劉娜娜, 陳惠娟, 孔德杰

(1.寧夏農(nóng)業(yè)勘查設(shè)計院, 銀川750002; 2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心, 銀川750002;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 4.陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 陜西 楊凌 712100)

?

寧夏鹽池不同草地類型的土壤水分平衡研究

劉娜娜1, 陳惠娟1, 孔德杰2,3,4

(1.寧夏農(nóng)業(yè)勘查設(shè)計院, 銀川750002; 2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心, 銀川750002;3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 4.陜西省循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心, 陜西 楊凌 712100)

以位于農(nóng)牧交錯地帶鹽池縣的6種不同草地類型土壤含水量為研究對象，通過監(jiān)測各種類型草地0—100 cm土層質(zhì)量含水量的動態(tài)變化情況，運用Surfer制圖軟件分析牧草生育期土壤水分的空間分布特征；利用土壤水分平衡方程和土壤分層貯水量公式計算不同草地0—100 cm土層總貯水量變化情況，結(jié)合試驗地生長季降水量變化，分析了不同草地類型土壤貯水量動態(tài)變化與蒸散量的變化規(guī)律，結(jié)果表明：降雨和植被類型是不同類型草地土壤水分動態(tài)變化的主要原因，沙丘土壤水分隨降雨量變化較為明顯；移栽檸條地土層剖面生育期水分變異系數(shù)最大，表明干旱時土壤失水較多，降雨充足時蓄水最多。因此應(yīng)增加沙丘植被覆蓋，對檸條、苜蓿、草地應(yīng)適度進行放牧和刈割，控制植被生長，減少植被蒸騰蒸發(fā)，提高土壤水分固持能力，維持土壤水分的可持續(xù)發(fā)展。

土壤水分; 草地類型; 貯水量; Surfer

在寧夏中部干旱地區(qū)，由于降水少、蒸發(fā)強烈，環(huán)境總體處于水分虧缺狀態(tài)，降雨量的多少是影響該地區(qū)土壤水分和植物生長的主要因素[1]。土壤水分是該地區(qū)決定生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵因子[2-4]，不同植物群落土壤含水量的季節(jié)動態(tài)不同[5]。本地區(qū)土壤水分的豐虧變化直接影響著植物的生存與生長狀況[6]，王新平等[6]對鹽池草原化荒漠帶人工固沙植叢區(qū)土壤水分動態(tài)開展了相關(guān)的研究。李學(xué)斌等[7]通過調(diào)查荒漠草原5種典型植物群落枯落物蓄積量、持水性能、對降雨的截留和對土壤水分蒸發(fā)的抑制作用，分析了荒漠草原不同植被類型枯落物的生態(tài)水文功能；方楷等[8]研究表明地形對植物的生長動態(tài)規(guī)律影響很大，生長初期的土壤水分是植物生長的關(guān)鍵影響因子，并且植物生長耗水主要來自60—100 cm土層。何秀珍等[9]開展的荒漠草原區(qū)不同類型草地土壤水分特征研究。以上雖然對鹽池主要類型草地土壤水分動態(tài)、植被對土壤水分的利用層次、土壤水分的消耗狀況進行了相關(guān)的研究報道。鹽池縣封山禁牧政策實施后植被狀況有了明顯改善，但是生長逐漸茂盛的草地消耗了大量的土壤儲存水，可能會造成土壤水分的逐漸干化，進而影響植被生長[10]。但是鹽池草地類型多樣，采用一刀切的封育禁牧措施也是不合適的，目前對多種典型草地類型牧草生育期土壤水分變化的綜合比較及土壤水分平衡的研究報道還比較少。因此，對寧夏中部干旱地區(qū)典型草地土壤水分時空格局及其動態(tài)規(guī)律進行系統(tǒng)研究，無疑會對研究地區(qū)荒漠化防治、退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建具有重要意義。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，北與毛烏素沙漠相連，南靠黃土高原，是典型的農(nóng)牧交錯過渡地帶，氣候干燥，生態(tài)脆弱，常年風(fēng)沙活動頻繁，屬于中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.7℃，7月平均氣溫22.5℃，≥10℃積溫為2 949℃；年日照時數(shù)2 867.9 h，日照率65%；年平均降水量250～350 mm，大部分集中在6—9月，且多暴雨，降水年變率較大，年蒸發(fā)量2 136 mm，是降雨量的6～8倍，年無霜期162 d。土壤多為灰鈣土，還有大面積的風(fēng)沙土、黃綿土等土壤類型，土壤質(zhì)地以砂壤、粉砂壤和砂土為主。主要植被類型主要有灌叢、干草原、荒漠草原、沙地植被等，植物種類包括旱生、強旱生的天然草本和人工種植的甘草、檸條，屬于半自然植被景觀。

1.2試驗設(shè)計

在鹽池縣楊柳堡(37°50′45″N，107°24′04″E)選擇移栽檸條地、直播甘草地、天然牧草地，在楊石塘(37°43′53″N，107°15′42″E)選擇沙丘上(零星有草)、沙丘下(較少的草)、沙丘旁草地，共6種草地類型，2011年4月15日草地萌發(fā)前和2011年11月15日，用烘干法在每月的15號測量不同草地類型100 m深的土壤含水量，每10 cm測量1次。生育期土壤貯存水量變化、土壤水分樣本變異系數(shù)計算公式如下：

土壤貯水量(mm)=土壤質(zhì)量含水率(%)×土壤容重(g/cm3)×土層厚度(cm)×10

(1)

土壤水分樣本變異系數(shù)=土樣含水量樣本的均方差/土樣含水量平均值

(2)

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)處理采用SPSS 19.0，作圖用Excel 2003，Surfer 7.0軟件。

2　結(jié)果與分析

2.1不同類型草地土壤水分動態(tài)變化情況

寧夏鹽池干旱風(fēng)沙區(qū)有限的大氣降水是荒漠草原水分的直接補給來源，也是無灌溉條件下天然植被得以生存的主要水源之一。由圖1可以看出，不同草地類型生育期0—100 cm土壤平均含水量秋季>春季>夏季，分析其原因：2011年4月15日開始測量時，移栽、播種、天然和沙丘上樣地的土壤含水量較低，沙丘下和沙丘旁的土壤貯水量比較高，由于5月16日—6月15日的降雨量只有11.8 mm，此刻寧夏中部干旱帶處于春末夏初，牧草剛剛萌發(fā)，風(fēng)速較大，空氣相對濕度低，土壤水分蒸發(fā)較強；7月16日—8月15日的降雨量只有24.1 mm，加之該階段是牧草生長旺盛時期，對水分的需求非常敏感，加之氣溫升高，導(dǎo)致的蒸騰蒸發(fā)量升高，并且該時期的降雨量較少，只能消耗土壤貯存的水分，8月15日播種甘草處理的土壤貯存水分最低，僅為33.2 mm。從8月16日—10月15日月降雨量較大，土壤開始補充水分，并且土壤含水量逐漸增加，11月15日測得土壤含水量達到最大。草地生育期內(nèi)移栽檸條地、直播甘草地、天然牧草地對降雨的蓄積能力好于沙丘，不同類型土壤水分含量增加量不同。

圖1不同草地類型生育期0-100 cm土壤平均含水量

由圖2可以看出，6種草地類型土壤水分含量都是春季較低，秋季最高，移栽檸條地、直播甘草地、天然牧草地牧草生育期土壤水分動態(tài)變化較為平緩，沙丘上、沙丘下及沙丘旁草地土壤水分含量隨降雨量的變化而變化較為劇烈。分析其原因牧草生育前期由于移栽檸條地、直播甘草地、天然牧草地牧草植被長勢較好，干旱地區(qū)生長植被根系較發(fā)達，消耗了土壤貯存的水分，少量的降雨僅僅濕潤土壤表面，并且很容易蒸發(fā)，進而導(dǎo)致土壤水分含量較低。而降水進入沙丘后，一部分入滲轉(zhuǎn)化為沙丘水儲存在深層沙層中，另一部分以物理蒸發(fā)的方式重返大氣中，降雨后沙土含水量迅速增加，天晴后又蒸發(fā)較快，因此沙丘上水分變化隨降雨變化表現(xiàn)較為劇烈。沙丘上、沙丘外和沙丘下因植被蒸騰較小，土壤表面較大的沙粒、孔隙也抑制了深層土壤水分的蒸發(fā)，進而在牧草生育前期深層土壤含水量高于移栽、直播和天然草地土壤含水量。

圖2不同草地類型生育期土壤水分動態(tài)變化情況

由表1可以看出，在不同生育時期6種草地類型0—100 cm土壤貯水量有很大的差異，移栽檸條、播種甘草、天然草地、沙丘上、沙丘下、沙丘旁草地生育期平均貯水量依次為90.5，74.6，82.5，70.9，150.6，200.4 mm，也說明了植被類型和生長狀況對土壤貯水量的影響很大。4月份、5月份土壤的貯水量是去年夏秋土壤中雨水儲備，由于上一年冬季及本年春季降雨較少，空氣相對濕度低，氣候干燥，隨著溫度升高，土壤、牧草生長的蒸騰蒸散量增加，蒸散量大于降雨量，土壤處于失水狀態(tài)。6月份土壤水分含量最低，7月之后降雨量開始增加，土壤貯水量也隨之增加。從8月16日—10月15日月降雨量較大，短期內(nèi)降雨量大于蒸散量，土壤開始補充水分，并且土壤貯水逐漸增加，11月15日測得土壤貯水量達到最大。草地生育期內(nèi)移栽檸條地、直播甘草地、天然牧草地對降雨的蓄積能力好于沙丘，牧草生育期內(nèi)不同類型土壤水分增加量不同，移栽>播種>天然>沙丘下>沙丘上>沙丘旁，其數(shù)值依次為113.9，74.4，69.0，62.0，36.9，-6.0 mm。

2.2不同類型樣地土壤水分剖面分布特征

土壤水分含量變化主要受降雨、植被狀況、氣候條件、蒸騰蒸發(fā)等因素的影響，除了播種甘草處理外，其他5種土壤類型牧草生育期內(nèi)土壤含水量都隨著土壤深度的增加有不同的增加。移栽、播種、天然、沙丘上、沙丘下、沙丘旁等土壤類型0—50 cm土壤含水量平均依次為4.35%，4.93%，4.47%，3.89%，7.45%，11.83%；50—100 cm土壤含水量平均依次為7.15%，4.53%，6.06%，4.40%，10.34%，13.42%。沙丘旁草地土壤水分含量最高，比其他類型草地有顯著提高，沙丘上土壤水分含量最低。土壤含水量變異系數(shù)是反映土壤水分變化的重要指標(biāo)，樣本值的均方差越大，變異系數(shù)就越大，說明土壤含水量變化就越劇烈，反之土壤含水量變化就越小，6種類型土壤含水量變化系數(shù)都是0—10 cm土層最大，也說明了降雨量和土壤植被的蒸騰蒸發(fā)對0—10 cm表層土的影響最大，隨著土層深度的增加變異系數(shù)逐漸減少。移栽、播種、天然、沙丘上、沙丘下、沙丘旁土壤類型0—50 cm土壤含水量變異系數(shù)平均依次為0.54，0.54，0.48，0.29，0.26，0.26；50—100 cm土壤含水量變異系數(shù)平均依次為0.52，0.61，0.51，0.26，0.18，0.19；從表1可以看出，移栽檸條、播種甘草、天然草地的土壤水分變異系數(shù)較大，并且移栽檸條、播種甘草的變異系數(shù)大于天然草地的，分析其原因是移栽檸條、播種甘草的植被覆蓋度好于天然草地，根系分布也較天然草地深很多，因此干旱時消耗的土壤水分比天然草地多，降雨量多時一部分雨水被截留，土壤表面有枯枝落葉覆蓋，增加了水分的入滲，因較大植被覆蓋，減少了土壤水分的蒸發(fā)，一定程度上抑制了土壤水分的損耗，這也就導(dǎo)致了移栽檸條、播種甘草的土壤水分變異較大，而沙丘上、沙丘下、沙丘旁植被差、沙土顆粒大，對水分的固持力有限，降雨進入土壤后又被很快蒸發(fā)，這也是土壤水分變異系數(shù)較小的原因。

表1　不同類型樣地生育期0-100 cm土壤貯水量動態(tài)變化情況　　mm

表2　不同類型樣地生育期土層剖面含水量動態(tài)變化情況　　%

注：表中字母表示不同類型草地牧草生育期該土層深度土壤含水量的多重比較(大小寫字母分別代表0.01極顯著和0.05顯著水平)，括號內(nèi)為該土層深度在牧草生育期內(nèi)土壤含水量的變異系數(shù)。

2.3不同類型草地對生育期蒸散量的影響

如圖3所示，寧夏鹽池春季習(xí)慣上為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月。從春到秋相對濕度逐漸增加，而風(fēng)速逐漸減少，平均空氣相對濕度和平均風(fēng)速數(shù)值依次為31.45%，49.17%，71.40%和2.28，1.99，1.42 m/s；氣候上給人的感覺是冬季漫長，春季很短，雨熱同季，從春到秋降雨量逐漸增加，2011年降雨量較平常年份多，是很少見的豐雨年，從春到秋的平均氣溫和季度降雨量依次為8.93，22.35，8.69℃和50.4，130.7，217.7 mm。

不同類型草地類型土壤、植被蒸散量等于當(dāng)月降雨量減去土壤貯水增加量，氣溫高低、風(fēng)速大小以及土壤顆粒大小、水分含量高低、降雨和植被蒸騰對寧夏中部干旱帶不同時期、不同植被類型土壤蒸散量的影響較大。由表3可以看出，各類型4月16日—11月15日期間的實際蒸散量，呈先增高后降低的趨勢，生育期總蒸散量平均為314.9 mm，不同類型牧草生育期期間實際總蒸散量也不相同，大小關(guān)系依次是沙丘旁>沙丘下>沙丘上>天然>播種>移栽。其中移栽、播種和天然3種類型生育期總蒸散量平均為279.4 mm，沙丘上、沙丘下、沙丘旁生育期總蒸散量平均為350.4 mm，因此增加沙丘植被覆蓋，減少植被、土壤水分蒸騰蒸發(fā)，提高土壤水分固持能力，是維持土壤水分健康發(fā)展的重要舉措。

注：表中數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

圖32011年鹽池縣主要氣象數(shù)據(jù)資料

表3　牧草生育期不同草地類型蒸散量　　mm

4月16日—5月15日，各種類型草地平均蒸散量為19.8 mm，各處理大小依次是沙丘上>沙丘旁>天然>沙丘下>播種>移栽，本時期是牧草的萌發(fā)期，土壤氣溫低、貯水量少、植被覆蓋度低、需水量少是蒸散量較少的主要原因。6月15日—7月15日氣溫適宜，是牧草生長旺盛時期，該時期對水分的需求非常敏感，但是降雨量僅為11.8 mm，各種類型草地平均蒸散量為35.4 mm，本時期是土壤失墑期；7月15日—8月15日溫度逐漸升高，植被需水量增加，降雨量僅為24.1 mm，土壤平均蒸散量為44.9 mm，此期間只能消耗土壤貯存的水分。8月15日—9月15日降雨量最大，達到了140 mm，牧草生長全年最為茂盛的時期，平均蒸散量達到了62.5 mm，由于降雨對土壤蒸發(fā)及植被生長影響有一定滯后性，也導(dǎo)致了9月16日—10月15日蒸散量達到最大值74.5 mm。隨后隨著溫度降低和牧草生長發(fā)育停止對水分需求減少及土壤水分含量降低，10月16日—11月15日時期蒸散量為32.7 mm。

3　結(jié)論與討論

土壤水分含量因受降雨量大小、地形坡度、徑流運動、土層滲透性、地下水位、氣溫高低和牧草生長階段、太陽輻射強度、氣流與風(fēng)力風(fēng)速等多因素影響制約，導(dǎo)致不同草地類型土壤水分運移與蒸散結(jié)果不同。降雨是寧夏中部干旱帶農(nóng)牧交錯帶土壤水分補給源，不同草地類型土壤水分動態(tài)變化隨著生育期的延后和降雨量的變化，土壤水分含量也出現(xiàn)波動，胡江波等[10]的研究觀點與此相同，但是本研究表明土壤含水量變化相對降雨量變化有一定的滯后性，本試驗測得的各種草地類型土壤含水量都是在11月15日最高，主要原因可能是9月份降雨量比往年較大，此時空氣相對濕度較大、風(fēng)速降低、平均溫度較低因而導(dǎo)致的蒸騰蒸散量降低而導(dǎo)致土壤含水量增加。

植被類型對荒漠化草原土壤水分含量影響很大，弓成等[5]研究表明不同植物群落在不同時期的土壤含水量各不相同。何秀珍等[9]研究表明：草地表層土壤含水量都在5%～6%，0—40 cm土層變化幅度較大，隨著土壤深度增加，含水量增加，在80—100 cm土層水分值最大。本研究表明土壤水分變化特征在時間、空間分布上不同，移栽、播種、天然土壤水分變化較為平緩，但是生育期變異系數(shù)較大，說明降雨較少時土壤失水較多，降雨多時對水分的固持力較強；沙丘上、沙丘下、沙丘旁因植被覆蓋較少土壤水分變化隨著降雨量的變化較為劇烈，降雨入滲深度隨降雨量的增加而增大，因此應(yīng)增加沙丘植被覆蓋減少土壤水分蒸發(fā)。

圍欄封育對鹽池草原植被恢復(fù)起到了重要的促進作用[11]。2011年鹽池牧草生育期降雨量為381.4 mm，是很少有的豐雨年，在此降雨量的前提下，本研究表明：合理的草地植被增加土壤對雨水的蓄積、貯存能力，生育期土壤貯水量增加，但是在干旱的春季、夏初，移栽檸條、直播甘草土壤失墑也是比較厲害的。沙丘地區(qū)土壤含水量基本維持平衡，但也是要增加沙丘植被覆蓋，減少土壤蒸發(fā)。但是在寧夏鹽池地區(qū)，降雨十分有限，十年九旱，常年都是地表蒸發(fā)量大于降雨量，因此植被恢復(fù)時應(yīng)考慮移栽、播種時密度不宜過大，以防止太過茂盛的植被因蒸散消耗了大量的土壤貯存水，造成土壤干化，大片植物因缺水而枯死，土地重新沙化，不利于該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)[12]。國內(nèi)一些學(xué)者也表示并不是封育年限越長，植被恢復(fù)生長效果就越好[13-14]，不同草地類型不應(yīng)該一刀切地都封育禁牧，沙丘地區(qū)應(yīng)該禁牧，增加植被覆蓋，而在天然草場和人工草場，在植被生長茂盛的7月、8月、9月適當(dāng)刈割和放牧，既能減少牧民養(yǎng)殖成本，增加牧民收入，又能減少植被蒸騰，降低土壤水分的消耗，合理調(diào)控牧草植被群落體系，提高草原的利用價值，維持草原的健康可持續(xù)發(fā)展。

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Soil Moisture Budget in Different Types of Grasslands in Yanchi County of Ningxia Arid Zone

LIU Nana1, CHEN Huijuan1, KONG Dejie2,3,4

(1.NingxiaAgriculturalInstituteofSurveyDesign,Yinchuan750002,China; 2.AgriculturalBiotechnologyCenterofNingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan750002,China;3.CollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 4.ResearchCenterofRecycleAgricultureEngineeringandTechnologyofShaanxiProvince,Yangling,Shaanxi712100,China)

Six types of grasslands in Yanchi County of Ningxia arid zone were chosen as the research sites. Soil moisture monitoring in the depths ranging from 0 cm to 100 cm in 6 types grasslands was carried out, and spatial characteristics of soil moisture was analyzed by Surfer software. The total soil moisture storage of different depth was calculated by soil water balance equation, moreover, the change of soil moisture storage and evapotranspiration were analyzed based on the precipitation in the test plots of different grasslands in growing season. The results showed that rainfall and vegetation types were the main reason for soil moisture dynamic variation in different types in Ningxia farming pastoral zone, soil moisture variation of sand dune is more intense, and the coefficient of variation changed a lot in the field of transplantingCaraganakorshinskii, indicating that soil water loss was the highest in the drought condition, and most moisture was maintained under the rainfall. So we should increase vegetation coverage of sand dune, and perform moderate mowing and grazing of eugenic vegetation in order to reduce vegetation evapotranspiration, and to keep the soil water resources to be long-term stable and sustainable.

soil moisture; grassland types; moisture storage; Surfer

2015-08-23

2015-09-13

寧夏回族自治區(qū)科技攻關(guān)項目“寧夏中部地區(qū)植被恢復(fù)與水土資源可持續(xù)利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(KGZ-08-07-09)

劉娜娜(1980—),女,陜西韓城人,碩士,助理工程師,主要從事農(nóng)業(yè)土壤學(xué)研究。E-mail:lnne_mail@sina.com.cn

孔德杰(1982—),男,河南淮陽縣人,碩士,助理研究員,主要從事農(nóng)田水土高效利用研究。E-mail:kdj1982@126.com

S152.7

A

1005-3409(2016)01-0023-06