荒漠化草原不同機械組成土壤水分運移規律研究

2013-09-06 08:29:34張源沛鄭國保周麗娜孔德杰朱金霞張益民

水土保持研究 2013年1期

張源沛，鄭國保，周麗娜，孔德杰，朱金霞，張益民

（1.寧夏農林科學院農業生物技術研究中心，銀川750002；2.寧夏農林科學院資源與環境研究所，銀川750002；3.寧夏農林科學院后勤服務中心，銀川750002）

長期嚴重的風沙危害，造成荒漠化草原大面積沙化，使荒漠化草原的生態環境極其脆弱，水分成為其主要的限制因素［1－2］。土壤水分與植被群落的分布具有一定的相關性，降水和土壤水分對植物群落水分平衡起重要的調節作用，其時空變化對天然牧草的生長、草場退化和土地沙化有著舉足輕重的作用［3－6］；植被類型、蓋度及生長情況都會影響土壤含水量［7－8］。許多研究表明：土壤水分狀況與牧草生物量也有著密切的關系，影響土壤水分狀況的因子除了土壤質地外，還包括降水量、地下水位、地表徑流、牧草蒸騰等［9］；土壤水分受土壤特性、氣象等諸多環境因子的影響，其收入主要為自然降水，支出包括地表徑流、滲漏水量、地面蒸發量和植物蒸騰量等。典型草原區土壤水分大多數年份可以達到平衡，但季節降雨變化大，土層垂向水分變化主要發生在60cm以上［10－13］；圍欄對土壤水分、養分和草場植被的影響較大，尤其對草場植被的影響極其明顯［14－15］；因此，要合理地利用有限的降水資源，就必須摸清土壤性狀與土壤水分運移規律的關系。本文對圍欄禁牧草原不同機械組成的土壤水分開展研究，為圍欄禁牧對退化草原的影響研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于寧夏回族自治區銀川市靈武市寧東鎮，地處我國西北部農牧交錯帶，年平均降水量255.2 mm，年平均蒸發量2 682.2mm，為降水量的10.5倍。年平均氣溫8.8℃，≥5℃的積溫3 153.9℃。年平均風速2.5m／s，歷年最大風速24.0m／s，年大風加沙暴日數11d，年揚沙日數平均45d。

1.2 試驗設計

選擇試驗區內具有代表性的土壤（機械組成為松砂土、緊砂土、輕壤土和中壤土）設立監測點，在每個監測點埋設3根200cm深的土壤水分探測管，每隔10d進行一次土壤水分監測，并在降雨前后加測，監測深度180cm，每10cm為一層進行測定。

1.3 試驗儀器

本研究使用儀器為德國生產的TRIME－FM型（管式）時域反射儀（TDR）。

1.4 數據處理

試驗數據處理采用Excel 2003，作圖用Surfer 7.0。

2 結果與分析

2.1 不同機械組成土壤貯水量狀況

降水是草原土壤水分的主要來源，其數量的多寡對土壤貯水量有舉足輕重的作用［15］。2003年試驗地整個生長季降水量為182.9mm，5—8月降雨量較大，其中5月中旬至5月底，降水量較大，共140.8mm，占植物生長季降水量的79.0%，6月份降水量最大，達47.8mm，占整個生長季降水量的26.1%。

圖1 不同土壤類型200cm土層貯水量

由圖1可見，隨著土壤機械組成逐步變黏，土壤貯水量呈增加趨勢，緊砂土與輕壤土的貯水量基本相當。不同類型土壤貯水量月際變化規律基本相同，200cm土層內8月份和10月份的貯水量最低（松砂土為106.5mm、緊砂土為201.0～202.0mm、輕壤土為181.1～190.9mm、中壤土為220.7～226.4 mm），9月份最高（松砂土為172.1mm、緊砂土為232.6mm、輕壤土為229.2mm、中壤土為292.4 mm）。其主要原因是試驗區全年降雨主要集中在5—8月份，6月份和8月份降雨量相對較高。由于8月份草原植物正處于生長旺盛期，植被蒸騰量大，對土壤水分的消耗量也大，8月份降雨量僅為35.9 mm，不能滿足植物生長所需的水分，勢必消耗土壤水分，使土壤貯水量降低。而9月份草原大部分植被已進入衰老枯黃期，此時對土壤水分的消耗量減少，加之氣溫較低地表有枯枝覆蓋，相對減少了地表蒸發，提高了土壤的保蓄水能力。

2.2 不同機械組成土壤水分動態變化規律

由圖2可見：荒漠化草原土壤水分垂直變化規律基本一致，各層次土壤水分含量由淺入深逐漸減小，土壤水分受外界環境的影響隨土層深度的增加而減小，土壤水分的變化主要集中在110cm以上土層，80 cm以上土層最為劇烈，110cm土層以下變化較小，這與周堯治［17］的研究結果極其相似。土壤水分的變化主要受降水和植物耗水的影響，降雨較大時，土壤水分變化也較大，但是土壤水分的最大入滲深度未超過80cm，說明在目前的降雨條件下，降雨不能對土壤深層水分進行補充。隨著圍欄后植被的恢復，土壤中的水分被大量消耗，耗水深度下移，造成深層土壤水分不可逆的虧缺，反過來可能會有導致天然草場進一步的退化；降雨后不同類型土壤200cm土層內均有水分下移現象，松砂土較其它土壤相對松散，尤其在9月15日土壤水貯量達最高，隨土層深度的增加，土壤體積含水量呈增加趨勢；緊沙土、輕壤土和中壤土則隨土層深度的增加，在110cm處達到最大值，土壤水分的虧缺或變化劇烈時期主要集中在6—9月，尤以7月、8月份為甚，這主要與該時段氣溫較高和植被處在快速生長階段有關，如何在該時段內合理利用地上植被資源，減少水分消耗，是圍欄草場資源可持續利用的關鍵。

2.3 圍欄時間對土壤水分的影響

土壤儲水量變化主要受降水量和植物耗水的影響。由表1可知：實施圍欄后，不同機械組成土壤的貯水量降低，造成土壤水分的虧缺。如2002年全年降雨量達到298.5mm，試驗區圍欄內土壤水分不但沒有得到補充，其平均虧缺量反達52.9mm。圍欄封育時間越長，土壤水分貯量越低。

松砂土所在圍欄區域1999年實行圍欄封育，2002—2004年監測植被萌發前，其200cm的土層貯水量分別為192.9，133.0，125.7mm；緊砂土所在的圍欄區域2001年實行圍欄封育，2002—2004年監測植被萌發前，其200cm的土層貯水量分別為288.8，215.7，187.1mm；中壤土所在的圍欄區域2001年實行圍欄封育，2002—2004年監測植被萌發前，其200 cm土層的貯水量分別為303.7，248.9，193.6mm。因此，在自然降雨量不可能大幅度增加的情況下，對圍欄草場植被資源進行合理的利用，減少植被的蒸騰耗水，防止圍欄后草原退化甚至荒漠化顯得尤為重要。