白羊草與達烏里胡枝子混播草地不同降雨年份土壤水分利用狀況

舒佳禮，王 京，高志娟，陳 吉，丁文利，徐炳成，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)國家重點實驗室，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

半干旱黃土丘陵區(qū)是黃土高原生態(tài)最為脆弱的地區(qū)之一，水分是限制該區(qū)植物生長、分布和植被恢復(fù)最主要的制約因子［1］。多年的研究表明，通過植樹種草恢復(fù)植被是該區(qū)防治水土流失，改善生態(tài)環(huán)境最有效的措施。作為植被建設(shè)的重要組成部分，人工草地不僅具有良好的生態(tài)效益，也是該區(qū)發(fā)展草地畜牧業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在長期的草地建設(shè)過程中，由于過度追求高生物量和不合理的草種配置等，人工草地常因土壤水分過耗出現(xiàn)土壤旱化、早衰等為主要特征的退化現(xiàn)象［2－5］。因此，為保證人工草地建設(shè)和土壤水分利用的可持續(xù)性，正確選擇植被類型、適度發(fā)展草地生產(chǎn)力以高效利用有限降雨，就顯得尤為重要［6］。

豆禾牧草混播后因豆科植物具有生物固氮作用，能夠改善草地土壤質(zhì)量和提高土壤肥力，并提高飼草產(chǎn)量和飼草品質(zhì)以及水分利用效率［6－8］等，使其成為旱區(qū)建設(shè)人工草地的首選類型［9］。但在建立豆禾混播草地時，仍需要考慮豆禾牧草的高產(chǎn)性與穩(wěn)定性、二者間的互利關(guān)系等因素［10］。與外來引進種相比，地帶性鄉(xiāng)土草優(yōu)勢種由于經(jīng)歷長期自然選擇，具有良好的區(qū)域環(huán)境生態(tài)適應(yīng)性與種間兼容性，加強對其生產(chǎn)力與生態(tài)適應(yīng)性研究，對種質(zhì)資源保護和合理開發(fā)利用具有重要意義［11］。在黃土高原半干旱地區(qū)，土壤水分條件的優(yōu)劣是植物生產(chǎn)力高低的重要標(biāo)志，由于植物吸收和利用的土壤水分主要來源于天然降水，因此提高混播草地生產(chǎn)力需要考慮植物本身適應(yīng)性特征和土壤水分條件［12－13］。通過比較不同水文年（豐水年、平水年、干旱年）豆禾牧草混播草地的土壤水分利用特征與差異，對控制草地密度和生產(chǎn)力、提高水資源利用效率、優(yōu)化草種配置等具有重要意義［14］。

白羊草（Bothriochloa ischaemum）和達烏里胡枝子（Leapedeza davurica）為黃土丘陵區(qū)較常見的兩種優(yōu)良鄉(xiāng)土牧草，前者為多年生禾本科植物，后者為多年生豆科草本狀半灌木，均具有耐旱、耐踐踏、固土保水能力強等特性，在維持區(qū)域生態(tài)景觀和水土保持中發(fā)揮著重要作用。本研究主要從不同降雨年份出發(fā)，比較白羊草與達烏里胡枝子不同混播比例下的土壤水分特征，以期為尋求二者合理混播組合比例以及該區(qū)人工草地建設(shè)中鄉(xiāng)土草種合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于陜西省安塞縣中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗站，地理位置為109°19′23″E，36°51′31″N，海拔為1 068～1 309m。氣候?qū)倥瘻貛О敫珊禋夂?，年均溫?.8℃，最冷月1月平均溫度－6.9℃，最熱月7月平均溫度22.6℃，全年≥10℃積溫3 113.9℃，無霜期159d。年平均降雨量540mm，季節(jié)分布不均，其中生長季4—10月占90%左右，干燥度1.14，主要土壤類型為黃綿土。植被屬暖溫帶半干旱森林草原區(qū)，天然植被中以中旱生草本植物群落占絕對優(yōu)勢，其中分布較廣的植物有鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、達烏里胡枝子、白羊草、長芒草（Stipa bungeana）、茭蒿（Artemisia giraldii）等。人工植被以紫花苜蓿（Medicago sativa）、沙打旺（Astragalus Laxmannii）、檸 條 （Caragana korshinskii）、油 松（Pinus tabulaeformis）等為主，其中沙打旺和苜蓿為當(dāng)?shù)厝斯げ莸亟ㄔO(shè)的主要種。

1.2 試驗材料與設(shè)計

試驗材料為白羊草和達烏里胡枝子，種子采自該區(qū)天然草地群落。試驗地位于山地梯田，于2009年7月15日建立。白羊草和達烏里胡枝子混播草地采用條播播種，播種量均為15kg／hm2，行距20cm，東西走向。混播草地采用生態(tài)替代法設(shè)計，即保持種群總行數(shù)不變而改變組成物種行比，按照白羊草（B）和達烏里胡枝子（D）行比共設(shè)置了7種組合比例組合（B0D10，B2D8，B4D6，B5D5，B6D4，B8D2，B10D0，即白羊草與達烏里胡枝子混合比例分別為0∶10，2∶8，4∶6，5∶5，6∶4，8∶2，10∶0），每種比例重復(fù)3次，共21個小區(qū)，小區(qū)面積為3m×3m，完全隨機區(qū)組排列。于2010年4月在每小區(qū)幾何中心處埋設(shè)土壤水分監(jiān)測中子管，深度380cm。試驗期間不施肥，不灌溉，在生長季內(nèi)每月中旬適時清除雜草，每年年底生育期結(jié)束時全部齊地刈割。

1.3 測定項目及方法

土壤體積含水量：采用中子儀（CNC503B，北京核業(yè)超能科技有限公司）測定。其中0—200cm每10cm測定1次，200—380cm每20cm測定1次。從4月返青期至10月枯黃期每月中旬連續(xù)監(jiān)測，根據(jù)中子儀測量值換算成體積含水量。土壤儲水量公式為［3］：

式中：W——土壤儲水量（mm）；VSWC——每層土壤體積含水量（%）；H——土層厚度（cm）；i——土層序數(shù)；n——土層總數(shù)。本試驗中n＝29，土層深度 H1－20為10cm，H21－29為20cm。

由于試驗在山地梯田，草地階段耗水量采用簡化公式計算［15］：

式中：ET——蒸散量（mm）；Wi——生育初期土壤儲水量（mm）；Wi＋1——生育末期土壤儲水量（mm）；R——降水量（mm）。降雨數(shù)據(jù)由安塞站山地氣象觀測場測得。

草地生物量：采用刈割收獲法測定，于生長季末在每個小區(qū)隨機選取0.5m樣草帶，刈割稱取鮮重后于105℃殺青5min，80℃烘干至恒重。根據(jù)各小區(qū)中兩草種組合比例折算單位面積白羊草和達烏里胡枝子總生物量。各草地小區(qū)水分利用效率為地上生物量與年度耗水量之比。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007軟件進行處理，不同組合比例間和年、季間土壤含水量、耗水量、地上部分生物量以及水分利用效率等差異顯著性采用 ANOVA分析（SPSS 11.0，p＝0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長季降雨量

研究區(qū)多年平均降雨量為528.3mm（1971—2004年），其中作物生長季4—10月降雨量呈單峰曲線，峰值在8月，降雨主要集中在7—9月，占全年的60.1%（圖1）。本試驗期間，2011年降雨量為663.4mm，高出多年平均25.6%，為典型豐水年，其中4—10月降雨579.4mm。2012年總降雨量458.2mm，比多年平均少13.3%，為偏旱年份，4—10月降雨為442.8mm。2011和2012年7—9月降雨量分別為431.0和303.4mm，占全年總降雨量的65.0%和66.2%，均高于多年平均值（圖1）。

圖1 2011－2012年生育期降雨量月分布

2.2 土壤水分

2.2.1 土壤儲水量月動態(tài) 2011和2012年的4—6月，各組合比例草地0—380cm土壤儲水量變化趨勢相同，均表現(xiàn)為土壤儲水量隨時間持續(xù)下降。在7—10月，2011年各組合比例草地土壤儲水量整體呈持續(xù)增加，平均每月增加為24.6±1.7mm；2012年7—9月土壤儲水量月增加6.0±1.8mm，10月略微減少（圖2）。2011年，B8D2比例下土壤儲水量始終最低，B6D4和B10D0比例顯著最高（p＜0.05），4—10月平均土壤儲水量高低順序為：B10D0（478.6mm）＞B6D4（474.6mm）＞B5D5（465.6mm）＞B4D6（452.3mm）＞B2D8（450.8mm）＞B0D10（450.6mm）＞B8D2（444.1mm）。2012年，土壤儲水量最低的比例仍為B8D2（493.7mm），最高仍為B6D4（531.9mm）和B10D0（529.6mm）。

圖2 2011和2012年土壤儲水量月動態(tài)

2.2.2 土壤含水量剖面分布 除0—20cm土層外，2011年10月生育期結(jié)束時各層土壤含水量較生育初期（4月）均顯著提高，而2012年整體較低（圖3）。2011年，各組合比例草地生育期前后平均土壤體積含水量變化趨勢基本相同，均表現(xiàn)為土壤表層（0—10cm）及下層（260—380cm）無明顯變化，20—260cm土層土壤體積含水量在10月顯著高于4月，該層生育期內(nèi)（4—10月）降雨補充量占0—380cm土層總補充量的95.1%～99.4%。2012年各組合比例草地生育期前后0—20cm土層土壤體積含水量無明顯變化，20cm以下普遍降低，但不同比例下變化土層不同，其中B0D10，B2D8，B4D6和B5D5比例下土壤含水量明顯降低的土層為30—70和150—360cm；B6D4比例下僅240cm以下土層明顯減少；B8D2比例下整體減少，幅度最大土層為160—360cm；B10D0土壤含水量生育期前后無明顯變化。

2.2.3 土壤水分消耗與補償 2011—2012年生長季期間，各組合比例草地均在8月達到土壤水分最大利用深度（表1）。與2012年同期相比，2011年土壤水分最大利用深度較淺，土壤水分降低量較?。?月除外）。2011年B0D10，B2D8和B8D2組合比例下土壤水分最大利用深度至170—180cm，B4D6，B6D4和B10D0比例下最大利用深度較淺，約為150cm。2011年5—8月，各組合比例土壤儲水量降低量大小順序為：B2D8（52.0mm）＞B0D10（50.7mm）＞B8D2（50.6mm）＞B5D5（48.5mm）＞B4D6（47.3mm）＞B6D4（44.8mm）＞B10D0（42.3mm）。2012年，B0D10和B8D2比例下最大利用深度分別為220和240cm，B6D4和B10D0均為170cm，其他比例均為190cm。2012年5—8月各比例土壤儲水量降低量大小順序為：B8D2（80.4mm）＞B2D8（72.7mm）＞B0D10（69.4mm）＞B5D5（63.4mm）＞B4D6（58.9mm）＞B10D0（58.0mm）＞B6D4（48.2mm）。

圖3 2011和2012年生長季初期與末期土壤體積含水量剖面分布

表1 2011和2012年各組合比例草地土壤含水量降低土層與土壤儲水量降低量

2011—2012年，各組合比例草地的土壤水分均在7月開始得到補償（圖2），補償深度在10月達到最大值，但補償深度及土壤水分增加量因比例不同存在差異（表2）。2011年，各組合比例草地土壤水分最大補償深度順序為：B8D2（320cm）＞B0D10（300cm）＞B2D8（280cm）＞B6D4（280cm）＞B4D6（270cm）＞B5D5（260cm）＞B10D0（260cm），其中B6D4在7和8月土壤水分增加量顯著最高，補償層次分別為0—70和0—110cm，而B8D2在9和10月增加量顯著最高，補償層次分別為80—180和140—320cm。2012年，以B8D2和B6D4比例下土壤水分補償深度最大，分別至240和260cm，其他比例間差異不明顯。

表2 2011和2012年各組合比例草地土壤含水量增加土層與土壤儲水量增加量

2.3 水分利用效率

2011—2012年，除B0D10和B2D8比例間草地地上生物量相對較小且隨年份變化出現(xiàn)顯著差異外，其他比例下草地地上生物量年份間無顯著性差異（表3）。草地耗水量總體以2011年顯著高于2012年，但水分利用效率相反。2a間，水分利用效率較高的比例均為B6D4，B8D2和B10D0，較低的比例均為B2D8和B0D10。整體而言，B6D4和B8D2比例具有高生物量、高耗水量以及高水分利用效率（表3）。

表3 2011和2012年不同組合比例下草地地上部生物量、耗水量與水分利用效率

3 結(jié)論

在半干旱黃土高原地區(qū)，土壤水分主要受降雨、土壤蒸發(fā)和植物蒸騰等因素影響，表現(xiàn)出較明顯的季節(jié)動態(tài)和年份差異［16－17］。大氣降水作為土壤水分的主要來源，直接影響土壤水分含量的高低和時空變化特征［18］。2011與2012年由于降雨季節(jié)性分布的差異，造成植被同一生育期的耗水量存在明顯差異：2011年植被各生育期耗水呈單峰曲線，耗水高峰出現(xiàn)在8月，而2012年植被耗水曲線呈“M”型，耗水高峰在7和9月出現(xiàn)，趨勢與降雨分布基本相同（圖1），即植被生育期耗水量與同期降水量呈顯著正相關(guān)［15］。在降雨、土壤蒸發(fā)和植物蒸騰等因素的綜合影響下，各組合比例土壤水分季節(jié)動態(tài)可分為水分相對穩(wěn)定期（4—5月），水分消耗期（5—6月）和水分補給和波動期（7—10月）。這種變化是2011—2012年降雨量與季節(jié)分配差異以及兩混播草地植物的生長節(jié)律的結(jié)果：在降雨相對較少的4—6月，隨著植物返青后快速生長、耗水量增大，氣溫上升導(dǎo)致地表蒸發(fā)增加等，使得該階段土壤儲水量呈緩慢降低；在降雨集中的7—9月，雖然植物均處生長旺期，耗水量大，但各比例下草地土壤水分均得到不同程度補充。在降水較豐富的2011年，各組合比例草地雨季期間土壤水分都以補充為主，其中以B8D2和B0D10補充深度最大；在降雨較少的2012年，各組合比例草地的土壤水分也得到一定補充，但總體仍低于生育期開始時土壤儲水量。

在不同降水年型下，土壤水分能否得到補給以及補給程度取決于年降水量的大小和分布，其中雨季是半干旱地區(qū)土壤水分的主要補給期，但降水入滲深度一般不超過300cm［13］。2011年，各組合比例下生育期末各比例20—260cm土壤水分補償量占0—380cm總補償量的95%以上，因此雨季富余水分主要下滲補充到20—260cm土層，各比例間土壤水分的差異低于2012年，出現(xiàn)一致性的變化趨勢，主要是由于充沛的降雨補償減小了土壤水分的空間變異［19］。

植物對土壤水分的利用深度往往與其根系的分布深度相一致［4－5］。在混播草地群落中，土壤含水量剖面分布與混播植物的水分生理生態(tài)特征及根系分布密切相關(guān)［20］。有研究表明，在豆禾混播體系中，豆科植物通過生物固氮可促進禾本科植物根系生長，加之相互間的競爭等會擴大根系利用水分的空間，促進植物對下層土壤水分的利用［21］。白羊草為C4須根系禾本科植物，其根系主要分布在0—30cm［22］；達烏里胡枝子為C3直根系豆科植物，根系可達140cm［23］。在相同生長環(huán)境條件下，白羊草的水分利用效率要高于達烏里胡枝子［24］。本試驗結(jié)果顯示，單播白羊草（B10D0）土壤儲水量顯著高于單播達烏里胡枝子（即B0D10）。各混播比例中隨著達烏里胡枝子比例的增加，土壤耗水深度和耗水量增加，這與達烏里胡枝子根系分布深度和耗水量大有關(guān)。除B8D2土壤儲水量相對較低外（圖2），其他各混播群落均表現(xiàn)為白羊草所占比例越大其土壤儲水量越高。

王淑芬等［25］比較研究不同降水年型冬小麥水分利用效率得出，豐水年里隨著耗水量增加，水分利用效率反而下降。本研究中，各組合比例2012年的水分利用效率均要顯著性高于2011年，這主要由于2011年耗水量顯著較高，而生物量與2012年無顯著差異有關(guān)。2a內(nèi)白羊草所占比例較高的混播草地水分利用效率較高。前期的研究表明，盆栽條件下白羊草和達烏里胡枝子雖然表現(xiàn)出激烈的種間競爭，但二者混播仍有明顯的互補效應(yīng)，其中白羊草與達烏里胡枝子在10∶2混播下具有顯著最高的生物量和水分利用效率［26］。自然條件下對混播草地中白羊草光合日變化測定發(fā)現(xiàn)，B6D4與B8D2比例下其光合速率和葉片水分利用效率相對較高［27］。本研究結(jié)果表明，白羊草與達烏里胡枝子混播草地土壤水分消耗和補充與混播比例密切相關(guān)，但主要受年度降雨量及其季節(jié)分配的影響。不同降雨量年份里，白羊草和達烏里胡枝子在B6D4與B8D2兩混播比例下的地上生物量和水分利用效率均顯著較高。

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