干旱区不同供水量下杨树水分效应和生态用水量研究

刘明虎，张景波，孙 非，高君亮

（中国林业科学研究院 沙漠林业实验中心，内蒙古 磴口015200）

杨树是我国北方干旱区主要的人工造林树种，其速生丰产的前提是具有良好的水分条件。引黄灌溉是河套地区林业发展的重要举措，但由于长期超量灌溉导致土地次生盐渍化现象屡见不鲜从而影响了杨树的生长。另外，随着经济发展和人口的增长，需水量剧增，使得黄河水资源供给已近临界状态，供水能力已显不足［1］，水资源短缺已成为该地区林业发展的瓶颈。因此，如何有效而科学地利用水资源，确定杨树速生林的合理供水量是当前河套地区发展林业可持续亟待解决的问题。基于此，本文从探讨供水与土壤环境及林木生长指征的相互关系入手，研究杨树速生林的水分供需关系及其生态用水量，以期为干旱区合理开发利用水资源和杨树速生林的集约化经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古磴口县境内的中国林业科学研究院沙漠林业实验中心第二实验场（106°46′E，40°28′N），属荒漠与干草原的过渡地带，地处内蒙古河套平原西南，东临黄河，境内建有三盛公黄河水利枢纽工程，引黄灌溉十分便利。海拔1 044～1 061 m；年均温7.6℃，无霜期170d，日照时数3 170.4h；太阳总幅射643.32kJ／cm2；年均降水量148mm，多集中于7—9月；年均蒸发量2 400mm；相对湿度47%；平均风速3m／s，主风向西北风，≥8级大风日数7.9～28.3d。

2 研究方法

供试树种为小美旱杨（Populus popular′s），栽植密度为4m×5m（495株／hm2）。每个试验小区面积0.13hm2，按随机区组排列，各区间设立15m宽的隔离带，年供水量分5个水平处理，分别为1 500 m3／（hm2·a）（W1），3 000m3／（hm2·a）（W2），4 500m3／（hm2·a）（W3），6 000m3／（hm2·a）（W4），7 500m3／（hm2·a）（W5），每个处理设4个重复，试验地总面积为2.6hm2。采用管道供水方式，用水表控制供水量。为消除苗木不齐的影响，造林第二年进行了平茬处理，实验为期4a。

2.1 土壤水分

每年4—9月，每月12日和27日采集0—20，20—50，50—70，70—100cm土层的土样用烘干法测定含水率，每个处理重复3次；同时，定点采用环刀法分层测定土壤容重和田间持水量，每块样地设置5个测点，4次重复。土壤贮水量的计算公式为：

式中：Ws——土壤贮水量（m3／hm2）；W——土壤重量含水率（%）；dv——土壤容重（g／cm3）；h——土层厚度（cm）。

最佳含水量下限＝田间持水量×0.7；

土壤有效含水量＝土壤贮水量－凋萎含水量；

土壤水分亏缺值k＝［（f－W）／F］×100%

式中：F——田间持水量（%）；W——土壤重量含水率（%）。

2.2 土壤温度

每年4—9月，按气象站常规观测法测定0，10，20，40，80cm土层深度的土壤温度，隔天观测，每天观测3次。

2.3 蒸腾速率

在生长季，每月15日、30日用Li－6400P便携式光合仪测定林木蒸腾速率，每日观测24h或14h（6～20h），每2h测1次，测定部位为树冠南面下部枝条第8片叶，各处理重复6次，并同步观测日照、温度、风速、相对湿度。树冠月蒸腾耗水量计算公式为［2］：

式中：T——功能叶蒸腾速率；Hc——阴雨天白昼时数；O——阴天系数（0.7）；P——叶位系数，枝条上全部叶的平均蒸腾速率与功能叶蒸腾速率的比值，5月、6月为0.74，7月、8 月为0.80，9 月、10 月为0.83；C——树 冠系数 （1.0）；L——树 冠 叶鲜 重；K——换算系数，即K＝1／1000×株距×行距。

2.4 林木生长调查

在生长季，每月定期定株测定叶片数、叶重量，每个处理重复3次。每年9—10月，每木调查林木生长量（树高、胸径、冠高等）。材积的计算如下：

式中：V——单株材积；D——胸径；H——树高。

生态用水量＝蒸腾耗水量＋土壤蒸发量＋土壤贮水量［3］。

3 结果与分析

3.1 不同供水量的土壤水分效应

3.1.1 不同供水量下土壤水分的垂直分布效应 图1显示，在1 500～7 500m3／（hm2·a）供水量范围内，随供水量的增加各土层土壤含水量均增加，其中，土壤含水量最高值均分布在20—50cm土层中，最低值均分布在70—100cm土层中；1 500，3 000，4 500，6 000，7 500m3／（hm2·a）供水量下土壤最高含水量分别 为 12.52%，16.30%，19.39%，22.05% 和24.37%，依次分别提高3.78%，3.09%，2.66% 和2.32%；最 低 含 水 量 分 别 为 7.17%，9.50%，15.41%，17.56%，19.87%，依次分别提高2.33%，5.91%，2.15%，2.31%。值得注意的是，1 500，3 000 m3／（hm2·a）供水量下50—70cm处的土壤含水量均小于20cm土层，而4 500，6 000，7 500m3／（hm2·a）供水量下则与此相反。说明低供水量下的水分补给区在50cm以上土层，而高供水量下的水分补给区在70 cm以上土层。这是因为在土壤吸力和水分重力的双重作用下，水分垂直运行速度越快，渗流土层越深［4］。

图1 不同供水量下土壤含水率的垂直分布

3.1.2 不同供水量下土壤水分的月变化效应 图2显示，各月的土壤含水率（4个土层的均值）均随着供水量的增加而增加，最低供水量与最高供水量下土壤含水率的差值呈随月份推移而递增的趋势。受供水量影响，土壤含水率峰值的发生时间也存在差异，即1 500，3 000，4 500，6 000m3／（hm2·a）供水量下，峰值出现在6月，而7 500m3／（hm2·a）供水量下其峰值出现在7月；在林木生长季，土壤含水率分布范围不同：1 500m3／（hm2·a）供水量下为7.88%～10.17%；3 000m3／（hm2·a）供水量下为11.43%～15.93%；4 500m3／（hm2·a）供水量下为15.14%～18.81%；6 000m3／（hm2·a）供水量下为17.53%～21.02%；7 500m3／（hm2·a）供水量下为18.80%～22.67%。需要说明的是，3 000m3／（hm2·a）供水量下的土壤含水率仅在6月份达到15.93%，其它月份均在15%以下，而4 500，6 000，7 500m3／（hm2·a）供水量下土壤含水率在林木生长季始终保持在15%以上，尤其是7 500m3／（hm2·a）供水量下，其8月、9月份的土壤含水量高达20.66%和21.57%，为林木速生丰产创造了良好的水分条件。

图2 不同供水量下土壤含水率的月变化

3.1.3 不同供水量下土壤水分的年变化效应 图3表明，不同供水量下，小美旱杨林内土壤含水率随着林龄的增加而递减。1 500，3 000，4 500，6 000，7 500 m3／（hm2·a）供水量下的最高土壤含水率表现为：4 a生时分别为11.51%，14.06%，18.96%，21.76%，24.62%；5a生时分别为9.29%，13.64%，18.91%，21.52%，23.57%；6a生时分别为8.98%，13.35%，15.70%，19.19%，20.86%；7a生时分别为8.84%，12.59%，15.58%，17.15%，19.21%。这是因为随林龄增加，林木各生长指标均逐年递增，对水分的消耗也相应增加，土壤含水量因此而呈逐年下降趋势。其降幅与供水量有关，即供水量越大，降幅越大（1 500 m3／（hm2·a）供水量除外）。表明供水量越大，林木生长速度越快，因而水分消耗越多，也揭示出水分是干旱区林木生长的主要障碍因子。

图3 不同供水量下土壤含水率的年变化

3.1.4 不同供水量下土壤温度的垂直分布效应 通过供水可调节辐射平衡，增加土壤导热率，从而改善土壤的水热状况和林木生长条件［5－6］。Gary指出，水分迁移强度与土壤温度有关［7］。由图4可知，各土层土壤温度的变化规律均为 W1＞W2＞W3＞W4＞W5，即供水量越大，土壤温度越低；各供水量下，土壤温度随土层深度的增加而降低。土壤温度梯度与供水量有直接关系，随供水量的增加温度的垂直幅差呈递增趋势。其中，1 500，3 000，4 500，6 000，7 500 m3／（hm2·a）供水量下的幅差分别为8.64，9.58，9.39，9.55，9.66℃。从水平分布比较，各处理间地表温度差异最小，变幅为1.66℃，20cm土层差异最大，变幅为3.26℃。

图4 不同供水量下月平均土壤温度垂直分布

3.1.5 不同供水量下土壤温度的月变化效应 图5显示，供水前（4月）各处理间土壤温度差异不明显，供水后土壤温度出现明显规律性变化，即土壤温度随供水量的增加而递减，其降幅为0.31～1.24℃，其中，1 500，3 000，4 500m3／（hm2·a）供水量下7月份的降 幅最大，为 0.96～1.24℃，6 000，7 500 m3／（hm2·a）供水量下8月份降幅最大，为0.53～0.64℃。从土壤温度月变化中看出，4月份土壤温度最低，介于9.37～10.67℃；最高值出现在7月，范围为24.45～27.67℃。地温是林木生长的重要因素，尤其是在林木萌芽期（4月），因此，这时应适当降低供水量，以提高地温，此后随着气温的升高，再逐步加大供水量。由于7月份是研究区的高温期（月均温24.96℃），同时也是林木的速生期和耗水高峰期（单株月耗水1 255.2～2 432.2kg），因此，最大供水期应设在7月，以降低地温和满足林木对水分的需求。

图5 不同供水量下土壤温度月变化

3.1.6 供水量对土壤水分特征值的影响 由表1看出，土壤贮水量、有效含水量、田间持水量、最佳含水量下限4项指标均随供水量的增加而增加。其中，土壤贮水量由低到高依次增加53.3，48.9，38.4，52.3 m3／hm2，即每增加1 500m3／hm2的供水量，相应提高土壤贮水量的百分比为4.69%～7.43%，最高供水量 7 500m3／（hm2·a）较最低供水量 1 500 m3／（hm2·a）下土壤贮水量增加了192.9m3／hm2，增幅为26.9%。土壤有效含水量的增量低于前者，由低到高依次增加20.7，27.0，94.2，10.0m3／hm2，但增幅差异较大，最大为15.5%，最小仅为1.42%，这主要与土壤吸湿量有关。田间持水量变幅相对较小，其增幅依次为7.43%，1.32%，1.0%，2.61%，说明供水对土壤田间持水量影响不大，且只发生在供水期，这是因为土壤类型一定时，田间持水量基本恒定。最佳含水量下限由低到高依次增加48.5，9.3，7.1，18.8m3／hm2。土壤水分亏缺值与上述特征值变化规律相反，即随供水量的增加而递减，由低到高依次递减12.5%，12.2%，7.3%，3.9%，且不同供水量间 K值差异较大。以上结果表明，供水量是引起土壤各项水分特征值变化的主要因素，确定林木的合理供水量是杨树获得速生丰产的关键。

表1 不同供水量下5－9月土壤水分特征值（4a均值）

3.1.7 供水量对林木生长的影响 由表2可见，林木胸径、树高和材积均随供水量的增加而增加，7 500 m3／（hm2·a）供水量下的林木生长指标显著高于6 000，4 500，3 000，1 500m3／（hm2·a）供水量下的林木生长指标。前者的胸径倍数分别是后者的1.25，1.30，2.12，3.23倍，树高倍数分别为1.18，1.31，1.49，1.55倍，林木材积的倍数为1.81，2.13，6.21，15.00倍。这主要是因为灌溉是促进林木生长的重要措施，通过供水可增加叶量和叶面积，扩大受光面积，使胸径与树高均得到显著提高，进而使材积得到增产［8］。

表2 不同供水量的林木生长指标

3.2 杨树速生林生态需水量变化动态

3.2.1 供水量对蒸腾速率的影响 表3表明，小美旱杨的蒸腾速率随供水量的增加而递增。7月为蒸腾速率的高峰期，1 500，3 000，4 500，6 000，7 500 m3／（hm2·a）供水量下的蒸腾速率分别为0.463 0，0.516 3，0.524 ，0.574 8，0.635 5g／（g·h），最高供水量下的蒸腾速率较最低供水量下提高了1.37倍。9月为低谷期，蒸腾速率分别为0.372 7，0.399 2，0.416 2，0.423 2，0.496 8g／（g·h），最高供水量下的蒸腾速率为最低供水量下的1.33倍。此结果与魏天兴等［9］的研究结果相吻合，即供水量的大小决定耗水量的大小，供水促进耗水。据研究，在诸多影响因子中，气候因素对杨树蒸腾的影响远不如土壤含水量，光合有效辐射、叶片气孔限制值与蒸腾速率显著相关［10］；各树种的光合速率随土壤含水量降低而明显下降，不同土壤水分对叶片蒸腾速率、水分利用率和生物量的影响存在差异［11］。

表3 不同供水量下的蒸腾速率 g／（g·h）

3.2.2 供水量对叶片鲜重的影响 供水既可改善土壤水分状况，又能有效促进林木叶量的生长，而叶片鲜重是衡量林木耗水量的重要指征之一。表4显示，叶片鲜重随供水量的增加而递增，其中，7 500m3／（hm2·a）供水量下的叶量鲜重较1 500，3 000，4 500，6 000m3／（hm2·a）供水量下分别增加了128.12%，99.75%，92.89%，19.79%。各处理间叶量的差异均随着供水量的递增而加大；叶量峰值期出现在8月，同时也是各供水量处理间叶片鲜重差异最大的时期。

表4 不同供水量下林木单株叶片鲜重 kg／株

3.2.3 供水量对杨树用材林生态用水量的影响 杨树用材林生态用水量随供水量的增加而增加，由表5可见，5—9月的生态用水量排序均为W5＞W4＞W3＞W2＞W1；生态用水量月变化规律为，1 500，3 000，4 500，6 000m3／（hm2·a）供水量下的峰值均在5月，依次为2 000.1，2 060.4，2 117.5，2 134.1m3／hm2，而7 500m3／（hm2·a）供水量下的峰值为7月的2 212.2 m3／hm2。这主要是因为在生态用水量的组分中，土壤蒸发量所占比重最大，约占61.15%～65.24%；其次为土壤贮水量，约占33.42%～36.81%；杨树蒸腾耗水量最小，约占1.34%～2.04%。所以土壤蒸发量是决定生态用水量的主导因子。在干旱地区，5月份是干燥多风季节，此时，相对湿度较低，风速较大，因此土壤蒸发量相对较高，导致生态用水量较高。而7 500 m3／（hm2·a）供水量下7月时，由于具有较高的土壤贮水 量 （1 043.95m3／hm2），已 超 过 土 壤 蒸 发 量（1 006.33m3／hm2），因而其生态用水量较高。在6月份，由于土壤蒸发量迅速下降，且蒸腾耗水量和土壤贮水量相对较低，导致生态用水量急剧下降，7月份由于蒸腾耗水量和土壤贮水量迅速增加，使得生态用水量迅速提升，8、9月份由于土壤蒸发量和土壤贮水量下降，其生态用水量逐月下降至1 240.3～1 581.6m3／hm2。比较月平均生态用水量可知，由低到高依次分别增加81.5，69.1，88.4，73.9m3／hm2，即每增加1 500m3／hm2供水量，可分别提高4.85%，3.92%，4.83%，3.85%的生态用水量。

表6表明，不同供水处理的杨树用材林生态用水量均随着林龄的增加而递增。6a生林地与5a生林地相比，1 500，3 000，4 500，6 000，7 500m3／（hm2·a）供水量下的生态用水量分别增加了697.37，994.27，631.60，178.34，351.94m3／hm2，7a生林地较6a生林地分别提高4 219.96，3 968.87，4 019.24，4 146.27，4 120.88m3／hm2。由供需关系可以看出，在各处理中，仅有7 500m3／（hm2·a）供水量下的供水量亏缺量较小，其它处理的水分亏缺状况较为严重。

4 结论

（1）1 500，3 000m3／（hm2·a）供水量下的水分补给层主要在50cm以上土层，而4 500，6 000，7 500 m3／（hm2·a）供水量下的水分补给层则为70cm以上土层；在20—100cm 土层内，受供水量影响，1 500，3 000，4 500，6 000m3／（hm2·a）供水量下的土壤含水量峰值期发生在6月，而6 000m3／（hm2·a）下为7月；1 500，3 000m3／（hm2·a）供水下的低谷期为9月，而其他三者为5月。土壤含水量与林木生长和耗水关系密切，在供水量不变的条件下，随着林龄的增加，林木生长指标和耗水量都在逐年递增，导致土壤含水量同步下降。

（2）土壤温度随供水量增加而递减，其降温幅度为0.31～1.24℃。1 500，3 000，4 500m3／（hm2·a）在7月时降幅最大，其他二者在8月份降幅最大。在林木生长初期应适当降低供水量，以提高地温，以利于林木萌发期的生长，最大供水期应在7月。长而递增，与此同时，各处理的亏缺量呈逐年增加趋势；各年的水分亏缺量均随供水量的增加而递减。

表5 不同供水量下蒸腾耗水、土壤蒸发量、土壤贮水量、生态用水量月变化 m3／hm2

表6 不同林龄杨树地水分供耗状况 m3／hm2

（3）土壤贮水量、土壤有效含水量、田间持水量、最佳含水量指标均随供水量增加而增加，每增加1 500m3／（hm2·a）供水量，可提高土壤贮水量4.69%～7.43%；土壤有效含水量增幅差异较大，最大为15.5%，最小为1.42%；供水量对田间持水量影响不明显，土壤水分亏缺值随供水量增加而递减。

（4）供水可以促进耗水，供水量的多寡决定耗水量的大小，蒸腾速率随供水量增加而递增，7月为蒸腾速率的高峰期，9月为低谷期。

（5）杨树用材林地生态用水量随供水量增加而增加；每增加1 500m3／（hm2·a）供水量，可使生态用水量依次分别提高4.85%，3.92%，4.83%，3.85%；不同供水量处理下的杨树用材林生态用水量均随林龄的增

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