黃土丘陵溝壑區不同退耕草地土壤水分研究

趙佰禮, 穆興民,2, 高 鵬,2, 趙廣舉,2, 孫文義,2, 田 鵬,2

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

黃土高原丘陵溝壑區屬于干旱半干旱地區，植被覆蓋度低，水土流失嚴重[1]。限制該地區植被生長的主要因素是水分狀況[2]，土壤水分對植被生長的影響一直是生態學和土壤學的研究熱點之一[3]。土壤水分狀況與土地利用和植被覆蓋密切相關[4-6]，土壤水是該地區植被生長發育所需水的主要來源[7]，而降雨是土壤水的重要補給來源[8]。長期以來，由于濫墾濫牧，毀林開荒，且降水不足，氣候干燥，蒸散發強度大，使黃土高原丘陵溝壑區土壤水分極度缺乏，導致土地生產力嚴重降低[9]。引起了一系列的生態環境問題，限制了當地的農業和畜牧業可持續發展[10]。1999年提出的黃土高原生態建設和經濟發展的16字方針“退田還草(林)，封山綠化，個體承包，以糧代賑”，為黃土高原的生態環境修復和開發建設提供了實質性措施。

隨著近20年來的退耕還林草工程的實施，大規模的退耕還林還草[11]，顯著提高了林草覆蓋率，也在一定程度上改變了土壤的理化性質[12-13]，研究表明，2000—2012年黃土高原植被覆蓋面積呈增大態勢，植被覆蓋率由29.77%增加到39.15%[14]。黃土高原水土流失逐步得到控制，基本實現了生態環境的良性發展。有關植被恢復、降水與土壤水分的研究形式多樣，內容豐富。許多學者研究了降雨和表層土壤水分的關系，王軍等[15]研究了0—70 cm草地土壤水分年際間平均變化；有些學者研究了深層土壤水分的變化，但是局限于年內和年際降雨對土壤水分的影響，如劉志鵬等[16]研究了0—800 cm土壤水分動態變化，得出土壤含水率在垂直方向0—800 cm范圍內呈干濕交替的層狀分布，出現相對高濕層和相對低濕層；較少學者對次降雨與深層土壤水分動態變化的關系進行研究。因此，本研究選取黃土高原丘陵溝壑區同一坡度兩種不同退耕還草方式的小區，基于土壤不同深度的土壤水分動態連續觀測數據，研究退耕草地深層土壤水分的變化特征，為該區退耕還林(草)工程可持續發展提供科學理論依據，同時也為該區的農業和畜牧業生產環境提供科學支撐。

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南30 km左右的紙坊溝小流域，地理坐標為北緯36°43′36″，東經109°15′14″，海拔1 012～1 731 m[17]。氣候屬于中溫帶大陸性半干旱季風氣候，干濕分明。春季氣溫回升較快，變化大，有霜凍，雨量少，年均溫度8.8℃，年均降雨量505.3 mm，無霜期158 d[18]。研究區內土壤類型為黃綿土，土質疏松，抗沖性和抗蝕性較差，水土流失嚴重。土壤顆粒以細沙粒和粉粒為主，土壤容重為1.3 g/cm3左右，總孔隙度為55%左右。小區內主要有長芒草(Stipabungeana)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、百里香(ThymusmonglicusRonn)、白羊草(Bothriochloaischaemum)等草本植物。

1.2 試驗區概況

本試驗點位于退耕還草的坡面，研究區內共設有兩個小區，每個小區3個重復，分別為自然退耕草地和水平階退耕草地，是處在同一地形條件下的兩種不同退耕地，退耕年限16 a，總面積約400 m2，坡度范圍20°～30°，坡向為北偏東19°，草地覆蓋度約為40%。

1.3 數據來源

試驗儀器采用北京雨根科技有限公司生產的RR-7120土壤濕度自動檢測系統，土壤含水量為容積含水量，本研究中用重量含水量進行了標定。每個小區內預先埋有500 cm深度的土壤水分測定探頭16個，連續測定地下深度20，40，60，80，100，120，140，160，180，200，250，300，350，400，450，500 cm的土壤水分，觀測頻次為10 min/次，觀測時間為2015年10月17日—2017年5月5日。小區外設有小型氣象站，測定的指標有溫度、濕度、光合有效輻射、太陽輻射、風向、風速和降雨量。

2 結果與分析

2.1 降雨對兩種草地土壤含水量年內變化的影響

黃土區表層土壤水分易受降雨入滲補給和蒸散耗水的影響，因此該層的土壤水分具有明顯的季節性變化特征[19]。2016年0—500 cm土壤含水量與降雨量的變化如圖1所示。1—3月份降雨量少，土壤含水量也比較低，從4月份開始兩種草地土壤含水量逐漸升高，水平階草地升高的幅度大于自然草地；7月份降雨充足，兩種草地的土壤含水量達到全年最大值；8月份降雨量減少，且植物生長處于最旺盛的時候，所以8月份土壤含水量降低；9月份降雨量急劇減少，土壤含水量降低；10月份降雨量增加，且植物對水分的需求量較小，該月土壤含水量上升。2016年的降雨在7月份達到最大值90.6 mm，占全年的22.28%，月降雨量動態變化趨勢呈單峰變化，6—8月份降雨總量占年降雨量的58.5%。雨季前(5月份前)兩種草地的土壤含水量比較低，進入雨季后，土壤含水量發生變化，兩種草地均在7月份達到最大值，說明降雨對土壤含水量的影響比較明顯，在4—10月份土壤平均含水量水平階草地(13.38%)>自然草地(13.21%)。從土壤水分恢復情況來看，水平階草地含水量在各月均大于自然草地，表明水平階具有更好的保水持水能力。

2.2 兩種草地不同深度土壤含水量年內變化

水平階草地和自然草地淺層土壤含水量的年內變化趨勢基本相同，但200 cm以下水平階草地普遍大于自然草地(圖2)。分析兩種草地不同深度土壤含水量年內變化等值線圖表明，兩種草地0—20 cm范圍內土壤含水量隨時間的變化波動劇烈，雨季土壤含水量升高，非雨季降低；20—40 cm是植物根系吸收水分的有效范圍，土壤含水量變化也比較明顯；40—200 cm是土壤含水量比較穩定的層次；250 cm處是一個過渡帶，此層的水分既可以補給上層的土壤水分也可以對下層土壤水分進行補給；300—500 cm深度是一個穩定的層次，外界各種因素的變化對此層土壤水分的影響很微弱，所以深層含水量變化趨勢基本相同；土壤含水量在250 cm深度處降低，250 cm以下土壤含水量又逐漸升高，即存在土壤水分“干層”現象。在1—2月份，降水少，溫度低，植物需水量少，土壤水分處于收支平衡階段；2—11月份，兩種草地的含水量雖有差別但變化趨勢基本相同，有降雨的情況下，0—100 cm范圍內土壤含水量有不斷上升的趨勢，對深層土壤的影響比較小，沒有降雨的情況下土壤含水量降低；11—12月份降水減少，淺層土壤含水量隨之降低，深層土壤含水量變化不明顯。

圖1 降雨對兩種草地土層土壤含水量年內變化的影響

圖2 兩種草地不同深度土壤含水量年內變化

2.3 兩種草地不同生長周期土壤水分變化特征

選取分別代表植物非生長期、生長期開始、生長期、生長期結束的1月、4月、8月和11月，以研究植物不同生長季節的土壤水分變化(圖3)。非生長期自然草地土壤表層水分含量(2.65%)<水平階草地(3.38%)，100 cm深度處自然草地(13.48%)>水平階草地(13.33%)，500 cm深度處自然草地(14.61%)<水平階草地(15.27%)；生長期開始自然草地土壤表層水分含量(10.11%)<水平階草地(10.44%)，100 cm深度處自然草地(13.56%)>水平階草地(13.07%)，500 cm深度處自然草地(14.33%)<水平階草地(14.85%)；生長期自然草地土壤表層水分含量(12.46%)>水平階草地(11.58%)，100 cm深度處自然草地(14.02%)<水平階草地(14.44%)，500 cm深度處自然草地(14.39%)<水平階草地(14.99%)；生長期結束自然草地土壤表層水分含量(11.92%)>水平階草地(11.08%)，100 cm深度處自然草地(14.87%)<水平階草地(15.15%)，500 cm深度處自然草地(14.76%)<水平階草地(15.14%)，可見自然草地和水平階草地在4個時期0—100 cm深度的含水量互有交叉，而100 cm以下水平階草地含水量均大于自然草地，特別是200—500 cm土層，水平階草地在4個時期均大于自然草地。這主要是由于水平階草地具有較好的持水性和保水能力，對深層土壤水分的補充具有長期性。

2.4 次降雨條件下兩種草地土壤水分變化

黃土區降雨入滲深度與降雨量相對應，降雨愈豐入滲愈深，入滲深度多為1～2.5 m[20]。由于8月份降雨量充沛，植物生長旺盛，本研究選取8月份典型降雨條件下的土壤含水量和次降雨數據進行分析(圖4)。8月份主要有5日、16日、17日和24日4次降雨，降雨量分別為4.8，10.8，30.6，27.6 mm。每次降雨后兩種草地土層深度在0—20 cm處，土壤含水量隨著降雨的變化有顯著變化，20—100 cm范圍內有一定的變化，100 cm以下土壤含水量變化不明顯。8月5日，自然草地和水平階草地表層土壤含水量分別是8.68%，9.78%，500 cm深度處兩種草地的土壤含水量分別是14.38%，15.00%；8月16日，自然草地和水平階草地表層土壤含水量分別是9.83%，9.78%，500 cm深度處兩種草地的土壤含水量分別是14.39%，15.00%；8月17日，自然草地和水平階草地表層土壤含水量分別是18.35%，19.15%，500 cm深度處兩種草地的土壤含水量分別是14.39%，14.99%；8月24日，自然草地和水平階草地表層土壤含水量分別是12.58%，13.74%，500 cm深度處兩種草地的土壤含水量分別是14.41%，15.00%；由此可見兩種草地表層的土壤水分變化并沒有明顯的差異，但深層土壤水分水平階草地比自然草地要高。

圖3 兩種草地不同生長周期0-500 cm土層土壤含水量的變化特征

圖4 次降雨對不同深度土壤含水量的影響

3 討 論

對于深層土壤的水分狀況，水平階草地的土壤水分高于自然草地，以7月份為例，水平階草地和自然草地表層土壤含水量分別為14.10%，13.99%。大量研究表明[21-22]，水平階具有蓄水保水的功能，所以相同降雨條件下水平階草地的土壤含水量高于自然草地。即在相同的退耕條件下有水土保持措施的草地保水性和持水性比無水土保持措施的草地的要好。

本研究中亦發現土壤水分“干層”現象。自然草地和水平階草地含水量均在250 cm深度處突然降低，但是300 cm處土壤含水量又逐漸升高。出現這種現象的原因是在黃土高原較為嚴重的干旱條件下，地表蒸發強烈，林草植被不能從天然降雨中獲取足夠的水分，為了維持其正常生長的需要，必然要吸收深層土壤的水分。在林草植被長期過度耗水的情況下，土壤含水量長時間處于虧缺狀態，甚至達到或接近凋萎濕度，最終導致土壤干化形成土壤干層[23-24]。程積民等[10]研究得出土壤干層恢復可分為3個階段：第一階段1～2 a為緩慢恢復期；第2階段在3～5 a為穩定恢復期；第3階段在6 a以上為快速恢復期。干層的土壤水分要自然恢復到種植前的含水量需要6～7 a；通過水平階和水平溝整地進行人工調控，土壤水分比自然恢復可提前2～3 a，一般需要4～5 a的時間即可恢復正常。本研究只有一年的數據，退耕草地還處于緩慢恢復期，還不能充分解釋干層土壤水分恢復的過程；根據本研究結果可以看出經過人工調控的水平階草地土壤水分要比自然草地高，我們認為退耕草地土壤干層水分是可以恢復到正常狀態，而且有水保措施調控的退耕草地的恢復時間比自然退耕草地的恢復時間要短。

4 結 論

(1) 水平階退耕草地和自然退耕草地的年內土壤含水量變化趨勢基本相同，雨季土壤含水量升高，非雨季降低；土壤含水量在表層變化明顯，深層沒有顯著的變化。

(2) 兩種退耕草地在不同生長周期土壤水分在不同深度具有明顯差異，以生長期為例，自然草地土壤表層水分含量(12.46%)>水平階草地(11.58%)，100 cm深度處自然草地(14.02%)<水平階草地(14.44%)，表現在0—100 cm深度土壤含水量互有交叉，而100 cm以下水平階草地含水量均大于自然草地，這主要是由于水平階草地具有較好的持水性和保水能力，對深層土壤水分的補充具有長期性。

(3) 次降雨對兩種草地不同深度土壤含水量的影響不同，從本研究數據來看，次降雨對土壤表層土壤水分的影響明顯，對深層土壤水分的影響還不太明顯。