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毛白杨人工林灌溉管理理论及高效地下滴灌关键技术研究

席本野  
【摘要】:我国木材资源对外依存高达30%以上,“十二五”期间预计木材缺口2亿m3,木材安全问题严重,大力发展杨树速生丰产林是解决该问题的重要措施之一。然而,目前我国杨树人工林生产力低于世界平均水平,水分管理等集约经营水平低是其核心原因之一。本文以我国华北地区主要用材树种三倍体毛白杨(triploid Populus tomentosa)为研究对象,对其用材林灌溉管理理论和高效地下滴灌关键技术进行系统研究,旨在提高其林地水分管理水平,进而大幅提高林地生产力,为缓解我国木材进口压力提供一定的理论和技术支撑。同时,本研究还将为其它杨树品种人工林的水分管理提供一定的借鉴和指导。本文的主要结果和结论如下: (1)采用地下滴灌技术(SDI),以距滴头10cm、地下20cm处的不同土壤水势(-25、-50、-75kPa)作为灌溉起始阈值对6、7年生毛白杨人工林进行灌溉。期间对林木树干液流和黎明前叶水势(ψpd)、土壤水势和含水率、气象因子及地下水位(GWL)等进行连续或定期监测。结果表明,与不灌溉(CK)相比,SDI使6、7年生林分生产力分别平均提高24%和28%,其中,-25kPa处理使6年生林分的生产力达到39.9m3·hm-2.a-1,较CK极显著提高44%(P0.01)。-25kPa处理的生产力在林分6年生时分别较-50和-75kPa处理提高20%和31%(P0.01),在7年生时分别提高13%和14%(P0.05)。每年5-7月为毛白杨生长高峰期,期间的累积胸径生长量平均占全年的84%;此外,该时期GWL较低。每年8-10月,毛白杨生长极慢,GWL大幅回升,即使无灌溉情况下土壤水分有效性也较高。能在毛白杨速生期内(4-7月)大幅提高土壤含水率(20和50cm处分别平均提高35%和27%)、树干日平均液流速率(46%)和ψpd(41%)是SDI促进林木生长的重要机制。 (2)以充分灌溉下(-25kPa处理)的6、7年生毛白杨人工林为研究对象,采用热扩散技术(TDP)、微型蒸渗仪和WinSCANOPY冠层分析仪分别对林分的林木蒸腾、棵间土壤蒸发和叶面积指数(LAI)进行连续监测。结果表明,6、7年生林分的日平均蒸腾量(Tr)、蒸发量(Es)、蒸散量(ETa)分别为2.37和2.49mm·d-1,0.77和0.87mm·d-1,3.12和3.33mm·d-1,其年总Tr、Es、ET.分别为422和493mm、134和167mm、556和660mm。林地ETa在生长初期和末期主要由Es组成,比例为30%-97%;在生长中期主要由Tr组成,比例为70%-93%。提前一周进行第一次灌溉使7年生林分在展叶初期的冠层发展速度和液流速率较6年生林分明显提高,且使4月份的累积Tr提高147%。林分在5-7月的累积Tr平均可占全年的68%。毛白杨林分的基础作物系数(Kcb)和作物系数(Kc)与LAI间的关系均可用负指数函数描述,其决定系数R2分别为0.834和0.627。林分Kcb和Kc在生长前期(25d)分别为0.02-0.96和0.40-1.27,在生长中期(135d)分别为0.96和1.27,在生长后期(45d)分别为0.96-0.4和1.27-1.26。因此,每年5-7月为毛白杨主要耗水时期,4-7月为其林地水分调控关键期;拟合的Kcb(LAI)和Kc(LAI)函数可用于根据毛白杨林分的实测LAI估算其Kcb和Kc;构建的Kcb和Kc曲线与常规气象数据结合,可用于估算与试验地气候相似地区水分供应充足的成熟毛白杨纯林的蒸腾量和蒸散量。 (3)在5年生毛白杨人工林中采用土柱法获取2106个根样,并在不同林龄(4、5、7年生)和栽植密度(1250、1404、2500株·ha-1)林分中采用挖掘法追踪林木根系伸展范围并原位获得1株平均标准木(5年生)的整个粗根系统。结果表明,5年生毛白杨林分中,细根水平分布均匀,但随距树距离增加细根分布变浅:细跟垂直剖面呈不常见的“S”型分布模式;近一半(44%)的细根隶属0.2-0.5mm径阶。毛白杨在0-20cm表土以中分布有密集(25%)的细根,且将近三分之一(28%)的细根分布在100cm以下的深土层。毛白杨的平均细根直径在120cm以下土层中明显变粗(P0.05)。毛白杨粗根的根长和生物量在水平向上分别主要分布在树干周围40和20cm区域,在垂向上分别主要集中在0-20和0-50cm的浅土层。毛白杨根幅可达冠幅的1.9倍:4、5和7年生林木根系的最大分布深度分别为2、2和2.7m。毛白杨1级侧根中,水平、斜生和垂直侧根的比例分别为79%、6%和15%。因此,5年生毛白杨人工林中已形成二态性根系系统;毛白杨的根系构型为具有垂直根的水平根型。 (4)在5年生毛白杨林分中于两株标准木周围布设试验小区,分别利用TDP、微型蒸渗仪和Trime-IPH对样树树干液流、土壤蒸发和土壤含水率动态进行连续4个月的监测,然后采用水量平衡法推导根系吸水剖面和吸水量。结果表明,在0-90cm土层山,0-20cm土层的根系吸水贡献率达到58%,意味着表层根系在浅土层(90cm)中起主要吸水作用。毛白杨平均蒸腾耗水的57%来自深土层(90cm)意味着深层根系对成熟毛白杨人工林的水分关系有显著贡献。表土层水分有效性增加时,根系吸水主要集中在表土层;降低时,深层根系的吸水贡献率会逐渐增加。土壤剖面水分条件异质性较高时,根系吸水主要集中在细根密度与水分有效性均较高的区域;土壤剖面水分分布均匀且不存在水分胁迫时,根系吸水分布与细根分布最为一致。因此,毛白杨根系吸水模式受细根分布影响,但会随土壤水分有效性分布的变化而变化。 (5)利用HYDRUS-1D和HYDRUS-2D/3D分别对自然降雨(NC)(CK处理)和SDI(-25kPa处理)下林地一维和二维土壤水分动态进行模拟,并用土壤水分实测数据进行验证,之后利用HYDRUS对连续两个生长季内SDI和NC下林地土壤水分有效性进行模拟。结果表明,HYDURS-1D模拟结果的均方根误差(RMSE)和相对平均绝对误差(RMAE)分别为0.004-0.060cm3.cm-3和0.7%-13.7%。HYDRUS-2D/3D的模拟结果,在不同土层的平均RMSE和RMAE分别为0.005-0.038cm3·cm-3和0.9%-9.7%;在滴头周围二维空间内的平均RMSE和RMAE分别为0.032cm3·cm-3和8.6%。SDI对土壤水分的影响主要局限于0-90cm土层。不同土层的土壤水分有效性(rθ)与林木生长间均有极显著相关关系(P0.001),但随深度的增加,rθ对林木生长差异的解释程度逐渐下降。当根区(0-150cm土层)的rθ高于90%时,林木生长不会受到抑制。土壤水分对毛白杨生长的作用程度与土壤中的碱解氮、有机质含量和细根组织氮浓度间存在正相关关系(P0.01),与细根平均直径间存在负相关关系(P0.05),与速效磷含量、细根根长密度和比根长间无相关关系(P0.05)。因此,HYDURS模型可很好地模拟NC(同漫灌)和SDI下毛白杨人工林的一维和二维土壤水分动态,并可帮助预测不同灌溉措施对毛白杨生长的影响;与NC处理相比,SDI促进林木生长的主要原因之一是其能大幅提高0-90土层的rθ;建立rθ与林木生长间的定量关系时,应考虑不同土层中rθ对林木生长影响的差异性。 (6)综上,在对与试验地环境相似地区的毛白杨人工林进行灌溉时:①可将距滴头10cm、地下20cm处的土壤水势达到-25kPa作为SDI的灌溉起始阈值;②利用本文构建的(基础)作物系数曲线和常规气象数据可估算生长季内林分的耗水量,从而帮助确定灌水量;③应于4-7月灌溉,8-10月可不灌溉;④应在对GWL定期监测的基础上制定灌溉制度;⑤灌溉水应主要供给并维持到0-40cm的浅土层,也应主要供给到树干周围1m区域内,以及土壤中碱解氮和有机质含量较高的区域;⑥可利用HYDRUS帮助制定灌溉管理策略;⑦若使整个根区的rθ保持在90%以上则林木生长不会受到抑制。 (7)本研究得出的结论均是基于成熟毛白杨人工林的,因此有一定局限性。下步应对毛白杨幼林开展类似研究以补允和优化本研究的结论,从而使其在毛白杨人工林的整个轮伐期内均适用。


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