黨宏忠， 黨漢瑾， 李 衛(wèi)， 馮 偉， 莫保儒

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所， 北京 100091； 2.甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院， 甘肅 蘭州 730000)

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黃土區(qū)兩種植物籬不同部位土壤持水特征對比

黨宏忠1， 黨漢瑾1， 李 衛(wèi)1， 馮 偉1， 莫保儒2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所， 北京 100091； 2.甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院， 甘肅 蘭州 730000)

摘要：[目的] 研究植物籬不同部位土壤持水性能的分異特征，指導(dǎo)植物籬系統(tǒng)的設(shè)計與經(jīng)營管理。[方法] 在測定檸條、山杏兩種典型植物籬土壤水分物理參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用van Genuchten模型比較分析植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)、帶間的土壤水分特征曲線及其參數(shù)。[結(jié)果] (1) 兩種植物籬在土壤總孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、滲透系數(shù)等方面均高于耕地(對照)，其中檸條植物籬帶內(nèi)土壤總孔隙度(66.36%)、水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量(35.50%)和有機(jī)質(zhì)含量(44.1 g/kg)比帶間分別高7.34%，1.95%和25.64%。山杏植物籬的這3項指標(biāo)帶內(nèi)比帶間分別高11.93%,29.33%和21.48%。(2) 檸條、山杏植物籬帶內(nèi)土壤脫濕過程中凋萎系數(shù)分別是耕地的7倍和3.25倍，田間持水量分別是耕地的1.46和1.25倍，檸條植物籬土壤保水優(yōu)勢更明顯。(3) 在相同的土壤水吸力下，土壤吸濕與脫濕過程中帶內(nèi)土壤的水分含量均明顯高于帶間，帶內(nèi)土壤的持水性更高，這與帶內(nèi)較高的黏粒含量相一致；檸條帶內(nèi)土壤水分含量高于山杏帶內(nèi)，二者均高于耕地。[結(jié)論] 植物籬的二相結(jié)構(gòu)能明顯促進(jìn)帶內(nèi)黏粒、微團(tuán)聚體和養(yǎng)分的富集(有機(jī)質(zhì))，進(jìn)而提高帶內(nèi)土壤的持水性能和飽和滲透性能。

關(guān)鍵詞：水分特征曲線； 檸條； 山杏； 植物籬

植物籬是以一定間距帶狀密集種植木本或莖干較硬的草本植物形成的植物群落，具有典型的二相結(jié)構(gòu)[1]。植物籬能通過籬笆攔截、根系固土和根系改良土壤而具有良好的水土保持功能[2-6]。在植物籬結(jié)構(gòu)中，帶內(nèi)植被的密集結(jié)構(gòu)在強(qiáng)降雨時能有效地攔截徑流、促進(jìn)入滲，而裸露(也見于種植草本或農(nóng)田)的帶間在干旱年份又能發(fā)揮坡面產(chǎn)流、匯流的功能，從而提升帶內(nèi)植被的水分供應(yīng)水平，這對于北方干旱、半干旱區(qū)植被的生長及防護(hù)功能的維護(hù)至關(guān)重要。在帶狀植物籬這種二相結(jié)構(gòu)的植被配置模式中，系統(tǒng)內(nèi)土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)會發(fā)生怎樣的變化，這種變化對系統(tǒng)的發(fā)育與維護(hù)有什么意義，特別是帶內(nèi)土壤的持水特征會有何改變，目前還缺乏系統(tǒng)的研究。

土壤水分特征曲線是表示土壤水在非飽和狀態(tài)下的能量和數(shù)量之間關(guān)系、研究土壤水分的保持和運(yùn)動基本特性的最基礎(chǔ)資料之一[7]。利用土壤水分特征曲線可進(jìn)行土壤水吸力和含水率之間的換算，計算土壤的當(dāng)量孔隙度，分析不同質(zhì)地土壤的持水性和土壤水分的有效性，因而得到廣泛應(yīng)用[8-14]。本文針對黃土區(qū)常見的兩種典型植物籬模式，以檸條植物籬和山杏植物籬為研究對象，利用經(jīng)典van Genuchten(VG)模型擬合不同部位的土壤水分特征曲線并求解參數(shù)，來比較分析系統(tǒng)中不同部位土壤持水性能的分異特征，這對于明確植物籬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演替與功能變化具有重要的意義。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在土地利用類型全面、植物籬長勢良好的甘肅省定西市石家岔小流域，試驗區(qū)地理位置：東經(jīng)104°39′14″，北緯35°43′18″，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)第Ⅴ副區(qū)，海拔2 350 m，屬溫帶大陸性半干旱氣候，年平均氣溫5.7~7.7 ℃，全年無霜期146 d，多年平均降水量410.2 mm，多年平均蒸發(fā)量1 529.4 mm。研究區(qū)植物籬以檸條(Caraganakorshinskii)為主，其次為山杏(Armeniacasibirica)等。

1.2　試驗材料

在對試驗區(qū)進(jìn)行全面踏查的基礎(chǔ)上，根據(jù)植被生長年限、林分結(jié)構(gòu)和群落物種組成，選取具有代表性的檸條帶狀植物籬和山杏帶狀植物籬做為研究對象，并以耕地(水平梯田，種植作物為馬鈴薯或小麥，未施有機(jī)肥)為對照，兩種植物籬基本情況見表1。

表1　植物籬樣地基本情況

1.3　研究方法

1.3.1土壤粒徑組成測定于2012年8月在植物籬系統(tǒng)帶間、帶內(nèi)中間位置設(shè)置采樣點，并以耕地為對照，在深度為0—20 cm的表土層取樣(每層次3個重復(fù))，取樣后帶回實驗室測定土壤粒徑組成和土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，測定計算參照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤檢測 第3部分：土壤機(jī)械組成的測定》(NY/T 1121.3—2006)執(zhí)行[15]。

土壤容重、孔隙度、持水量的測定采用環(huán)刀法(200 cm3)取樣，參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤水分—物理性質(zhì)的測定》(LY/T 1215—1999)進(jìn)行測定。

1.3.2土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)的測定樣品獲取方法同上，其中土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體利用測定儀(WB65-LD)和濕篩法[16-17]測定，主要步驟為：風(fēng)干土樣放置于孔徑為2，0.5，0.25和0.053 mm的套篩上，先緩慢潤濕土樣以減少空氣對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的破壞，將套篩放入水中(保持套篩全部沒入水中)，豎直上下振蕩，5 min后將土粒轉(zhuǎn)移至鋁盒中，50 ℃烘干，稱重并計算其含量。有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法[18]。

1.3.3土壤水勢的測定與土壤水分特征曲線的擬合對檸條植物籬帶間、帶內(nèi)、山杏植物籬帶間、帶內(nèi)及耕地(對照)5個研究對象，用直徑20 cm的透明亞克力管取0—20 cm深的原狀土柱，每個部位取樣2個。在土柱的中間位置分別從管的對面兩側(cè)開小孔，插入ECH2O-5土壤水分傳感器和MPS-1土壤水勢傳感器(美國Decagon Devices公司)，接口處用玻璃泥密封，傳感器連接到數(shù)采器SQ2020(英國)。加濕過程采用10 s采集30 s記錄的時間間隔，脫濕過程采用每10 s采集1 min記錄平均值的時間間隔實時監(jiān)測土壤水分及水勢變化動態(tài)，于2012年6月進(jìn)行同步給水試驗，之后采取遮雨措施，放置2個月，記錄土壤吸濕過程和脫濕過程中水分、水勢的變化。

采用經(jīng)典的van Genuchten模型〔VG模型，式(1)〕來擬合土壤水分特征曲線[19-21]。擬合過程采用專業(yè)程序RETC(6.02版本，美國鹽改中心開發(fā))完成。借助該軟件嵌入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊，通過輸入土壤砂、粉、黏粒含量及土壤容重數(shù)據(jù)先計算飽和滲透系數(shù)Ks(cm/d)，再利用VG模型中的式(2)，計算不同土壤水吸力下的非飽和滲透系數(shù)K。

(1)

(2)

式中：K(h)——滲透系數(shù)(cm/d)； Ks——飽和滲透系數(shù)(cm/d)。

2結(jié)果與分析

2.1　兩種植物籬系統(tǒng)土壤物理性質(zhì)對比

按照國際制土壤質(zhì)地分類系統(tǒng)[22]，試驗區(qū)土壤質(zhì)地屬于粉質(zhì)黏壤土組。從表2可以看出，兩種植物籬系統(tǒng)的土壤容重均小于耕地(對照)，土壤質(zhì)地較疏松、孔隙比大。測定表明檸條帶內(nèi)、帶間表層土壤總孔隙度分別為66.36%和61.82%，山杏植物籬帶內(nèi)、帶間分別為74.89%和66.91%，均高于耕地(對照)的58.81%。兩種植物籬表層土壤的砂粒含量均高于耕地(對照)，黏粒含量均小于耕地(對照)，土壤質(zhì)地趨于粗骨化，對比顯現(xiàn)出長期耕作對土壤結(jié)構(gòu)的影響。兩種植物籬帶內(nèi)的黏粒含量均高于帶間，體現(xiàn)了植物籬結(jié)構(gòu)對坡面侵蝕的攔截與細(xì)粒物質(zhì)的積聚效應(yīng)。

表2　植物籬不同部位表層(0-20cm)土壤質(zhì)地

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體是表征土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)、反映土壤通透性、穩(wěn)定性和抵抗侵蝕能力的關(guān)鍵性指標(biāo)，對不同部位土壤大團(tuán)聚體(>2.0 mm)、小團(tuán)聚體(2.0~0.25 mm)和微團(tuán)聚體(0.25~0.053 mm)3個粒級水平的測定結(jié)果表明，兩種植物籬系統(tǒng)表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均明顯高于耕地(表3)。對于檸條植物籬系統(tǒng)，帶內(nèi)水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量高于帶間，可能與帶內(nèi)檸條茂盛的根系分布對土壤結(jié)構(gòu)的改良有關(guān)，另一方面也與植物籬通過攔截形成的帶內(nèi)較細(xì)土粒的聚集有關(guān)。對于山杏植物籬系統(tǒng)，帶間的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量卻高于帶內(nèi)，這可能與帶間種植紫花苜蓿對土壤的改良作用有關(guān)，但是對于其中的微團(tuán)聚體含量，帶內(nèi)仍然要高于帶間，仍體現(xiàn)出植物籬帶對土壤侵蝕細(xì)粒的積聚效應(yīng)。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤質(zhì)地和土地生產(chǎn)力的決定性因素。根據(jù)全國土壤普查暫行技術(shù)規(guī)程中的土壤有機(jī)質(zhì)分級(6級)指標(biāo)[23]，檸條植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量(表3)屬于1級水平，有機(jī)質(zhì)極豐富，帶間部位屬于2級水平。山杏植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)有機(jī)質(zhì)也高于帶間(但總體水平較低，均屬于4級)，帶內(nèi)表層有機(jī)質(zhì)含量高于帶間的現(xiàn)象也證實了植物籬系統(tǒng)具有攔截增肥效應(yīng)。由于土壤有機(jī)質(zhì)主要富集在土壤細(xì)小顆粒中，土壤中粒徑<0.02 mm的微團(tuán)聚體和<0.002 mm的黏粒是土壤養(yǎng)分的主要載體，因此可見，植物籬系統(tǒng)均有利于帶內(nèi)結(jié)構(gòu)的改善與養(yǎng)分的富集，特別是檸條的須根發(fā)達(dá)，且多分布于0—30 cm表層土壤中，其對徑流中黏粒的攔截和對土壤的固持作用均較好。同時，帶內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)的富集效應(yīng)不僅與植物籬攔截土壤細(xì)小顆粒密切相關(guān)，還與其凋落物和根系的腐解及對土壤團(tuán)聚體的改善密不可分，植物籬改變了土壤顆粒分布，從而改變了土壤有機(jī)質(zhì)含量；檸條莖葉茂盛，凋落物多，腐殖質(zhì)層厚，有利于有機(jī)質(zhì)的積累。而山杏植物籬中，有機(jī)質(zhì)含量整體較低，一方面是因為山杏基部莖葉少，主根較深，對土壤黏粒的攔截作用較弱，另一方面也與帶間紫花苜蓿定期刈割為主的經(jīng)營方式有關(guān)，限制了帶間枯枝落葉的積累。

表3　兩種植物籬不同部位表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體、有機(jī)質(zhì)含量

2.2　檸條植物籬系統(tǒng)的土壤水分特征曲線擬合

土壤中黏粒含量的增多會使土壤中的細(xì)小孔隙發(fā)育良好，因此土壤的黏粒含量愈高，同一吸力條件下土壤的含水率愈大，或同一含水率下的土壤吸力值愈高。測定表明檸條帶內(nèi)黏粒含量是帶間的1.25倍(表2)，無論是吸濕過程還是脫濕過程，在相同的土壤水吸力下，帶內(nèi)表層土壤的水分含量明顯高于帶間(圖1)，表明帶內(nèi)土壤具有更高的持水性能，這對于在低土壤水吸力時(土壤水分虧缺)保證植物的水分吸收至關(guān)重要，這種差異的形成與帶內(nèi)灌木良好的根系發(fā)育對土壤結(jié)構(gòu)的改良直接相關(guān)，也與植物籬攔截促進(jìn)微小土壤顆粒聚集的效應(yīng)是一致的。黏粒含量的增加使得帶內(nèi)表層土壤孔徑分布更為均勻，隨著土壤吸力的提高，土壤含水率的下降趨緩。

圖1　檸條植物籬系統(tǒng)不同部位土壤水分特征曲線

利用van Genuchten模型擬合的水分特征方程，推算不同部位表層土壤的凋萎系數(shù)(-1 500 kPa)[24]與田間持水量(-33 kPa)[25](表4)，結(jié)果表明，在土壤的吸濕過程中，檸條帶內(nèi)、帶間的凋萎系數(shù)分別為21%和11%，田間持水量分別為39%和31%；在脫水過程中檸條帶內(nèi)、帶間的凋萎系數(shù)分別為28%和9%，田間持水量分別為41%和28%。

對比發(fā)現(xiàn)對于檸條帶內(nèi)土壤，在相同的土壤水吸力下脫濕過程所對應(yīng)的土壤水分含水率要高于吸濕過程，證實了脫水過程滯后性的存在，但對于檸條帶間土壤，在相同水吸力下脫濕過程所對應(yīng)的土壤含水率略低于吸濕過程，說明帶間土壤的保水性能更低，這與其較低的黏粒含量、微團(tuán)聚體含量及有機(jī)質(zhì)含量(表3)是一致的。

表4　Van Genuchten模型對吸濕、脫濕過程土壤水分特征曲線擬合結(jié)果

2.3　山杏植物籬系統(tǒng)的土壤水分特征曲線的擬合

分析結(jié)果表明，山杏植物籬系統(tǒng)不同部位間表層土壤水分特征曲線也具有一定的差異，在同一土壤水吸力條件下(脫濕過程)，帶內(nèi)土壤含水率一般高于帶間(圖2b)，具有與檸條植物籬一致的規(guī)律，體現(xiàn)出植物籬這種配置結(jié)構(gòu)攔截泥沙促進(jìn)微小土壤顆粒聚集的富帶效應(yīng)。

在同一土壤水吸力條件下(吸濕過程)，山杏帶間土壤含水率低于對照耕地(圖2a)，帶內(nèi)、帶間、耕地間的這種相對關(guān)系與其黏粒含量的相對大小具有一致性(表2)，說明土壤質(zhì)地對土壤持水特征的重要影響。在脫濕過程中，利用van Genuchten模型擬合方程推算的山杏帶內(nèi)、帶間的凋萎系數(shù)分別為13%和7%，田間持水量分別為35%和37%，這里帶間田間持水量略高于帶內(nèi)，這與山杏植物籬年限短(8 a), 帶間多年生植被(紫花苜蓿)生長良好，帶間表層土壤粉粒含量(68%)高于帶內(nèi)(64%)，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量也是帶間(58.04%)高于帶內(nèi)(55.40%)的規(guī)律相一致，可見，盡管植物籬結(jié)構(gòu)的攔截效應(yīng)在早期就可能明顯，但對表層土壤的改良作用及肥力水平的提高是一個長期積累的過程，在植物籬形成的早期，帶間草本豐富的淺層根系可能使帶間的土壤持水性能優(yōu)于帶內(nèi)，但隨著年限的增長，帶內(nèi)的富帶效應(yīng)將突出，正如在前述檸條植物籬中所證實的那樣。

圖2　山杏植物籬土壤水分特征曲線的比較(帶內(nèi)吸濕過程缺失)

與帶內(nèi)、帶間之間的明顯差異不同，山杏植物籬帶間與耕地在吸濕過程中的土壤水分特征曲線比較接近(圖2a)，這是因為山杏帶間屬于退耕地(8 a前)。同樣地，對通過van Genuchten模型擬合參數(shù)的推算得出吸濕過程中山杏帶間(帶內(nèi)因傳感器故障而數(shù)據(jù)缺失)、耕地(對照)的凋萎系數(shù)分別為8%和11%，田間持水量分別為24%和21%?？梢钥闯觯叫訋чg表層土壤的加、脫過程得到的凋萎系數(shù)比較接近(8%和7%)，但田間持水量脫濕過程(37%)明顯高于吸濕過程(24%)，滯后特征明顯，這種滯后也表現(xiàn)在耕地在脫濕過程的凋萎系數(shù)(4%)明顯低于吸濕過程(11%)，以及計算的脫濕過程的田間持水量(28%)高于吸濕過程(21%)。土壤水分滯后現(xiàn)象的變化也證實土壤水吸力與含水率間的關(guān)系不是單值函數(shù)，可能依其干燥、濕潤的歷史不同呈現(xiàn)復(fù)雜的變化。

2.4　兩種植物籬系統(tǒng)土壤持水特征的對比分析

在土壤的干化(脫濕)過程中，土壤保持水分能力的高低對植物的生存往往有著重要的影響。檸條灌木林由于茂盛的淺層根系及豐富的枯枝落葉，使得表層土壤的結(jié)構(gòu)更加優(yōu)良，表現(xiàn)在水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、有機(jī)質(zhì)含量均較山杏帶內(nèi)和耕地高(表3)，尤其是帶內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量是帶間和耕地的2.44~2.74倍。從對測得的帶內(nèi)脫水過程中土壤水吸力與含水量間的關(guān)系來看(圖3)，在相同的土壤水吸力下，檸條植物籬土壤水分含量明顯高于山杏植物籬，且二者均高于耕地對照，這種優(yōu)勢在高吸力階段(>700 cm)表現(xiàn)更加突出，檸條帶內(nèi)土壤的保水性的這種優(yōu)勢極大地強(qiáng)化了檸條抵御極端干旱的能力。計算表明，檸條、山杏植物籬帶內(nèi)脫濕過程中的土壤凋萎系數(shù)(-1 500 kPa)分別是耕地的7和3.25倍，田間持水量(-33 kPa)分別是耕地的1.46和1.25倍，表現(xiàn)出林地對土壤保水效應(yīng)及檸條植物籬已經(jīng)形成的較山杏更強(qiáng)的土壤持水性能。

圖3　兩種植物籬帶內(nèi)脫濕過程的土壤持水特征比較

2.5　兩種植物籬系統(tǒng)土壤水力傳導(dǎo)性能的比較

土壤水力傳導(dǎo)性能包括在飽和與非飽和狀態(tài)下土壤運(yùn)輸水分的能力。土壤飽和滲透系數(shù)是表示土壤孔隙介質(zhì)透水性能的綜合比例系數(shù)。本研究中利用通用的RETC程序，輸入土壤的砂、粉、黏粒含量及土壤容重數(shù)據(jù)，并借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊計算出飽和滲透系數(shù)(Ks)，比較發(fā)現(xiàn)檸條植物籬帶內(nèi)與山杏植物籬帶間均具有較高的Ks(圖4b)，這與它們具有較低的容重(表2)及較高的非毛管孔隙度(分別為7.28%和11.96%)相一致，而檸條帶間和山杏帶內(nèi)土壤容重較大(表2，非毛管孔隙度分別為4.32%和4.78%)，土壤非毛管孔隙欠發(fā)達(dá)，Ks相對較低，可見土壤結(jié)構(gòu)對土壤的飽和滲透性能具有更明顯的影響。兩種植物籬不同部位土壤Ks均高于耕地，表現(xiàn)出林地對土壤結(jié)構(gòu)的改良效應(yīng)。與檸條不同，山杏帶間的Ks值明顯高于帶內(nèi)，結(jié)合前述山杏帶間田間持水量高于帶內(nèi)的特征，可知植物籬種植結(jié)構(gòu)與年限都可能成為影響植物籬系統(tǒng)土壤結(jié)構(gòu)演變的主要因素。

圖4　土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)及非飽和滲透系數(shù)〔K(h)〕隨水吸力的變化(山杏帶內(nèi)的滲透系數(shù)數(shù)據(jù)缺失)

一般來說，在非飽和狀態(tài)下，由于土壤中部分孔隙為氣體所填充，土壤導(dǎo)水率大大低于飽和時的導(dǎo)水率。隨著土壤水吸力的增加和含水率的下降，水分只能在較小的土壤孔隙中流動，土壤孔隙越小，水流在其中流動所受的阻力愈大。從我們的測定結(jié)果也可以看出，檸條帶間非飽和導(dǎo)水率明顯高于其他土壤(部位)(圖4a)，檸條帶間的砂粒含量是其它部位的1.44~1.85倍(表2)，這說明非飽和土壤導(dǎo)水率的大小可能受土壤質(zhì)地的直接影響。為了易于比較其他3個土壤(部位)間的關(guān)系，對不同水吸力下土壤非飽和滲透系數(shù)取以10為底的對數(shù)，結(jié)果顯示：在低水吸力階段(約<500 cm),盡管差異不明顯，但仍可以看出山杏帶間的非飽和導(dǎo)水率略高于檸條帶內(nèi)與耕地(由于數(shù)據(jù)缺失尚不明確山杏帶內(nèi)的非飽和導(dǎo)水特征)，但隨著水吸力的增加，檸條帶內(nèi)的非飽和導(dǎo)水率超過山杏帶間和耕地，這與其具有相對較高的砂粒含量是相一致的。耕地(對照)的砂粒含量只有其他的54.27%～87.60%(表2)，其非飽和導(dǎo)水率始終最低，由于頻繁耕作對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，耕地表層土壤不利于水分的入滲補(bǔ)充。

3結(jié)論與討論

(1) 兩種植物籬表層土壤的總孔隙度、砂粒含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、水力導(dǎo)度均高于耕地(對照)，體現(xiàn)出林草種植對土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)的改良效應(yīng)。

(2) 在植物籬系統(tǒng)內(nèi)部，檸條植物籬帶內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)明顯好于帶間，如土壤總孔隙度(分別為66.36%和61.82%)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量(分別為63.35%和62.36%)、有機(jī)質(zhì)含量(分別為44.1和35.1 k/kg)等，這種異質(zhì)性的形成與帶內(nèi)檸條茂盛的淺層根系分布對土壤結(jié)構(gòu)的改良，以及植物籬攔截泥沙促使水肥富帶效應(yīng)的形成直接相關(guān)，山杏植物籬也具有相似的規(guī)律。對于兩種植物籬，檸條植物籬系統(tǒng)帶內(nèi)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量均高于山杏，體現(xiàn)出固氮灌木樹種檸條對改良土壤結(jié)構(gòu)及在培肥方面的優(yōu)勢。

(3) 土壤質(zhì)地的差異是影響土壤持水性能差異的主導(dǎo)因素，在相同的土壤水吸力下，無論是吸濕過程還是脫濕過程，兩種植物籬帶內(nèi)表層土壤的水分含量明顯高于帶間，帶內(nèi)土壤持水性更高，這與帶內(nèi)土壤黏粒含量普遍較高相一致。相比較而言，檸條帶內(nèi)土壤水分含量要高于山杏帶內(nèi)(在相同的土壤水吸力下)，二者均高于耕地。

(4) 田間持水量和凋萎系數(shù)是評價土壤水分有效性的重要指標(biāo)，一般分別以水吸力-33和-1 500 kPa時的土壤含水量來估算，但由于受土壤、植物、環(huán)境等的共同影響而有一定的誤差。一般認(rèn)為黃土高原土壤田間持水量小于24%[26]，土壤凋萎系數(shù)小于9.42%[27]，本研究中通過水吸力計算的田間持水量變化在21%~41%，所計算的土壤凋萎系數(shù)變化在4%～28%。發(fā)現(xiàn)對于壤土、粉黏壤和黏土而言，實驗室測定的水吸力為-1 500 kPa時的土壤含水量比田間測定的持水量高[28]，土壤凋萎系數(shù)也隨土壤物理性黏粒(<0.001 mm)含量的增加而顯著增加[27]，這說明對于不同質(zhì)地、結(jié)構(gòu)的土壤需采用更加合理的方法測算土壤水分參數(shù)。

(5) 土壤結(jié)構(gòu)對土壤飽和滲透性能的影響更加關(guān)鍵。在飽和狀態(tài)下，容重較低、非毛管孔隙更發(fā)達(dá)的檸條帶內(nèi)與山杏帶間具有更高的飽和滲透系數(shù)，而在非飽和狀態(tài)下，隨著水吸力的增加，土壤滲透系數(shù)迅速下降，這其中檸條帶間非飽和導(dǎo)水率明顯高于其它土壤(部位)，這與帶間較高的砂粒含量相一致。

總體而言，兩種植物籬結(jié)構(gòu)能明顯促進(jìn)帶內(nèi)黏粒含量、微團(tuán)聚體含量增加和養(yǎng)分的富集(有機(jī)質(zhì))，從而提高帶內(nèi)土壤的持水性能和飽和滲透性能，有利于土壤庫容的增加，同時，趨于黏性的質(zhì)地變化可能降低土壤的非飽和滲透性能，反而有利于土壤有效庫容的保持。但是，植物籬結(jié)構(gòu)的這種性能的大小也隨植物籬物種的生物學(xué)特性、帶間利用特征、植物籬年限而變化。

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Comparison of Soil Water Retention Characteristics for Different Part of Two Kinds of Hedgerow System in Loess Area

DANG Hongzhong1， DANG Hanjin1， LI Wei1， FENG Wei1， MO Baoru2

(1.InstituteofDesertificationStudies，ChineseAcademyofForestry，Beijing

100091,China; 2.GansuAcademyofForestry，Lanzhou，Gansu730070,China)

Abstract：[Objective] To study the differentiation characteristics of soil water retention in different part of the hedgerow system in order to provide guidelines for design and management of hedgerow systems.[Methods] Based on measuring the physical parameters of soil moisture forCaraganakorshinskiiandArmeniaccsibirica, the soil water retention curve as well as derived parameters of in-band and inter-band of hedgerow System were compared by van Genuchten model. [Results] (1) The total soil porosity, water stable micro-aggregates content and soil permeability was higher forC.korshinskiiandA.sibirica. hedgerows than farmland(as a check). Soil properties from the in-band ofC.korshinskiisuch as total soil porosity(66.36%), water stable micro-aggregates content(35.50%) and organic matter content(44.1 g/kg) were 7.34%, 1.95% and 25.64% higher than that from the inter-band, respectively. Similarly, the above three indicators from the in-band hedgerows ofA.sibiricawere 11.93%, 29.33% and 21.48% higher than that from the inter-band hedgerows, respectively. (2) The wilting coefficient ofC.korshinskiiandA.sibiricawas 7 and 3.25 times of farmland, respectively, and the field capacity was 1.46 and 1.25 times, respectively, which display a more obvious advantages in soil water retention of farmland. (3) The soil water content of the in-band hedgerows was higher than that from the inter-band for both moisture absorption and desorption process with the same soil water suction, which was consistent with the content of soil clay. The in-band soil water content ofC.korshinskiiwas higher than that ofA.sibirica. They were both higher than that in the farmland. [Conclusion] The two-phase structure of hedgerows can significantly promote the enrichment of soil clay, micro-aggregates and organic matter in in-band hedgerows, which is the key mechanism to improve soil water retention and saturated soil permeability.

Keywords:soil water retention curve;Caraganakorshinskii;Armeniacasibirica; hedgerows

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0078-07

中圖分類號：S152.7

收稿日期：2014-01-13修回日期：2014-04-17

資助項目：“十二五”國家科技支撐課題“農(nóng)田水土流失生物防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011BAD31B02)

第一作者：黨宏忠(1971—),男(漢族),甘肅省定西市人，博士,副研究員，主要從事干旱區(qū)生態(tài)水文與水土保持研究。E-mail:hzdang@caf.ac.cn。