豫西低山丘陵區林草復合種植模式土壤水分狀況分析

楊雨華等

摘要：以豫西低山丘陵區林草復合種植模式為研究對象，對各種植模式下土壤水分空間分布和水分效應進行分析。結果表明，在不同土層間，各種植模式的土壤含水量整體上隨土壤深度的增加而增加，在不同坡位間，從坡頂至坡底，各種植模式的土壤含水量在相同土層間整體上也呈增加趨勢；各種植模式下的土壤水分效應不同，具體表現為刺槐（Robinia pseudoacaci）+苜蓿（Medicago sativa L ·）>栓皮櫟（Quercus variabilis）+苜蓿>楊樹（Populus）+苜蓿>側柏（Platycladus· orientalis）+苜蓿>苜蓿；且各林草復合種植模式下土壤水分效應值均為正值，說明刺槐、楊樹、側柏和栓皮櫟的根系與苜蓿根系生態位存在重疊，會對土壤水分產生競爭，但這種競爭不占主導地位。

關鍵詞：林草復合種植；土壤水分；低山丘陵區；豫西

中圖分類號：S718.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）16-3776-04

Abstract： The spatial distribution and the effect of soil moisture in different grassland-forestland intercropping patterns were studied in the hilly region of western Henan province. The results showed that the overall soil moisture content increased with the increase of soil depth in the vertical direction. Soil moisture content on the same soil layer from the top of hill to its base showed an increasing trend as a whole in the horizontal direction. The effect of water lifting in different grassland-forestland intercropping patterns was different in the order of Robinia pseudoacaci + Medicago sativa Linn > Quercus variabilis + Medicago sativa Linn > Polulus + Medicago sativa Linn > Platycladus orientalis + Medicago sativa Linn > Medicago sativa Linn. The positive values of effect of soil moisture in different grassland-forestland intercropping patterns indicated the competition between root system of trees and Medicago sativa Linn in soil moisture existed because of niche overlap. However， the competition was not dominant.

Key words： grassland-forestland intercropping； soil moisture； hilly region； west Henan province

林草復合系統是一種土地利用系統和工程應用技術的復合名稱，是有目的地把多年生木本植物與農業、牧業用于同一土地經營單位并采取時空分布或短期相間的經營方式[1]。林草復合系統是一種新型的土地利用方式，它在改善區域生態環境，提高生態效益與經濟效益，促使二者協調發展等方面具有理論和實踐意義[2]。隨著對生態環境保護意識的加強和對林草復合種植模式功能認識的深入，林草復合種植模式已經越來越受到人們的重視。實踐證明，在植被恢復過程中，林草復合種植模式是一種切實可行的方法[3]。在林草復合種植模式下，種間競爭關系體現在兩個方面：一是植物地上部分以空氣為介質，對光、熱、水分的競爭；二是植物地下根系以土壤為介質，對水分和養分的競爭[4]； 這在空間上的體現就是景觀界面。所謂景觀界面，是指兩個或兩個以上生態系統之間對水分、養分、能量等物質相互競爭的過渡地帶，是生態系統與環境耦合動態過程的空間反映[5]。有研究表明，在這種復合經營模式中，地下部分的相互作用在很大程度上決定了各個組分之間的關系[6-9]。土壤水分是植物需水的直接來源，在水資源日益匱乏的情況下，復合種植模式中林草關系主要體現在對土壤水分的競爭[10-13]。

土壤水分狀況是影響植物生長發育[14]和植被恢復[15，16]的主要因素之一， 同時也是評價土壤資源優劣的主要特征之一[17]。在豫西低山丘陵區，由于人為干擾和氣候變化雙重影響， 導致該區域生態環境脆弱， 水土流失嚴重， 自然植被遭到嚴重破壞[18，19]。為進行生態修復，林草復合種植模式已在這個區域內推廣應用。但是，關于豫西低山丘陵區坡地林草復合種植模式下土壤水分狀況的研究還未有報道，這對于該區域植被恢復研究顯然是不利的。因此，本研究選取豫西低山丘陵區典型坡地不同林草復合種植模式為研究對象，對其不同復合種植模式下土壤水分空間分布和土壤水分效應進行分析，為該區域內植被恢復、生態系統結構和功能的重建提供理論支持，同時也對該地區土地合理利用與配置具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于河南省平頂山市魯山縣昭平湖庫區，該湖區位于伏牛山東麓，地理坐標為112°14′-113°14′E，33°34′-34°00′N，屬于典型的低山丘陵區。該區處于暖溫帶向北亞熱帶過渡區，屬季風氣候，年均溫14.8 ℃，年降水量1 000 mm，年蒸發量1 100 mm，年無霜期209 d；土壤類型為黃棕壤。該區植被類型屬于暖溫帶落葉闊葉林向亞熱帶常綠闊葉林過渡型，常見的木本植物有茅栗（Castanea seguinii）、黃連木（Pistacia chinensis）、山合歡（Albizia kalkora）等；草本植物有稗草（Echinochloa crusgalli）、茜草（Rubia cordifolia）、艾蒿（Artemisia argyi）等；造林樹種有栓皮櫟（Quercus variabilis）、刺槐（Robinia pseudoacaci）、側柏（Platycladus orientalis）等[17]。

1.2 研究方法

根據豫西低山丘陵區林草復合種植模式經營特點，結合當地實際種植情況，在河南省魯山縣昭平湖庫區建立林草復合模式試驗示范區。試驗區設置點為低山丘陵區坡地，坡向為西南走向，坡度為22°，坡位分為坡頂、中上坡、中下坡和坡底4種。試驗區內共設5個小區，每小區坡長20 m，寬15 m，設刺槐+苜蓿（Medicago satira L.）、楊樹（Populus）+苜蓿、側柏+苜蓿、栓皮櫟+苜蓿4種林草復合種植式以苜蓿單作作為對照。

于2012年5月27日在試驗區用土鉆法進行取樣，用烘干法測定土壤含水量。測定深度為0～50 cm，每10 cm為一層，每層選擇3個測試點作為重復，取平均值作為該層的土壤含水量。數據采用Excel 2003軟件進行處理和繪圖。

2 結果與分析

2.1 各坡位土壤水分差異

土壤含水量空間分布受多重因素影響，概括起來包括生物因子和非生物因子兩大類。生物因子如植被蓋度、根系數量和分布、根系活性、樹冠幅等，非生物因子包括土地利用方式、降水、光照、坡度、坡向等[4]。在生物因子和非生物因子共同作用下，土壤含水量空間分布往往顯示出較大差異。坡位作為一個重要的非生物因子，同樣影響著土壤水分空間分布。坡位的不同會對其他影響因子產生影響，如土壤質地、降水在土壤中的再分配以及植被格局等，從而改變土壤含水量。

豫西低山丘陵區坡地由于坡位的不同，土壤含水量呈現出一定的變化模式，不同林草復合種植模式土壤含水量的平均值在不同坡位及不同土壤深度間的變化具體見圖1。由圖1可以看出，不同土層間，除坡頂20～30 cm土層和中上坡20～40 cm土層土壤含水量出現下降外，其余各個坡位土壤含水量均隨著土壤深度的增加而增加。從各個坡位來看，同一土壤深度的土壤含水量整體上是從坡頂至坡底逐漸增加的，這是由于地勢高低不同所致。一方面，土壤水分不斷由高處向低處移動；另一方面，由于水分移動，造成高處土壤不斷被侵蝕，致使坡上部土壤質地越來越差，保水能力減弱，土壤含水量降低。但是在中下坡0～10 cm和10～20 cm土層中，土壤含水量出現下降趨勢，其原因可能是中下坡位置缺少有效的植被覆蓋，易形成水土流失，再加上陽光曝曬，會導致土表溫度高，土壤水分損失加快。綜合上述可得土壤含水量的整體趨勢：在不同深度土壤間，土壤含水量隨著土壤深度的增加而增加，但在坡頂20～30 cm土層和中上坡20～40 cm土層土壤含水量偏低；在不同坡位間，從坡頂至坡底，除植被因素影響的中下坡0～20 cm土層土壤含水量降低外，其余相同土壤層次的土壤含水量依次增加。

2.2 不同林草復合種植模式的土壤水分差異

土壤水分狀況與植被覆蓋密切相關，二者相互影響，一方面土壤水分會影響植物生長和分布，另一方面植被覆蓋也影響土壤水分的含量和分布[17]。從圖2可以看出，在不同林草復合種植模式下，由于樹木的遮蔽作用，減少了土壤水分蒸發，4種林草復合種植模式下各土層土壤平均含水量為5.59%～12.14%，與苜蓿單作對照相比，含水量提高了0.68～3.95個百分點。說明試驗區內林草復合模式整體上有利于土壤保墑，提高含水量。其原因在于在林草復合種植模式中，樹木可以進行遮陰，起到減少光照量和降溫的作用，從而減弱土壤水分蒸發，起到保墑作用。但值得注意的是，不同林草復合種植模式之間也存在差異。試驗區內不同林草復合種植模式0～50 cm土層土壤含水量的平均值變化趨勢整體上表現為刺槐+苜蓿最高，之后依次為栓皮櫟+苜蓿、楊樹+苜蓿、側柏+苜蓿，苜蓿單作最低（圖2）。不同林草復合種植模式下各個坡位各個土層的土壤含水量變化情況如圖3所示。以刺槐+苜蓿復合種植模式為例，在中上坡0～10 cm和10～20 cm土層內，刺槐+苜蓿模式下土壤含水量分別為4.27%和5.53%，與苜蓿單作相比，分別減少了4.03和1.30個百分點。原因可能在于刺槐根系與苜蓿根系在空間分布上發生了生態位重疊，水分競爭激烈，致使土壤含水量降低。

2.3 不同林草復合種植模式的土壤水分效應

植物生態位是植物種與環境（物理因子、化學因子、生物因子）之間的總關系，包括植物所起作用與其忍耐力等[20]。在林草復合種植模式下，由于刺槐、楊樹、側柏和栓皮櫟的介入，使之與苜蓿發生水分因子生態位重疊的現象。在這種競爭共存模式下，一方面，樹木和苜蓿根系由于生態位的重疊會對土壤水分產生競爭，從而致使土壤含水量降低；另一方面，由于樹木的遮陰可以產生小氣候效應，同時樹木根系也具有水力提升作用[9]，也可對土壤水分起到增加的作用。這種降低與增加的綜合影響可使林草復合種植模式下的土壤水分達到新的平衡。林草復合種植模式下刺槐、楊樹、側柏和栓皮櫟對苜蓿的土壤水分這種綜合影響的程度即林草復合種植模式的土壤水分效應可由以下公式進行計算：

E=■×100%

式中，SM為林草復合種植模式下苜蓿在0～50 cm土層中的土壤平均含水量，SMR為苜蓿單作的土壤含水量，E為土壤水分效應[4]。

計算各林草復合種植模式下苜蓿的土壤水分效應值，得出刺槐、楊樹、側柏和栓皮櫟對苜蓿的土壤水分效應值分別為59.83%、31.53%、14.57%和43.90%，均為正效應。這是由于樹木的介入，雖然在水分生態因子上會發生生態位重疊，致使產生水分競爭，但是這種水分競爭并沒有起到主導作用。在林草復合種植模式中，樹木可以起到減少光照、降低溫度和風速等作用，使得試驗區內蒸發減弱，從而起到保墑、增加土壤含水量的作用。同時，樹種不同，水分效應亦有所差異。其中以刺槐對苜蓿的土壤水分效應影響最佳，其次為栓皮櫟、楊樹，最后是側柏。其原因可能與各類樹種根系分布有關。在林草復合種植模式中，樹木根系與苜蓿根系發生生態位重疊，但是由于各類樹種根系空間分布的不同，致使生態位重疊區域有所差異，從而導致各類樹木對苜蓿的土壤水分效應有所差異。

3 結論與討論

1）豫西低山丘陵區坡地林草復合模式下土壤水分的空間分布呈現的整體規律如下：在不同土層間，土壤含水量總體隨著土壤深度的增加而增加，且0～20 cm土層土壤含水量增加迅速，20～30 cm土層基本處于穩定狀態，30～50 cm土層又有一個增加過程；在不同坡位間，整體上是相同土層的土壤含水量從坡頂至坡底呈現增加趨勢。這主要是由于地勢影響，土壤水分從高處向低處移動的結果。

2）豫西低山丘陵區各林草復合種植模式下土壤含水量與苜蓿單作相比整體上有所提高，其原因在于樹木的遮陰、擋風、降溫作用減緩了土壤水分的蒸發。但是不同的林草復合種植模式對提高土壤含水量的效應不同，具體表現為刺槐+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>楊樹+苜蓿>側柏+苜蓿，這是由于樹木根系與苜蓿根系發生了生態位重疊，產生了水分競爭。但從土壤水分含量均有所提高這個結果來看，這種種間競爭不占主導地位。

3）不同林草復合模式下土壤水分效應值均為正值，進一步說明刺槐、楊樹、側柏和栓皮櫟的根系與苜蓿根系雖然存在生態位重疊，會對土壤水分利用產生競爭，但是并不明顯；同時也說明在豫西低山丘陵區實施林草復合種植模式進行生態修復的理念是切實可行的。

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[20] 李文龍，李自珍.作物生態位構建的模型及其進化慣量與動量的試驗研究[J].地球科學進展，2002，17（3）：446-451.

（責任編輯 呂海霞）

3 結論與討論

1）豫西低山丘陵區坡地林草復合模式下土壤水分的空間分布呈現的整體規律如下：在不同土層間，土壤含水量總體隨著土壤深度的增加而增加，且0～20 cm土層土壤含水量增加迅速，20～30 cm土層基本處于穩定狀態，30～50 cm土層又有一個增加過程；在不同坡位間，整體上是相同土層的土壤含水量從坡頂至坡底呈現增加趨勢。這主要是由于地勢影響，土壤水分從高處向低處移動的結果。

2）豫西低山丘陵區各林草復合種植模式下土壤含水量與苜蓿單作相比整體上有所提高，其原因在于樹木的遮陰、擋風、降溫作用減緩了土壤水分的蒸發。但是不同的林草復合種植模式對提高土壤含水量的效應不同，具體表現為刺槐+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>楊樹+苜蓿>側柏+苜蓿，這是由于樹木根系與苜蓿根系發生了生態位重疊，產生了水分競爭。但從土壤水分含量均有所提高這個結果來看，這種種間競爭不占主導地位。

3）不同林草復合模式下土壤水分效應值均為正值，進一步說明刺槐、楊樹、側柏和栓皮櫟的根系與苜蓿根系雖然存在生態位重疊，會對土壤水分利用產生競爭，但是并不明顯；同時也說明在豫西低山丘陵區實施林草復合種植模式進行生態修復的理念是切實可行的。

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（責任編輯 呂海霞）

3 結論與討論

1）豫西低山丘陵區坡地林草復合模式下土壤水分的空間分布呈現的整體規律如下：在不同土層間，土壤含水量總體隨著土壤深度的增加而增加，且0～20 cm土層土壤含水量增加迅速，20～30 cm土層基本處于穩定狀態，30～50 cm土層又有一個增加過程；在不同坡位間，整體上是相同土層的土壤含水量從坡頂至坡底呈現增加趨勢。這主要是由于地勢影響，土壤水分從高處向低處移動的結果。

2）豫西低山丘陵區各林草復合種植模式下土壤含水量與苜蓿單作相比整體上有所提高，其原因在于樹木的遮陰、擋風、降溫作用減緩了土壤水分的蒸發。但是不同的林草復合種植模式對提高土壤含水量的效應不同，具體表現為刺槐+苜蓿>栓皮櫟+苜蓿>楊樹+苜蓿>側柏+苜蓿，這是由于樹木根系與苜蓿根系發生了生態位重疊，產生了水分競爭。但從土壤水分含量均有所提高這個結果來看，這種種間競爭不占主導地位。

3）不同林草復合模式下土壤水分效應值均為正值，進一步說明刺槐、楊樹、側柏和栓皮櫟的根系與苜蓿根系雖然存在生態位重疊，會對土壤水分利用產生競爭，但是并不明顯；同時也說明在豫西低山丘陵區實施林草復合種植模式進行生態修復的理念是切實可行的。

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（責任編輯 呂海霞）