半干旱黃土高原苜蓿草地撂荒過程土壤水分變化特征

郭茹茹, 楊 磊, 李宗善, 衛 偉, 張欽弟,*

1 山西師范大學生命科學學院, 臨汾 041004

2 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085

土壤水分是陸地水資源的重要組成部分,調節著生物圈-大氣之間的關系,是氣候—土壤—植被之間相互作用的關鍵因素[1- 2]。尤其在黃土高原地區,氣候干旱、降水稀少且地下水埋藏深,土壤水分是植被生長的主要水分來源,使其成為這一地區植被恢復的重要限制因子[3]。土壤水分不僅影響植物的生長狀況,也在一定程度上影響了植被的演替方向[4- 6]。土壤水分過程對植被動態的響應是目前生態水文領域的一個重要科學問題。植被覆蓋度的變化、植被消耗水分的動態過程以及區域水資源的可能變化[7],這些問題是影響黃土區土壤水分變化的重要因素,準確描述土壤水分動態變化及其對植被演替的響應,對干旱和半干旱生態系統的穩定具有重要的研究意義。

在植被恢復過程中,土壤水分對草地植物的個體生長和生存以及群落分布、組成和結構產生影響,而草地植被也會通過水分利用和消耗以及改變降水分布來影響土壤水分,二者之間是一種相互依賴和制約的關系[8]。近年來,關于黃土丘陵區不同土地利用方式、植被類型以及降水量對土壤水分的影響進行了大量的研究和探討,其中張北贏[9]在不同土地利用方式的土壤水分研究中發現,沙棘對垂直剖面的土壤水分影響較大,白羊草地則對季節動態的土壤水分有較大影響;呂渡[10]等探討不同植被類型下土壤水分分布狀況,分析發現草地土壤水分顯著高于其它植被類型,同時降水主要影響0—2 m的土壤水分;杜好田[11]等研究降水變化對退耕草地土壤水分影響發現,降水量與土壤水分呈現顯著相關,可直接影響土壤含水量的大小,尤其0—30 cm深度土壤水分對降水的響應最大;但針對黃土丘陵區苜蓿地撂荒過程中土壤水分動態變化的分析少見報道。

為防治嚴重的水土流失、改善區域生態環境,我國黃土高原地區自1999年開展了大規模的退耕還林(草)工程。其中,紫花苜蓿(Medicagosativa)由于其抗旱、耐寒、保土以及高產等優點[12],因而作為優質牧草被廣泛種植。同時它生物量大、為多年生牧草,具有強蒸散、高耗水等特性[13]。多年連續種植后會過度消耗大量土壤水分,造成深層土壤發生干化,并帶來生態環境惡化[14]。土壤水分不足嚴重制約植被的生長及植被恢復的可持續性,進而影響生態功能的發揮。另一方面,隨著黃土高原地區城鎮化的快速發展,農村人口大規模向城鎮遷移,致使大量苜蓿草地被撂荒。目前,關于黃土高原地區苜蓿草地的土壤水分做了大量的研究,主要集中在不同地區、不同生長年限以及降雨對土壤水分的影響等方面[15- 19]。以上研究對苜蓿草地的土壤水分狀況做了有益的探索,但對于自然狀況下苜蓿地撂荒恢復過程土壤水分變化規律研究不夠系統深入,需要進一步分析土壤水分在不同恢復階段是如何變化。因此,本文以半干旱黃土高原小流域草地群落為研究對象,基于土壤水分的動態觀測,研究苜蓿草地演替過程中土壤水分的剖面分布和季節變化,明確土壤水分對植被動態的響應特征,以期為黃土高原生態恢復提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

研究區位于甘肅省定西市巉口鎮龍灘流域(35°43′—35°46′ N,104°27′—104°32′ E),流域面積約16.1 km2,屬典型半干旱黃土丘陵區,流域海拔1840—2260 m(圖1)。年平均溫度6.8℃,有效積溫2124℃,無霜期152 d。年均降水量386 mm,潛在蒸發量1439 mm,降水多集中在7—9月。流域屬典型草原帶,天然植被主要是賴草(Leymussecalinus)、長芒草(Stipabungeana)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、百里香(Thymusmongolicus)、青甘錦雞兒(Caraganatangutica)等草本、半灌木和灌木。受長期人為生產、生活等活動的干擾,流域原始植被破壞嚴重,現有植被以人工植被為主,包括油松(Pinustabulaeformis)、側柏(Platycladusorientalis)、檸條(Caraganakorshinskii)、紫花苜蓿等(Medicagosativa)。該流域土質均一,土壤類型主要為黃綿土,有機質含量低,土壤貧瘠。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Location of study area

1.2 樣地設置和野外調查

在研究區通過相關文獻查閱和實地調查苜蓿地撂荒的自然進程[20- 22],將草地群落按演替序列依次劃分為苜蓿群落、苜蓿+賴草群落、賴草群落和長芒草群落。采用空間代替時間的方法,對4種群落類型各選取7個樣地。在各個樣地內進行植被調查,并采集各樣地環境和地理信息(表1)。半干旱黃土丘陵區由于淺層土壤水分受降雨影響較大,用動態數據來分析不同植被覆蓋下土壤水分對降水的響應更具客觀性,故本研究于2016—2018年4月初至10月底,每2周對土壤水分進行測定。結合天然草地植物根系分布特點(表2)以及降水[10]的影響,故本文選取0—1.8 m的土壤水分。采用便攜式時域反射儀(TDR/Time-FM)對每個固定樣點中土壤水分進行動態監測,每0.2 m測量一次,直至土層深度1.8 m,該水分含量為體積含水量(cm3/cm3)。利用TDR測定的土壤體積含水量,其準確度和精確值分別達到±0.002、±0.01,在觀測土壤水分過程中可以不破壞土壤原狀結構、操作簡便、能長期連續工作的優點。另外,為實時記錄該區降水量,該流域在研究樣地內均勻布設5個自動式水量記錄儀,進行生長季降水量的觀測。已有研究表明紫苜蓿等人工植被對深層土壤水分消耗較大[23],因而采用烘干法測定0—5 m深層土壤水分含量。使用便攜式土鉆在每個樣地鉆取0—5 m深層土壤樣品,每隔0.2 m取樣一次,取出的土壤樣品在105℃下烘干24 h測定其重力土壤含水量(g/g)。通過烘干法實測重力土壤含水量來校準便攜式TDR的土壤水分測量值。該方法校準得出的以下回歸方程y=1.1805x-0.3851(R2=0.99),y是烘干法測定的土壤含水量乘以土壤容重,x為時域反射儀的介電常數。土壤容重的測定采用環刀法按0—0.2 m、0.2—0.4 m、0.4—0.6 m、0.6—0.8 m、0.8—1.0 m劃分土壤剖面層次,自上而下在每層中部取樣,將樣品帶回實驗室,在105℃烘干至恒重,稱量干重,計算土壤容重。土壤粒徑采用Mastersizer 2000激光顆粒測試儀(英國Malvern)進行測定。然后計算粘粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002—0.02 mm)和砂粒(>0.02 mm)含量的比例。由表1可知,各草地群落0—0.6 m土壤中粘粒含量的占比在5%上下浮動,粉粒的含量占比最大,達75%左右,砂粒含量的占比則為20%左右。

表1 樣地基本信息表Table 1 Basic information table of study area (Mean±SD)

表2 不同草地群落地下生物量分布Table 2 Distribution of belowground biomass in different grassland communities

1.3 數據處理與分析

本文中數據整理用Microsoft Excel 2016,數據分析采用SPSS 17.0軟件,采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較不同草地群落土壤水分垂直剖面和季節動態的變化,均采用Turkey法在95%的顯著水平進行多重比較,采用OriginPro 8.5.1軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 不同草地群落土壤水分的垂直剖面分布變化

2016、2017和2018年生長季降水量分別為156.60 mm、209.96 mm和293.04 mm,與該區域長期氣候特征相比,2016年為干旱年,2017和2018年為平水年。圖2表示的是2016—2018年生長季不同草地群落平均土壤水分的垂直分布。從圖2中可以看出,2016年不同群落的土壤水分含量明顯低于2017年和2018年。2016年苜蓿群落0—1.8 m平均土壤水分含量為0.091 g/g,而2017和2018年的土壤水分含量分別為0.130 g/g、0.130 g/g;苜蓿+賴草群落2016年土壤水分含量變化于0.091—0.099 g/g之間,而2018年土壤水分則變化于0.112—0.177 g/g之間;賴草群落2016年0—1.8 m平均土壤水分含量為0.108 g/g,而2017—2018年土壤水分含量則為0.158 g/g;2016年長芒草群落土壤水分含量變化于0.086—0.102 g/g,平均值為0.093 g/g,而2018年土壤水分含量相對較高,平均值則為0.133 g/g。其次,撂荒過程中,賴草群落0—1.8 m垂直剖面的土壤水分含量均高于其它草地群落。結合圖3分析發現,賴草群落平均土壤水分含量較高,但其隨時間也存在較大波動,其土壤水分的時間穩定性低于其它群落。不同年份土壤水分隨草地群落演替呈現不同的變化。具體來說,平水年不同土層的土壤水分含量均高于干旱年(圖3)。群落演替過程中,0—0.4 m土壤水分含量無明顯變化(P>0.05),但在0.4 m以下土壤水分含量差異顯著(P<0.05)。在0.4—1.0 m時,賴草群落土壤水分含量顯著高于苜蓿群落和長芒草群落,而苜蓿群落土壤水分含量在1.0—1.8 m土層時顯著低于其它群落(P<0.05)。以上結果表明,苜蓿草地撂荒演替過程中,土壤水分含量呈先增加后降低的變化。

圖2 2016—2018年不同草地群落土壤水分剖面分布特征Fig.2 Vertical distribution of soil moisture in different grassland communities in 2016—2018

圖3 比較不同草地群落的土壤水分含量Fig.3 Comparison of soil moisture content in different grassland communities 圖中大寫字母表示不同年份同一深度的差異;小寫字母表示不同群落同一深度的差異(P<0.05)

2.2 不同草地群落類型土壤水分的時間動態

圖4表示不同草地群落類型 0—0.4 m、0.4—1.0 m 和 1.0—1.8 m 深度土壤水分的時間動態。由圖4可以看出,在 0—0.4 m這一土層中,各群落類型的土壤水分與降水呈現相應季節性變化。不同群落類型土壤水分均隨降水呈現出較大的波動,結合圖4降水量越大,相應的土壤水分含量也越高。相比而言,賴草群落平均土壤水分含量較高,而苜蓿群落平均土壤水分含量相對較低。方差分析表明,這一層次不同植被類型之間土壤水分并無顯著差異,造成這一現象的主要原因在于這一層次受降水補充作用明顯,土壤水分波動較大(圖3)。與表層0—0.4 m土壤水分的時間動態有所不同,0.4—1.0 m土層內水分含量隨降水變化相對較弱,但隨降水波動也有一定的變化,土壤水分含量在 0.079—0.156 g/g之間(圖4)。結合圖3可知,這一層次不同草地群落之間存在差異顯著(P<0.05)。由于受降水和植物蒸騰的影響,該層在外界強烈蒸騰期和缺水期可向表層土壤供水,雨季可貯水,不同植物根系吸收對土壤水分有一定的調節作用。由圖4可以明顯看出,在監測時段內同一植被類型土壤水分基本沒有明顯的波動,但不同群落類型之間土壤水分含量差異顯著(圖3)。表明1.0—1.8 m該層受蒸發、降水的影響較小,主要受苜蓿耗水的影響。其中,苜蓿群落在這一層次消耗了大量土壤水分,特別是在干旱年,降水幾乎對土壤水分沒有補給作用,土壤水分得不到恢復。由此可以看出,降水主要影響著0—1 m剖面土壤水分的時空分布,在自然降水條件下,土壤水分狀況較少得到補給與改善。

圖4 不同草地群落類型土壤水分的時間動態Fig.4 Temporal variations of soil moisture content in different grassland communities

2.3 不同群落類型0—5 m深層土壤水分的變化分析

通過不同草地群落類型0—5 m土壤水分的對比,以分析隨著群落演替土壤水分恢復的程度。從圖5可看出,苜蓿群落深層土壤水分明顯下降,說明種植苜蓿對土壤深層水分造成了一定的過度消耗。而苜蓿+賴草群落、賴草群落和長芒草群落各層土壤水分含量明顯增加,表明撂荒過程中使土壤水分得到了一定程度的恢復。結合表3可知,2 m以下各草地群落土壤水分隨土層深度的增加而增加(圖5)。其次,各群落類型0—1 m土壤水分含量并無明顯變化,1—2 m土壤水分含量有變化但無顯著差異,而2—5 m土壤水分含量之間則存在顯著差異(P<0.05)。其中,苜蓿群落與其它草地群落相比土壤水分較低,0—1 m為0.115 g/g,1—2 m為0.066 g/g,2—5 m為0.061 g/g;苜蓿+賴草群落2—5 m深層土壤水分含量變化于0.067—0.083 g/g之間,而淺層土壤水分則變化于0.078—0.128 g/g之間;賴草群落0—2 m層草地土壤含水量為0.093—0.135 g/g,平均值為0.114 g/g,2—5 m深層平均土壤水分含量為0.090 g/g,高于其它草地群落類型;長芒草群落0—2 m土壤水分含量變化于0.064—0.084 g/g,平均值為0.073 g/g,深層土壤水分含量相對較高,平均值則為0.094 g/g。以上結果表明這一地區土壤水分的入滲深度不高,1 m以下基本由植被來決定。由此可得,苜蓿草地撂荒過程群落自然演替使深層土壤水分得到一定程度的恢復,深層土壤水分恢復有利于植被的可持續生長。

圖5 不同群落類型0—5 m深層土壤水分的比較Fig.5 Comparison of 0—5 m deep soil moisture in different community types

表3 不同草地群落類型的0—5 m的土壤水分含量/(g/g)Table 3 Comparison of soil moisture content in 0—5 m depth of different grassland community types(Mean±SD)

3 討論

3.1 不同草地群落土壤水分垂直剖面分布變化的原因

在黃土高原地區,由于受季風氣候的影響,年際間降水量存在較大差異[24- 25]。本研究結果表明,苜蓿地撂荒過程中0—1.8 m整個剖面內土壤水分均表現出明顯的年際差異。平水年(2017—2018)同一草地群落的土壤水分明顯高于干旱年(2016)。這是由于年際間的降水補充造成的差異,土壤水分年際間變化基本與年降水量的變化一致。本文中各草地群落降水主要影響 0—1 m土層的土壤水分,而1 m以下土層基本由群落類型所決定。這與王力[7]、馬婧怡[26]等人的研究結果相一致。不同草地群落土壤水分消耗程度的不同,使得土壤水分剖面垂直分布不同,從而影響著潛在降水入滲能力[27]。本研究中,土壤水分隨群落恢復時間的延長呈先增加后降低的變化。由于根系分布密度和深度存在較大差異,植被的蒸騰和土壤的蒸發不同,因而土壤水分會發生相應的變化[28]。此外,賴草群落各層土壤水分明顯高于苜蓿群落(表3),苜蓿是深根系植物,生長需要吸收更深層的水分,隨著深層土壤水分逐漸消耗,造成土壤干燥化程度加深。隨著群落的演替,枯草層較厚,因此蒸散量較小、土壤水庫儲存量就比較高[29];另外,賴草、長芒草禾本科植物等根系淺,主要利用表層土壤水分來維持自身生長,深層土壤水分得到恢復[30]。這說明撂荒過程對土壤水分條件的改善具有積極的作用。

3.2 不同草地群落類型土壤水分時間動態變化的解釋

土壤水分受降水入滲補給、土壤蒸發和植物蒸騰等因素影響,具有明顯的季節性波動變化特征[31]。在本研究中,0—0.4 m土層的土壤水分主要受降水波動較大,其動態變化趨勢與降水的變化趨勢基本一致(圖4)。這與前人在土壤水分方面的大多數研究結論相吻合[24,32- 33]。0—0.4 m土壤水分雖然受較強的土壤蒸發作用,但降水對土壤水分有較好的補給,從而土壤水分相對較高;0.4—1.0 m主要由降水和植被類型共同決定,這一土層水分受土壤蒸發和植被蒸騰雙重作用的影響,降水對土壤水分有一定的補給;1.0—1.8 m土層土壤水分主要受植被類型影響,土壤水分基本得不到降水補給,受土壤蒸發影響相對較小,而受植被蒸騰作用相對較大,與Souza[34]和Rosenbaum[35]等人的研究結果相符。圖4中1.0—1.8 m因受群落類型影響,土壤水分含量也表現不同。其中,賴草群落的土壤水分含量顯著高于苜蓿群落。降水入滲深度隨土層深度的增加而降低,因而土壤水分的季節變化表現出隨土層增加趨于減弱的趨勢,這可能是由于植物在生長過程中,消耗了淺層土壤水分,使降水在補償淺層土壤水分后,對深層土壤水分補償減少的緣故造成。

3.3 分析撂荒過程土壤水分的變化對植被恢復建議

土壤水分是黃土高原植被恢復與生態重建的主要限制因子,也是決定土地生產力的一個重要因素[28]。在退耕還林(草)背景下,由于缺乏科學指導,大多數引進的人工植被耗水量大,不適宜當地的土壤水分環境,加劇了黃土高原地區深層土壤的干化過程[33,36],對區域土壤水環境產生了一定的影響,不利于區域生態安全以及可持續發展[37]。因此,在這種情況下要對該地區進行生態恢復,必須選擇合適的植被恢復方式。本研究結果表明,苜蓿地撂荒過程中,深層土壤水分得到恢復,土壤干化情況也可以得到有效地緩解。說明退耕以后,植被的自然恢復是一個良性的發展趨勢。苜蓿經過自然演替可恢復為鄉土草本植被,可以改善土壤的理化性質,提高土壤的蓄水能力,從而使土壤水分含量提高,繼而很好地適應區域環境[38- 39]。相比人工恢復,撂荒恢復具有較好的生態環境效應。由此看來,撂荒恢復是退耕還林(草)中所采取的一種較為合理的恢復方式,它不但改善了土壤水分狀況,還縮短了恢復時間,對于黃土高原生態恢復具有重要的意義。

4 結論

本文以典型半干旱黃土高原草地群落為研究對象,定量分析了苜蓿地撂荒自然恢復過程中土壤水分的動態變化以及降雨對不同深度土壤水分的影響。主要結論如下：(1)在撂荒演替過程中,土壤水分隨群落恢復時間的延長呈先增加后降低的變化。其次干旱年和平水年之間的土壤水分存在顯著差異(P<0.05)表明降水與土壤水分的關系密切相關。(2)撂荒過程,0—0.4 m土壤水分受降水波動較大,各群落土壤水分并無明顯差異。表明該土壤層通過降水使不同群落土壤水分得到很好的補給。降水對0.4—1.0 m深度的土壤水分有定的影響,且不同草地群落土壤水分存在顯著差異(P<0.05);1.0—1.8 m深度土壤水分隨時間動態并無明顯變化表明降水對深層土壤水分沒有進行有效補充,同時土壤水分含量也較為穩定。(3)不同草地群落2—5 m深層土壤水分均存在著隨土層深度增加呈升高的變化趨勢。同時2 m以下各草地群落同一深度的土壤水分均顯著差異(P<0.05)。其中,賴草群落的土壤水分含量最高,通過以上研究表明撂荒過程使深層土壤水分得到了一定程度的恢復。總體而言,苜蓿草地撂荒過程群落自然演替對于恢復深層土壤水分具有重要的意義。