黃土丘陵溝壑區不同植被類型土壤有效水和持水能力

李　航,嚴方晨,焦菊英,2,*,唐柄哲,張意奉

1 西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 楊凌　712100 2 中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 楊凌　712100

黃土高原地區由于受地理位置、氣候條件、地形地貌、土壤以及人類活動對植被的破壞等多種因素的影響,同時該區水力、風力、重力侵蝕相互交錯分布、地面支離破碎、天然植被破壞嚴重、土質結構疏松,使其成為中國乃至世界上水土流失最為嚴重的地區,也是我國生態系統退化最嚴重的地區之一[1]。該地區嚴重的水土流失問題受到了國家有關部門的高度重視,自1999開始,實行了大規模的退耕還林(草)工程。經過多年退耕,植被得到了一定程度的恢復,但其蒸騰作用和作物自身耗水都變大,再加上黃土高原地區降雨較少,水分成為此地植物生長和重建的限制性因素[2- 3]。因此,分析退耕后不同恢復植被類型的土壤持水性如何,不同植被類型的土壤有效水分又處于什么樣的水平成為亟待解決的問題。明確退耕多年后不同植被類型土壤持水性和水分有效性的變化對該地區植被恢復和科學合理的進行植被配置有重要意義。

土壤有效水分是植被能有效利用的水分,對植被生長至關重要；而土壤持水能力在一定程度上反映了土壤的抗旱和釋水能力[4- 5]。因此,在干旱半干旱的黃土高原研究土壤有效水和持水能力是很有必要的。眾多學者對土壤持水能力和土壤水分有效性進行了研究。李卓等[6]、舒凱民等[7]研究了容重對土壤持水性的影響；閆永利等[8]、黨秀麗等[9]研究了保水劑對土壤持水性能的影響；Yan等[10]、高會議等[11]通過不同施肥對土壤持水性和土壤有效水的影響進行了研究,姚姣轉等[12]對不同地貌對土壤持水性的影響進行了研究；張瑞等[13]、艾琴[14]對侵蝕黑土的土壤持水性進行了研究；周彩景等[15]研究了不同有機化合物對土壤持水性的影響；Li等[16]研究了林地的土壤持水性；Li等[17]研究了過度放牧草地的土壤持水性；González-Pelayo等[18]對火災后地中海灌木林的土壤持水能力進行了研究。盡管眾多學者對土壤持水性和水分有效性進行了研究,但是系統的分析一年生草本群落到多年生蒿禾類草本群落再到灌木群落以及人工林地的土壤持水能力和水分有效性的研究鮮有報道。

本文以陜西省安塞縣坊塌流域為研究區域,選擇不同植被群落為研究對象,在分析不同植被類型土壤水分特征曲線與土壤性質的基礎上,研究不同植被類型的土壤有效水分和持水能力,為植被恢復過程中土壤水分的可持續利用提供依據。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

研究區位于陜西省延安市安塞縣坊塌流域,流域面積8.67 km2,年平均氣溫8.7℃,年平均降雨量542.6 mm,降雨主要集中在7—9月份且多暴雨,無霜期158—195 d。自1999年開始,該流域實行了大規模的退耕還林還草工程,該流域分布有大面積的人工喬灌植被和自然恢復植被,該區自然恢復植被演替大體經歷了一年生草本群落階段到多年生蒿禾類草本群落階段,形成了以豬毛蒿(Artemisiascoparia)、賴草(Leymusscalinus)、長芒草(Stipabungeana)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、白羊草(Bothriochloaischaemum)等為主要優勢物種構成的不同組合的植物群落；而灌叢主要是人工檸條(Caraganaintermedia)及封禁后天然形成的杠柳(Periplocasepium)、狼牙刺(Sophoraviciifolia)、旱柳(Salixmatsudan)等,喬木主要以人工刺槐(Robiniapsendoacacia)為主。

1.2　樣地選擇與樣品采集

結合研究區自然恢復植被和人工喬灌林種植情況,2015年4月中旬在黃土丘陵溝壑區安塞縣坊塌流域內,并根據不同的退耕方式,選取坡度類似(21°—32°),坡面平整無魚鱗坑,無嚴重侵蝕溝且相距不遠的7個自然恢復群落即豬毛蒿群落(ZMH)、長芒草群落(CMC)、白羊草群落(BYC)、鐵桿蒿+長芒草群落(TGH+CMC)、鐵桿蒿+大針茅群落(TGH+DZM)、鐵桿蒿+茭蒿群落(TGH+JH)與狼牙刺群落(LYC)、以及人工的刺槐林(CH)和檸條林(NT),以裸地(LD)作為對照,不同植被類型和對照均選擇三個樣地作為重復。各樣地的退耕年限是通過對農戶進行多次走訪和實地考證確定的。每個樣地按從上到下斜對角線方式布設3個2 m×2 m樣方進行植被調查。樣地的具體情況如表1所示：

表1　所選樣地基本信息

ZMH：豬毛蒿群落,Artemisiascopariacommunity；CMC：長芒草群落,Stipabungeanacommunitiey； BYC：白羊草群落,Bothriochloaischaemumcommunity；TGH+CMC：鐵桿蒿+長芒草群落,Artemisiagmelinii+Stipabungeanacommunity； TGH+DZM：鐵桿蒿+大針茅群落,Artemisiagmelinii+Stipagrandiscommunity； TGH+JH：鐵桿蒿+茭蒿群落,Artemisiagmelinii+Artemisiagiraldiicommunity；LYC：狼牙刺群落,Sophoraviciifoliacommunity；CH：刺槐林,Robiniapsendoacaciaforestry；NT：檸條林,Caraganaintermediaforestry；LD：裸地,bare slope land

2015年5月在以上所選的樣地上進行樣品采集,土壤每個樣地按從上到下斜對角的方式取3個重復。考慮到表層土壤理化性質隨植被恢復變化相對明顯,采取所選樣地0—10、10—20 cm土層土樣。其中：測定土壤容重和土壤水分特征曲線的土樣用體積為100 cm3的環刀取土；測定土壤有機質的土樣用土鉆按“S”型取5點各土層混合樣裝入樣品袋,自然風干后待用；土壤顆粒組成的樣品用規格為12 cm×10 cm×8 cm的鋁盒進行原狀土的采取,帶回實驗室后沿土壤的自然結構節理輕輕剝開,剝成直徑為1 cm左右的小土塊,剔去粗根和小石塊,平攤在通風處自然風干待用。

用MS2000型激光粒度儀測定土壤顆粒組成,土壤顆粒分級采用國際制；采用環刀法測定土壤容重；采用重鉻酸鉀-外加熱法測定有機質；利用離心機法測定土壤水分特征曲線,測定的吸力范圍為1—1000 kPa。

1.3　數據分析

1.3.1土壤水分特征曲線的模型選擇

土壤水的基質勢(土壤水吸力)作為土壤含水率的函數,他們之間的關系曲線稱為土壤水分特征曲線,反映了土壤水和能量之間的關系,是反映土壤水分運動基本特征的曲線[19]。很多學者提出不同的經驗公式來描述土壤水分特征曲線,常用的有Brooks-Corey模型、Gardner模型、Campbell模型、Van Genuchten模型等。但是鑒于Van Genuchten模型無論是對于粗質地土壤,還是較黏質地土壤,都具有較好的擬合效果[20]。因此本研究采用Van Genuchten模型對土壤水分特征曲線進行擬合。Van Genuchten模型方程如下：

(1)

式中，q為土壤含水率；qr為土壤殘余體積含水率(cm3/cm3)；qs為土壤飽和含水率(cm3/cm3)；h為土壤吸力(cm)；m、n為土壤水分特征曲線形狀系數,α為土壤進氣值的倒數。

1.3.2土壤有效水分界限劃分

為了更清晰地顯示土壤水分特征曲線的變化特征,以土壤水吸力水柱高厘米數絕對值的對數值pF值為縱坐標,以土壤含水率為橫坐標繪土壤水分特征曲線圖。根據已有的研究成果[11],取pF=1.8對應的土壤含水率為田間含水量,分別取pF=3.8和pF=4.2對應的土壤含水率為暫時萎蔫系數和永久萎蔫系數。從而計算出有效水(pF值為1.8—4.2)、速效水(pF值為1.8—3.8)和遲效水(pF值為3.8—4.2)的土壤含水率。

1.3.3比水容量的計算

根據前人研究表明[4],土壤吸持的水分的有效性不在于土壤含水量的多少,在于吸力的大小。而比水容量就是衡量土壤水分對植物的有效性和反應土壤持水性能的一個重要的指標,它是土壤水分特征曲線的斜率,即每單位基膜勢(負壓值)變化所引起的土壤含水率的變化[19],計算公式為：

(2)

式中,d表示對θ和h分別取微分,θ為土壤含水率；c為比水容量(mL kPa-1g-1)；h為土壤吸力(cm)。

比水容量值越高,即單位水吸力釋放的水較多,則說明土壤的供水能力越大,不僅表示有較多的水供植物利用,而且只需較小的吸力就能從土壤中吸收較多的水分[21]。如果植物以相同的能量吸水,在不同的吸力條件下,從各土壤中所吸收的水量因比水容量的不同而有很大的差異[4]。

1.4　數據處理

數據處理采用Excel 2007,統計分析采用SPSS20.0,作圖采用Sigmaplot 12.5,并采用軟件RETC對土壤水分特征曲線進行擬合。利用最小顯著極差法(LSD)進行土壤水分參數、土壤性質和比水容量的顯著性差異分析。

2　結果與分析

2.1　不同植被群落土壤水分特征曲線

從土壤水分曲線圖(圖1)可以看出,各植被類型0—10、10—20 cm土層土壤水分特征曲線是平行的曲線,呈近似的 “S”形。按疏密程度將不同植被類型的0—10、10—20 cm土層土壤水分特征曲線可分為0

土壤水分特征曲線在同一土壤含水量下,土壤水吸力越高,土壤保持水分的能力越強。在0—10 cm土層,0

圖1　不同植被類型的土壤水分特征曲線圖Fig.1　Soil water retention curve of different vegetation typesZMH：豬毛蒿群落,Artemisia scoparia community；CMC：長芒草群落,Stipa bungeana communitiey； BYC：白羊草群落,Bothriochloa ischaemum community；TGH+CMC：鐵桿蒿+長芒草群落,Artemisia gmelinii+Stipa bungeana community； TGH+DZM：鐵桿蒿+大針茅群落,Artemisia gmelinii+Stipa grandis community； TGH+JH：鐵桿蒿+茭蒿群落,Artemisia gmelinii+Artemisia giraldii community；LYC：狼牙刺群落,Sophora viciifolia community；CH：刺槐林,Robinia psendoacacia forestry；NT：檸條林,Caragana intermedia forestry；LD：裸地,bare slope land

為了能使土壤水分特征曲線的研究能夠定量化,利用Van Genuchten模型來擬合各植被類型0—10、10—20 cm土層土壤水分特征曲線,并分別對其參數進行顯著性差異分析(圖2)。不同植被類型的擬合效果均很好,R2都在0.99以上,土壤含水率和土壤水吸力的相關關系呈極顯著水平(P<0.01),基本與實測曲線重合,說明此模型適于該地區的土壤水分特征曲線擬合。

隨著植被恢復的進行,V-G模型的4個參數在0—10 cm土層、10—20 cm土層表現各異(圖2),均出現了一定程度的差異。土壤飽和含水率θs和形狀系數n差異性較大,表明在低吸力段不同植被類型土壤水分特征曲線斜率有一定的影響；殘余含水率θr為土壤水分特征曲線的斜率為0時的含水率(即很難隨吸力變化而變化時的含水率),θr的差異表現在較高吸力段不同植被類型土壤水分特征曲線位置不同；而進氣值為飽和土壤開始排水時的吸力值,α作為其倒數表現出的差異性表明不同植被類型土壤孔徑分布在植被恢復過程中出現了改變。

圖2　不同植被類型土壤Van Genuchten模型參數Fig.2　The parameters of Van Genuchten model of different vegetation typesn：土壤水分特征曲線形狀系數,soil water retention curve shape factor；α：土壤進氣值的倒數,the reciprocal of air-entry value;同字母分別表示0—10、10—20 cm土層不同群落間差異顯著(P<0.05)

2.2　不同植被類型土壤性質

分別對不同植被群落土壤性質進行分析可知(表2、表3),白羊草群落粘粒(<0.002 mm)含量無論是在0—10 cm土層還是在10—20 cm土層都顯著高于其他群落(P<0.05),但是其他群落之間差異性不顯著；就砂粒(>2 mm)而言,刺槐和裸地顯著高于其他群落且白羊草在0—10、10—20 cm都顯著低于其他群落(P<0.05),其他群落間差異不顯著。就不同恢復群落而言,隨著植被不斷恢復,粘粒含量呈增多的趨勢而沙粒含量呈減小的趨勢,可見表明從一年生草本群落到多年生蒿禾類群落再到灌木群落,土壤持水能力在逐漸增大。在不同植被類型看,檸條林持水能力除了低于白羊草以外強于其他群落。

對于有機質而言,在0—10 cm和10—20 cm土層范圍分別是6.76—13.21 g/kg和4.96—11.72 g/kg,鐵桿蒿+茭蒿群落有機質含量在兩個土層都顯著高于其他群落(P<0.05)。在0—10 cm土層土壤,長芒草群落、鐵桿蒿+長芒草群落、豬毛蒿群落、刺槐林和裸地有機質含量顯著低于其他群落(P<0.05),其他群落有機質含量無顯著性差異。在10—20 cm土層,長芒草群落和裸地顯著低于其他群落,而檸條林有機質含量除了低于鐵桿蒿+茭蒿群落外顯著高于其他群落。就容重來看,白羊草群落無論是在0—10 cm土層還是在10—20 cm土層都高于其他群落,刺槐林、檸條林和狼牙刺群落在兩個土層容重都處于較低水平。在0—10 cm土層,鐵桿蒿+茭蒿群落,鐵桿蒿+長芒草群落、檸條林,狼牙刺群落和刺槐群落容重低于其他群落。在10—20 cm土層,植被群落間容重差異不顯著。

表2　不同植物群落0—10 cm土層土壤性質

數據后不同字母表示不同群落間差異顯著(P<0.05)

表3　不同植物群落10—20 cm土層土壤性質

數據后不同字母表示不同群落間差異顯著(P<0.05)

2.3　不同植被群落土壤水分的有效性

從得到的不同植被類型土壤水分的有效性來看(圖3),0—10 cm土層有效水的含水量范圍為22.65%—26.80%,從恢復階段來看,基本表現出多年生蒿禾類群落低于灌木群落而高于一年生草本群落；從植被類型來看,白羊草群落最大,檸條林次之,刺槐林、鐵桿蒿+長芒草群落最低,白羊草群落顯著大于刺槐群落(P<0.05),其他群落間顯著性差異不明顯。速效水與有效水呈同樣的趨勢,其范圍為22.08%—25.94%。遲效水含量范圍0.35%—0.91%,刺槐與裸地、鐵桿蒿+長芒草群落有顯著性差異,其他群落沒有顯著性差異。10—20 cm土層有效含水量范圍為23.97%—28.13%,白羊草群落有效含水量顯著的大于裸地、豬毛蒿群落、長芒草群落、鐵桿蒿+茭蒿群落和鐵桿蒿+大針茅群落的有效含水量(P<0.05),基本呈現出多年生蒿禾類群落低于灌木群落而高于一年生草本群落,刺槐林和鐵桿蒿+大針茅群落有效含水量最低。速效含水量與有效含水量有同樣的趨勢,其范圍為23.42%—27.44%。遲效含水量各植被類型之間沒有顯著性差異。從圖3中可以看出,不同植被類型土壤在10—20 cm土層的土壤有效水分和速效水分較0—10 cm土層土壤有效水分和速效水高。

2.4　不同植被群落比水容量

表4、表5表明,隨著土壤水吸力的增大直至凋萎系數所在水吸力,比水容量的數量級范圍為10-1—10-5。在0.5—1 kPa的范圍,各恢復階段的植物群落的比水容量的數量級為10-1,相同吸力下植物可以吸收較多的水,5—10 kPa時,而田間含水量所在的吸力值為6.19 kPa,各植物群落的比水容量為10-2,植物吸水變得困難。暫時凋萎系數和永久凋萎系數所在的吸值,分別為618.6 kPa和1553.8 kPa,各植物群落比水容量的數量級為10-5,可見此時植物已經很難從土壤中吸收水分。

分別對0—10 cm土層、10—20 cm土層每個吸力段的不同植被類型的比水容量的顯著性差異進行了分析(表4、表5)。0—10 cm土層不同植被類型土壤比水容量沒有顯著性差異,只有在1554 kPa時,白羊草和裸地出現了顯著性差異(P<0.05)。在10—20 cm土層中,不同植被類型土壤比水容量在土壤水吸力小于20 kPa時沒有顯著性差異；在土壤水吸力大于20 kPa時,比水容量在各吸力段表現各異,但是其變化趨勢基本類似,除了白羊草較大外,基本都呈現出多年蒿禾類草本群落大于一年生草本群落而小于灌木林,刺槐林最小。

3　討論

在0—10 cm土層、10—20 cm土層不同植被類型土壤有效水分基本表現出多年生蒿禾類群落低于灌木群落而高于一年生草本群落的變化趨勢；在10—20 cm土層,不同類型植被土壤持水能力呈現出多年蒿禾類草本群落大于一年生草本群落而小于灌木林的變化趨勢。不同植物群落由于優勢種各異,植物種自身的生物學特性對土壤有效水分和土壤持水能力的變化有很大影響。灌木群落相較于草本群落具有較大的冠幅和地上生物量,意味灌群落具有較多的枯枝落葉和死根來進行腐殖質的轉化,進而增加了土壤有機質含量,減小土壤容重,改善土壤質量,提高土壤有效水分含量和土壤持水能力。而且較大根系生物量可以分泌更多膠接物質促進團聚體的形成[22],從而形成較好的土壤結構,增大土壤空隙,減小土壤容重,提高了土壤有效水分和土壤持水能力。一年生草本處于植被恢復初期,其生物量較少,對養分的累積能力較低,養分消耗大于累積,土壤養分含量逐漸減低[23],且對沖刷抗擊能力較弱,土壤緊實,容重較大,土壤結構較差[24],使得有效含水率和土壤持水能力都較低。而多年蒿禾類群落較一年生草本群落結構復雜及生物種類多樣化,群落凋落物增多,土壤中物質分解加速,有機質含量增加,土壤容重逐漸變小,土壤環境得到顯著改善,相應的有效水分和土壤持水能力較一年生草本群落大[23]。無論是在0—10 cm土層還是10—20 cm土層,白羊草群落土壤粘粒含量都最大(P<0.05)。在有機質含量較少且差異不大的土壤中,主要是土壤質地對土壤性質有影響[25],較高的黏粒,增加了土壤粘結能力,使得其土壤持水能力和土壤有效水較高。而刺槐林有機質較低,粘粒含量也相對較低,使得其土壤持水能力較小。

不同字母表示土層不同群落間差異顯著(P<0.05)

表5　0—10 cm土層不同植被類型土壤的比水容量/(mL kPa-1g-1)

圖3　不同植被類型土壤有效水分Fig.3　Soil available waterof different vegetation types不同字母分別表示0—10 cm、10—20 cm土層不同群落間差異顯著(P<0.05)

不同字母表示不同群落間差異顯著(P<0.05)

在本研究中,不同植被類型土壤10—20 cm土層的有效含水量比0—10 cm土層的有效含水量高。土壤含水量不僅表現在不同類型之間,在不同土層間也有差異,10—20 cm土層含量比0—10 cm土層高與本研究結果類似[26]。在長期的土壤侵蝕過程中,結構和功能相對較好的表層土壤被流失,導致土壤養分貧瘠。而通過自然植被來恢復極度退化的生態系統是非常困難的,在不進行人工正確干預的情況下,需要很長的時間才能完成[27]。而且在植被恢復的過程中,本研究地區仍然伴隨著土壤侵蝕的發生,使得表層土壤流失在持續發生,使得土壤養分狀況和土壤結構都較差。盡管0—10 cm土層土壤有機質含量較10—20 cm高一些,但是有機質在必須達到一定值才能對土壤結構和持水性能及水、氣關系有一定的影響[25],而在本研究中無論是0—10 cm土層,還是10—20 cm土層,有機質含量都較低。在有機質含量較低時,土壤質地對土壤性質有較大影響[25],而在本研究中,土壤均為砂質壤土。在0—10 cm土層土壤結構遭到侵蝕破壞后,10—20 cm土層土壤結構優于0—10 cm土層的土壤結構,使得有效水分高于0—10 cm土層。而在0—10 cm土層土壤性質差異不顯著時,土壤持水能力也沒有差異性。

4　結論

隨著植被恢復的進行,在同一土層間不同植被類型的土壤有效水含量和土壤持水能力基本都呈現出多年蒿禾類草本群落大于一年生草本群落而小于灌木林的規律,且白羊草群落土壤有效水分在0—10、10—20 cm土層均高于其他植被類型的土壤有效水含量。相同植被類型下,土壤有效水分在10—20 cm土層高于0—10 cm土層。在0—10、10—20 cm兩個土層刺槐林有效水分和土壤持水能力都較低。因此,為實現土壤水分的可持續利用,可以適當采取間伐并促進其近自然化恢復與演替且不適宜在陽坡缺水地區種植大面積種植刺槐。