，埋放深度分别为10 cm、25 cm、35 cm、45 cm和55 cm，在一定的时间和不同的土壤深度下，监测土壤含水量的变化情况[12]，最后将开挖土壤恢复原状，确保传感器的探头与土壤紧密接触[13]。土壤温湿度传感器通过4G信号将所测数据传入云平台，设置数据上传时间间隔为30 min/次，由此实现土壤体积含水量的实时监测。

图1 土壤温湿度传感器埋放示意图Fig.1 Schematic diagram of sensor layout of circular cofferdam in tree disk

1.3 试验设计

试验中灌水定额取值参照河南省地方标准《农业用水定额》(DB41/T 958—2014)(表1)进行确定。

表1 河南省地方农业用水定额Tab.1 Local agricultural water quota of Henan Province

将A022中100 L/(棵·次)作为本次试验灌水定额的参考取值，其余试验组灌水定额数值依据该参考值进行选取。试验中6组灌水定额数据如下：60 L/(棵·次)、80 L/(棵·次)、100 L/(棵·次)、120 L/(棵·次)、140 L/(棵·次)、160 L/(棵·次)。

根据天气情况，在持续高温的6月开始进行试验。6月23号灌水试验正式开始，试验时将不同水量灌入相对应的两组树木圆形围堰中，记录灌水日期及各灌水量对应的树木编号，同时通过云平台观测各圆形围堰内土壤体积含水量的变化。

1.4 测定项目

1.4.1 田间持水量、容重及空隙率

试验区内随机选取3个测点，开挖尺寸为1.0 m×1.0 m正方形土壤剖面坑，深度为1.2 m。用有编号的环刀取0～60 cm的土样，取土深度分别为10 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm。把取好的土壤样品带回实验室，然后将环刀有孔盖一侧向下放入浸泡容器中24 h，浸泡后置于盖有滤纸的风干试样环刀中进行水分下渗[14]，直至土壤水分平衡。用天平称量每个环刀和湿土重量(M1，g)。然后取下环刀盖，放入恒温烘箱中，105 ℃下烘干至恒重，再称重(M2，g)，取出干土样对环刀进行称重(M3，g)[15]。根据称重结果及相关公式，计算田间持水量及容重。

1.4.2 土壤体积含水量测定

在灌水前1周将土壤温湿度传感器埋入，对灌水前试验区土壤含水量进行测定，并结合室内环刀测含水量法对仪器测定结果进行校正。试验时将60 L、80 L、100 L、120 L、140 L、160 L水分别灌入对应的圆形围堰中，然后进行土壤含水量的测定。

1.5 数据分析

运用Excel 2016对数据进行统计、处理与分析，采用Origin和Visio软件绘图。

2 结果与分析

2.1 田间持水量与土壤容重

由表2可知，田间持水量受土壤深度变化的影响，随着土壤深度的增加，田间持水量先增大后减小，在土壤深度分别达到25 cm及35 cm时，其对应的田间持水量远高于其余各土层深度下的田间持水量。土壤干容重和田间持水量呈负相关，随着土壤深度的增加，土壤容重先减小后增大，10 cm处容重最大，为1.53 g/cm3。

表2 土壤不同深度田间持水量和容重Tab.2 Field water holding capacity and bulk density at different depths of soil

2.2 不同灌水定额下土壤体积含水量

2.2.1 灌水后12 h土壤体积含水量变化规律

试验期间总体气温较高，日平均气温维持在27 ℃以上，除7月4日天气转阴，夜间发生一次3 mm的短暂降雨外，天气均符合高温、高辐射强度的试验要求。

由图2可知，灌水后12 h，6种灌水定额下每个土层深度的土壤体积含水量均高于其田间持水量，10 cm深处土层各测点含水量集中分布在22.57%～27.99%，相对其它土层深度该数据较为集中，表明灌水量的大小对地表土壤水分含量影响不大。

图2 灌水后12 h时各测点土壤体积含水量变化Fig.2 Change of soil volumetric water content at each measuring point 12 h after irrigation

从图2中可以看出，在同一土层深处，随着灌水量的增加，土壤体积含水量逐渐增大，但各个含水量的增加量并不均等。在灌水量由60 L/(棵·次)逐渐增加到120 L/(棵·次)时，40～70 cm各深度处，土壤体积含水量增长较明显，当灌水量由120 L/(棵·次)增加到160 L/(棵·次)时，土壤体积含水量增长缓慢。

2.2.2 不同灌水定额下的灌水周期

将灌水结束后土壤温湿度传感器采集到的数据进行筛选和整理，对不同灌水定额下土壤10 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm深处传感器布设点的土壤含水量变化结果进行以下对比分析。

由图3～图8可知，在灌水后10 d，6种灌水量各个土层深度的土壤体积含水量均小于该层的田间持水量，但各测点含水量均超过田间持水量的70%。任超[16]通过试验，将0～180 cm土层按土壤水分运移规律划分为4个层次，分别为活跃层(0～30 cm)、贮水层(30～60 cm)、缓变层(60～100 cm)、均稳层(100～180 cm)。其中贮水层是促进作物生长的主要供水层。由图3～图8可以看出，灌水后10 d，25 cm土层处土壤含水量基本比其它各层含水量都高，该层为贮水层，且2年生杜仲树主要吸收根系分布在距地面50 cm土层内[17]，因此，该层土壤的蓄水能力对树木的成活率有很大影响。

图3 灌水量60 L/(棵·次)时土壤体积含水量变化Fig.3 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 60 L/(tree·time)

由图3可知，灌水量为60 L/(棵·次)时，灌水后14 d各层土壤体积含水量均低于田间持水量的70%，由图4可知，灌水量为80 L/(棵·次)时，灌水后16 d各土层含水量降到田间持水量的70%以下。据相关研究，作物的根系生长受土壤含水量的影响，土壤水分含量在田间持水量的70%到田间持水量之间，最适合根系的生长[18-19]。因此，在该试验条件下，灌水量60 L/(棵·次)和80 L/(棵·次)对应的灌水周期分别为14 d和16 d。由图5～图8可知，灌水量100 L/(棵·次)、120 L/(棵·次)、140 L/(棵·次)、160 L/(棵·次)对应的灌水周期分别为18 d、22 d、23 d、24 d。由图5～图8可以看出，50～60 cm土层的含水量并未低于同期田间持水量的70%，但考虑到2年生杜仲树主要吸收根系的分布范围，因此在确定灌水周期时以土层10～40 cm的土壤含水量作为评判标准。

图4 灌水量80 L/(棵·次)时土壤体积含水量变化Fig.4 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 80 L/(tree·time)

图5 灌水量100 L/(棵·次)时土壤体积含水量变化Fig.5 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 100 L/(tree·time)

图6 灌水量120 L/(棵·次)时土壤体积含水量变化Fig.6 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 120 L/(tree·time)

图7 灌水量140 L/(棵·次)时土壤体积含水量变化Fig.7 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 140 L/(tree·time)

图8 灌水量160 L/(棵·次)时土壤体积含水量变化Fig.8 Soil volumetric water content change when irrigation volume is 160 L/(tree·time)

3 讨论

由图2可以看出，灌水12 h后，6种不同灌水量下各土层深度的土壤体积含水量均高于田间持水量。10 cm 深处土层各测点含水量差异较小，表明停灌后12 h灌水量的大小对该层土壤体积含水量影响较小。随着灌水量由60L/(棵·次)增加到120L/(棵·次)，30～60 cm段土壤含水量增长较明显，当灌水量继续增加时，含水量增长速率显著降低。

由图3～图8可以看出，灌水后10 d，6种灌水定额下各土层深度的土壤体积含水量均保持在田间持水量的70%以上。10 cm土层深处土壤体积含水量较灌水后12 h降低最多，这是因为表层土壤水分在达到一定量后开始下渗，且该层土壤在土壤性状本身及气象条件作用下，水分运动最为活跃，损失最大[20]，导致这段深度的土壤含水量急剧降低。随着土层深度和灌水量的增加，下层土壤含水量变化幅度较小，降低速率变慢。同灌水12 h后规律相同，灌水量在由60 L/(棵·次)增加到160 L/(棵·次)过程中，土壤贮水层含水量增加速率由快变慢，当灌水量超过120 L/(棵·次)，土壤含水量变化不大。可见，灌水量达到120 L/(棵·次)时，土壤水保持力基本达到最大，增加灌水量不能显著提高土壤的持水能力。

杜仲树的耗水特征、气象条件、土壤水分状况、降雨情况及对雨水的利用均能对其灌溉造成影响。适当的灌溉能有效的保证树木的正常生长和生理活动，从而避免其出现明显的缺水症状，每当土壤含水量降至田间持水量70%时，应进行灌溉以确保人工林的根系始终在合适的土壤水分条件下生长。

4 结论

本文选取河南省某地国家储备林中杜仲树为对象进行试验设计，对不同灌溉量下杜仲树灌水后土壤水分运移规律进行研究，得到以下结论。

1)通过试验结果分析可知，灌水量达到120 L/(棵·次)时，土壤水保持力基本达到最大，增加灌水量不能显著提高土壤的持水能力，推荐120 L/(棵·次)作为该地国家储备林的灌水定额。

2)不同灌水量对应的灌水周期不同。灌水量60 L/(棵·次)、80 L/(棵·次)、100 L/(棵·次)、120 L/(棵·次)、140 L/(棵·次)、160 L/(棵·次)对应的灌水周期分别为14 d、16 d、18 d、22 d、23 d、24 d。适合当地国家储备林的灌溉制度为：灌水定额120 L/(棵·次)、灌水周期22 d。

本试验只对河南省某地高温条件下盘灌栽培的杜仲林土壤水分动态变化进行了研究，在气候和土壤类型条件方面具有一定的局限性。今后希望开展不同季节和土壤条件下盘灌栽培的杜仲林土壤水分动态研究，以期为灌溉工程规模的确定提供更为准确的理论依据。