井 樂，李建平,2，張 翼，馬紅英，李 劍

(1.寧夏大學農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021； 2.西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021)

黃土高原地區(qū)是中國乃至全球的典型生態(tài)脆弱區(qū)，同時又是我國的重要能源化工基地[1]。長期以來，黃土高原水土流失嚴重，植被恢復難度大，嚴重制約著該地區(qū)農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[2]。植被恢復和重建是黃土高原綜合治理的最主要措施，大規(guī)模的退耕還林(草)工程使得黃土高原植被蓋度從1999年的31.6%提高到2013年的59.6%，有效遏制了黃土高原的水土流失[3]。同時，植被覆蓋率的增加也引起過度耗水，導致深層土壤水分虧缺，形成長期較穩(wěn)定的干燥化土層，即土壤干層[4]。土壤干層會造成局部小氣候環(huán)境趨于旱化，土地退化，植被生長衰退，天然下種更新不良，衰敗林草地恢復困難等惡劣后果[4-5]。對黃土高原不同土地利用方式下土壤干層差異的研究，有助于人為消除或減弱土壤干層危害，是提高黃土高原植被重建的重要理論基礎(chǔ)。

對于黃土高原土壤干層問題，不少學者已做過相關(guān)研究。段晨宇[6]研究發(fā)現(xiàn)，對于黃土高原整個地區(qū)，隨著植被生長年限的增加，土壤干層強度逐漸增大，深度加深，半干旱地區(qū)土壤干層強度大于半濕潤地區(qū)。張晨成[7]研究表明，黃土高原人工林土壤干燥化嚴重，0-500 cm剖面土壤含水量逐漸減小，且普遍低于田間穩(wěn)定持水量。王力等[8]將土壤干層分為3級，土壤含水量低于5%為強烈干燥化土層，5%～8%為中等干燥化土層，8%～10%為弱干燥化土層。韓仕峰等[9]和王力等[10]將剖面水分分布劃分為速變層(0-20 cm)、活躍層(20-100 cm)、次活躍層(100-200 cm)和相對穩(wěn)定層(200-500 cm)。雖然對黃土高原土壤干層的研究較多，但多集中于土壤干層的發(fā)生機理[11-13]、危害[4-5]、分布[14-15]及土壤干層與地表植被的相互作用[16]，而對黃土高原土壤干層水分恢復措施研究較少。

該研究在云霧山選取4塊不同樣地，分別為放牧草地(封育0年)、封育15年草地、15年檸條地、封育30年草地，探討不同土地利用方式對土壤干層的影響，為黃土高原植被重建和區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復提供科學依據(jù)與參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)于寧夏回族自治區(qū)固原市東北部45 km處的云霧山草原，處于黃土高原腹地，地理位置為106°17′49.2″ E，36°16′44.5″ N，海拔1 963 m，溫帶半干旱氣候區(qū)，為典型的半干旱氣候，植被類型為典型草原。年平均氣溫7 ℃，年平均降水量425 mm(1980-2014年平均值)，60%～75%的降水集中分布于夏季7-9月，土壤類型以山地灰褐土和黑壚土為主，水資源補給主要來源于大氣降水。主要優(yōu)勢作物為長芒草(Stipabungeana)、大針茅(Stipagrandis)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、伏毛山莓草(Sibbaldiaadpressa)等[17]。自1980年起至今，實行了數(shù)次嚴格的封山禁牧措施，具有典型的封育年限梯度[18]。

1.2 野外采樣及處理

在研究區(qū)分別選取放牧草地、封育15年草地、15年檸條地和封育30年草地樣地各3塊，每塊樣地隨機設(shè)置3個1 m×1 m樣方，每個樣方土壤樣品采樣深度為0-500 cm，重復3次取樣，以20 cm為取樣間隔，共計25層，每個樣方取得土樣75個，每個樣地取得土樣225個，整個研究區(qū)域共采集樣品900個，用于土壤含水量的測定。放牧草地優(yōu)勢種為長芒草星毛委陵菜、冷蒿(Artemisiafrigida)，植被平均蓋度為37%，平均高度為13 cm；封育15年草地優(yōu)勢種為長芒草，植被平均蓋度為95%，平均高度為57 cm；15年檸條地灌木層優(yōu)勢種為檸條(Caraganakorshinskii)，平均高度為167 cm；草本層優(yōu)勢種為星毛委陵菜及百里香(Thymusmonoglious)，植被平均蓋度為60%，平均高度為13 cm；封育30年草地優(yōu)勢種為長芒草，植被平均蓋度為100%，平均高度為58 cm。土壤含水量(SWC)的測定采用烘干法(105 ℃，10.5 h)[19]。樣地信息見表1所列。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

用經(jīng)典統(tǒng)計學的方法計算放牧草地、封育15年草地、15年檸條地、封育30年草地各層土壤含水量的平均值、方差和變異系數(shù)(CV)，以此來衡量各類型土壤水分的平均狀況和總變異程度。CV能夠反映土壤水分在空間上的分布特征，CV越小說明土壤含水量越穩(wěn)定，反之則說明土壤含水量的變化越劇烈[20]。一般認為，CV<0.1為弱變異，CV在0.1～1.0為中等變異，CV>1.0為強變異[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)記錄及顯著性分析，OriginPro 8軟件進行圖表整飾輸出。

表1 試驗樣地信息Table 1 Sample ground information

封育年限計算以2014年為止，由固原市原州區(qū)草原管理站提供，封育年限會有1～2 a誤差。

According to Grassland Management Station of Yuanzhou District in Guyuan City, enclosed year of grasslands were ended in 2014, yet there are a vibration between 1 to 2 years.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土地利用方式土壤水分特征

2.1.1放牧草地 放牧草地0-500 cm剖面平均土壤含水量為10.0%，變化范圍為6.9%～16.5%，各層次的土壤水分含量均大于5%，未出現(xiàn)強烈干燥化土層。放牧草地土壤干層厚度為380 cm，形成深度為80 cm，其中80-240 cm為中等干燥化土層，240-480 cm(除420-440 cm)為弱干燥化土層，干層內(nèi)土壤平均含水量為9%。其中，放牧草地速變層(0-20 cm)土壤平均含水量為16.5%，活躍層(20-100 cm)土壤平均含水量為12.3%，次活躍層(100-200 cm)土壤平均含水量為7.2%，相對穩(wěn)定層(200-500 cm)土壤平均含水量為9.2%(圖1)。

2.1.2封育15年草地 封育15年草地0-500 cm剖面平均土壤含水量為(10.8±0.6)%，變化范圍為8.5%～14.5%，各層次的土壤水分含量均大于5%，未出現(xiàn)強烈干燥化土層和中等干燥化土層(圖2)。封育15年草地土壤干層厚度為180 cm，形成深度為100 cm，分布位置為100-280 cm，均為弱干燥化土層，干層內(nèi)土壤平均含水量為8.9%。其中，封育15年草地速變層(0-20 cm)土壤平均含水量為14.5%，活躍層(20-100 cm)土壤平均含水量為13.2%，次活躍層(100-200 cm)土壤平均含水量為8.7%，相對穩(wěn)定層(200-500 cm)土壤平均含水量為10.6%(圖2)。

圖1 放牧草地土壤干層特征Fig. 1 Characteristics of soil dry layer in grazing land

與放牧草地相比，封育15年草地0-500 cm剖面平均土壤含水量增加0.8%。中等干燥化土層消失，干層厚度減輕200 cm，干層形成深度基本不變。

2.1.315年檸條地 15年檸條地0-500 cm剖面平均土壤含水量為(10.2±0.3)%，變化范圍為7.5%～15.8%，各層次的土壤水分含量均大于5%，未出現(xiàn)強烈干燥化土層(圖3)。15年檸條地土壤干層厚度為260 cm，形成深度為120 cm，其中140-320 cm為中等干燥化土層，120-140 cm和320-380 cm為弱干燥化土層，干層內(nèi)土壤平均含水量為8.1%。其中，15年檸條地速變層(0-20 cm)土壤平均含水量為13.9%，活躍層(20-100 cm)土壤平均含水量為14.3%，次活躍層(100-200 cm)土壤平均含水量為8.9%，相對穩(wěn)定層(200-500 cm)土壤平均含水量為9.2%(圖3)。

圖2 封育15年草地土壤干層特征Fig. 2 Characteristics of soil dry layer in enclosed 15 years of grassland

圖3 15年檸條地土壤干層特征Fig. 3 Characteristics of soil dry layer in 15 years of Caragana korshinskii land

與放牧草地相比，15年檸條地土壤干層厚度減輕120 cm，形成深度下移40 cm，0-500 cm剖面平均土壤含水量基本相同。與封育15年草地相比，15年檸條地土壤干燥化嚴重，形成180 cm中等干燥化土層，干層厚度增加80 cm，形成深度基本不變，0-500 cm剖面平均土壤含水量減少0.8%。

2.1.4封育30年草地 封育30年草地0-500 cm剖面平均土壤含水量為(11.6±0.4)%，變化范圍為9.5%～16.8%，各層次的土壤水分含量均大于5%，未出現(xiàn)強烈干燥化土層和中等干燥化土層。封育30年草地土壤干層厚度為100 cm，形成深度為360 cm，均為弱干燥化土層，分布位置為360-380 cm和440-500 cm，干層內(nèi)土壤平均含水量為9.7%。其中，封育30年草地速變層(0-20 cm)土壤平均含水量為16.8%，活躍層(20-100 cm)土壤平均含水量為15.0%，次活躍層(100-200 cm)土壤平均含水量為11.6%，相對穩(wěn)定層(200-500 cm)土壤平均含水量為10.3%(圖4)。

與放牧草地相比，封育30年草地0-500 cm剖面平均土壤含水量增加1.6%，土壤干燥化程度較輕，干層厚度減輕280 cm，形成深度下移280 cm。與封育15年草地相比，封育30年草地土壤干燥化減弱，0-500 cm剖面平均土壤含水量增加0.8%，干層厚度減輕80 cm，形成深度下移260 cm。與15年檸條地相比，封育30年草地0-500 cm剖面平均土壤含水量增加1.4%，土壤干燥化減輕，干層厚度減少160 cm，形成深度下移240 cm(圖 1,2,3,4)。

圖4 封育30年草地土壤干層特征Fig. 4 Characteristics of soil dry layer in enclosed 30 years of grassland

2.2 不同土層平均土壤含水量變異系數(shù)

對比不同土地利用方式下不同土層平均土壤含水量的變異系數(shù)如圖5所示，放牧草地、封育15年草地、15年檸條地、封育30年草地不同土層土壤含水量變異系數(shù)為0.005～0.241。土壤水分的最大變異系數(shù)出現(xiàn)在放牧草地340-360 cm土層，為0.241，最小變異系數(shù)出現(xiàn)在15年檸條地180-200 cm土層，為0.005。放牧草地0-500 cm土層土壤含水量平均變異系數(shù)為0.142，封育15年草地0-500 cm土層土壤含水量平均變異系數(shù)為0.107，15年檸條地0-500 cm土層土壤含水量平均變異系數(shù)為0.067，封育30年草地0-500 cm土層土壤含水量平均變異系數(shù)為0.078。

放牧草地0-180 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為弱變異，180-500 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為中等變異；封育15年草地土層土壤含水量0-20、80-140、160-220、240-340 cm表現(xiàn)為弱變異，20-80、140-160、220-240、340-500 cm表現(xiàn)為中等變異；15年檸條地0-120、140-360、380-480 cm表現(xiàn)為弱變異，120-140、360-380、180-500 cm表現(xiàn)為強變異；封育30年草地0-240、260-380、480-500 cm表現(xiàn)為弱變異，240-260、380-480 cm表現(xiàn)為中等變異。

圖5 不同土地利用方式下土壤水分變異Fig. 5 Variation coefficient of different land use patterns

3 討論

自20世紀60年代在陜西東部旱源發(fā)現(xiàn)土壤干層以來，不少學者在文章中提到我國北方地區(qū)特別是黃土高原存在土壤干層現(xiàn)象[22]。土壤干層的形成究其根本原因是降水和植物需水負平衡，導致土壤水分虧缺，是植物類型、下墊面性質(zhì)和生態(tài)氣候綜合作用的結(jié)果[23]。土壤干層的形成會阻礙陸地生態(tài)系統(tǒng)中的生物小循環(huán)、削弱水文大循環(huán)，嚴重影響當前植被建設(shè)成效和區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定[1]。

本研究中，放牧草地土壤干燥化嚴重，其優(yōu)勢種為長芒草、星毛委陵菜和冷蒿為主，平均蓋度約為37%。張成霞和南志標[24]研究表明，在土壤表層，隨著放牧強度的增加，牲畜對土壤的踐踏加劇，會導致土壤緊實度增加，容重上升，表層土壤含水量下降。本研究發(fā)現(xiàn)，長期放牧對土壤干燥化的影響可深至380 cm，可能由于放牧導致土壤表層緊實度增加，降水地表徑流增多，而入滲減少，土壤深層水分補充受限，破壞土壤水分平衡，形成嚴重的土壤干層。隨著封育措施的實施，草地植被蓋度增加，如本研究封育15年草地，植被平均蓋度達到95%，封育30年植被平均蓋度達到100%，優(yōu)勢種均為長芒草，植被對于降水的截留及入滲起到重要的攔截作用。王猛等[25]研究表明，連續(xù)封育4年后，0-10 cm土壤容重顯著降低而土壤含水量顯著增加，10-40 cm土壤有機質(zhì)顯著增加。趙棟等[26]研究發(fā)現(xiàn)，封育可以改善土壤質(zhì)量，增加土壤毛管孔隙度、總孔隙度,提高土壤最大持水量、毛管持水量和最小持水量，這與本研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著封育年限的增加，天然草地土壤內(nèi)含水量會明顯增加且土壤干層會逐漸減輕變薄，強度下降。這是因為封育后植被蓋度增加，枯落物增多，減緩了水土流失，使得封育后土壤容重顯著下降，孔隙度顯著增加，持水能力也隨之增加[27]。

15年檸條地灌木層優(yōu)勢種為檸條，草本層優(yōu)勢種為星毛委陵菜及百里香，植被平均蓋度為60%，牛西午等[28]對檸條根系發(fā)育特征及有關(guān)生理特性研究表明，檸條具有龐大的根系，主根明顯，側(cè)根發(fā)達，檸條主根的入土深度和根層的分布因年齡和所處環(huán)境等因素的影響而產(chǎn)生一定的差異，一般根系密集層主要分布在10-100 cm土層內(nèi)，根深和根幅多在100-400 cm范圍內(nèi)。這與本研究數(shù)據(jù)相符，即在檸條地120-380 cm土層形成了土壤干層，且在140-320 cm土層為中等干燥化土層。檸條對荒漠化治理的貢獻毋庸置疑，但與此同時，我們也不能忽視其根系對深層土壤水分的過度吸收，從而對土壤造成的破壞。

4 結(jié)論

1)隨著封育年限的增加，天然草地土壤內(nèi)含水量明顯增加，土壤干層逐漸減輕變薄，強度下降。2)在黃土高原干旱區(qū)，草地條播種植檸條(>15年)，會形成中等干燥化土層，對土壤造成破壞，危害嚴重。