黄土高原雨水集聚深层入渗技术试验研究——以山地苹果园为例

摘要

为有效解决黄土高原山地苹果生产干旱缺水与水肥营养供求不足难题，我们在延安山地果园实地调研中发现了一种肥水坑施技术，这种技术是对以往果园坑灌技术的发展，并取得了初步效果。但相关技术参数以及水分调控效果等诸多问题缺乏科学数据支撑，技术本身也不完善，技术应用前景以及技术如何应用推广等问题均没有答案。在考察分析研讨过程中，课题组成员均认为这种技术有深入研究之必要，很可能能够形成一种解决黄土高原果园干旱缺水与水肥营养供求不足，甚至还可缓解区域水土流失问题的一种雨水资源化的综合技术。
　　基于上述研究与思考，课题组提出了一种雨水集聚深层入渗技术(Rain Collectionand Infiltration Systems，RWCI)，具有蓄水、保水、保肥和水肥一体化等功能，有望同步缓解干旱缺水和水土流失两大难题，适于黄土高原山地果园雨水资源化的新技术。RWCI技术作为一种复合技术体系，包括雨水集聚技术、雨水深层引流技术、引流防渗漏技术和保水保肥技术四项技术要素，其特点是不直接通过地表，而是将雨水、灌溉水或肥液通过引流管直接作用于作物根区土壤以持续供应作物水、肥吸收利用的立体水肥一体微型灌溉系统。
　　本文依据雨水集聚深层入渗技术要素，设置3种设计深度(40 cm、60 cm和80 cm深)和2种防渗设计(有防渗层与无防渗层设计)，采用野外定位监测、调查取样与数理统计相结合的方法，以陕西延安市宝塔区河庄坪镇万庄村山地果园为研究对象，在全年不进行灌水(自然降雨)的情况下，以鱼鳞坑(CK)为对照，研究了该系统(RWCI)对黄土高原山地果园土壤水分的时空变化特征和对果树根系及产量因素的影响;并且以自然裸露坡地(Bare slope，BS)为对照，研究了黄土高原地区坡地果园RWCI系统对典型降雨的响应机制，对比分析了该技术的生态效应。初步得出如下主要研究结果:
　　(1)研究发现试验区鱼鳞坑(CK)处理条件下在果园60-80 cm土层内存在一个土壤含水率低值区，土壤水分的变化主要集中在0-80 cm土层，在该土层(0-80 cm)内土壤含水率总体呈直线下降的趋势。应用雨水深层集聚入渗技术后不仅可增加果树根际土壤水分含量，而且对改善果树土壤水分低值区(60-80 cm)水分环境有显著作用。
　　研究发现雨水深层集聚入渗技术(RWCI40、RWCI60和RWCI80)均对20-100 cm土层土壤水分影响较大。RWCI技术条件下，丰水年(2016年)土壤年均含水率相对于鱼鳞坑(CK)处理的增长率要显著(P＜0.05)高于枯水年(2015年)。有防渗层处理下，在20-100 cm土层内，2015年(枯水年)RWCI技术(RWCI40、RWCI60和RWCI80)下土壤年均含水率增加比率(相对于CK处理)分别为33.15％、37.40％和37.40％，2016年(丰水年)分别为45.22％、51.17％和51.17％。无防渗层处理下，RWCI技术(RWCI40、RWCI60和RWCI80)在2015年(枯水年)土壤年均含水率增加比率(相对于CK处理)分别为33.21％、45.99％和31.50％，2016年(丰水年)分别为47.22％、55.69％和44.64％。对比有防渗层与无防渗层对应设计深度RWCI系统土壤水分差异可以看出，设计深度越浅(RWCI40)有防渗层设计与无防渗层设计之间水分差异不明显(P＜0.05)，说明浅型RWCI系统底部没有铺设防渗层的必要;但是随着RWCI系统设计深度的增加(RWCI60)，有防渗层设计与无防渗层设计之间土壤水分差异逐渐增加;特别是在RWCI80处理(80cm深RWCI系统)下有防渗层设计年均土壤含水率显著(P＜0.05)高于无防渗层设计。
　　(2)雨水集聚入渗技术(RWCI)对缓解坡地果园水土流失，减少地表径流、增强土壤入渗也有明显的效果。研究发现，在典型暴雨(次降雨达80 mm，降雨量大，历时短)情景下，裸露坡地(BS)雨水入渗则发生在0-20 cm土层内(表层土壤)，产生这种现象的原因应该是该降雨量和降雨强度大、历时短，当雨水降到裸露坡地上在短时间内产生大量地表径流，雨水还未充分就地入渗就随地表径流而损失掉了。鱼鳞坑具有一定汇聚坡面径流的作用，因此布设鱼鳞坑(CK)措施的果园雨水入渗深度达到了40 cm。试验果园布设RWCI技术(RWCI40、RWCI60和RWCI80)后，各有防渗层RWCI技术下土壤雨水最大入渗深度分别达到了80 cm、120 cm和200 cm深度，并且在0-80 cm、0-100cm和0-180 cm土层内土壤水分在雨后受有防渗层RWCI技术的影响最大;各无防渗层RWCI技术雨水最大入渗深度分别为200 cm、220 cm和≥300 cm，并且在0-140 cm、0-160cm和0-180 cm土层内土壤水分在雨后受无防渗层RWCI技术的影响相对较大;对比有防渗层与无防渗层各RWCI技术典型降雨条件下的土壤水分状况，发现有防渗层与无防渗层设计之间的土壤水分变化差异主要集中在0-140 cm(RWCI40)、0-160 cm(RWCI60)和0-220 cm(RWCI80)土层内。
　　(3)雨水深层集聚入渗技术的应用促进了果树根系在深层土壤中的生长，显著改变了不同深度土层内果树根系的分布比例关系。研究发现，试验果园布设RWCI技术(RWCI40、RWCI60和RWCI80)后，有防渗层设计下果树根系在各土层(0-100 cm、100-200cm和200-300 cm)中的分布比例分别为，RWCI40:73.75％、12.89％和13.36％; RWCI60:66.88％、22.89％和10.23％; RWCI80:56.96％、18.41％和24.63％;无防渗层设计下果树根系的比例关系分别为，RWCI40:52.94％、27.70％和19.36％; RWCI60:51.76％、21.40％和26.86％; RWCI80:54.36％、24.13％和21.51％。研究还发现，各设计深度(40cm、60cm和80cm) RWCI技术对各土层0-0.1 mm根径范围内的细根生长影响较大，对根径较粗的根系影响不显著(P＜0.05)。同时，RWCI技术能够显著(P＜0.05)促进苹果单果重、单株果数和单株果实产量，并且对单株果数和产量的影响最为显著(P＜0.05)。各RWCI处理(RWCI40、RWCI60和RWCI80)单株苹果树实际产量分别较CK高出，有防渗层:59.2％、114.8％、40.51％;无防渗层:112.63％、84.91％％和12.86％。对比有防渗层与无防渗层设计:各有防渗层与无防渗层设计RWCI系统中有防渗层RWCI系统各深度设计下单果重总体要高于无防渗层设计RWCI系统;其中以有防渗层设计RWCI40和RWCI60系统单果重最大，单颗果重分别达到了245.50 g和232.12 g。从单棵果果数、单棵果树实际产量与单棵果树理论产量可以看出，有防渗层RWCI60系统下的各产量指标值达到最大。
　　(4)综合分析了(1)-(3)应用雨水深层集聚入渗技术后果园土壤水分和果树根系在土壤中的分布变化特征，初步确定了雨水集聚深层入渗技术在试验区应用的主要技术参数。RWCI系统的坑口设计规格为80cm×80cm，深度设计参数为40-80 cm(果树根系分布情况为主要设计依据);浅型RWCI系统底部(40 cm深)不用铺设防渗层，随着设计深度的增加(RWCI60和RWCI80)铺设防渗层的效果显著增强。
　　综合来看，RWCI技术的应用不仅消除了黄土高原山地果园土壤水分低值区、显著增加了果园土壤含水率、促进了果树根系在深层土壤中的分布和果树的产量;而且有效地实现了RWCI技术拦蓄径流、保持水土和水肥一体化的作用，对于黄土丘陵区果园经济效益和生态效益的同步提高具有显著的应用价值。研究中以有防渗层RWCI60处理的效果最好，然而该系统的推广应用还得大量的研究为其提供可靠的理论数据支撑。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景、目的与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 果林业节水灌溉技术研究进展

1．2．2 果园土壤水分特征研究进展

1．2．3 果树根系分布研究

1．2．4 黄土高原雨水资源化研究进展

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 研究方法与试验方案设计

2．1 试验区概况

2．2 试验区田间试验设计及工程布设

2．2．1 雨水集聚深层人渗技术概述

2．2．2 雨水集聚深层人渗技术田间试验方案

2．2．3 雨水集聚深层人渗技术田间工程设计

2．3 试验布置方案与测试项目

2．3．1 试验地气象因子监测

2．3．2 土壤水分测量点布设与水分测定

2．3．3 典型降雨条件下土壤水分的测定

2．3．4 对苹果树根系的测定

2．3．5 苹果树产量的测定

2．4 数据分析

第三章 RWCI系统下土壤水分时空分布特征

3．1 无防渗层RWCI技术土壤水分效应

3．1．1 土壤水分垂向变化特征

3．1．2 土壤水分的季节变化特征

3．1．3 土壤水分与土层深度间的相关关系

3．2 有防渗层RWCI技术土壤水分效应

3．2．1 土壤水分垂向变化特征

3．2．2 土壤水分的季节变化特征

3．2．3 土壤水分与土层深度问的相关关系

3．3 有防水层和无防渗层RWCI技术土壤水分效应比较

3．3．1 土壤水分垂直分布特征比较

3．3．2 全土层均值土壤水分季节动态变化比较

3．3．3 分土层均值土壤水分季节动态变化比较

3．4 小结

第四章 基于RWCI系统土壤水分对暴雨的响应特征

4．1 鱼鳞坑和裸露坡地土壤水分对典型降雨的响应特征

4．2 无防渗层设计RWCI技术土壤水分对降雨的响应特征

4．2．1 雨后土壤水分时空变化特征

4．2．2 雨后各土层土壤水分增加情况

4．2．3 雨后果园土壤平均含水率随时问变化

4．3 有防渗层RWCI系技术土壤水分对典型降雨的响应特征

4．3．1 雨后土壤水分时空变化特征

4．3．2 雨后各土层土壤水分增加情况

4．3．3 雨后果园土壤平均含水率随时问变化

4．4 有防渗层与无防渗层设计RWCI技术土壤水分对降雨响应特征对比

4．4．1 有防渗层与无防渗层设计土壤水分对降雨响应特征对比

4．4．2 雨后有防渗层与无防渗层设计土壤平均含水率状况对比

4．5 小结

第五章 RWCI技术对果树根系空间分布以及产量的影响

5．1 有防渗层RWCI技术下果树根系空间分布

5．1．1 果园各土层取样发生率

5．1．2 果树根系干质量密度分布特征

5．1．3 果园比根长垂直分布特征

5．1．4 果园根系根长、根表面积和根体积分布特征

5．2 无防渗层RWCI技术下果树根系空间分布

5．2．1 果园各土层取样发生率

5．2．2 果树根系干质量密度分布特征

5．2．3 果园比根长垂直分布的影响

5．2．4 果园根系根长、根表面积和根体积分布特征

5．3 有防渗层与无防渗层设计RWCI技术果树根系空间分布比较

5．3．1 果树根系干质量密度比较

5．3．2 果树根系比根长、根长密度比较

5．3．3 果树根系根长、根表面积和根体积比较

5．4 RWCI系统对黄土高原旱地果园苹果产量的影响

5．5 小结

第六章 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 有待深入研究的问题

参考文献

致谢

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