黃土區(qū)退耕草地凋落物－土壤界面水分過程特征研究

王 冬，楊 政，郝紅敏，武高林，朱元駿，史志華

（1.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊陵712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊陵712100）

近年來，隨著“退耕還林（草）”和“天然林保護(hù)”等重大生態(tài)工程在黃土高原的實(shí)施，水土流失得到有效控制，該區(qū)植被恢復(fù)對(duì)全球生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了正效應(yīng)。黃土高原地區(qū)是實(shí)施退耕最早的地區(qū)，植被恢復(fù)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，其核心是生物量的蓄積、覆蓋和轉(zhuǎn)化促進(jìn)的土壤水分和養(yǎng)分的改善［1］。凋落物數(shù)量動(dòng)態(tài)、化學(xué)性質(zhì)和水分特征反映著不同生態(tài)系統(tǒng)間的差別和動(dòng)態(tài)特征。凋落物的水分特征直接關(guān)系到植被恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)水文過程及水文生態(tài)功能，對(duì)其研究有助于深入了解凋落物增加土壤團(tuán)聚體，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低雨滴對(duì)地面的擊濺程度、延緩地表徑流，增加土壤入滲、抑制土壤蒸發(fā)等水文生態(tài)效應(yīng)［2］。凋落物的厚度和蓋度是控制不同植被格局水文特征的主要因子，在一定的時(shí)期內(nèi)，凋落物的厚度和累積量隨著退耕年限的增加而增加［3］。

蒸發(fā)蒸騰作為區(qū)域水量平衡和能量平衡的主要成分，不僅在水循環(huán)和能量循環(huán)過程中具有極其重要的作用，而且也是生態(tài)過程與水文過程的重要紐帶［4］。土壤蒸發(fā)是主要的水分耗散過程之一，其量值受到生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響下的微氣象條件、土壤含水量和凋落物厚度的影響。王鵬程等［5］通過凋落物浸水試驗(yàn)研究凋落物最大持水量評(píng)價(jià)凋落物的水文效應(yīng)。Sato等［6］研究發(fā)現(xiàn)，凋落物的最大持水量與降雨強(qiáng)度及凋落物組成具有相關(guān)關(guān)系。Li等［7］對(duì)針葉及闊葉凋落物在不同雨強(qiáng)及不同質(zhì)量下的凋落物持水量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，凋落物存在最大與最小儲(chǔ)水量，其差值對(duì)降雨后的蒸發(fā)有顯著影響。已有關(guān)于凋落物的水文效應(yīng)研究主要集中在森林凋落物持水能力，而對(duì)草地凋落物抑制蒸發(fā)的研究較少，尤其是對(duì)半干旱區(qū)黃土高原不同退耕年限草地凋落物的研究尚未見報(bào)道。

本文的目的是在黃土高原溝壑區(qū)，以空間序列代時(shí)間變化序列，通過室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，研究不同質(zhì)量凋落物減緩徑流及抑制土壤蒸發(fā)的作用。比較相同時(shí)段內(nèi)累計(jì)蒸發(fā)量和累計(jì)蒸發(fā)量占總持水量的比例，確定年限凋落物覆蓋的保水效果；研究凋落物覆蓋下表層土壤蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程；對(duì)不同凋落物覆蓋條件下土壤蒸發(fā)過程進(jìn)行比較分析。在干旱、半干旱地區(qū)，水分是植被恢復(fù)與重建的主要限制因子，本文以期從凋落物水分保持效應(yīng)的角度來研究植被恢復(fù)對(duì)土壤水分的影響，從而為黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

樣地選擇在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站的王東溝小流域，該流域是黃土高原溝壑區(qū)的典型代表，塬面和溝壑各占35%和65%。位于陜西省長(zhǎng)武縣洪家鄉(xiāng)王東溝村，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度9.2℃，年平均降水量582.3 mm，其中約55%集中在7—9月，無霜期171d。該區(qū)土壤屬黑壚土，母質(zhì)是中壤質(zhì)馬蘭黃土，全剖面土質(zhì)均勻疏松，通透性好，全剖面土質(zhì)均勻疏松，穩(wěn)定入滲率為1.35mm／min。田間持水量為21%～23.8%，萎蔫濕度為9%～12%。該區(qū)自然植被多為人工林草植被，林地物種主要有刺槐（Robinia pseudoacacia）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、草地物種主要有冰草（Agropyron cristatum）、鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、胡枝子（Lespedeza bicolor）等。但20世紀(jì)80年代以來，部分刺槐林地遭到人為砍伐破壞而逐漸變?yōu)榛牟莸兀ㄏ∈璐袒绷值兀?，主要物種包括冰草（Agropyron cristatum）、鐵 桿 蒿 （Artemisia sacrorum）、異燕麥（Helictotrichon schellianum）、纖毛鵝冠草（Roegneria ciliaris）、蛇莓（Duchesnea indica）、野菊花（Flos chrysanthemi）等［8］。

2 材料方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從王東溝小流域溝坡選取退耕5a，15a，30a的草地和對(duì)照農(nóng)田作為研究對(duì)象，測(cè)量凋落物厚度；用環(huán)刀取表層0—5cm容重，室內(nèi)用烘箱在105℃下，烘至恒重；按照15cm×20cm取土體以上枯落物及半分解層樣，并取0—5cm表土室內(nèi)風(fēng)干。樣地概況見表1。

表1 樣地及凋落物特征

在室內(nèi)，按照室外容重填充土槽。選取鋁盤作土槽裝土樣及凋落物樣。參照Sato等［6］和Li等［7］的方法，采用大小為20cm×15cm×7cm（長(zhǎng)×寬×高）的鋁盤，鋁盤底部按照2cm×2cm間隔布置0.2 cm直徑孔隙，在其上部墊層紗布。根據(jù)測(cè)定值表層容重?zé)o顯著差異，室內(nèi)按照1.1g／cm3的容重填充5 cm土壤，將野外取好的半分解層及枯落物均勻平鋪。然后在5cm處鉆孔保證徑流，示意圖見圖1。

2.2 試驗(yàn)過程

按照陳杰等對(duì)長(zhǎng)武1957—2006年日降水量資料分析得出，該區(qū)侵蝕性降雨以降雨量小于30mm較多，同時(shí)以短歷時(shí)30min內(nèi)降雨為主［9］。在模擬降雨過程，選取降雨強(qiáng)度為60mm／h的雨強(qiáng)，降雨30 min。唐克麗等［10］提出黃土高原地區(qū)的退耕坡度為25°，以此確定降雨過程中土槽放置坡度為25°。

圖1 蒸發(fā)器橫剖面示意圖

依據(jù)野外退耕5a，15a，30a的草地凋落物覆蓋特征，設(shè)3個(gè)凋落物處理水平，以裸地為對(duì)照，重復(fù)3個(gè)，共12個(gè)土槽，其中對(duì)照只填土，無凋落物及半分解層。

降雨前期稱取土槽總重為W1（g），降雨過程中記錄產(chǎn)流時(shí)間為t。在降雨結(jié)束后t時(shí)刻分別稱取土槽質(zhì)量，記為Wi，i＝0，0.5，1，2，3，4，5，6，7，8，10，12，24，36，48，72h，其中W0表示降雨結(jié)束后稱重。

土體及地上凋落物總降雨持水量為W，t時(shí)刻持水量為Wt。二者計(jì)算公式如下：

降雨結(jié)束后不同時(shí)間累積蒸發(fā)量記為Et。t時(shí)刻累積蒸發(fā)量占總凋落物降雨持水量W的百分比記為At。

朱元俊等［11］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤水分累積蒸發(fā)率隨時(shí)間呈指數(shù)降低趨勢(shì)，本文選取指數(shù)模型預(yù)測(cè)t時(shí)刻土體保水量：

t時(shí)刻土體累積蒸發(fā)速率由下式計(jì)算得出：

72h后，去除凋落物，在105℃溫度下烘至恒重，計(jì)算試驗(yàn)?zāi)┢谕寥篮俊?/p>

2.3 數(shù)據(jù)處理

本論文所有的數(shù)據(jù)處理使用SPSS 12.0進(jìn)行分析。單因素方差分析使用Tukey′s HSD檢驗(yàn)，比較不同處理間降雨持水量、累積蒸發(fā)量、單位時(shí)間蒸發(fā)量比重的差異。使用Sigmaplot 10.0畫圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)流時(shí)間及持水量

不同草地凋落物層在模擬降雨條件下的產(chǎn)流時(shí)間不同，最早產(chǎn)流的是對(duì)照蒸發(fā)器，2′35″開始產(chǎn)流，接下來為退耕5a草地蒸發(fā)器產(chǎn)流，退耕30a蒸發(fā)器在降雨30′后無明顯產(chǎn)流（表2）。降雨產(chǎn)流時(shí)間主要取決于降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、坡度及地表覆蓋等的相互作用［12］。凋落物由于具有較多的微孔隙，微孔隙具有較強(qiáng)固持水分的能力，從而凋落物層能延緩徑流，推遲徑流時(shí)間，且隨著凋落物質(zhì)量的提高，延緩徑流效果越明顯。

對(duì)比降雨前后蒸發(fā)器質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)不同處理間持水量存在顯著差異（F3，8＝41.52，P＜0.001），有無凋落物覆蓋存在顯著差異，對(duì)照蒸發(fā)器持水量?jī)H為348.33g，此時(shí)土壤含水量為23.2%，為土壤田間持水量。隨著退耕年限的增加，凋落物量及持水量增加，退耕30a草地持水量最大為741.00g。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中土槽底部有小孔，試驗(yàn)中土體部分含水量近似為田間持水量。與對(duì)照相比，具有凋落物處理持水量增加67%～113%。

表2 不同樣地模擬降雨產(chǎn)流時(shí)間及降雨持水量

圖2為凋落物與凋落物部分持水量的回歸曲線，可以看出，凋落物持水量與凋落物質(zhì)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。已有研究表明植物凋落物質(zhì)量、稻草覆蓋、砂石覆蓋等可以降低地表徑流，減少土壤流失量，增加入滲，與本研究結(jié)果相似［13－14］。隨著凋落物質(zhì)量顯著提高，凋落物層能夠通過儲(chǔ)水蓄水作用來延緩產(chǎn)流時(shí)間而延長(zhǎng)降雨入滲時(shí)間。在黃土高原高原溝壑區(qū)耕地退耕還草后，凋落物增加能顯著提高地表含水量。

3.2 凋落物持水能力

圖3為各處理持水量隨降雨后時(shí)間變化。試驗(yàn)表明，不同處理降雨后72h內(nèi)，持水量符合指數(shù)分布。24h，對(duì)照蒸發(fā)器持水量減少約168g水分，占總持水量的48.41%，而 R5，R15，R30分別減少111，133，133g。蒸發(fā)器持水量第一天減少對(duì)照比具有凋落物覆蓋多30%左右。劉廣全等［15］研究凋落物在生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中的功能，發(fā)現(xiàn)覆蓋可以有效抑制土壤蒸發(fā)，地面蒸發(fā)量及蒸發(fā)率無凋落物覆蓋大于有凋落物覆蓋，覆蓋處理比對(duì)照少10%～40.4%的蒸發(fā)量，與本研究結(jié)果在蒸發(fā)前期相似。覆蓋可使地面層顯熱通量增大，潛熱通量和土壤熱通量均明顯減小，而使土壤蒸發(fā)受限。在24h內(nèi)，累積蒸發(fā)量隨著退耕年限及凋落物含量的增加，累積蒸發(fā)量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，在72h內(nèi)，累積蒸發(fā)量隨著凋落物的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，累積蒸發(fā)72h，對(duì)照持水量減少約268g，R5，R15，R30分別減少293，292，297g，有覆蓋處理72h累積減少量反而比對(duì)照多。主要由于凋落物含量的增加持水能力增加，供給蒸發(fā)的能力增加；土壤蒸發(fā)速率決定于大氣的蒸發(fā)能力與土壤潛在的蒸發(fā)能力，土壤潛在蒸發(fā)能力決定于土壤中含水量大小及其分布，凋落物層增加了界面水分含量。

圖2 凋落物質(zhì)量與凋落物蓄水量回歸曲線

圖3 不同處理保水量變化

從圖4中可以看出，72h土壤水分累積蒸發(fā)率隨時(shí)間呈指數(shù)降低趨勢(shì)。不同處理的土壤水分蒸發(fā)率在0～12h維持較高水平（＞6mm／h），此后急速降低。在12h后，不同處理的土壤水分蒸發(fā)率均降低到5mm／h以下。對(duì)比不同凋落物含量的土壤，可以看出試驗(yàn)期間土壤水分蒸發(fā)率差別不大，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能在于：在蒸發(fā)的初始階段，由于土壤含水率均很高，凋落物對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用未表現(xiàn)出來；當(dāng)蒸發(fā)到一定階段后，對(duì)照土壤含水量較低從而可供蒸發(fā)能力下降，蒸發(fā)速率降低；而有凋落物處理凋落物對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用表現(xiàn)出來，因而凋落物處理具有較高含水量而沒有顯著高于對(duì)照的蒸發(fā)速率。原翠萍等［16］研究礫石覆蓋能明顯改變土壤蒸發(fā)過程，覆蓋條件下的土壤蒸發(fā)與裸土相比不僅降低而且更加平穩(wěn)。本研究表明不同處理間蒸發(fā)過程都較平穩(wěn)，可能與本研究的時(shí)間尺度有關(guān)，本研究時(shí)間較短，未能表現(xiàn)出凋落物處理與對(duì)照的差異。

3.3 抑制土壤蒸發(fā)作用

72h后，對(duì)照處理累積蒸發(fā)量占到降雨持水量的79.6%，而具有凋落物覆蓋的蒸發(fā)量?jī)H占降雨持水量的40.1%～49.9%（圖5），對(duì)照與具有凋落物覆蓋處理間存在顯著差異（F3，8＝74.07，P＜0.000 1）。在72h后，不同凋落物間也存在顯著差異，累積蒸發(fā)量占降雨總持水量隨著凋落物的增加而逐漸減少，退耕5a凋落物覆蓋處理蒸發(fā)量占降雨持水量的49.9%，而退耕30a草地地上凋落物覆蓋處理僅占40.1%。累積蒸發(fā)量占總持水量的比例隨著退耕年限的增加而降低，退耕年限的增加即凋落物的增加有助于降低蒸發(fā)比例。隨著蒸發(fā)時(shí)間的增加，凋落物質(zhì)量多少延緩蒸發(fā)的效應(yīng)顯現(xiàn)出來，凋落物覆蓋的退耕草地可以降低蒸發(fā)比例。

圖4 累計(jì)蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化

圖5 累計(jì)蒸發(fā)量占降雨持水量比例及土壤含水量

圖5顯示72h后4個(gè)處理土壤含水量也存在顯著差異（F3，8＝199.39，P＜0.000 1），隨著凋落物質(zhì)量的增加表層土體含水量顯著提高。這主要由于，凋落物自身含水較多，蒸發(fā)過程中先蒸發(fā)了自身含水，延緩了土壤水分的蒸發(fā)。凋落物能保持土體高含水量，其作為土壤與大氣間的隔離層，在涵養(yǎng)水源和保持水土過程中起到正作用，延緩了蒸發(fā)并降低了蒸發(fā)速率［17－18］。在半干旱區(qū)由于氣候干燥，降雨后，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤含水量下降很快，難以滿足作物生長(zhǎng)的需要，凋落物層可以使表土層保持較高含水量，在后期開展植被重建，可以覆蓋凋落物來提高成活率。

4 結(jié) 論

凋落物對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響主要表現(xiàn)在以下方面：（1）凋落物延緩了徑流，增加了表層土體持水量；（2）凋落物層自身吸收的水分，先蒸發(fā)了凋落物層的水分，導(dǎo)致參與蒸發(fā)的土體水分在時(shí)間尺度上有所延緩；（3）凋落物層作為地表覆蓋，避免了土體與大氣的直接接觸、陽(yáng)光的直接照射及大風(fēng)運(yùn)動(dòng)的接觸，降低了土層水分的擴(kuò)散蒸發(fā)速率，最終促進(jìn)凋落物下層土壤的持水性和含水量的改善，涵養(yǎng)了水源。在本試驗(yàn)條件下，凋落物層在一定程度上能延緩徑流的產(chǎn)生，顯著延緩地表蒸發(fā)和增加表層土體持水量。不同退耕年限草地通過增加凋落物質(zhì)量和厚度改變了地表水文交換過程，通過增加凋落物層抑制土壤蒸發(fā)、增加地表土壤含水量，進(jìn)而改善植被—土壤界面水文過程。

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