易三桂, 蔡文濤, 來利明, 周繼華, 張曉龍, 管天玉, 姜聯(lián)合, 鄭元潤?
(1.中國科學(xué)院 植物研究所 北方資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100093,北京;2.中國科學(xué)院大學(xué),100049,北京)
在干旱半干旱草地區(qū),以本土灌木植物密度、蓋度和生物量增加為主要特征的全球普遍發(fā)生的現(xiàn)象稱為草地灌叢化[1]。草地灌叢化的發(fā)生具有范圍廣、速度快、危害大等特點(diǎn)。目前,該現(xiàn)象發(fā)生的區(qū)域包括北美洲、南美洲、中歐、亞洲、地中海、非洲、澳大利亞甚至人跡罕至的北極地區(qū),且該現(xiàn)象在上世紀(jì)呈加速發(fā)展的趨勢(shì)[2]。草地灌叢化通常會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能、生態(tài)水文過程、群落生物量和物種豐富度,甚至導(dǎo)致草地退化或荒漠化[2]。全球超過20億人口受到灌叢化的影響[2]。草地灌叢化的發(fā)生一般由放牧、火燒等人為活動(dòng)以及大氣二氧化碳濃度、降水等氣候變化因素引起[1]。灌叢化引起的植被類型、蓋度等變化會(huì)導(dǎo)致土壤水分入滲特性發(fā)生改變,影響不同層次的土壤水分含量,進(jìn)而影響灌木和草本植物的定居和生長[1]。草本植物根系較短,通常在土壤淺層分布較多,能夠充分利用土壤淺層水分,而木本植物根系較長,利于利用深層土壤水分;因此,土壤水分入滲特性成為影響草地灌叢化的重要因子之一。關(guān)于土壤水分入滲影響因素的研究較多,如地表結(jié)皮、土壤初始含水率、土壤質(zhì)地、土壤密度、和土壤有機(jī)質(zhì)[3- 4]等。土壤水分入滲過程理論與模型得到較大發(fā)展,主要包括以達(dá)西定律為基礎(chǔ)的理論和各種形式的過程模型,如Green-Ampt入滲物理模型、Kostiakov經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?、Horton經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?、Philip入滲模型、蔣定生提出的模型等[5]。土壤水分入滲測(cè)定方法也有了較大的改進(jìn)[5]。灌叢化的研究區(qū)域較廣,但多數(shù)研究集中于受放牧和自然因素干擾的灌叢化草地,關(guān)于草地灌叢化背景下棄耕農(nóng)田的植被演替研究較少[1],對(duì)于棄耕農(nóng)田植被演替過程中土壤水分入滲規(guī)律的研究更少[6-7];因此,研究農(nóng)田棄耕后土壤水分的入滲規(guī)律對(duì)灌叢化草地的恢復(fù)具有重要意義。
鄂爾多斯高原位于內(nèi)蒙古自治區(qū),西、北、東3面為黃河環(huán)抱,是我國著名的生態(tài)過渡帶,生態(tài)環(huán)境脆弱敏感,為我國的荒漠化中心之一,亦是黃河粗泥沙的主要來源[1];因此,鄂爾多斯高原生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展直接關(guān)系到我國華北及黃河中下游地區(qū)的生態(tài)安全。歷史上,由于大規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng)、大規(guī)模土地開墾以及過度放牧導(dǎo)致鄂爾多斯高原變成了目前以灌木、半灌木為主的灌叢草地[8],其景觀類型可概括為3種類型,包括硬梁、軟梁、灘地,三者的比例約為6∶3∶1,主要優(yōu)勢(shì)植物為油蒿(Artemisiaordosica),但現(xiàn)代植被地帶性的研究認(rèn)為鄂爾多斯高原氣候頂級(jí)植被是以本氏針茅(Stipabungeana)為主的暖溫帶草原[9]。由于生產(chǎn)力下降及退耕政策的實(shí)施,許多農(nóng)田逐漸被棄耕,軟梁和硬梁棄耕農(nóng)田為鄂爾多斯高原棄耕農(nóng)田的主體,灘地棄耕農(nóng)田相對(duì)較少[7]。由于草地灌叢化是一個(gè)相對(duì)較長的過程,棄耕農(nóng)田的長期演替一定程度上可以再現(xiàn)草地灌叢化的發(fā)生和恢復(fù)過程;因此,筆者通過對(duì)鄂爾多斯高原軟梁和硬梁不同時(shí)間棄耕農(nóng)田土壤水分入滲規(guī)律的研究,揭示棄耕農(nóng)田植被演替過程中的土壤水分動(dòng)態(tài)特征,分析水分入滲的影響因素,回答植被演替過程中土壤水分入滲如何影響不同層次土壤水分的問題,有助于理解不同階段棄耕農(nóng)田植被的水土保持能力,為確定水土保持等生態(tài)功能較高的恢復(fù)植被類型及給灌叢化草地的生態(tài)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。
鄂爾多斯高原介于E 106°42′40″~111°27′20″, N 37°35′24″~39°29′37.6″之間,海拔850~1 600 m,東西長約400 km,南北寬約340 km,是我國西北戈壁向黃土高原過渡的干旱半干旱地帶。鄂爾多斯高原氣候?yàn)闇貛募痉置鞯膹?qiáng)大陸性、弱季風(fēng)性、干旱半干旱高原氣候,冬季寒冷,夏季涼爽;年降水量為250~400 mm,93%的降雨集中在4—10月,自東向西逐漸減少[1]。研究地點(diǎn)位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗中部伊金霍洛鎮(zhèn)(E 109°50′~109°52′, N 39°24′~39°26′)的棄耕農(nóng)田。軟梁棄耕農(nóng)田土壤主要由砂質(zhì)壤土、砂土或壤質(zhì)砂土組成,硬梁棄耕農(nóng)田土壤主要由砂質(zhì)壤土組成[1]。
土壤水分入滲野外試驗(yàn)于2015年生長季9月下旬進(jìn)行。在軟梁棄耕年限為1、3、6、10、15和20年的農(nóng)田上分別設(shè)置1個(gè)觀測(cè)樣地;在硬梁棄耕年限為3、6、10、15和20年的農(nóng)田上分別設(shè)置1個(gè)觀測(cè)樣地;在軟梁和硬梁上分別選擇未開墾過的地段設(shè)置樣地,作為對(duì)照(CK),共12個(gè)樣地,每個(gè)樣地面積為150 m×150 m。在每個(gè)樣地進(jìn)行3次入滲實(shí)驗(yàn)作為重復(fù)。為保證代表性,每個(gè)測(cè)量點(diǎn)距離至少在50 m以上。為保證各個(gè)樣地的可比性和環(huán)境條件相同,軟梁和硬梁各自不同年限棄耕樣地及對(duì)照樣地盡量集中在2 km的范圍內(nèi)[1]。硬梁對(duì)照樣地(CK)的土壤水分入滲數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄被意外覆蓋,本文未包括硬梁CK樣地入滲數(shù)據(jù)。
在每個(gè)樣方內(nèi)采用雙環(huán)入滲儀(INI2-W,北京渠道科學(xué)器材有限公司,中國)測(cè)量土壤入滲特性,內(nèi)外環(huán)直徑分別為30 cm和60 cm。用秒表計(jì)時(shí),最初0~5 min內(nèi)每隔30 s計(jì)數(shù),5~15 min每隔1 min計(jì)數(shù),15~45 min每隔3 min計(jì)數(shù),45~80 min每隔5 min計(jì)數(shù)。測(cè)量過程中水溫為8~12 ℃。根據(jù)野外實(shí)踐情況和經(jīng)驗(yàn),筆者測(cè)量了80 min時(shí)間段內(nèi)不同階段的累積入滲高度。由于初始入滲0~3 min變異較大,最后30 min的入滲差異較??;因此筆者以0~3 min平均入滲速率作為初始入滲速率(簡(jiǎn)稱初滲速率),以50~80 min的平均入滲速率近似等于穩(wěn)定入滲速率(簡(jiǎn)稱穩(wěn)滲速率)。初滲速率(mm/min)=前3 min的實(shí)際累積入滲高度/3 min;穩(wěn)滲速率(mm/min)=后30 min的實(shí)際累積入滲高度/30 min[5]。累積入滲量(mL)=累積入滲高度(mm)×入滲面積(mm2)/1 000。
Green-Ampt入滲模型簡(jiǎn)單,且有一定的物理基礎(chǔ),但濕潤鋒處土壤基質(zhì)吸力的確定較為困難,不能描述水分實(shí)際分布情況。Horton模型可以有效地應(yīng)用于單點(diǎn)降雨入滲,但描述流域入滲規(guī)律存在一定局限。Philip模型具有明確的物理意義,對(duì)于描述短歷時(shí)的入滲情況較準(zhǔn)確,但只適用于均質(zhì)土壤,在長歷時(shí)的入滲情況下,計(jì)算值與實(shí)際相比存在較大偏差。蔣定生公式是在積水條件下求得的,適用于黃土高原的入滲狀態(tài),與實(shí)際降雨條件相比存在一定差異。Kostiakov模型是一個(gè)經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)入滲模型,其參數(shù)沒有明確的物理意義,但計(jì)算方便,要求條件不多,應(yīng)用較為廣泛。武雯昱等[10]和郭華等[11]在黃土高原、劉凱等[3]在毛烏素沙地采用Kostiakov公式研究水分入滲。Kostiakov公式的不足之處在于當(dāng)時(shí)間無限長時(shí),入滲率為零,時(shí)間趨于零時(shí),入滲率趨于無限大,這與實(shí)際不符。Kostiakov-Lewis模型在Kostiakov模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),克服了Kostiakov公式的不足[5]。
筆者采用Kostiakov-Lewis模型進(jìn)行水分入滲研究,其表達(dá)式為:I(t)=Kta+f0t,當(dāng)f0=0時(shí),為Kostiakov公式。式中:I(t)為80min內(nèi)不同階段的累積入滲量(簡(jiǎn)稱累積入滲量),mL;t為入滲時(shí)間,min;f0為穩(wěn)定入滲速率,即土壤水分飽和情況下的入滲速率,mm/min;K和a為擬合參數(shù),其中,K為經(jīng)驗(yàn)入滲系數(shù),在數(shù)值上等于第1個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的入滲量減去穩(wěn)滲速率,反映土壤的入滲能力;a為經(jīng)驗(yàn)入滲指數(shù)。在入滲初期,參數(shù)K起主導(dǎo)作用,隨著入滲時(shí)間的增長,f0成為影響入滲大小的主要因素。
為了便于理解,將公式I(t)=Kta+f0t對(duì)t求導(dǎo),得到結(jié)果d(I)/d(t)=aKt(a-1)+f0。d(I)/d(t)表示瞬時(shí)入滲速率,由函數(shù)的數(shù)學(xué)性質(zhì)可知,d(I)/d(t)與K、a、f0都呈正相關(guān)關(guān)系(t>0.5 min,a>0.25,K>0,f0>0 mm/min),與t呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明瞬時(shí)入滲速率隨時(shí)間的增加遞減。
采用單因素方差分析、多重比較法(LSD,least significant difference,α=0.05)分析軟梁、硬梁棄耕農(nóng)田的初滲速率、穩(wěn)滲速率和80 min累積入滲高度的差異。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析在R3.3.1和SPSS 10.0中完成,使用SigmaPlot 10.0軟件作圖。
由圖1可見,軟梁土壤初滲、穩(wěn)滲速率和累積入滲高度都高于硬梁土壤。這是由于軟梁土層較硬梁深厚,植被發(fā)育較好,土壤入滲能力較高。軟梁土壤初滲、穩(wěn)滲速率和累積入滲高度隨棄耕年限的增加呈降低趨勢(shì),穩(wěn)滲速率和累積入滲高度在棄耕10年時(shí)顯著降低。軟梁農(nóng)田棄耕初期土壤表層粘粒含量低,土壤入滲過程強(qiáng)烈,但隨著棄耕年限的增加,表層土壤粘粒增加,入滲能力逐漸降低,棄耕10年左右,土壤水分入滲達(dá)到穩(wěn)定。硬梁土壤初滲、穩(wěn)滲速率和累積入滲高度隨棄耕年限增加均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),且在棄耕10~15年之間明顯升高。這可能是由于硬梁土層瘠薄,初期不足以支撐較高的入滲,其后由于土壤和植被的恢復(fù),使得土壤保水能力提高,入滲增加。隨棄耕年限的繼續(xù)增加,表層土壤粘粒增加,入滲能力隨之降低。在棄耕10年左右,土壤水分入滲達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。
不同小寫字母表示同一參數(shù)在不同棄耕年限間存在顯著差異 (P<0.05)。下同。 Same parameters with different lowercase letters are significantly different from each other under different abandoned years at P<0.05. The same below.圖1 棄耕農(nóng)田土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率和80 min內(nèi)不同階段的累積入滲高度隨棄耕年限的變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Dynamics of initial infiltration rate, final infiltration rate and total infiltration height in 80 min in different abandoned years (Mean±SE)
由表1可見,軟梁棄耕農(nóng)田土壤入滲速率與入滲時(shí)間的擬合模型很好,P值均<0.01,表明軟梁棄耕農(nóng)田土壤入滲規(guī)律符合該復(fù)合函數(shù)遞增模型:80 min內(nèi)不同階段的累積入滲量隨入滲時(shí)間逐漸增加,初始時(shí)快速增加,隨后增加的幅度逐漸減小。
由表2可見,硬梁棄耕農(nóng)田土壤入滲速率與入滲時(shí)間的擬合模型很好,P值均<0.01,表明硬梁棄耕農(nóng)田土壤入滲規(guī)律符合該復(fù)合函數(shù)遞增模型:80 min內(nèi)不同階段的累積入滲量隨入滲時(shí)間逐漸增加,初始時(shí)快速增加,隨后增加的幅度逐漸減小。
由圖2可見,軟梁和硬梁的a值處于0.6~0.8之間;其K值>0。由表達(dá)式數(shù)學(xué)性質(zhì)可知,ta隨t的增加而減小,所以a反映土壤水分入滲能力的降低,K反映土壤入滲能力的增加。軟梁擬合參數(shù)a隨棄耕年限的變化有升有降,而參數(shù)K呈降低趨勢(shì)。硬梁擬合參數(shù)a隨棄耕年限的變化有升有降,參數(shù)K從第10年開始顯著增加。表明軟梁土壤入滲能力的增加隨棄耕年限增加而減少,硬梁土壤第10年時(shí)入滲能力顯著增加,二者的入滲降低狀況沒有明顯變化,這與3.1節(jié)的結(jié)果一致。
表1 軟梁不同棄耕年限農(nóng)田土壤累積入滲量I(t)與入滲時(shí)間(t)關(guān)系的Kostiakov-Lewis模型
表2 硬梁不同棄耕年限農(nóng)田土壤累積入滲量I(t)與入滲時(shí)間(t)關(guān)系的Kostiakov-Lewis模型
圖2 擬合參數(shù)a、K值隨棄耕年限的變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Dynamics of fitted a and K in different abandoned years (Mean±SE)
軟梁棄耕農(nóng)田在20年內(nèi)水分入滲隨棄耕年限增加顯著降低,入滲規(guī)律符合Kostiakov-Lewis遞增模型,80 min內(nèi)累積入滲量隨入滲時(shí)間增加,初始時(shí)快速增加,其后增加幅度逐漸減小。初滲速率、穩(wěn)滲速率隨棄耕年限增加而逐漸降低。擬合參數(shù)a值在20年內(nèi)無明顯變化,參數(shù)K呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。硬梁棄耕農(nóng)田在20年內(nèi)水分入滲隨棄耕年限顯著增加。入滲規(guī)律符合Kostiakov-Lewis遞增模型,80 min內(nèi)不同階段的累積入滲量隨入滲時(shí)間增加,初始時(shí)快速增加,其后增加幅度逐漸減小。初滲速率、穩(wěn)滲速率和累積入滲高度隨棄耕年限增加均呈先增加后降低的趨勢(shì)。參數(shù)a隨棄耕年限變化略微降低,參數(shù)K隨棄耕年限變化顯著增加。總體而言,隨棄耕年限增加,軟梁土壤水分入滲淺層化,硬梁土壤水分入滲能力有所提高。
土壤入滲隨棄耕年限增加多呈增加趨勢(shì)[6,12-14],也有研究表明土壤入滲隨棄耕年限增加呈減少趨勢(shì)[15]。隨棄耕年限增加,農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加,土壤理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)空隙狀況得到改善,植被逐步恢復(fù),水分入滲增加[6,12-14]。上述結(jié)果與本文硬梁入滲的結(jié)果類似,這可能是由于硬梁土層瘠薄,初期不足以支撐較高的入滲,其后由于土壤和植被的恢復(fù),土壤保水能力提高,入滲增加。徐萍[15]的研究表明在棄耕9年內(nèi),穩(wěn)滲速率和初滲速率隨棄耕年限的增加而降低,該研究區(qū)土壤具有粗骨性砂土的物理特性,保水性較弱,滲透性較強(qiáng),棄耕后水分入滲大,但隨著棄耕年限的增加,土壤表層結(jié)構(gòu)改善,入滲逐漸降低。這與筆者對(duì)軟梁的研究結(jié)果一致。軟梁土層較硬梁深厚,棄耕初期土壤表層粘粒含量低,土壤入滲過程強(qiáng)烈,但隨著表層土壤結(jié)構(gòu)改善,入滲能力逐漸降低。陳瑤等[16]研究表明:在棄耕初期,土壤有機(jī)質(zhì)含量少,結(jié)構(gòu)差,土壤表面以受雨滴打擊形成的機(jī)械結(jié)皮為主,導(dǎo)致入滲減小;在棄耕后期,土壤有機(jī)質(zhì)含量增加,結(jié)構(gòu)改善,植被逐步恢復(fù),生物結(jié)皮發(fā)育良好,導(dǎo)致入滲增加。徐敬華等[4]研究表明土壤結(jié)皮顯著影響土壤入滲,隨棄耕年限增加,表層土壤入滲能力下降,而下層入滲能力增強(qiáng)。J. M. García-Ruiz等[17]研究表明在歐洲大部分地區(qū),農(nóng)田棄耕后會(huì)迅速演替為茂密的森林或灌木群落,一些農(nóng)田會(huì)成為牧場(chǎng),棄耕農(nóng)田入滲通常隨著植被演替而增加。但在半干旱區(qū)(如西班牙東南部),農(nóng)田棄耕后植被演替的速度很慢,土壤結(jié)皮得到發(fā)育,降低了土壤入滲。J.Hou等[7]研究表明由于土壤結(jié)皮限制了土壤水分的儲(chǔ)存和入滲,黃土高原棄耕農(nóng)田的徑流量隨棄耕年限增加呈增加趨勢(shì)。也有研究表明與耕作土地相比,免耕土地的水分入滲能力更高[18],但也存在結(jié)果相反的研究例證[19]。上述研究結(jié)果的不同可能是由于各研究區(qū)的土壤、植被及氣候狀況不同所致,土壤孔隙度,碳氮水平、含水量、有機(jī)質(zhì)、植被狀況均會(huì)影響土壤水分入滲。盡管不同地區(qū)農(nóng)田棄耕后水分入滲變化規(guī)律不同,但大體上都是由于土壤黏粒含量的增加導(dǎo)致入滲的變化。一方面,黏粒增加,土壤結(jié)構(gòu)和植被改善,入滲增加;另一方面,黏粒增加,結(jié)皮形成,入滲減少。
土壤水分入滲主要受土壤質(zhì)地、土壤含水量、土壤密度、土壤有機(jī)質(zhì)、生物結(jié)皮、植被和凋落物等因素影響。鄂爾多斯高原軟梁棄耕農(nóng)田隨棄耕年限增加,0~40 cm的黏粒含量、植被和凋落物蓋度呈增加趨勢(shì),0~40 cm土壤含水量和土壤密度呈下降趨勢(shì);硬梁棄耕農(nóng)田隨棄耕年限增加,0~40 cm土壤密度、黏粒含量、植被和凋落物蓋度以及結(jié)皮蓋度和厚度呈增加的趨勢(shì),0~40 cm土壤含水量呈下降的趨勢(shì)[1]。研究表明砂土、壤土、黏土的水分入滲能力依次減小,土壤黏粒含量越多,土壤孔隙度越小,水分入滲能力越差[20]。土壤有機(jī)質(zhì)能夠改良土壤結(jié)構(gòu),促進(jìn)團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)的形成,從而增加土壤的疏松性,改善土壤的通氣性和透水性,土壤有機(jī)質(zhì)含量越高,土壤水分入滲能力越強(qiáng)[21]。隨棄耕年限增加,軟梁棄耕農(nóng)田0~40 cm土壤黏粒含量增加了1.08%[1]。這可能降低了軟梁土壤的孔隙度,進(jìn)而導(dǎo)致軟梁的土壤水分入滲降低。隨棄耕年限增加,硬梁棄耕農(nóng)田0~40 cm土壤黏粒含量增加了1%[1]。硬梁棄耕農(nóng)田黏粒含量增加會(huì)顯著改善較為瘠薄的土壤結(jié)構(gòu),導(dǎo)致土壤的持水能力增加,進(jìn)而使得土壤水分入滲隨棄耕年限的增加而增加。生物土壤結(jié)皮(biological soil crust, BSC)是由隱花植物和相關(guān)土壤微生物與表層土壤顆粒膠結(jié)而形成的復(fù)合體[22],生物結(jié)皮的存在會(huì)阻礙水分入滲,增加徑流[23];植被的存在會(huì)加劇生物結(jié)皮的阻水性[24],但也存在相反的研究結(jié)果[16],這可能與生物結(jié)皮的種類及研究區(qū)域的具體特點(diǎn)有關(guān)。硬梁棄耕農(nóng)田土壤結(jié)皮的發(fā)育,增加土壤水分入滲,可能是由于結(jié)皮改善土壤結(jié)構(gòu),增加有機(jī)質(zhì)含量,導(dǎo)致土壤入滲能力增強(qiáng)。
在半干旱區(qū)氣候背景下,鄂爾多斯高原軟梁農(nóng)田棄耕后,由于表層土壤黏粒含量增加,土壤水分入滲顯著減少,土壤水分淺層化,有利于以本氏針茅為主的草本植物發(fā)育,而不利于深根系的灌木及半灌木發(fā)育,如人為干擾較少,植被最終會(huì)演替為以草本植物為主的草原植被。對(duì)于硬梁,棄耕初期,土壤瘠薄、入滲和保水能力差,隨著棄耕年限的增加,保水和入滲能力增強(qiáng),且由于土壤厚度和結(jié)構(gòu)演替的長期性,這一趨勢(shì)仍會(huì)保持相當(dāng)長的時(shí)間。但總體上由于地處半干旱區(qū),土層淺薄,植被演替的趨勢(shì)仍為向以草本植物為主的草原植被發(fā)展。上述過程啟示我們,如要保持目前軟梁以油蒿為主的灌叢化草地,則應(yīng)保持一定的干擾,一定程度上阻止地表結(jié)皮的大面積發(fā)生,增加土壤入滲;反之則應(yīng)減少人為干擾,促進(jìn)表層土壤結(jié)構(gòu)改善和地表結(jié)皮形成,減少降水向土壤深層的入滲,促進(jìn)草本植物發(fā)育。對(duì)于硬梁則應(yīng)減少人為干擾,避免本已較為瘠薄的土壤繼續(xù)侵蝕,促進(jìn)表層土壤結(jié)構(gòu)的改善,增加土壤入滲和保水性能,促進(jìn)草本植物的恢復(fù)。