枝条覆盖对半干旱黄土丘陵区平茬柠条林地土壤水分的影响

严正升,郭忠升,宁 婷,张文文

1 中国科学院水利部水土保持研究所,杨凌 712100 2 中国科学院大学,北京 100049 3 西北农林科技大学水土保持研究所,杨凌 712100

枝条覆盖对半干旱黄土丘陵区平茬柠条林地土壤水分的影响

严正升1,2,郭忠升1,3,*,宁 婷1,2,张文文1,2

1 中国科学院水利部水土保持研究所,杨凌 712100 2 中国科学院大学,北京 100049 3 西北农林科技大学水土保持研究所,杨凌 712100

为了研究枝条覆盖对林地土壤水分的影响,提高土壤水分利用效率。2013年5—9月,以半干旱黄土丘陵区平茬柠条林为对象,采用中子水分仪对未覆盖和枝条覆盖林地土壤水分进行定位观测, 研究了枝条覆盖对林地土壤水分的影响。研究期间共观测到降雨28次,总降雨量达495.9 mm。未覆盖和覆盖林地降雨补给量与降雨量之间均呈极显著正相关关系。枝条覆盖使林地降水入渗补给系数由0.50增加至0.70,明显提高了林地次降水补给量和入渗深度。覆盖林地各月土壤水分消耗量均高于对照林地,整个生长季,前者比后者多消耗了37.56 mm土壤水分,仅相当于所增加的降雨补给量的1/3。 在丰水年,覆盖一直表现出对林地土壤水分的正效应,剖面0—260 cm 范围内土壤水分条件有明显改善。

半干旱黄土丘陵区；覆盖；平茬；柠条；土壤水分

半干旱黄土丘陵区水资源紧缺,土壤水分是限制当地植物生长发育的关键因素。在该区植被建设过程中,人工林草地普遍出现土壤干燥化现象,甚至形成土壤干层[1- 2]。一旦深层土壤通体干化,土壤水分将难以恢复[3],直接影响到植物生产力的稳定提高及其生态效益的正常发挥[4]。及时地补偿和恢复土壤水分,是该区大面积发展人工林草地的战略性决策问题[5]。

土壤水分亏缺的调控途径主要有两条：一是增加土壤水分补给,二是降低土壤水分消耗[6]。众多研究结论表明,以秸秆覆盖和生草覆盖为代表的生物覆盖可有效增加降水入渗,减少地表径流,抑制土壤水分的无效蒸发[7-9]。其中,秸秆覆盖已广泛应用于我国北方旱作农业区,在降水资源的高效利用及可持续农业生产中发挥了有力作用[10]。殷淑燕等[11]研究表明果园覆草技术有助于解决黄土高原果园土壤的干燥化问题,可提高降水下渗率,减少流失量和蒸散量,提高土壤含水量,形成水、肥、气、热、生物因素平衡的果园生态系统。黄金辉等[12]也认为黄土高原地区果园的保护性耕作体系也应以免耕覆草为主。相比之下,针对旱化人工生态林土壤水分恢复的相关研究开展较少[13]。

柠条是半干旱黄土丘陵区营造水土保持林、防风固沙林的主要灌木树种。受林地土壤干燥化的不利影响,多年生柠条林生长退化乃至衰败现象突出[6,14- 15]。平茬可有效解决柠条植株衰败老化的问题,促进柠条林更新复壮[16]。李耀林等[17]研究了平茬对半干旱黄土丘陵区柠条林地土壤水分的影响,结果表明,平茬后,萌发柠条迅速更新复壮。但平茬后萌生柠条林覆盖度较低,土壤蒸发和地表径流都比较强烈,加之新生柠条呼吸旺盛,蒸腾速率较高,需要消耗大量的水分,导致平茬仅可在短时间内改善土壤水分环境,大部分时间则恶化了土壤水分环境。在此基础上,本研究以平茬人工柠条林为研究对象,采用平茬下来的柠条枝条对林地进行覆盖,并以无覆盖林地为对照,对两处理林地土壤水分动态进行长期定位观测与分析,旨在揭示枝条覆盖对平茬(柠条)林地的土壤水分效应,为旱化柠条林地水分恢复工作的开展提供理论依据和技术支撑。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏固原上黄生态试验站,地处宁南半干旱黄土丘陵区35°59′—36°02′ N,106°26′—106°30′ E范围内。区内沟沿线以下坡度>25°,海拔高度1534—1824 m。研究区降雨年际变化大,年降雨量变化在634.7 mm(1984年)—259.9 mm(1991年),平均为414.9 mm；年内降水分配不均,主要集中在6—9月,期间降雨量可占到年降雨量的70%以上,无霜期152 d。土壤类型为黄绵土,植被类型为森林草原向典型草原过渡。原生植被以多年生丛生低矮禾草为主,伴以少量旱生灌木、半灌木,代表植物有长芒草(Stipabungeana)、阿尔泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、百里香(Thymusmongolicus)等。柠条是当地营造水土保持生态林的主要灌木树种。

1.2 试验设计与观测项目1.2.1 样地布设

经面上踏查,选择研究区内立地条件和林分条件基本一致的代表性地段建立试验地。所选柠条林为1987年采用条播方式营造,丛间距约2 m,单丛柠条分枝数在30—50枝之间。单枝平均株高138.62 cm,平均基径0.90 cm,均重106.82 g,柠条单枝重(G)与株高(H)、基径(D)之间的关系可以用G=0.86D2H-4.27来表示,r2=0.937。平茬工作于2013年4月柠条生长季前进行,随后划定面积为4 m×4 m的固定样地,并在样地内相邻两柠条丛的中间位置安放一根中子仪铝合金套管,管长400 cm。同时,在试验地东面相距50 cm处设置简易雨量器,进行降雨资料的采集。

试验设2个处理：平茬对照林和平茬覆盖林,每个处理各重复两次。覆盖林地的布置方法如下：从平茬下来的新鲜柠条枝条中,选取株高、基径处于中等水平的枝条围绕原柠条丛所在位置进行交错覆盖,单位面积覆盖量约为单位面积平茬量的一半,平均覆盖率约60%。对照林地不进行覆盖。

1.2.3 土壤含水量的测定

采用CNC503A(DR)型智能中子水分仪进行剖面土壤含水量观测。时间上,观测从2013年5月1日开始到2013年9月30日结束,每半月进行1次；位置上,在土深 5 cm处进行第1次观测,20 cm处第2次观测,20—380 cm土层范围内观测间隔确定为20 cm。同时,根据天气预报与经验,不定期于降雨前后2 h内分别测定剖面土壤含水量。

1.2.4 萌蘖株株高、基径的测定

柠条萌发后,每块样地各选取5株萌生枝条标记为固定样株,采用米尺测其株高,游标卡尺测其基径,测定时间同土壤水分。

1.3 数据处理

补给深度为次降雨前后两次测定的剖面土壤水分变化图中两条曲线交点到地表的距离。当地降雨历时一般较短,降雨过程中气温低、湿度大,土壤水分蒸发有限,因此降雨前后两次测得的剖面土壤储水量之差即次降雨对土壤水分的补给量。降雨量与土壤水分补给量的差值是降雨耗损量,损耗的主要形式是林冠截留和地表径流。某一段时间始末最大蒸散发深度内土壤储水量之差加上期间降水对土壤水分的总补给量为该段时间内的土壤蒸散发量。在该地区,土壤储水量的变化量可简化为补给量与土壤蒸散发量的差值。降雨入渗补给系数即补给量与相应降雨量的比值。

土壤水资源的计算

式中,Dw为土壤水资源(mm)；n为土层总数；VSWC为各观测层土壤容积含水量(%)；H为各观测层所代表的土层深度(cm)。本研究中,n=20,除表层(5cm处)H1和末层(380cm处)H21=10外,其余土层H=20。

本文采用SPSS18.0进行数据处理和显著性检验,Excel2007进行回归分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 覆盖对林地土壤水分补给的影响

2.1.1 覆盖对林地次降雨补给量的影响

降水是研究区土壤水分的唯一补给源。2013年为丰水年,5—9月共观测到降雨事件28次(图1),总降雨量达495.9mm,远超过研究区多年平均降雨量。降雨量分级呈现明显的偏态分布,近60%的降雨事件的次降雨量都在10mm以下。次降雨量在20—50mm之间的降雨有5场,50mm以上的降雨有3场,次最大降雨量为7月8日到10日的90.3mm。

图1 试验期间28场降雨事件的次降雨量 Fig.1 Rainfall amount for 28 individual events during the experiment

降雨只有入渗到土壤中,才能对土壤水分进行有效补给。根据降雨量的多寡,选取试验期间8场具有代表性的降雨事件,统计相关数据如表1。对降雨量(P)与降雨对林地土壤水分的补给量(RP)进行回归分析,结果表明：对照林地两变量之间的关系为：RP1=0.50P-0.28,r21=0.992；覆盖林地则为RP2=0.70P-0.90,r22=0.993。显著性检验结果表明,两处理林地RP与P之间均呈极显著正相关关系。进一步地,令RP1和RP2分别等于0,可知两处理林地有效降雨量的初始值分别为1.28mm和0.57mm。再令RP1=RP2,即0.50P-0.28=0.70P-0.90,求得P等于3.10mm。也就是说,当次降雨量小于3.10mm时,降雨对覆盖林地土壤水分的补给量小于无覆盖林地,这主要是由于覆盖所用的枯枝落叶会截留一部分降水所致；而当次降雨量在3.10mm以上时,由于覆盖增加了地表粗糙度,避免了雨水直接打击地面造成土壤板结和径流损失,次降水补给量随之增加。最终,覆盖使降水入渗补给系数由无覆盖时的0.50提高到0.70,遇强降水时便能起到良好的水土保持作用。

表1 不同降雨量下的土壤水分补给深度与补给量

2.1.2 覆盖对林地降雨入渗深度的影响

降雨量是影响降雨入渗深度的主要因子之一。由表1可知,两处理林地次降雨入渗深度都表现出随降雨量增加而增加的趋势。相比之下,当降雨量小于9.4 mm时,雨后相同时间内,覆盖林地的土壤水分补给深度小于对照林地；降雨量大于9.4 mm时,则反之。

观测期内降雨密集,连续的降雨有利于土壤水分向深层补充(图2)。以7月15日为起点,至8月1日、8月16日和8月31日,对照林地土壤水分分别下渗到了160、180、200 cm；覆盖林地则下渗到了180、200、220 cm。截至9月14日时,在覆盖林地,降雨下渗至了260 cm,而在对照林地,土壤水分入渗深度只有220 cm,且对新入渗土层的入渗量也明显小于前者。土壤水分补给深度随补给量增加而增加。覆盖增加了林地土壤水分补给量,引起上下土层之间更大的水势差,因而为土壤水分的持续下渗提供了更有利条件。

图2 连续降雨条件下覆盖对降雨入渗深度的影响Fig.2 Effects of mulching on infiltration depths under continuous rainfall conditions

2.2 覆盖对林地土壤水分存储的影响

图3 覆盖对林地0—380 cm范围内土壤水资源的影响Fig.3 Effects of mulching on soil water resources in 0—380 cm

图4 覆盖对林地0—380 cm土壤含水量的影响Fig.4 Effects of mulching on soil water content in 0—380 cm

在充沛的降水补给下,整个柠条生长季,两处理林地0—380 cm剖面土壤水资源均呈现不同程度地增加(图3)。对比分析结果显示,生长季初,两处理林地土壤水资源接近,到生长季末,覆盖林地土壤水资源比未覆盖林地高出了54.58 mm。事实上,整个观测期内覆盖林地土壤水资源一直大于未覆盖林地,说明覆盖对平茬林地剖面土壤水资源有正效应。由于覆盖在降雨量较大时可显著地增加次降水入渗量,所以这种正效应在强降水过后体现地更为明显。其中,在7月15日,两林地土壤水资源相差达到了61.81 mm。

从图4可以看出,两处理林地土壤含水量的垂直变化规律大致相同。除了近地表土层(0—40 cm)含水量受蒸散发作用及生长季末新一轮降雨的影响而呈现波动性变化以外,对照林地和覆盖林地的剖面土壤含水量均呈现出先减少后稳定的变化趋势。尽管如此,二者在土壤含水量上却有显著差异。这种差异集中体现在地表到土深260 cm范围内：生长季初,两处理林地剖面土壤水分状况相对一致,而在生长季末,0—260 cm范围内的覆盖林地剖面土壤含水量已显著高于对照林地。覆盖使该范围内平均土壤含水量由12.11%提高到14.24%,更有效地缓解了相应土层范围内的土壤干燥化。

2.3 覆盖对林地土壤水分消耗的影响

平茬消除了柠条林冠,柠条蒸腾量几乎降为零。因此,平茬初期的林地土壤水分消耗以柠条丛间土壤蒸发为主。不久,新生柠条开始萌发,萌生林呼吸作用旺盛,蒸腾速率较高,也需要消耗一定量的土壤水分。由表2可知,从生长季初到生长季末,两处理林地土壤水分消耗量均呈现出先增加后减少的变化趋势,最大消耗量出现在7月。相比之下,覆盖林地各月土壤水分消耗量都要高于对照林地。这与覆盖增加了降水入渗密切相关。一方面,土壤水分高补给量使得覆盖林地土壤剖面,特别是近地表土层含水量较对照林地要高,土壤水分蒸发量随之增加；另一方面,土壤水分高补给量也为覆盖林地萌生林的生长发育提供了更佳的水分环境,导致其株高和基径的生长速率明显均大于对照林地(图5)。柠条生长量大,自然需要消耗更多的水分。整个生长季,覆盖林地耗水量比对照林地多出了37.56 mm。

表2 覆盖对林地各月土壤水分消耗量的影响

3 讨论

如何最大限度地拦蓄降水[18],减少地表径流和蒸散发损失[19],增加土壤水库的容蓄能力,是解决半干旱黄土丘陵区人工林草地土壤干燥化问题的根本所在。本研究表明,枝条覆盖能明显增加次降水对平茬柠条林地的入渗深度和补给量,使降水入渗补给系数由0.50增加到0.70,雨水资源化率得到显著提高,水土流失现象也得到有效抑制。理论上,覆盖在增加地表粗糙度的同时,还可起到遮阴的作用,从而降低乱流热通量和土壤热通量[20]。但是,本研究在试验设计之初没有区分土壤水分无效蒸发量和萌生林生长发育耗水量,致使覆盖对土壤水分蒸发的抑制作用未被证实,仅得到了“试验期间覆盖林地各月土壤水分消耗量均大于对照林地”的结论。高鹏程等[8]研究表明,在初始含水量较低时,秸秆覆盖的保水效果更加显著。类似地,枝条覆盖在干旱年对柠条林地的保水作用可能更佳。而在丰水年,覆盖林地剖面土壤湿度明显高于对照林地,土壤蒸散发量随之增加,加之覆盖林地柠条生长量大,也要消耗更多的土壤水分。尽管如此,试验期间,覆盖林地多消耗的土壤水分也仅相当于所多补给的土壤水分的1/3。总的来说,在丰水年,枝条覆盖可明显改善平茬柠条林地土壤水分状况,为萌发柠条的生长发育提供更佳的水分条件,从而提高其生产力。

旱化人工林草地土壤水分的自然恢复,其依据在于人工林草植被进入生长衰败期后对水分利用强度的减少[3]。这往往需要很长的时间,不仅水分恢复的速度较慢,恢复深度也比较有限[5,21]。人工恢复,如本研究中的枝条覆盖法,可加快土壤水分恢复的进程,且恢复深度在丰水年当年已明显大于对照林地。需要指出的是,无论是自然恢复还是人工恢复,其恢复进程最终都取决于当地的年降雨量与降雨的季节分配[22- 23]。黄土丘陵区“十年九旱”、“连旱集中”的气候[24],将是该区土壤水分恢复难以逾越的沟壑。本研究观测期较短,关于覆盖在丰水年对土壤水分所产生的积极效应能维持多久,还有待于进一步研究。此外,柠条枝条覆盖的最佳覆盖量也有待确定。

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Effects of branch mulch on soil water of prunedCaraganakorshinskiiforestland in the semi-arid Loess Hilly Region

YAN Zhengsheng1,2, GUO Zhongsheng1,3,*,NING Ting1,2, ZHANG Wenwen1,2

1InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling712100,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

In the semi-arid Loess hilly region where there are insufficient water resources, the condition of soil water is the most important factor limiting plant growth.Studies have shown that biological mulching can effectively increase rainfall infiltration depth and reduce surface runoff, as well as reduce invalid evaporation from the soil surface.However, most studies on biological mulching technologies focused on straw and grass mulching, and there is a lack of information on the effect of branch mulching, particularly in prunedCaraganakorshinskiiforestland. In the semi-arid Loess hilly region, soil drying is a serious environmental problem in artificialC.korshinskiiforestland. The positive effects of branch mulching on soil water conditions may have great significance for vegetation restoration and ecological construction. To understand these effects and to apply the technology for increasing soil water use efficiency, we measured volumetric soil water content (VSWC) using a neutron probe in mulched and unmulched shrubland,of prunedC.korshinskiifrom May to October 2013. Twenty-eight rainfall events were observed during the period and the total rainfall amounted to 495.9mm. Approximately 60% of rainfall events were less than 10mm, and the maximum rainfall was 90.3mm. Regression analysis showed significant positive correlations between rainfall and recharge amounts in both mulch plots and control plots. Furthermore, branch mulch increased the recharge amount. However, when the rainfall was less than 3.1mm, the recharge amount of soil water in mulched shrubland was less than unmulched shrubland. In addition, branch mulch increased the infiltration depth of rainfall, and the rate of rainwater harvesting was improved from 0.50 to 0.70. When the rainfall was >9.4mm, the recharge depth of soil water in unmulched shrubland was less than mulched shrubland. At the same time, there was more evapotranspiration in mulch plots than in control plots. During the growing season, total water consumption in mulch plots was 37.56mm greater than in control plots, which was merely 1/3 of the rainwater more infiltrated because of mulching management. Therefore, there was a positive effect of branch mulch on soil water resources in the wet years, reflected as the increase of soil water content in the 0—260cm depth profile. This study demonstrated that branch mulching can substantially increase the infiltration depth and recharge amount of rainfall in prunedC.korshinskiiforestland and improve the utilization rate of rainwater.

semi-arid Loess Hilly Region; mulch; pruning;Caraganakorshinskii; soil water

国家自然科学基金项目(41271539)

2015- 04- 25;

日期:2016- 03- 03

10.5846/stxb201504250853

*通讯作者Corresponding author.E-mail: guozs@ms.iswc.ac.cn

严正升,郭忠升,宁婷,张文文.枝条覆盖对半干旱黄土丘陵区平茬柠条林地土壤水分的影响.生态学报,2016,36(21):6872- 6878.

Yan Z S, Guo Z S,Ning T, Zhang W W.Effects of branch mulch on soil water of prunedCaraganakorshinskiiforestland in the semi-arid Loess Hilly Region.Acta Ecologica Sinica,2016,36(21):6872- 6878.