枝條覆蓋對半干旱黃土丘陵區平茬檸條林地土壤水分的影響

嚴正升,郭忠升,寧 婷,張文文

1 中國科學院水利部水土保持研究所,楊凌 712100 2 中國科學院大學,北京 100049 3 西北農林科技大學水土保持研究所,楊凌 712100

枝條覆蓋對半干旱黃土丘陵區平茬檸條林地土壤水分的影響

嚴正升1,2,郭忠升1,3,*,寧 婷1,2,張文文1,2

1 中國科學院水利部水土保持研究所,楊凌 712100 2 中國科學院大學,北京 100049 3 西北農林科技大學水土保持研究所,楊凌 712100

為了研究枝條覆蓋對林地土壤水分的影響,提高土壤水分利用效率。2013年5—9月,以半干旱黃土丘陵區平茬檸條林為對象,采用中子水分儀對未覆蓋和枝條覆蓋林地土壤水分進行定位觀測, 研究了枝條覆蓋對林地土壤水分的影響。研究期間共觀測到降雨28次,總降雨量達495.9 mm。未覆蓋和覆蓋林地降雨補給量與降雨量之間均呈極顯著正相關關系。枝條覆蓋使林地降水入滲補給系數由0.50增加至0.70,明顯提高了林地次降水補給量和入滲深度。覆蓋林地各月土壤水分消耗量均高于對照林地,整個生長季,前者比后者多消耗了37.56 mm土壤水分,僅相當于所增加的降雨補給量的1/3。 在豐水年,覆蓋一直表現出對林地土壤水分的正效應,剖面0—260 cm 范圍內土壤水分條件有明顯改善。

半干旱黃土丘陵區；覆蓋；平茬；檸條；土壤水分

半干旱黃土丘陵區水資源緊缺,土壤水分是限制當地植物生長發育的關鍵因素。在該區植被建設過程中,人工林草地普遍出現土壤干燥化現象,甚至形成土壤干層[1- 2]。一旦深層土壤通體干化,土壤水分將難以恢復[3],直接影響到植物生產力的穩定提高及其生態效益的正常發揮[4]。及時地補償和恢復土壤水分,是該區大面積發展人工林草地的戰略性決策問題[5]。

土壤水分虧缺的調控途徑主要有兩條：一是增加土壤水分補給,二是降低土壤水分消耗[6]。眾多研究結論表明,以秸稈覆蓋和生草覆蓋為代表的生物覆蓋可有效增加降水入滲,減少地表徑流,抑制土壤水分的無效蒸發[7-9]。其中,秸稈覆蓋已廣泛應用于我國北方旱作農業區,在降水資源的高效利用及可持續農業生產中發揮了有力作用[10]。殷淑燕等[11]研究表明果園覆草技術有助于解決黃土高原果園土壤的干燥化問題,可提高降水下滲率,減少流失量和蒸散量,提高土壤含水量,形成水、肥、氣、熱、生物因素平衡的果園生態系統。黃金輝等[12]也認為黃土高原地區果園的保護性耕作體系也應以免耕覆草為主。相比之下,針對旱化人工生態林土壤水分恢復的相關研究開展較少[13]。

檸條是半干旱黃土丘陵區營造水土保持林、防風固沙林的主要灌木樹種。受林地土壤干燥化的不利影響,多年生檸條林生長退化乃至衰敗現象突出[6,14- 15]。平茬可有效解決檸條植株衰敗老化的問題,促進檸條林更新復壯[16]。李耀林等[17]研究了平茬對半干旱黃土丘陵區檸條林地土壤水分的影響,結果表明,平茬后,萌發檸條迅速更新復壯。但平茬后萌生檸條林覆蓋度較低,土壤蒸發和地表徑流都比較強烈,加之新生檸條呼吸旺盛,蒸騰速率較高,需要消耗大量的水分,導致平茬僅可在短時間內改善土壤水分環境,大部分時間則惡化了土壤水分環境。在此基礎上,本研究以平茬人工檸條林為研究對象,采用平茬下來的檸條枝條對林地進行覆蓋,并以無覆蓋林地為對照,對兩處理林地土壤水分動態進行長期定位觀測與分析,旨在揭示枝條覆蓋對平茬(檸條)林地的土壤水分效應,為旱化檸條林地水分恢復工作的開展提供理論依據和技術支撐。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏固原上黃生態試驗站,地處寧南半干旱黃土丘陵區35°59′—36°02′ N,106°26′—106°30′ E范圍內。區內溝沿線以下坡度>25°,海拔高度1534—1824 m。研究區降雨年際變化大,年降雨量變化在634.7 mm(1984年)—259.9 mm(1991年),平均為414.9 mm；年內降水分配不均,主要集中在6—9月,期間降雨量可占到年降雨量的70%以上,無霜期152 d。土壤類型為黃綿土,植被類型為森林草原向典型草原過渡。原生植被以多年生叢生低矮禾草為主,伴以少量旱生灌木、半灌木,代表植物有長芒草(Stipabungeana)、阿爾泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、百里香(Thymusmongolicus)等。檸條是當地營造水土保持生態林的主要灌木樹種。

1.2 試驗設計與觀測項目1.2.1 樣地布設

經面上踏查,選擇研究區內立地條件和林分條件基本一致的代表性地段建立試驗地。所選檸條林為1987年采用條播方式營造,叢間距約2 m,單叢檸條分枝數在30—50枝之間。單枝平均株高138.62 cm,平均基徑0.90 cm,均重106.82 g,檸條單枝重(G)與株高(H)、基徑(D)之間的關系可以用G=0.86D2H-4.27來表示,r2=0.937。平茬工作于2013年4月檸條生長季前進行,隨后劃定面積為4 m×4 m的固定樣地,并在樣地內相鄰兩檸條叢的中間位置安放一根中子儀鋁合金套管,管長400 cm。同時,在試驗地東面相距50 cm處設置簡易雨量器,進行降雨資料的采集。

試驗設2個處理：平茬對照林和平茬覆蓋林,每個處理各重復兩次。覆蓋林地的布置方法如下：從平茬下來的新鮮檸條枝條中,選取株高、基徑處于中等水平的枝條圍繞原檸條叢所在位置進行交錯覆蓋,單位面積覆蓋量約為單位面積平茬量的一半,平均覆蓋率約60%。對照林地不進行覆蓋。

1.2.3 土壤含水量的測定

采用CNC503A(DR)型智能中子水分儀進行剖面土壤含水量觀測。時間上,觀測從2013年5月1日開始到2013年9月30日結束,每半月進行1次；位置上,在土深 5 cm處進行第1次觀測,20 cm處第2次觀測,20—380 cm土層范圍內觀測間隔確定為20 cm。同時,根據天氣預報與經驗,不定期于降雨前后2 h內分別測定剖面土壤含水量。

1.2.4 萌蘗株株高、基徑的測定

檸條萌發后,每塊樣地各選取5株萌生枝條標記為固定樣株,采用米尺測其株高,游標卡尺測其基徑,測定時間同土壤水分。

1.3 數據處理

補給深度為次降雨前后兩次測定的剖面土壤水分變化圖中兩條曲線交點到地表的距離。當地降雨歷時一般較短,降雨過程中氣溫低、濕度大,土壤水分蒸發有限,因此降雨前后兩次測得的剖面土壤儲水量之差即次降雨對土壤水分的補給量。降雨量與土壤水分補給量的差值是降雨耗損量,損耗的主要形式是林冠截留和地表徑流。某一段時間始末最大蒸散發深度內土壤儲水量之差加上期間降水對土壤水分的總補給量為該段時間內的土壤蒸散發量。在該地區,土壤儲水量的變化量可簡化為補給量與土壤蒸散發量的差值。降雨入滲補給系數即補給量與相應降雨量的比值。

土壤水資源的計算

式中,Dw為土壤水資源(mm)；n為土層總數；VSWC為各觀測層土壤容積含水量(%)；H為各觀測層所代表的土層深度(cm)。本研究中,n=20,除表層(5cm處)H1和末層(380cm處)H21=10外,其余土層H=20。

本文采用SPSS18.0進行數據處理和顯著性檢驗,Excel2007進行回歸分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 覆蓋對林地土壤水分補給的影響

2.1.1 覆蓋對林地次降雨補給量的影響

降水是研究區土壤水分的唯一補給源。2013年為豐水年,5—9月共觀測到降雨事件28次(圖1),總降雨量達495.9mm,遠超過研究區多年平均降雨量。降雨量分級呈現明顯的偏態分布,近60%的降雨事件的次降雨量都在10mm以下。次降雨量在20—50mm之間的降雨有5場,50mm以上的降雨有3場,次最大降雨量為7月8日到10日的90.3mm。

圖1 試驗期間28場降雨事件的次降雨量 Fig.1 Rainfall amount for 28 individual events during the experiment

降雨只有入滲到土壤中,才能對土壤水分進行有效補給。根據降雨量的多寡,選取試驗期間8場具有代表性的降雨事件,統計相關數據如表1。對降雨量(P)與降雨對林地土壤水分的補給量(RP)進行回歸分析,結果表明：對照林地兩變量之間的關系為：RP1=0.50P-0.28,r21=0.992；覆蓋林地則為RP2=0.70P-0.90,r22=0.993。顯著性檢驗結果表明,兩處理林地RP與P之間均呈極顯著正相關關系。進一步地,令RP1和RP2分別等于0,可知兩處理林地有效降雨量的初始值分別為1.28mm和0.57mm。再令RP1=RP2,即0.50P-0.28=0.70P-0.90,求得P等于3.10mm。也就是說,當次降雨量小于3.10mm時,降雨對覆蓋林地土壤水分的補給量小于無覆蓋林地,這主要是由于覆蓋所用的枯枝落葉會截留一部分降水所致；而當次降雨量在3.10mm以上時,由于覆蓋增加了地表粗糙度,避免了雨水直接打擊地面造成土壤板結和徑流損失,次降水補給量隨之增加。最終,覆蓋使降水入滲補給系數由無覆蓋時的0.50提高到0.70,遇強降水時便能起到良好的水土保持作用。

表1 不同降雨量下的土壤水分補給深度與補給量

2.1.2 覆蓋對林地降雨入滲深度的影響

降雨量是影響降雨入滲深度的主要因子之一。由表1可知,兩處理林地次降雨入滲深度都表現出隨降雨量增加而增加的趨勢。相比之下,當降雨量小于9.4 mm時,雨后相同時間內,覆蓋林地的土壤水分補給深度小于對照林地；降雨量大于9.4 mm時,則反之。

觀測期內降雨密集,連續的降雨有利于土壤水分向深層補充(圖2)。以7月15日為起點,至8月1日、8月16日和8月31日,對照林地土壤水分分別下滲到了160、180、200 cm；覆蓋林地則下滲到了180、200、220 cm。截至9月14日時,在覆蓋林地,降雨下滲至了260 cm,而在對照林地,土壤水分入滲深度只有220 cm,且對新入滲土層的入滲量也明顯小于前者。土壤水分補給深度隨補給量增加而增加。覆蓋增加了林地土壤水分補給量,引起上下土層之間更大的水勢差,因而為土壤水分的持續下滲提供了更有利條件。

圖2 連續降雨條件下覆蓋對降雨入滲深度的影響Fig.2 Effects of mulching on infiltration depths under continuous rainfall conditions

2.2 覆蓋對林地土壤水分存儲的影響

圖3 覆蓋對林地0—380 cm范圍內土壤水資源的影響Fig.3 Effects of mulching on soil water resources in 0—380 cm

圖4 覆蓋對林地0—380 cm土壤含水量的影響Fig.4 Effects of mulching on soil water content in 0—380 cm

在充沛的降水補給下,整個檸條生長季,兩處理林地0—380 cm剖面土壤水資源均呈現不同程度地增加(圖3)。對比分析結果顯示,生長季初,兩處理林地土壤水資源接近,到生長季末,覆蓋林地土壤水資源比未覆蓋林地高出了54.58 mm。事實上,整個觀測期內覆蓋林地土壤水資源一直大于未覆蓋林地,說明覆蓋對平茬林地剖面土壤水資源有正效應。由于覆蓋在降雨量較大時可顯著地增加次降水入滲量,所以這種正效應在強降水過后體現地更為明顯。其中,在7月15日,兩林地土壤水資源相差達到了61.81 mm。

從圖4可以看出,兩處理林地土壤含水量的垂直變化規律大致相同。除了近地表土層(0—40 cm)含水量受蒸散發作用及生長季末新一輪降雨的影響而呈現波動性變化以外,對照林地和覆蓋林地的剖面土壤含水量均呈現出先減少后穩定的變化趨勢。盡管如此,二者在土壤含水量上卻有顯著差異。這種差異集中體現在地表到土深260 cm范圍內：生長季初,兩處理林地剖面土壤水分狀況相對一致,而在生長季末,0—260 cm范圍內的覆蓋林地剖面土壤含水量已顯著高于對照林地。覆蓋使該范圍內平均土壤含水量由12.11%提高到14.24%,更有效地緩解了相應土層范圍內的土壤干燥化。

2.3 覆蓋對林地土壤水分消耗的影響

平茬消除了檸條林冠,檸條蒸騰量幾乎降為零。因此,平茬初期的林地土壤水分消耗以檸條叢間土壤蒸發為主。不久,新生檸條開始萌發,萌生林呼吸作用旺盛,蒸騰速率較高,也需要消耗一定量的土壤水分。由表2可知,從生長季初到生長季末,兩處理林地土壤水分消耗量均呈現出先增加后減少的變化趨勢,最大消耗量出現在7月。相比之下,覆蓋林地各月土壤水分消耗量都要高于對照林地。這與覆蓋增加了降水入滲密切相關。一方面,土壤水分高補給量使得覆蓋林地土壤剖面,特別是近地表土層含水量較對照林地要高,土壤水分蒸發量隨之增加；另一方面,土壤水分高補給量也為覆蓋林地萌生林的生長發育提供了更佳的水分環境,導致其株高和基徑的生長速率明顯均大于對照林地(圖5)。檸條生長量大,自然需要消耗更多的水分。整個生長季,覆蓋林地耗水量比對照林地多出了37.56 mm。

表2 覆蓋對林地各月土壤水分消耗量的影響

3 討論

如何最大限度地攔蓄降水[18],減少地表徑流和蒸散發損失[19],增加土壤水庫的容蓄能力,是解決半干旱黃土丘陵區人工林草地土壤干燥化問題的根本所在。本研究表明,枝條覆蓋能明顯增加次降水對平茬檸條林地的入滲深度和補給量,使降水入滲補給系數由0.50增加到0.70,雨水資源化率得到顯著提高,水土流失現象也得到有效抑制。理論上,覆蓋在增加地表粗糙度的同時,還可起到遮陰的作用,從而降低亂流熱通量和土壤熱通量[20]。但是,本研究在試驗設計之初沒有區分土壤水分無效蒸發量和萌生林生長發育耗水量,致使覆蓋對土壤水分蒸發的抑制作用未被證實,僅得到了“試驗期間覆蓋林地各月土壤水分消耗量均大于對照林地”的結論。高鵬程等[8]研究表明,在初始含水量較低時,秸稈覆蓋的保水效果更加顯著。類似地,枝條覆蓋在干旱年對檸條林地的保水作用可能更佳。而在豐水年,覆蓋林地剖面土壤濕度明顯高于對照林地,土壤蒸散發量隨之增加,加之覆蓋林地檸條生長量大,也要消耗更多的土壤水分。盡管如此,試驗期間,覆蓋林地多消耗的土壤水分也僅相當于所多補給的土壤水分的1/3?？偟膩碚f,在豐水年,枝條覆蓋可明顯改善平茬檸條林地土壤水分狀況,為萌發檸條的生長發育提供更佳的水分條件,從而提高其生產力。

旱化人工林草地土壤水分的自然恢復,其依據在于人工林草植被進入生長衰敗期后對水分利用強度的減少[3]。這往往需要很長的時間,不僅水分恢復的速度較慢,恢復深度也比較有限[5,21]。人工恢復,如本研究中的枝條覆蓋法,可加快土壤水分恢復的進程,且恢復深度在豐水年當年已明顯大于對照林地。需要指出的是,無論是自然恢復還是人工恢復,其恢復進程最終都取決于當地的年降雨量與降雨的季節分配[22- 23]。黃土丘陵區“十年九旱”、“連旱集中”的氣候[24],將是該區土壤水分恢復難以逾越的溝壑。本研究觀測期較短,關于覆蓋在豐水年對土壤水分所產生的積極效應能維持多久,還有待于進一步研究。此外,檸條枝條覆蓋的最佳覆蓋量也有待確定。

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Effects of branch mulch on soil water of prunedCaraganakorshinskiiforestland in the semi-arid Loess Hilly Region

YAN Zhengsheng1,2, GUO Zhongsheng1,3,*,NING Ting1,2, ZHANG Wenwen1,2

1InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling712100,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

In the semi-arid Loess hilly region where there are insufficient water resources, the condition of soil water is the most important factor limiting plant growth.Studies have shown that biological mulching can effectively increase rainfall infiltration depth and reduce surface runoff, as well as reduce invalid evaporation from the soil surface.However, most studies on biological mulching technologies focused on straw and grass mulching, and there is a lack of information on the effect of branch mulching, particularly in prunedCaraganakorshinskiiforestland. In the semi-arid Loess hilly region, soil drying is a serious environmental problem in artificialC.korshinskiiforestland. The positive effects of branch mulching on soil water conditions may have great significance for vegetation restoration and ecological construction. To understand these effects and to apply the technology for increasing soil water use efficiency, we measured volumetric soil water content (VSWC) using a neutron probe in mulched and unmulched shrubland,of prunedC.korshinskiifrom May to October 2013. Twenty-eight rainfall events were observed during the period and the total rainfall amounted to 495.9mm. Approximately 60% of rainfall events were less than 10mm, and the maximum rainfall was 90.3mm. Regression analysis showed significant positive correlations between rainfall and recharge amounts in both mulch plots and control plots. Furthermore, branch mulch increased the recharge amount. However, when the rainfall was less than 3.1mm, the recharge amount of soil water in mulched shrubland was less than unmulched shrubland. In addition, branch mulch increased the infiltration depth of rainfall, and the rate of rainwater harvesting was improved from 0.50 to 0.70. When the rainfall was >9.4mm, the recharge depth of soil water in unmulched shrubland was less than mulched shrubland. At the same time, there was more evapotranspiration in mulch plots than in control plots. During the growing season, total water consumption in mulch plots was 37.56mm greater than in control plots, which was merely 1/3 of the rainwater more infiltrated because of mulching management. Therefore, there was a positive effect of branch mulch on soil water resources in the wet years, reflected as the increase of soil water content in the 0—260cm depth profile. This study demonstrated that branch mulching can substantially increase the infiltration depth and recharge amount of rainfall in prunedC.korshinskiiforestland and improve the utilization rate of rainwater.

semi-arid Loess Hilly Region; mulch; pruning;Caraganakorshinskii; soil water

國家自然科學基金項目(41271539)

2015- 04- 25;

日期:2016- 03- 03

10.5846/stxb201504250853

*通訊作者Corresponding author.E-mail: guozs@ms.iswc.ac.cn

嚴正升,郭忠升,寧婷,張文文.枝條覆蓋對半干旱黃土丘陵區平茬檸條林地土壤水分的影響.生態學報,2016,36(21):6872- 6878.

Yan Z S, Guo Z S,Ning T, Zhang W W.Effects of branch mulch on soil water of prunedCaraganakorshinskiiforestland in the semi-arid Loess Hilly Region.Acta Ecologica Sinica,2016,36(21):6872- 6878.