竖管地表滴灌技术参数对根区水热分布及梭梭幼苗生长动态的影响

《Agricultural Water Management》：Effects of technical parameters of vertical tube surface drip irrigation on water-heat distribution in the root zone and growth dynamics of Haloxylon ammodendron seedlings

　　

梭梭（*Haloxylon ammodendron*）是干旱荒漠区生态修复的先锋树种，但人工种植中因水热复合胁迫导致成活率低、生长缓慢。竖管地表滴灌（PSDI）被认为是提高幼苗成活与生长的关键技术，然而不同措施的综合比较及其在PSDI下的多因子耦合响应仍不清楚。本研究设计了四种灌溉保护措施：PSDI、非灌溉竖管保护（NIPP）、传统地表滴灌（TSDI）和非灌溉无保护（NINP）；考虑了三种管径（110、160、200?mm）、地上高度（15、20、25?cm）、埋深（10、15、20?cm）和灌水量（4、6、8?L）。通过两年田间试验，比较了不同措施下的土壤水热分布与幼苗成活率，并分析了梭梭生长动态和生物量变化特征。结果表明，PSDI在5–40?cm土层保水降温效果优于其他措施；幼苗成活率顺序为PSDI > NIPP > TSDI > NINP；PSDI显著提高了株高、茎粗、冠幅、新枝长度和数量及生物量；在PSDI下，110?mm管径、20?cm高度、15?cm埋深和8?L灌水量的组合最有利于幼苗生长。建立了梭梭生长指标和生物量的经验模型，精度较高（R² ≥ 0.671）。这些发现为优化固沙工程中的PSDI系统提供了理论和技术依据。

### 论文解读：竖管地表滴灌技术参数对梭梭根区水热分布及幼苗生长的影响

#### 研究背景与问题
干旱荒漠区频繁的风沙活动导致土地退化，植物固沙是防治风沙灾害的首选措施。梭梭（*Haloxylon ammodendron*）因其优良的生理特性、显著生态效益和经济价值，成为沙地植被恢复与重建的优选树种。然而，人工种植梭梭面临严峻的水热复合胁迫——土壤水分极度匮乏，夏季地表高温灼伤幼苗茎基，导致成活率低、生长缓慢。传统地表滴灌（TSDI）虽有一定节水效果，但灌溉水利用效率相对较低（≤50%），易诱导根系浅层分布；非灌溉竖管保护技术（NIPP）通过物理遮荫缓解高温，但无法根本解决土壤水分亏缺。为此，研究人员（Fan等，2021）整合竖管保护与地表滴灌系统，开发了竖管地表滴灌（PSDI）技术，兼具保水与调温功能。然而，现有研究多基于无植被情景的土壤入渗与蒸发试验或数值模拟，缺乏在梭梭造林工程中系统性田间验证，且对管径、地上高度、埋深和灌水量等多参数的协同效应认识不足。因此，本研究旨在：①比较四种灌溉保护措施（PSDI、NIPP、TSDI、NINP）下土壤水热的耦合特征；②明确不同措施对梭梭成活与生长的影响，遴选最优措施；③基于最优措施，系统分析技术参数及灌水量对生长的作用，实现精准优化；④构建生长指标与生物量的经验模型，为固沙工程提供理论和技术支撑。

#### 主要技术方法
研究人员于2023年5月至2025年5月在甘肃省武威市凉州区九墩镇腾格里沙漠边缘（102°44′E，38°08′N）开展两年田间试验。采用激光粒度分析仪（MS 2000）测定土壤颗粒组成（砂粒92.92%、粉粒4.62%、黏粒2.46%），环刀法测定土壤干容重（1.52?g/cm³）及田间持水量（0.230?cm³/cm³）。试验设置四种措施：PSDI、NIPP、TSDI、NINP，每措施下再组合三种管径（110、160、200?mm）、地上高度（15、20、25?cm）、埋深（10、15、20?cm）和灌水量（4、6、8?L），共81个处理，每处理3次重复。采用土壤温湿度传感器（STHS）连续监测5–40?cm土层水热变化；每30天测量株高、茎粗、冠幅、新枝长度和数量；在生长末期收获植株，测定地上与根生物量（鲜重和干重），并计算根冠比。数据分析使用Microsoft Excel 2020、SPSS 27.0（方差分析、相关性分析、多元回归），模型评价采用均方根误差（RMSE）和纳什效率系数（NSE）。

#### 研究结果

**3.1 不同灌溉保护措施下土壤水热耦合特征**
通过比较2023–2024年14:00的土壤温湿度月均值发现，四种措施下土壤水分随深度增加而增加，温度随深度增加而降低。同一深度、同一时段，水分含量顺序为PSDI > NIPP > TSDI > NINP，温度顺序相反（PSDI < NIPP < TSDI < NINP）。在梭梭关键生长期（6月5日–9月5日），PSDI在5–40?cm土层平均水分含量较NIPP、TSDI、NINP分别增加0.006、0.011、0.016?cm3/cm3，平均温度分别降低0.8、2.0、3.0?℃。其他时段也保持类似优势。

**3.2 不同灌溉保护措施对梭梭成活率及生长动态的影响**
- **3.2.1 成活率**：越冬后（2023年11月–2024年5月）成活率顺序为PSDI > NIPP > TSDI > NINP，最终PSDI成活率最高（88.9%，216株），NINP最低（28.4%）。
- **3.2.2 生长动态**：PSDI显著提高了株高、茎粗、冠幅、新枝长度和数量（P?- **3.2.3 生物量分配**：PSDI显著增加了地上与根生物量（P?
**3.3 竖管参数与灌水量对梭梭生长的影响（PSDI措施下）**
- **3.3.1 竖管参数**：固定灌水量下，随管径、埋深、地上高度增加，各生长指标先增后减。D2（160?mm）、H2（20?cm）、B2（15?cm）组合下生长指标最优，平均生长速率较其他参数显著提高。
- **3.3.2 灌水量**：固定竖管参数下，生长指标随灌水量增加而增加，W3（8?L）最优，但W2（6?L）与W3差异较小（增长量减少约5–16%）。
- **3.3.3 生物量分配**：管径、高度、埋深、灌水量均极显著影响生物量（P?
**3.4 综合分析**
- **3.4.1 相关性**：生长指标间及与生物量均呈显著正相关（P?- **3.4.2 影响因素分析**：方差分析表明，生长时间（T）、管径（D）、高度（H）、埋深（B）、灌水量（W）均极显著影响生长（F ≥ 11.504，P?- **3.4.3 生长指标经验模型**：以T、D、H、B、W为自变量，建立多元非线性回归模型，R2范围0.671–0.917。2024年验证显示RMSE平均0.493，NSE平均0.826，精度较高。
- **3.4.4 生物量经验模型**：建立地上/根生物量与竖管参数及灌水量的模型（R2 ≥ 0.827），以及基于地上生物量估算根生物量的模型（R2 ≥ 0.913）。2025年验证RMSE ≤ 0.081，NSE ≥ 0.727。

#### 讨论
PSDI通过竖管壁的遮荫和气流调控，抑制了土壤温度升高和蒸发损失，同时利用管壁空间导流使灌溉水垂直下渗并从底部扩散，形成类似地下滴灌的湿润模式，减少了地表湿润面积，从而在5–40?cm土层实现最优的保水降温效果。四种措施中，PSDI的成活率最高（88.9%），主要归因于越冬期竖管的保温作用和充足的水分供应。生长指标和生物量的提升源于PSDI优化了根区水热条件，缓解了干旱与高温的复合胁迫，促进了根系深扎和抗逆性。竖管参数存在最优范围：管径160?mm降温效果优于110?mm，但过大（200?mm）会导致阳光直接照射管内而失去保护效果；地上高度20?cm兼顾遮荫与经济性；埋深15?cm能平衡保水与根系生长。灌水量增加促进浅层水分积累，但8?L与6?L效果差异不大，需考虑水资源可持续性。经验模型验证显示RMSE接近0、NSE接近1，能有效预测不同参数下梭梭生长趋势和生物量。

#### 研究结论
两年田间试验结果表明：四种灌溉保护措施下，土壤水分随深度增加而增加，温度逐渐降低；PSDI在5–40?cm土层的保水降温效果优于NIPP、TSDI和NINP。在PSDI措施下，梭梭第一年成活率最高，达88.9%。在2023和2024年生长期，PSDI相比其他措施提高了梭梭各生长指标、地上与根生物量，同时降低了根冠比。随着管径（D）、地上高度（H）和埋深（B）的增加，梭梭生长指标和生物量先增后减，根冠比先减后增；随着灌水量（W）的增加，生长指标和生物量逐渐增加，根冠比持续下降。基于实测数据建立了梭梭生长指标和生物量的经验模型，R2范围为0.671–0.947，拟合精度较高。综合考虑梭梭成活率、生长表现及干旱荒漠区生态植被恢复的可持续发展，推荐最优灌溉保护措施为PSDI，对应最优灌溉技术参数组合为D = 160?mm、H = 20?cm、B = 15?cm、W = 8?L。