灌溉方式对半干旱区侧柏人工林土壤理化性质的影响

李泽霞，陈爱华，董彦丽

（甘肃省水土保持科学研究所，兰州730020）

0 引 言

20 世纪80年代在水土流失严重和生态环境最脆弱的黄土高原地区开始实施一系列植被恢复生态的水土保持工程，其中人工林建设可以保水固土、截流减沙及改良土壤结构，对减少水土流失和改善生态环境发挥了重要的作用。侧柏作为分布最广泛的温暖地区针叶树种，因其耐旱、耐瘠薄，在我国半干旱区的水土保持、荒山绿化及涵养水源等方面发挥着重要作用。但由于黄土区气候干旱、降水稀少且时空分布不均，年均蒸散量远远大于降雨量，土壤水分是制约该区侧柏人工林栽培的重要因素[1]。因此，如何科学利用有限的水资源成为关系到半干旱区水土保持植被恢复与建设的关键问题，发展节水灌溉技术是缓解水资源供需矛盾的重要途径。半干旱区人工林的常规灌溉方法有漫灌、沟灌等，易造成水资源浪费，喷灌、滴灌等节水灌溉技术应运而生，逐渐推广于人工林的栽培生产中。穴灌是用移动软管逐棵浇灌作物根部穴坑土壤的一种用水量少、地温稳定的灌水方法[2]。喷灌是通过管道加压将水送到田间，再经喷头喷射到空中，从而将水均匀的洒落在田间达到灌溉目的[3]，它比传统的灌溉技术明显节约用水，能大幅度提高水资源利用效率。在人工林管理过程中滴灌存在滴头易堵塞的问题，限制了滴灌的应用，喷灌能够适应各种地形条件，适用范围较广。

由于不同节水灌溉技术的灌水量、灌水强度不同，导致进入土壤中的水分运动方式不同，对土壤入渗[4]、土壤生产力[5]等产生不同影响，能改变土壤保水保肥、养分传输以及透气持水和溶解矿质元素的性能，进而影响人工林的生长发育状况。国内外许多学者对灌溉方式进行了大量研究，张西超等[6]研究指出不同灌溉方法对设施番茄的土壤理化性质可以产生不同的影响；陈金平等[7]发现软管喷灌刺槐的株高、地径和胸径的年度生长量比沟灌大；喷灌的灌水量显著低于常规灌溉，但其对林木或农作物的生长和生理的促进作用均优于常规灌溉，许善财[8]指出滴灌和喷灌对毛竹笋竹两用林各项生长指标均优于常规灌溉。侯晓华等[9]通过对枣树根区土壤速效养分变异特性的研究发现，滴灌和地面灌在水平方向的变异系数均随着距离的增加而减小，且滴灌处理变异性大于地面灌，谷鹏等[10]研究滴灌与沟灌的土壤通透性均低于喷灌处理。

目前人工林研究主要关注不同林地类型或者不同树龄研究[11,12]，有关灌溉影响效应的研究较少，区分喷灌、穴灌等灌溉方式作用效应差异的研究鲜有报道。考虑黄土高原半干旱区人工林生长缺水的特点，有必要对不同灌溉方式下人工林的土壤理化特征进行研究。本文从灌溉方法入手，研究3种灌溉方式对侧柏人工林土壤理化性质的影响，以期为该区人工林选择适宜的灌溉方式和制定科学的节水灌溉措施提供科学依据，进一步实现人工林的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于甘肃省兰州市小青山水土保持科技示范园区，该示范园最高点海拔1 847.5 m，最低点海拔1 544.5 m，属北温带半干旱大陆性气候，干燥少雨，年降水量为329.7 mm，蒸发量为1 332.7 mm，年平均气温9.3 ℃，土壤以灰钙土为主。示范园区天然植被主要为草本及少量灌木，绝大多数为人工植被，现有乔灌树种100 余种，草种30 多种，示范区内主要乔木有侧柏(Platycladus orientalis L.Franco)、油松(Pinus tabuliformis Carriere)、 刺 槐(Robinia pseudoacacia)、 国 槐(Sophora japonica)、杏（Armeniaca vulgaris）等，林草覆盖率达85%。本试验在示范园区栽培的15年生侧柏人工林开展，株行距为3 m×5 m，平均株高为3.5 m，平均冠幅为2.3 m，平均地径为30 cm。

1.2 试验设计

试验于2020年3-12月进行，设置喷灌、穴灌和漫灌共3个处理，每个处理各设置3 个重复样地，每块样地包含20 株侧柏。示范园区于2010年安装喷灌系统进行喷灌管理，采用固定式喷灌形式，喷洒支管平行等高线布置，平均间距130 m左右，支管上每20 m 设置1 个喷头。穴灌每次用移动式软管进行灌水，漫灌采用渠道输水，灌溉水均来自园区修建的蓄水池，各处理用蓄水池出口处水表控制灌水量。参照示范区常规灌溉管理方式进行灌溉。试验期间，分别在5-10月的干旱季节进行灌溉，各处理灌水量见表1。3 个处理的灌溉方式连续10年保持一致，均采取相同的施肥、除草和病虫害等管理措施。

表1 不同灌溉方式的灌水量Tab.1 The amount of irrigation under different irrigation methods

1.3 研究方法

试验于2020年5月18日（样地灌溉7 d 后）采集1 次土壤样品，采用野外取样与室内分析相结合的方法，在样地内随机选取1 个采样点，在其前后左右4 棵树的对角线交点处挖取土壤剖面，以避免取样点距树干基部太近而根系密集，影响数据的准确性。每个剖面分5 层（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）采集土样，样品除去植物凋落物和石砾等，保鲜袋取0.5 kg带回实验室风干、磨碎进行土壤养分测定。在挖好的土壤剖面上，用环刀和铝盒采集5 层（分层同上）土壤，带回实验室，供土壤物理性质测定。测量指标每个样地均3次重复。

采用烘干法测定土壤质量含水量，采用环刀法测定最大持水量、毛管持水量、田间持水量及土壤容重[13]，根据计算得出土壤孔隙度值。土壤化学指标测定参考土壤农业化学分析方法[14]，其中：土壤有机碳采用重铬酸钾氧化分光光度法测定，全氮采用半微量开氏法测定，水解性氮采用扩散法测定，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法测定。

1.4 数据处理与统计方法

应用SPSS21.0 和Excel2007 软件对试验数据进行统计、分析和作图。采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）中最小显著差异法（LSD）分析，显著性差异水平取“p＜0.05”。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对侧柏人工林土壤物理性质的影响

2.1.1 土壤容重

土壤容重作为表征土壤物理性质的指标之一，影响土壤水肥气热条件的变化，能够反映土壤结构的好坏。由表2可以看出，侧柏林地土壤容重介于1.04～1.30 g/cm3之间，随着土层深度增加，3种灌溉方式下土壤容重均逐渐增大，表明土壤疏松度和通透性变差，在80～100 cm 土层，喷灌、穴灌地的土壤容重分别比漫灌地降低10%和2.3%。0～100 cm 土层土壤容重平均值从小到大依次为：喷灌地（1.10 g/cm3）＜穴灌地（1.19 g/cm3）＜漫灌地（1.25 g/cm3）。除穴灌地20～60 cm 土层外，喷灌地与穴灌地、漫灌地同一土层间均存在显著性差异（p＜0.05）。

表2 不同灌溉方式下各土层的土壤容重 g/cm3Tab.2 The soil bulk density of different soil layers under different irrigation methods

不同灌溉方式对土壤容重随着土层深度的变化趋势具有显著影响。喷灌处理下，土壤容重变化幅度较大，0～20、20～40 cm 土层与40～60、60～80 cm 及80～100 cm 土层间差异均显著，40～60与60～80 cm土层间差异不显著。穴灌处理下，土层深度小于40 cm 的土壤容重变化幅度较小，0～20 cm 土层与20～40、40～60 cm 土层间土壤容重差异不显著，但与60～80、80～100 cm 土层间差异均显著。漫灌处理下，土壤容重变化幅度较小，除80～100 cm 与各土层间差异均显著外，其余各土层间均无显著差异（p＞0.05）。

2.1.2 土壤含水量

半干旱区土壤水资源十分匮乏，土壤水分是植物生长和生态恢复的主要限制因子，直接影响人工林的生长。3种灌溉方式侧柏人工林土壤含水量见表3，0～100 cm 土层不同灌溉方式土壤含水量平均值按照从小到大排序为：穴灌地（6.06%）＜喷灌地（7.04%）＜漫灌地（14.91%），方差分析显示漫灌地与喷灌地、穴灌地同一土层间土壤含水量均存在显著性差异（p＜0.05）。

从表3可以看出，随土层深度增加，土壤含水量整体呈现出先降低后增加最后又降低的趋势，0～20 cm 土层土壤水分含量最大，具体表现为：喷灌、漫灌地土壤含水量在0～20、20～40、40～60 cm 范围内随土层深度的增加而减小，在60～80 cm土层中增大，而后又在80～100 cm 土层减小。穴灌地土壤含水量在0～20、20～40 cm 范围内随土层深度的增加而减小，在40～60、60～80 cm 范围内随土层深度的增加而增大，在80～100 cm 土层减小。不同灌溉方式侧柏林地表层（0～40 cm）土壤含水量随着土层深度增加而减小，这是由于灌溉使表层土壤水分得到补充，而林下植被和枯落物层的覆盖减少了土壤表层蒸发，使得土壤含水量呈降低趋势；40～60 cm 土层由于植物根系吸水，使得这一土层水分含量减小较大；下层土壤60～100 cm 得到灌溉补充作用有限，土壤含水量减小并趋于稳定。

表3 不同灌溉方式下各土层的土壤含水量 %Tab.3 The soil water content of different soil layers under different irrigation methods

2.1.3 土壤持水量

半干旱区人工林地土壤缺水，而优良的土壤持水性能对于减少地表径流、涵养水源、保持水土具有重要的作用。土壤的最大持水量是土壤蓄水能力的重要指标，而田间持水量是土壤中所能保持最大数量的毛管悬着水，它是土壤中对植物有效水的上限。从表4 可以看出，在0～100 cm 土层内，相同灌溉方式下土壤的持水量表现出基本一致的变化规律：土壤最大持水量、土壤毛管持水量、土壤田间持水量均随着土层深度的增加而减小，各指标在0～20 cm 土层与80～100 cm 土层间差异均达到显著性水平（p＜0.05）。

在0～100 cm 土层内，侧柏林地的土壤最大持水量平均值为喷灌地（55.60%）＞穴灌地（46.26%）＞漫灌地（42.58%）；土壤毛管持水量平均值表现为（49.19%）＞穴灌地（40.55%）＞漫灌地（37.53%）；土壤田间持水量平均值为（37.71%）＞穴灌地（30.61%）＞漫灌地（25.67%），由此可知，3种不同灌溉方式土壤最大持水量、土壤毛管持水量、土壤田间持水量均表现为喷灌地＞穴灌地＞漫灌地。方差分析表明，3种不同灌溉方式下0～100 cm 土层土壤持水量之间的差异均达到显著性水平（p＜0.05），结果表明土壤持水量受灌溉方式影响显著。

2.1.4 土壤孔隙度

土壤孔隙是表征土壤结构的重要指标之一，直接影响土壤通气性、透水性和根系的伸展，反映了土体构造虚实松紧的状况。3 种灌溉方式下侧柏林地土壤孔隙度的状况见表4，随着土层深度的增加，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度均呈现逐渐下降趋势，这与土壤容重随土层深度的变化趋势相反。各处理孔隙度随土深逐渐下降，表明随土层深度的增加，土壤通气透水性能下降，不利于侧柏林地的生长和水土保持功能发挥。从表4可以看出，土壤毛管孔隙度、总孔隙度平均值分别为喷灌地52.81%、穴灌地48.09%、漫灌地46.76%和喷灌地59.59%、穴灌地54.85%、漫灌地53.0%，二者均表现出喷灌地＞穴灌地＞漫灌地的特征。3种不同灌溉方式下0～100 cm 土层土壤毛管孔隙度和总孔隙度均为显著性差异（p＜0.05）。

表4 不同灌溉方式下各土层的土壤持水量和孔隙度 %Tab.4 The soil water holding capacity and porosity of different soil layers under different irrigation methods

土壤的贮水能力主要取决于土壤的非毛管孔隙度[15]，其具有重要的调节水分的能力。从表4 可以看出，在0～100 cm 土层内，侧柏林地土壤非毛管孔隙度平均值表现为喷灌地（6.78%）＞穴灌地（6.76%）＞漫灌地（6.24%），喷灌地与漫灌地之间差异显著（p＜0.05），与穴灌地差异不显著。除0～20 cm 土层外，喷灌地和穴灌地土壤非毛管孔隙度在土壤剖面上差异均不显著，漫灌地土壤非毛管孔隙度在80～100 cm 处最低，与其他土层间差异显著（p＜0.05）。

2.2 不同灌溉方式对侧柏人工林土壤化学性质的影响

2.2.1 土壤pH

不同灌溉方式侧柏人工林土壤pH 值范围变化为7.78～8.69（图1），研究区土壤均偏碱性，在0～100 cm 土层内，土壤pH 值随着土层深度增加没有呈现明显的变化规律，各土层土壤pH 值变化差异不显著（p＞0.05）。从表5 可知，不同灌溉方式林地土壤pH的大小顺序依次为喷灌地（7.97）＜漫灌地（8.27）＜穴灌地（8.52），喷灌地与漫灌地、穴灌地之间差异显著，而漫灌地和穴灌地间差异不显著。

2.2.2 土壤有机碳

通过对侧柏人工林不同灌溉方式下土壤有机碳含量进行分析（图1），结果表明，土壤有机碳变化范围在0.24%～1.50%之间，喷灌地、穴灌地与漫灌地垂直剖面土壤有机碳含量整体呈现出逐渐降低的趋势，分别由1.50%降至0.42%、0.55%降至0.25%和1.11%降至0.35%，喷灌地各土层有机碳含量均高于穴灌地和漫灌地。从表5 可知，0～100 cm 土层，喷灌地土壤有机碳平均值为0.77%，漫灌地为0.57%，穴灌地最小为0.38%，方差分析表明3 种灌溉方式之间土壤有机碳差异性显著（p＜0.05）。

2.2.3 土壤全氮

土壤全氮含量的高低在一定程度上反映出土壤氮素的储量和潜在的供应能力，0～100 cm 土层侧柏人工林地土壤全氮剖面分布情况见图1。喷灌地、穴灌地土壤全氮含量均随土层深度的增加呈逐渐减小的趋势，漫灌地土壤全氮含量呈现先降低后增加的趋势，在80～100 cm 土层处最大，达到1.70 g/kg。从表5 可知，喷灌地土壤全氮平均值为1.90 g/kg，漫灌地为1.00 g/kg，穴灌地为0.26 g/kg，3 种灌溉方式土壤全氮表现为喷灌地＞漫灌地＞穴灌地，三者之间差异性显著（p＜0.05）。

图1 不同灌溉方式下各土层的土壤化学性质Fig.1 The soil chemical properties of different soil layers under different irrigation methods

表5 不同灌溉方式下土壤化学指标Tab.5 The soil chemical indexes under different irrigation methods

2.2.4 土壤速效养分

土壤中的速效氮、磷、钾指能够直接被作物吸收利用的部分，速效养分是反映肥效高低的主要指标。从图1可知，土壤水解性氮、有效磷、速效钾含量分别为16～93、4.41～5.98、50～139 mg/kg，土壤水解性氮和速效钾含量变化范围均较大。随着土层深度的增加，喷灌地、穴灌地土壤水解性氮含量呈现下降的趋势，漫灌地土壤水解性氮含量呈先下降后增加的趋势，在40～60 cm 处最低，为21 mg/kg，60～80 cm、80～100 cm土层中的土壤水解氮分别是喷灌地的1.26、1.68倍；土壤有效磷含量没有呈现规律性变迁且在各土层之间变化不大；土壤速效钾亦呈下降趋势，且表层（0～20 cm）土壤速效钾含量显著高于其他土层。

从表5可知，0～100 cm土层，不同灌溉方式土壤水解性氮含量表现为喷灌地（55.80 mg/kg）＞漫灌地（45.40 mg/kg）＞穴灌地（18.20 mg/kg）；土壤有效磷含量为喷灌地（5.33 mg/kg）＞穴灌地（5.18 mg/kg）＞漫灌地（4.95 mg/kg）；土壤速效钾含量为喷灌地（87.2 mg/kg）＞漫灌地（76.40 mg/kg）＞穴灌地（67.8mg/kg），3种灌溉方式土壤水解性氮、速效钾均达到显著性差异（p＜0.05），土壤有效磷差异不显著。

3 讨 论

3.1 土壤容重和孔隙度

土壤容重和孔隙度是重要的土壤物理因子，影响着土壤的疏松紧实程度及持水透气性能。土壤容重是土壤紧实度的敏感性指标，其大小与土壤的物理结构、养分的含量及土壤密度等紧密相关，土壤容重越小，说明土壤疏松多孔，透气性、透水性越好[16]。在0～40 cm 土层，同漫灌地相比，喷灌、穴灌地的土壤容重明显降低，分别比漫灌地降低14.3%和7.6%，说明两种灌溉方式均能明显降低0～40 cm 土层容重，增加土壤的疏松度，提高土壤通透性，这对促进侧柏根系呼吸，增强根系对养分的吸收能力具有重要意义。土壤孔隙度是土壤养分、水分等的转移通道或贮存库，孔隙度大时土壤比较疏松，加强其储蓄水分的能力。研究结果表明，3种不同灌溉方式下侧柏林地喷灌的土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度比漫灌分别高12.43%，12.94%和8.65%；比穴灌高8.62%，9.81%和0.3%。有研究表明土壤非毛管孔隙度大，则土壤的渗透性能就强[17]，本研究中，土壤非毛管孔隙度仅占约10%，说明侧柏林地土壤黏重、紧实，通透性差，这与半干旱区少雨、黄土板结有关，对侧柏生长产生不利影响。3种不同灌溉方式土壤非毛管孔隙度表现出喷灌地最大，其次是穴灌地，漫灌地最小，结果表明喷灌地土壤的调节水分能力强，而漫灌地土壤的调节水分的能力弱。灌溉方式对土壤孔隙度影响很大，采取漫灌方式不仅对表层土壤产生冲刷的作用，同时使土壤水较快达到饱和或过饱和，产生大量的重力水对土壤团粒进行浸泡和破坏，土壤孔隙度降低[18]。喷灌类似自然降雨，水流从表层入渗到土层中去时，对土壤团粒结构破坏的程度较小，在一定程度上增强土壤的疏松度，从而降低了土壤的容重，说明喷灌比漫灌具有较好的保持土壤结构的功能。

3.2 土壤含水量和持水量

土壤水分是黄土高原防治水土流失、开展植被恢复等过程中的重要考虑因素之一，土壤水分供应状况是评价人工林土壤涵养水源能力的重要指标，其性状的优劣直接影响到土壤的持水能力，而良好的持水能力对于侧柏人工林生长发育有着积极的作用。土壤水分变化受到灌溉水量和土壤水蒸散发的影响，3种灌溉方式下侧柏林地土壤含水量的排序为漫灌地＞喷灌地＞穴灌地，这与不同灌溉水量有关，喷灌、穴灌和漫灌的水分入土方式不同[19]，影响了根系的吸水。喷灌地土壤的最大持水量、毛管持水量和田间持水量都比穴灌地、漫灌地土壤的大，表明喷灌地土壤的持水性能比穴灌地、漫灌地土壤的持水性能好，李蕊[20]对兰州市北山林地的研究结果也表明漫灌地中同层土壤深度处毛管持水量均比喷灌地毛管持水量减小，这与本文的结果一致。漫灌一次的灌水量很大，各土层土壤含水率较大，但是大部分水分下渗到60 cm 土层以下，造成了水资源的浪费，而过量的水分堵塞了表层土壤的非毛管孔隙，反而降低了土壤的持水能力，不利于透水和侧柏林地的生长发育。穴灌地灌水量受树坑范围大小的限制，土壤含水率最小，不利于侧柏的生长。漫灌因为灌溉次数少、间隔时间长，使侧柏人工林在生长季内经常处于缺水状态，从而抑制了其正常生长。喷灌地灌水可以均匀地被土壤吸收，能够有效地增大土壤孔隙度和持水量，从而增强侧柏林地透水性和持水能力。

3.3 土壤养分

林地土壤养分是土壤肥力的基础，肥力状况受土壤类型、条件等自然因素和灌溉量、施肥量等人为管理措施的共同影响。不同灌溉管理的土壤养分不同，研究喷灌等节水灌溉方式下侧柏人工林土壤肥力的消耗情况，对我国人工林的经营和管理具有重要的理论和实践意义。葛新伟等[21]研究发现土壤中的水解氮随灌溉水的下渗有向下迁移的趋势，且灌水量越多水解氮向深层迁移的量越大，本研究中，漫灌地大量灌水后水解氮向下迁移量最大，60～100 cm 土层中的土壤水解氮明显高于喷灌地，说明漫灌地降低了土壤对水解性氮的利用率，不利于侧柏林地的生长。本研究中，不同灌溉方式土壤养分指标变化较大，喷灌地0～100 cm 土壤有机碳、全氮、水解性氮、速效钾含量均显著高于漫灌地和穴灌地，有效磷含量稍高于漫灌地和穴灌地，但差异性不显著。这说明，喷灌可以在一定程度上提高侧柏人工林地土壤的土壤养分的含量，只是各个土壤养分指标受到的程度不同，土壤有机碳、全氮、水解性氮、速效钾受到喷灌方式的影响明显，而土壤有效磷受到的影响则不明显。

4 结 论

（1）3种灌溉方式侧柏林地土壤容重随土层深度的增加而增加，土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均随土层深度的增加而减小。不同灌溉方式喷灌地土壤容重小于穴灌地和漫灌地，喷灌地土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均比漫灌地高。

（2）3种灌溉方式侧柏林地土壤含水量、饱和持水量、毛管持水量及田间持水量均随土层深度的增加而减小。3种不同灌溉方式下0～100 cm 土层土壤持水量之间的差异均达到显著性水平（p＜0.05），表现为漫灌地＜穴灌地＜喷灌地，土壤含水量表现为穴灌地（6.06%） ＜喷 灌 地（7.04%） ＜漫灌地（14.91%）。

（3）3种灌溉方式下土壤有机碳、全氮、水解性氮、速效钾基本均随土层深度的增加而减小，均表现为喷灌地＞漫灌地＞穴灌地，方差分析表明差异显著（p＜0.05）。土壤pH、有效磷变化无明显规律，无显著差异。

侧柏人工林采用穴灌方式对树干基部修整的树穴进行灌溉，灌溉用水量最小，但存在费工费时，灌溉后形成的湿润体范围小影响根系吸水等问题，采用喷灌方式不仅灌水量较少，而且能够增强土壤的持水能力和孔隙度，较好地改善土壤理化性质，从而有利于促进林地对土壤水分及养分的吸收，是一种适宜黄土高原半干旱区侧柏人工林的节水灌溉方式。