不同礫石覆蓋保持土壤水分有效性研究

秦百順，李斌斌，2

(1.西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，陜西西安710048;2.北京水保生態(tài)工程咨詢有限公司，北京100055)

不同礫石覆蓋保持土壤水分有效性研究

秦百順1，李斌斌1，2

(1.西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，陜西西安710048;2.北京水保生態(tài)工程咨詢有限公司，北京100055)

干熱河谷;生態(tài)修復(fù);土壤水分;礫石覆蓋

土壤水分狀況是制約金沙江干熱河谷地區(qū)植被恢復(fù)和造林的主要因素，改善土壤水分狀況是實現(xiàn)該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)重建和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的必然途徑。為給干熱河谷的造林以及作物種植提供切實可行的方法，進行了不同礫石覆蓋保持土壤水分有效性的試驗研究，結(jié)果表明:在起始條件相同的情況下，同一小區(qū)不同深度的土壤含水量是不同的，含水量隨著土層深度的增加而增大;不同礫石覆蓋厚度條件下，土壤含水量與礫石覆蓋厚度成正相關(guān)關(guān)系;在相同覆蓋厚度情況下，礫石粒徑越小，覆蓋抑制土壤蒸發(fā)效果越好，土層含水量也就越高。

土壤水分和養(yǎng)分是影響植被恢復(fù)和生長的關(guān)鍵因素。金沙江干熱河谷地區(qū)雖然大多數(shù)地方的降雨量在600 mm以上，但降雨主要集中在6—10月，干旱季節(jié)長，同時蒸發(fā)量遠遠高于降雨量。有資料顯示，干熱河谷的蒸發(fā)量是降雨量的6倍，旱季的干旱土層厚達1 m以上。高溫干旱、蒸發(fā)量大于降雨量的氣候條件使得該地區(qū)土壤水分虧缺嚴(yán)重，水資源缺乏，水分條件成為金沙江干熱河谷地區(qū)植被恢復(fù)最主要的限制因素，直接關(guān)系到植被建設(shè)的成功與否［1］。同時，由于金沙江干熱河谷地區(qū)土壤貧瘠、土層薄、保水保肥性能差，再加上水電開發(fā)建設(shè)過程中造成的地表開挖、植被破壞等，進一步增加了植被恢復(fù)的難度［2－3］。

在1998年的長江特大洪水暴發(fā)以后，政府對該地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)工作更加重視，先后撥巨資啟動“退耕還林工程”、“天然林資源保護工程”和“云南長江中上游生態(tài)治理工程”。但由于干熱河谷地區(qū)環(huán)境惡劣，植被恢復(fù)技術(shù)還不夠完善，以上許多工程均未在干熱河谷造林困難地區(qū)大規(guī)模開展［2－5］。為了能更好地保持土壤水分，為干熱河谷的區(qū)域生態(tài)修復(fù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐，2010年我們專門進行了相關(guān)的試驗研究和現(xiàn)場調(diào)查等工作。

1 試驗研究方法

試驗針對干熱河谷地區(qū)土壤養(yǎng)分不足和旱季土壤缺乏水分的特征，在西安市南郊建立了3個試驗小區(qū)(1號、2號、3號)，每個小區(qū)均設(shè)置3層，上層為礫石覆蓋層，中間為土層，底層為發(fā)泡水泥，通過改變表層礫石覆蓋厚度、粒徑大小，進行了天然降雨條件下不同礫石覆蓋保持土壤水分有效性的觀測試驗。在底層采用發(fā)泡水泥是為了更好地保持水分，避免過度下滲。

土壤水分觀測采用取樣烘干法，每隔7天測定1次，具體方法如下:采用對角線法在每一小區(qū)中選取5個水分觀測點，對各點均分層采樣，每層厚為10 cm，用土鉆取土后裝入采樣袋中，烘干后測定土壤含水量。

2 試驗內(nèi)容

根據(jù)試驗設(shè)計，分組進行了相關(guān)試驗。第一組試驗:在2010年10月10日至10月28日期間，設(shè)置1號、2號兩個小區(qū)具有相同的起始條件:表層為厚度20 cm礫石覆蓋，中間為厚度50 cm土層，底層為厚度5 cm發(fā)泡水泥;3號小區(qū)表層覆蓋15 cm厚的礫石加5 cm厚度的沙，其余條件與1、2號小區(qū)相同。即各小區(qū)表層覆蓋厚度均為20 cm，中間土層厚度50 cm，底層發(fā)泡水泥5 cm厚。第二組試驗:10月29日將各小區(qū)的表層礫石覆蓋厚度減去10 cm，即1號、2號小區(qū)表層覆蓋10 cm厚的礫石，3號小區(qū)覆蓋5 cm厚的礫石和5 cm厚的沙，各小區(qū)中間土層仍為50 cm，土層基本情況恢復(fù)到初始狀態(tài)下，其他條件保持不變。第三組試驗:11月4日，將各小區(qū)土層基本情況恢復(fù)到初始狀態(tài)下，其他條件不變，改變各小區(qū)表層礫石覆蓋厚度，使1號小區(qū)的表層礫石覆蓋厚度為5 cm，2號小區(qū)表層無礫石覆蓋，3號小區(qū)礫石覆蓋厚度為10 cm(不加沙)。第四組試驗:11月24日，使3個小區(qū)表層礫石覆蓋厚度均為20 cm，但是礫石粒徑不同，其中1號小區(qū)覆蓋大粒徑礫石、2號小區(qū)覆蓋中粒徑礫石、3號小區(qū)覆蓋15 cm厚小粒徑礫石和5 cm厚的沙層，土層基本情況恢復(fù)到初始狀態(tài)下，其他條件不變。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 第一組試驗結(jié)果

10月10日至10月28日期間進行了第一組試驗，對3個小區(qū)50 cm厚度的土層每10 cm分層取樣，測定結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，各小區(qū)不同深度的土層含水量是不同的，隨著土層深度的增加土壤含水量增大，40—50 cm土層的含水量較表層0—10 cm的含水量要大許多。同時可以看出，3號小區(qū)含水量明顯高于1、2號小區(qū)，說明在表層覆蓋厚度相同時，15 cm厚的礫石加上5 cm厚的沙層比單一的礫石覆蓋更有助于土壤水分的保持。

圖1 第一組試驗土壤含水量變化

3.2 第二組試驗結(jié)果

10月29日將各小區(qū)的表層礫石覆蓋厚度減去10 cm，其他條件恢復(fù)到初始狀態(tài)下，11月4日取樣，對比分析10月28日與11月4日3個小區(qū)的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，在改變了表層礫石厚度的情況下，3個小區(qū)的土壤含水量均減少了，說明表層礫石覆蓋厚度對土壤含水量有較大的影響，前期礫石覆蓋厚度大，土壤含水量也較大，隨著礫石厚度的減少，小區(qū)內(nèi)各取樣點的含水量也相應(yīng)減少。3號小區(qū)含水量明顯比1號、2號小區(qū)高，主要是因為3號小區(qū)表層覆蓋的10 cm中有5 cm厚的沙層，這也是對第一組試驗的進一步驗證，表明表層礫石覆蓋再加上一部分沙層，保水性能更好。

圖2 第二組試驗土壤含水量變化

3.3 第三組試驗結(jié)果

11月4日，改變各小區(qū)表層礫石覆蓋厚度，使1號小區(qū)的表層礫石厚度為5 cm，2號小區(qū)表層無礫石覆蓋，3號小區(qū)礫石覆蓋厚度為10 cm，之后測定各小區(qū)的土壤含水量，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，3個小區(qū)相比較，3號小區(qū)的含水量明顯高于1號小區(qū)，1號小區(qū)含水量又比2號小區(qū)高。這說明，表層覆蓋10 cm厚礫石的小區(qū)比表層覆蓋5 cm厚礫石的小區(qū)在同一深度土壤含水量要大;同時，有礫石覆蓋的1號、3號小區(qū)含水量明顯高于沒有礫石覆蓋的2號小區(qū)。

圖3 第三組試驗土壤含水量變化

通過第三組試驗，可以認(rèn)為表層礫石覆蓋厚度對土壤含水量有較大的影響，表層有礫石覆蓋的比沒有礫石覆蓋的含水量要大;同時隨著礫石覆蓋厚度的減少，含水量也減少，說明礫石覆蓋對抑制蒸發(fā)有良好的作用。

3.4 第四組試驗結(jié)果

為了研究相同覆蓋厚度時不同礫石粒徑對含水量的影響，通過改變礫石粒徑大小來觀測相同土層的含水量變化情況。11月24日，使3個小區(qū)表層礫石覆蓋厚度均為20 cm，但是礫石粒徑大小不同，其中1號小區(qū)覆蓋大粒徑礫石、2號小區(qū)覆蓋中粒徑礫石、3號小區(qū)覆蓋15 cm厚小粒徑礫石和5 cm厚的沙層。試驗期間，11月28日晚上有一場降雨，降雨量為26 mm。各小區(qū)土壤含水量測定結(jié)果見圖4(從圖上看到12月2日所測結(jié)果土壤含水量明顯增多，主要是因為11月28日的降雨使得土壤含水量增大)。從圖4可以看出，礫石粒徑對含水量也有影響，粒徑越小保水性也越好，適當(dāng)加沙的保水效果更好，這是因為與大粒徑礫石相比，小粒徑礫石覆蓋比較緊密，減少了水分向空氣中蒸發(fā)的途徑。

圖4 第四組試驗土壤含水量變化

4 結(jié)語

在干旱半干旱地區(qū)，水分對植物存活、生長和分布起著一定的限制作用［1］。近年來，有關(guān)水分脅迫對苗木生理生態(tài)特性影響的報道很多，但研究對象多為北方干旱和半干旱地區(qū)的樹種［2－6］，有關(guān)南方干熱河谷地區(qū)土壤水分對果樹苗木的影響鮮有報道。

針對金沙江干熱河谷特殊地質(zhì)地形條件以及蒸發(fā)量高的特征，在植被恢復(fù)和造林過程中開展抑制土壤水分蒸發(fā)、下滲以及向土壤添加有機質(zhì)和緩釋肥的保水、保肥措施研究，是提高土壤保持水肥的能力，為植被在旱季提供充足的水分和養(yǎng)分，幫助植物度過漫長旱季，從而實現(xiàn)植被恢復(fù)的關(guān)鍵。如何長時間保持土壤水分是干熱河谷地區(qū)水分脅迫亟待解決的問題?？紤]到當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，通過對不同礫石覆蓋保持土壤水分有效性的研究，以期為干熱河谷的造林以及作物種植提供切實可行的方法。

［1］王克勤.集水造林與水分生態(tài)［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2002:16－25.

［2］楊敏生.水分脅迫下白楊派雙交無性系主要生理過程研究［J］.生態(tài)，1999(3):312 －317.

［3］楊敏生.毛白楊不同無性系光合作用特性的比較研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，1992，14(z1):65－71

［4］劉琪璟.遼西阜新地區(qū)主要造林樹種抗旱性的研究［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，1989，17(1):93 －98.

［5］鄭希偉.遼西地區(qū)主要造林樹種抗旱性的研究［J］.林業(yè)科學(xué)，1990，26(4):253 －358.

［6］李吉躍.太行山區(qū)主要造林樹種耐旱特性的研究(Ⅱ):一般水分生理生態(tài)特征［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，1991，13(z1):10－24.

Effectiveness of Soil M oisture Keeping Under Different G ravel Cover Conditions

QIN Bai-shun1，LIBin-bin1，2

(1.Key Lab of NorthwestWater Resources and Environment Ecology of MOE at XAUT，Xi’an，Shaanxi710048，China;2.Beijing Soil Conservation and Ecology Engineering Consulting Company Limited，Beijing 100055，China)(46)

The conditions of soilmoisture aremain factors to constrain the restoration of vegetation and afforestation in the dry-hot valley of Jinsha River and improving soilmoisture is an inevitable approach for ecological restoration and sustainable development of agriculture in this region.In order to provide practicalmethods for afforestation and crop cultivation in the dry-hot valley，it conducted experimental study on effectiveness of soilmoisture keeping under different gravel cover conditions.The outcomes show that:a)under the same initial conditions，themoisture content is different at the different depth of the same plot and themoisture content increase with the increase of soil depth;b)themoisture content and the thickness of gravel cover are in positive correlation under the different thickness of gravel cover conditions;c)under the conditions of same thickness of coverage，the smaller particle size ofgravels，the better effect to control the soilevaporation and the highermoisture contentwill be.

dry-hot valley;ecological restoration;soilmoisture;gravel cover

S152.7

B

1000－0941(2012)06－0046－03

國家自然科學(xué)基金項目(40971161);國家科技支撐項目(2006BAD09B02)

秦百順(1964—)，男，甘肅天水市人，高級工程師，博士研究生，從事水土保持與荒漠化防治等方面的研究。

2011－12－13

(責(zé)任編輯 徐素霞)