半干旱黄土高原苜蓿草地撂荒过程土壤水分变化特征

郭茹茹, 杨 磊, 李宗善, 卫 伟, 张钦弟,*

1 山西师范大学生命科学学院, 临汾 041004

2 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085

土壤水分是陆地水资源的重要组成部分,调节着生物圈-大气之间的关系,是气候—土壤—植被之间相互作用的关键因素[1- 2]。尤其在黄土高原地区,气候干旱、降水稀少且地下水埋藏深,土壤水分是植被生长的主要水分来源,使其成为这一地区植被恢复的重要限制因子[3]。土壤水分不仅影响植物的生长状况,也在一定程度上影响了植被的演替方向[4- 6]。土壤水分过程对植被动态的响应是目前生态水文领域的一个重要科学问题。植被覆盖度的变化、植被消耗水分的动态过程以及区域水资源的可能变化[7],这些问题是影响黄土区土壤水分变化的重要因素,准确描述土壤水分动态变化及其对植被演替的响应,对干旱和半干旱生态系统的稳定具有重要的研究意义。

在植被恢复过程中,土壤水分对草地植物的个体生长和生存以及群落分布、组成和结构产生影响,而草地植被也会通过水分利用和消耗以及改变降水分布来影响土壤水分,二者之间是一种相互依赖和制约的关系[8]。近年来,关于黄土丘陵区不同土地利用方式、植被类型以及降水量对土壤水分的影响进行了大量的研究和探讨,其中张北赢[9]在不同土地利用方式的土壤水分研究中发现,沙棘对垂直剖面的土壤水分影响较大,白羊草地则对季节动态的土壤水分有较大影响;吕渡[10]等探讨不同植被类型下土壤水分分布状况,分析发现草地土壤水分显著高于其它植被类型,同时降水主要影响0—2 m的土壤水分;杜好田[11]等研究降水变化对退耕草地土壤水分影响发现,降水量与土壤水分呈现显著相关,可直接影响土壤含水量的大小,尤其0—30 cm深度土壤水分对降水的响应最大;但针对黄土丘陵区苜蓿地撂荒过程中土壤水分动态变化的分析少见报道。

为防治严重的水土流失、改善区域生态环境,我国黄土高原地区自1999年开展了大规模的退耕还林(草)工程。其中,紫花苜蓿(Medicagosativa)由于其抗旱、耐寒、保土以及高产等优点[12],因而作为优质牧草被广泛种植。同时它生物量大、为多年生牧草,具有强蒸散、高耗水等特性[13]。多年连续种植后会过度消耗大量土壤水分,造成深层土壤发生干化,并带来生态环境恶化[14]。土壤水分不足严重制约植被的生长及植被恢复的可持续性,进而影响生态功能的发挥。另一方面,随着黄土高原地区城镇化的快速发展,农村人口大规模向城镇迁移,致使大量苜蓿草地被撂荒。目前,关于黄土高原地区苜蓿草地的土壤水分做了大量的研究,主要集中在不同地区、不同生长年限以及降雨对土壤水分的影响等方面[15- 19]。以上研究对苜蓿草地的土壤水分状况做了有益的探索,但对于自然状况下苜蓿地撂荒恢复过程土壤水分变化规律研究不够系统深入,需要进一步分析土壤水分在不同恢复阶段是如何变化。因此,本文以半干旱黄土高原小流域草地群落为研究对象,基于土壤水分的动态观测,研究苜蓿草地演替过程中土壤水分的剖面分布和季节变化,明确土壤水分对植被动态的响应特征,以期为黄土高原生态恢复提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

研究区位于甘肃省定西市巉口镇龙滩流域(35°43′—35°46′ N,104°27′—104°32′ E),流域面积约16.1 km2,属典型半干旱黄土丘陵区,流域海拔1840—2260 m(图1)。年平均温度6.8℃,有效积温2124℃,无霜期152 d。年均降水量386 mm,潜在蒸发量1439 mm,降水多集中在7—9月。流域属典型草原带,天然植被主要是赖草(Leymussecalinus)、长芒草(Stipabungeana)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、百里香(Thymusmongolicus)、青甘锦鸡儿(Caraganatangutica)等草本、半灌木和灌木。受长期人为生产、生活等活动的干扰,流域原始植被破坏严重,现有植被以人工植被为主,包括油松(Pinustabulaeformis)、侧柏(Platycladusorientalis)、柠条(Caraganakorshinskii)、紫花苜蓿等(Medicagosativa)。该流域土质均一,土壤类型主要为黄绵土,有机质含量低,土壤贫瘠。

图1 研究区概况图Fig.1 Location of study area

1.2 样地设置和野外调查

在研究区通过相关文献查阅和实地调查苜蓿地撂荒的自然进程[20- 22],将草地群落按演替序列依次划分为苜蓿群落、苜蓿+赖草群落、赖草群落和长芒草群落。采用空间代替时间的方法,对4种群落类型各选取7个样地。在各个样地内进行植被调查,并采集各样地环境和地理信息(表1)。半干旱黄土丘陵区由于浅层土壤水分受降雨影响较大,用动态数据来分析不同植被覆盖下土壤水分对降水的响应更具客观性,故本研究于2016—2018年4月初至10月底,每2周对土壤水分进行测定。结合天然草地植物根系分布特点(表2)以及降水[10]的影响,故本文选取0—1.8 m的土壤水分。采用便携式时域反射仪(TDR/Time-FM)对每个固定样点中土壤水分进行动态监测,每0.2 m测量一次,直至土层深度1.8 m,该水分含量为体积含水量(cm3/cm3)。利用TDR测定的土壤体积含水量,其准确度和精确值分别达到±0.002、±0.01,在观测土壤水分过程中可以不破坏土壤原状结构、操作简便、能长期连续工作的优点。另外,为实时记录该区降水量,该流域在研究样地内均匀布设5个自动式水量记录仪,进行生长季降水量的观测。已有研究表明紫苜蓿等人工植被对深层土壤水分消耗较大[23],因而采用烘干法测定0—5 m深层土壤水分含量。使用便携式土钻在每个样地钻取0—5 m深层土壤样品,每隔0.2 m取样一次,取出的土壤样品在105℃下烘干24 h测定其重力土壤含水量(g/g)。通过烘干法实测重力土壤含水量来校准便携式TDR的土壤水分测量值。该方法校准得出的以下回归方程y=1.1805x-0.3851(R2=0.99),y是烘干法测定的土壤含水量乘以土壤容重,x为时域反射仪的介电常数。土壤容重的测定采用环刀法按0—0.2 m、0.2—0.4 m、0.4—0.6 m、0.6—0.8 m、0.8—1.0 m划分土壤剖面层次,自上而下在每层中部取样,将样品带回实验室,在105℃烘干至恒重,称量干重,计算土壤容重。土壤粒径采用Mastersizer 2000激光颗粒测试仪(英国Malvern)进行测定。然后计算粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002—0.02 mm)和砂粒(>0.02 mm)含量的比例。由表1可知,各草地群落0—0.6 m土壤中粘粒含量的占比在5%上下浮动,粉粒的含量占比最大,达75%左右,砂粒含量的占比则为20%左右。

表1 样地基本信息表Table 1 Basic information table of study area (Mean±SD)

表2 不同草地群落地下生物量分布Table 2 Distribution of belowground biomass in different grassland communities

1.3 数据处理与分析

本文中数据整理用Microsoft Excel 2016,数据分析采用SPSS 17.0软件,采用单因素方差分析(One-way ANOVA)比较不同草地群落土壤水分垂直剖面和季节动态的变化,均采用Turkey法在95%的显著水平进行多重比较,采用OriginPro 8.5.1软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同草地群落土壤水分的垂直剖面分布变化

2016、2017和2018年生长季降水量分别为156.60 mm、209.96 mm和293.04 mm,与该区域长期气候特征相比,2016年为干旱年,2017和2018年为平水年。图2表示的是2016—2018年生长季不同草地群落平均土壤水分的垂直分布。从图2中可以看出,2016年不同群落的土壤水分含量明显低于2017年和2018年。2016年苜蓿群落0—1.8 m平均土壤水分含量为0.091 g/g,而2017和2018年的土壤水分含量分别为0.130 g/g、0.130 g/g;苜蓿+赖草群落2016年土壤水分含量变化于0.091—0.099 g/g之间,而2018年土壤水分则变化于0.112—0.177 g/g之间;赖草群落2016年0—1.8 m平均土壤水分含量为0.108 g/g,而2017—2018年土壤水分含量则为0.158 g/g;2016年长芒草群落土壤水分含量变化于0.086—0.102 g/g,平均值为0.093 g/g,而2018年土壤水分含量相对较高,平均值则为0.133 g/g。其次,撂荒过程中,赖草群落0—1.8 m垂直剖面的土壤水分含量均高于其它草地群落。结合图3分析发现,赖草群落平均土壤水分含量较高,但其随时间也存在较大波动,其土壤水分的时间稳定性低于其它群落。不同年份土壤水分随草地群落演替呈现不同的变化。具体来说,平水年不同土层的土壤水分含量均高于干旱年(图3)。群落演替过程中,0—0.4 m土壤水分含量无明显变化(P>0.05),但在0.4 m以下土壤水分含量差异显著(P<0.05)。在0.4—1.0 m时,赖草群落土壤水分含量显著高于苜蓿群落和长芒草群落,而苜蓿群落土壤水分含量在1.0—1.8 m土层时显著低于其它群落(P<0.05)。以上结果表明,苜蓿草地撂荒演替过程中,土壤水分含量呈先增加后降低的变化。

图2 2016—2018年不同草地群落土壤水分剖面分布特征Fig.2 Vertical distribution of soil moisture in different grassland communities in 2016—2018

图3 比较不同草地群落的土壤水分含量Fig.3 Comparison of soil moisture content in different grassland communities 图中大写字母表示不同年份同一深度的差异;小写字母表示不同群落同一深度的差异(P<0.05)

2.2 不同草地群落类型土壤水分的时间动态

图4表示不同草地群落类型 0—0.4 m、0.4—1.0 m 和 1.0—1.8 m 深度土壤水分的时间动态。由图4可以看出,在 0—0.4 m这一土层中,各群落类型的土壤水分与降水呈现相应季节性变化。不同群落类型土壤水分均随降水呈现出较大的波动,结合图4降水量越大,相应的土壤水分含量也越高。相比而言,赖草群落平均土壤水分含量较高,而苜蓿群落平均土壤水分含量相对较低。方差分析表明,这一层次不同植被类型之间土壤水分并无显著差异,造成这一现象的主要原因在于这一层次受降水补充作用明显,土壤水分波动较大(图3)。与表层0—0.4 m土壤水分的时间动态有所不同,0.4—1.0 m土层内水分含量随降水变化相对较弱,但随降水波动也有一定的变化,土壤水分含量在 0.079—0.156 g/g之间(图4)。结合图3可知,这一层次不同草地群落之间存在差异显著(P<0.05)。由于受降水和植物蒸腾的影响,该层在外界强烈蒸腾期和缺水期可向表层土壤供水,雨季可贮水,不同植物根系吸收对土壤水分有一定的调节作用。由图4可以明显看出,在监测时段内同一植被类型土壤水分基本没有明显的波动,但不同群落类型之间土壤水分含量差异显著(图3)。表明1.0—1.8 m该层受蒸发、降水的影响较小,主要受苜蓿耗水的影响。其中,苜蓿群落在这一层次消耗了大量土壤水分,特别是在干旱年,降水几乎对土壤水分没有补给作用,土壤水分得不到恢复。由此可以看出,降水主要影响着0—1 m剖面土壤水分的时空分布,在自然降水条件下,土壤水分状况较少得到补给与改善。

图4 不同草地群落类型土壤水分的时间动态Fig.4 Temporal variations of soil moisture content in different grassland communities

2.3 不同群落类型0—5 m深层土壤水分的变化分析

通过不同草地群落类型0—5 m土壤水分的对比,以分析随着群落演替土壤水分恢复的程度。从图5可看出,苜蓿群落深层土壤水分明显下降,说明种植苜蓿对土壤深层水分造成了一定的过度消耗。而苜蓿+赖草群落、赖草群落和长芒草群落各层土壤水分含量明显增加,表明撂荒过程中使土壤水分得到了一定程度的恢复。结合表3可知,2 m以下各草地群落土壤水分随土层深度的增加而增加(图5)。其次,各群落类型0—1 m土壤水分含量并无明显变化,1—2 m土壤水分含量有变化但无显著差异,而2—5 m土壤水分含量之间则存在显著差异(P<0.05)。其中,苜蓿群落与其它草地群落相比土壤水分较低,0—1 m为0.115 g/g,1—2 m为0.066 g/g,2—5 m为0.061 g/g;苜蓿+赖草群落2—5 m深层土壤水分含量变化于0.067—0.083 g/g之间,而浅层土壤水分则变化于0.078—0.128 g/g之间;赖草群落0—2 m层草地土壤含水量为0.093—0.135 g/g,平均值为0.114 g/g,2—5 m深层平均土壤水分含量为0.090 g/g,高于其它草地群落类型;长芒草群落0—2 m土壤水分含量变化于0.064—0.084 g/g,平均值为0.073 g/g,深层土壤水分含量相对较高,平均值则为0.094 g/g。以上结果表明这一地区土壤水分的入渗深度不高,1 m以下基本由植被来决定。由此可得,苜蓿草地撂荒过程群落自然演替使深层土壤水分得到一定程度的恢复,深层土壤水分恢复有利于植被的可持续生长。

图5 不同群落类型0—5 m深层土壤水分的比较Fig.5 Comparison of 0—5 m deep soil moisture in different community types

表3 不同草地群落类型的0—5 m的土壤水分含量/(g/g)Table 3 Comparison of soil moisture content in 0—5 m depth of different grassland community types(Mean±SD)

3 讨论

3.1 不同草地群落土壤水分垂直剖面分布变化的原因

在黄土高原地区,由于受季风气候的影响,年际间降水量存在较大差异[24- 25]。本研究结果表明,苜蓿地撂荒过程中0—1.8 m整个剖面内土壤水分均表现出明显的年际差异。平水年(2017—2018)同一草地群落的土壤水分明显高于干旱年(2016)。这是由于年际间的降水补充造成的差异,土壤水分年际间变化基本与年降水量的变化一致。本文中各草地群落降水主要影响 0—1 m土层的土壤水分,而1 m以下土层基本由群落类型所决定。这与王力[7]、马婧怡[26]等人的研究结果相一致。不同草地群落土壤水分消耗程度的不同,使得土壤水分剖面垂直分布不同,从而影响着潜在降水入渗能力[27]。本研究中,土壤水分随群落恢复时间的延长呈先增加后降低的变化。由于根系分布密度和深度存在较大差异,植被的蒸腾和土壤的蒸发不同,因而土壤水分会发生相应的变化[28]。此外,赖草群落各层土壤水分明显高于苜蓿群落(表3),苜蓿是深根系植物,生长需要吸收更深层的水分,随着深层土壤水分逐渐消耗,造成土壤干燥化程度加深。随着群落的演替,枯草层较厚,因此蒸散量较小、土壤水库储存量就比较高[29];另外,赖草、长芒草禾本科植物等根系浅,主要利用表层土壤水分来维持自身生长,深层土壤水分得到恢复[30]。这说明撂荒过程对土壤水分条件的改善具有积极的作用。

3.2 不同草地群落类型土壤水分时间动态变化的解释

土壤水分受降水入渗补给、土壤蒸发和植物蒸腾等因素影响,具有明显的季节性波动变化特征[31]。在本研究中,0—0.4 m土层的土壤水分主要受降水波动较大,其动态变化趋势与降水的变化趋势基本一致(图4)。这与前人在土壤水分方面的大多数研究结论相吻合[24,32- 33]。0—0.4 m土壤水分虽然受较强的土壤蒸发作用,但降水对土壤水分有较好的补给,从而土壤水分相对较高;0.4—1.0 m主要由降水和植被类型共同决定,这一土层水分受土壤蒸发和植被蒸腾双重作用的影响,降水对土壤水分有一定的补给;1.0—1.8 m土层土壤水分主要受植被类型影响,土壤水分基本得不到降水补给,受土壤蒸发影响相对较小,而受植被蒸腾作用相对较大,与Souza[34]和Rosenbaum[35]等人的研究结果相符。图4中1.0—1.8 m因受群落类型影响,土壤水分含量也表现不同。其中,赖草群落的土壤水分含量显著高于苜蓿群落。降水入渗深度随土层深度的增加而降低,因而土壤水分的季节变化表现出随土层增加趋于减弱的趋势,这可能是由于植物在生长过程中,消耗了浅层土壤水分,使降水在补偿浅层土壤水分后,对深层土壤水分补偿减少的缘故造成。

3.3 分析撂荒过程土壤水分的变化对植被恢复建议

土壤水分是黄土高原植被恢复与生态重建的主要限制因子,也是决定土地生产力的一个重要因素[28]。在退耕还林(草)背景下,由于缺乏科学指导,大多数引进的人工植被耗水量大,不适宜当地的土壤水分环境,加剧了黄土高原地区深层土壤的干化过程[33,36],对区域土壤水环境产生了一定的影响,不利于区域生态安全以及可持续发展[37]。因此,在这种情况下要对该地区进行生态恢复,必须选择合适的植被恢复方式。本研究结果表明,苜蓿地撂荒过程中,深层土壤水分得到恢复,土壤干化情况也可以得到有效地缓解。说明退耕以后,植被的自然恢复是一个良性的发展趋势。苜蓿经过自然演替可恢复为乡土草本植被,可以改善土壤的理化性质,提高土壤的蓄水能力,从而使土壤水分含量提高,继而很好地适应区域环境[38- 39]。相比人工恢复,撂荒恢复具有较好的生态环境效应。由此看来,撂荒恢复是退耕还林(草)中所采取的一种较为合理的恢复方式,它不但改善了土壤水分状况,还缩短了恢复时间,对于黄土高原生态恢复具有重要的意义。

4 结论

本文以典型半干旱黄土高原草地群落为研究对象,定量分析了苜蓿地撂荒自然恢复过程中土壤水分的动态变化以及降雨对不同深度土壤水分的影响。主要结论如下：(1)在撂荒演替过程中,土壤水分随群落恢复时间的延长呈先增加后降低的变化。其次干旱年和平水年之间的土壤水分存在显著差异(P<0.05)表明降水与土壤水分的关系密切相关。(2)撂荒过程,0—0.4 m土壤水分受降水波动较大,各群落土壤水分并无明显差异。表明该土壤层通过降水使不同群落土壤水分得到很好的补给。降水对0.4—1.0 m深度的土壤水分有定的影响,且不同草地群落土壤水分存在显著差异(P<0.05);1.0—1.8 m深度土壤水分随时间动态并无明显变化表明降水对深层土壤水分没有进行有效补充,同时土壤水分含量也较为稳定。(3)不同草地群落2—5 m深层土壤水分均存在着随土层深度增加呈升高的变化趋势。同时2 m以下各草地群落同一深度的土壤水分均显著差异(P<0.05)。其中,赖草群落的土壤水分含量最高,通过以上研究表明撂荒过程使深层土壤水分得到了一定程度的恢复。总体而言,苜蓿草地撂荒过程群落自然演替对于恢复深层土壤水分具有重要的意义。