豫西低山丘陵区林草复合种植模式土壤水分状况分析

杨雨华等

摘要：以豫西低山丘陵区林草复合种植模式为研究对象，对各种植模式下土壤水分空间分布和水分效应进行分析。结果表明，在不同土层间，各种植模式的土壤含水量整体上随土壤深度的增加而增加，在不同坡位间，从坡顶至坡底，各种植模式的土壤含水量在相同土层间整体上也呈增加趋势；各种植模式下的土壤水分效应不同，具体表现为刺槐（Robinia pseudoacaci）+苜蓿（Medicago sativa L ·）>栓皮栎（Quercus variabilis）+苜蓿>杨树（Populus）+苜蓿>侧柏（Platycladus· orientalis）+苜蓿>苜蓿；且各林草复合种植模式下土壤水分效应值均为正值，说明刺槐、杨树、侧柏和栓皮栎的根系与苜蓿根系生态位存在重叠，会对土壤水分产生竞争，但这种竞争不占主导地位。

关键词：林草复合种植；土壤水分；低山丘陵区；豫西

中图分类号：S718.5 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）16-3776-04

Abstract： The spatial distribution and the effect of soil moisture in different grassland-forestland intercropping patterns were studied in the hilly region of western Henan province. The results showed that the overall soil moisture content increased with the increase of soil depth in the vertical direction. Soil moisture content on the same soil layer from the top of hill to its base showed an increasing trend as a whole in the horizontal direction. The effect of water lifting in different grassland-forestland intercropping patterns was different in the order of Robinia pseudoacaci + Medicago sativa Linn > Quercus variabilis + Medicago sativa Linn > Polulus + Medicago sativa Linn > Platycladus orientalis + Medicago sativa Linn > Medicago sativa Linn. The positive values of effect of soil moisture in different grassland-forestland intercropping patterns indicated the competition between root system of trees and Medicago sativa Linn in soil moisture existed because of niche overlap. However， the competition was not dominant.

Key words： grassland-forestland intercropping； soil moisture； hilly region； west Henan province

林草复合系统是一种土地利用系统和工程应用技术的复合名称，是有目的地把多年生木本植物与农业、牧业用于同一土地经营单位并采取时空分布或短期相间的经营方式[1]。林草复合系统是一种新型的土地利用方式，它在改善区域生态环境，提高生态效益与经济效益，促使二者协调发展等方面具有理论和实践意义[2]。随着对生态环境保护意识的加强和对林草复合种植模式功能认识的深入，林草复合种植模式已经越来越受到人们的重视。实践证明，在植被恢复过程中，林草复合种植模式是一种切实可行的方法[3]。在林草复合种植模式下，种间竞争关系体现在两个方面：一是植物地上部分以空气为介质，对光、热、水分的竞争；二是植物地下根系以土壤为介质，对水分和养分的竞争[4]； 这在空间上的体现就是景观界面。所谓景观界面，是指两个或两个以上生态系统之间对水分、养分、能量等物质相互竞争的过渡地带，是生态系统与环境耦合动态过程的空间反映[5]。有研究表明，在这种复合经营模式中，地下部分的相互作用在很大程度上决定了各个组分之间的关系[6-9]。土壤水分是植物需水的直接来源，在水资源日益匮乏的情况下，复合种植模式中林草关系主要体现在对土壤水分的竞争[10-13]。

土壤水分状况是影响植物生长发育[14]和植被恢复[15，16]的主要因素之一， 同时也是评价土壤资源优劣的主要特征之一[17]。在豫西低山丘陵区，由于人为干扰和气候变化双重影响， 导致该区域生态环境脆弱， 水土流失严重， 自然植被遭到严重破坏[18，19]。为进行生态修复，林草复合种植模式已在这个区域内推广应用。但是，关于豫西低山丘陵区坡地林草复合种植模式下土壤水分状况的研究还未有报道，这对于该区域植被恢复研究显然是不利的。因此，本研究选取豫西低山丘陵区典型坡地不同林草复合种植模式为研究对象，对其不同复合种植模式下土壤水分空间分布和土壤水分效应进行分析，为该区域内植被恢复、生态系统结构和功能的重建提供理论支持，同时也对该地区土地合理利用与配置具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河南省平顶山市鲁山县昭平湖库区，该湖区位于伏牛山东麓，地理坐标为112°14′-113°14′E，33°34′-34°00′N，属于典型的低山丘陵区。该区处于暖温带向北亚热带过渡区，属季风气候，年均温14.8 ℃，年降水量1 000 mm，年蒸发量1 100 mm，年无霜期209 d；土壤类型为黄棕壤。该区植被类型属于暖温带落叶阔叶林向亚热带常绿阔叶林过渡型，常见的木本植物有茅栗（Castanea seguinii）、黄连木（Pistacia chinensis）、山合欢（Albizia kalkora）等；草本植物有稗草（Echinochloa crusgalli）、茜草（Rubia cordifolia）、艾蒿（Artemisia argyi）等；造林树种有栓皮栎（Quercus variabilis）、刺槐（Robinia pseudoacaci）、侧柏（Platycladus orientalis）等[17]。

1.2 研究方法

根据豫西低山丘陵区林草复合种植模式经营特点，结合当地实际种植情况，在河南省鲁山县昭平湖库区建立林草复合模式试验示范区。试验区设置点为低山丘陵区坡地，坡向为西南走向，坡度为22°，坡位分为坡顶、中上坡、中下坡和坡底4种。试验区内共设5个小区，每小区坡长20 m，宽15 m，设刺槐+苜蓿（Medicago satira L.）、杨树（Populus）+苜蓿、侧柏+苜蓿、栓皮栎+苜蓿4种林草复合种植式以苜蓿单作作为对照。

于2012年5月27日在试验区用土钻法进行取样，用烘干法测定土壤含水量。测定深度为0～50 cm，每10 cm为一层，每层选择3个测试点作为重复，取平均值作为该层的土壤含水量。数据采用Excel 2003软件进行处理和绘图。

2 结果与分析

2.1 各坡位土壤水分差异

土壤含水量空间分布受多重因素影响，概括起来包括生物因子和非生物因子两大类。生物因子如植被盖度、根系数量和分布、根系活性、树冠幅等，非生物因子包括土地利用方式、降水、光照、坡度、坡向等[4]。在生物因子和非生物因子共同作用下，土壤含水量空间分布往往显示出较大差异。坡位作为一个重要的非生物因子，同样影响着土壤水分空间分布。坡位的不同会对其他影响因子产生影响，如土壤质地、降水在土壤中的再分配以及植被格局等，从而改变土壤含水量。

豫西低山丘陵区坡地由于坡位的不同，土壤含水量呈现出一定的变化模式，不同林草复合种植模式土壤含水量的平均值在不同坡位及不同土壤深度间的变化具体见图1。由图1可以看出，不同土层间，除坡顶20～30 cm土层和中上坡20～40 cm土层土壤含水量出现下降外，其余各个坡位土壤含水量均随着土壤深度的增加而增加。从各个坡位来看，同一土壤深度的土壤含水量整体上是从坡顶至坡底逐渐增加的，这是由于地势高低不同所致。一方面，土壤水分不断由高处向低处移动；另一方面，由于水分移动，造成高处土壤不断被侵蚀，致使坡上部土壤质地越来越差，保水能力减弱，土壤含水量降低。但是在中下坡0～10 cm和10～20 cm土层中，土壤含水量出现下降趋势，其原因可能是中下坡位置缺少有效的植被覆盖，易形成水土流失，再加上阳光曝晒，会导致土表温度高，土壤水分损失加快。综合上述可得土壤含水量的整体趋势：在不同深度土壤间，土壤含水量随着土壤深度的增加而增加，但在坡顶20～30 cm土层和中上坡20～40 cm土层土壤含水量偏低；在不同坡位间，从坡顶至坡底，除植被因素影响的中下坡0～20 cm土层土壤含水量降低外，其余相同土壤层次的土壤含水量依次增加。

2.2 不同林草复合种植模式的土壤水分差异

土壤水分状况与植被覆盖密切相关，二者相互影响，一方面土壤水分会影响植物生长和分布，另一方面植被覆盖也影响土壤水分的含量和分布[17]。从图2可以看出，在不同林草复合种植模式下，由于树木的遮蔽作用，减少了土壤水分蒸发，4种林草复合种植模式下各土层土壤平均含水量为5.59%～12.14%，与苜蓿单作对照相比，含水量提高了0.68～3.95个百分点。说明试验区内林草复合模式整体上有利于土壤保墒，提高含水量。其原因在于在林草复合种植模式中，树木可以进行遮阴，起到减少光照量和降温的作用，从而减弱土壤水分蒸发，起到保墒作用。但值得注意的是，不同林草复合种植模式之间也存在差异。试验区内不同林草复合种植模式0～50 cm土层土壤含水量的平均值变化趋势整体上表现为刺槐+苜蓿最高，之后依次为栓皮栎+苜蓿、杨树+苜蓿、侧柏+苜蓿，苜蓿单作最低（图2）。不同林草复合种植模式下各个坡位各个土层的土壤含水量变化情况如图3所示。以刺槐+苜蓿复合种植模式为例，在中上坡0～10 cm和10～20 cm土层内，刺槐+苜蓿模式下土壤含水量分别为4.27%和5.53%，与苜蓿单作相比，分别减少了4.03和1.30个百分点。原因可能在于刺槐根系与苜蓿根系在空间分布上发生了生态位重叠，水分竞争激烈，致使土壤含水量降低。

2.3 不同林草复合种植模式的土壤水分效应

植物生态位是植物种与环境（物理因子、化学因子、生物因子）之间的总关系，包括植物所起作用与其忍耐力等[20]。在林草复合种植模式下，由于刺槐、杨树、侧柏和栓皮栎的介入，使之与苜蓿发生水分因子生态位重叠的现象。在这种竞争共存模式下，一方面，树木和苜蓿根系由于生态位的重叠会对土壤水分产生竞争，从而致使土壤含水量降低；另一方面，由于树木的遮阴可以产生小气候效应，同时树木根系也具有水力提升作用[9]，也可对土壤水分起到增加的作用。这种降低与增加的综合影响可使林草复合种植模式下的土壤水分达到新的平衡。林草复合种植模式下刺槐、杨树、侧柏和栓皮栎对苜蓿的土壤水分这种综合影响的程度即林草复合种植模式的土壤水分效应可由以下公式进行计算：

E=■×100%

式中，SM为林草复合种植模式下苜蓿在0～50 cm土层中的土壤平均含水量，SMR为苜蓿单作的土壤含水量，E为土壤水分效应[4]。

计算各林草复合种植模式下苜蓿的土壤水分效应值，得出刺槐、杨树、侧柏和栓皮栎对苜蓿的土壤水分效应值分别为59.83%、31.53%、14.57%和43.90%，均为正效应。这是由于树木的介入，虽然在水分生态因子上会发生生态位重叠，致使产生水分竞争，但是这种水分竞争并没有起到主导作用。在林草复合种植模式中，树木可以起到减少光照、降低温度和风速等作用，使得试验区内蒸发减弱，从而起到保墒、增加土壤含水量的作用。同时，树种不同，水分效应亦有所差异。其中以刺槐对苜蓿的土壤水分效应影响最佳，其次为栓皮栎、杨树，最后是侧柏。其原因可能与各类树种根系分布有关。在林草复合种植模式中，树木根系与苜蓿根系发生生态位重叠，但是由于各类树种根系空间分布的不同，致使生态位重叠区域有所差异，从而导致各类树木对苜蓿的土壤水分效应有所差异。

3 结论与讨论

1）豫西低山丘陵区坡地林草复合模式下土壤水分的空间分布呈现的整体规律如下：在不同土层间，土壤含水量总体随着土壤深度的增加而增加，且0～20 cm土层土壤含水量增加迅速，20～30 cm土层基本处于稳定状态，30～50 cm土层又有一个增加过程；在不同坡位间，整体上是相同土层的土壤含水量从坡顶至坡底呈现增加趋势。这主要是由于地势影响，土壤水分从高处向低处移动的结果。

2）豫西低山丘陵区各林草复合种植模式下土壤含水量与苜蓿单作相比整体上有所提高，其原因在于树木的遮阴、挡风、降温作用减缓了土壤水分的蒸发。但是不同的林草复合种植模式对提高土壤含水量的效应不同，具体表现为刺槐+苜蓿>栓皮栎+苜蓿>杨树+苜蓿>侧柏+苜蓿，这是由于树木根系与苜蓿根系发生了生态位重叠，产生了水分竞争。但从土壤水分含量均有所提高这个结果来看，这种种间竞争不占主导地位。

3）不同林草复合模式下土壤水分效应值均为正值，进一步说明刺槐、杨树、侧柏和栓皮栎的根系与苜蓿根系虽然存在生态位重叠，会对土壤水分利用产生竞争，但是并不明显；同时也说明在豫西低山丘陵区实施林草复合种植模式进行生态修复的理念是切实可行的。

参考文献：

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[20] 李文龙，李自珍.作物生态位构建的模型及其进化惯量与动量的试验研究[J].地球科学进展，2002，17（3）：446-451.

（责任编辑 吕海霞）

3 结论与讨论

1）豫西低山丘陵区坡地林草复合模式下土壤水分的空间分布呈现的整体规律如下：在不同土层间，土壤含水量总体随着土壤深度的增加而增加，且0～20 cm土层土壤含水量增加迅速，20～30 cm土层基本处于稳定状态，30～50 cm土层又有一个增加过程；在不同坡位间，整体上是相同土层的土壤含水量从坡顶至坡底呈现增加趋势。这主要是由于地势影响，土壤水分从高处向低处移动的结果。

2）豫西低山丘陵区各林草复合种植模式下土壤含水量与苜蓿单作相比整体上有所提高，其原因在于树木的遮阴、挡风、降温作用减缓了土壤水分的蒸发。但是不同的林草复合种植模式对提高土壤含水量的效应不同，具体表现为刺槐+苜蓿>栓皮栎+苜蓿>杨树+苜蓿>侧柏+苜蓿，这是由于树木根系与苜蓿根系发生了生态位重叠，产生了水分竞争。但从土壤水分含量均有所提高这个结果来看，这种种间竞争不占主导地位。

3）不同林草复合模式下土壤水分效应值均为正值，进一步说明刺槐、杨树、侧柏和栓皮栎的根系与苜蓿根系虽然存在生态位重叠，会对土壤水分利用产生竞争，但是并不明显；同时也说明在豫西低山丘陵区实施林草复合种植模式进行生态修复的理念是切实可行的。

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（责任编辑 吕海霞）

3 结论与讨论

1）豫西低山丘陵区坡地林草复合模式下土壤水分的空间分布呈现的整体规律如下：在不同土层间，土壤含水量总体随着土壤深度的增加而增加，且0～20 cm土层土壤含水量增加迅速，20～30 cm土层基本处于稳定状态，30～50 cm土层又有一个增加过程；在不同坡位间，整体上是相同土层的土壤含水量从坡顶至坡底呈现增加趋势。这主要是由于地势影响，土壤水分从高处向低处移动的结果。

2）豫西低山丘陵区各林草复合种植模式下土壤含水量与苜蓿单作相比整体上有所提高，其原因在于树木的遮阴、挡风、降温作用减缓了土壤水分的蒸发。但是不同的林草复合种植模式对提高土壤含水量的效应不同，具体表现为刺槐+苜蓿>栓皮栎+苜蓿>杨树+苜蓿>侧柏+苜蓿，这是由于树木根系与苜蓿根系发生了生态位重叠，产生了水分竞争。但从土壤水分含量均有所提高这个结果来看，这种种间竞争不占主导地位。

3）不同林草复合模式下土壤水分效应值均为正值，进一步说明刺槐、杨树、侧柏和栓皮栎的根系与苜蓿根系虽然存在生态位重叠，会对土壤水分利用产生竞争，但是并不明显；同时也说明在豫西低山丘陵区实施林草复合种植模式进行生态修复的理念是切实可行的。

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（责任编辑 吕海霞）