改性荒漠沙在甘肅河西荒漠區綠化造林工程中的應用研究

陳延軍，雷建生，任增茂，胡永權，羅天祥

(1.甘肅省建材科研設計院有限責任公司，蘭州 730020；2.甘肅省綠色建筑技術重點實驗室，蘭州 730020；3.酒泉市金塔縣林業技術推廣站，甘肅 金塔735300)

甘肅省河西荒漠化地區氣候干旱，降雨量少，水資源缺乏，且沙區旱區土壤本身的高滲漏性、高蒸發量，導致水資源利用率低，因此如何提高水利用率實現節水灌溉，一直是干旱荒漠區綠化種植中遇到的重要問題之一。而本文提到的改性荒漠沙是以荒漠沙或風積沙為主要原料，研制出的一種具有防滲透氣功能的新型環保防滲材料。該材料為散裝固體顆粒，與土壤相容性好，具有自修復作用，可用于荒漠農業種植、荒漠綠化種植、鹽堿地改造及生態修復和環境治理等方面，達到有效減少綠化造林灌溉用水量，隔絕鹽水遷移的目的。目前，國內學者對蓄水保墑抗旱技術在旱作農業方面的應用研究較廣泛[1-5]，而在干旱區綠化造林抗旱方面研究相對較少。鑒于此，本文以典型荒漠植物胡楊(Populus euphratica)和密胡楊(Populus talassica × p.euphratic)為試驗對象，以改性荒漠沙為試驗材料，通過工程試驗，探討其在干旱荒漠區胡楊造林中的適用性，以期總結出一種干旱荒漠區人工造林的節水新材料和新方法，為以后甘肅河西荒漠區綠化造林工程節水灌溉提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

金塔縣位于黑河流域中下游，河西走廊中部北側，巴丹吉林沙漠邊緣，屬典型的溫帶大陸性氣候，年平均降水量59.5 mm，年平均蒸發量2 538.6 mm，干旱缺水、植被稀少，且風大沙多，風向以西北風為主。該區草本植物主要有耐鹽堿、耐干旱的胡楊、梭梭、紅柳、泡泡刺等，胡楊為該區喬木主要樹種。金塔縣境內土壤主要以灌溉耕作土、風沙土、灰棕漠土等為主[6-8]。

1.2 試驗地概況

本研究確定2處樣地，位于金塔縣城西攔河灣金嘉公路南北兩側，假設其周圍氣候、水文等環境條件無差異，分別為“金塔沙產業試驗區”(以下簡稱“A區”)和“金塔密胡楊造林示范基地”(以下簡稱“B區”)，其中，A區面積約2.7 hm2，B區面積約13.3 hm2。2處樣地在幼苗栽植前已完成滴灌管道系統布置、挖坑及客土換填等基礎性工程。滴灌采用手動控制分區輪灌，且同一地塊高差相對保持一致，保證同一等高區內使灌溉水量相對均勻；定植坑為挖掘機施工，上口尺寸為1.0 m×1.0 m，下口尺寸為1.0 m×0.8 m，深度0.8 m，采用4～5 m的行距，4 m的株距，設計栽植密度為495～630 株/hm2。

1.3 試驗材料與方法

(1)試驗材料。改性荒漠沙由甘肅省建材科研設計院有限責任公司研制生產；胡楊、密胡楊苗木，分別來自酒泉市林科所和新疆烏魯木齊縣科林苗圃，都為3 a生，其長勢良好、無病蟲害、根系完整、莖干粗細均勻。

(2)試驗方法。本研究在前期先進行小面積試驗，即利用改性荒漠沙，通過不同處理方式栽植幼苗，在其生長期內觀測苗木成活率、地徑、胸徑、新梢生長量、土壤含水率等指標，通過分析各處理方法對幼苗生長的影響，評價各處理方法的實施效果，初步篩選出一種或多種適宜的處理方法；然后擴大試驗面積，在已選處理方法的基礎上通過控灌，重復驗證和評價改性荒漠沙應用于荒漠區綠化造林工程的實際效果。具體做法：① 為探究不同處理方式對胡楊生長的影響，2018年5月在A區以胡楊為試驗對象，設置6種試驗處理，分別為：EG1(頂部鋪沙)、EG2(頂部鋪沙+塑料管)、EG3(底部和頂部鋪沙+塑料管)、EG4(底部鋪沙)、EG5(底部鋪沙+側壁塑料膜)、CG(對照組)。上述的鋪沙在不作特別說明情況下，均指鋪設改性荒漠沙(以下同)，處理時頂部鋪沙量為10 kg，底部鋪沙量為15 kg，其中頂部鋪沙后再覆1～2 cm普通沙土作為其保護層，防止改性荒漠沙層遭風襲；塑料管為PVC材質，直徑為20 cm，高度為40 cm，嵌入土壤深度20 cm，如圖1所示；塑料膜為普通棚膜，厚度為0.2 mm，側壁鋪設高度為60～80 cm；對照組是指不作任何處理。每種處理設置2行，每行有42株，試驗行間設置不作任何處理的保護行。每種處理簡單隨機抽取胡楊幼苗10株作為觀測樣本，并掛牌標記。2018年對所有組別采取常規灌溉，即每月平均各澆灌3次，灌水時長相同(忽略滴灌壓力差異引起的誤差)；以2018年試驗研究為基礎，2019年對EG1和CG采取控灌，即每月平均澆灌1次。② 以A區試驗研究為基礎，將鋪沙厚度(決定于鋪沙施用量)和控灌作為共同影響因素，進一步探討頂部鋪沙處理在控灌條件下的節水效果，2019年5月對B區設置了6種處理：EG1-1(頂部鋪沙7.5 kg)、EG1-2(頂部鋪沙7.5 kg+控灌)、EG2-1(頂部鋪沙5 kg)、EG2-2(頂部鋪沙5 kg+控灌)、EG3-1(頂部鋪沙2.5 kg)、CG(對照組)，其中這里的CG也指不作任何處理。

圖1 金塔沙產業試驗區

1.4 主要指標測定

(1)生長量測定。成活率以緩苗期內各處理所有株數的成活率進行統計；地徑是用0.01 mm的電子游標卡尺量取苗木離地面0.20 m處樹干固定位置的直徑；胸徑是用0.01 mm的電子游標卡尺量取苗木自地面至1.30 m處樹干固定位置(南北方向，做標記)的直徑；新梢生長量是用0.1 cm的鋼卷尺量取樹冠外圍距地1.50 m左右高度的發育枝長度平均值。

(2)土壤含水率測定。在距測試樣樹干水平距離30 cm處，每個待測樣本預埋10、20、30、40 cm長為一組的探針，利用便攜式JK-100系高周波水分儀(測量范圍為0～100%，分辨率0.1%)監測相應深度處的土壤含水率。選擇在非降雨天9∶00-10∶00，對每個處理按樣本編號同時進行測定，以減少天氣差異和測定時間不同步引起的誤差。

(3)數據處理。測定時由于考慮到樣本之間的個體差異，試驗數據取算術平均值。

2 結果與分析

2.1 不同鋪沙處理方式對胡楊生長的影響

對于土壤水分及土壤表面溫度而言，覆蓋材料對土壤保水性能與土壤保溫隔熱性能具有積極影響[9]，覆蓋材料和覆蓋方式在干旱區可減少土壤水分地表無效蒸發、地下滲漏[9-11]，達到蓄水保墑作用，是提高植物光合作用和水分利用效率[12,13]的有力措施之一。在金塔試驗地，光、熱條件非常充分，水分是影響胡楊生長的主要因子，而通過胡楊生長量變化(如胸徑、地徑等)可分析和評價不同處理方式對胡楊生長的影響。從表1可見，5-8月胡楊幼苗的成活率數據有所波動，短期內無明顯變化規律；5-8月胡楊幼苗生長相對較快，8月后其生長量變化趨于緩慢，胸徑增加量大小為EG1= EG3>EG2>EG4>CG>EG5，即除EG5外，其他處理較CG均有不同幅度的提高，其中EG1和EG3效果表現最好，較CG均提高50.0%。而新稍生長量增量大小為EG2>EG3>EG1>CG>EG5>EG4，其中EG2效果表現最好，EG2較CG提高32.6%；EG4與EG5較CG效果表現差。說明利用改性荒漠沙的透氣、防滲、防蒸發作用，通過鋪沙處理促進了幼苗的生長發育。EG2胸徑增量較EG1低，主要是因為塑料管雖起到滴灌時儲水的作用，但有時因塑料管內水分下滲速度過慢而外溢以及降雨難以收集，間接影響2種處理下生長量的差異；對于新稍生長量和胸徑，EG5

表1 不同鋪設處理下胡楊幼苗的生長狀況

2.2 頂部鋪沙和控灌對胡楊生長的影響

為了進一步證明頂部鋪沙對胡楊生長的有利影響，2019年我們對A區頂部鋪沙10 kg(EG1)和對照組(CG)樣區控灌(這里灌水量減少66.7%)，并將觀測樣本數量增加至20株，繼續跟蹤監測EG1試驗組苗木生長情況，在5月、7月、9月、10月共4個月觀測其地徑、胸徑、新稍生長量，如表2所示。從表2可知，頂部鋪沙處理后的胡楊幼苗在整個生長季，其胸徑和地徑，較對照組均呈現出大幅增加的趨勢，分別為46.74%和66.53%，尤其在 7-9月生長尤其迅速，地徑、胸徑和新稍生長量分別增加242.42%、303.57%和100.00%，地徑和胸徑增幅相對較大，2019年9月A區胡楊長勢如圖1(b)所示；而對照組生長緩慢，與這幾個月氣溫較高，迫使地表水分蒸發快，造成土壤缺水有關。結果顯示，對胡楊樹坑表面覆沙后，即使減少了灌水頻次，也能很好地促進胡楊幼苗的生長，說明了頂部鋪沙措施是可取的。

2.3 頂部鋪沙厚度和控灌對密胡楊幼苗生長的影響

從表3結果可知，在不控灌條件下，密胡楊的地徑增加量大小表現為EG1-1> EG2-1>CG >EG3-1，EG1-1和EG2-1較CG分別提高20.5%和10.6%；其胸徑增加量大小表現為EG3-1>EG1-1>CG>EG2-1，EG3-1和EG1-1較CG分別提高47.6%和40.6%，EG2-1降低16.6%，其中EG3-1處理后胸徑增幅較大，分析認為是由于2.5 kg的施用量較少，在實際施工時很難鋪設形成厚薄均勻的覆蓋層，當水分沿樹干下滲速度緩慢時，覆蓋層上部多余積水會沖破其最薄弱處快速下滲，使得土壤中保持較高的含水率，從而促進了幼苗的生長，但同時也會造成覆蓋層結構的局部破壞，然后形成蒸發通道，保水能力減弱?？傮w上，在幼苗栽植的第1年，為保證幼苗成活率，不控灌條件下的灌水次數較多，在此情況下，頂部鋪沙施用量的多少對幼苗生長發育無明顯貢獻，其有利作用在一定程度上被削弱。

表2 頂部鋪沙處理下胡楊幼苗的生長狀況

表3 頂部鋪沙處理和控灌條件下密胡楊幼苗的生長狀況

在控灌條件下，密胡楊地徑增加量大小表現為CG>EG1-2>EG2-2，EG1-2和EG2-2較CG分別降低8.9%和9.6%；其胸徑增加量大小表現為EG1-2>CG>EG2-2，EG1-2和EG2-2較CG分別提高9.1%和降低14.4%。分析認為，5 kg、7.5 kg施用量形成的沙覆蓋層[如圖2(c)所示]相對厚實均勻，當滴灌速度大于水分沿樹干下滲的速度時，造成多余水滯留樹坑后外溢而流失，導致土壤含水率保持在較低水平，反而為樹盤周圍其他植物提供了所需水分，使其生長旺盛[如圖2(d)所示]。此時，EG1-2和EG2-2處理下土壤含水率則會更低，但由于沙覆蓋層的防蒸發作用，土壤內部含水量與幼苗生長耗水量達到基本的動態平衡。因此，在幼苗栽植第2年，考慮頂部鋪沙厚度這一因素對于控灌節水才有顯著意義，這與在2.2中的討論結果一致。同時，在上述研究基礎上，考慮到鋪沙施工的可操作性、質量可靠性及經濟性，優先選擇頂部鋪沙5 kg的施用量，且在幼苗栽植第2年進行控灌，并控制滴灌速度。

圖2 金塔縣密胡楊造林示范工程

2.4 頂部鋪沙處理和控灌對土壤含水率的影響

土壤水分是胡楊、密胡楊幼苗生長發育的決定性因素。2019年在A區頂部鋪沙10 kg(EG1)和對照組(CG)樣區選取一定比例的觀測樣本，實行控灌(每月灌水1次)，然后在2019年6月9日(灌水7 d后)、7月22日(灌水14 d后)、8月20日(灌水14d后)、9月16日(灌水14 d后)4個時間節點對上述2種處理下胡楊林的土壤含水率進行了調查，得出土層不同深度處的水分分布狀況，如圖3所示。

從圖3可知：在40 cm以內的土層深度梯度內，無論是灌水7 d后還是14 d后，EG1的含水率始終大于CG的含水率，且土壤含水率隨深度基本呈增大趨勢[9]，這主要是由于距離地表和主根系越遠，水分散失就越少；在10 cm深處，6月2者含水率差異小是由于灌水后時間短，水分蒸發少，且由上到下濕度梯度小，垂向范圍內達到濕度平衡；7月2者含水率差異變大，是由于當地7月氣溫較高，不作任何處理的淺表層土壤水分受日照和當地大風氣候的影響而蒸發強烈，水分含量較低；在30 cm深處，7月份2者土壤含水率差異也較大，分析認為是因為沙覆蓋層的透氣性使土壤水分向上垂向傳遞，且此時隨著氣溫降低，胡楊生長變慢，植物蒸騰作用減弱，耗水量減少。8月、9月時，10、20、30 cm深處的水分差異相對趨于穩定，而40 cm深處含水率差異增大，這跟9月當地氣溫開始下降、根系呼吸作用減弱等因素有關。同時結合表2中反映的生長量，分析認為7月份2者土壤含水率的差異引起胡楊生長量的不同，說明鋪沙處理在控灌條件下具有蓄水保墑能力，降低了水分脅迫對胡楊持續生長帶來的影響，可見試驗區內頂部鋪沙處理在控灌條件下，土壤含水率變化的響應比較明顯，因此，在幼苗栽植的第2年，在鋪沙處理的基礎上可采取相應控灌措施，維持水分動態平衡，2者具有顯著的關聯性。

圖3 頂部鋪沙處理和控灌條件下胡楊土壤不同深度處的水分分布

圖4 7月份不同鋪沙厚度和控灌與密胡楊土壤含水率之間的關系

此外，我們在2019年6月、7月、8月、9月對B區6種處理(如表3所示)測定了其土壤含水率。下面以7月22日(灌水14 d后)測定的土壤含水率為例，分析頂部鋪沙厚度與控灌對土壤含水率的影響，如圖4所示。從圖4(a)可見，對于3種不同鋪沙厚度，即EG1-1、EG2-1、EG3-1，在不控灌條件下，在10～40 cm土壤深處3者的含水率較對照組CG并無增加趨勢且無明顯規律，然而在30 cm深處，含水率大小為CG> EG3-1> EG1-1> EG2-1，說明鋪沙厚度反而抑制土壤含水量的提高；從圖4(b)可見，對于相同的鋪沙厚度，EG2-1和EG2-2的土壤含水率變化較對照組CG，亦無增加趨勢且無明顯規律，說明在相同鋪沙厚度下土壤含水率變化對控灌的響應不明顯。因此，在幼苗栽植第1年，頂部鋪沙厚度和控灌對土壤含水率的變化具有交互影響，2者關聯性不明顯。

2.5 節水效益估算

以本實施項目為例，在第1年，1 hm2種植面積平均用水量為1 800～2 250 m3/a，從第2年開始，通過改性荒漠沙的應用和控灌措施，1 hm2每年可節省用水量約66.7%，同時節省部分水電費和人工費，相比常規種植模式，大約可節省30%～40%的費用，節省的費用相當造林綠化所需改性荒漠沙材料的大部分成本。

3 結 語

(1)在幼苗栽植第2年，頂部鋪沙處理和控灌，可大幅提高0～40 cm土層的土壤含水率，試驗組胸徑、地徑較對照組提高66.53%和46.74%，7月、8月、9月表現效果顯著；改性荒漠沙應用與控灌相結合時，優先選擇的頂部鋪沙施用量是5 kg/m2。

(2)改性荒漠沙在金塔縣胡楊造林中的應用效果比較明顯，有效提高灌溉水利用率；且材料本身環保無污染，在該地區的工程應用中具有良好的適用性和經濟性，有望在甘肅河西干旱荒漠區綠化造林節水灌溉時大面積推廣應用。

試驗研究雖總結得出了一些階段性成果，但因野外監測數據有限，未涉及不同土層的土壤鹽分[14-17]分布情況對胡楊生長發育的影響，不同鋪沙厚度與土壤水分蒸發之間的關系等內容，更重要的是，胡楊成林后極具旅游欣賞價值，應補充觀測各物候期(葉黃期，落葉期等)的開始、結束和持續時間差異及分析其物候特征和生態適應性[17]，這些都有待以后繼續深入探討。