伊犁河谷坡面管理措施對表層土壤儲水和草被恢復的影響

普穎穎，張文太，李 政，顧祝軍，黃國平，胡雨彤，趙紅梅

(1.新疆土壤與植物生態(tài)過程自治區(qū)級重點實驗室/新疆農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.南京曉莊學院 環(huán)境科學學院，江蘇 南京 211171)

伊犁河谷草地退化面積為221萬hm2，占草地總面積的64.7%[1]，退化主要表現(xiàn)為植被蓋度降低、地上生物量減少、草層變矮等[2]。草地嚴重退化，使得水土流失更為嚴重[3]。因此，如何防止草地退化、提高植被覆蓋度，以減少土壤侵蝕，是目前伊犁河谷生態(tài)建設中亟待解決的一個問題。

植物生長、蒸騰所消耗的水分主要來源于降水或灌溉所形成的土壤水[4]。土壤水直接影響植物的生長，且受降水、蒸發(fā)、蒸散及地下水等因素的影響而不斷變化[5]。利用一些集雨措施提高土壤水含量，能促進植物的恢復和生長。覆蓋措施是農(nóng)田保墑的重要技術措施之一，能顯著改善土壤水分狀況，提高降水資源利用效率[6]。壟溝集雨種植系統(tǒng)在田間形成作物水分微環(huán)境，使降水通過壟面聚集到溝中作物根部，改善了作物水分供應狀況，進而提高了作物產(chǎn)量[7]。ATKINSON et al.[8]研究表明，打孔有益于改善土壤的物理性狀，使得水分可以快速滲透土壤，從而提高土壤含水量，為植被生長提供更多水分。集雨補灌可有效解決植物生長過程中自然降水與需水供需錯位，實現(xiàn)降水資源的時空配置[9]。

目前，大部分關于集雨保水措施的研究集中于農(nóng)田作物方面，且多集中于黃土高原等地區(qū)，有關集水對新疆天然草地植被恢復的研究鮮有報道。本研究通過測定不同坡面管理措施下的表層土壤含水量及植被生長指標，探討坡面管理措施對草地植物生長的影響，旨在為伊犁河谷退化草地生態(tài)恢復提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于伊寧市北山坡九城生態(tài)園，地理位置81°09′E、48°53′N。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊禋夂騾^(qū)，年均氣溫9.2 ℃，最低氣溫-36 ℃，年均日照時數(shù)3 614 h，年均降水量206～512 mm，并以短時間降雨為主，無霜期178 d。自然植被覆蓋度較低，以多年生蒿屬及一年生豬毛菜等為主。

試驗地使用的是錦州陽光氣象科技公司生產(chǎn)的PC-4型便攜式自動氣象站，用于監(jiān)測降雨等氣象要素。記錄儀每15 min記錄一次數(shù)據(jù)，當氣象儀錄入一周的數(shù)據(jù)后，利用計算機導出數(shù)據(jù)。

1.2 試驗設計

試驗在2019年4—9月進行，以伊犁河谷自然草地坡面為研究對象，進行土壤水分和植被監(jiān)測。

本試驗選擇灰鈣土和棕紅土2種土壤類型坡面，分別布設了枯草覆蓋、水平溝、增滲孔、單倍補灌、雙倍補灌及對照6種措施共12個小區(qū)，每個小區(qū)面積為10 m×2 m。其中，單倍補灌小區(qū)的補灌量為小區(qū)面積上0.5 mm的日降雨量共計10 L，雙倍補灌小區(qū)的補灌量為小區(qū)面積上1 mm的日降雨量共計20 L，用噴灑方式一次性補灌完畢。在降雨后收集小區(qū)徑流，在無雨干旱時進行補灌。

1.3 指標測定

小區(qū)監(jiān)測的植被都為自然恢復模式下的草地植物，灰鈣土小區(qū)植被2019年5月開始恢復，恢復植物為伊犁蒿；棕紅土小區(qū)的植被恢復較晚，2019年7月才開始恢復，恢復植物為豬毛菜。每個處理隨機選擇3株植物，在試驗初始和試驗結(jié)束后分別用鋼卷尺測定其株高、冠幅等指標。每個小區(qū)隨機設定3個1 m×1 m的樣方，每月測定一次植被覆蓋度，方法為采用數(shù)碼相機對樣方垂直拍攝，然后在后期利用Photoshop軟件的“選擇”中的“色彩范圍”來選取一定特征的像素，從而根據(jù)所選像素占照片總像素的比例計算照片區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋度[10]。在試驗期末，將灰鈣土和棕紅土樣方內(nèi)的地上部分齊地面刈割，去除表面黏附的土壤、礫石等非試驗所需物后，使用1/100電子天平稱量得到鮮質(zhì)量；之后將其裝在紙袋中帶回實驗室，在105 ℃條件下殺青約10 min后，再置于70 ℃烘箱中烘干至恒定質(zhì)量，得到干質(zhì)量。

利用美國Spectrum Field Scout TDR100便攜式土壤水分速測儀測定土壤水分。從2019年4月開始，定時隨機監(jiān)測各個處理坡面上、中、下不同坡位表層0～10 cm的土壤含水量，無雨情況下每兩天監(jiān)測一次，有雨情況下雨后進行監(jiān)測。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析，采用Duncan多重比較法進行方差分析(α=0.05)，用Excel 2016作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗區(qū)日降雨特征及其對土壤水分的影響

2.1.1 日降雨特征

本試驗于2019年4—9月連續(xù)對試驗區(qū)進行了氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測(圖1)。新疆降雨等級按日降雨量分為4個等級：小雨(0.1～6.0 mm)、中雨(6.1～12.0 mm)、大雨(12.1～24.0 mm)和暴雨(≥24.1 mm)[11]。4—9月共觀測到29場小雨、4場中雨、1場大雨，以小雨居多。試驗區(qū)最大日降雨量為21.4 mm，出現(xiàn)在4月，此次降雨大部分以地表徑流的形式損失，小部分入滲到坡面土壤中；最小日降雨量為0.2 mm，出現(xiàn)在6月和7月，降雨大部分入滲到坡面土壤中。

圖1 試驗區(qū)日降雨量變化

2.1.2 降雨對表層土壤水分動態(tài)變化的影響

本試驗選擇大雨(4月25日21.4 mm降雨)、中雨(8月17日9.6 mm降雨)、小雨(7月24日4.6 mm降雨)3場不同類型的日降雨，說明降雨量對表層土壤水分動態(tài)變化的影響。由圖2—4可知，各處理間土壤含水量的變化在不同降雨量下表現(xiàn)不一致，降雨量越大，各處理恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越長，最長可達22天。綜合3場降雨的觀測數(shù)據(jù)來看，降雨過后，水平溝處理表層土壤含水量的上升幅度最大，灰鈣土坡面上較對照高1.8百分點，棕紅土坡面上較對照高2.9百分點；在各處理土壤含水量下降到穩(wěn)定狀態(tài)期間，前3天內(nèi)表層土壤含水量下降速率最快。各處理與對照的差異表現(xiàn)為枯草覆蓋處理土壤含水量最大，在灰鈣土坡面上較對照高0.8百分點，在棕紅土坡面上較對照高2.9百分點。棕紅土坡面持水性能好，儲水能力強，表層土壤含水量顯著高于灰鈣土坡面[12]，在不同降雨過后，各處理間表層土壤含水量的差異也較灰鈣土坡面明顯。

圖2 4.6 mm降雨量各處理表層土壤含水量動態(tài)變化

圖3 9.6 mm降雨量各處理表層土壤含水量動態(tài)變化

圖4 21.4 mm降雨量各處理表層土壤含水量動態(tài)變化

2.2 不同坡面管理措施表層土壤水分變化特征

分析試驗期間各處理表層土壤含水量的統(tǒng)計特征值(表1)可見：灰鈣土坡面上，各處理表層土壤含水量均值差異不顯著(p>0.05)，以枯草覆蓋處理表層土壤含水量最高，較對照高0.6百分點；土壤含水量變化最大和最小的處理分別為水平溝和對照，其變化值分別為15.0和12.0百分點。棕紅土坡面上，枯草覆蓋和增滲孔處理表層土壤含水量均值顯著高于對照，兩種處理都較對照高1.5百分點；土壤含水量變化最大和最小的處理分別為水平溝和對照，其變化值分別為34.4和16.7百分點。各處理變異系數(shù)都為中等變異，說明表層土壤含水量變異性較大。比較各處理間土壤含水量的變異系數(shù)，兩種土壤類型坡面上均為水平溝處理變動幅度最大，這是因為水平溝處理在降雨后能夠攔蓄大量雨水，使表層土壤含水量大幅增加，但后期溫度升高，蒸發(fā)加強，表層土壤含水量又迅速下降。

表1 不同坡面管理措施下兩種土壤類型坡面表層土壤含水量的統(tǒng)計特征值

2.3 坡面管理措施對草地恢復的影響

2.3.1 草被高度及冠幅的變化

由表2可知，不同坡面管理措施下的植物株高凈增長和冠幅凈增長都顯著高于對照。兩種土壤類型坡面上，均為枯草覆蓋處理的植物生長狀況最好，其他依次為增滲孔、水平溝、雙倍補灌、單倍補灌。灰鈣土坡面上，不同坡面管理措施植物的凈增高度比對照高3.8～17.1 cm，凈增冠幅比對照高314.7～1 779.1 cm2；棕紅土坡面上，不同坡面管理措施下植物的凈增高度比對照高5.0～17.7 cm，凈增冠幅比對照高269～2 305 cm2。

表2 不同坡面管理措施對兩種土壤類型坡面植物生長量的影響

2.3.2 植被覆蓋度的變化

植被覆蓋度是衡量植被恢復狀況的關鍵指標。由圖5可知，不同坡面管理措施下的植被覆蓋度與植物的高度及冠幅的增長量表現(xiàn)出相似的規(guī)律性。灰鈣土坡面上，枯草覆蓋處理植被恢復的效果最好，較對照提高了33.9百分點，增滲孔、水平溝、雙倍補灌和單倍補灌處理分別較對照提高了25.6、22.9、16.5和13.9百分點；棕紅土坡面上，枯草覆蓋、水平溝、增滲孔、雙倍補灌和單倍補灌處理分別較對照提高了41.6、30.2、35.1、27.6和19.9百分點。兩種土壤類型坡面上，不同坡面管理措施下植被覆蓋度與對照處理均存在顯著性差異(p<0.05)，說明坡面管理措施顯著促進了植被恢復。

圖5 不同坡面管理措施對植被覆蓋度的影響

2.3.3 不同坡面管理措施對草地地上生物量的影響

由表3可知，在灰鈣土坡面，不同坡面管理措施下的地上生物量相比對照提高了45.2%～257.6%；在棕紅土坡面，不同坡面管理措施下的地上生物量相比對照提高了25.2%～67.3%。在兩種土壤類型坡面上，坡面管理措施均顯著提高了草地地上生物量，其中以枯草覆蓋處理地上生物量提高最多，草被恢復效果最好，其他處理提高生物量的效果依次為增滲孔>水平溝>雙倍補灌>單倍補灌>對照。不同的坡面管理措施，能夠?qū)⒂邢薜慕涤昙皶r存儲起來，使降雨過后草地植物能繼續(xù)利用，從而提高了草地植物的地上生物量。

表3 不同坡面管理措施對坡面植物地上生物量的影響

3 討 論

表層土壤是整個土壤圈與外界環(huán)境的接觸面，直接受到外在環(huán)境的影響，相對于深層土壤來說，具有太陽輻射強、溫度高、蒸發(fā)大、風速快及受人類活動影響顯著的特點，從而導致水分含量低、變異性強[13]。相對于深層土壤，表層土壤對降雨的反應更為靈敏。本試驗利用TDR水分速測儀監(jiān)測了0～10 cm土層土壤含水量的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)在降雨后3天內(nèi)表層土壤含水量較高。MCCOLL et al.[14]的研究有著相似的結(jié)論，即在降雨后3天內(nèi)，表層土壤可保持14%的含水量，并且在干旱地區(qū)和地下水排泄量最低的地區(qū)3天內(nèi)表層土壤儲存的水分保留率最高。試驗小區(qū)設置在坡面上，降雨后水分的位移有縱向，還有側(cè)向，表層土壤水分在降雨后變化很快，而深層的土壤水分則會保留相當長一段時間。后期可以研究各坡面管理措施下不同深度土壤含水量的變化對植物生長的影響。

通過對各處理表層土壤含水量的對比分析可以得出，不同坡面管理措施在降雨后作用明顯。其中，水平溝處理在降雨后的表層土壤含水量最大，這是由于在降雨補充下水平溝可以集蓄大量雨水，使表層土壤含水量大幅度增加[15]。張登奎等[16]利用壟溝集雨種植紅豆草使得土壤水分、株高、產(chǎn)量等得到了提高。增滲孔處理可以加速雨水的下滲速度，使得雨水最大化流向植物根部，從而促進植物生長。仝淑萍等[17]利用打孔澆水的方法來恢復退化草地，提高了植物地上生物量。但在降雨后表層土壤含水量恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的一段時間里，枯草覆蓋處理土壤水分下降速率最為緩慢，主要是由于地面的枯草有利于緩和土壤溫度變化，在高溫時有隔熱的作用[18]，有效地減弱了0～20 cm土層土壤含水量的波動幅度[19]，同時還可以降低高溫對植物根系的危害，并且其利用降雨效果好，從而促進了新梢的生長[20]。

4 結(jié) 論

試驗結(jié)果表明，降雨的變化使得表層土壤含水量變化出現(xiàn)波動，降雨量越大，各處理間差異越明顯，表層土壤含水量恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越長。降雨使得不同坡面管理措施的表層土壤含水量出現(xiàn)差異，從而造成植物生長的差異。坡面管理措施顯著提高了草地植物的株高、冠幅、植被覆蓋度、地上生物量等生長指標，其中枯草覆蓋處理的植被恢復效果最優(yōu)，其后依次是增滲孔、水平溝、雙倍補灌、單倍補灌處理。以上結(jié)果有望為伊犁河谷水土保持植被恢復提供科學依據(jù)。