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        白羊草與達(dá)烏里胡枝子混播草地不同降雨年份土壤水分利用狀況

        2014-01-26 08:42:50舒佳禮高志娟丁文利徐炳成
        水土保持通報(bào) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:儲(chǔ)水量烏里胡枝子

        舒佳禮,王 京,高志娟,陳 吉,丁文利,徐炳成,2

        (1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌712100;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌712100)

        半干旱黃土丘陵區(qū)是黃土高原生態(tài)最為脆弱的地區(qū)之一,水分是限制該區(qū)植物生長(zhǎng)、分布和植被恢復(fù)最主要的制約因子[1]。多年的研究表明,通過(guò)植樹種草恢復(fù)植被是該區(qū)防治水土流失,改善生態(tài)環(huán)境最有效的措施。作為植被建設(shè)的重要組成部分,人工草地不僅具有良好的生態(tài)效益,也是該區(qū)發(fā)展草地畜牧業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在長(zhǎng)期的草地建設(shè)過(guò)程中,由于過(guò)度追求高生物量和不合理的草種配置等,人工草地常因土壤水分過(guò)耗出現(xiàn)土壤旱化、早衰等為主要特征的退化現(xiàn)象[2-5]。因此,為保證人工草地建設(shè)和土壤水分利用的可持續(xù)性,正確選擇植被類型、適度發(fā)展草地生產(chǎn)力以高效利用有限降雨,就顯得尤為重要[6]。

        豆禾牧草混播后因豆科植物具有生物固氮作用,能夠改善草地土壤質(zhì)量和提高土壤肥力,并提高飼草產(chǎn)量和飼草品質(zhì)以及水分利用效率[6-8]等,使其成為旱區(qū)建設(shè)人工草地的首選類型[9]。但在建立豆禾混播草地時(shí),仍需要考慮豆禾牧草的高產(chǎn)性與穩(wěn)定性、二者間的互利關(guān)系等因素[10]。與外來(lái)引進(jìn)種相比,地帶性鄉(xiāng)土草優(yōu)勢(shì)種由于經(jīng)歷長(zhǎng)期自然選擇,具有良好的區(qū)域環(huán)境生態(tài)適應(yīng)性與種間兼容性,加強(qiáng)對(duì)其生產(chǎn)力與生態(tài)適應(yīng)性研究,對(duì)種質(zhì)資源保護(hù)和合理開發(fā)利用具有重要意義[11]。在黃土高原半干旱地區(qū),土壤水分條件的優(yōu)劣是植物生產(chǎn)力高低的重要標(biāo)志,由于植物吸收和利用的土壤水分主要來(lái)源于天然降水,因此提高混播草地生產(chǎn)力需要考慮植物本身適應(yīng)性特征和土壤水分條件[12-13]。通過(guò)比較不同水文年(豐水年、平水年、干旱年)豆禾牧草混播草地的土壤水分利用特征與差異,對(duì)控制草地密度和生產(chǎn)力、提高水資源利用效率、優(yōu)化草種配置等具有重要意義[14]。

        白羊草(Bothriochloa ischaemum)和達(dá)烏里胡枝子(Leapedeza davurica)為黃土丘陵區(qū)較常見的兩種優(yōu)良鄉(xiāng)土牧草,前者為多年生禾本科植物,后者為多年生豆科草本狀半灌木,均具有耐旱、耐踐踏、固土保水能力強(qiáng)等特性,在維持區(qū)域生態(tài)景觀和水土保持中發(fā)揮著重要作用。本研究主要從不同降雨年份出發(fā),比較白羊草與達(dá)烏里胡枝子不同混播比例下的土壤水分特征,以期為尋求二者合理混播組合比例以及該區(qū)人工草地建設(shè)中鄉(xiāng)土草種合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        試驗(yàn)地位于陜西省安塞縣中國(guó)科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站,地理位置為109°19′23″E,36°51′31″N,海拔為1 068~1 309m。氣候?qū)倥瘻貛О敫珊禋夂?,年均溫?.8℃,最冷月1月平均溫度-6.9℃,最熱月7月平均溫度22.6℃,全年≥10℃積溫3 113.9℃,無(wú)霜期159d。年平均降雨量540mm,季節(jié)分布不均,其中生長(zhǎng)季4—10月占90%左右,干燥度1.14,主要土壤類型為黃綿土。植被屬暖溫帶半干旱森林草原區(qū),天然植被中以中旱生草本植物群落占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其中分布較廣的植物有鐵桿蒿(Artemisia sacrorum)、達(dá)烏里胡枝子、白羊草、長(zhǎng)芒草(Stipa bungeana)、茭蒿(Artemisia giraldii)等。人工植被以紫花苜蓿(Medicago sativa)、沙打旺(Astragalus Laxmannii)、檸 條 (Caragana korshinskii)、油 松(Pinus tabulaeformis)等為主,其中沙打旺和苜蓿為當(dāng)?shù)厝斯げ莸亟ㄔO(shè)的主要種。

        1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)材料為白羊草和達(dá)烏里胡枝子,種子采自該區(qū)天然草地群落。試驗(yàn)地位于山地梯田,于2009年7月15日建立。白羊草和達(dá)烏里胡枝子混播草地采用條播播種,播種量均為15kg/hm2,行距20cm,東西走向。混播草地采用生態(tài)替代法設(shè)計(jì),即保持種群總行數(shù)不變而改變組成物種行比,按照白羊草(B)和達(dá)烏里胡枝子(D)行比共設(shè)置了7種組合比例組合(B0D10,B2D8,B4D6,B5D5,B6D4,B8D2,B10D0,即白羊草與達(dá)烏里胡枝子混合比例分別為0∶10,2∶8,4∶6,5∶5,6∶4,8∶2,10∶0),每種比例重復(fù)3次,共21個(gè)小區(qū),小區(qū)面積為3m×3m,完全隨機(jī)區(qū)組排列。于2010年4月在每小區(qū)幾何中心處埋設(shè)土壤水分監(jiān)測(cè)中子管,深度380cm。試驗(yàn)期間不施肥,不灌溉,在生長(zhǎng)季內(nèi)每月中旬適時(shí)清除雜草,每年年底生育期結(jié)束時(shí)全部齊地刈割。

        1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

        土壤體積含水量:采用中子儀(CNC503B,北京核業(yè)超能科技有限公司)測(cè)定。其中0—200cm每10cm測(cè)定1次,200—380cm每20cm測(cè)定1次。從4月返青期至10月枯黃期每月中旬連續(xù)監(jiān)測(cè),根據(jù)中子儀測(cè)量值換算成體積含水量。土壤儲(chǔ)水量公式為[3]:

        式中:W——土壤儲(chǔ)水量(mm);VSWC——每層土壤體積含水量(%);H——土層厚度(cm);i——土層序數(shù);n——土層總數(shù)。本試驗(yàn)中n=29,土層深度 H1-20為10cm,H21-29為20cm。

        由于試驗(yàn)在山地梯田,草地階段耗水量采用簡(jiǎn)化公式計(jì)算[15]:

        式中:ET——蒸散量(mm);Wi——生育初期土壤儲(chǔ)水量(mm);Wi+1——生育末期土壤儲(chǔ)水量(mm);R——降水量(mm)。降雨數(shù)據(jù)由安塞站山地氣象觀測(cè)場(chǎng)測(cè)得。

        草地生物量:采用刈割收獲法測(cè)定,于生長(zhǎng)季末在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取0.5m樣草帶,刈割稱取鮮重后于105℃殺青5min,80℃烘干至恒重。根據(jù)各小區(qū)中兩草種組合比例折算單位面積白羊草和達(dá)烏里胡枝子總生物量。各草地小區(qū)水分利用效率為地上生物量與年度耗水量之比。

        1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行處理,不同組合比例間和年、季間土壤含水量、耗水量、地上部分生物量以及水分利用效率等差異顯著性采用 ANOVA分析(SPSS 11.0,p=0.05)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 生長(zhǎng)季降雨量

        研究區(qū)多年平均降雨量為528.3mm(1971—2004年),其中作物生長(zhǎng)季4—10月降雨量呈單峰曲線,峰值在8月,降雨主要集中在7—9月,占全年的60.1%(圖1)。本試驗(yàn)期間,2011年降雨量為663.4mm,高出多年平均25.6%,為典型豐水年,其中4—10月降雨579.4mm。2012年總降雨量458.2mm,比多年平均少13.3%,為偏旱年份,4—10月降雨為442.8mm。2011和2012年7—9月降雨量分別為431.0和303.4mm,占全年總降雨量的65.0%和66.2%,均高于多年平均值(圖1)。

        圖1 2011-2012年生育期降雨量月分布

        2.2 土壤水分

        2.2.1 土壤儲(chǔ)水量月動(dòng)態(tài) 2011和2012年的4—6月,各組合比例草地0—380cm土壤儲(chǔ)水量變化趨勢(shì)相同,均表現(xiàn)為土壤儲(chǔ)水量隨時(shí)間持續(xù)下降。在7—10月,2011年各組合比例草地土壤儲(chǔ)水量整體呈持續(xù)增加,平均每月增加為24.6±1.7mm;2012年7—9月土壤儲(chǔ)水量月增加6.0±1.8mm,10月略微減少(圖2)。2011年,B8D2比例下土壤儲(chǔ)水量始終最低,B6D4和B10D0比例顯著最高(p<0.05),4—10月平均土壤儲(chǔ)水量高低順序?yàn)椋築10D0(478.6mm)>B6D4(474.6mm)>B5D5(465.6mm)>B4D6(452.3mm)>B2D8(450.8mm)>B0D10(450.6mm)>B8D2(444.1mm)。2012年,土壤儲(chǔ)水量最低的比例仍為B8D2(493.7mm),最高仍為B6D4(531.9mm)和B10D0(529.6mm)。

        圖2 2011和2012年土壤儲(chǔ)水量月動(dòng)態(tài)

        2.2.2 土壤含水量剖面分布 除0—20cm土層外,2011年10月生育期結(jié)束時(shí)各層土壤含水量較生育初期(4月)均顯著提高,而2012年整體較低(圖3)。2011年,各組合比例草地生育期前后平均土壤體積含水量變化趨勢(shì)基本相同,均表現(xiàn)為土壤表層(0—10cm)及下層(260—380cm)無(wú)明顯變化,20—260cm土層土壤體積含水量在10月顯著高于4月,該層生育期內(nèi)(4—10月)降雨補(bǔ)充量占0—380cm土層總補(bǔ)充量的95.1%~99.4%。2012年各組合比例草地生育期前后0—20cm土層土壤體積含水量無(wú)明顯變化,20cm以下普遍降低,但不同比例下變化土層不同,其中B0D10,B2D8,B4D6和B5D5比例下土壤含水量明顯降低的土層為30—70和150—360cm;B6D4比例下僅240cm以下土層明顯減少;B8D2比例下整體減少,幅度最大土層為160—360cm;B10D0土壤含水量生育期前后無(wú)明顯變化。

        2.2.3 土壤水分消耗與補(bǔ)償 2011—2012年生長(zhǎng)季期間,各組合比例草地均在8月達(dá)到土壤水分最大利用深度(表1)。與2012年同期相比,2011年土壤水分最大利用深度較淺,土壤水分降低量較?。?月除外)。2011年B0D10,B2D8和B8D2組合比例下土壤水分最大利用深度至170—180cm,B4D6,B6D4和B10D0比例下最大利用深度較淺,約為150cm。2011年5—8月,各組合比例土壤儲(chǔ)水量降低量大小順序?yàn)椋築2D8(52.0mm)>B0D10(50.7mm)>B8D2(50.6mm)>B5D5(48.5mm)>B4D6(47.3mm)>B6D4(44.8mm)>B10D0(42.3mm)。2012年,B0D10和B8D2比例下最大利用深度分別為220和240cm,B6D4和B10D0均為170cm,其他比例均為190cm。2012年5—8月各比例土壤儲(chǔ)水量降低量大小順序?yàn)椋築8D2(80.4mm)>B2D8(72.7mm)>B0D10(69.4mm)>B5D5(63.4mm)>B4D6(58.9mm)>B10D0(58.0mm)>B6D4(48.2mm)。

        圖3 2011和2012年生長(zhǎng)季初期與末期土壤體積含水量剖面分布

        表1 2011和2012年各組合比例草地土壤含水量降低土層與土壤儲(chǔ)水量降低量

        2011—2012年,各組合比例草地的土壤水分均在7月開始得到補(bǔ)償(圖2),補(bǔ)償深度在10月達(dá)到最大值,但補(bǔ)償深度及土壤水分增加量因比例不同存在差異(表2)。2011年,各組合比例草地土壤水分最大補(bǔ)償深度順序?yàn)椋築8D2(320cm)>B0D10(300cm)>B2D8(280cm)>B6D4(280cm)>B4D6(270cm)>B5D5(260cm)>B10D0(260cm),其中B6D4在7和8月土壤水分增加量顯著最高,補(bǔ)償層次分別為0—70和0—110cm,而B8D2在9和10月增加量顯著最高,補(bǔ)償層次分別為80—180和140—320cm。2012年,以B8D2和B6D4比例下土壤水分補(bǔ)償深度最大,分別至240和260cm,其他比例間差異不明顯。

        表2 2011和2012年各組合比例草地土壤含水量增加土層與土壤儲(chǔ)水量增加量

        2.3 水分利用效率

        2011—2012年,除B0D10和B2D8比例間草地地上生物量相對(duì)較小且隨年份變化出現(xiàn)顯著差異外,其他比例下草地地上生物量年份間無(wú)顯著性差異(表3)。草地耗水量總體以2011年顯著高于2012年,但水分利用效率相反。2a間,水分利用效率較高的比例均為B6D4,B8D2和B10D0,較低的比例均為B2D8和B0D10。整體而言,B6D4和B8D2比例具有高生物量、高耗水量以及高水分利用效率(表3)。

        表3 2011和2012年不同組合比例下草地地上部生物量、耗水量與水分利用效率

        3 結(jié)論

        在半干旱黃土高原地區(qū),土壤水分主要受降雨、土壤蒸發(fā)和植物蒸騰等因素影響,表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)和年份差異[16-17]。大氣降水作為土壤水分的主要來(lái)源,直接影響土壤水分含量的高低和時(shí)空變化特征[18]。2011與2012年由于降雨季節(jié)性分布的差異,造成植被同一生育期的耗水量存在明顯差異:2011年植被各生育期耗水呈單峰曲線,耗水高峰出現(xiàn)在8月,而2012年植被耗水曲線呈“M”型,耗水高峰在7和9月出現(xiàn),趨勢(shì)與降雨分布基本相同(圖1),即植被生育期耗水量與同期降水量呈顯著正相關(guān)[15]。在降雨、土壤蒸發(fā)和植物蒸騰等因素的綜合影響下,各組合比例土壤水分季節(jié)動(dòng)態(tài)可分為水分相對(duì)穩(wěn)定期(4—5月),水分消耗期(5—6月)和水分補(bǔ)給和波動(dòng)期(7—10月)。這種變化是2011—2012年降雨量與季節(jié)分配差異以及兩混播草地植物的生長(zhǎng)節(jié)律的結(jié)果:在降雨相對(duì)較少的4—6月,隨著植物返青后快速生長(zhǎng)、耗水量增大,氣溫上升導(dǎo)致地表蒸發(fā)增加等,使得該階段土壤儲(chǔ)水量呈緩慢降低;在降雨集中的7—9月,雖然植物均處生長(zhǎng)旺期,耗水量大,但各比例下草地土壤水分均得到不同程度補(bǔ)充。在降水較豐富的2011年,各組合比例草地雨季期間土壤水分都以補(bǔ)充為主,其中以B8D2和B0D10補(bǔ)充深度最大;在降雨較少的2012年,各組合比例草地的土壤水分也得到一定補(bǔ)充,但總體仍低于生育期開始時(shí)土壤儲(chǔ)水量。

        在不同降水年型下,土壤水分能否得到補(bǔ)給以及補(bǔ)給程度取決于年降水量的大小和分布,其中雨季是半干旱地區(qū)土壤水分的主要補(bǔ)給期,但降水入滲深度一般不超過(guò)300cm[13]。2011年,各組合比例下生育期末各比例20—260cm土壤水分補(bǔ)償量占0—380cm總補(bǔ)償量的95%以上,因此雨季富余水分主要下滲補(bǔ)充到20—260cm土層,各比例間土壤水分的差異低于2012年,出現(xiàn)一致性的變化趨勢(shì),主要是由于充沛的降雨補(bǔ)償減小了土壤水分的空間變異[19]。

        植物對(duì)土壤水分的利用深度往往與其根系的分布深度相一致[4-5]。在混播草地群落中,土壤含水量剖面分布與混播植物的水分生理生態(tài)特征及根系分布密切相關(guān)[20]。有研究表明,在豆禾混播體系中,豆科植物通過(guò)生物固氮可促進(jìn)禾本科植物根系生長(zhǎng),加之相互間的競(jìng)爭(zhēng)等會(huì)擴(kuò)大根系利用水分的空間,促進(jìn)植物對(duì)下層土壤水分的利用[21]。白羊草為C4須根系禾本科植物,其根系主要分布在0—30cm[22];達(dá)烏里胡枝子為C3直根系豆科植物,根系可達(dá)140cm[23]。在相同生長(zhǎng)環(huán)境條件下,白羊草的水分利用效率要高于達(dá)烏里胡枝子[24]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,單播白羊草(B10D0)土壤儲(chǔ)水量顯著高于單播達(dá)烏里胡枝子(即B0D10)。各混播比例中隨著達(dá)烏里胡枝子比例的增加,土壤耗水深度和耗水量增加,這與達(dá)烏里胡枝子根系分布深度和耗水量大有關(guān)。除B8D2土壤儲(chǔ)水量相對(duì)較低外(圖2),其他各混播群落均表現(xiàn)為白羊草所占比例越大其土壤儲(chǔ)水量越高。

        王淑芬等[25]比較研究不同降水年型冬小麥水分利用效率得出,豐水年里隨著耗水量增加,水分利用效率反而下降。本研究中,各組合比例2012年的水分利用效率均要顯著性高于2011年,這主要由于2011年耗水量顯著較高,而生物量與2012年無(wú)顯著差異有關(guān)。2a內(nèi)白羊草所占比例較高的混播草地水分利用效率較高。前期的研究表明,盆栽條件下白羊草和達(dá)烏里胡枝子雖然表現(xiàn)出激烈的種間競(jìng)爭(zhēng),但二者混播仍有明顯的互補(bǔ)效應(yīng),其中白羊草與達(dá)烏里胡枝子在10∶2混播下具有顯著最高的生物量和水分利用效率[26]。自然條件下對(duì)混播草地中白羊草光合日變化測(cè)定發(fā)現(xiàn),B6D4與B8D2比例下其光合速率和葉片水分利用效率相對(duì)較高[27]。本研究結(jié)果表明,白羊草與達(dá)烏里胡枝子混播草地土壤水分消耗和補(bǔ)充與混播比例密切相關(guān),但主要受年度降雨量及其季節(jié)分配的影響。不同降雨量年份里,白羊草和達(dá)烏里胡枝子在B6D4與B8D2兩混播比例下的地上生物量和水分利用效率均顯著較高。

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