四川丘陵旱區(qū)不同人工草地土壤水分動態(tài)變化規(guī)律研究

王學(xué)春，王萌冉，楊國濤，王紅妮

(1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 綿陽 621010； 2.西南科技大學(xué)成人網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院， 四川 綿陽 621010)

四川西北部丘陵區(qū)以坡耕地為主，土質(zhì)疏松，水土流失嚴(yán)重，區(qū)域內(nèi)年均降雨量800～1 000 mm，春季和冬季降雨較少，70%以上的降水集中在夏秋兩季，降水集中且強度大，極易發(fā)生泥石流，水土流失嚴(yán)重[1-2]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，四川丘陵區(qū)年均土壤侵蝕模數(shù)為3 798～9 831 t·km-2·a-1，是我國土壤侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)之一[3]。傳統(tǒng)種植模式(麥-玉/苕和麥-玉/豆)在夏季地表覆蓋度較高，一定程度緩解了四川丘陵區(qū)的水土流失問題[4-6]；然而，隨著農(nóng)村勞動力的下降，坡耕地麥-玉/苕(豆)種植模式逐漸被小麥-玉米種植模式取代，甚至被直接棄種撂荒[3]。坡耕地種植模式的改變，一方面不利于該地區(qū)糧食生產(chǎn)，另一方面也加劇了該地區(qū)的水土流失。黑麥草、苜蓿和菊苣等飼草作物可以全年覆蓋地表，尤其在多雨的夏秋季，地表覆蓋度較高，可以有效緩解丘陵坡耕地水土流失問題[7-10]，顯著提高飼草生產(chǎn)能力，促進本地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展。

四川西北部丘陵區(qū)屬于亞熱帶山地季風(fēng)氣候，降水相對較豐沛，但日照時數(shù)嚴(yán)重不足。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，四川盆地年均日照時數(shù)1 000～1 400 h，比同緯度的長江下游地區(qū)少600～800 h，這種陰雨寡照氣候，非常有利于飼草作物的營養(yǎng)生長，而不利于糧食作物的生殖生長[2-3]。從氣候條件角度考慮，在四川丘陵區(qū)發(fā)展飼草產(chǎn)業(yè)具有一定優(yōu)勢。然而，在一個地區(qū)引入新物種構(gòu)建新種植模式，僅僅考慮氣候條件是不夠的。例如，苜蓿相對耐旱，能夠適應(yīng)黃土高原干旱的氣候條件，理論上有利于提高本地區(qū)飼草生產(chǎn)能力，然而相關(guān)研究表明，在黃土高原連續(xù)種植苜蓿6～7年后，深層土壤水分被大量消耗，會形成永久土壤干層[11-14]，不利于本地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，有必要系統(tǒng)研究黑麥草、菊苣、苜蓿等人工草地的土壤水分變化規(guī)律，明確飼草作物在四川丘陵坡耕地種植后對土壤水分的影響。

本研究采用長期定位觀測的方法，系統(tǒng)分析了四川丘陵旱區(qū)不同人工草地土壤水分動態(tài)變化規(guī)律，明確了人工草地對坡耕地土壤水分的影響，為本地區(qū)坡耕地人工草地水分管理及糧食-飼草種植模式構(gòu)建提供必要理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

綿陽位于四川盆地西北部，境內(nèi)山地占61.0%，丘陵占20.4%，平壩占18.6%。年均氣溫14.7℃～17.3℃，年日照時數(shù)1 100～1 328 h，日照百分率不足30%，無霜期較長(252～300 d)，降水豐沛(826～1 417 mm·a-1)，季節(jié)性干旱頻發(fā)，屬于典型的高溫寡照天氣。山地和丘陵區(qū)主要種植小麥、玉米、黃豆和紅苕等作物，平壩區(qū)主要種植油菜、小麥和水稻等作物。

本實驗于2013—2015年在綿陽丘陵坡耕地展開(坡度為10°)，試驗地土壤為綿陽丘陵區(qū)典型土壤—黃泥土，土壤容重為1.1 g·cm-3，常年含水量為9.2%～20.1%，萎蔫系數(shù)為7.5%，有機質(zhì)含量為23.0 g·kg-1，土壤全氮、全磷和全鉀含量分別為1.1、0.22 g·kg-1和15.6 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計3種人工草地，人工黑麥草地、人工菊苣地和人工苜蓿地。黑麥草品種為卡特；菊苣品種為晶玉；苜蓿品種為普拉托。每種人工草地設(shè)計3次重復(fù)，共計9個小區(qū)，每個小區(qū)面積20 m2(4 m×5 m)，采用隨機區(qū)組設(shè)計。黑麥草、菊苣和苜蓿的播種量分別為15、5 kg·hm-2和20 kg·hm-2；其前茬均為玉米，三種人工牧草分別于每年9月以條播方式建植。所有處理的人工草地建植后均不灌水。

1.3 取樣分析

2013—2015年，每月觀測0～100 cm土層(0～10、10～20、20～40，40～60，60～80，80～100 cm)土壤水分1次。采用土鉆法獲得土樣，烘干法測定土壤重量含水率。黑麥草、菊苣和苜蓿按照當(dāng)?shù)仫暡萆a(chǎn)管理措施，適期刈割并測定其飼草產(chǎn)量，其中黑麥草每年收獲4茬，菊苣每年收獲5茬，苜蓿每年收獲5茬。有降雨發(fā)生時，記錄降水量、徑流量和徑流產(chǎn)生時間等信息，徑流量采用量筒法測定。

1.4 計算方法

土壤有效含水量(ASW)的計算方法如式(1)和式(2)所示。

(1)

ASWi=(SWi-WPi)×Pi×Hi×10

(2)

式中，ASW為0～1.0 m土層土壤有效含水量(mm)，ASWi為第i土層土壤有效含水量(mm)，n為所測定的最大土層數(shù)，SWi為第i土層土壤濕度(%)，WPi為第i土層土壤萎蔫系數(shù)(%)，Pi為第i土層土壤容重(g·cm-3)，Hi為第i土層厚度(cm)。

土壤蓄水率(Er)和土壤耗水率(Eh)分別依據(jù)式(3)和式(4)進行計算。

(3)

(4)

式中，Er為土壤蓄水率(%)，Ra為降水量(mm)，Ru為地表徑流量(mm)；Eh為土壤耗水率(%)，Ws1為月初土壤蓄水量(mm)，Ws2為月末土壤蓄水量(mm)。

水分利用效率的計算方法如式(5)所示。

(5)

式中，WUE為不同人工草地的水分利用效率(kg·mm-1·hm-2)，Y為鮮草產(chǎn)量(t·hm-2)，Ra為降水量(mm)，Ru為地表徑流量(mm)，SW1為第n次飼草刈割后土壤貯水量(mm)，SW0為第n-1次刈割后土壤貯水量(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同人工草地逐月土壤有效含水量變化

圖1表明，1—12月黑麥草地、菊苣地、苜蓿地0～100 cm土層月均土壤有效含水量分別為177.2、189.3 mm和188.8 mm；統(tǒng)計結(jié)果表明，苜蓿地和菊苣地月均土壤有效含水量差異不顯著(P<0.05)，二者均顯著高于黑麥草地；1—4月受降水和作物消耗等影響，土壤有效含水量較低，人工黑麥草地、菊苣地和苜蓿地0～100 cm土層月均土壤有效含水量分別為150.0、126.2 mm和131.2 mm，顯著低于全年平均值；6—9月黑麥草地、菊苣地和苜蓿地0～100 cm土層土壤有效含水量較高，月均土壤有效含水量分別為228.5、263.1 mm和273.1 mm，均顯著高于全年平均值。

圖1 2013—2015年四川丘陵旱區(qū)不同人工草地0～100 cm土層逐月平均土壤有效含水量

Fig.1 Monthly available soil water in 0～100 cm soil for different artificial grass land in slope field at the hilly regions of Sichuan Province during 2013 to 2015

隨著降水量的增加，從5月開始，黑麥草地、菊苣地和苜蓿地的土壤有效含水量逐月增加；受作物消耗的影響，從6月開始，不同人工草地0～100 cm土層土壤有效含水量變化規(guī)律開始有差異，其中黑麥草地在9月達(dá)到最大值(253 mm)，菊苣地在8月達(dá)到最大值(284 mm)，苜蓿地在7月達(dá)到最大值(309 mm)?？傮w而言，9月之后，隨著降水的減少，人工草地0～100 cm土層土壤有效含水量呈下降趨勢。12月黑麥草地、菊苣地和苜蓿地0～100 cm土層土壤有效含水量分別為165.0、104.8 mm和131.9 mm；與9月相比，分別降低了35%、59%和38%。表明在降水較少的10—12月，三種牧草在一定程度上消耗了6—9月蓄積的土壤水分。

2.2 不同人工草地土壤重量含水率剖面分布與變化

人工草地0～40 cm土層土壤重量含水率變化幅度顯著高于60～100 cm土層。從1月到12月，黑麥草地、菊苣地和苜蓿地0～40 cm土層土壤重量含水率分別為6.3%～20.3%、6.53%～19.9%和6.02%～24.1%，60～100 cm土層分別為7.1%～14.0%、7.5%～13.6%和7.3%～18.6%。隨著降水的變化，0～100 cm土層土壤重量含水率表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢。從第一季度(1—3月)到第三季度(7—9月)土壤重量含水率呈增加趨勢，從第四季度(10—12月)到翌年第一季度土壤重量含水率呈降低趨勢(圖2)。

圖2 2013—2015年四川丘陵旱區(qū)不同人工草地土壤水分重量含水率剖面分布

Fig.2 Soil water of different soil profiles in different artificial grass land in slope field at the hilly regions of Sichuan Province during 2013 to 2015

在干旱季節(jié)(第一季度和第四季度)，受作物消耗的影響，人工草地土壤水分從表層到深層呈逐漸降低的趨勢，不同草地降低程度和速率有所不同。7—12月，黑麥草地、菊苣地、苜蓿地0～40 cm土層土壤重量含水率分別降低37.8%、46.7%、46%，60～100 cm土層分別降低35.1%、26.1%、23%。與0～40 cm土層相比，40～60 cm土層土壤水分降低幅度顯著縮小。

在降水較多的第三季度，黑麥草地、菊苣地、苜蓿地0～100 cm土層土壤水分均得到了較好的恢復(fù)。第一季度黑麥草地、菊苣地和苜蓿地0～40 cm土層土壤重量含水率平均值分別為8.1%、9.2%和8.6%，到第三季度增加到12.7%、15.6%和14.5%，增加率分別為56.7%、69.6%和68.6%。第一季度黑麥草地、菊苣地和苜蓿地60～100 cm土層土壤重量含水率平均值分別為7.9%、7.8%和7.8%，到第三季度增加到12.5%，17.2%和18.4%，增加率分別為58%，130%和135%。表明，四川丘陵區(qū)人工草地在第一季度消耗的深層土壤水分在第三季度可以得到較好恢復(fù)。

2.3 不同人工草地逐月地表經(jīng)流量

在較干旱的第一季度和第四季度，四川丘陵旱區(qū)人工草地幾乎不產(chǎn)生徑流。在降水較多的第二季度和第三季度，人工草地的徑流量隨著降水的變化而變化。其中4—8月人工草地的徑流量隨著降水的增加而顯著增加，9—12月隨著降水的減少而顯著降低(圖3)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，黑麥草地、菊苣地和苜蓿地降水量和徑流量間的相關(guān)系數(shù)分別為0.95(P<0.01)、0.82(P<0.01)和0.92(P<0.01)。

受人工草地生長及降水強度等的影響，四川丘陵旱區(qū)不同人工草地產(chǎn)生徑流的時間和徑流量均有顯著差異(圖3)。2013—2015年觀測結(jié)果表明，黑麥草地、菊苣地和苜蓿地分別在4—10月、5—9月和4—11月容易產(chǎn)生徑流，其產(chǎn)生徑流期間的月均徑流量分別為19 174、17 868 m3·km-2和16 494 m3·km-2。在降水較多的6—9月，黑麥草地、菊苣地和苜蓿地月均徑流量分別為21 133、13 401 m3·km-2和19 071 m3·km-2；在降水相對較少的5月及10月，其月均徑流量分別為5 670、0 m3·km-2和11 339 m3·km-2。

2.4 不同人工草地的土壤蓄水率與耗水率

人工黑麥草地、菊苣地和苜蓿地的土壤蓄水率均在6—9月最小，分別為71%、64%和68%；11月到翌年3月最大(圖4A)，分別為93%、94%和94%，表明，人工草地在干旱季節(jié)(11月至翌年3月)土壤蓄水率較高，在多雨季節(jié)(6—9月)土壤蓄水率較低。三種人工草地的土壤耗水率均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(圖4B)，其中8—10月三種人工草地的土壤耗水率最大，平均值分別為66%、70%和72%；11月至翌年3月的土壤耗水率最小，平均值分別為41%、42%和44%。

圖3 四川丘陵旱區(qū)不同人工草地2013—2015年1—12月月均地表徑流量

圖4四川丘陵旱區(qū)不同人工草地2013—2015年1—12月土壤蓄水率(A)與耗水率(B)

Fig.4 Rate of monthly rainfall storing (A) and rate of monthly used water (B) of different artificial grass land from January to December in slope field at the hilly regions of Sichuan Province during 2013 to 2015

2.5 不同人工草地水分利用效率

表1表明，2013—2015年，在四川丘陵旱區(qū)，從鮮草產(chǎn)量角度考慮，三種人工草地的水分利用效率分別為189、316和209 kg·mm-1·hm-2，菊苣水分利用效率最高，其次為苜蓿，黑麥草的最低。從干草產(chǎn)量角度考慮, 三種人工草地的水分利用效率分別為29、45 kg·mm-1·hm-2和46 kg·mm-1·hm-2，苜蓿水分利用效率最高，其次為菊苣，黑麥草的最低；從粗蛋白產(chǎn)量角度考慮，其水分利用效率分別為9.3、7.3 kg·mm-1·hm-2和11.3 kg·mm-1·hm-2，苜蓿最高，菊苣最低，黑麥草居中；從消化能產(chǎn)量角度考慮，三種人工牧草的水分利用效率分別為333、542 kJ·mm-1·hm-2和593 kJ·mm-1·hm-2，苜蓿最高，黑麥草最低，菊苣居中。

表1 四川丘陵旱區(qū)不同人工草地2013—2015年飼草產(chǎn)量及耗水量

3 討 論

降水是影響丘陵坡耕地土壤有效含水量的關(guān)鍵因素之一[15-17]。1—4月和10—12月丘陵旱區(qū)月均降水量分別為12.6 mm和15.0 mm，顯著低于全年平均值77.2 mm。受降水減少及作物消耗等影響，四川丘陵旱地1—4月和10—12月土壤有效含水量為114～131 mm和138～185 mm，顯著低于全年平均值(177～189 mm)，期間可根據(jù)土壤墑情和飼草生長需水規(guī)律適當(dāng)灌水，以提高鮮草產(chǎn)量。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，四川丘陵旱區(qū)6—9月降水總量為650～750 mm，占全年總降水量的75%左右[3]。本研究表明，受降水補充效應(yīng)的影響，人工黑麥草地、菊苣地和苜蓿地0～100 cm土層土壤有效含水量在6—9月分別為228.5～273.1 mm，顯著高于全年平均值(177～189 mm)。

丘陵坡耕旱地影響土壤水分的主要因素包括降水、徑流和作物消耗等[18-19]。在降水量和降水強度相同的條件下，徑流和作物消耗是影響土壤水分的關(guān)鍵因素。在四川丘陵旱區(qū)，1—4月降水量較少，降水強度較低，人工草地發(fā)生徑流的概率較低(圖3)，除黑麥草生長較快外，苜蓿和菊苣生長緩慢，因此，在降水較少、牧草生長比較緩慢的1—4月，菊苣地和苜蓿地的土壤有效含水量差異不顯著，苜蓿地和菊苣地土壤有效含水量均顯著高于黑麥草(圖1)。6—9月，黑麥草地地表覆蓋度顯著低于菊苣地和苜蓿地，其地表徑流量顯著增加(圖3)，因此，黑麥草地土壤有效含水量在6—9月顯著低于苜蓿地和菊苣地(圖1)。

在干旱季節(jié)，深層土壤水分是作物維持正常生長的關(guān)鍵。相關(guān)研究表明，黑麥草地、菊苣地和苜蓿地對土壤水分的利用深度可以達(dá)到2.5、3.0 m和4.0 m[20-22]。人工黑麥草地、菊苣地和苜蓿地的土壤重量含水率在0～100 cm土層范圍內(nèi)均有顯著變化(圖2)，表明，在四川丘陵旱區(qū)三種人工草地對土壤水分的利用深度能夠達(dá)到100 cm。在黃土高原地區(qū)連續(xù)種植6～7年苜蓿后，深層土壤水分由于過量消耗形成了永久土壤干層，嚴(yán)重影響了后續(xù)作物的生長及本地區(qū)土壤水分的可持續(xù)利用[11-14]。本研究表明，在干旱季節(jié)(10—12月和1—4月)黑麥草、菊苣和苜蓿對深層(60～100 cm)土壤水分消耗較大(圖2)，但在降水較豐沛的季節(jié)(6—9月)深層土壤水分可以得到較好恢復(fù)(圖2)，土壤有效含水量顯著增加(圖1)，沒有形成永久土壤干層。表明，在四川丘陵旱區(qū)種植黑麥草、菊苣和苜蓿等飼草作物不會影響當(dāng)?shù)赝寥浪值目沙掷m(xù)利用。

從水分利用效率、鮮草產(chǎn)量和減少地表徑流量的角度考慮，菊苣是最適宜的飼草作物；但菊苣的粗蛋白產(chǎn)量顯著低于黑麥草和苜蓿。苜蓿提供的消化能最高，粗蛋白含量也較高，但其鮮草產(chǎn)量偏低。黑麥草粗蛋白總供應(yīng)量較高，但其消化能偏低?？紤]到三種飼草種植均不會影響當(dāng)?shù)赝寥浪值目沙掷m(xù)利用，養(yǎng)殖企業(yè)或農(nóng)戶可根據(jù)飼料需求特點選擇種植適宜的牧草。選擇時需注意以下幾個方面：(1) 黑麥草是冷型牧草，20℃～28℃為適宜溫度，低于5℃生長緩慢, 高于35℃生長不良[23-24]，在四川丘陵區(qū)夏季溫度一般為30℃左右，高溫可能會影響多年生黑麥草的生長及利用年限；(2) 苜蓿和菊苣在7月和8月容易因高溫高濕發(fā)生病害，飼草品質(zhì)下降；(3) 1—4月降水較少時，可適當(dāng)對人工草地進行灌水，以確保高產(chǎn)，降雨較多的6—9月要注意苜蓿地和菊苣地的排水。

4 結(jié) 論

四川丘陵旱地人工黑麥草地、菊苣地和苜蓿地0～100 cm土層1—4月及10—12月土壤有效含水量較低，從提高飼草產(chǎn)量角度考慮，可根據(jù)飼草生長需要在11月至翌年4月適當(dāng)灌溉。6—9月土壤有效含水量較高，需注意人工草地的排水排澇。

人工黑麥草地、菊苣地和苜蓿地的土壤蓄水率均在6—8月最小，11月到翌年3月最大；土壤耗水率在8—10月最大，在11月至翌年3月最小。人工草地在第一季度消耗的深層土壤水分在第三季度可以得到較好的恢復(fù)，黑麥草、菊苣和苜蓿在四川丘陵區(qū)的種植不會引起深層土壤干燥化現(xiàn)象。

在四川丘陵坡耕地，從鮮草產(chǎn)量角度考慮，菊苣和苜蓿較為理想；從干草產(chǎn)量角度考慮，苜蓿和菊苣較為理想；從粗蛋白供應(yīng)度考慮，苜蓿和黑麥草較為理想；從消化能產(chǎn)量角度考慮，苜蓿和菊苣較為理想。農(nóng)民可以根據(jù)飼養(yǎng)的需要選擇適當(dāng)?shù)哪敛葸M行栽培。

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