應(yīng)用巖棉材料提高丘陵區(qū)經(jīng)濟(jì)林土壤水分保蓄能力

顧佳悅，方 偉，高 競(jìng)，嚴(yán)淑嫻，馮歌林,劉彩霞，徐秋芳

(浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臨安 311300)

我國(guó)南方地區(qū)雖雨量充沛，但降雨呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，部分地區(qū)依然存在伏旱、秋冬旱等季節(jié)性干旱問(wèn)題，特別是平均海拔約為50～100 m的丘陵地區(qū)，地下水供給少，植物生長(zhǎng)主要依賴(lài)天然降水[1-3]。浙江省山多田少，在廣域的丘陵山地上種植著不同種類(lèi)的經(jīng)濟(jì)林(梨、板栗、銀杏和蘋(píng)果等)，種植面積達(dá)112.52萬(wàn)hm2，占全國(guó)經(jīng)濟(jì)林總面積的7.07%[4]，而普遍存在的季節(jié)性干旱問(wèn)題嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量，極大地制約了丘陵地區(qū)林業(yè)生產(chǎn)發(fā)展[5-6]，實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用已成為亟待解決的社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

目前在應(yīng)對(duì)干旱問(wèn)題方面，普遍使用的噴灌、管道輸水和蓄水池蓄水等節(jié)水技術(shù)在一定程度上可以改善區(qū)域缺水問(wèn)題[7-8]，但修建管道工程量大、經(jīng)濟(jì)成本高。因此，對(duì)于無(wú)灌溉的丘陵經(jīng)濟(jì)林地，通過(guò)合適的水分保蓄措施、最大限度地利用天然降水，是提高無(wú)灌溉丘陵山地商品經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)量和品質(zhì)的有效途徑之一[9]。保水材料的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代初，美國(guó)農(nóng)業(yè)部率先研制出適用于農(nóng)業(yè)的土壤保水劑[10]，隨后日本也研發(fā)出能夠應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的高吸水性樹(shù)脂型保水劑[11-12]，這類(lèi)保水劑具有優(yōu)異的吸水保水性能，能同時(shí)達(dá)到保肥和保土作用，但土壤鹽分和電解質(zhì)肥料施用會(huì)大幅降低保水劑吸水保水性能[13-15]，同時(shí)又因其普遍價(jià)格昂貴，應(yīng)用成本較高，因此需要尋求一種價(jià)格相對(duì)低廉、適于大面積推廣的保水材料。巖棉是一種多孔材料，保水能力強(qiáng)，如表面增施親水性黏結(jié)劑又可提高其吸水能力，最大吸水量能達(dá)到自身重量的數(shù)倍。土壤中埋設(shè)巖棉可充分吸收降水，類(lèi)似一個(gè)微型蓄水庫(kù)，在降雨季節(jié)吸收水分，之后緩慢釋放[16]。巖棉本身不吸持任何養(yǎng)分，但可通過(guò)水分固持水溶性肥料養(yǎng)分，并隨水分?jǐn)U散釋放至土壤中[17]，因此，巖棉材料兼具保水和保肥功能。當(dāng)前，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)方面主要應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)效益較高的設(shè)施園藝上，如巖棉作為無(wú)土栽培的載體基質(zhì)已在月季[18]、番茄[19]、冰菜[20]和黃瓜[21]等花卉蔬菜栽培上取得成功；而將巖棉作為水分保蓄材料應(yīng)用于丘陵區(qū)土壤水分保蓄方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究先通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究分析巖棉材料在不同質(zhì)地土壤中水分保蓄潛力及巖棉保蓄的水分在土壤中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)規(guī)律；然后進(jìn)一步結(jié)合野外林地試驗(yàn)，研究應(yīng)用巖棉材料對(duì)林地不同坡位土壤水分保蓄的影響，并以此為依據(jù)將巖棉水分保蓄技術(shù)應(yīng)用于山核桃林地，同時(shí)監(jiān)測(cè)種植在林地的油菜生長(zhǎng)指標(biāo)，研究巖棉在山核桃林地土壤中的水分保蓄效果和對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，為解決丘陵區(qū)季節(jié)性干旱提供一種新的保水技術(shù)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)林生產(chǎn)與生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試巖棉(施可達(dá)巖棉股份有限公司，安徽宣城)主要由83%的玄武巖、14%的高爐礦碴和3%的白云石在1580℃的高溫下進(jìn)行熔化成纖，容重一般在70～100 kg·m-3，pH值為7～8，纖維直徑≤50 μm，樹(shù)脂含量為1.8%，孔隙度>95%，不含重金屬，其主要化學(xué)成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3和Fe2O3。加工過(guò)程中添加了親水性黏結(jié)劑，使其具有良好的親水性。

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 巖棉吸水特性試驗(yàn)及增水潛力估算 為研究吸水飽和的巖棉對(duì)不同質(zhì)地土壤最大容積有效水的增加潛力，通過(guò)測(cè)定巖棉最大吸水量來(lái)估算巖棉材料在不同質(zhì)地土壤中的最大增水潛力。參考張標(biāo)富[16]的方法，裁取長(zhǎng)11.5 cm、寬10 cm、高10 cm、質(zhì)量為66.9 g的干燥巖棉塊，將其浸沒(méi)于蒸餾水中，與水箱四周壁面均無(wú)接觸，待巖棉塊充分吸水后取出，瀝除擦去表面浮水，立即稱(chēng)重并記錄質(zhì)量。將等體積巖棉和土壤最大有效容積含水量的差值作為巖棉在土壤中的增水量，即為施用巖棉后土壤增加的有效容積含水量。

巖棉最大容積持水量用下面的公式計(jì)算：

w1=(m2-m1)/ρv×100%

式中,w1為巖棉最大容積持水量(%)，m2為巖棉吸水飽和后的質(zhì)量(g)，m1為干燥巖棉的質(zhì)量(g)，ρ為標(biāo)況下水的密度(g· cm-3)，v為巖棉體積(cm3)。

巖棉最大有效容積持水量用下面的公式計(jì)算：

w2=w1×(1-10%)

式中,w2為巖棉最大有效容積持水量(%)，10%為巖棉水分無(wú)法被植物利用的百分比[22]。

1.2.2 巖棉水分?jǐn)U散室內(nèi)模擬試驗(yàn) 通過(guò)設(shè)計(jì)巖棉水分?jǐn)U散室內(nèi)模擬試驗(yàn)來(lái)研究巖棉吸持的水分在風(fēng)干土壤中的擴(kuò)散規(guī)律。2019年3月5日至18日在浙江農(nóng)林大學(xué)溫室陽(yáng)光大棚內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，裁取長(zhǎng)30 cm、寬10 cm、高10 cm的巖棉試件，充分吸水并去除表面浮水，放置于長(zhǎng)30 cm、寬30 cm、高30 cm的方形亞克力箱子底部角落，與箱底、箱隔貼合，填入過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土(中壤土，容重1.32 g·cm-3)，箱內(nèi)土壤的總高度約25 cm，水分測(cè)量探針為T(mén)ZS-2X-G多參數(shù)水分記錄儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，浙江杭州)，分別埋設(shè)于離巖棉上側(cè)表面垂直方向和右側(cè)表面水平方向5、10 cm處，選取每天水分集中擴(kuò)散時(shí)間段的開(kāi)始時(shí)刻(10∶00)和結(jié)束時(shí)刻(16∶00)測(cè)定土壤含水量，共3次重復(fù)。

水分?jǐn)U散速率用下面的公式計(jì)算：

θ=(U2-U1)/t

式中，θ為水分?jǐn)U散速率(%·d-1)，U1表示同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)前一天測(cè)定土壤含水量(%)，U2表示同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)后一天測(cè)定土壤含水量(%)，t表示前后兩天測(cè)定的時(shí)間差(d)。

1.3 野外試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 研究區(qū)概況 林地試驗(yàn)分別于2018年2月至5月和2018年8月至2019年3月在浙江農(nóng)林大學(xué)紅豆杉試驗(yàn)地和臨安大明山山核桃林試驗(yàn)地進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)均位于浙江省杭州市臨安區(qū)(30°14′N(xiāo)，119°42′E)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量1 613.9 mm，年平均氣溫16.4℃，光照充足，年平均日照時(shí)數(shù)1 847.3 h，境內(nèi)主要以丘陵山地為主，季節(jié)性干旱主要包括秋旱、伏旱等。

1.3.2 紅豆杉自然林不同坡位巖棉保水試驗(yàn) 為探究巖棉在不同坡位土壤中的水分保蓄效果，選取浙江農(nóng)林大學(xué)2016年新造紅豆杉幼林試驗(yàn)樣地，面積為10 m×20 m，坡度約為20°，紅豆杉種植密度為3 000株· hm-2，行間間隔2 m。土壤質(zhì)地為粉黏土，pH為 4.78，有機(jī)質(zhì)為12.03 g· kg-1，堿解氮為80.35 mg· kg-1，速效磷為1.57 mg· kg-1，速效鉀為158.61 mg· kg-1。紅豆杉幼林地不施肥，土壤水分主要依靠天然降水。

在2018年11月選擇林地上坡、中坡、下坡等3個(gè)不同位置埋設(shè)巖棉，并在平行于各坡位的位置設(shè)置無(wú)巖棉對(duì)照CK1、CK2和CK3，同時(shí)布設(shè)水分測(cè)量探針(TDR)，通過(guò)時(shí)域反射原位測(cè)定土壤水分技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分動(dòng)態(tài)，試驗(yàn)地巖棉、TDR布設(shè)圖如圖1。在植株行間開(kāi)挖長(zhǎng)130 cm、寬25 cm、高25 cm的溝渠，埋入長(zhǎng)120 cm、寬15 cm、高15 cm巖棉條，溝與巖棉空隙之間填土，最后覆土10 cm；水分測(cè)量探針?lè)謩e埋設(shè)于距巖棉水平方向側(cè)面5 cm處和10 cm處的植物根附近，對(duì)照組水分測(cè)量探針埋設(shè)坡位和深度與巖棉地處理相同；試驗(yàn)地內(nèi)處理器4臺(tái)，用于數(shù)據(jù)收集與傳輸，水分測(cè)量探針共27個(gè)，探針埋設(shè)深度均在地表下方10 cm左右，每6 h自動(dòng)測(cè)定土壤含水量，取日平均值作為當(dāng)日土壤含水量。水分測(cè)量設(shè)備調(diào)試完畢后于2018年2—5月進(jìn)行紅豆杉自然林土壤巖棉水分保蓄試驗(yàn)。

圖1 紅豆杉林地巖棉、水分測(cè)量探針布設(shè)圖Fig.1 The layout of rock wool and water probe in Taxus chinensis forest

1.3.3 野外山核桃經(jīng)濟(jì)林土壤巖棉保水試驗(yàn) 為驗(yàn)證巖棉在野外經(jīng)濟(jì)林土壤中保蓄水分的效果，在2018年8月開(kāi)展山核桃經(jīng)濟(jì)林巖棉水分保蓄試驗(yàn)。該試驗(yàn)地位于臨安大明山山核桃林地，坡度約30°，土壤質(zhì)地為粉壤土，土層厚度30 cm，pH為4.52，有機(jī)質(zhì)為25.18 g· kg-1，堿解氮為179.43 mg· kg-1，速效磷為19.67 mg· kg-1，速效鉀為239.83 mg· kg-1，植株密度約600株·hm-2，每年5月施復(fù)合肥150 kg·hm-2(每50 kg肥料N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%，總養(yǎng)分含量≥45%)，定期除草。

2018年8月，在山核桃樹(shù)前方20 cm處挖溝埋設(shè)長(zhǎng)120 cm、寬15 cm、高15 cm的巖棉條，共計(jì)100條。山核桃樹(shù)生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，為直觀驗(yàn)證巖棉保蓄水分對(duì)野外經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)的影響，9月份在整片林地隨機(jī)均勻撒播油菜籽。2018年10月14日(久旱后，前期連續(xù)20d未降雨)和 2019年3月30日(雨后第一天)隨機(jī)采集同一片林地相同坡位巖棉地(距巖棉5～10 cm處)和無(wú)巖棉地的0～20 cm表層土壤，采用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量，同時(shí)監(jiān)測(cè)油菜苗期、開(kāi)花期形態(tài)生長(zhǎng)情況及測(cè)定巖棉水分影響寬度范圍，以此評(píng)價(jià)巖棉對(duì)山核桃林地土壤水分保蓄效果。

1.3.4 土壤取樣及土壤理化性質(zhì)測(cè)定

(1)取樣方法。隨機(jī)采取試驗(yàn)地不同坡位3個(gè)重復(fù)土樣，取0～20 cm土壤土層用于土壤物化指標(biāo)分析，各重復(fù)土樣混合均勻，四分法取樣，所取土壤樣品剔除肉眼可見(jiàn)的植物殘?bào)w及石塊，過(guò)2 mm篩備用。

(2)土壤水分測(cè)定方法。本研究土壤水分測(cè)定方法主要有烘干法[23]和TDR200時(shí)域反射原位測(cè)定土壤水分技術(shù)。TDR技術(shù)是利用不同介質(zhì)中電磁波傳播速度的不同來(lái)間接測(cè)定土壤含水量。與傳統(tǒng)烘干法相比較，該方法可原位測(cè)定土壤水分，操作簡(jiǎn)單快捷，受環(huán)境干擾小，適用性廣[24-25]。室內(nèi)巖棉水分?jǐn)U散試驗(yàn)、紅豆杉自然林保水試驗(yàn)和山核桃林保水試驗(yàn)分別利用托普云農(nóng)TZS-2X-G多參數(shù)水分記錄儀(測(cè)定原理同TDR)、TDR200水分測(cè)定儀和烘干法測(cè)定土壤含水量。

(3)土壤物理化學(xué)指標(biāo)。基礎(chǔ)土壤物理化學(xué)指標(biāo)均用常規(guī)方法測(cè)定[23]，測(cè)定指標(biāo)包括土壤質(zhì)地(比重計(jì)法)，土壤容重(環(huán)刀法)，pH(電位法)，堿解氮(堿解擴(kuò)散法)，有效磷(鹽酸-氟化銨法)，速效鉀(乙酸銨提取-火焰光度計(jì)法)，有機(jī)質(zhì)含量(高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法)。

1.3.5 山核桃林油菜形態(tài)生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定方法 株高用卷尺測(cè)定植株地上根部距土表2 cm處到主莖頂部的高度；地莖用游標(biāo)卡尺測(cè)定垂直距離土表2 mm處的植株橫徑；葉面積為每株選取頂部向下第3葉測(cè)定長(zhǎng)、寬最大值的乘積；單株鮮重：小心挖松油菜根部土壤，輕取植株，洗凈吸干水分，用百分之一電子秤稱(chēng)重。以上均重復(fù)測(cè)定3次取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2007進(jìn)行初步數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)IBM SPSS Statistics 22.0中Duncan's法進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯著性分析(顯著水平取0.05)，并用Origin Pro 8.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 巖棉吸水特性及增水潛力分析

通過(guò)室內(nèi)巖棉吸水試驗(yàn)測(cè)定，充分吸水后的巖棉塊質(zhì)量為810.3 g，從而得到巖棉的最大吸水量為743.4 g和最大容積持水量64.64%。以巖棉的最大有效容積持水量(58.18%)為依據(jù)來(lái)分析巖棉應(yīng)用于不同質(zhì)地土壤的最大有效容積含水量的增加潛力。選取松砂土、砂壤土、中壤土和輕黏土等4種典型質(zhì)地土壤，根據(jù)《土壤學(xué)》[26]得到4種質(zhì)地土壤的容重和有效水范圍(表1)，如將巖棉埋入不同質(zhì)地土壤，最大有效容積含水量增加值依次為松砂土>砂壤土>輕黏土>中壤土，增水潛力最大的松砂土增量達(dá)54.02%，最低的中壤土增量也達(dá)41.41%。

表1 不同質(zhì)地土壤使用巖棉的有效水潛在增加效果

2.2 巖棉水分?jǐn)U散室內(nèi)模擬試驗(yàn)

巖棉在土壤中吸水后形成微型水庫(kù)，隨水勢(shì)梯度向周?chē)寥罃U(kuò)散。連續(xù)14 d監(jiān)測(cè)水飽和巖棉在風(fēng)干土壤中垂直和水平2個(gè)方向的擴(kuò)散情況(圖2A、2B)發(fā)現(xiàn)，在垂直和水平兩個(gè)方向距離巖棉5 cm和10 cm的位置，巖棉中的水分最終都能在土壤中達(dá)到穩(wěn)定擴(kuò)散。垂直方向距巖棉5 cm和10 cm處水分?jǐn)U散達(dá)到穩(wěn)定后土壤最高含水量分別為27.89%和13.13%，水平方向距巖棉5 cm和10 cm處水分?jǐn)U散達(dá)到穩(wěn)定后土壤最高含水量分別為20.67%和13.00%。同時(shí)，距巖棉5 cm處垂直及水平方向的監(jiān)測(cè)位點(diǎn)(圖2C)，土壤含水量從開(kāi)始至第2天呈線性升高趨勢(shì)，土壤含水量增長(zhǎng)速率分別為8.28%·d-1和7.62%·d-1；第2天至第4天土壤含水量增長(zhǎng)速率分別為6.78%·d-1和2.01%·d-1，第4天以后基本達(dá)到穩(wěn)定水平，穩(wěn)定時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)(約10 d)。距巖棉10 cm處垂直及水平方向的監(jiān)測(cè)位點(diǎn)(圖2D)，垂直方向土壤含水量從第1天開(kāi)始增加，始終高于水平方向，土壤含水量穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間約為6 d，水平方向巖棉吸收的水分在前5 d未擴(kuò)散到達(dá)，直到第6天土壤含水量開(kāi)始隨時(shí)間增加，第9天達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間較短(約4 d)。

圖2 水飽和巖棉水分在土壤中擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of water diffusion from water absorbing saturated rock wool

2.3 巖棉對(duì)林地不同坡位土壤水分保蓄效果的影響

在2018年2—5月，比較紅豆杉自然林不同坡位處巖棉附近、巖棉地植物根附近和無(wú)巖棉地土壤含水量發(fā)現(xiàn)，連續(xù)晴天無(wú)雨期間上、下坡位土壤含水量總體表現(xiàn)為巖棉附近>巖棉地植物根附近>無(wú)巖棉地(圖3、4、5)，其中2018年5月9—17日無(wú)降雨期間，上坡和下坡的巖棉附近土壤含水量比對(duì)照組分別高出3%～5%和3%～9%(圖3)，上坡和下坡植物根附近含水量也比對(duì)照組分別高出1%～4%和3%～7%(圖4)，而中坡則沒(méi)有表現(xiàn)出上述規(guī)律，這可能與樣地中坡地勢(shì)較平緩有關(guān)。比較同一坡位巖棉附近與植物根附近土壤含水量發(fā)現(xiàn)，降雨期間兩者土壤含水量接近(如3月19日、4月5日、4月22日和5月15日等)，但連續(xù)晴天無(wú)雨時(shí)巖棉附近土壤含水量高出植物根附近1%～4%(圖5)，這可能與植物根附近水分較容易被植物根吸收利用有關(guān)。本研究中，土壤含水量受降水影響波動(dòng)明顯，3個(gè)坡位最高土壤含水量一般出現(xiàn)在降水次日，主要是土壤對(duì)降水吸收及水分遷移存在滯后反應(yīng)。同時(shí)，土壤含水量隨著降雨量的增加而增加，但各坡位土壤含水量并沒(méi)有超出其他時(shí)間段的最大含水量(如4月22日降雨量達(dá)到54.4 mm)。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，3個(gè)月內(nèi)土壤飽和容積含水量隨時(shí)間增加略有減小。以上結(jié)果說(shuō)明，在不同坡位的土壤中，巖棉均可保蓄降雨輸入土壤的過(guò)剩水分，并在無(wú)雨時(shí)持續(xù)補(bǔ)給植物根系，為植物生長(zhǎng)提供更多的水分。

圖5 同一坡位巖棉附近與植物根附近土壤水分動(dòng)態(tài)Fig.5 Soil moisture dynamics near rock wool and plant roots at the same slope position

圖4 各坡位巖棉地植物根附近及對(duì)照土壤水分動(dòng)態(tài)Fig.4 Soil moisture dynamics near plant roots in rock wool land and control of different slope positions

圖3 各坡位巖棉附近及對(duì)照土壤水分動(dòng)態(tài)Fig.3 Soil moisture dynamics near rock wool and control of different slope positions

2.4 巖棉對(duì)山核桃林土壤水分保蓄效果的影響

自2018年8月進(jìn)行山核桃經(jīng)濟(jì)林土壤巖棉水分保蓄試驗(yàn)，以土壤含水量和油菜生長(zhǎng)情況為依據(jù)，研究巖棉對(duì)山核桃林土壤水分保蓄的影響。分別在久旱后和雨后測(cè)定巖棉附近和無(wú)巖棉土壤含水量，結(jié)果表明，山核桃林地巖棉附近土壤質(zhì)量含水量均顯著高于無(wú)巖棉地(圖6)(P<0.05)，其中久旱后和雨后巖棉附近土壤含水量分別比無(wú)巖棉地提高了29.20% 和23.39%。由圖7油菜生長(zhǎng)指標(biāo)表明：巖棉處理的林地油菜長(zhǎng)勢(shì)良好，與無(wú)巖棉地相比，植株地莖、株高、單株鮮重和葉面積均顯著高于無(wú)巖棉地(P<0.05)，分別增加了58.63%、62.85%、65.66%和44.51%；巖棉地油菜生長(zhǎng)分布寬度為80 cm(以土表上方10 cm高的為基準(zhǔn))，巖棉條寬度為15 cm，巖棉保水效果影響植株生長(zhǎng)的寬度范圍是其自身寬度的5倍。

圖7 巖棉和無(wú)巖棉地油菜開(kāi)花期地莖、株高、單株鮮重和葉面積對(duì)比圖Fig.7 Comparison of plant stem diameter, plant height, fresh weight of single plant and leaf area in the anthesis stage between with and without rock wool

圖6 久旱后、雨后山核桃林地巖棉與無(wú)巖棉地 土壤含水量比較Fig.6 Comparison of soil water content between rock wool and non-rock wool in Carya cathayensis forest in different periods after long drought and rain

3 討 論

3.1 巖棉對(duì)不同質(zhì)地土壤水分保蓄能力

土壤質(zhì)地顯著影響土壤有效水含量[27]，不同質(zhì)地土壤由于其不同顆粒機(jī)械組成、土壤孔隙度等差異較大，從而影響水分在土壤中的擴(kuò)散和保蓄能力[28]。本研究通過(guò)室內(nèi)吸水試驗(yàn)得到巖棉最大容積持水量為64.64%，進(jìn)一步估算巖棉埋入不同質(zhì)地土壤后土壤有效水含量的增加潛力發(fā)現(xiàn)，巖棉埋入松砂土、砂壤土、中壤土和輕粘土等4種典型質(zhì)地土壤中有效水含量均有不同程度的增加，說(shuō)明埋入巖棉提高土壤水分保蓄能力的技術(shù)對(duì)不同質(zhì)地土壤均有效，體現(xiàn)了巖棉埋入對(duì)土壤有效水含量的提高具有普適性意義。對(duì)不同質(zhì)地土壤施用巖棉后的土壤容積有效水含量的增加量進(jìn)行比較，以偏砂質(zhì)土壤的增水潛力最優(yōu)，這與田丹等[29]在研究生物炭對(duì)不同質(zhì)地土壤水分?jǐn)U散影響的結(jié)果一致，砂質(zhì)土壤或者質(zhì)地較粗的林地土壤孔隙較大，保水保肥能力差，與其他質(zhì)地土壤相比，保水材料的施入對(duì)提高其持水性能效果更佳。

3.2 室內(nèi)模擬巖棉保蓄水分在土壤中的擴(kuò)散規(guī)律

已有研究表明，在土壤中添加保水劑不僅可以提高土壤保水能力，同時(shí)會(huì)影響水分在土壤中的擴(kuò)散過(guò)程[30]。本研究中，垂直及水平方向距巖棉5 cm的監(jiān)測(cè)點(diǎn)巖棉水分在開(kāi)始至第2天垂直和水平方向土壤含水量增長(zhǎng)速率接近，可認(rèn)為是等速擴(kuò)散階段；第2天至第4天垂直擴(kuò)散速度(6.777%·d-1)大于水平擴(kuò)散速度(2.013%·d-1)，為非等速擴(kuò)散階段；隨著巖棉內(nèi)部水分的充分釋放，土壤水分逐步均勻化，最后達(dá)到穩(wěn)定水平，這與朱德蘭[31]等研究結(jié)果一致，他們認(rèn)為水分在土壤中的擴(kuò)散主要經(jīng)歷3個(gè)階段：第一階段為等速擴(kuò)散階段，在該階段水分運(yùn)移由土壤水吸力、熱運(yùn)動(dòng)和重力3種力驅(qū)動(dòng)，其中土壤水吸力起主要作用，而水平和垂直方向上土壤水吸力基本相同，因此水分水平和垂直方向擴(kuò)散速度基本相同；第二階段為非等速階段，土壤水吸力隨土壤含水量的增大而逐漸減小，此時(shí)熱運(yùn)動(dòng)和重力起主要作用，水分垂直擴(kuò)散速度大于水平擴(kuò)散速度；第三階段受熱運(yùn)動(dòng)和土壤顆粒結(jié)合力作用，土壤水分逐步均勻化，最后達(dá)到穩(wěn)定水平。本研究發(fā)現(xiàn)，巖棉水分在向上垂直和水平兩個(gè)方向均有擴(kuò)散能力，且均能實(shí)現(xiàn)水分的穩(wěn)定供應(yīng)。相同水分?jǐn)U散方向距巖棉5 cm處的土壤含水量高于距巖棉10 cm方向，這與薛萬(wàn)來(lái)等[32]研究微潤(rùn)帶附近土壤水分動(dòng)態(tài)結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)以微潤(rùn)帶為中心土壤含水量向管帶四周逐漸降低，這說(shuō)明在實(shí)際應(yīng)用中巖棉埋設(shè)位置距離根系不宜太遠(yuǎn)。

3.3 巖棉對(duì)林地不同坡位土壤水分保蓄的影響

本研究中紅豆杉林地上、下坡位巖棉附近和巖棉地植物根附近的土壤含水量均高于無(wú)巖棉處理，表明巖棉對(duì)野外不同坡位土壤均能夠充分發(fā)揮保蓄水分的作用。下坡巖棉附近和巖棉地植物根附近土壤含水量的增幅較上坡大，可能原因在于下坡不僅能夠保蓄天然降水，同時(shí)對(duì)上坡通過(guò)地表徑流到達(dá)下坡的過(guò)剩水也有保蓄作用，因此下坡土壤含水量增幅較大，這說(shuō)明巖棉埋入對(duì)坡下部土壤的水分保蓄效果更好。在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，林地土壤飽和容積含水量隨時(shí)間略有下降，可能原因是：第一，新墾坡地土壤顆?？紫遁^大，隨時(shí)間變化土壤細(xì)微顆粒填充了土壤中的大孔隙，導(dǎo)致土壤孔隙數(shù)目減少，從而降低了土壤飽和容積含水量；第二，土壤細(xì)微顆粒填充了巖棉孔隙，導(dǎo)致孔隙度下降，本研究所用巖棉材料孔隙度達(dá)95%以上，隨埋藏時(shí)間的增加巖棉孔隙逐漸被土壤細(xì)微顆粒填充而降低了水分保蓄能力，進(jìn)而降低了土壤飽和容積含水量。強(qiáng)降雨天氣易造成坡地土壤水土流失[33]，巖棉的應(yīng)用不僅能夠提高丘陵地不同坡位土壤水分保蓄能力，同時(shí)通過(guò)水分保蓄過(guò)程，土壤中部分水溶性養(yǎng)分也進(jìn)一步得到固持，這為丘陵坡地種植植物的生長(zhǎng)提供了更多的水肥資源。

3.4 巖棉對(duì)山核桃林土壤水分保蓄的影響

在經(jīng)營(yíng)措施相同的情況下，土壤水分是影響山核桃林地油菜生長(zhǎng)的主要因素。本研究中巖棉處理不僅提高了山核桃林地土壤含水量，并且在巖棉地種植的油菜株高、地莖及單株鮮重均顯著高于對(duì)照樣地種植的油菜，在其他生境條件類(lèi)似的情況下，通過(guò)油菜生長(zhǎng)方面的差異也體現(xiàn)了巖棉對(duì)山核桃林地土壤水分保蓄能力的提升，說(shuō)明在丘陵區(qū)山核桃經(jīng)濟(jì)林土壤中埋入巖棉材料能夠有效提升土壤有效水含量。通過(guò)對(duì)天然降雨的有效截獲以及在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)雨期水分的緩慢釋放，能夠提供更多的水分來(lái)供應(yīng)林地植物生長(zhǎng)，有效緩解了丘陵區(qū)山核桃林地季節(jié)性干旱的問(wèn)題，對(duì)于保障山核桃果實(shí)的產(chǎn)量與質(zhì)量以及山核桃林地可持續(xù)發(fā)展有積極意義。因此，盡管目前依然存在著在野外林地埋藏巖棉工作相對(duì)不易開(kāi)展等問(wèn)題，但是巖棉提高土壤水分保蓄技術(shù)依然值得在丘陵區(qū)經(jīng)濟(jì)林作物栽培領(lǐng)域進(jìn)行大面積推廣。

4 結(jié)論與展望

本研究所用巖棉材料最大容積持水量為64.64%，保水蓄水能力較強(qiáng)，且理論上對(duì)提高不同質(zhì)地土壤的水分保蓄能力均有效果。吸水飽和的巖棉材料能夠?qū)⒈Ｐ畹乃钟行U(kuò)散到周?chē)?0 cm左右土壤范圍內(nèi)，且能實(shí)現(xiàn)水分的穩(wěn)定供給，垂直和水平方向最高土壤含水量距巖棉5 cm處高于10 cm處，建議實(shí)際應(yīng)用中巖棉埋設(shè)位置宜在距離植物根系10 cm范圍內(nèi)。針對(duì)丘陵區(qū)土壤保蓄水分能力差的問(wèn)題，巖棉保蓄土壤水分技術(shù)有較好的應(yīng)用效果。晴天無(wú)雨時(shí)，紅豆杉林地上、下坡土壤含水量巖棉附近最高，巖棉地植物根附近次之，無(wú)巖棉地(對(duì)照)最低；山核桃林地久旱后和雨后土壤含水量巖棉地顯著高于無(wú)巖棉地；巖棉地種植的油菜株高、地莖及單株鮮重均顯著高于對(duì)照樣地種植的油菜。巖棉材料能夠有效地蓄積天然降水且持續(xù)供應(yīng)給植物利用，從而緩解季節(jié)性干旱對(duì)經(jīng)濟(jì)林生產(chǎn)的影響，提高經(jīng)濟(jì)林收益并促進(jìn)林業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。

由于巖棉材料在提高丘陵山地經(jīng)濟(jì)林土壤水分保蓄能力方面的研究還處于探索性階段，在實(shí)際應(yīng)用中還需根據(jù)不同作物根系分布情況設(shè)置巖棉埋設(shè)深度和巖棉埋設(shè)的用量，結(jié)合不同質(zhì)地土壤自身物理特性嘗試改變巖棉的分散狀態(tài)，比如對(duì)于粘性較高的土壤可以考慮應(yīng)用顆粒狀巖棉，同時(shí)起到降低土壤粘度和保蓄水分的作用。同時(shí)，還需進(jìn)一步研究巖棉反復(fù)吸水的能力和使用壽命等問(wèn)題，完善巖棉在農(nóng)林業(yè)應(yīng)用方面的理論實(shí)踐體系，以期在生產(chǎn)實(shí)踐中更充分發(fā)揮巖棉對(duì)提高土壤保蓄水分的能力。