全 文 ：第 34 卷第 23 期
2014年 12月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.23
Dec.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:中国科学院西部行动计划项目(KZCX2鄄XB3鄄13); 国家自然科学基金(41271239)
收稿日期:2013鄄03鄄06; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: fanjun@ ms.iswc.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201303060356
高宇,樊军,彭小平,王力,米美霞.水蚀风蚀交错区典型植被土壤水分消耗和补充深度对比研究.生态学报,2014,34(23):7038鄄7046.
Gao Y, Fan J, Peng X P, Wang L, Mi M X.Soil water depletion and infiltration under the typical vegetation in the water鄄wind erosion crisscross region.Acta
Ecologica Sinica,2014,34(23):7038鄄7046.
水蚀风蚀交错区典型植被土壤水分消耗
和补充深度对比研究
高摇 宇,樊摇 军*,彭小平,王摇 力,米美霞
(西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌摇 712100)
摘要:研究了黄土高原水蚀风蚀交错区六道沟小流域 8种植被类型条件下植物消耗土壤水分深度与降水对应的补充深度。 结
果表明:裸地、农地、撂荒地、人工草(灌)地(苜蓿地、柠条地、沙打旺地)、当地典型草地(荒草地、长芒草地)在平水年及干旱年,
土壤水分均表现为负平衡;丰水年部分样地土壤水分得到补充。 平水年以及干旱年(2010—2011 年)植物耗水深度依次为:柠
条地>撂荒地>沙打旺地>苜蓿地抑长芒草地抑荒草地>农地>裸地,降水补充深度为农地>裸地>撂荒地>荒草地>长芒草地>沙
打旺地>苜蓿地>柠条地。 丰水年(2012年)裸地、苜蓿地、荒草地与沙打旺地土壤水分并未显示出明显负平衡过程,但柠条地耗
水深度依然达到 260 cm,其它样地依次为撂荒地>农地>长芒草地;降水入渗深度排序:农地>裸地>撂荒地 =柠条地>荒草地 =
苜蓿地>长芒草地>沙打旺地。 水蚀风蚀交错区土壤蒸发(裸地蒸发)以及降水补充深度一般为 0—120 cm范围内,丰水年土壤
水分能得到恢复。 农地的土壤水分消耗与补充深度略有增加。 农地撂荒后耗水深度与撂荒地植被类型有密切联系,随植被盖
度与丰度的增加,耗水有进一步加深的趋势,撂荒地土壤水分补充深度小于等于消耗深度。 农地退耕还草所种植的深根性植被
(苜蓿、沙打旺、柠条等)不仅会迅速消耗当季降水,同时会进一步消耗土壤深层储水,致使 120 cm以下观测土层土壤含水量较
低,造成土壤水分消耗深度较浅的假象。 除撂荒地外,高生物产量的人工草(灌)耗水量高,耗水深度也深,因此在退耕还林
(草)过程中,应该充分考虑不同植被类型的年度水分交换深度,采取措施降低消耗深度,增加入渗深度。
关键词:水蚀风蚀交错区;土壤含水量;消耗和补充深度
Soil water depletion and infiltration under the typical vegetation in the water鄄
wind erosion crisscross region
GAO Yu, FAN Jun*, PENG Xiaoping, WANG Li, MI Meixia
State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Northwest Agriculture University, Yangling 712100, China
Abstract: Depths of soil water depleted by plants and of infiltration after precipitation under eight typical vegetation types
were studied in the Liudaogou watershed, which is located in the water鄄wind erosion crisscross region. Results showed that
soil moisture under land of bare, farmed, abandoned, planted with grasses or shrubs ( alfalfa, Caragana korshinskii and
Astragalus adsurgens), or typical of indigenous grasslands (wild grasses and Sitpa bungeana) was reduced in all cases
during the normal (2010) and dry (2011) years; soil moisture in some plots increased during the wet year (2012). In the
normal and dry years, depths of soil moisture depleted by plants were in the order: C. korshinkii > abandoned > A.
adsurgens > alfalfa 抑 S. bungeana 抑 wild grass > crop > bare, while that of the depth of infiltration was crop > bare >
abandoned > wild grass > S. bungeana > A. adsurgens > alfalfa > C. korshinkii. The depth of soil water depletion was always
deeper than that of infiltration. In the year of high rainfall (2012), the water storage balance was positive in bare soil,
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alfalfa, wild grass and A. adsurgens, but soil moisture under C. korshinkii was depleted between the soil surface and the 260
cm depth, and to a lesser extent under the other vegetation types in the order of abandoned > crop > S. bungeana; depths of
soil water infiltration after precipitation were: crop > bare > abandoned = C. korshinkii > wild grass = alfalfa > S.
bungeana > A. adsurgens. The depths of soil water depletion and infiltration occurred within the studied 0—120 cm layer,
and soil water was replenished in the wet year. Soil water responses to vegetation鄄soil interactions under farmland were
similar to its behavior in bare soil, but the depths of soil water depletion and infiltration were deeper. The depths of soil
water depletion and infiltration under abandoned land were determined by the vegetation; the depth of soil water depletion
tended to be deeper with increases in vegetation abundance but the soil water depletion depth was less than the infiltration
depth. Not only the infiltrating rainwater but also the stored soil water had been consumed rapidly during the managed land
conversion from farmland to grassland or shrubland. As a result, we might get a false impression that the depths of soil water
depletion were shallower from our observations of the studied soil layers because of the lowered soil water content of the
layers below 120 cm. Plots with planted grasses and shrubs, which had high biomasses, also had high evapotranspiration
and deeper depths of soil water depletion. Consequently, we should fully consider the annual exchange depth of soil water
during the management of land conversion from farmland to grassland or shrubland, and then take measures to reduce the
depths of depletion of soil water and to increase infiltration.
Key Words: water鄄wind erosion crisscross region; soil water content; soil water depletion and infiltration depth
摇 摇 土壤水分是黄土区植被恢复的主要限制因
子[1鄄2],因此土壤水分状况与植被生长的相互作用研
究一直深受重视[3鄄4]。 多年生人工植被大量消耗土
壤水分,而降水的补给深度和补给量有限,结果在多
年生人工林草地出现土壤旱化现象[5]。 20 世纪 80
年代以来,黄土高原地区人工林草地普遍出现土壤
干层,已发现土壤干层深达 8—10 m,土壤水分补充
深度常不及消耗深度是造成干层不断加深加剧的重
要原因[6鄄7]。 土壤出现干层后,会导致植被生长减缓
甚至衰退[8鄄9]。 在黄土高原南部,苜蓿 (Medicago
sativa)草地年蒸散量大于年降水量,根系吸水层达
10 m以下,多年连续种植会导致土壤形成生物性下
伏干层,从而对陆地水分循环路径发生影响[10]。 在
黄土高原西部半干旱梁状丘陵区,柠条(Caragana
korshinskii)地土壤水分最大入渗深度为 1. 70—2. 7
m,丰水年土壤补给量剧增,但柠条林依然生长不良,
储存在土壤中的水分只能等到下一年才能被植物吸
收利用[11]。 程积民等对黄土丘陵区半干旱区本氏
针茅(Sitpa bungeana)天然草地研究后发现,该区域
中层和上层土壤水分大量消耗,已形成明显的土壤
水分亏缺层[4]。 在陕西北部的水蚀风蚀交错区,除
去高耗水植被(紫花苜蓿)后,土壤水分交换深度发
生显著改变,已形成的土壤干层在自然降水的作用
下有恢复趋势[12]。 因此,在黄土高原不同区域,由
于植物耗水量高于降水量导致植物消耗大量土壤储
水而可能出现土壤水分负平衡现象,了解厚层黄土
水分消耗与补给特征是深入认识这一现象的关键。
由于之前研究较多集中在黄土高原土壤干层分
布、单一植被的土壤水分消耗与补偿年限上[13鄄16],对
小流域代表性植物的土壤水分消耗与补充深度对
比、汇总研究的较少。 土壤水分消耗与补充深度反
映了当地植被生存的水分运行状况,间接体现了该
区域植被与自然之间的协调性,是人工植被选择与
生态功能评价的重要参考。 本文利用定位观测数据
对比研究小流域不同土地利用类型下植被的地上生
物量及土壤水分消耗与补充深度的差异,为黄土高
原水蚀风蚀交错地区的植被恢复提供理论依据。
1摇 实验与方法
1.1摇 研究区概况
试验观测在陕西省神木县六道沟小流域(东经
110毅 21忆—110毅 23忆, 北 纬 38毅 46忆—38毅 51忆, 海 拔
1094—1274 m)进行。 该区域植被类型由森林草原
向典型干旱草原过渡,也是黄土高原向毛乌素沙漠
过渡的地带,是典型的生态脆弱区[17]。 2003—2012
年平均降水量为 402 mm,其中 5—9 月份的降水约
占全年降水量的 80%左右。 野外观测试验于 2010—
2012年进行,其中 2010 年度降水 433 mm 接近多年
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平均值,具有较好的代表性;2011年降水 324 mm,为
典型的干旱年;而 2012 年度降水 550 mm 显著高于
多年平均值,为丰水年(图 1),该区 11月至次年 4月
气温多在 10 益以下,不适宜植物萌发生长,降水以
雪为主,并占很小比例。
图 1摇 六道沟流域降水与气温月变化
Fig.1摇 Monthly distribution of precipitation & air temperature
in Liudaogou watershed
该地区由于滥砍滥伐、过度放牧,加之严重的土
壤侵蚀,天然植被破坏严重,取而代之的是近 20—30
年间建造的人工植被。人工植被主要的树(草)种有
紫花苜蓿、柠条、草木樨(Melilotus mill)等;天然植被
中常见的建群种和优势种有长芒草(本氏针茅)、短
花针茅(Stipa breviflora)、茵陈蒿(Artemisia capillaris)
等,草本植物在该地区生态环境中占有比较重要的
地位[18]。
1.2摇 试验设计
在前期对六道沟小流域主要土地利用类型实地
调查的基础上,本研究共选择了 8 块样地,代表了当
地比较典型的土地利用和管理方式。 本研究中选取
的典型植被(土地利用方式)或是已经持续生长了
十几年的天然、人工植被样地,或退耕还草(灌)不少
于 7a的样地(表 1)。 在半干旱区,经过 7a以上的植
物生长,生态系统的水循环过程已基本稳定,各样地
之间的土壤水分差异已经主要受其上生长的不同植
被所影响[19]。 植被的生长与土壤水分的消耗和补
充,受最初含水量的影响已经极为微弱,当季降水已
成为其主要水源。
表 1摇 试验样地的基本信息
Table 1摇 Basic information of the investigation plots
项目
Items
年限 / a
Land usage
term
植被覆盖度
Vegetation
coverage / %
主要植物
Vegetations
裸地 Bare land 7 0 少量野韭 Allium ramosum
农地 Farm land 23 68 谷子,绿豆,大豆 Setaria italica, Vigna radiata, Glycine max
苜蓿地 Alfalfa land 7 78 紫花苜蓿 Medicago sativa
柠条地
Caragana korshinskii land 7 72 柠条 Caragana korshinskii
撂荒地 Abandoned land 7 91 长芒草,硬质早熟禾,茵陈蒿Sitpa bungeana, Poa sphondylodes,Artemisia capillaris
荒草地 Wild grass land 20 77 赖草,阿尔泰狗娃花,茵陈蒿Leymus secalinus, Heteropappus altaicus, A. capillaries
沙打旺地
Astragalus adsurgens land 7 74
沙打旺,紫花苜蓿
Astragalus adsurgens, M. sativa
长芒草 Sitpa bungeana land 23 82 长芒草,紫花苜蓿,达乌里胡枝子Sitpa bungeana, M. sativa, Lespedezadavurica davurica
摇 摇 土地利用年限计算截止至 2012年试验结束
表 2摇 研究小区土壤剖面物理性质
Table 2摇 Soil physical properties of the investigation plots
层次 Soil layer 粘粒%Clay (<0.002 mm)
粉粒 / %
Silt (0.05—0.002 mm)
砂粒 / %
Sand(>0.05 mm)
0—30 cm 15.6 44.0 40.4
30 cm以下 Under 30cm 16.8 47.6 35.6
摇 摇 每块样地面积均大于 200 m2,由于样地面积较
大,具有一定的代表性。 样地间海拔接近,最大间距
在 1000 m以内(采用 GPS 测定)。 试验小流域土壤
均为侵蚀砂壤质新成土,物理性质差异不大;同时,
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考虑到坡面径流可能影响到样地之间水分入渗与消
耗对比分析,本研究选取 8 个样地均为流域内无坡
度平坦地面,植被盖度在田间进行照相后用 ImageJ
软件进行处理与计算。 样地基本信息在表 1 和表 2
中详细列出。 本试验于植物生长季节进行,2010 年
5月初开始,至 2012年 10月中旬结束。
1.3摇 观测项目和方法
(1)土壤水分测定
在所有地块中沿长轴中心线均匀埋设 3 根铝制
中子仪测管,3 点的平均值作为该小区(处理)的水
分含量值,每根中子管有效测定深度均不小于 260
cm。 于生长季节每隔 2个月,采用 CNC503B 型中子
水分仪对每块样地的土壤水分进行观测,测量过程
中,测深在 0—100 cm 土层时测量间距为 10 cm,
100—260 cm测量间距为 20 cm。
每层土壤含水量(质量含水量)在计算时,取其
算术平均值。 土壤储水量的计算采用如下公式:
W = h·籽·兹·10-1 (1)
式中,W为土壤储水量(mm),h 为土层厚度(cm),籽
为土壤容量 ( g / cm3 ), 兹 为土壤含水量 (质量含
水量,%)。
对土壤储水量消耗( Soil water depletion) /补充
(Soil water infiltration)量进行计算时,采用公式:
WD = Wmid - Wstart (2)
WI = Wend - Wstart (3)
式中,WD为土壤储水量消耗量(mm),WI为土壤储水
量补充量(mm),Wstart为季初土壤储水量(mm),Wmid
为生长季蒸散旺盛期土壤储水量(mm),Wend为季末
土壤储水量(mm)。
(2)土壤水分消耗深度与补充深度确定方法
土壤水分消耗深度是指在特定的土地利用方式
下,当年植物消耗土壤水分的剖面深度,确定方法是
根据季初和系统蒸散旺季土壤剖面水分分布曲线,
选取水分含量降低幅度最大的曲线和季初比较,两
条曲线交叉点即是消耗深度,如果两条曲线无交叉
点,说明消耗深度超过了测定的土层深度。 土壤水
分的补充深度是指在特定的土地利用方式下,当年
降水所能入渗到的深度,确定方法是根据系统蒸散
旺季和雨季土壤剖面水分分布曲线,选取水分含量
增加最大的曲线和消耗曲线比较,两条曲线交叉点
即为补充深度。
(3)地上生物量
于 8月中旬(本区地上生物量达到极大值),在
样地中(除农地、苜蓿地、柠条地外)选择生长均匀、
能代表该小区植被平均生长情况的 3 个 1.0 m伊1.0
m样方,割取植物地上部分。 之后立即称量鲜草重,
将植物样品于 80 益烘干至恒重,称取植物样干重。
3个样区生物量的平均值作为该小区(处理)的地上
生物量。
与此同时,对苜蓿进行整块地刈割,全部称重,
之后抽取 3份植物样烘干;柠条作为多年生灌木,其
地上生物量测定采用平均丛法:于 8 月中旬在柠条
林中随机选取 5.0 m伊5.0 m的 3个标准地块,在标准
地内对每株柠条均进行调查,调查的因子有:丛高、
冠幅、基径、分枝数等,并取其平均值,每个地块选取
6丛标准丛,每丛剪取 3 枝标准枝,测定标准枝的鲜
生物量以及烘干后的干生物量,进而计算柠条的单
位面积生物量。
农地仅在收获后,将籽粒自然风干,统计籽粒生
物量,计算单位面积产量。
2摇 结果分析与讨论
2.1摇 植物生长季 0—260 cm土层储水量
从 5月到 9 月份的植物生长季节,不同植被条
件下的土壤水分垂直分布差异明显(图 2)。 5 月—7
月是该地区典型的土壤鄄植被系统蒸散旺季,8—9月
体现为降水对土壤水分的补充,但由于多年降水的
季节性波动,年度土壤水分的消耗与补充周期也略
有不同。 因此,本文选择能体现土壤水分年度消耗
与补充深度的 2010 年 5、7、9 月,2011 年 5、8、9 月,
2012年 5、7、9月数据进行分析。
多年土壤平均含水量(质量含水量)较高的样地
包括:裸地、农地和撂荒地,剖面平均含水量均在
13%左右,由表层到深层土壤含水量呈现增加趋势。
苜蓿地、柠条地、荒草地、沙打旺地和长芒草地土壤
平均含水量相对较低,仅有 5%—7%。
0—260 cm土层总储水量维持在较高水平的样
地排序为裸地抑农地>撂荒地,农地土壤储水与裸地
相差不大的主要原因是在季初对农地的翻耕以及生
长季的中耕松土,一方面切断了毛管孔隙,另一方面
促进了降水入渗,二者共同作用降低了土壤蒸发速
率,减少了水分损失。 但干旱年对土壤表层的扰动
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会大大增加土壤储水的损失程度(表 3)。 储水量低
于 400 mm的土地利用类型依次为柠条地>苜蓿地>
长芒草地>荒草地>沙打旺地。
图 2摇 不同土地利用类型土壤剖面水分分布动态
Fig.2摇 Soil water content in soil profiles under different land use types
A:裸地 Bare land; B:农地 Farm land; C:苜蓿地 Alfalfa land; D:柠条地 C. Korshinkii land; E:撂荒地 Abandoned land; F:荒草地 Wild grass
land; G: 沙打旺地 A. adsurgens land; H:长芒草地 S. bungeana land
表 3摇 不同植被措施下 0—260 cm土层储水量年度变化
Table 3摇 Annual change of soil water storage under different land use types at 0—260 cm soil layers
项目
Items
2010土壤季初 /季末储水量,
储水量消耗 /补充程度
Wstart /Wend,
WD /WI in 201 / mm
2011土壤季初 /季末储水量,
储水量消耗 /补充程度
Wstart /Wend,
WD /WI in 2011 / mm
2012土壤季初 /季末储水量,
储水量消耗 /补充程度
Wstart /Wend,
WD /WI in 2012 / mm
裸地 Bare land 558.4 / 550.2,-41.3 / -8.3 480.0 / 471.7,-20.6 / -8.3 468.3 / 518.8,-5.9 / 50.5
农地 Farm land 568.9 / 560.7,-44.8 / -8.2 490.8 / 456.7,-72.8 / -34.1 424.7 / 558.9,25.6 / 134.3
苜蓿地 Alfalfa land 323.7 / 338.5,-54.2 / 14.8 302.5 / 285.4,-36.7 / -17.1 250.1 / 318.6,-2.1 / 68.5
柠条地 C. Korshinkii land 416.0 / 370.0,-75.2 / -45.9 362.6 / 313.8,-82.6 / -48.8 305.6 / 327.5,-49.9 / 21.9
撂荒地 Abandoned land 442.8 / 467.0,-12.7 / 24.2 442.8 / 408.4,-78.7 / -34.4 387.3 / 437.1,-55.4 / 49.8
荒草地 Wild grass land 298.1 / 324.7,-35.9 / 26.6 259.3 / 256.8,-14.8 / -2.5 223.6 / 264.6,-15.0 / 40.9
沙打旺地 A. adsurgens land 248.1 / 267.3,-44.6 / 19.2 246.5 / 234.3,-21.4 / -12.2 200.7 / 224.3,-7.3 / 23.6
长芒草 S. bungeana land 293.3 / 299.2,-71.7 / 5.8 274.9 / 264.4,-42.3 / -10.5 233.1 / 282.7,-18.9 / 49.6
2.2摇 不同土地利用方式下土壤水分消耗与补给深度
2.2.1摇 裸地土壤水分消耗与补充深度
不同的土地利用方式将显著的影响土壤水分消
耗和补给过程[20]。 裸地土壤水分只受土壤蒸发与
降水的影响,平水年以及偏干旱年土壤水分消耗深
度达到 120 cm,8—9月,裸地 0—120 cm水分得到了
部分补充,但土壤深层储水量并未显著提高,裸地土
壤储水量在 2010—2011 试验期呈现了轻微的负增
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长(图 2:A2010—2011)。 由于 2012 年度降水充沛,裸地
储水未出现明显的消耗,0—220 cm土层土壤水分得
到了补充(图 2:A2012)。 证明在完全依靠天然降雨条
件下,裸地蒸发量极有可能大于同期降雨量,导致土
壤水分循环负平衡。 陈洪松等研究结论类似,认为
在偏干旱年,土壤储水量出现负补偿的深度范围更
大,能达到 0—300 cm深度土层[21]。 王力等也认为,
这种“低降水高蒸发冶造成的耗水量大于补充量是黄
土高原区普遍现象,这种亏缺不是生物利用引起的,
而是黄土高原的土壤条件和气象因素共同决
定的[22]。
2.2.2摇 农地与农地撂荒土壤水分消耗与补充深度
不同植被覆盖的样地除了受到土壤蒸发与降水
影响以外,主要受植物根系吸水的影响。 但农地土
壤含水量与剖面水分分布在季末时多与裸地相同
(图 2:B2010—2012),农地水分消耗深度比撂荒地浅(图
2:E2010—2012),可能与农地作物产量(农地绿豆、大豆
多年平均生物产量仅有 41 g / m2)和农地种植初期翻
耕有关。 翻耕有助于降水的及时入渗,减少蒸发损
失,且由于农地种植密度低,管理粗放,农地植被密
度与生物产量小于撂荒地,因此,农地撂荒不能增加
降水入渗深度,但也不会造成土壤干层加剧。
农地撂荒后耗水深度与撂荒地植被类型有密切
联系[23],虽然农地撂荒后土壤水分的恢复不明显,
但较农地弃耕种植其他深根性、高耗水的人工草地,
撂荒在获得较高生物产量的同时(干生物量达到
305—448 g / m2,不低于苜蓿地、柠条地、沙打旺地
(图 3)),对黄土高原水蚀风蚀交错区土壤水分恢复
具有一定的积极意义。
2.2.3摇 退耕还草对土壤水分消耗与补充深度的影响
高耗水深度和高耗水量样地也具有较高的生物
产量 (图 2: C2010—2012、D2010—2012、G2010—2012,图 3)。 5
月—7月下旬是苜蓿、柠条与沙打旺这类深根性植物
耗水的高峰期。 7、8 月这 3 块样地全土层土壤含水
量均较低,基本在 6%左右,其中干燥化程度最严重
的是沙打旺样地,含水量 4%—6%,平均储水量仅有
236 mm,但其年耗水深度较浅,可能是沙打旺地
120—260 cm土壤含水量已接近萎蔫含水量,土壤剖
面已无有效水分可被利用。 因此,沙打旺地 3a 地上
生物量波动(186—436 g / m2)较苜蓿地(328—395 g /
m2)受降水影响最为强烈。
图 3摇 2010—2012年度不同土地利用类型地上干生物量
Fig.3 摇 Above—ground dry biomass under different land use
patterns in 2010—2012
A: 裸地 Bare land, B: 农地 Farm land, C: 苜蓿地 Alfalfa land,
D: 柠条地 C. Korshinkii land, E: 撂荒地 Abandoned land, F: 荒
草地 Wild grass land, G: 沙打旺地 A. adsurgens land, H: 长芒草
地 S. bungeana land
在平水年与干旱年生长季末,3块样地土壤水分
补充深度均在 70—90 cm(图 2:C2010—2011,D2010—2011,
G2010—2011)。 丰水年,三类样地补充深度柠条地>苜蓿
地>沙打旺地,但柠条地土壤储水量增加量最少,说
明相同生长年限的柠条林地耗水速率虽不及苜蓿
地、沙打旺地,但随着生长年限的增加,柠条植株叶
面积加大,耗水速率加速上升,且降水对柠条地土壤
储水的补充能力不及苜蓿地和沙打旺地,柠条林地
最终也将形成土壤干层。
李玉山研究认为苜蓿从开始种植到种植后 13a
土壤湿度逐年降低。 本文的研究也表明在土壤湿度
降低的过程中消耗深度也在逐渐加深,苜蓿根系直
接吸水土层可以超过 10 m 深度[10]。 李裕元等研究
得出,黄土高原北部紫花苜蓿草地地上生物量普遍
偏低,生长盛期持续时间较为短暂,最多不超过
6a[24]。 本研究苜蓿地平均地上干生物量与王建国
等在 2009 年对该区域研究[25]相比,在其生长 6a 后
并未明显的降低,可能是紫花苜蓿在本区只能在低
生产力水平上波动。
杨永辉等研究认为随着植物(柠条)利用土壤水
分的深度增加,土层含水量下降,土壤入渗能力提
高[26],本试验结果与其不尽相同:丰水年度,土壤储
水量较低的样地,入渗深度不及水分条件较好的裸
地、撂荒地,与农地差距更加明显。 与米脂地区陡坡
柠条林地的最大入渗深度(120 cm)相比[27],黄土高
原水蚀风蚀交错区柠条对土壤水分消耗深度下移了
40—60 cm,补充深度并未出现明显的加深。 在相似
3407摇 23期 摇 摇 摇 高宇摇 等:水蚀风蚀交错区典型植被土壤水分消耗和补充深度对比研究 摇
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的条件下,当地柠条产量低于苜蓿,相同土层厚度的
耗水量高于苜蓿,单从生物产量来讲,当地种植苜蓿
能获得更好的经济效益。
梁一民等研究认为,5年生沙打旺草地 4.5 m 处
含水量已降到 4%,5 m处水分已被利用[28]。 程积民
等对黄土高原西部丘陵沟壑区种植的沙打旺研究后
得出,沙打旺在该区生长年限为 6—7a,生物量形成
的高峰期在第 3—4 年,之后土壤水分大量亏缺,生
物量逐年下降。 6 年生沙打旺的根系分布深度可达
7.6 m以上,土壤水分的消耗深度与根系的分布相一
致[16, 29],结合本文研究结果可见沙打旺耗水量大,
可迅速耗竭土壤水分。
2.2.4摇 本土自然演替植被(长芒草地、荒草地)土壤
水分消耗与补充深度
在平水年与干旱年度,长芒草地与苜蓿地土壤
水分消耗深度一致,在 120—160 cm 左右,补充深度
稍浅;在丰水年,土壤水分补充深度仅有 120 cm,不
及苜蓿地,且在 160 cm土层以下,土壤含水量变化已
经不明显,基本保持在 6.0%左右(图 2:H2010—2012)。
本区长芒草地多由人工苜蓿地退化演替而来,前期
苜蓿生长耗竭了土壤水分,加之苜蓿根系对土壤产
生的挤压,地表出现板结现象,如果没有人工干预,
土壤深层干燥化现象将在一段时期内存在。 荒草地
水分交换深度与长芒草地水分交换深度接近(图 2:
F2010—2012),地上生物量(126—274 g / m2)也与长芒草
地(92—305 g / m2)接近。
有研究指出本土植被与人工种植的深根性植物
相比,更有利于土壤水分的补给[30],但本区典型的
长芒草地与荒草地却并未体现出这一现象。 本区长
芒草与其他地区相比,耗水深度较深。 以往对长芒
草的研究表明,0—60 cm 土层为长芒草主要耗水范
围[4, 31],但本试验与上述结论不相符,说明随着年降
水量的进一步减少,长芒草根系主要耗水深度由常
规的 20—50 cm 不断加深,并造成土壤水分亏缺。
长芒草鄄退化苜蓿地在自然演替状态下土壤紧实度
增加,孔隙度减小,不利于土壤水分的恢复,在黄土
高原水蚀风蚀交错区苜蓿地退化 20—30a 后,土壤
储水仍得不到有效的补充。 王美艳等研究认为,苜
蓿生长一定年限后需要及时翻耕,实行粮草轮作,才
能增加降水就地入渗、缓解土壤干燥化强度、恢复干
层的土壤水分[32]。 陕北黄土丘陵沟壑区的安塞县
境内不同生长年限的长芒草群落地上生物量多年平
均值为 119.5 g / m2 [33],可见长芒草生物量一般较低。
本试验小流域长芒草地和荒草地土壤侵蚀并不严
重,但如果不加以改造利用,可能会降低干生物量的
积累且不利于土壤水分的恢复。
综上所述,除裸地、每年翻耕的农地、丰水年的
撂荒地和长芒草地,试验年度其他各样地的最大入
渗深度均未超过消耗深度,平水年和偏干旱年度生
长季,所有样地水分均出现了负增长。
2.3摇 土壤水分消耗与补充特征分类
结合以上水蚀风蚀交错区典型植被土壤水分消
耗和补充深度分析(表 4),将研究结果进一步归纳
为 3种植被鄄土壤水分作用深度类型,其对黄土高原
水蚀风蚀交错区不同土地利用类型的植被配置与管
理具有更明确的指导意义。
表 4摇 不同植被措施下耗水深度与补充深度比较
Table 4摇 Comparison of soil water consumption and compensation depths under different land use types
项目
Items
2010 消耗 /补充深度 / cm
Depletion / infiltration depth
2011 消耗 /补充深度 / cm
Depletion / infiltration depth
2012 消耗 /补充深度 / cm
Depletion / infiltration depth
裸地 Bare land 120 / 120 120 / 120 — / 220
农地 Farm land 140 / 140 140 / 140 140 / 260
苜蓿地 Alfalfa land 160 / 90 120 / 70 — / 160
柠条地 C. Korshinkii land 160 / 70 260 / 70 260 / 180
撂荒地 Abandoned land 140 / 100 260 / 100 180 / 180
荒草地 Wild grass land 160 / 90 160 / 90 — / 160
沙打旺地 A. adsurgens land 260 / 120 120 / 70 — / 60
长芒草 S. bungeana land 160 / 140 120 / 70 120 / 120
摇 摇 —: 无显著消耗深度
摇 摇 类型(玉):裸地、农田、撂荒地土壤水分平衡是 在较高的土壤含水量水平(观测土层土壤平均含水
4407 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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量逸10%),丰水年三类样地土壤储水能得到一定的
补充,其中撂荒地可能会向类型(域)发展(向荒草
地靠近)。
类型(域):土壤水分出现亏缺的是苜蓿、柠条、
荒草地,土壤储水量逐渐减少,丰水年也不能完全补
充恢复(5%<观测土层土壤平均含水量<10%),如果
继续发展,苜蓿、柠条可能会变成类型(芋)的情况;
而荒草年限较长,土壤水分消耗和补充深度可能会
较长时间内维持现状。
类型(芋):在低土壤含水量下(观测土层土壤
平均含水量臆 5%)消耗与补充基本平衡的是沙打旺
地、长芒草地,两类样地土壤储水没有降低或降低很
少,是由于沙打旺生物量大,耗水多、长芒草属于苜
蓿草地退化演替的终极阶段且生长年限长,因而两
类样地长期在低土壤含水量水平下平衡。
3摇 结论与建议
3.1摇 主要结论
(1)裸地平水年与干旱年土壤水分消耗和补充
深度均为 120 cm,可见水蚀风蚀交错区土壤蒸发以
及降水补充深度一般为 0—120 cm 范围内,丰水年
土壤水分能得到恢复。 农地植被鄄土壤作用模式与
裸地类似,土壤水分消耗与补充深度略有增加。
(2)农地撂荒后耗水深度与撂荒地植被类型有
密切联系,随植被丰度的增加,耗水有进一步加深的
趋势,撂荒地土壤水分补充深度小于等于消耗深度。
农地退耕还草所种植的深根性植被(苜蓿、沙打旺、
柠条等)不仅会迅速消耗当季降水,同时会进一步消
耗土壤深层储水,120 cm 以下观测土层土壤含水量
较低,从而造成土壤水分消耗深度较浅的假象。
3.2摇 相关建议
按照植物耗水和降水补充深度的类型,在退耕
还林(草)过程中,应该充分考虑不同植被类型的年
度水分交换深度,尤其在采用类型(域)和类型(域)
向类型(芋)转变的土地利用方式时,要予以谨慎考
虑,并随时监测土壤水分消耗情况,采取措施降低消
耗深度,增加入渗深度,防止或减缓黄土高原水蚀风
蚀交错区土壤干层的发生或加剧。
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