張守綱， 樊 軍， 蓋佳敏

(西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，712100，陜西楊凌)

黃土高原土地的不合理利用是該地區(qū)水土流失的主要原因；該地區(qū)地下水埋藏較深，降水是土壤水分唯一補給來源[1-2]。大面積營建水土保持植被[3]，可改善生態(tài)環(huán)境，防治水土流失。不同植被類型對土壤水分的利用能力不同，黃土高原丘陵緩坡風沙區(qū)0～100 cm土層土壤含水量:苜蓿草地>檸條林地>玉米農(nóng)地，草地與林地比農(nóng)地更適于涵養(yǎng)土壤水分[4]。黃土高原地區(qū)刺槐人工林地主要消耗80 cm土層以下的水分[3]，且單純種植喬木，嚴重消耗土壤水分，使土壤出現(xiàn)“干層”[5]；由此可知，大面積營造高耗水林地，不利于水資源的合理利用及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。多種植被配置與單一植被處理相比更有利于增加土壤水分含量，提高土壤水分高效利用,防治土壤侵蝕[5-7]。研究顯示，黃土丘陵區(qū)農(nóng)林復合系統(tǒng)中棗樹能將深層土壤水釋放到表層被黃花菜和飼料油菜吸收利用[8]，且植被間對于土壤水分的競爭會導致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降[9-10]。農(nóng)林復合系統(tǒng)對于控制土壤退化，提高土壤資源承載力及土地生產(chǎn)力有重要作用[11]。

紫花苜蓿(Medicagosativa)在播種當年地表郁蔽度可接近100%，有效控制坡地土壤侵蝕、防治土壤退化[12]，苜蓿本身產(chǎn)量高、品質(zhì)好、富含蛋白質(zhì)，具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟效益[13]。苜蓿地土壤酶活性最高，能夠有效地提升土壤肥力條件[14]，有效地促進微生物群落的發(fā)展，提高細菌群落的多樣性[15],提高土地生產(chǎn)力。進行多種植被配置時要明確不同植被間土壤水分利用能力差異及相互影響。研究顯示：玉米地改種苜蓿后，土壤總耗水量增加20.17%[16]， 70 cm土層以下土壤含水量苜蓿低于長芒草地[17]，苜蓿根系吸水層達10 m以下，多年連續(xù)種植會導致土層干化[18]。苜蓿與羊草間隔條播，行間距為15 cm，苜蓿實際分布比例為11%、27%、53%、100%，苜蓿27%分布比例較其他分布比例生長季土壤平均含水量增加21.4%、36.4%、51.7%[19]。與苜蓿地相比較，荒草地含水量高于生長年限接近的苜蓿地，且土壤含水量隨生長年限的增加呈降低趨勢[20]。了解不同比例苜蓿小區(qū)內(nèi)土壤水分變化，對于黃土高原坡地水分持續(xù)利用和生態(tài)恢復具有重要意義。以往研究多為單一植被或固定區(qū)域內(nèi)農(nóng)林配置，對于坡面配置不同比例苜蓿牧草土壤水分狀況的研究較少，為更好調(diào)節(jié)苜蓿牧草與黃土高原土壤水分持續(xù)利用之間的平衡關系，筆者通過在黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)六道溝流域的坡面小區(qū)試驗，對比相同面積小區(qū)內(nèi)不同苜蓿配置比例的6個小區(qū)土壤水分的差異，旨在為黃土區(qū)坡面苜蓿種植合理配置提供理論依據(jù)，使黃土坡面土壤水分得到合理地利用。

1 研究區(qū)概況

田間試驗布設在陜西省神木市以西14 km處的六道溝小流域。該地區(qū)屬于黃土高原向毛烏素沙漠過度、流水作用的黃土丘陵區(qū)向干燥剝蝕作用的鄂爾多斯草原過度的水蝕風蝕交錯帶，該流域面積6.89 km2。年均降水量為466.3 mm(2003—2019年)，屬于中溫帶半干旱氣候，冬春季干旱少雨，夏秋多雨。現(xiàn)在主要土壤類型為沙黃土、新黃土、風沙土等[21]。坡面小區(qū)建于2006年， 佘冬立等[21]曾在該小區(qū)種植檸條林地、苜蓿草地、大豆農(nóng)地，后大豆農(nóng)地演變?yōu)樽匀涣袒摹?/p>

2 材料與方法

2.1 實驗處理

坡面小區(qū)面積15 m×4 m，坡度為12°。每個小區(qū)埋設3根3 m長鋁制中子儀測管(圖1)。撂荒地內(nèi)植被優(yōu)勢種為長芒草(Stipabungeana)。6種配置模式(由坡上至坡下)分別為:M1：單一撂荒處理;M2:撂荒-苜蓿(13∶2);M3:撂荒-苜蓿(2∶1);M4:撂荒-苜蓿(1∶1);M5:苜蓿-撂荒(1∶1);M6;撂荒-苜蓿(1∶2)。苜蓿已經(jīng)種植13年，旺盛生長期冠層高度為78 cm。撂荒地為11年自然撂荒草地，各小區(qū)本年度均無坡面徑流產(chǎn)生。2019年6—10月每月中旬采用CNC503B型中子儀測量土壤剖面體積含水量，在降雨3—5 d內(nèi)入滲深度會達到較深土層，進行加測1次。筆者選取雨季初期與雨季末期即6月與10月數(shù)據(jù)，分析經(jīng)過雨季作用，不同苜蓿比例小區(qū)內(nèi)土壤水分變化。測量深度為0～100 cm間隔10 cm，100～300 cm間隔20 cm。試驗區(qū)內(nèi)布設標準雨量筒，雨后用雨量筒測量降水量。2019年6月至10月份降雨量347.1 mm，占全年總降水量81.4%，試驗小區(qū)內(nèi)不進行任何人為干擾，依靠降水補充土壤水分。

中子管安設位置 Installation position of neutron tube. M1: Single abandonment treatment. M2: Abandonment : Alfalfa is 13∶2. M3: Abandonment : Alfalfa is 2∶1. M4: Abandonment: Alfalfa is 1∶1. M5: Alfalfa∶Abandonment is 1∶1. M6: Abandonment∶Alfalfa is 1∶2. The same below. 圖1 坡面不同苜蓿種植比例小區(qū)布設圖Fig.1 Plot distribution of slopes planted with different proportions of Medicago sativa

2.2 計算公式

θm=(m2-m1)/(m1-m)。

(1)

式中：θm為土壤質(zhì)量含水量，g/ g;m為鋁盒質(zhì)量,g;m1為烘干土質(zhì)量，g;m2為濕土質(zhì)量，g。

θ=(an/N+b)ρb。

(2)

式中:θ為土壤體積含水量，cm3/cm3;a為直線斜率;n為中子儀讀數(shù);N為標準計數(shù)值，測量期間N=667;b為y軸截距;ρb為土壤密度，ρb=1.35 g/cm3。校正方程如圖2所示。

n：Neutron number. N: Standard count圖2 中子儀校正曲線Fig.2 Correction curve of neutron instrument

不同土層土壤貯水量計算公式:

W=10θH。

(3)

式中:W為土壤貯水量，mm;H為土層深度，cm。

黃土高原土層深厚，地下水較深，深層土壤水分變化很小[3]，坡面小區(qū)為多年生苜蓿及自然荒草地，無徑流產(chǎn)生，因此水量平衡方程可表示為:

ET=P-ΔW。

(4)

式中:ET為蒸散量，mm;P為降水量，mm;ΔW為土壤貯水量季初與季末的變化量，mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 對土壤水分含量的影響

雨季前后坡面不同苜蓿種植比例小區(qū)0～300 cm土層含水量分布及其變異(圖3)表明，M1小區(qū)土壤水分含量高于其他小區(qū)。不同比例苜蓿種植小區(qū)含水量隨苜蓿地比例的增加逐漸減少。各小區(qū)在0～100 cm土層含水量隨土層深度的增加呈上升趨勢，坡面M2與M3小區(qū)中苜蓿面積較小，0～300 cm土層含水量相對較高，在100～300 cm土層含水量呈先減后增趨勢。等比例配置小區(qū)中，M4小區(qū)苜蓿地位于坡下，100～300 cm土層含水量呈先減后增趨勢，高于M5小區(qū)中坡上苜蓿地，且M5小區(qū)土壤含水量最低。M6小區(qū)內(nèi)苜蓿地面積為三分之二，M5、M6小區(qū)在0～25 cm土層含水量有所增加，在25～300 cm土層含水量保持較低水平。單一撂荒地處理小區(qū)，坡下土壤含水量變化較大，對于小區(qū)平均土壤含水量影響較大。撂荒地、苜蓿地配置小區(qū)中，M2小區(qū)坡面平均土壤含水量最高，M6小區(qū)最低。M2小區(qū)坡面平均含水量分別比M3、M4、M6小區(qū)高3.5%、9.5%、40.2%。

圖3 6種配置模式小區(qū)土壤水分狀況Fig.3 Soil moisture status of six configuration plots

坡面不同苜蓿種植比例小區(qū)0～300 cm土層土壤含水量存在差異(圖4)。同小區(qū)內(nèi)0～75 cm土層中坡上撂荒地土壤含水量低于坡下苜蓿地，且該土層撂荒地與苜蓿地土壤含水量受降雨補給有所增加。深層土壤水分被苜蓿消耗，土壤含水量在75～225 cm土層中呈下降趨勢，225～300 cm土層中土壤含水量幾乎無變化，由此可知苜蓿耗水深度超過了300 cm。M5小區(qū)，坡上苜蓿地含水量在0～300 cm土層幾乎無變化。坡下撂荒地，50～250 cm土層土壤含水量呈下降趨勢。M4小區(qū)，100～300 cm土層各個坡位均呈先下降后增加趨勢。M1小區(qū)，0～100 cm土層中土壤含水量由坡頂至坡底呈上升趨勢，100～300 cm土層土壤水分含量坡中最高。配置小區(qū)內(nèi)降水入滲深度由坡上至坡下逐漸降低。苜蓿地降水入滲深度幾乎不受坡位影響，均為50～60 cm。退耕撂荒地降水入滲深度高于苜蓿地，坡上撂荒地內(nèi)降水入滲深度為100～220 cm。坡中撂荒地降水入滲深度為60～100 cm。坡下撂荒地降水入滲深度為60 cm。單一撂荒地處理(M1)小區(qū)中各坡位降水入滲深度最深，坡上降水入滲深度達250 cm，坡中降水入滲深度達120 cm，坡下降水的入滲深度達60 cm。M4小區(qū)，撂荒地與苜蓿地交界處時降水補給入滲深度為80 cm，M5小區(qū)中苜蓿地與撂荒地交界處降水入滲深度為120 cm。

圖4 植被配置小區(qū)土壤剖面含水量特征Fig.4 Moisture content characteristics of soil profile in different vegetation configuration plots

3.2 水量平衡差異

坡面不同苜蓿種植比例小區(qū)，土壤水量平衡狀況存在差異(表1)，配置小區(qū)總土壤貯水量隨苜蓿地所占面積的增加而降低，M1、M2與M3小區(qū)在雨季初期土壤貯水量相近，在雨季末期，貯水量逐漸降低。貯水量的變化受到苜蓿所處小區(qū)位置的影響，在撂荒地與苜蓿地1∶1配置小區(qū)中，M5小區(qū)(苜蓿位于上坡)貯水量低于M4小區(qū)(苜蓿位于下坡)，且M5、M4小區(qū)內(nèi)貯水量在雨季后均略有降低，M5小區(qū)中貯水量最低。M1小區(qū)(單一撂荒地處理)貯水量最高。M6小區(qū)在坡面小區(qū)中苜蓿地所占比例最高，雨季前后土壤貯水量略有下降，土壤貯水量僅高于M5小區(qū)。蒸散量受貯水量變化的影響，坡面小區(qū)蒸散量順序為：M4>M5>M6>M3>M2>M1，單一撂荒地處理小區(qū)內(nèi)蒸散量最低。

表1 坡面不同苜蓿種植比例小區(qū)雨季初期與雨季末期水量平衡狀況Tab.1 Changes of water storage in slope plot at thebeginning and end of rainy season mm

不同苜蓿種植比例小區(qū)雨季前后土壤貯水量存在明顯差異(圖5)。不同坡位0～100 cm土層貯水量有明顯增長，坡下苜蓿地貯水量高于坡上撂荒地。0～300 cm土層，坡上苜蓿地貯水量增加12.4 mm，坡中苜蓿地貯水量增加8.1 mm，坡下的苜蓿地貯水量最高降低66.1 mm，最少為19.4 mm。苜蓿地位于坡上與坡中時，0～100 cm土層貯水量在雨季后均有增加，坡上增加9.8 mm，坡中增加13.2 mm。100～300 cm土層貯水量分別保持在144～145 mm和162～163 mm，使苜蓿地貯水量呈增加狀態(tài)。坡上與坡中苜蓿地貯水量低于坡下苜蓿地。苜蓿地位于坡下時，0～100 cm土層貯水量保持在161～163 mm，無明顯的變化。100～300 cm土層貯水量雨季后出現(xiàn)明顯的降低，降低了39.6 mm。該坡位苜蓿地貯水量呈降低狀態(tài)。苜蓿地與撂荒地相鄰處土壤貯水量M4小區(qū)中貯水量降低10.6 mm，M5小區(qū)中貯水量增加11.9 mm。

圖5 配置小區(qū)不同土層深度貯水量差異Fig.5 Soil water storage difference of different soil layers in configuration plots

4 討論

多年生苜蓿根系生長較深[22]，耗水量較高[23]，連續(xù)大面積種植苜蓿會造成土壤水分虧缺出現(xiàn)土壤干層，影響苜蓿生產(chǎn)力和水分利用效率[13]，使苜蓿地內(nèi)土壤含水量處于較低水平。撂荒地內(nèi)為淺根型草本植物，主要吸收淺層土壤水分為主、耗水量低，使得深層土壤含水量相對較高。深根性植物檸條與苜蓿相鄰生長，會迅速耗盡土壤水分，不利于植物生長，檸條地、苜蓿地與撂荒地、農(nóng)地相鄰配置有利于不同土層土壤水分的利用[24]。單一撂荒地配置小區(qū)內(nèi)，在0～100 cm土層中土壤水分含量由坡頂至坡底逐漸增高與佘冬立等研究結(jié)果一致，即表層土壤水分從小區(qū)上部到下部隨坡長的增加而增加[21]。單一撂荒地處理小區(qū)總土壤貯水量高于撂荒地-苜蓿地配置小區(qū)，但是在黃土高原生態(tài)恢復中，坡耕地僅通過撂荒恢復的自然演替植被，不利于防治土壤侵蝕[6]和土壤水分的高效利用。人工種植一定比例的苜蓿能夠有效地解決這一問題。經(jīng)過整個雨季，各個配置小區(qū)不同坡位0～100 cm土層，土壤水分含量明顯增加，是因為降雨入滲深度主要集中在該土層范圍內(nèi)，這與王云強[25]研究結(jié)果一致。而100～300 cm土層受到降水補給影響較小，土壤含水量隨土層深度的增加逐漸降低。劉春利等[26]也報道在水分補償期(4月至9月)與穩(wěn)定期(10月至翌年1月)，土壤含水量均隨土層深度的增加而遞減。撂荒地表層降水入滲量由坡上至坡下逐漸增多，可能是由于撂荒小區(qū)表層土壤密度由坡上至坡下逐漸降低，影響降水的入滲過程[27]。有研究顯示苜蓿在0～100 cm土層土壤水分利用率100%，100～200 cm土壤水分利用率90%～100%，200～300 cm土壤水分利用率達95%[28]，水分利用效率高于自然撂荒地。苜蓿為避免受到干旱脅迫，會促使根系吸收更深層土壤水分，減輕降雨不足的影響[5]。苜蓿地位于坡上時(圖4-M4)，雨季前后50 cm以下土壤水分基本保持不變，并已接近凋萎含水量，為維持正常生理需水，苜蓿根系向側(cè)向生長，使苜蓿地與撂荒地相鄰處土壤含水量降低。當苜蓿地位于坡下時(圖4)，二者相鄰處土壤含水量相對較高。不同苜蓿種植比例小區(qū)，隨苜蓿地所占比例的增加，土壤總貯水量降低，因為苜蓿的耗水量會隨密度的增大而增大[23]。有研究顯示，在坡面下部植被覆蓋面積超過20%就可以有效阻止上方水土流失[21]，其中圖5-M2模式土壤貯水量最高，苜蓿覆蓋面積為13.3%，坡面小區(qū)已無徑流產(chǎn)生。所以，M2配置模式更有利于防治水土流失及坡地小區(qū)內(nèi)植被恢復和土壤水分的積蓄。

5 結(jié)論

不同的苜蓿種植比例導致土壤水分分布存在差異，苜蓿對土壤水分的利用能力強于當?shù)刈匀换謴偷牟莸兀俎５匚挥谛^(qū)坡下時，兩植被相鄰處土壤含水量及整個小區(qū)土壤含水量均高于苜蓿位于小區(qū)坡上。隨坡地人工苜蓿地配置比例增大，小區(qū)總貯水量降低，土壤水分在自然降水作用下無法恢復。坡面植被配置應該減少高耗水植被配置的比例。撂荒地與苜蓿地配置比例為13∶2時坡面水土流失得到控制，且土壤水分狀況良好。