伊犁河谷坡面管理措施对表层土壤储水和草被恢复的影响

普颖颖，张文太，李 政，顾祝军，黄国平，胡雨彤，赵红梅

(1.新疆土壤与植物生态过程自治区级重点实验室/新疆农业大学 草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.南京晓庄学院 环境科学学院，江苏 南京 211171)

伊犁河谷草地退化面积为221万hm2，占草地总面积的64.7%[1]，退化主要表现为植被盖度降低、地上生物量减少、草层变矮等[2]。草地严重退化，使得水土流失更为严重[3]。因此，如何防止草地退化、提高植被覆盖度，以减少土壤侵蚀，是目前伊犁河谷生态建设中亟待解决的一个问题。

植物生长、蒸腾所消耗的水分主要来源于降水或灌溉所形成的土壤水[4]。土壤水直接影响植物的生长，且受降水、蒸发、蒸散及地下水等因素的影响而不断变化[5]。利用一些集雨措施提高土壤水含量，能促进植物的恢复和生长。覆盖措施是农田保墒的重要技术措施之一，能显著改善土壤水分状况，提高降水资源利用效率[6]。垄沟集雨种植系统在田间形成作物水分微环境，使降水通过垄面聚集到沟中作物根部，改善了作物水分供应状况，进而提高了作物产量[7]。ATKINSON et al.[8]研究表明，打孔有益于改善土壤的物理性状，使得水分可以快速渗透土壤，从而提高土壤含水量，为植被生长提供更多水分。集雨补灌可有效解决植物生长过程中自然降水与需水供需错位，实现降水资源的时空配置[9]。

目前，大部分关于集雨保水措施的研究集中于农田作物方面，且多集中于黄土高原等地区，有关集水对新疆天然草地植被恢复的研究鲜有报道。本研究通过测定不同坡面管理措施下的表层土壤含水量及植被生长指标，探讨坡面管理措施对草地植物生长的影响，旨在为伊犁河谷退化草地生态恢复提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于伊宁市北山坡九城生态园，地理位置81°09′E、48°53′N。该区域属于温带大陆性干旱气候区，年均气温9.2 ℃，最低气温-36 ℃，年均日照时数3 614 h，年均降水量206～512 mm，并以短时间降雨为主，无霜期178 d。自然植被覆盖度较低，以多年生蒿属及一年生猪毛菜等为主。

试验地使用的是锦州阳光气象科技公司生产的PC-4型便携式自动气象站，用于监测降雨等气象要素。记录仪每15 min记录一次数据，当气象仪录入一周的数据后，利用计算机导出数据。

1.2 试验设计

试验在2019年4—9月进行，以伊犁河谷自然草地坡面为研究对象，进行土壤水分和植被监测。

本试验选择灰钙土和棕红土2种土壤类型坡面，分别布设了枯草覆盖、水平沟、增渗孔、单倍补灌、双倍补灌及对照6种措施共12个小区，每个小区面积为10 m×2 m。其中，单倍补灌小区的补灌量为小区面积上0.5 mm的日降雨量共计10 L，双倍补灌小区的补灌量为小区面积上1 mm的日降雨量共计20 L，用喷洒方式一次性补灌完毕。在降雨后收集小区径流，在无雨干旱时进行补灌。

1.3 指标测定

小区监测的植被都为自然恢复模式下的草地植物，灰钙土小区植被2019年5月开始恢复，恢复植物为伊犁蒿；棕红土小区的植被恢复较晚，2019年7月才开始恢复，恢复植物为猪毛菜。每个处理随机选择3株植物，在试验初始和试验结束后分别用钢卷尺测定其株高、冠幅等指标。每个小区随机设定3个1 m×1 m的样方，每月测定一次植被覆盖度，方法为采用数码相机对样方垂直拍摄，然后在后期利用Photoshop软件的“选择”中的“色彩范围”来选取一定特征的像素，从而根据所选像素占照片总像素的比例计算照片区域内的植被覆盖度[10]。在试验期末，将灰钙土和棕红土样方内的地上部分齐地面刈割，去除表面黏附的土壤、砾石等非试验所需物后，使用1/100电子天平称量得到鲜质量；之后将其装在纸袋中带回实验室，在105 ℃条件下杀青约10 min后，再置于70 ℃烘箱中烘干至恒定质量，得到干质量。

利用美国Spectrum Field Scout TDR100便携式土壤水分速测仪测定土壤水分。从2019年4月开始，定时随机监测各个处理坡面上、中、下不同坡位表层0～10 cm的土壤含水量，无雨情况下每两天监测一次，有雨情况下雨后进行监测。

1.4 数据分析

采用Excel 2016和SPSS 20.0软件进行数据整理与统计分析，采用Duncan多重比较法进行方差分析(α=0.05)，用Excel 2016作图。

2 结果与分析

2.1 试验区日降雨特征及其对土壤水分的影响

2.1.1 日降雨特征

本试验于2019年4—9月连续对试验区进行了气象数据的监测(图1)。新疆降雨等级按日降雨量分为4个等级：小雨(0.1～6.0 mm)、中雨(6.1～12.0 mm)、大雨(12.1～24.0 mm)和暴雨(≥24.1 mm)[11]。4—9月共观测到29场小雨、4场中雨、1场大雨，以小雨居多。试验区最大日降雨量为21.4 mm，出现在4月，此次降雨大部分以地表径流的形式损失，小部分入渗到坡面土壤中；最小日降雨量为0.2 mm，出现在6月和7月，降雨大部分入渗到坡面土壤中。

图1 试验区日降雨量变化

2.1.2 降雨对表层土壤水分动态变化的影响

本试验选择大雨(4月25日21.4 mm降雨)、中雨(8月17日9.6 mm降雨)、小雨(7月24日4.6 mm降雨)3场不同类型的日降雨，说明降雨量对表层土壤水分动态变化的影响。由图2—4可知，各处理间土壤含水量的变化在不同降雨量下表现不一致，降雨量越大，各处理恢复到稳定状态的时间越长，最长可达22天。综合3场降雨的观测数据来看，降雨过后，水平沟处理表层土壤含水量的上升幅度最大，灰钙土坡面上较对照高1.8百分点，棕红土坡面上较对照高2.9百分点；在各处理土壤含水量下降到稳定状态期间，前3天内表层土壤含水量下降速率最快。各处理与对照的差异表现为枯草覆盖处理土壤含水量最大，在灰钙土坡面上较对照高0.8百分点，在棕红土坡面上较对照高2.9百分点。棕红土坡面持水性能好，储水能力强，表层土壤含水量显著高于灰钙土坡面[12]，在不同降雨过后，各处理间表层土壤含水量的差异也较灰钙土坡面明显。

图2 4.6 mm降雨量各处理表层土壤含水量动态变化

图3 9.6 mm降雨量各处理表层土壤含水量动态变化

图4 21.4 mm降雨量各处理表层土壤含水量动态变化

2.2 不同坡面管理措施表层土壤水分变化特征

分析试验期间各处理表层土壤含水量的统计特征值(表1)可见：灰钙土坡面上，各处理表层土壤含水量均值差异不显著(p>0.05)，以枯草覆盖处理表层土壤含水量最高，较对照高0.6百分点；土壤含水量变化最大和最小的处理分别为水平沟和对照，其变化值分别为15.0和12.0百分点。棕红土坡面上，枯草覆盖和增渗孔处理表层土壤含水量均值显著高于对照，两种处理都较对照高1.5百分点；土壤含水量变化最大和最小的处理分别为水平沟和对照，其变化值分别为34.4和16.7百分点。各处理变异系数都为中等变异，说明表层土壤含水量变异性较大。比较各处理间土壤含水量的变异系数，两种土壤类型坡面上均为水平沟处理变动幅度最大，这是因为水平沟处理在降雨后能够拦蓄大量雨水，使表层土壤含水量大幅增加，但后期温度升高，蒸发加强，表层土壤含水量又迅速下降。

表1 不同坡面管理措施下两种土壤类型坡面表层土壤含水量的统计特征值

2.3 坡面管理措施对草地恢复的影响

2.3.1 草被高度及冠幅的变化

由表2可知，不同坡面管理措施下的植物株高净增长和冠幅净增长都显著高于对照。两种土壤类型坡面上，均为枯草覆盖处理的植物生长状况最好，其他依次为增渗孔、水平沟、双倍补灌、单倍补灌。灰钙土坡面上，不同坡面管理措施植物的净增高度比对照高3.8～17.1 cm，净增冠幅比对照高314.7～1 779.1 cm2；棕红土坡面上，不同坡面管理措施下植物的净增高度比对照高5.0～17.7 cm，净增冠幅比对照高269～2 305 cm2。

表2 不同坡面管理措施对两种土壤类型坡面植物生长量的影响

2.3.2 植被覆盖度的变化

植被覆盖度是衡量植被恢复状况的关键指标。由图5可知，不同坡面管理措施下的植被覆盖度与植物的高度及冠幅的增长量表现出相似的规律性。灰钙土坡面上，枯草覆盖处理植被恢复的效果最好，较对照提高了33.9百分点，增渗孔、水平沟、双倍补灌和单倍补灌处理分别较对照提高了25.6、22.9、16.5和13.9百分点；棕红土坡面上，枯草覆盖、水平沟、增渗孔、双倍补灌和单倍补灌处理分别较对照提高了41.6、30.2、35.1、27.6和19.9百分点。两种土壤类型坡面上，不同坡面管理措施下植被覆盖度与对照处理均存在显著性差异(p<0.05)，说明坡面管理措施显著促进了植被恢复。

图5 不同坡面管理措施对植被覆盖度的影响

2.3.3 不同坡面管理措施对草地地上生物量的影响

由表3可知，在灰钙土坡面，不同坡面管理措施下的地上生物量相比对照提高了45.2%～257.6%；在棕红土坡面，不同坡面管理措施下的地上生物量相比对照提高了25.2%～67.3%。在两种土壤类型坡面上，坡面管理措施均显著提高了草地地上生物量，其中以枯草覆盖处理地上生物量提高最多，草被恢复效果最好，其他处理提高生物量的效果依次为增渗孔>水平沟>双倍补灌>单倍补灌>对照。不同的坡面管理措施，能够将有限的降雨及时存储起来，使降雨过后草地植物能继续利用，从而提高了草地植物的地上生物量。

表3 不同坡面管理措施对坡面植物地上生物量的影响

3 讨 论

表层土壤是整个土壤圈与外界环境的接触面，直接受到外在环境的影响，相对于深层土壤来说，具有太阳辐射强、温度高、蒸发大、风速快及受人类活动影响显著的特点，从而导致水分含量低、变异性强[13]。相对于深层土壤，表层土壤对降雨的反应更为灵敏。本试验利用TDR水分速测仪监测了0～10 cm土层土壤含水量的动态变化，发现在降雨后3天内表层土壤含水量较高。MCCOLL et al.[14]的研究有着相似的结论，即在降雨后3天内，表层土壤可保持14%的含水量，并且在干旱地区和地下水排泄量最低的地区3天内表层土壤储存的水分保留率最高。试验小区设置在坡面上，降雨后水分的位移有纵向，还有侧向，表层土壤水分在降雨后变化很快，而深层的土壤水分则会保留相当长一段时间。后期可以研究各坡面管理措施下不同深度土壤含水量的变化对植物生长的影响。

通过对各处理表层土壤含水量的对比分析可以得出，不同坡面管理措施在降雨后作用明显。其中，水平沟处理在降雨后的表层土壤含水量最大，这是由于在降雨补充下水平沟可以集蓄大量雨水，使表层土壤含水量大幅度增加[15]。张登奎等[16]利用垄沟集雨种植红豆草使得土壤水分、株高、产量等得到了提高。增渗孔处理可以加速雨水的下渗速度，使得雨水最大化流向植物根部，从而促进植物生长。仝淑萍等[17]利用打孔浇水的方法来恢复退化草地，提高了植物地上生物量。但在降雨后表层土壤含水量恢复到稳定状态的一段时间里，枯草覆盖处理土壤水分下降速率最为缓慢，主要是由于地面的枯草有利于缓和土壤温度变化，在高温时有隔热的作用[18]，有效地减弱了0～20 cm土层土壤含水量的波动幅度[19]，同时还可以降低高温对植物根系的危害，并且其利用降雨效果好，从而促进了新梢的生长[20]。

4 结 论

试验结果表明，降雨的变化使得表层土壤含水量变化出现波动，降雨量越大，各处理间差异越明显，表层土壤含水量恢复到稳定状态的时间越长。降雨使得不同坡面管理措施的表层土壤含水量出现差异，从而造成植物生长的差异。坡面管理措施显著提高了草地植物的株高、冠幅、植被覆盖度、地上生物量等生长指标，其中枯草覆盖处理的植被恢复效果最优，其后依次是增渗孔、水平沟、双倍补灌、单倍补灌处理。以上结果有望为伊犁河谷水土保持植被恢复提供科学依据。