寧南黃土區(qū)不同年限撂荒梯田土壤水文物理特征

王月玲 馬璠 許浩 萬(wàn)海霞 董立國(guó) 韓新生 郭永忠 蔡進(jìn)軍

摘要：以寧南黃土區(qū)5個(gè)不同年限的撂荒梯田為研究對(duì)象，采用時(shí)空互代法研究撂荒地在植被恢復(fù)過(guò)程中土壤水分、土壤容重等物理特征的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明：（1）通過(guò)對(duì)2016—2017年降水?dāng)?shù)據(jù)和多年平均降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，降水主要集中在植物生長(zhǎng)旺季6—8月，且降水的季節(jié)分配極為不均，2017年全年降水的峰值出現(xiàn)在8月;（2）撂荒地土壤含水量季節(jié)變化趨勢(shì)總體表現(xiàn)為8月>9月>5月>6月>7月，土壤含水量的季節(jié)變化與降水量的變化大體一致;在垂直剖面上，隨著土層深度的加深，土壤含水量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì);隨著撂荒年限的延長(zhǎng)，0～100 cm土層土壤水分含量的變化規(guī)律不是很明顯，總體呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì);（3）梯田撂荒后，隨著撂荒年限的增加，土壤容重總體呈減少趨勢(shì)，土壤孔隙度、土壤飽和持水量和毛管持水量總體呈升高趨勢(shì)。說(shuō)明梯田在撂荒演替的過(guò)程中，土壤結(jié)構(gòu)可得到一定程度的改善，結(jié)果可為該區(qū)域撂荒地植被的恢復(fù)提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：寧南黃土區(qū);撂荒梯田;土壤水分;土壤容重;總孔隙度;毛管持水量

中圖分類(lèi)號(hào)： S157文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）21-0293-05

收稿日期：2018-09-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：2016YFC0501702）;“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2015BAC01B01）;國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41561058、31660375）;寧夏自治區(qū)全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新示范項(xiàng)目（編號(hào)：QCYL-2018-12）;寧夏自然科學(xué)基金（編號(hào)：2019AAC03289）;寧夏農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新先導(dǎo)資金項(xiàng)目（編號(hào)：NKYJ-17-11）。

作者簡(jiǎn)介：王月玲（1980—），女，寧夏固原人，碩士，副研究員，主要從事黃土高原水土保持與生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面的研究。Tel：（0951）6886842;E-mail：wylnxnky@163.com。

生態(tài)環(huán)境建設(shè)的成效在很大程度上取決于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建過(guò)程中土壤質(zhì)量的演化及環(huán)境效應(yīng)。黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵在于解決好水土資源保護(hù)和合理利用問(wèn)題[1]，水資源缺乏是制約黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要因子[2]。寧南黃土丘陵區(qū)地處黃土高原腹地，由于氣候干旱，降水稀少，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，地下水埋藏很深，土壤水分經(jīng)常處于虧缺狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，生態(tài)系統(tǒng)逐漸退化，水資源成為決定該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵因子，而土壤水分狀況決定著生態(tài)建設(shè)中植被的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)，是植物生長(zhǎng)和恢復(fù)的主要影響因素[3-5]。因此，寧南黃土丘陵區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)研究，一直是該區(qū)土壤水分利用及環(huán)境治理研究中具有重要理論和實(shí)踐意義的課題。降水是寧南黃土丘陵區(qū)土壤水分的唯一來(lái)源，降水在季節(jié)分配上的顯著差異使得土壤水分含量與季節(jié)降水量的變化緊密相關(guān)，雨季土壤侵蝕和旱季干旱缺水成為黃土丘陵區(qū)綜合治理中的主要問(wèn)題[6]。土壤容重是土壤物理性質(zhì)中隨著撂荒演替年限的變化較為敏感的指標(biāo)之一[7]。土壤物理性質(zhì)如容重、有效水分含量等是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，它們通過(guò)對(duì)土壤濕度、溫度、通氣性、土壤化學(xué)反應(yīng)甚至有機(jī)質(zhì)積累的作用，顯著地影響著植被的生長(zhǎng)和分布，進(jìn)而影響群落的演替[8]。

土壤水分是黃土高原植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要限制因子，具有高度的時(shí)空變異性，許多學(xué)者從不同方面對(duì)黃土高原土壤水分的時(shí)空分異特征進(jìn)行了大量研究[9-14]，但是對(duì)寧南黃土丘陵區(qū)棄耕撂荒梯田演替過(guò)程中土壤水分物理特征的研究鮮有報(bào)道。近年來(lái)，隨著我國(guó)城鄉(xiāng)一體化建設(shè)和移民搬遷等工程的實(shí)施，農(nóng)村耕地出現(xiàn)了不同程度的棄耕撂荒現(xiàn)象。在寧南黃土丘陵區(qū)，棄耕撂荒地面積約占土地面積的6%，棄耕撂荒地作為一種重要的土地資源，對(duì)其進(jìn)行植被恢復(fù)和重建，將有助于提高土地生產(chǎn)力，減緩水土流失，對(duì)生態(tài)環(huán)境的改善有著重要的實(shí)踐意義。因此，充分認(rèn)識(shí)不同土地利用條件下的土壤水分狀況及其變化規(guī)律是科學(xué)利用土地資源的前提[15]。

本研究通過(guò)探討寧南黃土丘陵區(qū)不同撂荒年限梯田土壤水分的時(shí)空變化規(guī)律，分析不同年限撂荒梯田土壤含水量的月動(dòng)態(tài)、垂直動(dòng)態(tài)，并結(jié)合土壤容重的空間變異，探索撂荒梯田在自然恢復(fù)過(guò)程中土壤物理性質(zhì)對(duì)撂荒演替的響應(yīng)，以期為寧南黃土丘陵區(qū)撂荒地的可持續(xù)利用和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏固原市彭陽(yáng)縣東北13 km處的白陽(yáng)鎮(zhèn)中莊村（106°41′～106°45′E，35°51′～35°55′N(xiāo)），該村總面積為16.5 km2，耕地面積為1 076 hm2，地貌類(lèi)型屬于黃土高原腹部梁峁丘陵地，地形破碎，地面傾斜度大，平均海拔在1 600～1 700 m 之間，年平均氣溫為7.6 ℃，≥10 ℃的積溫為2 200～2 750 ℃，境內(nèi)年蒸發(fā)量較大，干燥度為3.58，無(wú)霜期為140～160 d。降水是雨水資源量的決定因素，研究區(qū)多年平均年降水量為475 mm，降水量集中且年內(nèi)分配不均，降水量集中月份的降水常以暴雨形式出現(xiàn)，易發(fā)生局地暴雨洪水。研究區(qū)以普通黑壚土為典型土壤類(lèi)型，土壤母質(zhì)為黃土及黃土狀物，pH值在8.0～8.5之間，土層深厚，土質(zhì)疏松。植被類(lèi)型以草原植被為基礎(chǔ)，生長(zhǎng)有長(zhǎng)芝草（Stipa bungeana Trin.）、角蒿（Incaroillea sinensis Lam.）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis L.）等;另外還有中生和早中生的落葉闊葉灌叢、落葉闊葉林、草甸。人工植被以山桃（Prunus davidiana Franch.）、沙棘（Hippophae rhamnoides L.）、山杏（Prunus armeniaca）等為主。

1.2研究方法

1.2.1樣地選擇

在野外全面踏查的基礎(chǔ)上，根據(jù)植物群落組成、結(jié)構(gòu)和對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦脑L問(wèn)調(diào)查結(jié)果，在保證樣地黃土母質(zhì)相同的情況下，本試驗(yàn)選取5塊無(wú)人為干擾或人為干擾相對(duì)較少且立地條件相似的不同撂荒年限樣地進(jìn)行土壤水文物理特性測(cè)定，撂荒年限分別為2、5、10、17、20年。樣地基本概況見(jiàn)表1。

1.2.2土壤含水量測(cè)定

于2017年5—9月，采用德國(guó)產(chǎn)時(shí)域反射儀（time domain reflectometry，TDR）對(duì)土壤含水量進(jìn)行定位測(cè)定，測(cè)定深度為0～100 cm，每20 cm取1層，共5層，各樣地設(shè)3次重復(fù)，最后取平均值。

1.2.3土壤容重、總孔隙度等測(cè)定

2017年5月對(duì)土壤容重、土壤持水量、總孔隙度等指標(biāo)采用環(huán)刀-浸泡法進(jìn)行測(cè)定，取樣深度為0～30 cm，每10 cm取1層，各樣地設(shè)3次重復(fù)，最后取平均值。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用DPS 16.05統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1研究區(qū)降水特征

降水作為寧南山區(qū)土壤水分的唯一來(lái)源，是土壤水分變化的決定性因素。當(dāng)年生長(zhǎng)季的降水量及其分配是影響人工林地土壤水分季節(jié)變化趨勢(shì)的主導(dǎo)因子，且上年降水量對(duì)其也有一定影響[16]。

從圖1可以看出，1—9月降水量月際分配十分不均勻，降水主要集中在植被生長(zhǎng)旺季6—8月。生長(zhǎng)季5—9月份降水總量2016、2017年分別為318.7、331.6 mm，比生長(zhǎng)季多年平均降水總量（342.6 mm） 分別減少了23.9、11.0 mm。其中2016年7月降水量最多，達(dá)到了全年的最高值，為110.9 mm，高于多年平均降水量14.7 mm，其次是6、5、4月，降水量均高于多年平均值，而8月和9月降水量均低于多年平均值，尤其是8月降水量明顯降低，比多年平均降水量減少了59.7 mm;2017年8月降水最多，達(dá)到137.9 mm，高于多年平均降水量36.8 mm，其次是5月，降水量為76.6 mm，高于多年平均量37.2 mm，6、7、9月降水量均明顯低于多年平均降水量，尤其是9月，比多年平均降水量減少了33.0 mm。

2.2不同年限撂荒梯田土壤含水量的季節(jié)變化

以2017年5—9月各層土壤含水量的平均值為研究對(duì)象，從圖2可以明顯看出，撂荒地土壤含水量的季節(jié)變化規(guī)律總體為8月>9月>5月>6月>7月，8月的土壤含水量達(dá)到生長(zhǎng)季5—9月份的峰值，平均值為25.37%，這是因?yàn)?月降水充沛，土壤水分的補(bǔ)給量明顯高于消耗量，另外雖然9月降水量非常少，但是植物生長(zhǎng)到了末期，生長(zhǎng)基本停止，此時(shí)的水分主要用于植物自身消耗和地面蒸發(fā)，相對(duì)于前期的生長(zhǎng)旺季，土壤中貯存的水分相對(duì)較多，因此8月和9月土壤含水量上升且保持較高的水平。5、6月土壤含水量比較接近，差異較小，平均值分別為20.68%、20.45%，7月的土壤含水量達(dá)到全年最低值，平均值為16.06%。主要是因?yàn)?月的降水量較少，7—8月的氣溫開(kāi)始上升，植物處于生長(zhǎng)旺季，降水的補(bǔ)給不能滿足土壤水分消耗，因此土壤含水量較低。

不同年限撂荒地土壤水分季節(jié)變化趨勢(shì)基本一致。在0～100 cm土層，土壤水分隨撂荒年限變化的規(guī)律不是很明顯，總體呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)。

2.3不同年限撂荒梯田土壤含水量的垂直動(dòng)態(tài)變化

以2017年5—9月土壤水分含量為研究對(duì)象，逐月進(jìn)行撂荒地演替過(guò)程中土壤含水量垂直變化規(guī)律研究。由圖3可以明顯看出，5、6、8月0～20、20～40 cm土層土壤含水量變化趨勢(shì)比較明顯，尤其以0～20 cm變化最明顯，該土層土壤含水量明顯低于其他4層，在撂荒10年處土壤含水量達(dá)到最低值;7月以0～20、40～60 cm土層土壤含水量變化趨勢(shì)比較明顯，其中0～20 cm土層的土壤含水量明顯低于其他4層，該土層土壤含水量在撂荒10年處達(dá)到最低值;9月以0～20、20～40、40～60 cm土層土壤含水量變化趨勢(shì)比較明顯，尤其以0～20 cm變化最明顯，除撂荒2年外，其他撂荒年限該土層的土壤含水量明顯低于其他4層，而且在撂荒10年處達(dá)到最低值?？傮w說(shuō)明2017年5-9月，不同年限撂荒地0～100 cm各土層土壤含水量曲線表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，其中以0～20、20～40、40～60 cm土層變化趨勢(shì)比較明顯，尤其以0～20 cm土層變化最明顯，且均在撂荒10年處降到最低，之后隨著撂荒年限的延長(zhǎng)，土壤水分總體增加，60～80 cm和80～100 cm 土層間的土壤含水量變化曲線差異不大。這主要是由于5—7月降水量較少，植被正值生長(zhǎng)初期和旺季，需水量多，表層（0～20 cm土層）土壤水分消耗較多，導(dǎo)致土壤水分含量較少，8月雖然降水充足，0～20、20～40 cm土層土壤水分含量也明顯升高，但是氣溫上升，植物生長(zhǎng)茂盛，深層水分消耗較多，土壤水分沒(méi)有及時(shí)得到補(bǔ)充，因此8月80～100 cm 土層的土壤含水量也較低。9月雖然植物已停止生長(zhǎng)，但由于降水量較少，地表蒸發(fā)量較大，表層土壤水分含量較少。從土壤水分含量的季節(jié)變化可以看出，相同撂荒年限不同土層土壤含水量的垂直分異在空間上變化規(guī)律不同，說(shuō)明隨著撂荒年限的逐漸增加，1 m以內(nèi)土壤含水量的變化趨勢(shì)是不穩(wěn)定的。

2.4不同年限撂荒梯田土壤容重、總孔隙度和持水量的動(dòng)態(tài)變化

土壤容重是土壤物理性質(zhì)中隨著撂荒演替年限的變化較為敏感的指標(biāo)之一。土壤容重的大小與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤堅(jiān)實(shí)度、耕作措施等有關(guān)，其數(shù)值可以作為土壤的肥力指標(biāo)之一。土壤的容重愈小，表明土壤的結(jié)構(gòu)性愈好，孔隙多，疏松，有利于土壤的氣體交換和滲透性的提高。反之，土壤的容重愈大，表明結(jié)構(gòu)性愈差，孔隙少，板結(jié)。

從表2可以看出，不同年限撂荒梯田的土壤容重在1.04～1.48 g/cm3之間變化。不同年限撂荒梯田對(duì)0～30 cm土層土壤容重有顯著影響（P<0.05）。撂荒2年的樣地，由于前期耕作措施對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞作用遠(yuǎn)未消除，表層土壤結(jié)構(gòu)松散，土壤容重較小。在撂荒5年時(shí)，0～10、10～20 cm土層土壤容重已達(dá)到最大，之后隨著撂荒年限的增加，表層（0～10 cm土層）、中層（10～20 cm土層）土壤容重顯著降低，下層（20～30 cm土層）土壤容重變化規(guī)律不是很明顯。這可能是由于農(nóng)地撂荒后上層土壤人為擾動(dòng)減少，加之植物根系的網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)作用和生物化學(xué)作用促進(jìn)團(tuán)粒的形成，使得土壤疏松、土壤孔隙度增加，從而使得土壤容重隨著撂荒年限的增加顯著下降。而根系對(duì)下層土壤影響較弱，土壤容重變化較小。0～10、10～20 cm土層撂荒17年土壤容重略有上升，撂荒20年時(shí)，土壤容重又開(kāi)始降低。在垂直剖面上，隨著土層深度的增加，不同年限撂荒梯田的土壤容重總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。因此撂荒演替使土壤容重呈減少趨勢(shì)，土壤結(jié)構(gòu)得到一定程度的恢復(fù)。

土壤孔隙度是決定土壤結(jié)構(gòu)好壞的重要指標(biāo)，對(duì)土壤的水分及養(yǎng)分可以起保護(hù)作用。由表3可以看出，土壤總孔隙度在45.61%～62.58%之間變化。0～10、10～20、20～30 cm土層的孔隙度變化趨勢(shì)基本一致，隨著撂荒年限的增加，總體呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。不同年限撂荒地0～30 cm土層土壤總孔隙度的整體變化規(guī)律為20年（56.94%）>17年（54.03%）>10年（53.77%）>2年（53.72%）>5年（4838%）。在垂直剖面上，表土層（0～10 cm） 的孔隙度明顯偏高，0～20 cm土層土壤總孔隙度基本隨著土層深度的加深而減少。

土壤的持水性能決定著土體內(nèi)可能貯存水量的多少，它包括飽和持水量（最大持水量）、毛管持水量和田間持水量。

其中毛管水是土壤中既能被土壤保持又能被植物利用的主要水分。由表4和表5可以看出，0～30 cm各土層不同年限撂荒地土壤最大持水量和毛管持水量變化趨勢(shì)基本是一致的，均總體隨著撂荒年限的增加，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。土壤最大持水量在31.01%～60.24%之間變化，毛管持水量在26.87%～39.74%之間變化。不同年限撂荒地0～30 cm土層土壤最大持水量的整體變化規(guī)律為20年（51.33%）>2年（46.01%）>17年（43.95%）>10年（43.52%）>5年（3566%）。毛管持水量的整體變化規(guī)律為20年（38.00%）>17年（35.07%）>2年（34.32%）>10年（33.20%）>5年（29.75%）。在垂直剖面上，表土層（0～10 cm）的最大持水量和毛管持水量總體明顯偏高，整個(gè)土層（0～30 cm） 土壤最大持水量和毛管持水量基本隨著土層深度的加深呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。

3結(jié)論與討論

降水是寧南黃土區(qū)自然植被土壤水分的唯一來(lái)源，土壤含水量隨降水的變化而變化。根據(jù)對(duì)2016—2017年降水?dāng)?shù)據(jù)和多年平均降水?dāng)?shù)據(jù)分析可以看出?降水主要集中在植物生長(zhǎng)旺季6—8月，而且降水的季節(jié)分配極為不均，2017年全年降水的峰值出現(xiàn)在8月。通過(guò)對(duì)2017年5—9月土壤水分的分析發(fā)現(xiàn)，不同撂荒年限梯田土壤水分季節(jié)變化趨勢(shì)基本一致，土壤含水量的變化趨勢(shì)總體表現(xiàn)為8月>9月>5月>6月>7月。土壤含水量的季節(jié)變化主要受年內(nèi)降水量以及植被所處的不同時(shí)期所決定。土壤水分隨撂荒年限的變化規(guī)律不明顯，總體呈波動(dòng)變化趨勢(shì)。

隨著撂荒演替的進(jìn)行，不同撂荒年限梯田各土層之間的土壤含水量變化曲線表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，其中0～20、20～40、40～60 cm土層土壤含水量變化活躍，尤其是0～20 cm土層更為突出，均在撂荒10年處降到最低，之后隨著撂荒年限的延長(zhǎng)，土壤水分含量總體增加。0～100 cm土層，隨著土層深度的加深，土壤含水量的變化不規(guī)律。郝文芳等研究也表明，土壤表層水分易受環(huán)境變化的影響，深層水分相對(duì)穩(wěn)定[17]。韓仕峰等將土壤剖面水分分布劃分為速變層、活躍層、次活動(dòng)層和相對(duì)穩(wěn)定層4個(gè)層次，土壤水分速變層處于0～20 cm 土層范圍內(nèi)，該層完全受氣象條件制約，活躍層一般處于20～100 cm土層范圍內(nèi)，干濕變化幅度大，根系分布密集，水分利用快且多[18]。由于在本研究區(qū)，取樣深度為0～100 cm土層，植被的根系主要集中0～100 cm土層范圍內(nèi)，基本上處于水分的速變層和活躍層，水分的變化除了受降水、植物自身消耗影響外，也受到大氣濕度等的影響，因此土壤水分含量變化較大。

土壤物理性質(zhì)通過(guò)對(duì)土壤濕度、溫度、通氣性等的作用，顯著影響植被的生長(zhǎng)和分布，進(jìn)而影響群落演替。通過(guò)2017年的研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重、土壤總孔隙度和持水量的變化與土壤含水量不同，隨著撂荒演替，土壤容重總體呈減少趨勢(shì)，土壤總孔隙度、土壤最大持水量和毛管持水量呈升高的趨勢(shì)，土壤結(jié)構(gòu)得到一定程度的改善。在植被恢復(fù)過(guò)程中，土壤容重是土壤物理性質(zhì)中隨著撂荒演替年限的變化較為敏感的指標(biāo)之一，土壤容重的改變對(duì)植物根系活動(dòng)、土壤呼吸等都有促進(jìn)作用，進(jìn)而促進(jìn)植被的正向演替。

植物群落的演替是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，在本研究中，土壤含水量隨著撂荒演替的進(jìn)行，恢復(fù)效果不是很明顯，主要是由于群落生活型的改變使得后期撂荒地植物群落水分消耗較多，其次降水量的差異也是影響土壤水分含量的主要因素。在黃土區(qū)，自然植被在現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境下演替緩慢，所以撂荒地土壤水分生態(tài)環(huán)境的改善是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，另外，本研究中樣地撂荒年限較短，所得研究結(jié)果僅是一個(gè)階段性的初步探討，關(guān)于群落演替的土壤發(fā)展還需進(jìn)一步研究，同時(shí)也希望本研究能為寧南黃土區(qū)撂荒地植被恢復(fù)提供一定的參考，進(jìn)而促進(jìn)植被生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步改善。

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