普穎穎，張文太，李 政，顧祝軍，黃國(guó)平，胡雨彤，趙紅梅

(1.新疆土壤與植物生態(tài)過(guò)程自治區(qū)級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.南京曉莊學(xué)院 環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171)

伊犁河谷草地退化面積為221萬(wàn)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(yán)重退化，使得水土流失更為嚴(yán)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(shè)中亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。

植物生長(zhǎng)、蒸騰所消耗的水分主要來(lái)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(zhǎng)，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(jìn)植物的恢復(fù)和生長(zhǎng)。覆蓋措施是農(nóng)田保墑的重要技術(shù)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(guò)壟面聚集到溝中作物根部，改善了作物水分供應(yīng)狀況，進(jìn)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(zhǎng)提供更多水分。集雨補(bǔ)灌可有效解決植物生長(zhǎng)過(guò)程中自然降水與需水供需錯(cuò)位，實(shí)現(xiàn)降水資源的時(shí)空配置[9]。

目前，大部分關(guān)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(guān)集水對(duì)新疆天然草地植被恢復(fù)的研究鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)測(cè)定不同坡面管理措施下的表層土壤含水量及植被生長(zhǎng)指標(biāo)，探討坡面管理措施對(duì)草地植物生長(zhǎng)的影響，旨在為伊犁河谷退化草地生態(tài)恢復(fù)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(xiāo)。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(shí)數(shù)3 614 h，年均降水量206～512 mm，并以短時(shí)間降雨為主，無(wú)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(yàn)地使用的是錦州陽(yáng)光氣象科技公司生產(chǎn)的PC-4型便攜式自動(dòng)氣象站，用于監(jiān)測(cè)降雨等氣象要素。記錄儀每15 min記錄一次數(shù)據(jù)，當(dāng)氣象儀錄入一周的數(shù)據(jù)后，利用計(jì)算機(jī)導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在2019年4—9月進(jìn)行，以伊犁河谷自然草地坡面為研究對(duì)象，進(jìn)行土壤水分和植被監(jiān)測(cè)。

本試驗(yàn)選擇灰鈣土和棕紅土2種土壤類(lèi)型坡面，分別布設(shè)了枯草覆蓋、水平溝、增滲孔、單倍補(bǔ)灌、雙倍補(bǔ)灌及對(duì)照6種措施共12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為10 m×2 m。其中，單倍補(bǔ)灌小區(qū)的補(bǔ)灌量為小區(qū)面積上0.5 mm的日降雨量共計(jì)10 L，雙倍補(bǔ)灌小區(qū)的補(bǔ)灌量為小區(qū)面積上1 mm的日降雨量共計(jì)20 L，用噴灑方式一次性補(bǔ)灌完畢。在降雨后收集小區(qū)徑流，在無(wú)雨干旱時(shí)進(jìn)行補(bǔ)灌。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

小區(qū)監(jiān)測(cè)的植被都為自然恢復(fù)模式下的草地植物，灰鈣土小區(qū)植被2019年5月開(kāi)始恢復(fù)，恢復(fù)植物為伊犁蒿；棕紅土小區(qū)的植被恢復(fù)較晚，2019年7月才開(kāi)始恢復(fù)，恢復(fù)植物為豬毛菜。每個(gè)處理隨機(jī)選擇3株植物，在試驗(yàn)初始和試驗(yàn)結(jié)束后分別用鋼卷尺測(cè)定其株高、冠幅等指標(biāo)。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)設(shè)定3個(gè)1 m×1 m的樣方，每月測(cè)定一次植被覆蓋度，方法為采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)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(lái)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(jì)算照片區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋度[10]。在試驗(yàn)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(yàn)所需物后，使用1/100電子天平稱(chēng)量得到鮮質(zhì)量；之后將其裝在紙袋中帶回實(shí)驗(yàn)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(guó)Spectrum Field Scout TDR100便攜式土壤水分速測(cè)儀測(cè)定土壤水分。從2019年4月開(kāi)始，定時(shí)隨機(jī)監(jiān)測(cè)各個(gè)處理坡面上、中、下不同坡位表層0～10 cm的土壤含水量，無(wú)雨情況下每?jī)商毂O(jiān)測(cè)一次，有雨情況下雨后進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

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

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)日降雨特征及其對(duì)土壤水分的影響

2.1.1 日降雨特征

本試驗(yàn)于2019年4—9月連續(xù)對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)(圖1)。新疆降雨等級(jí)按日降雨量分為4個(gè)等級(jí)：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(cè)到29場(chǎng)小雨、4場(chǎng)中雨、1場(chǎng)大雨，以小雨居多。試驗(yàn)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(yàn)區(qū)日降雨量變化

2.1.2 降雨對(duì)表層土壤水分動(dòng)態(tài)變化的影響

本試驗(yàn)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(chǎng)不同類(lèi)型的日降雨，說(shuō)明降雨量對(duì)表層土壤水分動(dòng)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(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)22天。綜合3場(chǎng)降雨的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，降雨過(guò)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(duì)照高1.8百分點(diǎn)，棕紅土坡面上較對(duì)照高2.9百分點(diǎn)；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(duì)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(duì)照高0.8百分點(diǎn)，在棕紅土坡面上較對(duì)照高2.9百分點(diǎn)。棕紅土坡面持水性能好，儲(chǔ)水能力強(qiáng)，表層土壤含水量顯著高于灰鈣土坡面[12]，在不同降雨過(guò)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(dòng)態(tài)變化

圖3 9.6 mm降雨量各處理表層土壤含水量動(dòng)態(tài)變化

圖4 21.4 mm降雨量各處理表層土壤含水量動(dòng)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(yàn)期間各處理表層土壤含水量的統(tǒng)計(jì)特征值(表1)可見(jiàn)：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(duì)照高0.6百分點(diǎn)；土壤含水量變化最大和最小的處理分別為水平溝和對(duì)照，其變化值分別為15.0和12.0百分點(diǎn)。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(duì)照，兩種處理都較對(duì)照高1.5百分點(diǎn)；土壤含水量變化最大和最小的處理分別為水平溝和對(duì)照，其變化值分別為34.4和16.7百分點(diǎn)。各處理變異系數(shù)都為中等變異，說(shuō)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(lèi)型坡面上均為水平溝處理變動(dòng)幅度最大，這是因?yàn)樗綔咸幚碓诮涤旰竽軌驍r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(qiáng)，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(lèi)型坡面表層土壤含水量的統(tǒng)計(jì)特征值

2.3 坡面管理措施對(duì)草地恢復(fù)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(zhǎng)和冠幅凈增長(zhǎng)都顯著高于對(duì)照。兩種土壤類(lèi)型坡面上，均為枯草覆蓋處理的植物生長(zhǎng)狀況最好，其他依次為增滲孔、水平溝、雙倍補(bǔ)灌、單倍補(bǔ)灌。灰鈣土坡面上，不同坡面管理措施植物的凈增高度比對(duì)照高3.8～17.1 cm，凈增冠幅比對(duì)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(duì)照高5.0～17.7 cm，凈增冠幅比對(duì)照高269～2 305 cm2。

表2 不同坡面管理措施對(duì)兩種土壤類(lèi)型坡面植物生長(zhǎng)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(fù)狀況的關(guān)鍵指標(biāo)。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(zhǎng)量表現(xiàn)出相似的規(guī)律性?；意}土坡面上，枯草覆蓋處理植被恢復(fù)的效果最好，較對(duì)照提高了33.9百分點(diǎn)，增滲孔、水平溝、雙倍補(bǔ)灌和單倍補(bǔ)灌處理分別較對(duì)照提高了25.6、22.9、16.5和13.9百分點(diǎn)；棕紅土坡面上，枯草覆蓋、水平溝、增滲孔、雙倍補(bǔ)灌和單倍補(bǔ)灌處理分別較對(duì)照提高了41.6、30.2、35.1、27.6和19.9百分點(diǎn)。兩種土壤類(lèi)型坡面上，不同坡面管理措施下植被覆蓋度與對(duì)照處理均存在顯著性差異(p<0.05)，說(shuō)明坡面管理措施顯著促進(jìn)了植被恢復(fù)。

圖5 不同坡面管理措施對(duì)植被覆蓋度的影響

2.3.3 不同坡面管理措施對(duì)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(duì)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(duì)照提高了25.2%～67.3%。在兩種土壤類(lèi)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(fù)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(bǔ)灌>單倍補(bǔ)灌>對(duì)照。不同的坡面管理措施，能夠?qū)⒂邢薜慕涤昙皶r(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，使降雨過(guò)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(duì)坡面植物地上生物量的影響

3 討 論

表層土壤是整個(gè)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(duì)于深層土壤來(lái)說(shuō)，具有太陽(yáng)輻射強(qiáng)、溫度高、蒸發(fā)大、風(fēng)速快及受人類(lèi)活動(dòng)影響顯著的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致水分含量低、變異性強(qiáng)[13]。相對(duì)于深層土壤，表層土壤對(duì)降雨的反應(yīng)更為靈敏。本試驗(yàn)利用TDR水分速測(cè)儀監(jiān)測(cè)了0～10 cm土層土壤含水量的動(dòng)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(chǔ)存的水分保留率最高。試驗(yàn)小區(qū)設(shè)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(huì)保留相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)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(duì)植物生長(zhǎng)的影響。

通過(guò)對(duì)各處理表層土壤含水量的對(duì)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(bǔ)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(jìn)植物生長(zhǎng)。仝淑萍等[17]利用打孔澆水的方法來(lái)恢復(fù)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(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的一段時(shí)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(shí)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(dòng)幅度[19]，同時(shí)還可以降低高溫對(duì)植物根系的危害，并且其利用降雨效果好，從而促進(jìn)了新梢的生長(zhǎng)[20]。

4 結(jié) 論

試驗(yàn)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(dòng)，降雨量越大，各處理間差異越明顯，表層土壤含水量恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)。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(zhǎng)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(zhǎng)指標(biāo)，其中枯草覆蓋處理的植被恢復(fù)效果最優(yōu)，其后依次是增滲孔、水平溝、雙倍補(bǔ)灌、單倍補(bǔ)灌處理。以上結(jié)果有望為伊犁河谷水土保持植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。