寧南黃土丘陵區(qū)坡向、坡位對(duì)苜蓿地土壤含水量時(shí)空變異的影響

潘占兵,余峰,王占軍,李生寶,張?jiān)礉?rùn)

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院,銀川 750002;2.寧夏退耕還林辦公室,銀川 750002)

寧夏地處西北內(nèi)陸干旱帶,全區(qū)現(xiàn)有天然草原244萬(wàn)hm2,占自治區(qū)土地總面積的47.2%。天然草原不僅是畜牧業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),而且對(duì)全區(qū)整體環(huán)境質(zhì)量和黃河中游上段的生態(tài)環(huán)境有著舉足輕重的影響。由于長(zhǎng)期超載過(guò)牧、濫采、亂挖、亂墾等不合理的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng),全區(qū)天然草原退化面積達(dá)到97%。其中,中度退化的草原面積達(dá)97.6萬(wàn)hm2,占 46%;重度退化面積 105.6萬(wàn) hm2,占43.2%。草原生態(tài)環(huán)境的不斷惡化,給農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展造成了極大危害。為了遏制草原退化,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,寧夏自治區(qū)政府以西部大開(kāi)發(fā)為契機(jī),先后實(shí)施了退耕還林還草、退牧還草等工程,累計(jì)完成退耕還林還草面積75.9萬(wàn)hm2,使人工草地面積達(dá)到 53.3萬(wàn)hm2,其中,以紫花苜蓿為主的多年生人工草地面積迅速增加至40萬(wàn)hm2。寧夏實(shí)施退耕還林對(duì)改善生態(tài)環(huán)境和農(nóng)民生產(chǎn)生活條件,促進(jìn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)民致富,加快畜牧業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要作用[1]。

土壤水分是制約黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)與重建的主要限制因子,也是決定土地生產(chǎn)力的一個(gè)重要因素[2],在植被建設(shè)成為西部大開(kāi)發(fā)中心任務(wù)之一的今天,由于樹(shù)、草種選擇及種植密度不當(dāng),多年生人工林草地土壤旱化和肥力下降為主要特征的土壤退化現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,大面積低產(chǎn)、低效甚至死亡林的出現(xiàn),已成為人工林草植被建設(shè)的重大科學(xué)問(wèn)題之一。土地旱化(荒漠化)最終將導(dǎo)致植物群落衰敗和生態(tài)系統(tǒng)的退化,直接威脅到植被的長(zhǎng)期穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮。近年來(lái),干旱、半干旱地區(qū)人工林草地土壤旱化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重,干層厚度不斷增加,從最初的2 m增加到10 m[3],旱作苜蓿地土壤旱化、產(chǎn)量低下等現(xiàn)象已引起了各領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注,很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)黃土高原土壤水分進(jìn)行了大量研究[4-6],但并未對(duì)土壤水分與坡位、坡向之間的關(guān)系等進(jìn)行定量研究。因此,以影響大氣降水再分配的地形為影響因素,對(duì)不同坡向、坡位種植的旱作苜蓿地土壤含水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究,闡明地形對(duì)旱作苜蓿地土壤水分時(shí)空變異分布規(guī)律,這對(duì)恢復(fù)坡面植被、改善坡面生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)隸屬寧夏固原市彭陽(yáng)縣白陽(yáng)鎮(zhèn)中莊村,地理坐標(biāo)在 105°9′-106°58′E,34°14′-37°04′N(xiāo),地貌類(lèi)型屬黃土高原腹地梁峁丘陵地,區(qū)內(nèi)梁峁相間,溝壑縱橫,地形破碎,平均海拔在1 600～1 700 m之間;氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?夏季潮濕炎熱,冬季干燥寒冷,年均氣溫7.5℃,≥10℃的積溫2 500～2 800℃,年平均蒸發(fā)量1 360.6 mm,無(wú)霜期140～160 d。年均降雨量442.7 mm,降水季節(jié)分布很不均勻,且主要集中在7-9月三個(gè)月,占全年降水的60%,而且降水的年際變差系數(shù)較大,雨量集中月份常以暴雨形式出現(xiàn),易發(fā)生局部地區(qū)暴雨洪水,水土流失、土地退化等成為困擾該區(qū)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)民脫貧致富的主要問(wèn)題[7-8]。

2 研究方法

供試材料為7 a生紫花苜蓿,為使試驗(yàn)具有可比性,試驗(yàn)地以坡度相同的東坡、南坡、西坡、北坡,以及上坡、中坡、下坡紫花苜蓿地為研究對(duì)象,以種植馬鈴薯的坡耕地與荒坡地為CK。在2008年3-10月采用時(shí)域反射儀TDR分層(20 cm為一層)動(dòng)態(tài)測(cè)定土壤體積含水量。每月測(cè)定3次,分別為5號(hào) 、15 號(hào)、25 號(hào)。

3 結(jié)果分析

3.1 坡向、坡位對(duì)苜蓿地土壤水分動(dòng)態(tài)變化的影響

在干旱、半干旱區(qū),水分是植物生存、分布和生長(zhǎng)的一個(gè)重要限制因子,是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵因子[9]。土壤水分的損失主要是以蒸散形式存在,它主要受氣溫、太陽(yáng)輻射和風(fēng)速的影響[4]。

圖1 不同坡向苜蓿地土壤含水量月變化

圖2 不同坡位苜蓿地土壤含水量月變化

通過(guò)對(duì)寧南黃土丘陵區(qū)不同坡向、坡位苜蓿地土壤含水量調(diào)查,分析不同坡向、坡位紫花苜蓿地土壤水分的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律發(fā)現(xiàn):苜蓿地土壤含水量的變化受苜蓿生長(zhǎng)耗水及大氣降水影響較大,明顯分為耗水期與補(bǔ)水期。3-7月土壤處于耗水期,隨著苜蓿生長(zhǎng)耗水率增加,加上持續(xù)干旱少雨,土壤含水量不斷降低,土壤水分處于消耗狀態(tài),至7月,土壤含水量達(dá)到最低,此時(shí)苜蓿地土壤旱化最為嚴(yán)重;8月以后屬補(bǔ)水期,隨著大氣降水的增加,以及苜蓿生長(zhǎng)耗水量的減小,苜蓿地土壤水分開(kāi)始得到補(bǔ)給,土壤旱化程度減弱,到10月苜蓿生長(zhǎng)耗水逐漸降低,土壤含水量已恢復(fù)到高于3月時(shí)的土壤含水量。

在相同坡度條件下,由于坡向不同,地面接受太陽(yáng)輻射量不同,從而導(dǎo)致不同坡向地面溫度與土壤蒸發(fā)量不同,通常南坡溫度高于北坡,西坡高于北坡,陰坡土壤含水量明顯高于陽(yáng)坡。東坡、南坡、西坡苜蓿地土壤含水量最高的為西坡(陰坡),生長(zhǎng)季0-180 cm土壤平均含水量為13.8%,其次為南坡苜蓿地,生長(zhǎng)季0-180 cm土壤平均含水量為13.31%,東坡(陽(yáng)坡)苜蓿地土壤含水量最低(12.8%)。

在相同坡度條件下,由于大氣降水受坡面徑流、垂直入滲、側(cè)滲等影響,導(dǎo)致在同一坡面,不同坡位土壤含水量不同。從上、中、下坡0-180 cm平均土壤含水量來(lái)看:在生長(zhǎng)季(3-10月),下坡苜蓿地平均土壤含水量最高,達(dá)到13.69%,中坡次之,平均土壤含水量為13.61%,下坡最低,0-180 cm土壤平均含水量?jī)H為12.29%。

圖3 不同坡向苜蓿地土壤含水量垂直變化

3.2 坡向、坡位對(duì)苜蓿地土壤含水量的垂直變化的影響

3.2.1 坡向?qū)俎５赝寥篮康拇怪弊兓挠绊?半干旱黃土丘陵區(qū)地下水一般埋深達(dá)50～200 m,與近地面土壤水分供應(yīng)層之間隔著一層深厚的包氣帶,植物很難利用。但黃土層深厚疏松,持水性能好,2 m深的土層即能儲(chǔ)存全年的全部降水量,所以,土壤水分是黃土高原地區(qū)一項(xiàng)寶貴的資源,對(duì)于該區(qū)旱地農(nóng)業(yè)和植被生長(zhǎng)具有重要的意義[10]。由于苜蓿根系較深,可以吸收深層土壤水分,加上大氣降水的垂直入滲,入滲補(bǔ)給量越來(lái)越少,從而導(dǎo)致苜蓿地土壤含水量變化復(fù)雜。

從不同坡向苜蓿地土壤含水量垂直變化來(lái)看圖3,各坡向苜蓿地土壤含水量垂直變化規(guī)律相似,均表現(xiàn)為先增大,再減小,再增大的趨勢(shì)。地表(0-20 cm)土壤含水量受蒸發(fā)影響,土壤含水量較低,20-40 cm層較高,隨著土層的變深,各坡向土壤含水量開(kāi)始呈下降的趨勢(shì),80-100 cm層苜蓿地土壤含水量較低,隨著土層的進(jìn)一步加深,土壤含水量呈上升的趨勢(shì)。這說(shuō)明種植苜蓿對(duì)0-100 cm范圍內(nèi)土壤含水量影響最大;從各坡向苜蓿地旱化最為嚴(yán)重的土層深度來(lái)看,陰坡苜蓿地最淺,其次為半陰坡,陽(yáng)坡苜蓿地最深。陰坡苜蓿地土壤旱化最嚴(yán)重的為40-60 cm,土壤含水量為12.94%,陽(yáng)坡苜蓿地土壤旱化最為嚴(yán)重的土層為100-120 cm,土壤含水量為11.5%,半陰坡苜蓿地旱化最為嚴(yán)重的土層為80-100 cm,該層土壤含水量為12.43%,說(shuō)明坡向?qū)俎５赝寥篮坑绊戄^大。各坡向苜蓿地相同層土壤含水量相比,西坡苜蓿地(陰坡)土壤含水量最高,其次為半陰坡,陽(yáng)坡苜蓿地土壤含水量最低。

圖4 不同坡位苜蓿地土壤水分垂直變化

3.2.2 坡位對(duì)苜蓿地土壤含水量垂直變化的影響

從不同坡位苜蓿地0-180 cm土壤含水量下降幅度來(lái)看(圖4)土壤下坡苜蓿地土壤含水量下降趨勢(shì)最為強(qiáng)烈,由表層的17.49%降低至10.93%(180 cm),中坡苜蓿地土壤含水量由表層的16.38%降低至11.73%(180 cm),上坡苜蓿地土壤含水量由表層的14.72%降低至11.04%(180 cm)。受降水再分配影響,降水后,土壤水分因重力作用,由上向下運(yùn)移,從而造成不同坡位苜蓿地土壤水分的不同。從不同坡位苜蓿地同層土壤水分相比:土壤含水量最為活躍的0-100 cm內(nèi),上、中、下坡相同層苜蓿地土壤含水量變化趨勢(shì)呈現(xiàn)上坡＜中坡＜下坡＜CK。這說(shuō)明苜蓿地年均土壤含水量與坡位有關(guān),苜蓿地土壤水分與川地(CK)相比,除表層外,上、中下坡苜蓿地各層土壤含水量均低于川地(CK),說(shuō)明種植苜蓿后土壤出現(xiàn)旱化現(xiàn)象,且坡位越高,土壤旱化越嚴(yán)重。

上述分析表明,坡向、坡位對(duì)苜蓿地土壤含水量均有影響,坡位對(duì)苜蓿地土壤含水量的影響大于坡向,且坡位越高,土壤旱化越嚴(yán)重。苜蓿地土壤水分與坡耕地相比,除表層外,各層土壤含水量均低于坡耕地,這說(shuō)明種植苜蓿會(huì)加劇土壤旱化。

4 結(jié)論

(1)退耕還林還草種植苜蓿不僅增加植被蓋度,改善生態(tài)環(huán)境,緩解天然草場(chǎng)載畜壓力,促進(jìn)生態(tài)自然修復(fù),也為群眾發(fā)展畜牧業(yè)提供了飼草料,保障畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,對(duì)增加農(nóng)民收入具有重要的作用與深遠(yuǎn)的歷史意義。

(2)寧南山區(qū)種植苜蓿,在一定程度上加劇了土壤旱化,土壤旱化程度明顯分為補(bǔ)水期與耗水期。從不同坡向與坡位種植的苜蓿地土壤水分月變化差異差異較大,3-7月屬于耗水期,土壤含水量不斷降低,7月土壤旱化最為嚴(yán)重;8-10月屬于補(bǔ)水期,隨著降水的增加,土壤含水量開(kāi)始得到補(bǔ)充,土壤旱化程度減弱。

(3)苜蓿年生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi),不同坡向苜蓿地土壤含水量均發(fā)生了變化,東、南、西三個(gè)坡向種植的苜蓿地土壤含水量最高的為西坡(陰坡),0-180 cm土壤平均含水量為13.8%,次為南坡苜蓿地,東坡(陽(yáng)坡)苜蓿地土壤含水量最低(12.8%)。各坡向苜蓿地旱化最為嚴(yán)重的土層深度也不同,陰坡苜蓿地土壤旱化最嚴(yán)重的為40-60 cm,土壤含水量為12.94%,陽(yáng)坡苜蓿地土壤旱化最為嚴(yán)重的土層為100-120 cm,土壤含水量為11.5%,半陰坡苜蓿地旱化最為嚴(yán)重的土層為80-100 cm,該層土壤含水量為12.43%。

(4)受降水再分配影響,上、中、下坡 0-180 cm平均土壤含水量變化趨勢(shì)為:下坡(13.69%)＞中坡(13.61%)＞上坡(12.29%)。下坡苜蓿地土壤含水量下降趨勢(shì)最為強(qiáng)烈,由表層的17.49%降低至10.93%(180 cm層),中坡苜蓿地土壤含水量由表層的16.38%降低至11.73%(180 cm層),上坡苜蓿地土壤含水量由表層的14.72%降低至11.04%(180 cm層)。土壤含水量最為活躍的0-100 cm內(nèi),上、中、下坡相同層苜蓿地土壤含水量變化趨勢(shì)呈現(xiàn)上坡＜中坡＜下坡＜CK。這說(shuō)明種植苜蓿后土壤出現(xiàn)旱化現(xiàn)象,且坡位越高,土壤旱化越嚴(yán)重。

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