宁夏压砂地不同植被类型土壤干燥化特征

王幼奇，张 兴,陆学娥，赵云鹏，包维斌，白一茹*

(1 宁夏大学 资源环境学院，银川 750021；2 旱区特色资源与环境治理教育部国际合作联合实验室，银川 750021)

宁夏中部旱区位于黄土高原西部边缘，属荒漠草原气候带，降水少且蒸发旺盛，生态环境十分脆弱[1]。压砂地是当地农民为对抗恶劣自然环境，利用砾石和粗细砂的混合体作为覆盖材料，依赖天然降水创造出的一种西北独特的旱作保护性耕作方式[2-3]，在改善土壤环境、抑制水分蒸发和增加入渗等方面有显著作用[4-5]。但随着气候干旱化趋势的日益显现，以及农作物和林草等土壤耗水量的持续提高，压砂地土壤干燥化和生产力退化问题日益引起重视。

土壤干燥化现象是由于农作物和林草植被过度耗水导致土壤深层水分亏缺，土层剖面在一定深度内形成长期存在的干燥化土层[6-10]。其产生会导致农作物产量波动加剧和林草生长衰败等现象[11-12]，同时也会阻隔土壤水分垂直入渗，影响陆地水分循环过程[13-14]。由于植被的耗水能力(根系耗水、蒸散发能力和冠层效应)是影响土壤干燥化现象的重要因素[11, 13]，因此，众多专家学者对黄土高原地区不同植被类型区土壤干燥化现象进行了研究。其中，黄土塬区农田、草地和林地等土地利用方式下深层土壤均产生了不同程度的干燥化[15]，黄土丘陵区林地和苜蓿地也均存在不同程度的干燥化现象，且人工植被密度过大是造成其干化的重要原因[16]。纵观整个黄土高原地区，北部及中部干旱半干旱地区林草地的土壤干燥化现象较南部半湿润区严重[17-19]。近50年来的气候暖干化趋势可能是导致该区土壤干层形成的直接原因，而植被类型选择不当、群落密度过大以及生产力过高是加剧深层土壤干燥化进程的重要因素[20]。可见，目前在黄土高原地区关于不同植被类型下土壤干燥化问题研究都较为系统深入[15-20]，但针对宁夏中部旱区压砂地土壤干燥化问题研究较少，且缺乏对不同植被类型下压砂地土壤干燥化强度的定量评价。

宁夏中部旱区是压砂地集中分布区域之一。土壤水分不足一直是制约压砂地农业发展的重要因子，土壤干燥化作为一种特殊的土壤水分现象，是对土壤水文过程演变的一种综合响应[21-22]，对探索该区域土壤水分状况以及压砂地可持续利用具有重要的意义。因此，本研究以宁夏中部旱区压砂地为对象，通过对不同植被类型区土壤含水量剖面分布特征进行实地观测，分析比较不同植被类型下土壤含水量、水分过耗量、干燥化指数、干层厚度等土壤干燥化指标，揭示宁夏中部旱区压砂地不同植被类型区土壤干燥化特征，为宁夏中部旱区压砂地植被恢复、农业结构调整及可持续利用提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏环香山地区(104°57′22″～105°14′38″E，36°58′48″～37°06′43″N)，海拔1 620.8～1 872.4 m，属荒漠草原气候带，夏季酷热，冬季寒冷，气候干燥，年均太阳辐射量5 642 J/m2，年日照时数2710 h，年均气温13.5 ℃，≥10 ℃积温2 398 ℃，无霜期149～171 d。年均降水量247 mm，年均蒸发量2 250 mm。土壤为黄绵土，土质疏松，质地均匀，容重为1.38 g/cm3，土壤田间持水量为17.45%，土壤稳定湿度为10.47%，凋萎湿度为4.89%。

1.2 试验设计

根据植被调查状况，于2017年3月在研究区内，分别选取沙枣(ElaeagnusangustifoliaL.)、柠条(Caraganakorshinskii)、西瓜(Citrulluslanatus)、枸杞(Lyciumchinense)和草地5种具有代表性的压砂地植被类型进行深层土壤水分测定，样点的土壤基本物理性质见表1。采用直径为5 cm土钻采集土壤样品，在0～100 cm之间每10 cm土层取样1次，在100 cm以下每20 cm土层取样1次，采样最大观测深度为600 cm。田间持水量(FC)和凋萎湿度(WM)均采用Van Genuchten模型拟合，获取拟合参数后，分别计算30 kPa和1 500 kPa时对应的土壤含水量。土壤砂粒、粉粒、粘粒含量采用MS3000激光粒度仪测定，土壤容重、饱和含水率和饱和导水率由环刀法测定。

表1 不同植被类型下压砂地土壤的基本物理性质比较

由于土壤水分(特别是表层土壤水分)与灌溉(西瓜和枸杞每年春夏两季都会定期进行灌溉)、降雨的关系密切，虽然采样时间在3月，减少了灌溉和雨季对土壤水分的影响，但由于不同植被(特别是有无灌溉措施)所得到的结果可能会存在一定差异。为了减小灌溉和降水对本研究结果的影响，在充分考虑当年灌溉措施、降水量和黄土高原土壤水分入渗补给相关研究成果的基础上，我们在分析土壤干层状况时不考虑表层0～60 cm的水分数据。

1.3 土壤含水量及相关参数计算

土壤含水量采用烘干法测定。通过以下公式计算相关参数：

SW=SM×BD×D

(1)

SWe=SW-WM

(2)

SWr=SSM-SW

(3)

式中，SW为土壤贮水量；SM为土壤含水量；BD为土壤容重；D为土层深度(cm)；SWe为土壤有效贮水量；WM为凋萎湿度，是指当植物因根系无法吸水而发生永久萎蔫时的土壤含水量，它是植物利用土壤水分的下限；SWr为土壤水分过耗量；SSM为土壤稳定湿度，是在气候、土壤质地、自然植被等因素的综合作用下土壤能长期维持的湿度，通常作为判断土壤干燥化的上限指标，其值约为土壤田间持水量的50%～70%，本研究中统一取值为60%。

1.4 土壤干燥化强度评价方法

为更好地描述压砂地不同植被类型下的土壤干燥化强度及其剖面分布特征，借鉴文献[21-24]提出的土壤干层厚度(DSLT)、干层内的平均剖面土壤含水量(DSL-SWC)、土壤干层在剖面上的起始形成深度(DSLFD)和土壤干燥化指数(SDI)来定量评价土壤的干燥化强度。其中，DSLT即土壤剖面上含水量小于土壤稳定湿度的土层厚度；DSL-SWC即当DSLT确定后，位于该层次内的平均含水量；DSLFD即位于降雨和灌溉渗深以下的剖面水分含量小于土壤稳定湿度的第一个测定点；SDI为某一土层有效含水量占该层土壤稳定有效含水量的比重，即该土层可供植物吸收利用的含水量占该层土壤有效含水量的百分比，表示为:SDI=(SM-WM)/(SSM-WM)×100%。

依据SDI的大小，通常将土壤干燥化强度划分为6级:(1)若SDI> 100%，为无干燥化；(2)若75% ≤SDI≤ 100%，为轻度干燥化；(3)若50% ≤SDI≤ 75%，为中度干燥化；(4)若25% ≤SDI≤ 50%，为严重干燥化；(5)若0≤SDI≤ 25%为强烈干燥化；(6)若SDI< 0，为极度干燥化。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型下压砂地土壤含水量比较

表2显示，宁夏中部旱区5种压砂地植被类型中，西瓜地0～600 cm土层的土壤含水量和贮水量均最大，其次为荒草地、枸杞地、沙枣地，柠条地最低，且5种压砂地植被类型间存在显著差异(P<0.05)，各植被类型土壤水分过耗量表现与之相反。其中，5种植被类型下土壤含水量均值都低于当地土壤稳定湿度值(10.47%)；西瓜地、草地均与其他植被类型的土壤含水量均存在显著差异，枸杞地与柠条地、沙枣地也存在显著差异，柠条地和沙枣地土壤含水量差异不显著。同时，各植被类型土壤贮水量和有效贮水量均值及其植被平均值均明显低于当地土壤稳定湿度时的贮水量和有效贮水量。西瓜地与草地的土壤贮水量差异不显著，而与枸杞地、柠条地和沙枣地存在显著差异；草地土壤贮水量与枸杞地差异不显著，而与柠条地和沙枣地存在显著差异。这与不同植被类型下土壤含水量表现存在一定差异，可能与样点土壤容重不同有关。另外，各植被类型下土壤水分过耗量均值为274.942 mm，且超过了研究区年均降水量。以上结果说明宁夏中部旱区不同植被类型下压砂地土壤均发生了不同程度的水分过耗现象，且植被类型间存在显著差异，并以西瓜地较轻，柠条地较重。

2.2 不同植被类型下压砂地土壤含水量剖面分布特征

宁夏中部旱区土层厚、地下水位深，因此土壤水分没有地下水的补给，土壤含水量主要受灌溉、降雨入渗、地表蒸发以及植物蒸腾等因素的影响。不同植被类型下压砂地0～600 cm土层土壤含水量剖面分布特征如图1所示，并以土壤稳定湿度和凋萎湿度作为对照。不同植被类型下压砂地土壤剖面含水量随土层深度的增加呈先减小后增大的趋势。其中，在0～60 cm土层中，西瓜地和枸杞地的土壤含水量随深度的增加而迅速降低，柠条地、沙枣地和草地的含水量呈现为先增加后减小的趋势；在60～600 cm深度内，土壤水分含量随深度的增加呈波浪式缓慢增加。土壤含水量的最大值出现在0～30 cm土层内，这主要是由于在25 cm处存在坚硬的犁底层，阻碍土壤水分交换，其下土层受灌溉和降雨等因素影响较小，且植被根系对土壤水分的强烈吸收也会形成土壤水分含量上高下低的情况[25]。同时，通过对比不同植被类型的土壤含水量剖面，发现其土壤剖面含水量由高到低依次为西瓜地、草地、枸杞地、沙枣地、柠条地。西瓜地仅在80～320 cm和400～500 cm之间土层含水量低于当地土壤稳定湿度，最大耗水深度为500 cm；草地和枸杞地除浅层土壤外，土壤剖面含水量均低于当地土壤稳定湿度；沙枣地和柠条地的土壤剖面含水量明显低于土壤稳定湿度值。整体上，在宁夏中部旱区，除西瓜地外，其余植被类型下压砂地土壤最大耗水深度均超过600 cm，土壤水分消耗严重。

由于采样期间研究区经历了一次弱降雨过程，表层土壤水分受到一定影响，为更好地反映不同植被类型下土壤剖面含水量变化情况，分别对各植被类型0～60 cm及60～600 cm的土壤水分含量进行描述性统计(表3)。在0～60 cm土层中，西瓜地、枸杞地和草地土壤含水量显著高于柠条地和沙枣地(P<0.05)，表明在同等降雨条件下，西瓜地、枸杞地和草地的土壤水分能得到较好的补充。从变异系数看，除西瓜地外，各植被类型0～60 cm土壤的土壤含水量变异系数明显低于深层土壤；而在60～600 cm土层，不同植被类型土壤含水量的变异系数均低于浅层，且除柠条和沙枣地外，其他植被土壤间均呈现显著差异(P<0.05)。各植被类型深层土壤含水量变异系数的变化特征同浅层相反，主要原因是土壤表层水分受到外界自然条件影响比较大，表层土壤比深层土壤可以接受更多水分补给，也更易受到植被蒸散和土壤蒸发的影响。

表2 不同植被类型下压砂地0～600 cm土层土壤含水量比较

注：同列数据后标不同小写字母者表示在0.05水平差异显著；表3同

Note: Different normal letters within the same column indicate significant differences at 0.05 level; The same as Table 3

2.3 不同植被类型下压砂地土壤干燥化强度评价

不同植被类型下压砂地60～600 cm土壤干燥化强度及其干层厚度调查结果如表4所示。其中，西瓜地属于轻度干燥化强度，干层起始厚度为80 cm，干层厚度为366.67 cm，干层内平均含水量为8.668 mm，主要耗水土层位于80～280 cm之间。草地属于中度干燥化强度，干层起始厚度为60 cm，干层厚度超过513.33 cm，干层内平均含水量为7.82 mm，其中强烈耗水层位于160～360 cm之间，严重耗水层位于80～400 cm之间。柠条地和沙枣地均属于强烈干燥化强度，60～600 cm之间均为土壤干层。柠条地干层厚度超过540 cm，干层内平均含水量为5.241 mm，其中极度干燥层位于60～220 cm和300～400 cm之间；沙枣地干层内平均含水量为5.62 mm，其中极度耗水层位于70～140 cm和300～400 cm之间，强烈耗水层主要位于70～520 cm之间。枸杞地属于严重干燥化强度，干层起始厚度为60 cm，干层厚度超过540 cm，干层内平均含水量为7.25 mm，其中强烈耗水层位于60～80 cm和280～380 cm之间，严重耗水层位于120～520 cm之间。总体上，宁夏中部旱区土壤属于严重干燥化程度，干层厚度均达到或超过366.67 cm，其中枸杞、柠条和沙枣地的干层厚度均超过540 cm，不同植被类型下压砂地均发生了不同程度的干燥化现象，其干燥化强度由强到弱依次为柠条地、 沙枣地、 枸杞地、草地、西瓜地。

图1 不同植被类型下压砂地土壤含水量剖面分布特征比较Fig.1 Comparison of soil moisture distribution on different vegetation types of the gravel mulched field

表3 不同植被类型下压砂地0～60和60～600 cm土层土壤含水量比较

表4 不同植被类型下压砂地土壤干燥化强度及其土壤干层厚度

注：A. 轻度干燥化；B. 中度干燥化C. 严重干燥化；D. 强烈干燥化

Notes: A. Slight desiccated； B. Medium desiccated；C. Serious desiccated；D. Strong desiccated

2.4 压砂地土壤干燥化指标与环境因子的典型相关性分析

DSLFD.干层起始形成深度；DSLT.干层厚度；DSL-SWC.干层内土壤平均含水量；SDI.土壤干燥化指数图2 土壤干燥化指标与环境因子的典型相关关系DSLFD.Forming depth of desiccated soil layer；DSLT.Thicknesses of desiccated soil layer；DSL-SWC. Soil water content in the inner of desiccated soil layer；SDI.Soil desiccation indexFig.2 Canonical correlations of soil desiccation and environmental factors

设环境因子为变量x，其中经度为x1、纬度为x2、高程为x3、植被类型为x4、种植年限为x5、土壤容重为x6、粉粒含量为x7、砂粒含量为x8；土壤干燥化指标为变量y，其中干燥化指数(SDI)为y1，干层起始形成深度(DSLFD)为y2，干层厚度(DSLT)为y3，干层内土壤平均含水量(DSL-SWC)为y4。通过典型相关分析(图2)，得到4组典型变量，其中U表示环境因子综合指数，V表示土壤干燥化指标，其相关系数分别为λ1=0.965*、λ2=0.955、λ3=0.859、λ4=0.577，其中只有第一相关系数达到显著水平，提取其典型变量数据进行分析。通过对土壤干燥化指标与环境因子进行典型相关分析，得到其典型变量的线性组合为：U1=-2.625x1-2.747x2+1.847x3-0.852x4+0.558x5+0.197x6-2.176x7-1.77x8；V1=-10.374y1- 0.202y2-2.519y3+8.084y4。在U1各系数中经纬度、高程、植被类型、粉粒及砂粒含量等环境因子起决定性作用，在V1各系数中起决定性作用的为干燥化指数(SDI)和干层内土壤平均含水量(DSL-SWC)，说明宁夏中部旱区植被类型、种植年限、粉粒及砂粒含量等环境因子与土壤的干燥化指数(SDI)和干层内土壤平均含水量(DSL-SWC)关系更密切。

3 讨 论

环香山地区是宁夏中部旱区的核心区域，通过对该区不同植被类型下压砂地土壤含水量进行研究，发现该区农田(西瓜)、草地和人工林地(枸杞、柠条和沙枣)的土壤含水量的均值较低(<10%)，与李军等对黄土高原北部半干旱偏旱区(海原)土壤含水量以及贮水量的研究结果相近，是由该区干旱少雨的自然环境所导致的。根据不同植被类型下压砂地土壤剖面含水量分布状况可知，在浅层土壤中西瓜地和枸杞地土壤含水量随深度增加而迅速降低，柠条地、沙枣地和草地含水量呈现为先增加后减小的趋势。其主要原因是由于西瓜地和枸杞地的种植年限较短，且农田管理措施较完善，土壤表层砂石覆盖较好，能较好地截留雨水，增加水分下渗量[26]，同时也会减弱风吹日晒的影响，抑制土壤水分蒸发[27]。而柠条地、沙枣地和草地的压砂地种植年限长，人为因素影响小，砂石层的含土量增加，渗水能力减弱，土壤水分蒸发较明显，导致含水量呈现为先增加后减小的趋势。深层土壤中，土壤水分含量随深度增加呈波浪式缓慢增加，其主要原因是由于土壤深层水分主要受到植被根系和剖面土壤质地的共同影响，随土壤深度的增加土壤根系逐渐减少，对土壤水分影响逐渐减弱，土壤含水量有所恢复[28]。

通过对宁夏中部旱区不同植被类型下压砂地土壤干燥化现象研究发现，植被类型是影响其干燥化现象的重要因素。分析原因可能是不同植物的根系分布深度、密度及地上生物量具有很大差异，导致植物耗水的异质性，同时改变土壤入渗和持水能力，影响土壤水分循环[1,29]。众多学者对不同植被类型下土壤干燥化现象进行研究，发现土壤干燥化强度和干层厚度通常表现为林地>草地>农地，干层起始深度为林地<草地<农地，本研究中宁夏中部旱区压砂地土壤干燥化现象的表现与之相一致[15, 30-33]。其主要原因是在相同的气候和土壤环境下，柠条、沙枣和枸杞等灌木林的生长期长，地上生物量大且根系分布深，长期根系吸水导致土壤深层水分亏缺严重，形成与根系延伸一致的土壤干层，其土壤干层分布深厚度大，干燥化程度严重；草地虽然植物生长期长，密度较大，但其地上生物量较小且根系分布浅，植株耗水量较灌木林地少，土壤深层水分亏缺相对较轻；西瓜等一年生作物农田干燥化的成因是由于耕作层和下层土壤水势梯度差所引起的水分向根系层逐年上移导致的[13, 34]，干层分布较浅，干燥化程度较轻。同时，本研究通过对比枸杞地、柠条地和沙枣地土壤含水量剖面发现，枸杞地的土壤含水量明显高于柠条地和沙枣地，这可能与作物的种植年限、植株密度、冠层效应以及农田管理措施(除草、施肥和灌溉)有关，枸杞作为当地农民的主要经济作物之一，种植密度较小且种植年限较短，同时除草、翻耕等会中断毛管水的连续性，减少水分蒸发，灌溉和施肥会增加土壤的水分含量，而柠条地和沙枣地受人为因素影响少，种植年限较长，根系密度大分布深，同时柠条种植密度大，沙枣的植株高，增强了作物蒸散能力，导致植株的耗水能力的增大。除此之外，地形地貌、集水措施和土壤性质等因素都是影响压砂地土壤水分状况的重要因素，具体情况还需要进一步研究[28]。

宁夏中部旱区压砂地土壤干燥化现象究其根本原因是由于该区自然降水偏少、蒸发旺盛和植物强烈耗水，导致土壤水分负平衡，亏缺到一定程度的结果。本研究发现，除西瓜地外，该区不同植被类型下土壤深层均呈现出较明显的干燥化现象，特别是柠条、沙枣和枸杞林地。长此以往，干燥化程度加剧和深层永久性土壤干层产生将成为一种必然趋势。永久性土壤干层形成后，土壤水库效应会逐渐减弱，甚至消失，植物生长将完全依赖于自然降水，作物产量随降水波动加剧，并呈逐渐减少趋势，最终会失去生产利用价值[16]。即使将改变耕作方式和土地利用方式，降水入渗层很少能超过植物耗水量，其深层土壤干层的湿度很难得到恢复，即使可以恢复，也需要相当漫长的时间。因此，一旦深层土壤干燥化达到严重程度，其后果不仅表现为当前土壤退化而失去生产价值，而且意味着今后相当长的时间内不宜再发展生产。

4 结 论

本研究在观测宁夏中部旱区压砂地沙枣、柠条、西瓜、枸杞及草地土壤含水量的基础上，分析比较不同植被类型下土壤含水量、水分过耗量、干燥化指数、干层厚度等土壤干燥化指标。结果表明：1)宁夏中部旱区不同植被类型下压砂地土壤含水量在0～600 cm的均值为7.163%，土壤贮水量和土壤有效贮水量均值分别为591.978 mm和187.088 mm，均明显低于当地土壤稳定湿度的含水量值和贮水量。西瓜地的土壤含水量和贮水量最大，其次为荒草、枸杞、沙枣，柠条地最低。不同植被类型下压砂地土壤均发生了不同程度的水分过耗现象，且植被类型间存在显著差异。2)依据土壤含水量剖面分布特征，不同植被类型下土壤含水量随深度的增加呈先减小后增大的趋势，除西瓜外，其余植被土壤剖面含水量明显低于当地土壤稳定湿度，最大耗水深度均超过600 cm，但深层土壤含水量呈较明显的恢复趋势。3)不同植被类型下压砂地土壤平均干燥化系数介于2.152%～85.026%之间，平均干燥化系数为37.674%，属于严重干燥化强度，其中柠条地和沙枣地均达到强烈干燥化强度。土壤平均干层厚度达到或超过500 cm，其干燥化程度由强到弱依次为柠条地、 沙枣地、 枸杞地、草地、 西瓜地。4)通过对压砂地土壤干燥化指标与环境因子进行典型相关性分析发现，经纬度、高程、植被类型、粉粒及砂粒含量等环境因子是影响干燥化指数、干层内土壤含水量等干燥化指标的重要因素。