黄土高原不同土地利用方式下土壤干层差异

2018-09-06李建平马红英

草业科学 2018年8期

井乐，李建平,2，张翼，马红英，李剑

(1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021； 2.西北退化生态系统恢复与重建国家重点实验室培育基地，宁夏银川 750021)

黄土高原地区是中国乃至全球的典型生态脆弱区，同时又是我国的重要能源化工基地[1]。长期以来，黄土高原水土流失严重，植被恢复难度大，严重制约着该地区农林牧业生产和经济社会的可持续发展[2]。植被恢复和重建是黄土高原综合治理的最主要措施，大规模的退耕还林(草)工程使得黄土高原植被盖度从1999年的31.6%提高到2013年的59.6%，有效遏制了黄土高原的水土流失[3]。同时，植被覆盖率的增加也引起过度耗水，导致深层土壤水分亏缺，形成长期较稳定的干燥化土层，即土壤干层[4]。土壤干层会造成局部小气候环境趋于旱化，土地退化，植被生长衰退，天然下种更新不良，衰败林草地恢复困难等恶劣后果[4-5]。对黄土高原不同土地利用方式下土壤干层差异的研究，有助于人为消除或减弱土壤干层危害，是提高黄土高原植被重建的重要理论基础。

对于黄土高原土壤干层问题，不少学者已做过相关研究。段晨宇[6]研究发现，对于黄土高原整个地区，随着植被生长年限的增加，土壤干层强度逐渐增大，深度加深，半干旱地区土壤干层强度大于半湿润地区。张晨成[7]研究表明，黄土高原人工林土壤干燥化严重，0-500 cm剖面土壤含水量逐渐减小，且普遍低于田间稳定持水量。王力等[8]将土壤干层分为3级，土壤含水量低于5%为强烈干燥化土层，5%～8%为中等干燥化土层，8%～10%为弱干燥化土层。韩仕峰等[9]和王力等[10]将剖面水分分布划分为速变层(0-20 cm)、活跃层(20-100 cm)、次活跃层(100-200 cm)和相对稳定层(200-500 cm)。虽然对黄土高原土壤干层的研究较多，但多集中于土壤干层的发生机理[11-13]、危害[4-5]、分布[14-15]及土壤干层与地表植被的相互作用[16]，而对黄土高原土壤干层水分恢复措施研究较少。

该研究在云雾山选取4块不同样地，分别为放牧草地(封育0年)、封育15年草地、15年柠条地、封育30年草地，探讨不同土地利用方式对土壤干层的影响，为黄土高原植被重建和区域生态环境恢复提供科学依据与参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

试验区设于宁夏回族自治区固原市东北部45 km处的云雾山草原，处于黄土高原腹地，地理位置为106°17′49.2″ E，36°16′44.5″ N，海拔1 963 m，温带半干旱气候区，为典型的半干旱气候，植被类型为典型草原。年平均气温7 ℃，年平均降水量425 mm(1980-2014年平均值)，60%～75%的降水集中分布于夏季7-9月，土壤类型以山地灰褐土和黑垆土为主，水资源补给主要来源于大气降水。主要优势作物为长芒草(Stipabungeana)、大针茅(Stipagrandis)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、伏毛山莓草(Sibbaldiaadpressa)等[17]。自1980年起至今，实行了数次严格的封山禁牧措施，具有典型的封育年限梯度[18]。

1.2 野外采样及处理

在研究区分别选取放牧草地、封育15年草地、15年柠条地和封育30年草地样地各3块，每块样地随机设置3个1 m×1 m样方，每个样方土壤样品采样深度为0-500 cm，重复3次取样，以20 cm为取样间隔，共计25层，每个样方取得土样75个，每个样地取得土样225个，整个研究区域共采集样品900个，用于土壤含水量的测定。放牧草地优势种为长芒草星毛委陵菜、冷蒿(Artemisiafrigida)，植被平均盖度为37%，平均高度为13 cm；封育15年草地优势种为长芒草，植被平均盖度为95%，平均高度为57 cm；15年柠条地灌木层优势种为柠条(Caraganakorshinskii)，平均高度为167 cm；草本层优势种为星毛委陵菜及百里香(Thymusmonoglious)，植被平均盖度为60%，平均高度为13 cm；封育30年草地优势种为长芒草，植被平均盖度为100%，平均高度为58 cm。土壤含水量(SWC)的测定采用烘干法(105 ℃，10.5 h)[19]。样地信息见表1所列。

1.3 数据分析方法

用经典统计学的方法计算放牧草地、封育15年草地、15年柠条地、封育30年草地各层土壤含水量的平均值、方差和变异系数(CV)，以此来衡量各类型土壤水分的平均状况和总变异程度。CV能够反映土壤水分在空间上的分布特征，CV越小说明土壤含水量越稳定，反之则说明土壤含水量的变化越剧烈[20]。一般认为，CV<0.1为弱变异，CV在0.1～1.0为中等变异，CV>1.0为强变异[21]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件进行数据记录及显著性分析，OriginPro 8软件进行图表整饰输出。

表1 试验样地信息Table 1 Sample ground information

封育年限计算以2014年为止，由固原市原州区草原管理站提供，封育年限会有1～2 a误差。

According to Grassland Management Station of Yuanzhou District in Guyuan City, enclosed year of grasslands were ended in 2014, yet there are a vibration between 1 to 2 years.

2 结果与讨论

2.1 不同土地利用方式土壤水分特征

2.1.1放牧草地放牧草地0-500 cm剖面平均土壤含水量为10.0%，变化范围为6.9%～16.5%，各层次的土壤水分含量均大于5%，未出现强烈干燥化土层。放牧草地土壤干层厚度为380 cm，形成深度为80 cm，其中80-240 cm为中等干燥化土层，240-480 cm(除420-440 cm)为弱干燥化土层，干层内土壤平均含水量为9%。其中，放牧草地速变层(0-20 cm)土壤平均含水量为16.5%，活跃层(20-100 cm)土壤平均含水量为12.3%，次活跃层(100-200 cm)土壤平均含水量为7.2%，相对稳定层(200-500 cm)土壤平均含水量为9.2%(图1)。

2.1.2封育15年草地封育15年草地0-500 cm剖面平均土壤含水量为(10.8±0.6)%，变化范围为8.5%～14.5%，各层次的土壤水分含量均大于5%，未出现强烈干燥化土层和中等干燥化土层(图2)。封育15年草地土壤干层厚度为180 cm，形成深度为100 cm，分布位置为100-280 cm，均为弱干燥化土层，干层内土壤平均含水量为8.9%。其中，封育15年草地速变层(0-20 cm)土壤平均含水量为14.5%，活跃层(20-100 cm)土壤平均含水量为13.2%，次活跃层(100-200 cm)土壤平均含水量为8.7%，相对稳定层(200-500 cm)土壤平均含水量为10.6%(图2)。

图1 放牧草地土壤干层特征Fig. 1 Characteristics of soil dry layer in grazing land

与放牧草地相比，封育15年草地0-500 cm剖面平均土壤含水量增加0.8%。中等干燥化土层消失，干层厚度减轻200 cm，干层形成深度基本不变。

2.1.315年柠条地 15年柠条地0-500 cm剖面平均土壤含水量为(10.2±0.3)%，变化范围为7.5%～15.8%，各层次的土壤水分含量均大于5%，未出现强烈干燥化土层(图3)。15年柠条地土壤干层厚度为260 cm，形成深度为120 cm，其中140-320 cm为中等干燥化土层，120-140 cm和320-380 cm为弱干燥化土层，干层内土壤平均含水量为8.1%。其中，15年柠条地速变层(0-20 cm)土壤平均含水量为13.9%，活跃层(20-100 cm)土壤平均含水量为14.3%，次活跃层(100-200 cm)土壤平均含水量为8.9%，相对稳定层(200-500 cm)土壤平均含水量为9.2%(图3)。

图2 封育15年草地土壤干层特征Fig. 2 Characteristics of soil dry layer in enclosed 15 years of grassland

图3 15年柠条地土壤干层特征Fig. 3 Characteristics of soil dry layer in 15 years of Caragana korshinskii land

与放牧草地相比，15年柠条地土壤干层厚度减轻120 cm，形成深度下移40 cm，0-500 cm剖面平均土壤含水量基本相同。与封育15年草地相比，15年柠条地土壤干燥化严重，形成180 cm中等干燥化土层，干层厚度增加80 cm，形成深度基本不变，0-500 cm剖面平均土壤含水量减少0.8%。

2.1.4封育30年草地封育30年草地0-500 cm剖面平均土壤含水量为(11.6±0.4)%，变化范围为9.5%～16.8%，各层次的土壤水分含量均大于5%，未出现强烈干燥化土层和中等干燥化土层。封育30年草地土壤干层厚度为100 cm，形成深度为360 cm，均为弱干燥化土层，分布位置为360-380 cm和440-500 cm，干层内土壤平均含水量为9.7%。其中，封育30年草地速变层(0-20 cm)土壤平均含水量为16.8%，活跃层(20-100 cm)土壤平均含水量为15.0%，次活跃层(100-200 cm)土壤平均含水量为11.6%，相对稳定层(200-500 cm)土壤平均含水量为10.3%(图4)。

与放牧草地相比，封育30年草地0-500 cm剖面平均土壤含水量增加1.6%，土壤干燥化程度较轻，干层厚度减轻280 cm，形成深度下移280 cm。与封育15年草地相比，封育30年草地土壤干燥化减弱，0-500 cm剖面平均土壤含水量增加0.8%，干层厚度减轻80 cm，形成深度下移260 cm。与15年柠条地相比，封育30年草地0-500 cm剖面平均土壤含水量增加1.4%，土壤干燥化减轻，干层厚度减少160 cm，形成深度下移240 cm(图 1,2,3,4)。

图4 封育30年草地土壤干层特征Fig. 4 Characteristics of soil dry layer in enclosed 30 years of grassland

2.2 不同土层平均土壤含水量变异系数

对比不同土地利用方式下不同土层平均土壤含水量的变异系数如图5所示，放牧草地、封育15年草地、15年柠条地、封育30年草地不同土层土壤含水量变异系数为0.005～0.241。土壤水分的最大变异系数出现在放牧草地340-360 cm土层，为0.241，最小变异系数出现在15年柠条地180-200 cm土层，为0.005。放牧草地0-500 cm土层土壤含水量平均变异系数为0.142，封育15年草地0-500 cm土层土壤含水量平均变异系数为0.107，15年柠条地0-500 cm土层土壤含水量平均变异系数为0.067，封育30年草地0-500 cm土层土壤含水量平均变异系数为0.078。

放牧草地0-180 cm土层土壤含水量表现为弱变异，180-500 cm土层土壤含水量表现为中等变异；封育15年草地土层土壤含水量0-20、80-140、160-220、240-340 cm表现为弱变异，20-80、140-160、220-240、340-500 cm表现为中等变异；15年柠条地0-120、140-360、380-480 cm表现为弱变异，120-140、360-380、180-500 cm表现为强变异；封育30年草地0-240、260-380、480-500 cm表现为弱变异，240-260、380-480 cm表现为中等变异。

图5 不同土地利用方式下土壤水分变异Fig. 5 Variation coefficient of different land use patterns

3 讨论

自20世纪60年代在陕西东部旱源发现土壤干层以来，不少学者在文章中提到我国北方地区特别是黄土高原存在土壤干层现象[22]。土壤干层的形成究其根本原因是降水和植物需水负平衡，导致土壤水分亏缺，是植物类型、下垫面性质和生态气候综合作用的结果[23]。土壤干层的形成会阻碍陆地生态系统中的生物小循环、削弱水文大循环，严重影响当前植被建设成效和区域生态稳定[1]。

本研究中，放牧草地土壤干燥化严重，其优势种为长芒草、星毛委陵菜和冷蒿为主，平均盖度约为37%。张成霞和南志标[24]研究表明，在土壤表层，随着放牧强度的增加，牲畜对土壤的践踏加剧，会导致土壤紧实度增加，容重上升，表层土壤含水量下降。本研究发现，长期放牧对土壤干燥化的影响可深至380 cm，可能由于放牧导致土壤表层紧实度增加，降水地表径流增多，而入渗减少，土壤深层水分补充受限，破坏土壤水分平衡，形成严重的土壤干层。随着封育措施的实施，草地植被盖度增加，如本研究封育15年草地，植被平均盖度达到95%，封育30年植被平均盖度达到100%，优势种均为长芒草，植被对于降水的截留及入渗起到重要的拦截作用。王猛等[25]研究表明，连续封育4年后，0-10 cm土壤容重显著降低而土壤含水量显著增加，10-40 cm土壤有机质显著增加。赵栋等[26]研究发现，封育可以改善土壤质量，增加土壤毛管孔隙度、总孔隙度,提高土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量，这与本研究结果一致。本研究发现，随着封育年限的增加，天然草地土壤内含水量会明显增加且土壤干层会逐渐减轻变薄，强度下降。这是因为封育后植被盖度增加，枯落物增多，减缓了水土流失，使得封育后土壤容重显著下降，孔隙度显著增加，持水能力也随之增加[27]。

15年柠条地灌木层优势种为柠条，草本层优势种为星毛委陵菜及百里香，植被平均盖度为60%，牛西午等[28]对柠条根系发育特征及有关生理特性研究表明，柠条具有庞大的根系，主根明显，侧根发达，柠条主根的入土深度和根层的分布因年龄和所处环境等因素的影响而产生一定的差异，一般根系密集层主要分布在10-100 cm土层内，根深和根幅多在100-400 cm范围内。这与本研究数据相符，即在柠条地120-380 cm土层形成了土壤干层，且在140-320 cm土层为中等干燥化土层。柠条对荒漠化治理的贡献毋庸置疑，但与此同时，我们也不能忽视其根系对深层土壤水分的过度吸收，从而对土壤造成的破坏。