賀勇 蘭再平 孫尚偉 劉俊琴

(湖南省林業(yè)廳，長沙，410004) (中國林業(yè)科學研究院世界銀行項目辦公室)

責任編輯:王廣建。

我國楊樹人工林面積已達757 萬hm2，居世界首位［1］，但由于絕大部分林地為非宜林地，立地條件較差，經(jīng)營管理粗放，生產(chǎn)力普遍較低，其平均生產(chǎn)力為15 m3·hm-2·a-1以下，低于國際中等水平(20～30 m3·hm-2·a-1)，更遠低于國際最高水平(53 m3·hm-2·a-1)［2］。隨著我國木材需求量的逐年增加，急需通過高效的集約經(jīng)營措施，提高我國現(xiàn)有楊樹人工林的生產(chǎn)力，從而緩解我國日益增加的木材缺口壓力。

灌溉能提高植物根區(qū)的土壤水分有效性及改善樹體的水分狀況，提高植物生長量，是一項重要的楊樹人工林集約經(jīng)營措施［3-4］。然而，灌溉雖可促進林木生長，但不適當?shù)墓喔裙芾聿粌H會浪費大量水資源，而且還會對環(huán)境產(chǎn)生負面影響(土壤鹽澤化、地下水污染等)［5-6］。受社會發(fā)展和經(jīng)濟條件的限制，目前我國對楊樹人工林灌溉時，大都采用傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)(溝灌、畦灌、漫灌、穴灌等)［7-9］，這些傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)不僅會浪費大量水資源，而且較差的灌溉管理和較長的灌溉間隔，限制了林木的生長。與傳統(tǒng)灌溉技術(shù)相比，滴灌具有灌水均勻、節(jié)水、省工、省能，而且對土壤和地形的適應(yīng)性強等特點［10］。目前，國內(nèi)外一些地區(qū)已經(jīng)將滴灌技術(shù)運用到楊樹栽培中，并開展了一系列相關(guān)研究［11-21］，研究表明采用滴灌技術(shù)栽培楊樹能極大地提高楊樹人工林的生產(chǎn)力［22-26］，取得的綜合效益遠大于常規(guī)灌溉［14，20-21］。但是，在滴灌狀態(tài)下，研究楊樹對水肥利用率的較少。我國水資源極度虧缺［27］，而且近年來地下水和河流污染以及土壤鹽澤化問題也日益嚴重。因此，在面臨水資源虧缺、環(huán)境污染和木材缺口的三重壓力下，如何通過高效且環(huán)境友好的節(jié)水灌溉方式，大幅提高楊樹人工林生產(chǎn)力成為我國森林培育工作者共同面臨的難題。本文在灌溉施肥一體化條件下采用相同控制指標(相同的灌溉量和施肥量)，按照溝灌和滴灌的技術(shù)要求來運行操作，比較兩種灌溉方式，對楊樹幼林生長情況及水分、養(yǎng)分利用效率的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市大興區(qū)林場，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均日照時間2 620.4 h，年均氣溫11.6 ℃，冬季平均氣溫-2.3 ℃，夏季平均氣溫25.1℃，年平均降水量552.9 mm，全年無霜期180～200 d。

試驗地土壤為永定河故道沖積的沙土，土壤剖面調(diào)查表明，土壤從地表向下1.2 m 無明顯腐殖質(zhì)層，均為質(zhì)地均勻的細沙。地下水位深36 m，土壤密度(1.46±0.15)g/cm3，土壤田間持水量為10%，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低于0.2%，土壤蓄水保肥能力差。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

采用滴灌栽培和常規(guī)栽培的歐美楊107 無性系(Populus×euramericana cv.‘74/76’)人工林作為研究對象。該人工林于2011年春季安裝了自動化地表滴灌系統(tǒng)，采用30 cm 長的插條進行扦插造林，株行距為2 m×4 m，滴灌毛管在地表沿行距方向鋪設(shè)。滴灌栽培和常規(guī)溝灌栽培的楊樹人工林面積均為1 600 m2，中間設(shè)有50 m 的緩沖帶，株數(shù)均為200株。在生長當年對新造林進行了統(tǒng)一的灌溉與施肥管理，年末平均樹高為3.5 m，平均胸徑為2.3 cm。

2.2 試驗設(shè)計

從4月初到9月底，滴灌栽培采用少量多次的方式灌溉，每次灌水量6～9 mm，灌水總量為250 mm;常規(guī)溝灌栽培灌溉5 次，春季一次、夏季三次和秋季1 次，每次灌水量50 mm，灌水總量為250 mm。從5月下旬到8月底，滴灌栽培施肥隨灌水進行，每隔十天施肥一次，共施10 次;常規(guī)栽培施肥4 次，施肥后灌水，施肥總量與滴灌栽培相等，具體施肥量見表1。

表1 107 楊幼林年度每株施肥標準 kg

2.3 數(shù)據(jù)調(diào)查與處理

林分生長量調(diào)查與計算:分別于2012年和2013年生長季末，對試驗小區(qū)所有樣木的樹高和胸徑進行調(diào)查，運用歐美楊二元立木材積公式［28］:V=0.254 547 545D2H+0.784 642 807D2計算立木材積，進而得出每公頃蓄積量。

生物量調(diào)查與養(yǎng)分含量測定:每年生長季末，在各小區(qū)內(nèi)選擇3 株標準木進行樹干解析，測定其枝、葉、干、根部位生物量及N、P、K 元素質(zhì)量分數(shù)。每年生長季前和長季末，對各小區(qū)土壤0～80 cm 土層進行堿解氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分數(shù)測定。

養(yǎng)分利用效率的計算方法(以N 為例):田間養(yǎng)分利用效率(NUE)是單位養(yǎng)分資源消耗量所獲得的生物產(chǎn)量，計算公式為［28］:

式中:Y 為樹木生物產(chǎn)量，Ncon為土壤N 的消耗量，Nf為施氮量，Ne和Ni各為生長期末和生長初始的土壤氮量。

植物養(yǎng)分利用效率(NUEp)是樹木個體吸收單位養(yǎng)分資源生產(chǎn)的生物產(chǎn)量。計算公式為［28］:

式中:Y 為樹木生物產(chǎn)量，Nup為樹體氮吸收量。

田間耗水量測定:采用美國DECAGON 公司生產(chǎn)的EC-5 土壤濕度傳感器測量土壤水分變化情況。各處理選出3 株標準木，再沿滴灌管線或灌溉溝線選3 個測點(分別位于標準木樹干基部、距基部50 cm 處、距基部100 cm 處);垂直管線或灌溉溝線方向各選2 個測點(分別位于距標準木樹干基部100 cm 處和200 cm 處)。結(jié)合根系分布情況和計劃濕潤層深度，土壤水分測量深度為80 cm，每20 cm分為一層。每日記錄各觀測點土壤水分變化情況。在林地周邊空地無林木遮擋處安裝一個氣象用標準雨量筒，測量降水數(shù)據(jù)。

根據(jù)《灌溉試驗規(guī)范》(SL13-2004)中的水量平衡法計算耗水量，公式如下:

式中:ET1-2為階段需水量;ri為第i 層的土壤干密度;Hi為第i 層的土壤厚度;Wi1、Wi2分別為第i 層土壤在計算時段始末的含水率;M 為時段內(nèi)灌水量;P為時段內(nèi)降水量。

水分利用率(WUE)的計算方法:水分利用率指的是農(nóng)田蒸散消耗單位質(zhì)量水所生產(chǎn)的干物質(zhì)量，計算公式為［29］:

式中:WUE為水分利用率;B 為生物總量;ET為耗水量。

運用excel 軟件進行計算和經(jīng)濟效益分析，應(yīng)用R語言軟件對調(diào)查數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(ANOVA)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同灌溉方式對107 楊幼林生長的影響

由表2可知，滴灌栽培的107 楊幼林在樹高、胸徑和蓄積的生長均明顯優(yōu)于溝灌栽培的，方差分析表明兩者從第2年到第3年，在樹高、胸徑和蓄積量上均始終存在極極顯著差異(p＜0.001)，并且雙方在蓄積的差距逐漸加大。同時，在均勻度方面，滴灌栽培區(qū)也好于常規(guī)灌溉區(qū)。

表2 不同灌溉方式107 楊幼林2、3年生樹高、胸徑和蓄積量

從圖1～3 中可以看出，107 楊的生長期主要集中在5—8月份，9月份基本停止生長。不論滴灌還是溝灌，107 楊第3年的蓄積開始快速增長，增長量遠大于第2年。滴灌條件下107 楊胸徑、樹高和蓄積的生長高峰期為7月，而溝灌條件下107 楊胸徑、樹高和蓄積的生長高峰期則為8月。

圖1 107 楊不同灌溉方式各月胸徑生長量

3.2 不同灌溉處理水分利用率

由表3可知，滴灌第1年(即107 楊第2年)能提高整株生物量，比溝灌提高了118.80%;滴灌第2年，其他部分生物量也大幅度增加，3年生楊樹葉、枝、干、根和單株的干生物量分別比溝灌栽培的提高了111.88%、163.66%、141.79%、153.63%和142.41%。

圖2 107 楊不同灌溉方式各月樹高生長量

圖3 107 楊不同灌溉方式各月蓄積生長量

同時發(fā)現(xiàn)，在含水率方面，滴灌栽培的楊樹也略大于溝灌栽培的，分別為溝灌栽培的103.38%、108.22%、104.60%、117.29%和107.54%。由此可見，滴灌栽培不僅能促進107 楊幼林各器官的生長、增加生物量，還能提高107 楊體內(nèi)含水率。

表3 不同灌溉處理107 楊幼林2、3年生物量

從表4可以看出，107 楊幼林生物量增量逐年增加，滴灌栽培的增加幅度大于溝灌栽培的。滴灌栽培107 楊幼林2、3年生的水分利用率分別是溝灌的1.91 倍和2.84 倍，因此，相對于溝灌，滴灌栽培能大幅度提高107 楊幼林的水分利用率。

表4 107 楊幼林生物量增量和水分利用率

3.3 不同灌溉處理養(yǎng)分利用率

從表5～6 可以看出，2、3年生107 楊幼林對N、P、K 元素的消耗量和吸收量逐年加大，且第3年顯著增加，各養(yǎng)分元素消耗、吸收量由大到小的順序為:N、K、P;而利用率由大到小的順序為:P、K、N;說明滴灌栽培能減少田間養(yǎng)分的流失。

在田間養(yǎng)分利用率方面，3年生107 楊各養(yǎng)分利用率均高于2年生，滴灌栽培各養(yǎng)分利用率明顯均優(yōu)于溝灌栽培;在植物養(yǎng)分利用率方面，3年生107 楊各養(yǎng)分利用率均高于2年生，滴灌栽培各養(yǎng)分利用率略高于溝灌栽培。因此，107 楊幼林隨著樹齡的增長，田間養(yǎng)分利用率和植物養(yǎng)分利用率不斷提升;滴灌栽培能顯著提高107 楊幼林的田間養(yǎng)分利用率，同時對植物養(yǎng)分利用率也有一定提升。

表5 107 楊幼林田間養(yǎng)分利用率

表6 107 楊幼林單株養(yǎng)分利用率

4 結(jié)論與討論

有研究顯示，與常規(guī)灌溉相比，滴灌技術(shù)應(yīng)用于北京沙地楊樹人工用材林培育，可大大加快樹木的生長，林地生產(chǎn)力顯著提高，隨著樹齡的增長這種差異越來越明顯［14］，滴灌栽培的107 楊幼林2、3年生的蓄積量分別為13.37、41.15 m3/hm2，是溝灌的2.22、1.68 倍，并且滴灌能使107 楊生長整齊。

與常規(guī)灌溉相比，地下滴灌能大幅度增加楊樹林地生物量，6年生楊樹林提高幅度達118.72%，尤其是主干和葉的生物量較常規(guī)灌溉增加了147.40%和178.33%［15］。本研究發(fā)現(xiàn)滴灌能明顯促進107楊各器官的生長，增加生物量，滴灌栽培使楊樹3年生單株的葉、枝、干、根的生物量分別為溝灌的2.12、2.63、2.42、2.54 倍，增幅效果較之前的研究更加明顯，并且滴灌還能提高107 楊幼林體內(nèi)的含水率。

楊建偉等［30］研究表明，土壤含水量越低，楊樹干物質(zhì)積累量和水分利用率越低。本研究發(fā)現(xiàn)，相比于常規(guī)溝灌，滴灌能及時補充土壤水分并大幅度提高107 楊幼林的水分利用率，滴灌栽培107 楊幼林2、3年生的水分利用率分別是0.84、3.89 kg/m3，分別是溝灌的1.91、2.84 倍，同時隨著107 楊幼林樹齡的增長，水分利用率也顯著提高。

2、3年生107 楊幼林對N、P、K 元素的消耗量和吸收量逐年加大，各養(yǎng)分元素消耗、吸收量由大到小的順序均為:N、K、P，這和余常兵等［31］對楊樹幼林養(yǎng)分積累量的研究結(jié)果相吻合。但是利用率由大到小的順序均為:P、K、N，并且隨著樹齡的增長，107楊幼林田間各養(yǎng)分利用率和植物各養(yǎng)分利用率均不斷提升。相比于常規(guī)溝灌，滴灌能減少107 楊幼林田間養(yǎng)分的流失，顯著提高107 楊幼林田間各養(yǎng)分的利用率，同時對107 楊單株各養(yǎng)分利用率也有一定提升。

建議在干旱半干旱及存在季節(jié)性干旱的地區(qū)營造速生豐產(chǎn)用材林時，結(jié)合當?shù)亟?jīng)濟條件推廣地表滴灌技術(shù)，實施集約經(jīng)營。這不僅使水資源得到可持續(xù)利用，而且將大幅度提高林地生產(chǎn)力，從根本上減輕我國木材需求對天然林和生態(tài)公益林的壓力。

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