不同灌溉方式对樟子松生长、光合特性及土壤水分运移的影响

刘雅楠，刘 洋*，兰再平，铁 牛，张梦弢，王成德，罗奇辉，张 晨

(1.内蒙古农业大学林学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2.中国林业科学研究院华北林业实验中心，北京 100091；3.山西农业大学林学院，山西 太谷 030801；4.山东农业大学林学院，山东 泰安 271018)

水资源是林木赖以生存和生长的物质条件，加强水肥一体化灌溉，大力提高林地生产力，应采取智能节水灌溉技术[1]。当前节水灌溉技术在林业上的应用已受到世界各国高度重视，澳大利亚、西班牙、摩洛哥等国家已将喷灌、滴灌等技术应用于苗木繁育和经济林培育等林业生产领域，形成一系列成型灌溉设备和灌溉技术模式，取得了一定的成效[2-7]。如在澳大利亚，Heard等[8]对潜在增产、节水、资金成本和劳动力进行了评估，认为滴灌可以更好地利用灌溉水，解决了澳大利亚水资源有限的问题；西班牙滴灌技术的发展，大大减少了水分的流失，减少了杂草生长，提高了灌溉效率，解决了西班牙土壤的盐碱化问题[9]；摩洛哥农民在供水管理问题的各种解决方案中，确认滴灌是节约水资源的最好方法[10]。我国是全球13个缺水国家之一[11]，尤其处于干旱、半干旱地区的西北各省区，常年降雨量少，多年来林地灌溉多以自然降雨或漫灌为主，仅仅依靠降雨会造成林木缺水和干旱，会导致林木死亡[12]，而采用漫灌又造成水资源严重浪费。因此，发展高效节水灌溉技术已成为亟待解决的关键问题，也是全国乃至全球缺水的严峻形势对林业生产提出的新课题。基于此，自2009年起兰再平团队从美国绿木源公司引进了“杨树速生丰产林节水灌溉与高效栽培技术”，并将这项技术与我国林情相结合，进行本土化创新研究，最终形成林业智能滴灌技术[13-14]，在栽培杨树人工林时单次的灌水比常规灌水节省84.4%～95.6%的用水量[13]。同时研究显示用滴灌方式培育杨树在节水、节肥、省工的同时很大程度上提高了杨树人工林的生产力[2, 14-16]，成为林木栽培的发展趋势。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)别名蒙古赤松、西伯利亚松，在我国北方广泛分布，抗寒、抗旱能力高且对生长的土壤要求低，不仅可以在沙质化的土地中生长，还可以在土壤贫瘠、土层较薄的环境中生存，尤其适合在我国北方沙化比较严重的地区种植，能够起到防风固沙的作用，极大地改善当地的生态环境[17]。在青杨(Populuscathayana)扦插苗培育中发现，采用滴灌技术节水的同时可减少水分蒸发，满足青杨早期的需肥要求，促进苗木的生长[18]。现有研究都侧重于滴灌技术在林木栽培节水、节肥、省工方面的优势，对生长和生理特性的影响鲜见报道。因此，本研究以樟子松为研究对象，探讨滴灌、漫灌和未灌溉(对照)3种方式对樟子松生长状况、光合、蒸腾特性和水分运移的影响，为今后干旱、半干旱地区高效培育樟子松以及进行植物与水分关系研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及试验设计

内蒙古大青山国家级自然保护区坐落于阴山山脉中段，东西约217 km，南北平均18 km，总面积38.9万hm2，西从包头市昆都仑河开始，北至包头市固阳县、还与呼和浩特市武川县相衔接，东到乌兰察布市卓资县头道北山山脊，向南与土默川平原相连。研究区地理位置为109°08′42″E，40°07′27.6″N，海拔1 210 m。全年光照充足，年平均气温6.7 ℃，年平均降水量350～400 mm，蒸发量是降水量的4倍左右，属于温带大陆性气候。研究区无霜期较短(100～120 d)，年平均日照时间2 873.4 h，年太阳辐射总量为586.04 kJ/cm2[19]。山地随着地势升高，植被和土壤类型也发生较大改变，即随海拔增高，气候变冷，植被类型由灌丛草原向森林灌丛草原—森林草原—山地草原演变；土壤类型垂直分布，即山地草甸土—灰色森林土—淋溶灰褐土—典型灰褐土—石灰性灰褐土—栗钙土[20]。

经踏查，在自然保护区樟子松林(株行距为2 m×2 m)内的滴灌、漫灌和对照(未进行过灌溉)3种不同灌溉方式的试验区设置样地。在每种灌溉的试验区分别设置3块样地(50 m×50 m)，共设置9块。9块样地的林龄(16 a)、林木平均地径和高度、林分密度与立地质量(Ⅱ地位级)一致。相邻试验区间距至少为2 km。滴灌区根据土壤墒情利用自动化滴灌系统从4月初解冻水开始一直到初冬10月下旬浇冻水，全年灌水6～8次，春季2～3次，夏季3～4次，每次12 h的灌溉量约为48 L/株(每株树2个滴头，每个滴头出水量2 L/h)，秋季控水阶段暂停灌溉，冬季浇冻水1次(灌溉24 h，灌溉量约为96 L/株)；而漫灌区从春季至秋季上冻前共灌溉6～7次，单次灌溉量约为500 L/株。灌溉完成后的10月上旬，在每个样地内随机选取50株樟子松(达到大样本要求)，测量其树高、地径(D)、冠幅和抽穗长。由文献[21]中经验公式ln(W)=-1.496 3+0.734 6 ln(D)计算单株树木的生物量(W)。

1.2 林木光合特性的测定

2020年10月上旬(生长季结束后)在上述试验地选择3个晴朗无遮云日，使用LI-6400便携式光合仪(Li-cor公司, USA)测定不同试验区樟子松的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)。具体测定方法如下：在每个晴朗无遮云日的7:00—18:00，连续整点测量，每块样地每小时测定1次，每次测量选取1簇针叶进行测定，测定时读取3个平行数据。由于叶片的气孔能调控蒸腾和光合，因此用光合速率与蒸腾速率之比计算水分利用效率(WUE，公式中以EWUE表示)[22]，具体计算公式为：

EWUE=Pn/Tr。

式中：Pn为叶片的净光合速率，μmol/(m2·s)；Tr为叶片的蒸腾速率，mmol/(m2·s)；EWUE为叶片水分利用效率，换算为mmol/mol。

1.3 不同滴灌方式樟子松人工林土壤水分运移测定

为了比较滴灌与漫灌方式下的土壤水分变化规律，采用典型选样的方法在樟子松林内挖取3个土壤剖面，每个土壤剖面的长、宽和高为2、2、1 m，调查土壤的机械组成和结构(调查地点的土壤性质基本相同)。

在每个剖面的左侧距离剖面边缘10cm处利用自动化滴灌系统(TORO公司, USA)进行灌溉(出水量为3 L/h)，灌溉时间分别为2、4和6 h；在每个剖面的右侧距离剖面边缘10 cm处利用漫灌分别在第2、4和6小时一次性完成灌溉(即漫灌在2、4和6 h 时一次性灌溉总用水量与滴灌在2、4和6 h内的出水量总和相等)。在进行每个灌溉实验时，采用卷尺测量滴灌和漫灌过程中以及停止灌溉以后土壤剖面的湿润锋垂直运移距离和在距离地面0、10、20、30、40、50、60 和70 cm 处的水平运移距离。在灌溉结束时和停止灌溉后每20 min测量1次水分水平和垂直运移距离，直到水分在两个方向上停止运移。

1.4 不同灌溉方式下土壤水分运移模型模拟

本研究结合土壤水分在水平和垂直方向的散点图变化规律，选取了经验模型(Eq.1—Eq.4)对土壤水分运移轮廓进行模拟和比较，土壤水分运移4个备选模型的具体表达式如式(1)—(4)。

多项式模型：

MR1=LMR[a1(RMH-1)+a2(RMH2-1)+a3(RMH3-1)+a4(RMH4-1)]。

(1)

Crecente-Campo模型[23]：

MR2=LMR[a1(RMH-1)/(RMH+1)+a2(RMH-1)]。

(2)

二次函数模型：

(3)

Baldwin模型[24]：

MR4=a1+[(RMH-1)/(RMH+1)]+a2(RMH-1)。

(4)

式中：MRi(i=1，2，3，4)为垂直方向上任意位置处土壤水分水平运移距离，cm；LMR为土壤水分水平最大运移距离，cm；MH为垂直方向上任意位置处土壤水分垂直运移距离，cm；RMH为垂直方向上任意位置处土壤水分垂直运移相对距离，cm；ai为模型参数。

1.5 土壤水分运移模型的评价

1.6 数据统计分析

使用单因素方差分析(One-way ANOVA)分析灌溉方式对樟子松单木生长和光合特性的影响，组间的多重比较法选用Tukey HSD(P< 0.05)。方差分析前，使用箱型图和直方图剔除异常值。同时，使用Shapiro-Wilk检验(P> 0.05)和Bartlett检验(P> 0.05)确定数据是否满足正态分布和方差齐性。所有数据分析采用R 3.5.2软件完成[26]，并利用SigmaPlot 14作图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对樟子松生长特性的影响

研究表明，滴灌条件下樟子松的地径和抽穗长显著高于漫灌和对照(P<0.05，表1)。滴灌条件下樟子松的地径、树高、冠幅、抽穗长和生物量比漫灌条件下分别高出1.5 cm、0.5 m、0.1 m、5.9 cm和0.4 kg，比对照分别高出3.4 cm、0.9 m、0.6 m、7.2 cm和2.5 kg，生长趋势从好到差呈现滴灌>漫灌>对照。由此可见，在外界环境因素一致的条件下，樟子松生长特性的差异主要是由灌溉方式引起。在3种灌溉方式处理下，滴灌更促进了樟子松林木的生长。

表1 不同灌溉方式下樟子松生长状况的方差分析

2.2 不同灌溉方式对樟子松光合特性的影响

1)净光合速率(Pn)。不同灌溉方式下樟子松叶片的Pn日变化趋势均为先上升再下降后有一个小回升(图1A)，滴灌方式下的Pn明显高于漫灌和对照，其中滴灌的最高峰值[5.34 μmol/(m2·s)]和漫灌的最高峰值[5.0 μmol/(m2·s)]均出现在11:00，而对照的最高峰值[4.15 μmol/(m2·s)]则出现在上午10:00。但在14:00后，滴灌、漫灌和对照的Pn均有所回升，但回升幅度较小。滴灌条件下的Pn与对照均有显著的差异(P<0.05)，而漫灌与对照在个别时间差异性不显著，表明滴灌可以显著提高樟子松林木的Pn。

2)蒸腾速率(Tr)。Tr与Pn的变化趋势一致，不同灌溉方式下Tr日变化也为双峰曲线，两个峰值分别出现在9:00和15:00，滴灌的第一峰值比漫灌和对照均高出0.36 mmol/(m2·s)，第二峰值比漫灌和对照分别高38%和91%，即滴灌>漫灌>对照(图1B)。滴灌的Tr与对照在各时间点均存在显著的差异(P<0.05)，而漫灌和对照的Tr在8:00、9:00、10:00均无显著差异(P>0.05)。

3)气孔导度(Gs)：滴灌、漫灌和对照样地的樟子松Gs均呈现先下降后回升的趋势(图2A)，滴灌的Gs最高值[0.107 mmol/(m2·s)]出现在8:00，漫灌和对照的Gs在7:00达到最高分别为0.094 mmol/(m2·s)和0.089 mmol/(m2·s)，之后趋于下降，在14:00出现一个小幅回升后再度下降。滴灌条件下Gs和对照在10：00、16:00差异不显著(P>0.05)，其他时间点均有显著差异(P<0.05)。

4)胞间CO2浓度(Ci)。由图2B可知，不同灌溉方式的Ci日变化规律呈“V”字形，最低值均出现在12:00。滴灌方式下全天Ci均值比漫灌和对照分别高31%和54%。滴灌与漫灌、滴灌与对照、漫灌与对照的Ci差异均显著(P<0.05)。

5)水分利用效率(EWUE)。不同灌溉方式下樟子松EWUE最高值均出现在12:00，峰值后滴灌的EWUE呈下降趋势，而滴灌漫灌和对照分别在18：00、16:00和14:00有所回升(图3)。就最高峰而言，对照样地比滴灌的EWUE高8.18 mmol/mol，比漫灌高4.75 mmol/mol。这表明樟子松在干旱的条件下，具有较强忍耐干旱的能力。滴灌与对照的EWUE除18:00外其余时间点差异性均显著(P<0.05)。

2.3 不同灌溉方式下土壤水分湿润锋的运移距离

经观测发现，在灌溉2、4和6 h后，滴灌处理下土壤的湿润锋垂直运移距离分别下渗到39.6、53.9和60.8 cm的土层中(图4A)。持续灌溉2～6 h，土壤湿润锋在不同深处的水平运移距离也逐渐增加。每增加2 h，不同土壤深处湿润锋的水平运移距离增幅不同，停灌时土壤湿润锋的最大水平运移距离在0～20 cm土层，分别为32、42和51 cm。持续灌溉2～6 h，灌溉相同时间内，停灌时湿润锋的最大垂直运移距离均大于湿润锋的最大水平运移距离。停灌后，土壤湿润锋最终垂直运移距离下渗到43.9、60.1和70.5 cm的土层中，比停灌时分别增加了4.3、6.2和9.7 cm。最终垂直运移距离随灌溉时长的增加而增加，土壤湿润锋最终在各土壤深处的最大水平运移距离也都出现在0～20 cm土壤层，分别为36.8、44.9和53.1 cm。可以看出持续灌溉2～4 h时，湿润锋最终运移的变化幅度逐渐增大，持续灌溉6 h时，湿润锋最终运移的变化幅度差距呈减小的趋势。

研究发现，漫灌方式下在分别灌溉2、4和6 h后湿润锋的水平运移距离和垂直运移距离呈递减的趋势(图4B)，停灌时土壤湿润锋的垂直运移距离分别下渗到24.8、36.7、48.4 cm的土层中。持续漫灌2、4、6 h时土壤湿润锋的最大水平运移距离分别为43.97、59.63、70.12 cm，均在地表0～10 cm土壤层。当漫灌停止后，最终土壤湿润锋的垂直运移距离分别下渗到26.7、39.1和51.7 cm的土层中，比停灌时分别增加了1.9、2.4和3.3 cm，土壤湿润锋的最大水平运移距离为46.8、63.3、74.5 cm，也出现在地表0～10 cm土层，都大于相同时长的最终垂直运移距离，且在灌溉2、4和6 h后最终土壤湿润锋的垂直运移距离分别下渗到24.8、36.7和48.4 cm时，土壤湿润锋的最终垂直运移停止距离增加。

2.4 不同灌溉方式土壤水分运移轮廓模拟

研究发现(表2)，针对滴灌和漫灌拟合的土壤水分运移的4个备选模型都收敛。依据最优模型的选取原则，滴灌和漫灌方式下土壤水分运移的最优轮廓模型分别为Eq.1 和Eq.4。最优模型的估计参数在95%的置信区间上均显著(表2)，最优模型至少解释了樟子松土壤水分运移变动的83%。

表2 两种灌溉方式下樟子松林地土壤水分运移最优轮廓模型的参数回归系数和模型评价指标

3 讨 论

1)滴灌试验区樟子松的地径、树高、冠幅、抽穗长以及生物量均比漫灌试验区和对照区高，且其光合特性与漫灌和对照差异显著。滴灌技术应用于樟子松林木培育，可加快树木的生长。樟子松的光合特性受水分利用效率影响，合理的灌溉可改善樟子松生长的生理机制。

2)在持续灌溉2、4和6 h后，滴灌试验区60 cm土层以上的土壤湿润锋在最终水平运移距离上均大于漫灌区。因此，滴灌处理方式下的水分分布有利于樟子松根系对水分的合理高效利用，有利于樟子松根系生长。

樟子松生长过程中受水分、光照、温度等因素的影响，其中水分是影响樟子松生长的最主要因素。与漫灌相比，滴灌这种少量精准的灌溉方式应用于樟子松的培育可有效地促进植物生长。马铁成[27]研究得出滴灌能够明显促进紫花苜蓿株高和茎粗生长，本研究对比不同灌溉方式时发现，各灌溉处理下樟子松整体生长趋势为：滴灌>漫灌>对照，说明樟子松在过量灌溉和水分胁迫下生长有所下降。植物叶片光合产物是植株和产量形成的物质基础，而水分对植物光合性能具有直接和显著的影响。不同灌溉方式樟子松的净光合速率、蒸腾速率日变化规律均为先上升再下降，在下午时有个小回升，气孔导度、水分利用效率只有一个峰值；在水分亏缺下，由于气孔关闭，净光合速率、蒸腾速率的日变化峰值、峰值出现的时刻、变化规律明显不同，这说明灌溉方式对植物光合特性具有显著调节作用[28-30]。本研究中发现滴灌处理方式下樟子松的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度，胞间CO2浓度均显著高于对照(P<0.05)，这与陈金平等[31]得出滴灌能促进刺槐人工林幼树光合潜力的研究结果一致。此外，不同灌溉方式土壤水分在水平方向上运移的差异，导致树冠层空气的温度和湿度小气候之间的差异，使得樟子松叶片气孔的气体交换和光合的同化能力也不同。初始无灌溉处理下的樟子松瞬时水分利用效率最低，而漫灌短期内过量的灌溉，表现为根区土层贮水量迅速增加，其水分利用效率起初高于其他灌溉方式。随着时间的推移，对照样地的水分利用效率明显升高，可能的原因是当林地水分亏缺时，林木根区缺水导致根系长度增加，根径减小，水分吸收的阻力会减小，说明适度的干旱胁迫能显著提高植物水分利用效率[32]。另一个可能的原因是不同的灌溉方式影响了水分在樟子松根区的分布，灌溉区的水分入土方式不同，营造了不同根区的土壤水分环境，从而影响了根从土壤中的吸水和运输效率。

由滴灌持续灌溉的最终垂直运移距离可知，水分主要在0～50 cm土层内波动，这与郑强卿等[33]得出的0～60 cm土层的相对湿度变化幅度较大，60～80 cm土层相对湿度变幅微小的研究结果一致。结合相关研究[34]，由滴灌的最终水平运移距离可知，持续灌溉2、4、6 h土壤湿润锋的最大垂直运移距离和最大水平运移距离范围与吴丹[35]的研究中樟子松根系主要集中分布在0～40 cm土层深度内，而水平上则集中在0～0.5 m的范围相吻合。因此，滴灌更有利于樟子松根系从土层中吸收水分。滴灌和漫灌的最优模型至少解释了樟子松水分运移变动的83%，对于实测值和理论值存在的偏差，可能的原因是本研究进行水分运移模拟时未考虑樟子松根系吸水和土壤地表蒸发[36]。因此，所建模型不适用于模拟长期土壤水分运移轮廓。今后应在考虑根系吸水、土壤蒸发的因素下，进一步优化土壤水分运移模型，构建更具普适性的运移模型。