典型地面覆蓋下黃土丘陵區(qū)干化土壤深層水分變化研究

張珂萌 汪 星 汪有科 李 群 吳九江 張敬曉

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 銀川 750021； 3.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院， 北京 100048)

0 引言

我國(guó)黃土高原地區(qū)由于多年來(lái)大力進(jìn)行人工植被生態(tài)建設(shè)，人工林(草)地普遍發(fā)生土壤干化現(xiàn)象，自東南到西北土壤干化現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，具有地域性特征，且隨年限的增加土壤干化程度加劇[1-2]，如7齡紫花苜蓿草地和23齡檸條灌木林，耗水深度可達(dá)15.5 m和22.4 m[3-6]。有學(xué)者從土壤干層形成機(jī)制進(jìn)行劃分，把由氣候干旱和降雨量較低引起的土壤干化稱(chēng)為常態(tài)干化；把由于人類(lèi)在植被建設(shè)過(guò)程中沒(méi)有遵循自然規(guī)律，在適合低耗水性植物生長(zhǎng)的地區(qū)種植強(qiáng)耗水性植物，或采用高密度粗放經(jīng)營(yíng)和不合理的種植方式等人為因素導(dǎo)致的土壤干化，稱(chēng)為加速干化[7-9]。黃土高原地區(qū)具有“低降水、高蒸發(fā)”[1]的氣候特征且土壤水分主要以活塞流入滲為主，即使有降水補(bǔ)給，入滲深度也大多維持在表層0～3 m[10]，因此土壤形成常態(tài)化干層是不可避免的生態(tài)水文現(xiàn)象。也有研究表明采取輪作方式如苜蓿-早熟禾輪作[11]可以提高當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分利用率，但對(duì)土壤水分恢復(fù)作用不大[12]。而黃土高原人工造林活動(dòng)則導(dǎo)致當(dāng)?shù)馗黝?lèi)林地土壤加速干化，形成的土壤干層土壤含水率較低，位于降水滲深度以下且形成之后具有相對(duì)持久和干層土壤濕度恢復(fù)困難等基本特征[4,13-14]，即使人工林死亡或者被砍伐，深層土壤水分仍然很難恢復(fù)，使得土壤長(zhǎng)期失去水分調(diào)節(jié)功能，對(duì)土地的可持續(xù)利用造成不利影響[15-17]，已經(jīng)成為制約黃土高原植樹(shù)造林成效的嚴(yán)重生態(tài)隱患。無(wú)論是常態(tài)化還是加速化一旦形成土壤干層，都會(huì)阻礙陸地水分小循環(huán)，削弱水文大循環(huán)，并嚴(yán)重影響該地區(qū)植被建設(shè)和區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展[18]，且在長(zhǎng)期干化土壤中，刺槐等人工林(草)也會(huì)逐漸衰退[19]。另有學(xué)者通過(guò)黃土高原果園覆草，提高土壤含水率，改善土壤理化性質(zhì)，并促進(jìn)該地區(qū)土壤的水、肥、氣、熱、生物因素形成平衡的綜合生態(tài)系統(tǒng)[20]，說(shuō)明采取恰當(dāng)覆蓋措施具有良好的蓄水效果。改善該地區(qū)土壤的持續(xù)干化現(xiàn)象直至完全恢復(fù)其“土壤水庫(kù)”調(diào)節(jié)功能成為亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。本研究選擇9種不同覆蓋措施，在野外大規(guī)格土柱模擬試驗(yàn)條件下連續(xù)5年觀測(cè)各個(gè)處理的剖面土壤含水率變化量，分析不同覆蓋措施對(duì)深層干化土壤水分的影響，以期對(duì)黃土高原干旱和半干旱區(qū)人工林(草)地土壤水分修復(fù)提供數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市米脂縣境內(nèi)的遠(yuǎn)志山試驗(yàn)站[21](38°11′N(xiāo)，109°28′E)，屬于典型的黃土高原丘陵區(qū)，水土流失嚴(yán)重。以無(wú)定河為分水嶺，地勢(shì)總體東西高中間低。海拔最高1 252 m，最低843 m，平均海拔1 049 m。干化土壤水分修復(fù)試驗(yàn)統(tǒng)一布設(shè)在同一臺(tái)面上，坡度為23°。前期為23年生蘋(píng)果林，伐后成為進(jìn)行不同覆蓋措施的大規(guī)格野外土柱模擬試驗(yàn)樣地。土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1，根據(jù)美國(guó)制分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，粒徑0.05～2 mm為砂粒、0.002～0.05 mm為粉粒、0～0.002 mm為粘粒，試驗(yàn)區(qū)質(zhì)地為粉壤土，且以黃土母質(zhì)上發(fā)育的綿土為主，凋萎含水率為23年生蘋(píng)果林伐后1 000 cm通體干化土層的平均含水率，同時(shí)也是本次試驗(yàn)的初始含水率。由于黃土丘陵區(qū)植被退化和水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致表層土壤侵蝕程度增強(qiáng)，以峁、溝、梁、川為主，溝壑密度3～6 km/km2，土壤侵蝕模數(shù)1.8萬(wàn)t/(km2·a)，構(gòu)成梁峁起伏、溝壑縱橫、支離破碎的特殊地貌，且土壤顆粒粗化，蒸發(fā)作用劇烈；深層土壤粉粒含量高，土壤質(zhì)地均勻，孔隙度小，在一定程度上加重了該地區(qū)土壤干化程度。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤的顆粒組成和物理參數(shù)Tab.1 Particle composition and physical parameters of soil in test area

研究區(qū)屬于中溫帶半干旱性氣候，晝夜溫差大，溫度變化范圍為-25～38℃，多年平均氣溫8.4℃，無(wú)霜期160 d左右，年均日照時(shí)數(shù)2 761 h，日照百分率為62%，年均太陽(yáng)總輻射量580.5 kJ/cm2，多年平均風(fēng)速1.19 m/s，多年平均相對(duì)濕度60%，多年平均降水量451.6 mm。試驗(yàn)區(qū)設(shè)置小型氣象站，試驗(yàn)期間自動(dòng)氣象站(RR-9100型)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象數(shù)據(jù)。圖1為試驗(yàn)區(qū)2014—2019年月降水量情況。本試驗(yàn)期間降水量主要分布在6—9月[21]，占全年總降水量的67%(圖1),而11月—翌年3月降水量占全年比例僅6%，降水年際不均勻[7]與黃土丘陵區(qū)整體雨養(yǎng)氣象[22]規(guī)律一致。

圖1 試驗(yàn)區(qū)2014—2019年月降水量Fig.1 Monthly precipitation of test area from 2014 to 2019

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)布設(shè)

圖2為不同覆蓋方式大型野外土柱縱剖面示意圖，其中土柱直徑為80 cm，深1 000 cm，土柱內(nèi)每隔30 cm踩實(shí)一次進(jìn)行分層回填原狀土，盡量接近當(dāng)?shù)赝寥廊葜?，保持?1.3±0.05)g/cm3，周?chē)捎? mm厚塑料隔離，防止土柱內(nèi)外水分交換及其他植物根系進(jìn)入土柱影響試驗(yàn)結(jié)果，土柱地表采用高度20 cm的混凝土井圈防止地表徑流發(fā)生。試驗(yàn)土柱地面處理有種植刺槐、苜蓿、檸條、棗樹(shù)和早熟禾以及覆蓋石子、樹(shù)枝、黑色地布和白色地膜9種處理(將早熟禾、苜蓿、檸條、棗樹(shù)和刺槐視為植物覆蓋處理；石子、樹(shù)枝、地布和白色地膜視為非植物覆蓋處理)，并以土壤表面完全裸露作為對(duì)照，具體布設(shè)見(jiàn)圖3。其中棗樹(shù)和刺槐在土柱中均是單株種植，苜蓿和檸條種植密度分別為15穴/m2和2株/m2。每種處理重復(fù)3次，每個(gè)土柱中間位置安放1 000 cm鋁合金套管，利用CNC-503DR型中子土壤水分儀測(cè)定0～1 000 cm深度內(nèi)的不同土層深度土壤含水率，測(cè)定土壤含水率土層深度間隔為20 cm，在2014年8月完成試驗(yàn)初步布設(shè)，9月完成儀器調(diào)試和數(shù)據(jù)初步校核，10月正式開(kāi)始記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)期為2014年10月—2018年12月，每10 d觀測(cè)一次，每3個(gè)月對(duì)中子儀進(jìn)行校準(zhǔn)，另外考慮到中子儀對(duì)表層土壤含水率測(cè)定容易出現(xiàn)誤差，且本研究重點(diǎn)是干化土壤深層水分的修復(fù)或消耗情況，所以截取40～1 000 cm以上土壤水分變化情況。

圖2 不同覆蓋處理試驗(yàn)布設(shè)縱剖面示意圖Fig.2 Longitudinal section diagram of test under different mulching treatments

圖3 不同覆蓋處理試驗(yàn)布設(shè)俯視示意圖Fig.3 Overlooking schematic of test under different mulching treatments

2.2 指標(biāo)計(jì)算

2.2.1土壤儲(chǔ)水量、土壤有效儲(chǔ)水量和土壤水分消耗量

通過(guò)土壤體積含水率分層計(jì)算土壤儲(chǔ)水量(SWS)和土壤有效儲(chǔ)水量(AWS)[7]。土壤儲(chǔ)水量(SWS)計(jì)算公式為

SWSh=10θΔh

(1)

式中SWSh——土層h的土壤儲(chǔ)水量，mm

θ——土壤體積含水率，%

Δh——土層深度，cm

土壤有效水的上限是田間持水率，下限是本次試驗(yàn)樣地的凋萎含水率(表1)，本次試驗(yàn)中土壤有效儲(chǔ)水量(AWS)指高于凋萎含水率的土壤儲(chǔ)水量。計(jì)算公式為

AWSh=(θ-θw)Δh

(2)

式中AWSh——土層h的土壤有效儲(chǔ)水量，mm

θw——土壤凋萎含水率，%

當(dāng)測(cè)得的土壤含水率小于土壤凋萎含水率時(shí)有效儲(chǔ)水量為0。

土壤水分消耗量表示經(jīng)過(guò)2014—2018年不同植物覆蓋措施連續(xù)生長(zhǎng)土壤水分被過(guò)度消耗的逐年積累情況。計(jì)算公式為

SM=Pr+ΔW

(3)

式中SM——不同覆蓋措施下土壤水分消耗量，mm

Pr——降水量，mm

ΔW——計(jì)算時(shí)段初與計(jì)算時(shí)段末土壤儲(chǔ)水量之差，mm

2.2.2土壤干化指數(shù)

為定量描述土壤干化程度[17]，比較不同覆蓋措施下土壤干化剖面分布特征和區(qū)域分布規(guī)律，采用土壤干化指數(shù)進(jìn)行土壤干層分析[14]，計(jì)算公式為

(4)

式中ISD——土壤干化指數(shù)，%

θSS——土壤穩(wěn)定含水率，%

其中穩(wěn)定含水率指在黃土高原干旱氣候、土壤質(zhì)地、自然植被等因素作用下，通常旱地土壤能夠長(zhǎng)期維持的土壤含水率，其值為田間持水率的50%～75%[23]，本文取田間持水率的60%[9-24]。土壤干化指數(shù)越小，表明土壤干化強(qiáng)度越高，可供植物吸收利用的土壤有效含水量越小，消除了降水量和土壤種類(lèi)等因素的影響，可用于不同區(qū)域、土壤之間土壤干化強(qiáng)度的差異比較。李軍等[13-14]將土壤干化指數(shù)劃分為6個(gè)級(jí)別，每25%分一層，但在本次試驗(yàn)中由于初期采用平均含水率為7.6%的極度干化狀態(tài)，將劃分細(xì)度改變，如表2所示。

表2 土壤干化狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification standard of soil desiccation state

2.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為重復(fù)試驗(yàn)的平均值，其中土壤含水率均為體積含水率，數(shù)據(jù)整理利用Excel軟件；試驗(yàn)布設(shè)圖采用AutoCAD繪制；差異性分析采用SPSS 17.0軟件，曲線和分布圖采用OriginPro繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同覆蓋處理下土壤含水率的差異性

表3為不同覆蓋處理在試驗(yàn)期間(2014年10月—2018年12月)1 000 cm土柱年平均含水率差異性。通過(guò)對(duì)土壤年平均含水率在不同土層深度分布的差異狀況比較發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)初期(2014年10月)刺槐、苜蓿、檸條、棗樹(shù)、早熟禾、對(duì)照(裸地)、石子、樹(shù)枝和地布處理處在同一水平，沒(méi)有顯著差異，白色地膜與其他覆蓋處理存在顯著差異；第2年(2015年)植物覆蓋處理之間沒(méi)有顯著差異，非植物覆蓋處理之間除白色地膜外石子、樹(shù)枝和地布之間均無(wú)顯著差異，裸露地表作為對(duì)照僅與白色地膜之間存在顯著差異，刺槐與各非植物覆蓋處理都存在顯著差異；第3年(2016年)各植物覆蓋處理之間仍然沒(méi)有顯著差異，非植物覆蓋處理中石子和樹(shù)枝沒(méi)有顯著差異，地布和白色地膜沒(méi)有顯著差異，分為2個(gè)水平差異，對(duì)照分別與植物覆蓋處理中的早熟禾以及非植物覆蓋處理中的石子和樹(shù)枝沒(méi)有顯著差異，早熟禾和石子處理沒(méi)有顯著差異，其他植物覆蓋處理與非植物覆蓋處理之間均存在顯著差異；第4年(2017年)植物覆蓋處理之間出現(xiàn)差異，如刺槐分別與棗樹(shù)和早熟禾存在顯著差異，且與對(duì)照和非植物覆蓋處理之間均存在顯著差異，非植物覆蓋處理仍然為2個(gè)差異水平(石子和樹(shù)枝、地布和白色地膜)未變；到第5年(2018年)植物覆蓋處理之間差異增大，刺槐分別與苜蓿、檸條、棗樹(shù)以及早熟禾出現(xiàn)顯著差異，苜蓿、檸條和棗樹(shù)沒(méi)有顯著差異，棗樹(shù)與早熟禾沒(méi)有顯著差異，對(duì)照與其他覆蓋處理均存在顯著差異，非植物覆蓋處理依然是2個(gè)差異水平。說(shuō)明白色地膜處理修復(fù)土壤水分效果最為明顯，在試驗(yàn)初期就顯現(xiàn)出與其他覆蓋處理的顯著差異，而隨著時(shí)間的延續(xù)和降水的累積以及植物生理需水對(duì)土壤水分的消耗，各處理下的土壤含水率差異逐年顯現(xiàn)并增大，各植物覆蓋處理對(duì)土壤水分消耗能力的差別從初始的沒(méi)有差異逐漸出現(xiàn)顯著差異，在試驗(yàn)第5年表現(xiàn)為3個(gè)不同差異水平，而非植物覆蓋處理由于水分損失較小且保蓄水分能力較好，在第2年就形成2個(gè)水平差異。

表3 不同覆蓋處理下2014—2018年1 000 cm土柱平均含水率Tab.3 Average water content of 1 000 cm soil column under different coverage measures from 2014 to 2018 %

3.2 不同覆蓋處理下降水逐年入滲深度

圖4 不同覆蓋處理2014—2018年試驗(yàn)期間年降水入滲垂直深度變化曲線Fig.4 Variation curves of vertical depth of annual precipitation infiltration with different coverage measures from 2014 to 2018

試驗(yàn)初期土柱土壤含水率基本保持在7.6%的通體干化狀態(tài)。圖4為2014—2018年試驗(yàn)期間不同覆蓋處理下降水逐年入滲深度垂直分布。通過(guò)表3將各處理第5年平均含水率的差異情況分為3個(gè)梯度(刺槐-苜蓿-檸條、早熟禾-棗樹(shù)和非植物覆蓋處理)，裸露地表作為對(duì)照。圖4顯示刺槐、苜蓿、檸條、早熟禾和棗樹(shù)等植物覆蓋處理由于耗水較多，入滲深度在試驗(yàn)期間均小于裸露地表，更小于各非植物覆蓋處理；非植物覆蓋處理由于其保墑蓄水作用致使年入滲深度逐年增加，白色地膜甚至在第5年后深達(dá)1 000 cm土層。具體年尺度入滲深度如下：在試驗(yàn)初期(2014年)不同覆蓋處理均有不同程度入滲；刺槐僅入滲到100 cm且200～300 cm內(nèi)含水率因消耗而降低，早熟禾入滲達(dá)200 cm，苜蓿、檸條和棗樹(shù)入滲至260 cm；裸露地表(對(duì)照)、石子、樹(shù)枝和地布處理可入滲至300 cm；白色地膜的入滲深度可達(dá)400 cm以下；刺槐、苜蓿和檸條在第2年后入滲深度減小，第2～3年(2015—2016年)保持在100 cm以?xún)?nèi)且200～400 cm內(nèi)土層含水率均被消耗，第4年(2017年)時(shí)年降水無(wú)法繼續(xù)向下入滲，土柱內(nèi)水分被消耗，土壤含水率逐漸降低，干化程度加重，到第5年(2018年)土壤干化程度更甚，1 000 cm土柱通體土層含水率下降；早熟禾和棗樹(shù)的入滲深度在第2年達(dá)300 cm，300 cm以下土壤水分無(wú)法得到降水補(bǔ)充，棗樹(shù)的入滲深度自第3年減小到100 cm以?xún)?nèi)，至第5年，早熟禾的逐年入滲深度由200 cm增至300 cm，隨降水量的減小出現(xiàn)一定的滯后現(xiàn)象，刺槐、苜蓿、檸條從第2年開(kāi)始入滲深度不再增加；非植物覆蓋處理下的年入滲深度呈現(xiàn)逐年加深，第2年石子、樹(shù)枝和地布處理達(dá)400 cm，白色地膜處理可達(dá)600 cm；第4年石子、樹(shù)枝入滲達(dá)500 cm，地布達(dá)600 cm，白色地膜達(dá)800 cm，到第5年石子和樹(shù)枝覆蓋年入滲深度達(dá)700 cm，而地布和白色地膜已達(dá)1 000 cm土層；裸露地表(對(duì)照)的年入滲深度隨降水也逐年增加，第5年時(shí)達(dá)520 cm左右。

綜上所述，在前期干化土壤中,早熟禾年入滲深度超過(guò)逐年降水入滲深度，說(shuō)明有累積入滲深度，使得原有干化土壤可以得到緩慢修復(fù)；刺槐、苜蓿和檸條均可以完全消耗每次降水，所以沒(méi)有累積降水入滲發(fā)生，而且出現(xiàn)不同程度的土壤干化加重現(xiàn)象；非植物覆蓋處理下則均表現(xiàn)出不同程度年入滲深度增加趨勢(shì)，說(shuō)明非植物覆蓋對(duì)干化土壤的修復(fù)作用較好。

3.3 植物生長(zhǎng)條件下的干化土壤水分消耗

表4為試驗(yàn)期間不同植物覆蓋處理下土壤儲(chǔ)水量、有效儲(chǔ)水量及土壤水分消耗量等指標(biāo)，其中2014年8月底完成本次試驗(yàn)的布設(shè)，9月完成試驗(yàn)儀器調(diào)試和數(shù)據(jù)校核，當(dāng)年10月開(kāi)始土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)觀測(cè)，故降水量從2014年8月起算，2014年降水量是當(dāng)年8—12月的累計(jì)降水量，故較其他年份降水量少，本次試驗(yàn)初始儲(chǔ)水量為760 mm。由表4可看出，本試驗(yàn)期間年降水不均勻且平均降水量小于該地區(qū)多年平均降水量(451.6 mm)，各試驗(yàn)?zāi)甑膬?chǔ)水量由大到小依次為：對(duì)照、早熟禾、棗樹(shù)、檸條、苜蓿、刺槐，而土壤水分消耗量則與之相反；裸露地表(對(duì)照)土壤儲(chǔ)水量隨年限延長(zhǎng)和降水增大較植物覆蓋處理明顯，植物覆蓋處理除早熟禾隨年限略有增加外其他植物覆蓋處理下的土壤儲(chǔ)水量總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中刺槐、苜蓿和檸條甚至在試驗(yàn)的第3年(2016年)已無(wú)有效儲(chǔ)水量，而棗樹(shù)在第5年(2018年)時(shí)沒(méi)有有效儲(chǔ)水量，說(shuō)明隨刺槐、苜蓿和檸條耗水增大土壤干化程度在加重，而棗樹(shù)耗水小于上述3種植物，其土壤干化加劇時(shí)間出現(xiàn)較晚，且與當(dāng)年降水相關(guān)。總體來(lái)看植物在生長(zhǎng)的第1年耗水量小于降水量，土壤儲(chǔ)水有一定增值，第2年除早熟禾覆蓋措施之外的其他植物生長(zhǎng)需水增加，出現(xiàn)土壤干化加劇問(wèn)題。各植物的耗水量還表現(xiàn)出隨降水量的增加而增加的特點(diǎn)。植物覆蓋處理下試驗(yàn)期間的土壤平均儲(chǔ)水量由大到小依次為：早熟禾、棗樹(shù)、檸條、苜蓿、刺槐，且均低于對(duì)照；而平均耗水量與儲(chǔ)水量相反，由小到大依次為：早熟禾、棗樹(shù)、檸條、苜蓿、刺槐，均大于對(duì)照。早熟禾的平均耗水量小于試驗(yàn)期間的平均降水量，可以正常生長(zhǎng)且不會(huì)加深土壤干化程度，而刺槐、苜蓿、檸條、棗樹(shù)的平均耗水量大于試驗(yàn)期間平均降水量，雖然可以在極度干化的土壤中生長(zhǎng)，但土壤水分長(zhǎng)期被消耗，會(huì)加劇土壤干化程度和干化深度，以刺槐最甚，棗樹(shù)最輕?？紤]到土壤水環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)以種植耗水量較少、生長(zhǎng)速度適中[7,25]的淺根草灌為主，而苜蓿和檸條等深根草灌以及刺槐等耗水較大且深根植物不適合在已經(jīng)干化的土壤種植。

表4 不同植物覆蓋處理下土壤水分指標(biāo)Tab.4 Soil moisture index under different plant cover measures mm

圖5 不同覆蓋處理下土壤干化程度隨土層深度變化的垂直條形分布圖Fig.5 Vertical bar graphs of soil drying state of different cover measures with soil depth

3.4 不同覆蓋措施下土壤干化程度的逐年變化

圖5為試驗(yàn)土柱剖面土壤干化程度逐年變化情況。由圖可看出，各植物覆蓋處理下土壤水分情況，其中刺槐、苜蓿、檸條和棗樹(shù)由于試驗(yàn)期間降水無(wú)法補(bǔ)充，生長(zhǎng)消耗土壤水分，使得土壤含水率小于7.6%，所以土壤干化有所加重，只有早熟禾土壤水分在300 cm以?xún)?nèi)土層有所緩解，但無(wú)法達(dá)到深層；非植物覆蓋處理顯示了較好的土壤水分恢復(fù)效果，隨著試驗(yàn)?zāi)晗扪娱L(zhǎng)各處理下的土壤干化程度較初始狀態(tài)均有所緩解(土壤含水率較初始含水率有所增加的土層深度視為緩解深度)，甚至完全被修復(fù)(將無(wú)干燥狀態(tài)視為修復(fù)狀態(tài))。試驗(yàn)第1年(2014年)土壤干層修復(fù)程度由小到大依次為石子和裸露地表(對(duì)照)、樹(shù)枝和地布、白色地膜，距地表深度依次為40、100、220 cm；緩解程度由小到大依次為裸露地表和樹(shù)枝、地布、石子、白色地膜，距地表深度依次為300、340、380、420 cm；第2年(2015年)的干層修復(fù)程度由小到大依次為裸露地表、石子和樹(shù)枝、地布和白色地膜，距地表深度依次為0、80、260 cm；裸露地表0～300 cm以?xún)?nèi)土壤極度干化狀態(tài)可以得到緩解，石子和樹(shù)枝的緩解深度達(dá)400 cm、地布達(dá)420 cm、白色地膜可達(dá)580 cm以?xún)?nèi)；第3年(2016年)的土壤干層修復(fù)程度由小到大依次則為裸露地表、石子、樹(shù)枝、地布、白色地膜，距地表修復(fù)深度依次為160、180、240、380、420 cm；裸露地表的緩解深度在340 cm以?xún)?nèi)，石子在480 cm以?xún)?nèi)、樹(shù)枝在460 cm以?xún)?nèi)、地布在620 cm以?xún)?nèi)、白色地膜在780 cm以?xún)?nèi)；第4年(2017年)的土壤干層修復(fù)程度由小到大依次為裸露地表、石子和樹(shù)枝、地布、白色地膜，距地表的修復(fù)深度依次為0、200、580、600 cm；裸露地表的緩解深度在400 cm以?xún)?nèi)，石子和樹(shù)枝在600 cm以?xún)?nèi)、地布在780 cm以?xún)?nèi)、白色地膜在880 cm以?xún)?nèi)；第5年(2018年)的土壤干層修復(fù)程度由小到大依次為裸露地表、石子、樹(shù)枝、地布、白色地膜，距地表修復(fù)深度依次為240、280、300、440、480 cm，地布和白色地膜處理的0～1 000 cm深土層已經(jīng)消除極度干化狀態(tài)，而裸露地表(對(duì)照)的緩解深度則達(dá)520 cm以上，石子和樹(shù)枝的緩解深度也在700 cm以?xún)?nèi)。綜上所述裸露地表土壤水分修復(fù)效果受當(dāng)年降水影響較大且有一定滯后現(xiàn)象，而緩解效果是持續(xù)累積過(guò)程。無(wú)論是修復(fù)還是緩解效果最好的都是覆蓋白色地膜處理，其次是地布、樹(shù)枝和石子。各非植物覆蓋處理均優(yōu)于裸露地表，而植物覆蓋處理除早熟禾可以使300 cm以?xún)?nèi)干化土層得以緩解，其他植物覆蓋措施均在不同程度消耗土壤水分，無(wú)法緩解已干化土壤水分狀態(tài)。隨降水累積入滲各非植物覆蓋處理下的極度、輕度和嚴(yán)重干化狀態(tài)逐漸減輕并下移，同時(shí)受降水的影響出現(xiàn)一定的波動(dòng)，而作為對(duì)照組的裸露地表土柱則隨逐年降水的變化呈現(xiàn)滯后，但深層土壤水分仍在緩慢增加。無(wú)論是白色地膜、地布、樹(shù)枝、石子都能起到較好的含蓄土壤水分效果及恢復(fù)土壤水庫(kù)的作用，其中白色地膜處理效果最佳。

4 討論

本次試驗(yàn)以23年生蘋(píng)果林伐后臺(tái)地作為試驗(yàn)區(qū)樣地，模擬蘋(píng)果林地干化土壤建立大規(guī)格土柱進(jìn)行不同地面覆蓋試驗(yàn)，得出歷時(shí)5年在天然降水條件下不同覆蓋措施對(duì)土壤水分恢復(fù)和消耗的基本規(guī)律。由于本試驗(yàn)為土壤模擬試驗(yàn)，盡管土柱規(guī)格較大，且逐層以原狀土壓實(shí)填充，盡量還原當(dāng)?shù)卦瓲钔琳鎸?shí)狀況，但仍不可避免會(huì)存在一定差異，且試驗(yàn)土柱涉及的植物密度大于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用密度，這可能會(huì)加大土壤耗水量[22]，與實(shí)際存在一定差異。不同植物的凋萎系數(shù)不同，本次試驗(yàn)的凋萎含水率為23年雨養(yǎng)山地蘋(píng)果林地伐后深層土壤的平均土壤含水率(7.6%)，刺槐[20]、苜蓿[11]和檸條的凋萎含水率均小于該值，但是作為研究深層干化土壤恢復(fù)與干化土壤中植物耗水量相比，這種方法還是具有較強(qiáng)的合理性，對(duì)今后的研究具有參考意義。研究發(fā)現(xiàn)無(wú)論是刺槐(喬木)、檸條(灌木)還是苜蓿(牧草)均會(huì)造成黃土丘陵溝壑地區(qū)土壤干化程度加劇，且在當(dāng)?shù)馗珊档臍夂驐l件下降水無(wú)法有效地下滲補(bǔ)償，土壤水分供需關(guān)系長(zhǎng)期失衡，這與楊磊等[25]和李艷梅等[26]的研究結(jié)果一致。由于以往有關(guān)不同植物耗水的定位研究報(bào)道較少，本研究得出的植物處理耗水量尤其是不同植物耗水差異性具有參考意義，但深層干化土壤在植被覆蓋處理下的土壤水分恢復(fù)性試驗(yàn)研究還需要進(jìn)一步將適宜的植物與非植物覆蓋措施相結(jié)合，充分利用當(dāng)?shù)亟邓畻l件[27-28]既滿足淺根耗水小植被的生理需水又能緩解已干化土壤水分負(fù)增長(zhǎng)狀態(tài)，為當(dāng)?shù)刂脖恢亟ǖ牧夹匝h(huán)提供依據(jù)，其中非植物覆蓋處理下土壤水分的恢復(fù)情況較好，更接近實(shí)際。

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)黃土高原丘陵區(qū)不宜選取刺槐、苜蓿和檸條等植物作為干化土壤生態(tài)綠化措施，宜選擇耗水較小的淺根植被，并因地制宜地綜合配套石子、樹(shù)枝、地布和白色地膜的非植物覆蓋措施。作為深層干化土壤恢復(fù)以及植物覆蓋條件下的土壤水分消耗情況研究，本研究的時(shí)間較短，但試驗(yàn)涉及多個(gè)處理連續(xù)觀測(cè)5年的類(lèi)似動(dòng)態(tài)研究目前還少有報(bào)道，因此該階段性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于半干旱黃土丘陵區(qū)目前存在的規(guī)?；值赝寥栏苫卫硪约翱沙掷m(xù)發(fā)展具有較好的參考價(jià)值。

5 結(jié)論

(1)干化土壤條件下，1～5年生刺槐處理土壤的年降水入滲深度均只有100 cm左右；苜蓿、檸條和棗樹(shù)2年生年入滲深度達(dá)260 cm，3年生入滲深度減小至100 cm；早熟禾和裸露地表(對(duì)照)入滲規(guī)律接近，降水入滲深度呈逐年緩慢增加趨勢(shì)；各非植物覆蓋處理的入滲深度均逐年增加，其中白色地膜效果最佳，第5年時(shí)入滲深度達(dá)1 000 cm。

(2)干化土壤中的刺槐、苜蓿和檸條在生長(zhǎng)第2年開(kāi)始水分消耗量增大，年均土壤水分消耗量分別為467.35、458.79、458.36 mm，土壤水分消耗量大于降水量，土柱內(nèi)含水率呈負(fù)增長(zhǎng)狀態(tài)；棗樹(shù)處理土壤含水率也處于負(fù)增長(zhǎng)狀態(tài)但不嚴(yán)重，年均耗水量約為435.83 mm；早熟禾和裸露地表(對(duì)照)土壤含水率處于增長(zhǎng)狀態(tài)，年均土壤水分消耗量分別為408.90、366.02 mm，均小于試驗(yàn)期間平均降水量，對(duì)干化土壤有緩解作用。

(3)非植物覆蓋處理對(duì)干化土壤均具有明顯修復(fù)作用，其干化土壤水分恢復(fù)深度受當(dāng)年降水影響較大，試驗(yàn)期間石子、樹(shù)枝、地布和白色地膜處理的最大恢復(fù)深度分別為280、300、580、600 cm；干化土壤緩解深度則呈逐年積累趨勢(shì)，在試驗(yàn)第5年(2018年)石子和樹(shù)枝的緩解深度可達(dá)700 cm，而地布和白色地膜的緩解深度可達(dá)1 000 cm土層，說(shuō)明采取非植物覆蓋處理可以很好地含蓄水分，促進(jìn)降水入滲從而恢復(fù)土壤水庫(kù)功能。