自然及管理因素對(duì)伊犁河谷草地土壤水分動(dòng)態(tài)的影響

普穎穎， 張文太， 李 政， 黃國(guó)平

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 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 烏魯木齊 830052)

伊犁河谷天然草地面積3.40×106hm2，占河谷土地總面積的60.9%，可利用草地面積3.10×106hm2，是構(gòu)成伊犁河谷生態(tài)環(huán)境的重要組成部分[1]。近年來(lái)，新疆天然草原草地退化面臨嚴(yán)峻形勢(shì)[2]，伊犁河谷草地退化面積2.20×106hm2，占總面積的64.70%，占可利用面積的71.20%[1]。退化主要表現(xiàn)在毒害草蔓延，植被蓋度降低，地上生物現(xiàn)存量減少，草層變矮[3]。草地的嚴(yán)重退化，加劇了土壤侵蝕，使得水土流失狀況更為嚴(yán)重[4]。而植草護(hù)坡能有效減少堤防土壤流失量[5]，因此，植被的快速重建，顯得迫在眉睫。

土壤水分是水資源含量中的重要組成部分之一，也是植物生長(zhǎng)的主要影響因子，影響植物的正常生長(zhǎng)[6]。土壤水分的變化主要受降水的影響，又是降水、林冠截流、土壤蒸發(fā)、地表徑流、地下滲漏等多種因素共同影響而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果[7-8]。降雨是伊犁地區(qū)低山丘陵主要的水分補(bǔ)給，但伊犁低山丘陵地區(qū)降雨主要集中在4—8月，且分布不均。加上溫度高，土壤蒸發(fā)量增大，與植物需水不能達(dá)到平衡，因此要通過(guò)一些水土保持或者微集雨措施來(lái)增加土壤含水量。目前來(lái)看，所有水土保持措施都能在不同程度上提高土壤的含水率，深入了解不同水土保持措施含水率的變化規(guī)律并選擇適當(dāng)?shù)乃帘３执胧﹣?lái)提高坡面土壤水分的含量，對(duì)于增加土地生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量有著重要的意義[9]。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，同時(shí)促進(jìn)降雨的入滲，改善了作物水分供應(yīng)狀況，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[10-11]。覆蓋枯草可以改善土壤結(jié)構(gòu)、減少土壤水分蒸發(fā)、強(qiáng)化降水入滲，縮小晝夜溫差，減輕土壤流失，抗御土壤風(fēng)蝕，抑制田間雜草[12]。Atkinson等[13]研究表明打孔有益于提高土壤的物理性狀，從而使得水分可以快速滲透土壤，提高土壤含水量。雨水集蓄在時(shí)間和空間兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)雨水富集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天然降水的調(diào)控利用。集雨補(bǔ)灌不僅對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)作用大，同時(shí)，能改良土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化，減輕水旱災(zāi)害威脅，實(shí)現(xiàn)恢復(fù)和改善自然生態(tài)與穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效統(tǒng)一[14]。

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)，其環(huán)境具有太陽(yáng)輻射強(qiáng)、溫度高、蒸發(fā)大、風(fēng)速快以及受人類活動(dòng)影響顯著的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致水分含量低、變異性強(qiáng)[15]。本文通過(guò)研究表層土壤水分的變化規(guī)律，探討自然及管理因素對(duì)表層土壤水分的影響，以期為新疆維吾爾自治區(qū)伊犁地區(qū)水土保持建設(shè)和生態(tài)恢復(fù)的重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁河北岸、伊犁河谷中部低山丘陵區(qū)的伊寧市北山坡九城生態(tài)園(81°09′E，48°53′N)。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊禋夂颍瑲夂驕嘏瘽駶?rùn)，四季分明，晝夜溫差大，年均氣溫9.2 ℃，最低溫度≤-36 ℃，年均日照時(shí)間為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。研究區(qū)草地類型為溫性荒漠草原類，該類型草地面積占伊犁河谷草地總面積3.2%[16]。伊寧市草地總面積占伊犁河谷草地總面積的2.5%，其中可利用草地面積占2.4%，過(guò)度放牧過(guò)度造成了伊寧市草地嚴(yán)重退化。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年5月份開(kāi)始，以伊犁河谷自然草地坡面為研究對(duì)象，進(jìn)行定位試驗(yàn)。本試驗(yàn)在九城生態(tài)園水土保持示范區(qū)內(nèi)選取布設(shè)了12個(gè)自然降雨徑流觀測(cè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的長(zhǎng)度為10 m，寬度為2 m。依據(jù)本研究的需要，分別采取了不同土壤管理措施，表1為小區(qū)試驗(yàn)布設(shè)詳情。為了防止地表徑流從試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)進(jìn)出，試驗(yàn)中每個(gè)小區(qū)都在周圍設(shè)置了圍埂，防止外部徑流，另外還在試驗(yàn)區(qū)域下部設(shè)置修建了集水槽，以承接試驗(yàn)區(qū)內(nèi)流出的泥沙及徑流，并利用硬質(zhì)塑料管道引入集水桶內(nèi)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

定時(shí)隨機(jī)監(jiān)測(cè)各個(gè)處理坡面上、中、下坡的表層0—10 cm土壤含水量，無(wú)雨情況下每2 d進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，有雨情況下雨后進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)，利用美國(guó)Spectrum Field Scout TDR100便攜式土壤水分速測(cè)儀進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)區(qū)設(shè)定小型氣象站，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)期間降雨、氣溫等氣象數(shù)據(jù)。

表1 伊犁河谷草地小區(qū)試驗(yàn)布設(shè)

注：①單倍補(bǔ)灌小區(qū)的補(bǔ)灌量為小區(qū)面積0.5 mm的日降雨量；②雙倍小區(qū)的補(bǔ)灌量為小區(qū)面積1 mm的日降雨量；③有雨情況下不進(jìn)行補(bǔ)灌，無(wú)雨情況下每隔2 d進(jìn)行1次補(bǔ)灌。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的變化特征

表2是不同管理措施下兩種土壤類型坡面表層土壤含水量的統(tǒng)計(jì)特征值。如表2所示，在灰鈣土坡面上，各管理措施表層土壤含水量均值從小到大排列為：枯草覆蓋<增滲孔<對(duì)照<雙倍補(bǔ)灌<單倍補(bǔ)灌<水平溝，各處理間差異性很小，土壤含水量變化最大與最小的管理措施為水平溝、枯草覆蓋，變化區(qū)間值為12.0%和9.5%。在棕紅土坡面上，各管理措施表層土壤含水量均值從小到大排列為：增滲孔<枯草覆蓋<對(duì)照<水平溝<單倍補(bǔ)灌<雙倍補(bǔ)灌，各處理間有一定差異，枯草覆蓋和增滲孔處理與其他幾組處理有顯著性差異。土壤含水量變化最大與最小的管理措施為水平溝、增滲孔，變化區(qū)間值為24.3%和12.0%。

變異系數(shù)CV的大小反映了土壤水分的變異性大小，一般認(rèn)為：變異系數(shù)CV≤0.1時(shí)為弱變異性；0.1

表2 不同管理措施下伊犁河谷草地2種土壤類型坡面表層土壤含水量的統(tǒng)計(jì)特征值

注：表中同列不同小寫字母表示在5%水平上差異顯著。

2.2 自然因素對(duì)土壤水分的影響

2.2.1 降雨和氣溫 本試驗(yàn)于2018年5—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)(見(jiàn)圖1)。新疆降雨等級(jí)按日雨量分為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)，有效雨日(量)為上面4個(gè)等級(jí)雨日(量)的總和[18]。

由圖1可知，5—9月共計(jì)有17場(chǎng)小雨，1場(chǎng)中雨，1場(chǎng)暴雨，其中6月降雨量較多，中雨和暴雨都集中在6月，7—8月都是小雨，9月無(wú)降雨。試驗(yàn)區(qū)最大降雨量為82.4 mm，出現(xiàn)在6月，此降雨大部分在坡面上產(chǎn)生產(chǎn)流，以地表徑流的形式損失掉，小部分入滲到坡面土壤中。最小降雨量為0.2 mm，此降雨大部分入滲到坡面土壤中。

試驗(yàn)區(qū)5—9月日平均氣溫大部分在13～30 ℃之間，波動(dòng)較大，6—8月中旬氣溫都比較高，8月下旬—9月氣溫開(kāi)始逐漸降低。在降雨過(guò)后，氣溫會(huì)出現(xiàn)短暫下降的狀態(tài)，隨著時(shí)間推移，氣溫呈逐漸回升狀態(tài)。

圖1 2018年5-9月伊犁河谷草地日降雨量和氣溫變化

降雨和溫度對(duì)土壤水分變化影響巨大，在不同降雨和氣溫影響下，表層土壤水分的變化不同。0—3 mm的小降雨過(guò)后，灰鈣土和棕紅土坡面各處理表層土壤含水量無(wú)明顯變化，說(shuō)明在這種微降雨過(guò)后，隨著地表溫度升高，表層土壤水分迅速蒸發(fā)，很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)(圖2)。

注：a為5.8 mm降雨下灰鈣土和棕紅土表層土壤含水量時(shí)間變化；b為11.2 mm降雨下灰鈣土和棕紅土表層土壤含水量時(shí)間變化；c為82.4 mm降雨下灰鈣土和棕紅土表層土壤含水量時(shí)間變化。

圖2 3場(chǎng)降雨下灰鈣土和棕紅土表層土壤含水量的時(shí)間變化

圖2主要分析了3場(chǎng)不同降雨量后8 d的表層土壤含水量的變化規(guī)律。在3場(chǎng)不同量的降雨下，11.2 mm降雨后表層土壤含水量上升幅度最大(見(jiàn)圖2b)，降雨主要入滲到土壤中，其次是82.4 mm降雨(見(jiàn)圖2c)，在大暴雨降雨情況下，降雨主要以徑流形式流損失。在不同降雨量的情況下，降雨后4 d，表層土壤含水量下降迅速，到第8 d，趨于穩(wěn)定。

從降雨后8 d氣溫與表層土壤含水量之間的相關(guān)性可以看出氣溫對(duì)表層土壤含水量變化的影響(見(jiàn)圖3)。從圖3可知在兩種土壤類型坡面上，降雨后8 d內(nèi)表層土壤含水量隨氣溫的升高而減小，兩者存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系。氣溫可以解釋60%左右表層土壤含水量的變化，表明氣溫對(duì)表層土壤含水量變化有較大影響。

圖3 灰鈣土和棕紅土表層土壤含水量與氣溫的相關(guān)性

2.2.2 坡位 從圖4可以看出，在不同管理措施下，灰鈣土和棕紅土的上坡、中坡、下坡之間的表層土壤含水量無(wú)顯著性差異(p>0.05)，說(shuō)明坡位對(duì)兩種土壤類型坡面表層土壤含水量沒(méi)有影響。潘占兵等[19]在寧南黃土丘陵區(qū)研究發(fā)現(xiàn)受降水再分配影響，上、中、下坡0—180 cm平均土壤含水量變化趨勢(shì)為:下坡>中坡>上坡。蘇子龍等[20]在典型黑土區(qū)農(nóng)業(yè)小流域研究發(fā)現(xiàn)0—100 cm各坡位土壤含水量中，下坡位土壤含水量最大，上坡位次之。同樣，田迅等[21]在內(nèi)蒙古草原研究發(fā)現(xiàn)坡底0—50 cm平均土壤含水量大于坡頂。表層土壤含水量的變異性較強(qiáng)，與深層土壤含水量的變化有一定差異，因此不同坡位對(duì)不同深度土層土壤含水量的影響不同。

2.2.3 土壤類型 灰鈣土是伊犁河谷半荒漠草原帶分布最廣泛的地帶性土壤，約占伊犁河谷總面積的12%[22]。從伊犁河谷西部海拔400 m到東部的1 200 m，大都分布在海拔較高的二、三級(jí)階地及山前洪積—沖積扇。棕紅土主要分布在伊寧縣的青年農(nóng)場(chǎng)等地，分布面積較小，易引起洪水災(zāi)害。表3是試驗(yàn)區(qū)兩種土壤類型的土壤理化性質(zhì)。從兩者的土壤機(jī)械組成來(lái)看，灰鈣土的砂粒含量高于棕紅土，棕紅土的粉粒和黏粒含量以及干容重高于灰鈣土，兩者都屬于粉壤。灰鈣土有機(jī)質(zhì)含量高于棕紅土，pH值差異不大，而棕紅土電導(dǎo)率高于灰鈣土。圖5顯示，各管理措施下棕紅土的表層土壤含水量與灰鈣土的表層土壤含水量有顯著性差異，棕紅土表層土壤含水量比灰鈣土約高50%左右。一般來(lái)說(shuō)，具有較高持水性的土壤能夠貯存較多的水。土壤砂粒含量低時(shí)，其持水能力較強(qiáng)，土壤水分的穩(wěn)定性也高[23]。棕紅土砂粒含量較低于灰鈣土，因此其持水性較強(qiáng)，表層土壤含水量較高。

圖4 伊犁河谷草地不同管理措施對(duì)灰鈣土(a)和棕紅土(b)坡位表層土壤含水量的影響

表3 伊犁河谷草地兩種土壤類型的土壤理化性質(zhì)

母質(zhì)取樣土層/cm有機(jī)質(zhì)/(g·kg-1)土壤顆粒組成0.05～2 mm0.002～0.05 mm<0.002 mm土壤質(zhì)地干容重/(g·cm-3)pH值電導(dǎo)率/(us·cm-1)灰鈣土0—1022.6722.76%74.67%2.57%粉壤1.218.58120.7棕紅土0—1017.9120.72%75.96%3.32%粉壤1.478.38473.5

注：圖中不同小寫字母表示在5%水平上差異顯著。

2.3 人為管理因素對(duì)土壤水分的影響

2.3.1 草地土壤管理措施 圖6為不同土壤管理措施下灰鈣土和棕紅土坡面表層土壤含水量的變化特征。從圖6中可以看出各處理表層土壤的水分變化分為土壤水分補(bǔ)充期和土壤水分消退期。土壤水分補(bǔ)充期是指降雨后，水分進(jìn)入土壤，土壤含水量迅速增加。土壤消退期是指在降雨后，隨著氣溫的上升，儲(chǔ)存在土壤中的水分不斷蒸發(fā)，土壤含水量迅速降低，很快恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)土壤含水量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，結(jié)合降雨期間的水分蒸發(fā)量的季節(jié)變化規(guī)律，將試驗(yàn)區(qū)各處理表層土壤水分變化分為2個(gè)階段。5—6月為表層土壤水分強(qiáng)烈波動(dòng)期，該期間降雨多且降雨量較大，溫度高，土壤水分在降雨后迅速上升。后期隨著溫度的升高，蒸發(fā)加強(qiáng)，土壤水分又呈急劇下降狀態(tài)。7—9月為表層土壤水分的穩(wěn)定期，在此期間，氣溫偏高，降雨量小且降雨次數(shù)減少，土壤水分波動(dòng)較小，處于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖6 不同土壤管理措施下灰鈣土(a)和棕紅土(b)坡面表層土壤含水量的變化

各處理表層土壤含水量在降雨后有所升高，隨后逐漸下降并恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。在降雨過(guò)后，灰鈣土和棕紅土坡面水平溝處理表層土壤含水量上升幅度最大，水平溝可以攔蓄徑流，增大土壤含水量；灰鈣土坡面枯草覆蓋處理表層土壤含水量上升幅度最小，這是由于部分降雨難以浸透枯草覆蓋層，補(bǔ)充到土壤中。紅棕土坡面上，增滲孔處理表層土壤含水量上升幅度最小，增滲孔促進(jìn)了棕紅土表層土壤含水量的下滲，使其表層土壤含水量大部分入滲到下部土壤中去。

在各處理表層土壤含水量恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間里，兩種土壤類型坡面各處理表層土壤含水量下降速度為：水平溝>對(duì)照>增滲孔>枯草覆蓋。水平溝處理在降雨后的前期表層土壤含水量大，但后期因溫度上升較快，表層積水迅速蒸發(fā)，含水量急劇下降。增滲孔處理中，大部分降雨滲入深層土壤中，在后期蒸發(fā)過(guò)程中，水分上移，能夠在一定程度上增加表層土壤含水量，使得其土壤含水量在降雨后變化較為緩慢?？莶莞采w處理表層土壤含水量下降速率最慢，恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間最長(zhǎng)，說(shuō)明枯草覆蓋可以在一定程度上減緩水分的散失。

2.3.2 集雨補(bǔ)灌 集雨補(bǔ)灌措施可以有效補(bǔ)充土壤水分，是一種雨水高效利用的方式。圖7為兩種土壤類型坡面上不同補(bǔ)灌措施下，表層土壤含水量的對(duì)比分析。由圖7可知，不同補(bǔ)灌方式下，表層土壤含水量差異不大，因?yàn)闇囟冗^(guò)高，補(bǔ)灌后，一部分水分流入深層土壤，被植物所吸收利用，另一部分水分迅速蒸發(fā)，從而恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。孫樂(lè)鳳[24]利用集雨補(bǔ)灌技術(shù)對(duì)干旱區(qū)玉米進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，集雨補(bǔ)灌可以顯著提高深層土壤含水量，同時(shí)提高了玉米產(chǎn)量和水分利用效率。后期在進(jìn)行集雨補(bǔ)灌效果研究時(shí)，可以進(jìn)一步研究深層土壤含水量以及草被的生長(zhǎng)狀況。

圖7 不同集雨補(bǔ)灌措施對(duì)灰鈣土(a)和棕紅土(b)坡面表層土壤含水量的影響

3 討 論

對(duì)于自然因素來(lái)說(shuō)，土壤含水量的變化主要受蒸發(fā)和降水等因子制約[25]。降雨可以在8 d內(nèi)使表層土壤含水量高于平常狀態(tài)值，這對(duì)于補(bǔ)充灌溉具有一定的借鑒意義。本文集雨補(bǔ)灌措施對(duì)表層土壤含水量沒(méi)有太大影響，分析原因可能是由于灌溉的量太小，加上溫度高，表層土壤水分很快散失。補(bǔ)充灌溉可以增加土壤含水量，但只有達(dá)到一定量時(shí)，才能夠到達(dá)預(yù)期效果，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[26-27]。在降雨少的情況下，可以加大補(bǔ)灌量，確定補(bǔ)灌的周期，從而促進(jìn)草被植物的生長(zhǎng)。氣溫也是影響表層土壤含水量的一個(gè)重要因素，有相關(guān)研究表明，降雨結(jié)束后，土壤水分的再分布主要受土水勢(shì)控制，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蒸發(fā)作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位[28]。因此，在降雨后及時(shí)采取一定的防蒸發(fā)措施，可以有效減緩表層土壤含水量的蒸發(fā)。

本文研究發(fā)現(xiàn)表層土壤含水量的變化除了受降雨和氣溫主控因子的影響，還受土壤類型因素的影響。其它自然因素，如風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、植被狀況等也會(huì)對(duì)表層土壤含水量的變化產(chǎn)生一定影響。后期可以對(duì)這些因素開(kāi)展相關(guān)研究?jī)?nèi)容。

由于降雨時(shí)間分布不均，伊犁低山區(qū)較為干旱，植被生長(zhǎng)狀況較差，不同的土壤管理措施在一定程度上可以影響該地區(qū)的植被重建和生態(tài)修復(fù)工作。通過(guò)對(duì)各處理表層土壤含水量的對(duì)比分析可知，不同土壤管理措施在降雨后作用明顯。水平溝處理在降雨后的表層土壤含水量最大。水平溝措施改變了土壤的水分條件[29]，在降雨補(bǔ)充下水平溝可以集蓄大量雨水，表層土壤含水量大幅度增加。然而枯草覆蓋處理的表層土壤含水量增加幅度最小，可能是在降雨時(shí)有枯草覆蓋的緣故，枯草會(huì)吸收水分。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，在高溫時(shí)有隔熱保溫的作用[30]。單小琴[31]同樣也在地表覆蓋秸稈并且有效地減弱了0—20 cm土壤含水率的波動(dòng)幅度。

4 結(jié) 論

(1) 降雨和氣溫對(duì)表層土壤含水量影響顯著，表層土壤含水量在降雨后顯著升高，隨著氣溫上升，又顯著降低。

(2) 坡位對(duì)草地坡面表層土壤含水量沒(méi)有顯著性影響。

(3) 不同土壤類型的表層土壤含水量不同，棕紅土表層土壤含水量要高于灰鈣土，持水性較好。

(4) 不同管理措施表層土壤含水量在降雨后有明顯差異。降雨使各處理表層土壤含水量增加，由高到低依次為：水平溝>對(duì)照>增滲孔>枯草覆蓋。降雨結(jié)束后表層土壤含水量隨時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，下降速率由高到低依次為水平溝>對(duì)照>增滲孔>枯草覆蓋。在降雨后4 d內(nèi)，表層土壤含水量下降的速率最快，氣溫上升的速率最慢，在此期間，可以采取相應(yīng)的管理措施，減緩表層土壤含水量的蒸發(fā)。不同集雨補(bǔ)灌方式下表層土壤含水量差異不明顯，但集雨補(bǔ)灌措施可在短時(shí)內(nèi)提高表層土壤含水量，調(diào)控和再利用地表徑流。后續(xù)還需要在坡面—溝道系統(tǒng)探討集雨補(bǔ)灌措施的適用性。