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(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)

黃土高原丘陵溝壑區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，植被覆蓋度低，水土流失嚴(yán)重[1]。限制該地區(qū)植被生長(zhǎng)的主要因素是水分狀況[2]，土壤水分對(duì)植被生長(zhǎng)的影響一直是生態(tài)學(xué)和土壤學(xué)的研究熱點(diǎn)之一[3]。土壤水分狀況與土地利用和植被覆蓋密切相關(guān)[4-6]，土壤水是該地區(qū)植被生長(zhǎng)發(fā)育所需水的主要來源[7]，而降雨是土壤水的重要補(bǔ)給來源[8]。長(zhǎng)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(fā)強(qiáng)度大，使黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤水分極度缺乏，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力嚴(yán)重降低[9]。引起了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，限制了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展[10]。1999年提出的黃土高原生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的16字方針“退田還草(林)，封山綠化，個(gè)體承包，以糧代賑”，為黃土高原的生態(tài)環(huán)境修復(fù)和開發(fā)建設(shè)提供了實(shí)質(zhì)性措施。

隨著近20年來的退耕還林草工程的實(shí)施，大規(guī)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(zhì)[12-13]，研究表明，2000—2012年黃土高原植被覆蓋面積呈增大態(tài)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展。有關(guān)植被恢復(fù)、降水與土壤水分的研究形式多樣，內(nèi)容豐富。許多學(xué)者研究了降雨和表層土壤水分的關(guān)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(xué)者研究了深層土壤水分的變化，但是局限于年內(nèi)和年際降雨對(duì)土壤水分的影響，如劉志鵬等[16]研究了0—800 cm土壤水分動(dòng)態(tài)變化，得出土壤含水率在垂直方向0—800 cm范圍內(nèi)呈干濕交替的層狀分布，出現(xiàn)相對(duì)高濕層和相對(duì)低濕層；較少學(xué)者對(duì)次降雨與深層土壤水分動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系進(jìn)行研究。因此，本研究選取黃土高原丘陵溝壑區(qū)同一坡度兩種不同退耕還草方式的小區(qū)，基于土壤不同深度的土壤水分動(dòng)態(tài)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究退耕草地深層土壤水分的變化特征，為該區(qū)退耕還林(草)工程可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)理論依據(jù)，同時(shí)也為該區(qū)的農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)環(huán)境提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(biāo)為北緯36°43′36″，東經(jīng)109°15′14″，海拔1 012～1 731 m[17]。氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)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(qū)內(nèi)土壤類型為黃綿土，土質(zhì)疏松，抗沖性和抗蝕性較差，水土流失嚴(yán)重。土壤顆粒以細(xì)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(qū)內(nèi)主要有長(zhǎng)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(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)點(diǎn)位于退耕還草的坡面，研究區(qū)內(nèi)共設(shè)有兩個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)3個(gè)重復(fù)，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?yàn)楸逼珫|19°，草地覆蓋度約為40%。

1.3 數(shù)據(jù)來源

試驗(yàn)儀器采用北京雨根科技有限公司生產(chǎn)的RR-7120土壤濕度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，土壤含水量為容積含水量，本研究中用重量含水量進(jìn)行了標(biāo)定。每個(gè)小區(qū)內(nèi)預(yù)先埋有500 cm深度的土壤水分測(cè)定探頭16個(gè)，連續(xù)測(cè)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(cè)頻次為10 min/次，觀測(cè)時(shí)間為2015年10月17日—2017年5月5日。小區(qū)外設(shè)有小型氣象站，測(cè)定的指標(biāo)有溫度、濕度、光合有效輻射、太陽輻射、風(fēng)向、風(fēng)速和降雨量。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨對(duì)兩種草地土壤含水量年內(nèi)變化的影響

黃土區(qū)表層土壤水分易受降雨入滲補(bǔ)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(jié)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(dá)到全年最大值；8月份降雨量減少，且植物生長(zhǎng)處于最旺盛的時(shí)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(duì)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(dá)到最大值90.6 mm，占全年的22.28%，月降雨量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)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(jìn)入雨季后，土壤含水量發(fā)生變化，兩種草地均在7月份達(dá)到最大值，說明降雨對(duì)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(fù)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(nèi)變化

水平階草地和自然草地淺層土壤含水量的年內(nèi)變化趨勢(shì)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(nèi)變化等值線圖表明，兩種草地0—20 cm范圍內(nèi)土壤含水量隨時(shí)間的變化波動(dòng)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(wěn)定的層次；250 cm處是一個(gè)過渡帶，此層的水分既可以補(bǔ)給上層的土壤水分也可以對(duì)下層土壤水分進(jìn)行補(bǔ)給；300—500 cm深度是一個(gè)穩(wěn)定的層次，外界各種因素的變化對(duì)此層土壤水分的影響很微弱，所以深層含水量變化趨勢(shì)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(xiàn)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(shì)基本相同，有降雨的情況下，0—100 cm范圍內(nèi)土壤含水量有不斷上升的趨勢(shì)，對(duì)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(duì)兩種草地土層土壤含水量年內(nèi)變化的影響

圖2 兩種草地不同深度土壤含水量年內(nèi)變化

2.3 兩種草地不同生長(zhǎng)周期土壤水分變化特征

選取分別代表植物非生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)期開始、生長(zhǎng)期、生長(zhǎng)期結(jié)束的1月、4月、8月和11月，以研究植物不同生長(zhǎng)季節(jié)的土壤水分變化(圖3)。非生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)期結(jié)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(gè)時(shí)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(gè)時(shí)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(duì)深層土壤水分的補(bǔ)充具有長(zhǎng)期性。

2.4 次降雨條件下兩種草地土壤水分變化

黃土區(qū)降雨入滲深度與降雨量相對(duì)應(yīng)，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(zhǎng)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(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)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(zhǎng)周期0-500 cm土層土壤含水量的變化特征

圖4 次降雨對(duì)不同深度土壤含水量的影響

3 討 論

對(duì)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(fā)現(xiàn)土壤水分“干層”現(xiàn)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(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在黃土高原較為嚴(yán)重的干旱條件下，地表蒸發(fā)強(qiáng)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(zhǎng)的需要，必然要吸收深層土壤的水分。在林草植被長(zhǎng)期過度耗水的情況下，土壤含水量長(zhǎng)時(shí)間處于虧缺狀態(tài)，甚至達(dá)到或接近凋萎濕度，最終導(dǎo)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(fù)可分為3個(gè)階段：第一階段1～2 a為緩慢恢復(fù)期；第2階段在3～5 a為穩(wěn)定恢復(fù)期；第3階段在6 a以上為快速恢復(fù)期。干層的土壤水分要自然恢復(fù)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(jìn)行人工調(diào)控，土壤水分比自然恢復(fù)可提前2～3 a，一般需要4～5 a的時(shí)間即可恢復(fù)正常。本研究只有一年的數(shù)據(jù)，退耕草地還處于緩慢恢復(fù)期，還不能充分解釋干層土壤水分恢復(fù)的過程；根據(jù)本研究結(jié)果可以看出經(jīng)過人工調(diào)控的水平階草地土壤水分要比自然草地高，我們認(rèn)為退耕草地土壤干層水分是可以恢復(fù)到正常狀態(tài)，而且有水保措施調(diào)控的退耕草地的恢復(fù)時(shí)間比自然退耕草地的恢復(fù)時(shí)間要短。

4 結(jié) 論

(1) 水平階退耕草地和自然退耕草地的年內(nèi)土壤含水量變化趨勢(shì)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(zhǎng)周期土壤水分在不同深度具有明顯差異，以生長(zhǎng)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(xiàn)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(duì)深層土壤水分的補(bǔ)充具有長(zhǎng)期性。

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