水蚀风蚀交错区典型植被土壤水分消耗和补充深度对比研究

2014-09-19彭小平米美霞

生态学报 2014年23期

高宇，樊军，彭小平，王力，米美霞

(西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100)

土壤水分是黄土区植被恢复的主要限制因子[1- 2]，因此土壤水分状况与植被生长的相互作用研究一直深受重视[3- 4]。多年生人工植被大量消耗土壤水分，而降水的补给深度和补给量有限，结果在多年生人工林草地出现土壤旱化现象[5]。20世纪80年代以来，黄土高原地区人工林草地普遍出现土壤干层，已发现土壤干层深达8—10 m，土壤水分补充深度常不及消耗深度是造成干层不断加深加剧的重要原因[6- 7]。土壤出现干层后，会导致植被生长减缓甚至衰退[8- 9]。在黄土高原南部，苜蓿(Medicagosativa)草地年蒸散量大于年降水量，根系吸水层达10 m以下，多年连续种植会导致土壤形成生物性下伏干层，从而对陆地水分循环路径发生影响[10]。在黄土高原西部半干旱梁状丘陵区，柠条(Caraganakorshinskii)地土壤水分最大入渗深度为1.70—2.7 m，丰水年土壤补给量剧增，但柠条林依然生长不良，储存在土壤中的水分只能等到下一年才能被植物吸收利用[11]。程积民等对黄土丘陵区半干旱区本氏针茅(Sitpabungeana)天然草地研究后发现，该区域中层和上层土壤水分大量消耗，已形成明显的土壤水分亏缺层[4]。在陕西北部的水蚀风蚀交错区，除去高耗水植被(紫花苜蓿)后，土壤水分交换深度发生显著改变，已形成的土壤干层在自然降水的作用下有恢复趋势[12]。因此，在黄土高原不同区域，由于植物耗水量高于降水量导致植物消耗大量土壤储水而可能出现土壤水分负平衡现象，了解厚层黄土水分消耗与补给特征是深入认识这一现象的关键。

由于之前研究较多集中在黄土高原土壤干层分布、单一植被的土壤水分消耗与补偿年限上[13- 16]，对小流域代表性植物的土壤水分消耗与补充深度对比、汇总研究的较少。土壤水分消耗与补充深度反映了当地植被生存的水分运行状况，间接体现了该区域植被与自然之间的协调性，是人工植被选择与生态功能评价的重要参考。本文利用定位观测数据对比研究小流域不同土地利用类型下植被的地上生物量及土壤水分消耗与补充深度的差异，为黄土高原水蚀风蚀交错地区的植被恢复提供理论依据。

1 实验与方法

1.1 研究区概况

试验观测在陕西省神木县六道沟小流域(东经110°21′—110°23′，北纬38°46′—38°51′，海拔1094—1274 m)进行。该区域植被类型由森林草原向典型干旱草原过渡，也是黄土高原向毛乌素沙漠过渡的地带，是典型的生态脆弱区[17]。2003—2012年平均降水量为402 mm，其中5—9月份的降水约占全年降水量的80%左右。野外观测试验于2010—2012年进行，其中2010年度降水433 mm接近多年平均值，具有较好的代表性；2011年降水324 mm，为典型的干旱年；而2012年度降水550 mm显著高于多年平均值，为丰水年(图1)，该区11月至次年4月气温多在10 ℃以下，不适宜植物萌发生长，降水以雪为主，并占很小比例。

图1 六道沟流域降水与气温月变化

该地区由于滥砍滥伐、过度放牧，加之严重的土壤侵蚀，天然植被破坏严重，取而代之的是近20—30年间建造的人工植被。人工植被主要的树(草)种有紫花苜蓿、柠条、草木樨(Melilotusmill)等；天然植被中常见的建群种和优势种有长芒草(本氏针茅)、短花针茅(Stipabreviflora)、茵陈蒿(Artemisiacapillaris)等，草本植物在该地区生态环境中占有比较重要的地位[18]。

1.2 试验设计

在前期对六道沟小流域主要土地利用类型实地调查的基础上，本研究共选择了8块样地，代表了当地比较典型的土地利用和管理方式。本研究中选取的典型植被(土地利用方式)或是已经持续生长了十几年的天然、人工植被样地，或退耕还草(灌)不少于7a的样地(表1)。在半干旱区，经过7a以上的植物生长，生态系统的水循环过程已基本稳定，各样地之间的土壤水分差异已经主要受其上生长的不同植被所影响[19]。植被的生长与土壤水分的消耗和补充，受最初含水量的影响已经极为微弱，当季降水已成为其主要水源。

表1 试验样地的基本信息

表2 研究小区土壤剖面物理性质

每块样地面积均大于200 m2，由于样地面积较大，具有一定的代表性。样地间海拔接近，最大间距在1000 m以内(采用GPS测定)。试验小流域土壤均为侵蚀砂壤质新成土，物理性质差异不大；同时，考虑到坡面径流可能影响到样地之间水分入渗与消耗对比分析，本研究选取8个样地均为流域内无坡度平坦地面，植被盖度在田间进行照相后用ImageJ软件进行处理与计算。样地基本信息在表1和表2中详细列出。本试验于植物生长季节进行，2010年5月初开始，至2012年10月中旬结束。

1.3 观测项目和方法

(1)土壤水分测定

在所有地块中沿长轴中心线均匀埋设3根铝制中子仪测管，3点的平均值作为该小区(处理)的水分含量值，每根中子管有效测定深度均不小于260 cm。于生长季节每隔2个月，采用CNC503B型中子水分仪对每块样地的土壤水分进行观测，测量过程中，测深在0—100 cm土层时测量间距为10 cm，100—260 cm测量间距为20 cm。

每层土壤含水量(质量含水量)在计算时，取其算术平均值。土壤储水量的计算采用如下公式：

W=h·ρ·θ·10-1

(1)

式中，W为土壤储水量(mm)，h为土层厚度(cm)，ρ为土壤容量(g/cm3)，θ为土壤含水量(质量含水量，%)。

对土壤储水量消耗(Soil water depletion)/补充(Soil water infiltration)量进行计算时，采用公式：

WD=Wmid-Wstart

(2)

WI=Wend-Wstart

(3)

式中，WD为土壤储水量消耗量(mm)，WI为土壤储水量补充量(mm)，Wstart为季初土壤储水量(mm)，Wmid为生长季蒸散旺盛期土壤储水量(mm)，Wend为季末土壤储水量(mm)。

(2)土壤水分消耗深度与补充深度确定方法

土壤水分消耗深度是指在特定的土地利用方式下，当年植物消耗土壤水分的剖面深度，确定方法是根据季初和系统蒸散旺季土壤剖面水分分布曲线，选取水分含量降低幅度最大的曲线和季初比较，两条曲线交叉点即是消耗深度，如果两条曲线无交叉点，说明消耗深度超过了测定的土层深度。土壤水分的补充深度是指在特定的土地利用方式下，当年降水所能入渗到的深度，确定方法是根据系统蒸散旺季和雨季土壤剖面水分分布曲线，选取水分含量增加最大的曲线和消耗曲线比较，两条曲线交叉点即为补充深度。

(3)地上生物量

于8月中旬(本区地上生物量达到极大值)，在样地中(除农地、苜蓿地、柠条地外)选择生长均匀、能代表该小区植被平均生长情况的3个1.0 m×1.0 m样方，割取植物地上部分。之后立即称量鲜草重，将植物样品于80 ℃烘干至恒重，称取植物样干重。3个样区生物量的平均值作为该小区(处理)的地上生物量。

与此同时，对苜蓿进行整块地刈割，全部称重，之后抽取3份植物样烘干；柠条作为多年生灌木，其地上生物量测定采用平均丛法：于8月中旬在柠条林中随机选取5.0 m×5.0 m的3个标准地块，在标准地内对每株柠条均进行调查，调查的因子有：丛高、冠幅、基径、分枝数等，并取其平均值，每个地块选取6丛标准丛，每丛剪取3枝标准枝，测定标准枝的鲜生物量以及烘干后的干生物量，进而计算柠条的单位面积生物量。

农地仅在收获后，将籽粒自然风干，统计籽粒生物量，计算单位面积产量。

2 结果分析与讨论

2.1 植物生长季0—260 cm土层储水量

从5月到9月份的植物生长季节，不同植被条件下的土壤水分垂直分布差异明显(图2)。5月—7月是该地区典型的土壤-植被系统蒸散旺季，8—9月体现为降水对土壤水分的补充，但由于多年降水的季节性波动，年度土壤水分的消耗与补充周期也略有不同。因此，本文选择能体现土壤水分年度消耗与补充深度的2010年5、7、9月，2011年5、8、9月，2012年5、7、9月数据进行分析。

多年土壤平均含水量(质量含水量)较高的样地包括：裸地、农地和撂荒地，剖面平均含水量均在13%左右，由表层到深层土壤含水量呈现增加趋势。苜蓿地、柠条地、荒草地、沙打旺地和长芒草地土壤平均含水量相对较低，仅有5%—7%。

0—260 cm土层总储水量维持在较高水平的样地排序为裸地≈农地>撂荒地，农地土壤储水与裸地相差不大的主要原因是在季初对农地的翻耕以及生长季的中耕松土，一方面切断了毛管孔隙，另一方面促进了降水入渗，二者共同作用降低了土壤蒸发速率，减少了水分损失。但干旱年对土壤表层的扰动会大大增加土壤储水的损失程度(表3)。储水量低于400 mm的土地利用类型依次为柠条地>苜蓿地>长芒草地>荒草地>沙打旺地。

图2 不同土地利用类型土壤剖面水分分布动态

表3 不同植被措施下0—260 cm土层储水量年度变化

2.2 不同土地利用方式下土壤水分消耗与补给深度

2.2.1 裸地土壤水分消耗与补充深度

不同的土地利用方式将显著的影响土壤水分消耗和补给过程[20]。裸地土壤水分只受土壤蒸发与降水的影响，平水年以及偏干旱年土壤水分消耗深度达到120 cm，8—9月，裸地0—120 cm水分得到了部分补充，但土壤深层储水量并未显著提高，裸地土壤储水量在2010—2011试验期呈现了轻微的负增长(图2:A2010—2011)。由于2012年度降水充沛，裸地储水未出现明显的消耗，0—220 cm土层土壤水分得到了补充(图2:A2012)。证明在完全依靠天然降雨条件下，裸地蒸发量极有可能大于同期降雨量，导致土壤水分循环负平衡。陈洪松等研究结论类似，认为在偏干旱年，土壤储水量出现负补偿的深度范围更大，能达到0—300 cm深度土层[21]。王力等也认为，这种“低降水高蒸发”造成的耗水量大于补充量是黄土高原区普遍现象，这种亏缺不是生物利用引起的，而是黄土高原的土壤条件和气象因素共同决定的[22]。

2.2.2农地与农地撂荒土壤水分消耗与补充深度

不同植被覆盖的样地除了受到土壤蒸发与降水影响以外，主要受植物根系吸水的影响。但农地土壤含水量与剖面水分分布在季末时多与裸地相同(图2：B2010—2012)，农地水分消耗深度比撂荒地浅(图2：E2010—2012)，可能与农地作物产量(农地绿豆、大豆多年平均生物产量仅有41 g/m2)和农地种植初期翻耕有关。翻耕有助于降水的及时入渗，减少蒸发损失，且由于农地种植密度低，管理粗放，农地植被密度与生物产量小于撂荒地，因此，农地撂荒不能增加降水入渗深度，但也不会造成土壤干层加剧。

农地撂荒后耗水深度与撂荒地植被类型有密切联系[23]，虽然农地撂荒后土壤水分的恢复不明显，但较农地弃耕种植其他深根性、高耗水的人工草地，撂荒在获得较高生物产量的同时(干生物量达到305—448 g/m2，不低于苜蓿地、柠条地、沙打旺地(图3))，对黄土高原水蚀风蚀交错区土壤水分恢复具有一定的积极意义。

图3 2010—2012年度不同土地利用类型地上干生物量

2.2.3退耕还草对土壤水分消耗与补充深度的影响

高耗水深度和高耗水量样地也具有较高的生物产量(图2:C2010—2012、D2010—2012、G2010—2012,图3)。5月—7月下旬是苜蓿、柠条与沙打旺这类深根性植物耗水的高峰期。7、8月这3块样地全土层土壤含水量均较低，基本在6%左右，其中干燥化程度最严重的是沙打旺样地，含水量4%—6%，平均储水量仅有236 mm，但其年耗水深度较浅，可能是沙打旺地120—260 cm土壤含水量已接近萎蔫含水量，土壤剖面已无有效水分可被利用。因此，沙打旺地3a地上生物量波动(186—436 g/m2)较苜蓿地(328—395 g/m2)受降水影响最为强烈。

在平水年与干旱年生长季末，3块样地土壤水分补充深度均在70—90 cm(图2:C2010—2011，D2010—2011，G2010—2011)。丰水年，三类样地补充深度柠条地>苜蓿地>沙打旺地，但柠条地土壤储水量增加量最少，说明相同生长年限的柠条林地耗水速率虽不及苜蓿地、沙打旺地，但随着生长年限的增加，柠条植株叶面积加大，耗水速率加速上升，且降水对柠条地土壤储水的补充能力不及苜蓿地和沙打旺地，柠条林地最终也将形成土壤干层。

李玉山研究认为苜蓿从开始种植到种植后13a土壤湿度逐年降低。本文的研究也表明在土壤湿度降低的过程中消耗深度也在逐渐加深，苜蓿根系直接吸水土层可以超过10 m深度[10]。李裕元等研究得出，黄土高原北部紫花苜蓿草地地上生物量普遍偏低，生长盛期持续时间较为短暂，最多不超过6a[24]。本研究苜蓿地平均地上干生物量与王建国等在2009年对该区域研究[25]相比，在其生长6a后并未明显的降低，可能是紫花苜蓿在本区只能在低生产力水平上波动。

杨永辉等研究认为随着植物(柠条)利用土壤水分的深度增加，土层含水量下降，土壤入渗能力提高[26]，本试验结果与其不尽相同：丰水年度，土壤储水量较低的样地，入渗深度不及水分条件较好的裸地、撂荒地，与农地差距更加明显。与米脂地区陡坡柠条林地的最大入渗深度(120 cm)相比[27]，黄土高原水蚀风蚀交错区柠条对土壤水分消耗深度下移了40—60 cm，补充深度并未出现明显的加深。在相似的条件下，当地柠条产量低于苜蓿，相同土层厚度的耗水量高于苜蓿，单从生物产量来讲，当地种植苜蓿能获得更好的经济效益。

梁一民等研究认为，5年生沙打旺草地4.5 m处含水量已降到4%，5 m处水分已被利用[28]。程积民等对黄土高原西部丘陵沟壑区种植的沙打旺研究后得出，沙打旺在该区生长年限为6—7a，生物量形成的高峰期在第3—4年，之后土壤水分大量亏缺，生物量逐年下降。6年生沙打旺的根系分布深度可达7.6 m以上，土壤水分的消耗深度与根系的分布相一致[16, 29]，结合本文研究结果可见沙打旺耗水量大，可迅速耗竭土壤水分。

2.2.4本土自然演替植被(长芒草地、荒草地)土壤水分消耗与补充深度

在平水年与干旱年度，长芒草地与苜蓿地土壤水分消耗深度一致，在120—160 cm左右，补充深度稍浅；在丰水年，土壤水分补充深度仅有120 cm，不及苜蓿地，且在160 cm土层以下，土壤含水量变化已经不明显，基本保持在6.0%左右(图2：H2010—2012)。本区长芒草地多由人工苜蓿地退化演替而来，前期苜蓿生长耗竭了土壤水分，加之苜蓿根系对土壤产生的挤压，地表出现板结现象，如果没有人工干预，土壤深层干燥化现象将在一段时期内存在。荒草地水分交换深度与长芒草地水分交换深度接近(图2:F2010—2012)，地上生物量(126—274 g/m2)也与长芒草地(92—305 g/m2)接近。

有研究指出本土植被与人工种植的深根性植物相比，更有利于土壤水分的补给[30]，但本区典型的长芒草地与荒草地却并未体现出这一现象。本区长芒草与其他地区相比，耗水深度较深。以往对长芒草的研究表明，0—60 cm土层为长芒草主要耗水范围[4, 31]，但本试验与上述结论不相符，说明随着年降水量的进一步减少，长芒草根系主要耗水深度由常规的20—50 cm不断加深，并造成土壤水分亏缺。长芒草-退化苜蓿地在自然演替状态下土壤紧实度增加，孔隙度减小，不利于土壤水分的恢复，在黄土高原水蚀风蚀交错区苜蓿地退化20—30a后，土壤储水仍得不到有效的补充。王美艳等研究认为，苜蓿生长一定年限后需要及时翻耕，实行粮草轮作，才能增加降水就地入渗、缓解土壤干燥化强度、恢复干层的土壤水分[32]。陕北黄土丘陵沟壑区的安塞县境内不同生长年限的长芒草群落地上生物量多年平均值为119.5 g/m2[33]，可见长芒草生物量一般较低。本试验小流域长芒草地和荒草地土壤侵蚀并不严重，但如果不加以改造利用，可能会降低干生物量的积累且不利于土壤水分的恢复。

综上所述，除裸地、每年翻耕的农地、丰水年的撂荒地和长芒草地，试验年度其他各样地的最大入渗深度均未超过消耗深度，平水年和偏干旱年度生长季，所有样地水分均出现了负增长。

2.3 土壤水分消耗与补充特征分类

结合以上水蚀风蚀交错区典型植被土壤水分消耗和补充深度分析(表4)，将研究结果进一步归纳为3种植被-土壤水分作用深度类型，其对黄土高原水蚀风蚀交错区不同土地利用类型的植被配置与管理具有更明确的指导意义。

表4 不同植被措施下耗水深度与补充深度比较

类型(Ⅰ)：裸地、农田、撂荒地土壤水分平衡是在较高的土壤含水量水平(观测土层土壤平均含水量≥10%)，丰水年三类样地土壤储水能得到一定的补充，其中撂荒地可能会向类型(Ⅱ)发展(向荒草地靠近)。

类型(Ⅱ)：土壤水分出现亏缺的是苜蓿、柠条、荒草地，土壤储水量逐渐减少，丰水年也不能完全补充恢复(5%<观测土层土壤平均含水量<10%)，如果继续发展，苜蓿、柠条可能会变成类型(Ⅲ)的情况；而荒草年限较长，土壤水分消耗和补充深度可能会较长时间内维持现状。

类型(Ⅲ)：在低土壤含水量下(观测土层土壤平均含水量≤ 5%)消耗与补充基本平衡的是沙打旺地、长芒草地，两类样地土壤储水没有降低或降低很少，是由于沙打旺生物量大，耗水多、长芒草属于苜蓿草地退化演替的终极阶段且生长年限长，因而两类样地长期在低土壤含水量水平下平衡。

3 结论与建议

3.1 主要结论

(1)裸地平水年与干旱年土壤水分消耗和补充深度均为120 cm，可见水蚀风蚀交错区土壤蒸发以及降水补充深度一般为0—120 cm范围内，丰水年土壤水分能得到恢复。农地植被-土壤作用模式与裸地类似，土壤水分消耗与补充深度略有增加。

(2)农地撂荒后耗水深度与撂荒地植被类型有密切联系，随植被丰度的增加，耗水有进一步加深的趋势，撂荒地土壤水分补充深度小于等于消耗深度。农地退耕还草所种植的深根性植被(苜蓿、沙打旺、柠条等)不仅会迅速消耗当季降水，同时会进一步消耗土壤深层储水，120 cm以下观测土层土壤含水量较低，从而造成土壤水分消耗深度较浅的假象。

3.2 相关建议

按照植物耗水和降水补充深度的类型，在退耕还林(草)过程中，应该充分考虑不同植被类型的年度水分交换深度，尤其在采用类型(Ⅱ)和类型(Ⅱ)向类型(Ⅲ)转变的土地利用方式时，要予以谨慎考虑，并随时监测土壤水分消耗情况，采取措施降低消耗深度，增加入渗深度，防止或减缓黄土高原水蚀风蚀交错区土壤干层的发生或加剧。

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