黃土丘陵區不同土地利用方式對土壤水分及地上生物量的影響

肖 列, 劉國彬, 薛 萐, 張 超

(1.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地,陜西 西安 710048; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

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黃土丘陵區不同土地利用方式對土壤水分及地上生物量的影響

肖 列1, 劉國彬2,3, 薛 萐2,3, 張 超2

(1.西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地,陜西 西安 710048; 2.西北農林科技大學 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

[目的] 研究不同土地利用方式下的土壤水分狀況及其與植被群落特征的關系，為黃土丘陵區的植被恢復和重建提供理論依據。 [方法] 采用野外調查的方法和數理統計分析方法開展研究。 [結果] 紙坊溝流域主要植被類型的地上干生物量為310.0～10 036.2 g/m2，平均地上干生物量由大到小依次為：林地>灌木地>農田>人工草地>天然草地。地上鮮生物量與株高存在極顯著的正相關關系(R2=0.967 4，p<0.01)。不同土地利用方式0—100 cm土層土壤含水量較高，且土壤水分變異較大；100 cm以下土壤含水量相對穩定，壩地玉米和梯田玉米的極易效水量分別為221.73和221.99 mm；檸條和刺槐的土壤含水量最低，土壤水分類型為難效水，分別為311.44和333.09 mm；其他6種土地利用方式的土壤水分為中效易效水。 [結論] 黃土丘陵區人工林灌植被的種植導致深層土壤水分的大量消耗，不利于該區植被恢復和建設的可持續發展。

土地利用方式; 土壤水分; 地上生物量; 黃土丘陵區

文獻參數： 肖列, 劉國彬, 薛萐, 等.黃土丘陵區不同土地利用方式對土壤水分及地上生物量的影響[J].水土保持通報，2016,36(4)：204-209.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.036

黃土丘陵區屬于干旱半干旱地區，該區植被稀疏，水土流失嚴重，區域植被恢復困難，土壤水分是作物生長和植被恢復的主要限制因子。長期以來強烈的人口壓力造成該區土地的不合理利用，導致對土壤水分的過度開發，形成土壤干層，難以持續利用。自1999年國家實施退耕還林還草工程以來，黃土高原地區建造了大量的人工植被，顯著改善了該區的生態環境狀況。研究黃土丘陵區不同植被類型的土壤水分特征及其地上生物量對該區的植被恢復和重建具有重要的指導意義。近年來，對黃土丘陵區的土壤水分進行了大量研究[1-5]，土壤水分的時空變化受降雨、植被、地形、土壤和土地利用等因素的影響。其中，植被的生物量是一個重要影響因子，植被的地上生物量越大，蒸騰耗水量越高，導致土壤水分的大量消耗[6]，當生物量超過環境的水分承載力后將導致土壤水分惡化，形成明顯的土壤干層，導致大片“小老頭”樹的出現，人工植被難以發揮應有的生態經濟效益，因此對植被地上生物量與土壤水分狀況的綜合研究顯得尤為重要。目前對于黃土丘陵區不同土地利用方式下的地上生物量做了大量研究[7-8]，但是對于黃土丘陵區不同土地利用方式下的土壤水分特征和植被地上生物量的綜合研究少見報道[9-10]。本試驗以黃土丘陵區安塞縣紙坊溝流域10種主要的土地利用方式為對象，研究了不同土地利用方式下的土壤水分特征和植被地上生物量，旨在了解不同土地利用方式下的土壤水分狀況和植被群落特征的關系，為黃土丘陵區的植被恢復和重建提供理論依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

紙坊溝流域(36°51′30″N，109°19′30″E)位于陜西省安塞縣,是延河支流杏子河下游的一級支流，屬典型黃土丘陵溝壑區,包括紙坊溝、寺崾峴、瓦樹塌3個自然村,流域面積8.27 km2。研究區年均降水量505.3 mm,降水的年內分布不均，降雨主要集中在7—9月，且多以暴雨形式出現，年際變化也很大，年均蒸發量為1 463 mm。該區屬暖溫帶半干旱氣候,年日照時數為2 415 h，年輻射量為493 kJ/cm2，多年平均氣溫為8.8 ℃，全年平均最低氣溫出現在1月，為-6.9 ℃，平均最高氣溫出現在7月，為22.6 ℃，≥0 ℃的積溫3 733.5 ℃，土壤類型為黃綿土。該區生態環境脆弱，由于毀林開荒及人類活動的影響，地帶性植被已經破壞殆盡，流域生態系統嚴重退化。自1999年國家實施退耕還林還草工程措施以來，經過10 a的努力，建造了大量的人工植被，顯著改善了當地的生態環境。退耕植被類型主要包括：林地，刺槐(Robiniapseudoacacia)等；灌木，包括沙棘(Hippophaerhamnoides)和檸條(Caraganakorshinskii)；人工草地：沙打旺(Astragalusadsurgens)和紫花苜蓿(Medicagosativa)；天然草地。

1.2樣地設置

2011年8月中旬，在對安塞縣紙坊溝流域主要土地利用類型實地調查的基礎上(樣地調查包括土地使用年限、海拔、坡度、坡向、植被群落組成等)的基礎上，選取樣地10塊。其中，農田樣地4塊，包括坡地谷子(Setariaitalica)、梯田糜子(Panicummiliaceum)、梯田玉米(Zeamays)和壩地玉米(Z.mays)各1塊；人工草地1塊，紫花苜蓿，天然草地1塊，主要植被類型為鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)；灌木地2塊，包括沙棘和檸條；林地2塊，包括蘋果(Malusdemestica)和刺槐。樣地的基本情況詳見表1。

表1　調查樣地基本信息

1.3指標測定

海拔、坡度和坡向用便攜式羅盤儀測量，蓋度采用照相法估算，植被高度用米尺測量，每個樣方測量10株，取平均值。地上生物量采用收割法，收割后用電子天平秤鮮重，用烘箱(80 ℃)烘干，測定干重。每個農田和草地取3個1 m×1 m的樣方，灌木取3個6 m×6 m的樣方，喬木取3個10 m×10 m的樣方。對草本群落和農田采用全部收獲法測定地上鮮生物量和干生物量。喬木和灌木地上生物量采用標準株法，即逐株測量喬木(灌木)的樹高(叢高)、胸徑(地徑)和冠幅等，根據上述指標的平均值，選擇標準株測定其地上鮮生物量，鮮樣采集后用烘干法測定地上干生物量，根據這些數據，計算樣方喬木或灌木的地上干生物量。2011年9月測定土壤含水量，在10塊樣地中，分別用土鉆(內徑5 cm)取0—500 cm的土樣，其中，100 cm以上按0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm取樣，100 cm以下，每50 cm取樣一次，將各層土壤樣品裝入鋁盒中，帶回實驗室，采用烘干法測定各層土壤樣品的含水量。坡地取樣時，坡下、坡中和坡上各一次，其他樣地采取隨機取樣，3次重復，每層土壤含水量取算術平均值。同時，采用環刀法測定0—100 cm土層的容重，采樣深度同土壤含水量的測定，3次重復，取平均值。計算土壤儲水量時，100 cm以下土層的容重采用80—100 cm土層的容重。

土壤儲水量的計算公式為：

W=hdθ/10

(1)

式中：W——土壤儲水量(mm)；h——土層厚度(cm)；d——土壤容重(g/cm3)；θ——土壤質量含水量(%)。

根據土壤水分對植物的有效性，黃土丘陵地區的土壤水分可分為4種類型[11]：難效水(<30%田間持水量)，中效水(30%～49%的田間持水量)，易效水(50%～80%的田間持水量)和極易效水(>80%的田間持水量)。根據上述分類標準，對研究區10種土地利用方式下不同類型土壤水分的數量進行分析。

1.4數據分析

數據利用SPSS 15.0進行單因素方差(One-way ANOVA)統計分析，應用最小顯著性差異(LSD)檢驗不同土壤剖面不同土層土壤儲水量的差異顯著性。采用Excel軟件繪圖。

2　結果分析

2.1不同土地利用方式下植被群落特征及其地上生物量

植被的群落特征可以反映該植被的生長狀況及其穩定性，而地上生物量是植被生長狀況的直接反映。黃土丘陵區不同土地利用方式下植被的群落特征差異很大(表2)。坡地谷子、梯田糜子、梯田玉米、壩地玉米、紫花苜蓿和蘋果園的物種比較單一，每1 m2的物種數都少于4種；而天然草地、沙棘、檸條和刺槐林的物種比較豐富，每1 m2的物種數為6～10種，其中草本植被主要以鐵桿蒿(A.gmelinii)，茭蒿(Artemisiagiraldii)，茵陳蒿(Artemisiacapillaries)和長芒草(Stipabungeana)為主。研究區10種土地利用方式下的植被總蓋度均達到50%以上。10種土地利用方式下地上干生物量差異很大，為310.0～10 036.2 g/m2，平均地上干生物量為：林地(6 485.0 g/m2)>灌木地(2 580.7 g/m2)>農田(1 553.0 g/m2)>人工草地(483.9 g/m2)>天然草地(310.0 g/m2)。在4塊農田中，梯田玉米和壩地玉米的地上干生物量分別為2 380.5和2 785.5 g/m2，明顯大于坡地谷子和梯田糜子，其地上干生物量分別為337.5和708.5 g/m2。沙棘和檸條的地上干生物量幾乎相等，而蘋果園的地上干生物量顯著小于刺槐林。不同土地利用方式下的地上鮮生物量與株高存在極顯著的正相關關系(R2=0.967，p<0.01)，而與海拔、坡度、容重和蓋度均未達到顯著相關(表3)。

表2　不同樣地植被群落特征

表3　地上鮮生物量與海拔、坡度、容重和蓋度的相關性

2.2不同的土地利用方式下土壤水分剖面特征

10種土地利用方式下0—100 cm土層的平均土壤含水量較高，且土壤水分變異很大(圖1)，平均土壤含水量由高到低依次為：農田(18.65%)>天然草地(16.41%)>林地(15.26%)>人工草地(14.90%)>灌木地(14.07%)。在4塊農田中，壩地玉米和梯田玉米的土壤含水量最高，分別為22.34%和18.97%，梯田糜子的土壤含水量最低，為13.86%。在2塊灌木地中，沙棘0—100 cm平均土壤含水量為16.54%，檸條地為11.59%。刺槐和蘋果園的平均土壤含水量分別為14.10%和16.43%。研究區10種土地利用方式100—500 cm土層土壤含水量相對穩定(圖2)，平均土壤含水量由高到低依次為：農田(16.12%)>天然草地(10.51%)>人工草地(8.53%)>林地(8.31%)>灌木地(7.94%)。根據土壤水分對植物的有效性，按田間持水量為22%計算，壩地玉米和梯田玉米的極易效水量分別為221.73和221.99 mm；檸條和刺槐的土壤含水量最低，土壤水分類型為難效水，分別為311.44和333.09 mm；其他6種土地利用方式的土壤水分為中效易效水(表4)。

表4　　　　研究區不同土地利用方式下100-500 cm

2.3不同土地利用方式下土壤儲水量與植被地上生物量的關系

不同土地利用方式的土壤儲水量均隨土層深度的增加而減小(表5)，坡地谷子、人工草地、天然草地、沙棘、檸條和蘋果園0—100 cm的土壤儲水量顯著大于100 cm土層以下的土壤儲水量，梯田糜子0—100 cm土層的土壤儲水量大于下層，但與100—400 cm土層土壤儲水量均沒有達到顯著性差異。梯田玉米和壩地玉米的土壤儲水量隨土層深度增加呈現先增大后減小的趨勢，最大土壤儲水量分別出現在200—300 和100—200 cm，且梯田玉米0—100 cm土層的土壤儲水量顯著小于200—500 cm土層土壤儲水量。刺槐林的土壤儲水量隨土層深度增加呈現先減小后增大的趨勢，但100—500 cm土層的土壤儲水量沒有顯著性差異。

圖1　不同土地利用方式下0-100 cm土壤剖面水分分布

圖2　不同土地利用方式下100-500 cm土壤剖面水分分布

黃土丘陵區10種土地利用方式下的地上干生物量與土壤儲水量沒有顯著的相關關系(F=0.260，p=0.624)。4塊農田地中，土壤含水量較高的壩地玉米和梯田玉米具有較高的地上生物量，梯田糜子的地上生物量高于坡地谷子，但0—100 cm的土壤儲水量卻顯著小于坡地谷子，100—500 cm的土壤儲水量沒有顯著性差異(表6)。天然草地0—100 cm的土壤儲水量顯著高于人工草地，但地上生物量卻小于人工草地。檸條和刺槐的地上生物量較大，但土壤儲水量卻較小，尤其是100 cm以下土層的土壤儲水量，都顯著小于其他土地利用方式。

表5　研究區不同土地利用方式下土壤儲水量特征

注：同一列中不同的小寫字母代表一種土地利用方式不同土層的土壤儲水量具有顯著性差異(p<0.05)；同一行中不同大寫字母代表不同土地利用方式同一土層的土壤儲水量具有顯著性差異(p<0.05)。

表6　　　　不同土地利用方式下地上干生物量

3　討 論

3.1不同土地利用方式下的植被群落特征與地上生物量

人為因素對不同土地利用方式下的植被群落特征具有顯著影響。農田、人工草地和蘋果園受人為因素影響大，物種單一，天然草地、灌木地和刺槐林基本不受人為因素的影響，物種比較豐富，草本植被主要以蒿類和長芒草為主。焦菊英等[12]對黃土丘陵溝壑區植被演替規律的研究得出在黃土丘陵溝壑區自然演替的植被主要由禾本科、菊科、豆科和薔薇科4大科的物種組成，與本研究結果相一致。研究區不同土地利用方式下的地上干生物量差異很大，王建國等[9]研究得出黃土高原水蝕風蝕交錯區不同土地利用方式下的植被地上干生物量為177～2 207 g/m2。在4塊農田中，坡地谷子的地上生物量最小，可能與坡耕地土壤水分狀況較差有關，而壩地處于溝道中，長期受溝道水流和坡面徑流補給，梯田具有匯集坡面徑流的作用，導致梯田玉米和壩地玉米的土壤含水量相對較高[13]，地上生物量顯著高于梯田糜子和坡地谷子，雖然糜子地也修建了梯田，但糜子具有相對較高的蒸騰量，造成了糜子較低的地上生物量。不同土地利用方式的地上鮮生物量與植被高度存在顯著的正相關關系，這與王靜等[14]對厚穗賓草群落和王建國等[9]對黃土高原水蝕風蝕交錯區不同土地利用方式下的植被群落的研究相一致。在黃土丘陵溝壑區，建立一定高度和覆蓋度的植被對防止土壤侵蝕(包括水蝕、風蝕)非常重要。植被的覆蓋度越高，對地表土壤的防護效果越好。已有的研究表明，蓋度為40%的天然灌草植被基本可以防止土壤風蝕。本研究區植被蓋度均超過40%，這些土地利用方式下的土壤風蝕和水蝕均得到了一定程度的控制。

3.2不同土地利用方式的土壤水分剖面特征

在黃土高原地區，不同的土地利用方式對土壤水分動態具有顯著影響[4-5]。該區土層深厚，降雨是土壤水分的唯一來源，土壤水分循環是較單純的降雨下行入滲和水分上行蒸發過程[11]。受降雨補給作用的影響，不同土地利用方式下0—100 cm土層的土壤水分變化活躍，100 cm以下土層土壤含水量隨土層深度增加趨于穩定。不同土地利用方式的平均土壤含水量由高到低依次為：農田>草地>林地>灌木地，而王國梁等[13]對黃土丘陵溝壑區不同土地利用方式下土壤水分特征的研究得出土壤平均含水量由高到低依次為：農田>草地>灌木地>林地，這主要是由于在本研究中林地中的蘋果園修建了梯田，顯著改善了土壤水分狀況，導致林地的土壤含水量高于灌木地。王志強等[15]研究得出農田的土壤水分狀態可以達到或超過中效水，本研究中梯田糜子和坡耕地的土壤水分為易效中效水，壩地玉米和梯田玉米的土壤水分為極易效水。這主要是由于一方面農作物的耗水量一般低于喬灌林木[16]，另一方面淤地壩和梯田建設顯著改善了土壤水分狀況。刺槐和檸條具有相對較高的蒸騰耗水量[17]，而且根系分布可達到甚至超過500 cm[18]，盡管深層的根系密度小[18]，但深層細根可以強烈消耗的下層土壤水分，導致深層土壤水分顯著減少，因此土壤水分為難效水。

3.3不同土地利用方式下土壤儲水量與地上生物量的關系

土壤儲水量的特征與植被根系分布和植被耗水特性相關。糜子和玉米的蒸騰耗水量較高[20]，且作物根系主要分布在表層，導致表層土壤水分的大量消耗，因此梯田糜子0—400 cm土層土壤儲水量沒有顯著性差異，壩地玉米和梯田玉米的最高土壤儲水量為100—200和200—300 cm。喬灌木和苜蓿的根系分布較深，導致深層土壤水分的大量消耗，尤其是檸條和刺槐100 cm以下土層的土壤儲水量都小于100 mm。李玉山[19]和程積民等[8]對苜蓿草地土壤水分虧缺的問題進行研究，認為多年連續種植苜蓿會導致土壤干化，土壤干層出現在200 cm 以下土層，本研究中苜蓿和檸條地也出現了土壤干層。植被的地上生物量受土壤水分[9]、養分[20]、地形等多種因素的綜合影響。王建國等[9]研究認為黃土高原水蝕風蝕交錯區不同土地利用方式的地上干生物量與0—100 cm土層的土壤儲水量呈顯著的正相關關系，黃德青等[7]研究認為根系主要分布層內的土壤含水量與地上生物量顯著相關，但本研究中不同植被的地上干物質量與土壤儲水量沒有顯著的相關關系，這可能是由于該區不同土地利用方式下的土壤特性和地形條件不同所導致的。

4　結 論

(1) 黃土丘陵區10種土地利用方式的地上鮮生物量與株高存在極顯著的正相關關系，地上干生物量為310.0～10 036.2 g/m2，平均地上干生物量大小依次為：林地>灌木地>農田>人工草地>天然草地。

(2) 受降雨補給作用的影響，10種土地利用方式0—100 cm土層土壤含水量較高，且土壤水分變異較大；100 cm以下土壤含水量相對穩定。根據土壤水分對植物的有效性，壩地玉米和梯田玉米100—500 cm土層的極易效水量分別為221.73和221.99 mm；檸條和刺槐的土壤含水量最低，土壤水分類型為難效水，分別為311.44和333.09 mm；坡地谷子、梯田糜子、人工草地、天然草地、沙棘和蘋果園的土壤水分為中效易效水。

(3) 黃土丘陵區人工林灌植被的種植導致深層土壤水分的大量消耗，不利于該區植被恢復和建設的可持續發展。

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Effects of Land Use Types on Soil Water and Aboveground Biomass in Loess Hilly Region

XIAO Lie1, LIU Guobin2,3, XUE Sha2,3, ZHANG Chao2

(1.StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048，China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100，China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofScienceandMinistryofWaterResource,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] Soil moisture under different land use patterns were measured and its links with the characteristics of plant communities were studied to provide guidance for the vegetation restoration and rehabilitation. [Methods] Based on field investigation, mathematical analysis was used. [Results] The aboveground dry biomass of main vegetation in Zhifanggou watershed ranged from 310.0 to 10 036.2 g/m2among ten land use types, and the mean aboveground dry biomass ranked as: forest land>shrub land>farmland>artificial grassland>natural grassland. There was a significant positive correlation between aboveground fresh biomass and vegetation height(R2=0.967 4，p<0.01). Soil moisture in 0—100 cm of different land use types had high content and varied greatly. Comparatively, the soil moisture content in 100—500 cm was nearly constant. The amount of most easily available soil moisture in check-dam and terrace withZ.maysplanted were 221.73 mm and 221.99 mm, respectively. The soil moistures inC.korshinskiiandR.pseudoacaciawere extremely low, with hardly-available soil moisture contents of 311.44 mm and 333.09 mm, respectively. Soil moistures in the other six land use types were classified as easily-moderately available soil moisture. [Conclusion] In the loess hilly region, all vegetation types, to a certain extent, can improve local ecological environment, but some artificial forest and shrub can lead to the excessive consumption of deep soil moisture, and are not propitious to the sustainable development of vegetation.

land use types; soil moisture content; aboveground biomass; loess hilly region

2013-07-11

2013-09-14

中國科學院戰略性先導科技專項“退耕還林(草)工程固碳速率和潛力研究”(XDA05060300); 西北農林科技大學基本科研業務費專項(ZD2013021); 陜西省科學技術研究發展計劃項目(2011KJXX63)

肖列(1987—),男(漢族),河北省保定市人,博士,講師,主要從事流域生態研究。E-mail:xiaosha525@163.com。

薛萐(1978—),男(漢族),陜西省西安市人,博士,副研究員,主要從事微生物生態與生態恢復的研究。E-mail:xuesha100@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0204-06

S152.7