劉丙霞,任 健,邵明安,賈小旭

1 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室,石家莊 050022 2 河北地質(zhì)大學(xué)土地資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,石家莊 050031 3 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室,北京 100101 4 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 楊凌 712100

黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)是黃河下游河床粗泥沙的主要來源區(qū)[1],也是土壤嚴重侵蝕與干旱并存的特殊區(qū)域,生態(tài)環(huán)境非常脆弱。為了防止水土流失,改善該區(qū)域脆弱的生態(tài)環(huán)境,近幾十年,黃土高原地區(qū)開展了大量的退耕還林還草措施[2]?；谶b感影像分析,黃土高原植被覆蓋度從1999年的31.6%增加到了2013年的59.6%,植被恢復(fù)在該區(qū)域綜合治理水土流失和改善生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮了重要作用[3- 4]。檸條和苜蓿具有生態(tài)適應(yīng)性強、根系發(fā)達以及保水固土效果顯著的特點,又是優(yōu)質(zhì)飼料,是黃土高原地區(qū)人工植被建設(shè)的主要灌木和草本種類[5]。因此,檸條和苜蓿在研究區(qū)廣泛種植,是該區(qū)保持水土和植被恢復(fù)的典型植被。由于檸條和苜蓿的多年生、深根系和強耗水的特性,其持續(xù)生長對土壤水分消耗十分強烈,導(dǎo)致黃土高原深層土壤干燥化加劇、土壤水分生態(tài)環(huán)境惡化及人工植被逐漸退化[6- 8]。研究典型人工灌草植被建設(shè)下土壤水分的消耗和干燥化過程,以及土壤干層的形成發(fā)育,對黃土高原植被管理與生態(tài)環(huán)境重建具有重要的參考價值。

基于不同植被類型下土壤干層與生長年限的相互關(guān)系研究,一些學(xué)者發(fā)現(xiàn),苜蓿、檸條、油松和沙打旺等植被下的土壤干層受植物生長年限影響顯著[9- 11]。李軍等[8]研究表明,3年生苜蓿草地出現(xiàn)中度干燥化,土壤干化深度可達5.0—7.6 m,4年生以上的苜蓿草地已達到嚴重干燥化,土壤干層厚度超過10.0 m。程積民等[12]研究發(fā)現(xiàn)檸條幼齡期(0—6年)在0—8.0 m土層中未形成干層,中齡期(6—14年)形成土壤干層,其厚度為2.4—2.6 m,老齡期(大于14年)土壤干層厚度達到7.0 m,土壤干燥化的程度和干層厚度均隨著檸條生長年限的延長而增加。然而,以往關(guān)于不同年限植被下土壤干層的研究大部分是借助空間代替時間的方法,時間序列不連續(xù)甚至年限差別較大,且空間代替時間的方法忽略了土壤屬性、地形地貌等對土壤水分的影響差異。因此,由于數(shù)據(jù)的不連續(xù)以及長期土壤水分觀測數(shù)據(jù)的缺乏,限制了對不同植被類型下土壤干燥化過程的準確認識。

本文在黃土高原北部的神木六道溝小流域,基于長期連續(xù)的土壤水分定位觀測數(shù)據(jù),研究檸條灌木和苜蓿草地土壤干層的形成發(fā)育過程及其動態(tài)變化規(guī)律,探討不同生長年限檸條和苜蓿對土壤水分的消耗特征,確定該區(qū)檸條和苜蓿的適宜種植年限,為黃土高原北部脆弱生態(tài)區(qū)灌草植被管理和土壤干層調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 2004—2014年研究區(qū)年降水量的逐年距平值變化圖 Fig.1 Differences of annual precipitation and the mean precipitation from 2004 to 2014 at the study site

研究區(qū)位于黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)的神木市以西六道溝小流域(110°21′—110°23′E,38°46′—38°51′N)。流域面積6.89 km2,海拔1094.0—1273.9 m,北依長城,地處毛烏素沙漠的邊緣,屬于黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶的強烈侵蝕中心。該區(qū)屬于中溫帶半干旱氣候,年平均蒸發(fā)力785.4 mm,多年均降水量415.4 mm(1971—2014),年際降水分布不均勻(圖 1),且年內(nèi)降水分布主要集中在6—9月,其降雨量占全年降水量的77.4%,年均氣溫8.4℃。地貌為片沙覆蓋的黃土丘陵,主要土壤類型有綿砂土、硬黃土、紅黃土和風(fēng)砂土。流域位于森林草原向干旱草原過渡帶,其植被類型屬于灌叢草原類型。隨著國家退耕還林還草工程的推進和區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展,坡耕地逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱植莸?特別是苜蓿草地、檸條灌木地和果園林地面積顯著增加。

1.2 實驗設(shè)計

本研究在一遠離侵蝕溝、坡度為 12—14°、坡向為西北方向的完整坡面,建設(shè)人工檸條和苜蓿植被小區(qū)。坡面地形、土壤理化性質(zhì)和土壤質(zhì)地等較為一致,試驗小區(qū)內(nèi)的土壤類型均為黃綿土,從而消除了土壤質(zhì)地在空間上的差異。小區(qū)規(guī)格為 5.0 m×61.0 m,并于2004年栽植1年生檸條幼苗,植被密度為12000 叢/hm2；苜蓿小區(qū)播種種植,植株行距為50.0 cm×50.0 cm。為實現(xiàn)土壤水分的長期定位觀測,在每個試驗小區(qū)從坡頂向坡底依次布設(shè)11 根中子管,相互間隔距離為5.0 m,監(jiān)測土壤深度為4.0 m。

1.3 數(shù)據(jù)觀測與處理

對于檸條和苜蓿小區(qū),觀測時間均為2004年至2014年,檸條對應(yīng)的生長年限為2—12年,苜蓿對應(yīng)的生長年限為1—11年。利用CNC503DR型中子儀對0—4.0 m土壤剖面體積含水量進行測定,其中0—1.0 m土層測定間隔為10 cm,1.0 m以下土層測定間隔為20 cm。測定頻率為每半月測定一次。發(fā)生較大降水后加密測定土壤含水量。本研究中所用的土壤含水量數(shù)據(jù)為不同植被下11個監(jiān)測樣點的平均值。

檸條地上生物量用代表樣枝方法測定,在植被小區(qū)外采取與小區(qū)內(nèi)相似的標(biāo)準枝9枝,先以110℃高溫殺青1小時,然后在80℃恒溫烘箱里烘72小時,最后用精度為0.01 g電子天平稱重。在小區(qū)內(nèi)測定檸條的株高和基徑利用植被生長(基徑和高)與生物量間的Allometry關(guān)系計算檸條生物量。采用全收獲法或1.0 m×1.0 m樣方刈割法計算苜蓿地上生物量,苜蓿每年在7月底和10月底刈割兩次。

1.4 土壤干層

王云強[13]研究定義土壤干層的上邊界土層為1.0 m,因為0—1.0 m土層的土壤水分通常能夠通過當(dāng)年的降水補給得到及時的補充,認為該土層不屬于土壤干層的范疇。在本研究中,我們主要研究的是具有較強穩(wěn)定性的土壤干層的發(fā)生發(fā)育過程,因此,我們將土壤干層的起始深度定為1.0 m?；邳S土高原北部土壤的基本物理屬性,土壤穩(wěn)定含水量通常被認為是約等效于60%的田間持水量,并認為土壤含水量低于土壤穩(wěn)定含水量時,即形成土壤干層[14]。本研究將土壤穩(wěn)定含水量值確定為田間持水量的60%,作為土壤干層的上限,并以此作為判斷干層是否出現(xiàn)的標(biāo)準。

為了便于定量描述各類土地利用方式下土壤干燥化程度,李軍等[8]定義土壤干燥化指數(shù)—SDI(soil desiccation index)為某一土層土壤實際有效含水量占該層土壤穩(wěn)定有效含水量比值的百分數(shù),公式表達為：

式中,SDI為土壤干燥化指數(shù),SM為土壤含水量,WM為凋萎含水量,SSM為土壤穩(wěn)定含水量。

土壤干燥化指數(shù)SDI值越小,表明土壤干燥化強度越高,可供植物吸收利用的土壤有效含水量也越少。依據(jù)土壤干燥化指數(shù)SDI值的大小,土壤干燥化強度可劃分為6級(表1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 檸條和苜蓿植被對土壤水分的消耗特征

檸條和苜蓿地中的剖面土壤含水量的時間變化趨勢相似,隨著植被的生長,大量土壤水分被消耗,剖面土壤含水量逐漸降低(圖2)。2—8年生檸條對1.0—4.0 m剖面土壤水分消耗強烈,剖面含水量均值表現(xiàn)出隨著植被生長年限的延長呈現(xiàn)迅速下降趨勢,剖面含水量均值由觀測初期的21.4%(2年生)減小到9.4%(8年生),含水量減少速率每年可達2.0%；之后9—12年生檸條地中剖面含水量均值處于相對穩(wěn)定狀態(tài),變化幅度很小(8.2%—9.0%)。不同生長年限苜蓿對土壤水分的消耗特征與檸條相似,1—7年生苜蓿地剖面土壤含水量均值先迅速下降,含水量均值由觀測初期的21.3%(1年)減小到8.6%(7年),含水量減少速率每年可達2.1%；之后苜蓿地剖面含水量均值相對穩(wěn)定,在8.5%—10.5%之間浮動(圖2)。

表1 土壤干燥化強度分級劃分

圖2 不同生長年限檸條和紫花苜蓿地1.0—4.0 m土壤水分均值箱式圖Fig.2 The boxplots of mean soil water in depths of 1.0—4.0 m of caragana and alfalfa under different years

觀測初期,檸條和苜蓿地土壤水分在1.0—4.0 m剖面上分布比較均勻,1.0—2.0 m,2.0—3.0 m和3.0—4.0 m土層儲水量接近,隨著植被生長3個土層儲水量呈現(xiàn)隨深度增加而減小的趨勢,且隨著生長年限增大3個土層儲水量逐年減小(圖3)。2—8年生檸條和1—7年生苜蓿,土壤儲水量減少量和消耗速率由大到小依次為1.0—2.0 m,2.0—3.0 m和3.0—4.0 m,之后各土層儲水量趨于接近。由圖3可知,檸條和苜蓿地土壤水分消耗可分為3個階段,第一階段：快速消耗階段(種植前5年),2—6年生檸條地1.0—2.0 m,2.0—3.0 m和3.0—4.0 m土層儲水量的消耗速率分別為：24.3 mm/a,21.3 mm/a,16.0 mm/a；1—5年生苜蓿地3個土層對應(yīng)的儲水量消耗速率分別為23.9 mm/a,23.45 mm/a,20.0 mm/a。第二階段：緩慢消耗階段(種植6—8年)檸條地各層儲水量的消耗速率分別為：1.7 mm/a,10.2 mm/a,12.5 mm/a；苜蓿地中3個土層對應(yīng)的的儲水量消耗速率分別為3.7 mm/a,3.1 mm/a,7.2 mm/a。第三階段：相對穩(wěn)定階段(種植9—11年),檸條和苜蓿地各層土壤水分都處于相對穩(wěn)定狀態(tài),且3個土層儲水量差異很小,在80.0—100.0 mm之間變化。在第三階段,1.0—2.0 m土層水分對年降水量有一定的響應(yīng),尤其在2013年,降水較多,1.0—2.0 m土層水分得到補給,且苜蓿地中補給量明顯大于檸條地。2.0 m以下土層儲水量變化幅度較小。

圖3 不同年限紫花苜蓿和檸條地1—2, 2—3和3—4 m土層儲水量,虛線表示穩(wěn)定儲水量(111.0 mm)Fig.3 Soil water storage at various depths of 1.0—4.0 m of alfalfa and caragana under different years

2.2 不同生長年限檸條和苜蓿地土壤干燥化特征

2—12年生檸條地土壤剖面平均含水量、儲水量和SDI值均表現(xiàn)出逐年減小的趨勢(表2)。由1.0—4.0 m剖面平均SDI可知,2—7年生檸條地在1.0—4.0 m剖面上無干燥化現(xiàn)象。但3年生的檸條地土壤剖面已經(jīng)出現(xiàn)水分虧缺現(xiàn)象,4年生檸條地開始出現(xiàn)干層,厚度為0.4 m。6年生檸條地土壤干層深度可達2.4 m,干層的厚度為1.4 m。8年生檸條1.0—4.0 m土壤剖面出現(xiàn)中度干燥化,1.0—3.0 m土層干化嚴重,3.0—4.0 m土層含水量也接近穩(wěn)定土壤含水量(表2和圖4)。9年生檸條1.0—4.0 m土壤剖面全部形成干層,9—12年生檸條土壤干層深度均超過4.0 m。12年生檸條地1.0—4.0 m剖面處于嚴重干燥化,土壤含水量分布于6.5%—9.4%范圍內(nèi)。檸條地土壤干化程度隨著生長年限的增長而增強。

圖4 不同年限檸條和苜蓿土壤剖面水分分布。黑色實線是檸條和苜蓿地初始含水量虛線為土壤穩(wěn)定含水量(11.1%)Fig.4 Vertical distributions of soil moisture to a depth of 4.0 m of alfalfa and caragana under different years

1—11年生苜蓿地土壤剖面平均含水量和儲水量均表現(xiàn)出逐年減小的趨勢(表3)。1—4年生苜蓿剖面土壤處于無干燥化狀態(tài),但2—4年生土壤剖面均出現(xiàn)水分虧缺,且虧缺量逐年增大；5年生苜蓿生長量迅速增大,土壤剖面開始出現(xiàn)輕度干燥化現(xiàn)象,生長季末干層深度達3.6 m,干層厚度為2.6 m(圖4)；除10年生苜蓿外,6—11年生苜蓿土壤剖面干燥化程度逐年加重,由輕度干燥化到嚴重干燥化狀態(tài),且7年以后土壤干層的深度超過4.0 m,厚度大于3.0 m。10年生苜蓿地中土壤水分虧缺量和干層的厚度均減小,土壤干燥化程度減弱,主要是由于2013年降水較多(圖1),降水補給1.0—2.0 m土層。

表2 不同生長年限檸條地1.0—4.0 m剖面土壤水分及土壤干燥化分析

表3 不同生長年限苜蓿地1.0—4.0 m剖面土壤水分及土壤干燥化分析

2.3 苜蓿與檸條生物量隨生長年限的變化

檸條和苜蓿地上最大干生物量隨生長年限增大,其變化趨勢不同(圖5)?？傮w上2—12年生檸條地上最大干生物量隨檸條生長年限的增長呈逐漸增大趨勢。6年和9年生檸條生物量均小于前一年生物量,主要是由于這兩個年份(2008年和2011)均為枯水年,降水較少影響了植被生物量。已有的研究表明檸條生長被分為三個階段：幼齡期(0—6年),中齡期(7—13年)和老齡期(≥14年),且地上生物量在13年之前隨植物生長增加[12]。因此2—12年生的檸條經(jīng)歷了幼齡期和中齡期,還未進入老齡期,所以檸條地上最大生物量隨植被年限的增加呈不斷增加趨勢。

1—11年生苜蓿地上最大干生物量隨生長年限的增長呈先增大后減小,即中間高兩頭低的趨勢(圖5)。苜蓿自播種后生長迅速,生長至第6年其地上生物量達到高峰,之后苜蓿產(chǎn)量開始下降,并逐漸開始退化。在第10年(2013年),即使年降水量較大,處于豐水年,生物量依舊減少。11年生苜蓿地多數(shù)苜蓿植株趨于生理衰敗,加之深層水分的大量消耗殆盡,生物產(chǎn)量極低。研究表明苜蓿地上部生物量與生長年限呈顯著的負相關(guān)關(guān)系,苜蓿草地生長高峰期為第5—6年,苜蓿生長至6—7年之后,產(chǎn)量迅速下降,其經(jīng)濟生長年限一般為10年[15-16]。研究期間的苜蓿生物量較檸條低,但兩者的耗水量差異不大,因此,檸條的水分利用效率高于苜蓿。白永紅等[17]研究表明,黃土區(qū)檸條的水分利用效率顯著高于苜蓿(P<0.05),是苜蓿的1.5倍,與我們的研究結(jié)果一致。

圖5 檸條和苜蓿的地上最大生物量隨植被年限的變化Fig.5 Changes of the annual maximum dry biomass with plant growth for caragana and alfalfa

3 討論

黃土高原近50年來的人工林草建設(shè),人為引進很多外來高耗水植物物種,人工植被過度耗水打破降水和原生植被之間的動態(tài)平衡,普遍出現(xiàn)了以土壤干層為代表的新的生態(tài)環(huán)境問題[6,9,18- 19]。近年來已有大量研究發(fā)現(xiàn),人工植被大量消耗土壤儲水導(dǎo)致土壤水分減少[20],幾乎所有的人工喬、灌林和紫花苜蓿等多年生豆科牧草都能使土壤形成干燥化土層,土壤干層現(xiàn)象分布相當(dāng)廣泛[21-23]。王力等[14]研究表明,黃土高原地區(qū)人工植被用地與自然植被恢復(fù)土地相比,其土壤水分總是較低且使土壤干化。黃土區(qū),檸條和苜蓿的耗水量是降雨量的1.3倍和1.2倍,降雨無法滿足檸條和苜蓿的需求,它們只能過度消耗土壤水分來滿足生長,最終造成土壤干化[17]。在該研究區(qū),也有研究表明,三種典型植被恢復(fù)類型土壤水分由大到小依次為撂荒地>檸條地>苜蓿地。觀測初期,三種植被恢復(fù)用地含水量剖面分布相似,但隨觀測年限增加,檸條和苜蓿地中土壤水分消耗深度加深,耗水程度增強,尤其是在1.0 m以下土層更為明顯,并在種植2年后,1.0 m以下土層開始出現(xiàn)干化[24]。在黃土區(qū),多年種植檸條和苜蓿會導(dǎo)致土壤產(chǎn)生干層,且干層深度和干燥化程度隨著檸條和苜蓿生長年限的延長而增大[25-26]。

本研究表明,檸條和苜蓿的大量耗水使得其均在種植5年(6年生檸條和5年生苜蓿)后剖面土壤水分顯著減少并形成土壤干層；且剖面土壤水分變化速率在種植5年時存在一個“拐點”,在這之前土壤含水量和儲水量大量減少,5年之后土壤剖面水分減少速率降低,深層土壤水分變化較小。種植8年后,土壤中的儲水被消耗殆盡,土壤水分處于相對穩(wěn)定狀態(tài),這表明低于該年限所對應(yīng)的土壤含水量時,檸條和苜蓿不能吸收利用,只能依靠當(dāng)年的降水生存生長。

2—6年生檸條,隨著生長年限的增長,剖面土壤含水量迅速減少；在6—12年生長期間,檸條生物量不斷增大,檸條地剖面土壤含水量仍然隨著生長年限的增長而呈減少趨勢,但深層土壤剖面水分變化較小,表明在檸條生長6年之后,剖面土壤水分隨著生長年限降低的速率減小,深層土壤含水量在不同年限間變化相對較小。這與李小芳等[27]研究結(jié)果一致,其研究表明隨著檸條生長年限延長和檸條根系的下伸,土壤干層逐年加深加厚,5年生檸條干層深度達3.0 m,7年生超過4.0 m,10年生干層深度接近7.0 m,11年以后,1.0—9.0 m土層土壤濕度基本穩(wěn)定,接近土壤萎蔫濕度。程積民等[28]將檸條的生長發(fā)育期分為幼齡期(0—6年)、中齡期(6—14年)和老齡期(大于14年)。檸條在幼齡期生長主要依靠天然降水和土壤水分補給；在中齡期,土壤儲水量較少,植被主要依靠天然降水補給維持植被生長。因此,本研究建議檸條種植的生長年限在5—6年左右,最大不要超過6年,其對應(yīng)的地上最大生物量為5050 kg/hm2。

本研究中苜蓿在1—6年,生物量隨著生長年限的增長而增大,為苜蓿生長的旺盛期,對土壤水分需求增加,導(dǎo)致土壤水分迅速減少；種植6年后深層土壤水分已產(chǎn)生嚴重虧缺,水分供應(yīng)受到限制,從而使得土壤剖面水分減小速率變小。因此,在苜蓿生長過程中,1—6年生長前期土壤干燥化進程明顯快于7—12年生長后期,前6年耗水深度和干層厚度逐年增加,7—12年生苜蓿生長衰退,耗水深度和干層厚度有所減小[29-30]。苜蓿生長至第5年,1—3.6 m土層出現(xiàn)干層,在第10年(2013年),即使處于豐水年條件下,僅1.0—2.0 m土層水分得到補給,其干層得到短時間的恢復(fù),2.0 m 以下干層難以恢復(fù)[31]。表明在研究區(qū)苜蓿種植5年后就會產(chǎn)生干層,且難以恢復(fù)。因此,建議苜蓿在研究區(qū)種植年限不要超過5年,其對應(yīng)的地上最大生物量為1980 kg/hm2?；蛘咴谲俎７N植的第4年采取一定的水分調(diào)控措施,如條帶狀減少苜蓿種植,苜蓿與農(nóng)作物或自然恢復(fù)植被間作,維持土壤水分平衡,以防止深層土壤干化層的形成。

4 結(jié)論

本文研究了黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)六道溝小流域內(nèi)兩種典型人工灌草植被——檸條和苜蓿,在不同生長年限下土壤水分時空動態(tài)變化特征及土壤干層的形成過程,取得如下結(jié)論：

(1)種植多年生的檸條和苜蓿會導(dǎo)致深層土壤干燥化,且土壤干化的程度隨生長年限增大而加劇。檸條和苜蓿的耗水速率在種植5年時存在一個“拐點”,在這之前土壤含水量和儲水量大量減少,5年之后剖面土壤水分下降速率減小。種植8年后,土壤水分處于相對穩(wěn)定的低水平狀態(tài),為無效水,不能被檸條和苜蓿根系吸收利用,植被只能依靠當(dāng)年的降水維持生存。

(2)土壤干層的形成速率和厚度與植被類型有關(guān)。苜蓿從第5年開始,1.0 m以下出現(xiàn)干層,干層厚度達到2.6 m；檸條從第6年開始形成干層,厚度達1.4 m。因此,為減少深層土壤干層的發(fā)生發(fā)育,建議苜蓿在該地區(qū)的種植年限不超過5年,其對應(yīng)的地上最大生物量為1980 kg/hm2；檸條的生長年限不超過6年,其對應(yīng)的地上最大生物量為5050 kg/hm2。