半干旱黃土丘陵山地不同地面覆蓋下的土壤水分響應(yīng)

何婷婷　汪有科　史志鵬

摘要：為了探索黃土丘陵山地不同覆蓋措施下的土壤水分變化，在陜北米脂山地建立野外大型土柱，土柱表層覆蓋有早熟禾、苜蓿、檸條、棗樹、刺槐5種植被和石子、樹枝、白膜、黑膜地布4種非植被以及裸地，共10個(gè)處理，研究各覆蓋措施10 m土層土壤含水率的全年變化和垂直變化。2017—2018年觀測(cè)結(jié)果分析得出：植被覆蓋中，土壤含水率早熟禾最高，刺槐最低。裸地受降雨補(bǔ)給明顯，11月下旬土壤儲(chǔ)水量增加277.2 mm，為該地區(qū)同時(shí)期降雨量的3.85倍。非植被覆蓋全年土壤含水率均高于裸地，從大到小依次為白膜>黑膜地布>石子>樹枝。各處理0～0.6 m土層土壤含水率全年變化較大，土壤含水率在植物休眠期隨時(shí)間變化規(guī)律表現(xiàn)為倒“U”形。0.6～2.6 m土層土壤含水率變化幅度小，受降雨影響小，2.6～6 m土層白膜覆蓋土壤含水率最高，刺槐含水率最低，平均值為5.77%，接近棗樹的凋萎系數(shù)。6～10 m土層土壤含水率不受當(dāng)年降雨影響。相對(duì)于裸地，白膜覆蓋土壤水分蓄積效果最好，刺槐水分虧缺最嚴(yán)重。采用非植被覆蓋對(duì)于淺層土壤水分蒸發(fā)的抑制作用明顯。采用石子、樹枝和薄膜覆蓋，能增加表層土壤含水率，其中白膜比黑膜對(duì)土壤干層的修復(fù)效果更好;生育期，各生草覆蓋和棗樹自身生長(zhǎng)需要消耗大量水分，土壤水分長(zhǎng)期處于虧損狀態(tài);非植被覆蓋2.6～6 m土層，白膜覆蓋土壤儲(chǔ)水量增加了156.34 mm，降雨利用率達(dá)到49.5%。休眠期，生草覆蓋、棗樹和裸地的降雨入滲深度均達(dá)到2.6 m，休眠期是土壤水分消耗的關(guān)鍵時(shí)期，黑膜覆蓋冬季保水效果較白膜覆蓋好。

關(guān)鍵詞：半干旱;丘陵山地;覆蓋;土壤水分;土壤干層

中圖分類號(hào)： S152.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）19-0246-09

收稿日期：2018-07-09

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2015BAC01B03）;江蘇省住建廳項(xiàng)目（編號(hào)：2017ZD218）;江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（編號(hào)：JYQZ18-01）;江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)教育科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：ZX2018-19）。

作者簡(jiǎn)介：何婷婷（1985—），女，陜西武功人，碩士研究生，講師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail：htt821002@126.com。

陜北地區(qū)屬于典型的半干旱氣候區(qū)，干旱缺水與水土流失一直是制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素[1-3]，退耕還林（草）以后，植被的參與使得降雨入滲、土壤蒸發(fā)和地表徑流等都發(fā)生了重大變化，棗樹以其獨(dú)特的耐旱性和地形適應(yīng)性成為了當(dāng)?shù)氐闹饕?jīng)濟(jì)樹種[4-5]，然而由于陜北地區(qū)大多為丘陵溝壑地貌，加之棗樹根系較深，耗水量大，使得該地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的土壤干化現(xiàn)象[6-8]，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)貤棙涞恼ＩL(zhǎng)和棗果產(chǎn)量，利用工程措施提高雨水利用效率對(duì)于旱作區(qū)棗林的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[9-10]，近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過研究該地區(qū)不同植被種植類型下的土壤水分分布，分析該地區(qū)的土壤干化影響因素，提出了基于雨水高效利用的一系列措施，取得了良好的效果[11-17]。

土壤水分作為土壤-植物-大氣連續(xù)體的重要組成部分，不僅直接影響著植物的正常生長(zhǎng)，而且對(duì)半干旱地區(qū)的植被分布和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[18]。地表覆蓋技術(shù)能夠有效增加土壤水分，提高雨水利用效率，是一種半干旱和干旱地區(qū)廣泛應(yīng)用的保墑措施，該技術(shù)自上世紀(jì)70年代引入我國后，在旱作農(nóng)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被成功用于干旱和半干旱地區(qū)的小麥[19-22]、玉米[23-25]、大棚蔬菜[26-28]以及果樹[29-32]上。大量研究表明，地表覆蓋不僅能有效增加土壤儲(chǔ)水量，減少土壤養(yǎng)分流失，改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤水肥、氣熱狀況，并且在冬季能實(shí)現(xiàn)地表保溫，具有很好的生態(tài)效益，對(duì)果樹的產(chǎn)量和品質(zhì)改善方面也有積極的作用[33-34]。常用的地表覆蓋物有秸稈、地膜、樹枝和生草[35-37]，目前關(guān)于地表覆蓋保墑的研究大多集中在覆蓋措施對(duì)土壤水熱狀況、蒸騰作用、根系分布和對(duì)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[38-40]上，而且研究大多選用秸稈和地膜等地表覆蓋物。將現(xiàn)有的各類地表覆蓋措施結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w情況進(jìn)行系統(tǒng)研究的報(bào)道較少，本研究結(jié)合陜北米脂地區(qū)實(shí)際情況，選擇各類植被和非植被覆蓋措施，在已有干化土壤的基礎(chǔ)上，對(duì)于各覆蓋條件下的土壤水分時(shí)間和空間變異性進(jìn)行連續(xù)2年的系統(tǒng)觀測(cè)和分析，研究各類覆蓋措施對(duì)于當(dāng)?shù)赝寥栏蓪拥幕謴?fù)情況，為陜北地區(qū)的土壤干層恢復(fù)篩選適宜的地表覆蓋方式，也為當(dāng)?shù)赜牮B(yǎng)植物的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年4月至2018年6月在陜北榆林米脂試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)基地位于米脂縣遠(yuǎn)志山（109.47°E，37.18°N），為黃土高原丘陵溝壑區(qū)，平均海拔1 049 m，坡度21°～39°，年平均氣溫8.5 ℃，晝夜溫差大，屬于典型的半干旱氣候。年平均日照時(shí)長(zhǎng)2 372.7 h，無霜期160 d，年平均降水量為 452 mm，最大降雨量704.8 mm，最小186.1 mm，降雨年際浮動(dòng)大且年內(nèi)分配不均勻，該區(qū)土壤為黃綿土，透水性強(qiáng)，土壤容重1.29～1.35 g/cm3，田間持水量23.4%，土壤飽和含水率39.8%，pH值8.6，地下水埋深超過50 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用野外大型土柱，選擇一片寬闊水平階地，人工開挖19個(gè)直徑80 cm、深1 000 cm的大型土柱，土柱內(nèi)壁采用防水塑料膜與周圍土層隔開以避免土柱內(nèi)水分向周圍擴(kuò)散或周圍植物根系影響土柱水分，土柱高出地面15 cm，采用混凝土井圈防止降雨后產(chǎn)流，相鄰?fù)林g距為1.6 m，采用分層回填土人工壓實(shí)形成，回填土容重（1.2±0.14） g/cm3，與周圍土壤大體一致，19個(gè)土柱分別采用早熟禾、苜蓿、刺槐、檸條、棗樹5種植被覆蓋和樹枝、石子、白膜、黑膜4種非植被覆蓋以及清耕共10個(gè)處理，清耕1個(gè)重復(fù)，其余處理各2個(gè)重復(fù)（圖1），各處理的具體設(shè)計(jì)見表1。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與指標(biāo)計(jì)算

1.3.1 氣象數(shù)據(jù)

利用試驗(yàn)樣地的小型綜合氣象觀測(cè)站（BLJW-4）測(cè)定氣象數(shù)據(jù)，利用溫度和濕度傳感器測(cè)定試驗(yàn)地環(huán)境溫度和濕度，利用風(fēng)速儀和凈輻射傳感器測(cè)定風(fēng)速和凈輻射量，利用翻斗式雨量筒測(cè)定降雨量，所有氣象數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集器每30 min采集1次。

1.3.2 土壤水分測(cè)定

土壤水分測(cè)定包括中子儀測(cè)定和自動(dòng)監(jiān)測(cè)2種。

中子儀測(cè)定：每個(gè)土柱中間埋設(shè)1根長(zhǎng)10 m的TRIME-IPH/T3土壤剖面含水率測(cè)量?jī)x鋁制中子管，采用CNC-503DR型中子儀每隔10 d定位監(jiān)測(cè)不同深度土壤含水率，電磁感應(yīng)探頭沿土壤深度每隔20 cm設(shè)置1個(gè)，監(jiān)測(cè)土柱10 m內(nèi)的土壤水分，每3個(gè)月對(duì)中子儀校正1次。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)：在清耕土柱內(nèi)和周圍農(nóng)地上為了增加土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，設(shè)置cs650型土壤水分探頭，實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤水分，探頭測(cè)量范圍5%～50%體積含水率（VWC），精確度為±3% VWC。土柱內(nèi)按照上密下疏的原則共布設(shè)30個(gè)土壤水分探頭;在0～1 m土層深度內(nèi)每隔0.1 m設(shè)置1個(gè)探頭，1～3 m土層深度內(nèi)每隔0.2 m設(shè)置1個(gè)探頭，3～6 m 土層深度內(nèi)每隔0.5 m設(shè)置1個(gè)探頭，6～10 m土層深度內(nèi)每隔1 m設(shè)置1個(gè)探頭，CR1000數(shù)據(jù)采集器每隔30 min自動(dòng)記錄1次數(shù)據(jù)。

1.3.3 指標(biāo)計(jì)算

土壤含水量計(jì)算公式如下：

C=VWC/ρ。（1）

土壤儲(chǔ)水量計(jì)算公式如下：

E=C×ρ×H×10。（2）

式中：C表示土壤質(zhì)量含水率，%;E表示土壤儲(chǔ)水量，mm;VWC表示土壤體積含水量，cm3/cm3;ρ表示土壤容重，g/cm3;H表示土層深度，cm。

土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)（compared soil water deficit index，簡(jiǎn)稱CSWDI），用以評(píng)價(jià)各個(gè)處理不同土層土壤水分相對(duì)虧缺程度[40]，其計(jì)算公式如下：

CSWDIi=CPi-SMiCPi-WM。（3）

式中：CSWDIi為不同覆蓋第i土層土壤水分相對(duì)虧缺值;i為采樣土層系列;CPi為對(duì)照樣地即裸地第i層土壤含水率，%;SMi為不同覆蓋措施土柱第i層土壤含水率，%;WM為凋萎系數(shù)，%。

不同覆蓋土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)（plot compared soil water deficit index，簡(jiǎn)稱 ）[40]計(jì)算公式如下：

PCSWDI=∑ki=1SWCcpi-SWSiSWScpi-SWSwmk。（4）

式中：PCSWDI為樣地土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù);SWScpi為對(duì)照樣地即裸地第i層土壤儲(chǔ)水量，mm;SWSi為樣地第i土層土壤儲(chǔ)水量，mm;SWSwm為凋萎系數(shù)對(duì)應(yīng)的土壤儲(chǔ)水量，mm;k為樣地土層的分層數(shù)。

土壤水分相對(duì)虧缺量（deficit soil water storage，簡(jiǎn)稱 ）[40]計(jì)算公式如下：

DSWS=∑ki=1SWScpi-∑ki=1SWSi。（5）

式中：SWScpi為對(duì)照地第i土層土壤儲(chǔ)水量，mm;SWSi為樣地第i土層土壤儲(chǔ)水量，mm。

變異系數(shù)計(jì)算公式如下：

CV=σEx;（6）

σ=1n∑ni=1（xi-Ex）2。（7）

式中：σ為土壤含水率樣本觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差：Ex為平均值;xi為每個(gè)樣本的土壤含水率;n為樣本個(gè)數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和繪圖

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 21.0進(jìn)行，繪圖采用sigmaplot 12.5進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象資料分析

圖2為試驗(yàn)地2年平均氣溫、降雨量和相對(duì)濕度的年內(nèi)變化，可以看出，試驗(yàn)地氣溫和降雨具有年際變化，降雨集中在5—11月，降雨總量為359.8 mm，為全年降雨總量的 89.7%，最大降雨量出現(xiàn)在9月份，為89.2 mm;平均氣溫年內(nèi)波動(dòng)較大，最高溫度出現(xiàn)在7月上旬，為35.6 ℃，最低溫度出現(xiàn)在1月下旬，為-8.9 ℃，該地區(qū)2017年12月至2018年2月最低氣溫低于0 ℃，為凍土?xí)r間段;相對(duì)濕度受降雨和風(fēng)速等氣象因子影響，全年波動(dòng)較大，只在凍土?xí)r間段表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的較低值，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)段本地區(qū)降雨較少，空氣干燥，加之凍土的影響使得蒸發(fā)較少，因此環(huán)境相對(duì)濕度也比較低。

2.2 不同覆蓋下土壤水分年際變化

2.2.1 植被覆蓋下土柱土壤含水率年際變化

選擇早熟禾、苜蓿、檸條、刺槐、棗樹覆蓋和裸地為研究對(duì)象。由圖3可以看出，所有處理的土壤含水率從2017年4月至11月有明顯的下降，其中苜蓿覆蓋的土壤含水率從14.3%降低到 6.65%，降低了7.65百分點(diǎn)，降低最為明顯;檸條、棗樹和對(duì)照分別從11.8%、10.6%、10.7%下降到7.45%、8.4%和6.0%，分別降低了4.35、2.2、4.7百分點(diǎn)。相比之下，早熟禾和刺槐變化較小，只下降了0.4和1.5百分點(diǎn)。6種處理相比較，早熟禾全年土壤含水率最高，刺槐最低，并且刺槐初始土壤含水率也最低，其原因主要是因?yàn)榇嗽囼?yàn)布設(shè)于2012年初，至2017年試驗(yàn)已布設(shè)5年多，所以各個(gè)處理初始土壤含水率并不一致，說明長(zhǎng)期種植早熟禾能夠明顯提高土壤平均含水率，而長(zhǎng)期種植刺槐則對(duì)土壤水分消耗較大。該地區(qū)2017年11月累計(jì)降雨72 mm，各處理土壤含水率在11月下旬均增加，其中裸地土壤含水率增加了2.2百分點(diǎn)，10 m土層土壤儲(chǔ)水量增加了277.2 mm，相當(dāng)于同時(shí)期降雨的3.85倍，這主要是由于對(duì)照表面沒有覆蓋，土壤水分受降雨補(bǔ)給明顯，因此土壤儲(chǔ)水量增加也最多。綜合圖3可以看出，相比裸地，采用早熟禾、苜蓿、檸條和棗樹覆蓋可以增加土壤含水量，達(dá)到覆蓋保墑的目的，而長(zhǎng)期種植早熟禾效果更好。

2.2.2 非植被覆蓋下的土壤含水率年內(nèi)變化

選擇石子、樹枝、白膜、黑膜和裸地為研究對(duì)象，分析各個(gè)處理10 m土層內(nèi)土壤含水率年內(nèi)變化。由圖4可知，采用非植被覆蓋土壤全年含水率均高于裸地，其中白膜覆蓋土壤含水率最高，黑膜地布次之，石子和樹枝覆蓋的土壤含水率較低。石子覆蓋、樹枝覆蓋和裸地土壤含水率從2017年4月開始有輕微下降，至11月末分別下降了0.1、1.9、4.7百分點(diǎn)，這和圖3中苜蓿、棗樹、檸條等生草覆蓋的規(guī)律基本一致;黑膜地布和白膜覆蓋土壤含水率從2017年4月開始呈上升趨勢(shì)，至11月末分別增加了3.7百分點(diǎn)和2.1百分點(diǎn)，說明采用薄膜覆蓋可以在棗樹生育期（每年4—10月）明顯提高土壤含水率，這和靳姍姍等的研究結(jié)果[30]一致，主要是因?yàn)楸∧じ采w蒸發(fā)最少，但是卻能幾乎完全收集降雨，因此土壤水分在棗樹生育期沒有減少反而增加， 石子覆蓋和樹枝覆蓋的土壤水分能通過覆蓋

物縫隙微弱蒸發(fā)，其中裸地蒸發(fā)最嚴(yán)重，土壤水分損失最大。所有處理相比，白膜覆蓋初始土壤含水率較高，說明長(zhǎng)期采用白膜覆蓋，土壤保水保墑效果好。

白盛元等研究黃土高原半干旱區(qū)土柱在不同雨強(qiáng)下的降雨入滲后發(fā)現(xiàn)，不論是單次降雨還是持續(xù)降雨，降雨對(duì)土壤入滲的影響深度不超過4 m[18]。李陸生等研究黃土丘陵區(qū)不同樹齡棗樹根系分布發(fā)現(xiàn)，6年生棗樹根系垂直分布不超過 3 m[39]。李巍等研究發(fā)現(xiàn)苜蓿等生草的土壤水分變化范圍在2 m內(nèi)[11]。因此，選擇各處理4 m內(nèi)土壤水分為研究對(duì)象制作表2。

結(jié)合圖3、圖4 和表2看出，采用非植被覆蓋要比植被覆蓋土壤保墑效果好，其中以白色薄膜覆蓋保墑效果最好。

2.3 不同覆蓋下土壤水分垂直變化

魏新光等通過對(duì)黃土丘陵區(qū)棗林地0～10 m土層土壤含水率連續(xù)3年的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，將黃土丘陵地區(qū)土壤含水率在垂直方向劃分為4層，分別為土壤水分劇烈變化層（0～0.6 m），土壤水分變化層（0.6～2.6 m），土壤水分干層（2.6～6 m）和土壤水分恢復(fù)層（6～10 m）[38]。

由圖5-a可知，各處理0～0.6 m土層土壤含水率全年變化較大，在棗樹休眠期（2017年11月至2018年3月）表現(xiàn)為倒“U”形。從2017年10月下旬至11月下旬，各處理土壤含水率均有所增加，其中早熟禾從9.3%增加到17.4%，苜蓿從7.1%增加到13.6%，檸條從6.7%增加到12.4%，棗樹從 6.0% 增加到12.4%，刺槐從5.9%增加到13.5%，樹枝覆蓋從8.1%增加到12.6%，而白膜覆蓋、黑膜覆蓋、石子覆蓋和裸地土壤含水率增加較少，分別從11.2%、15.3%、12.5%和6.3%增加到14.7%、17.1%、13.7%和9.1%。這是因?yàn)樵?1月該地區(qū)降雨較多，達(dá)到72 mm，說明各生草和樹枝覆蓋土壤含水率受降雨影響較大，而薄膜和石子覆蓋受降雨影響較少，這是因?yàn)楸∧じ采w形成了一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，而石子覆蓋經(jīng)人工壓實(shí)后縫隙較小，因此降雨入滲具有明顯的滯后性。石子、白膜、黑膜覆蓋和裸地土壤含水率在12月中旬才達(dá)到最大值也說明這個(gè)問題。

由圖5-b可以看出，相比于0～0.6 m土層，0.6～2.6 m土壤含水率年內(nèi)變化幅度較小，除黑膜和白膜覆蓋外，各處理土壤含水率在棗樹生育期有輕幅下降，而在休眠期基本保持不變?？傮w而言，該層土壤含水率受降雨影響小，土壤含水率最大的是白膜，其次是黑膜，最小的是刺槐，這也進(jìn)一步說明相比于植被覆蓋，采用非植被覆蓋可以提高土壤水分變化層的土壤含水率。

圖5-c和圖5-b表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，除黑膜覆蓋外，其他處理土壤含水率大小也基本一致，并且受降雨影響很小。相比之下，白膜覆蓋土壤含水率一直較高，平均值為14.52%，而刺槐土壤含水率一直較低，全年平均值只有 5.77%，接近棗樹凋萎系數(shù)。說明在該地區(qū)從土壤水分可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，種植刺槐耗水較大，不適合;另外，因?yàn)樵搶邮峭寥浪指蓪?，也說明在該層采用白膜覆蓋可以明顯提高土壤含水率，有利于土壤干層的恢復(fù)。

圖5-d是6～10 m土層土壤水分動(dòng)態(tài)變化，該層所有處理土壤含水率年內(nèi)變化都不明顯，基本不受降雨的影響。相比之下，種植早熟禾土壤含水率最高，為10.49%，而種植刺槐最低，土壤含水率只有6.86%，這和其他土層的分析結(jié)果基本一致。

如表3所示，同一處理不同深度土壤含水率差異較大，土壤含水率垂直分層明顯;除苜蓿、檸條、棗樹和刺槐外，同一處理，隨著土層深度增加，土壤含水率越小;除刺槐外，隨著土層深度的增加，土壤含水率的標(biāo)準(zhǔn)差也越小，說明隨著深度增加， 土壤含水率受降雨影響越小。這和魏新光等對(duì)于棗林地土壤含水率垂直分布的研究結(jié)果[38]一致。白膜覆蓋6 m內(nèi)土壤含水率較高，平均土壤含水率大于14.5%，黑膜覆蓋 2.6 m 內(nèi)土壤含水率較高，平均土壤含水率大于13.5%，均高于其他處理，說明采用薄膜覆蓋，可以明顯增加表層土壤含水率，并且對(duì)當(dāng)?shù)赝寥栏蓪拥男迯?fù)有一定的效果。相比黑膜覆蓋，白膜覆蓋對(duì)于土壤干層的修復(fù)效果更好。

計(jì)算各覆蓋措施不同土層土壤水分相對(duì)虧缺指數(shù)看出，10 m土層內(nèi)，相對(duì)于裸地，刺槐土壤水分表現(xiàn)為虧缺，其余處理土壤水分均為蓄積狀態(tài)，其中白膜覆蓋土壤水分蓄積效應(yīng)最好，PCSWDI為-1.12，其次為早熟禾和黑膜，PCSWDI分別為-0.66和-0.53，根據(jù)土壤儲(chǔ)水量計(jì)算公式（2），3個(gè)處理10 m內(nèi)土層土壤儲(chǔ)水量相比于對(duì)照分別增加1 348.6、892.48、543.97 mm，相當(dāng)于試驗(yàn)地年平均降雨量的 2.98、1.97、1.20倍。除早熟禾外，其余植被覆蓋表層土壤均表現(xiàn)出不同程度的水分虧缺，而非植被覆蓋表層土壤均為累積性，說明相對(duì)于裸地，采用非植被覆蓋抑制蒸發(fā)作用明顯，而種植植被由于自身生長(zhǎng)要消耗大量水分，表層土壤水分減少。各處理深層土壤2.6 m以下土壤水分均表現(xiàn)為累積性，說明相對(duì)于裸地，采用覆蓋措施對(duì)于該地區(qū)土壤干層的恢復(fù)有很好的效果。

為了進(jìn)一步探討各覆蓋措施對(duì)于土壤水分干層的恢復(fù)效果，繪制各覆蓋措施2017年4月3日和2018年4月3日土壤水分垂直剖面（圖6）。以12%和5%的質(zhì)量含水率作為土壤穩(wěn)定持水量和凋萎系數(shù)[5]，按照土壤含水率大于等于穩(wěn)定含水率即認(rèn)為干層恢復(fù)作為標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥闯?，2017年4月，經(jīng)過3年覆蓋后，各處理深層土壤含水率出現(xiàn)了一定差異，并且土壤干層恢復(fù)也達(dá)到了一定深度，其中白膜恢復(fù)深度達(dá)到480 cm;黑膜和樹枝覆蓋恢復(fù)深度為200 cm，其余處理土壤干層無恢復(fù)。2018年4月土壤水分剖面顯示，各生草覆蓋深層土壤含水率進(jìn)一步降低，土壤干層進(jìn)一步加深，而覆膜后，白膜和黑膜土壤干層恢復(fù)深度分別達(dá)到7 m和4.4 m，說明薄膜覆蓋對(duì)土壤干層的恢復(fù)有很好效果，其中白膜效果最好;而植被覆蓋，隨著植物個(gè)體的增長(zhǎng)，自身蒸騰作用加大，對(duì)土壤水分的消耗也逐漸加大，土壤水分進(jìn)一步減少，干層厚度進(jìn)一步加大，程度加深。

為了分析不同覆蓋措施在植物生長(zhǎng)期和休眠期土壤水分的消耗狀況，以2017年4月3日至10月28日作為棗樹生育期，2017年10月29日至2018年4月2日作為棗樹休眠期，研究各覆蓋措施0～10 m土層土壤儲(chǔ)水量變化量繪制表4和表5。各層土壤儲(chǔ)水量變化量為計(jì)算時(shí)段末土壤儲(chǔ)水量減去計(jì)算時(shí)段初土壤儲(chǔ)水量，降雨利用率為各覆蓋措施土壤儲(chǔ)水量變化量與同時(shí)段降雨量的比值，若為負(fù)值，則認(rèn)為雨水沒有儲(chǔ)存而全部消耗，降雨利用率標(biāo)記為零。

從表4可以看出，在植物生育期，各生草覆蓋、棗樹和裸地的土壤垂直方向土壤儲(chǔ)水量變化量均為負(fù)值，雖然同期降雨量較大，為315.4 mm，是全年降雨量的90%，但是因?yàn)樯莺蜅棙渖L(zhǎng)需要消耗大量水分，土壤水分支出大于收入，長(zhǎng)期處于虧損狀態(tài);和采用植被覆蓋措施相比，采用非植被覆蓋措施各土柱深層土壤水分都不同程度地增加了，尤其是 2.6～6 m的土壤水分干層土壤儲(chǔ)水量增量明顯，說明采用非植被覆蓋措施對(duì)黃土高原土壤干層的修復(fù)有一定效果，尤其是采用白膜覆蓋，10 m內(nèi)土壤儲(chǔ)水量相比裸地增加了 156.24 mm，降雨利用率達(dá)到49.5%。而采用樹枝覆蓋由于2.6 m內(nèi)土壤水分蒸發(fā)較大，10 m土層內(nèi)總的土壤儲(chǔ)水量變化為負(fù)值。非植被覆蓋10 m土層土壤儲(chǔ)水量增量為白膜覆蓋>黑膜地布>石子覆蓋>樹枝覆蓋。

由表5可知，由于在植物休眠期，各種生草蒸騰作用減弱，加之此期間氣溫普遍較低，相對(duì)濕度較小，因此蒸發(fā)較少，各個(gè)處理0～0.6 m土層土壤含水率相對(duì)于生育期均有所提高，土壤儲(chǔ)水量變化量均為正值。說明土壤儲(chǔ)水量在休眠期有所增加，而這個(gè)期間降雨雖不及生育期多，但是降雨入滲補(bǔ)給表層土壤水分作用明顯，各個(gè)生草覆蓋和棗樹以及裸地的降雨入滲深度均達(dá)到2.6 m。非植被覆蓋中只有黑膜覆蓋在棗林休眠期土壤水分增加，其他處理10 m內(nèi)土壤水分仍處于消耗狀態(tài)，雖然各處理0.6 m土層土壤水分受到降雨的補(bǔ)給土壤儲(chǔ)水量增加，但是在冬季由于表層土壤凍結(jié)，溫度降低，在溫度梯度的作用下，深層土壤水分向上運(yùn)移，補(bǔ)充淺層土壤水分，這也是造成各處理淺層土壤儲(chǔ)水量增加而深層土壤儲(chǔ)水量減少的另一個(gè)原因?？梢姡蜕谙啾?，休眠期才是各層土壤水分消耗的關(guān)鍵時(shí)期，而黑膜覆蓋冬季保水效果較白膜覆蓋好。

3 討論

本試驗(yàn)結(jié)合2年連續(xù)數(shù)據(jù)，研究在不同覆蓋措施下，土柱土壤含水率的全年變化，發(fā)現(xiàn)相比于裸地，種植刺槐耗水大，不適合作為覆蓋保墑措施。這和李軍等關(guān)于林地和荒草地耗水規(guī)律的研究結(jié)果[4]是一致的;采用非植被覆蓋均能提高土壤含水率，覆蓋保墑效果為：白膜>黑膜>石子>樹枝，這和周玉紅等關(guān)于不同覆蓋保墑措施對(duì)于棗園土壤含水率的影響的研究結(jié)果[12，18，30]基本一致。

將垂直方向0～10 m土層劃分成土壤水分劇烈變化層（0～0.6 m）、土壤水分變化層（0.6～2.6 m）、土壤水分干層（2.6～6 m）和土壤水分恢復(fù)層（6～10 m）4層，分析各層不同覆蓋措施土壤含水率全年變化發(fā)現(xiàn)：0～0.6 m各處理土壤含水率年內(nèi)變化均比較大，0.6～2.6 m各處理土壤含水率年內(nèi)變化較小，除刺槐和對(duì)照裸地外，其余處理2.6 m以下土壤含水率年內(nèi)變化小，基本趨于穩(wěn)定。從各處理土壤含水率變化結(jié)果來看，該分層方法適合黃土丘陵干旱區(qū)的棗林土壤水分垂直分層?？傮w而言，同一處理，隨著土層深度的增加，土壤含水率逐漸減小，受降雨的影響也越小，這和繆凌等關(guān)于黃土高原不同植被類型和不同林齡棗樹土壤含水率垂直分布的研究結(jié)果[13-14]是一致的。

分析不同覆蓋措施土壤儲(chǔ)水量在棗樹生育期和休眠期的變化，發(fā)現(xiàn)休眠期才是棗樹耗水的關(guān)鍵期。不論是棗樹生育期還是休眠期，薄膜覆蓋均能顯著增加10 m內(nèi)土層的土壤含水率，其中生育期采用白膜覆蓋效果好，而休眠期采用黑膜地布覆蓋效果較好。究其原因，主要是不同顏色的薄膜對(duì)光的吸收效果不同，冬季土壤保溫效果也不一樣[31]。

已有研究表明，將2種覆蓋措施結(jié)合起來或者將覆蓋和管理措施結(jié)合起來使用能進(jìn)一步提高果園土壤水分利用效率[23，29]，覆蓋保墑措施能夠改變土壤含水率的垂直分布，而土壤含水率又直接影響植物根系的空間分布[38-39]，是否能夠?qū)F(xiàn)有的覆蓋保墑措施和管理措施有機(jī)組合起來，在經(jīng)濟(jì)性允許的前提下進(jìn)一步提高土壤水分利用效率以及如何通過合理的覆蓋措施調(diào)控植物的根系分布，進(jìn)而調(diào)控植物根系對(duì)不同深度土層的土壤水分利用將是今后研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

采取合理的覆蓋措施能夠顯著增加土壤含水率，這對(duì)于山地土壤干層的修復(fù)具有重要的意義，2017—2018年觀測(cè)結(jié)果顯示：

（1）不同覆蓋措施土壤含水率年內(nèi)變化中，采用生草覆蓋，10 m土層范圍內(nèi)，早熟禾全年土壤含水率最高，刺槐最低。裸地土壤水分受降雨補(bǔ)給影響明顯，11月下旬土壤儲(chǔ)水量增加277.2 mm，相當(dāng)于同時(shí)期降雨的3.85倍;采用非植被覆蓋全年土壤含水率均高于裸地，土壤含水率白膜>黑膜地布>石子>樹枝。采用薄膜覆蓋可以在棗樹生育期（2017年4—10月）顯著提高土壤含水率;總體而言，采用非植被覆蓋要比植被覆蓋土壤保墑效果好，其中以白色薄膜覆蓋保墑效果最好。

（2）不同覆蓋措施土壤水分垂直變化顯示，各處理0～0.6 m 土層土壤含水率全年變化較大，土壤含水率在棗樹休眠期（2017年11月至2018年3月）表現(xiàn)為倒“U”形，其中生草覆蓋和樹枝覆蓋土壤含水率受降雨影響較大，而薄膜覆蓋和石子覆蓋受降雨影響較小;0.6～2.6 m土層土壤含水率變化幅度小，土壤含水率受降雨影響小;白膜覆蓋2.6～6 m土層土壤含水率較高，平均值為14.52%，而刺槐只有5.77%，接近棗樹凋萎系數(shù);所有處理6～10 m土層土壤含水率年內(nèi)變化都不明顯，不受降雨影響。

（3）不同覆蓋不同深度土層土壤含水率顯著性分析結(jié)果顯示：土壤含水率垂直分層明顯，隨著土層的增加，土壤含水率逐漸變小，標(biāo)準(zhǔn)差逐漸變小，土壤含水率受降雨影響變小;采用薄膜覆蓋，可以顯著提高表層土壤含水率，白膜覆蓋比黑膜覆蓋對(duì)于土壤干層的修復(fù)效果更好。土壤水分虧缺情況顯示，相對(duì)于裸地，白膜覆蓋土壤水分蓄積效果最好，其次為早熟禾和黑膜地布，刺槐土壤水分虧缺最嚴(yán)重;采用非植被覆蓋對(duì)于淺層土壤的蒸發(fā)抑制作用明顯。

（4）不同年份，各覆蓋措施土壤水分剖面顯示，薄膜覆蓋對(duì)土壤干層的恢復(fù)有一定效果，其中白膜效果最好;植被覆蓋，隨著植物個(gè)體的增長(zhǎng)，自身蒸騰作用加大，干層厚度進(jìn)一步加大。

（5）在棗樹生育期，各生草覆蓋和棗樹由于自身生長(zhǎng)需要消耗大量水分，因此土壤水分長(zhǎng)期處于虧損狀態(tài);非植被覆蓋2.6～6 m的土壤儲(chǔ)水量增加明顯，尤其是白膜覆蓋，10 m內(nèi)土壤儲(chǔ)水量增加了156.34 mm，降雨利用率達(dá)到49.5%。非植被覆蓋措施對(duì)棗樹生育期10 m土層土壤水分的增加效果為白膜覆蓋>黑膜覆蓋>石子覆蓋>樹枝覆蓋;在棗樹休眠期，生草覆蓋和棗樹以及裸地的降雨入滲深度均達(dá)到 2.6 m。非植被覆蓋只有黑膜覆蓋休眠期土壤水分增加，其他處理10 m內(nèi)土壤水分仍處于消耗狀態(tài)。和生育期相比，休眠期才是各層土壤水分消耗的關(guān)鍵時(shí)期，而黑膜覆蓋冬季保水效果較白膜覆蓋好。

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