全 文 ：第 18 卷 第 2 期
Vol. 18 No. 2
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2010 年 3 月
Mar . 2010
地表覆盖对黄土高原水蚀风蚀交错区
人工草地水分利用的影响
谢慧慧1 , 樊 军1, 2* , 郝明德1, 2 , 王建国1 , 齐丽彬2, 3
( 1. 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀
与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 3. 三门峡职业技术学院, 河南 三门峡 472000)
摘要: 以陕西省神木县六道沟小流域为研究区域 ,对不同覆盖处理下的紫花苜蓿人工草地土壤温度和土壤水分以
及苜蓿的水分利用效率进行研究,探讨了黄土高原北部紫花苜蓿人工草地的水分消耗过程。结果表明, 地表覆盖
可以显著降低土壤 0- 6 cm 表层温度; 同时覆盖可以增加浅层土壤水分含量 ,不同覆盖方式下土壤深层水分含量
没有明显差异;覆盖处理下的苜蓿产量及水分利用效率均高于对照处理, 说明苜蓿株间覆盖可以提高苜蓿产量以
及苜蓿的水分利用效率,覆盖可以作为该区牧草地提高生产力的有效方法。
关键词:覆盖; 人工草地;水分利用效率; 土壤温度
中图分类号: S152. 7 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2010) 02-0172-06
Effects of Soil Surface Mulching on the Water Use of Artificial Grassland in
the Water-Wind Erosion Crisscross Region of the Loess Plateau
XIE Hu-i hui
1
, FAN Jun
1, 2*
, HA O Ming-de
1, 2
, WANG Jian-guo
1
, QI L-i bin
2, 3
( 1. College of Resources and E nvironment , Northw est A & F U niver sity, Yangling, Shaan xi Province 712100, China; 2. S tate Key
Laboratory of S oil Erosion and Dry land Farming on the Loess Plateau, Inst itute of S oil and Water Conservat ion, Chinese
Acad emy of Sciences an d the M inist ry of Water Resources, Yan gling, Shaanx i Province 712100,
Chin a; 3. Sanmenxia Polytechnic, Sanmenxia, H en an Province 472000, China)
Abstract: Plant ing alfalfa is the main method of returning farmland to grassland in the w ater-w ind ero sion
crisscross r eg ion of the Loess Plateau. Because of the low rainfal l and the high evapot ranspir at ion in this
ar ea, service life of alfalfa is lim ited by w ater resources. In Liudaogou catchment of Shenmu County,
Shaanx i Province, soil temperature and moisture in dif ferent mulching t reatments as w ell as alfalfa w ater
use eff iciency have been studied. T his research discussed the pro cess of the w ater consumpt ion of ar tif icial
alfalfa (Medicago sat iv a) on the no rthern Loess P lateau. Results show ed that soil surface mulching could
decrease soil temperature and increase so il moisture of the shallow soil layers. Soil moisture in deep soil
layers under the dif fer ent mulching tr eatments has no obvious dif ference. St raw mulching and tuberculo id
calcium carbonate mulching could improve alfalfa yield and w ater use ef ficiency. M ulching can be an ef fec-
t ive method in improving grassland product ivity in the study area.
Key words: Mulching; Art if icial g rassland; Water use ef ficiency; Soil temper ature
水资源是制约黄土高原植被恢复的关键自然因
素,土壤水和生长期降水是该区植被用水的主要来
源。黄土高原土壤的特殊性、气候和植被的过渡带
特性使人们更加重视植被与水资源的相互影响, 特
别是土壤水分状况对植被生长的作用研究 [ 1~ 3]。已
有大量研究显示,黄土高原地区土壤干层在大部分
地区存在, 而且很难在自然降水的作用下彻底恢
复[ 3 ~ 5]。已有研究显示通过翻耕、轮作等措施可以
使苜蓿地土壤水分有明显的恢复[ 6, 7] , 渭北旱塬的
长期定位实验显示,施肥可以延缓苜蓿衰败的时间,
提高水分利用效率 [ 8]。
采用覆盖技术具有降低土壤蒸发、改善土壤水
热和养分状况、防止土壤侵蚀和退化、促进作物的生
长和发育,达到减轻自然灾害的目的,它是一项历史
收稿日期: 2009-10-14;修回日期: 2010- 01-09
基金项目: 中国科学院、国家外国专家局创新团队国际合作伙伴计划( KZCX2-YW-Q10)资助
作者简介: 谢慧慧( 1984-) , 女, 陕西榆林人, 硕士研究生, 研究方向为退化生态系统碳、水通量, E-m ail: xieh ui3108hh@ gmail. com ; * 通
讯作者 Au thor for corresponden ce, E-mail: f an jun@ ms. i sw c. ac. cn
第 2期 谢慧慧等:地表覆盖对黄土高原水蚀风蚀交错区人工草地水分利用的影响
悠久的农业技术措施 [ 9]。国内外学者对土壤表面覆
盖技术进行了大量研究, 农业生产中应用这一技术
取得了明显的增产效果, 而在林草植被建设中,由于
考虑经济效益原因, 很少使用。紫花苜蓿( Medica-
go sat iva)人工草地是黄土高原地区广泛分布的人
工植被类型,有研究表明,紫花苜蓿在播种当年地表
郁蔽度可接近 100%, 但是在黄土高原北部年降水
量 400 mm 左右的半干旱地区, 紫花苜蓿草地从播
种后的第 2年开始收获, 一般的高产阶段出现在第
4年,但这一阶段也仅仅持续 2- 3年, 6- 7年之后
草地产草量迅速下降,乃至基本丧失利用价值,并沦
为牧荒坡[ 10] 。在黄土高原地区,苜蓿草地年蒸散量
大于降水量,浅层土壤水分不能满足植物生长需要
时,大量耗用深层土壤水分,多年连续种植导致土壤
干化,最终形成土壤干层 [ 11]。本文探讨了覆盖措施
对人工草地水分利用的影响, 研究结论对于探讨延
长人工草地的使用寿命的途径与措施具有一定理论
价值和实际意义,同时为干旱条件下水资源的高效
利用与草地资源的可持续发展提供理论依据。
1 材料与方法
1. 1 实验地概况
本实验设在陕西省神木县六道沟小流域(东经
11021- 11023,北纬 3846- 3851)。海拔高度
为 1094- 1274 m, 是黄土高原向毛乌素沙漠、森林
草原向典型草原的过渡地带。本区属于中温带半干
旱气候,年平均气温 8. 4 , 月平均最低温- 9. 7
( 1月) ,最高温 23. 7 ( 7 月) ;极端最高温 38. 9 ,
极端最低温- 28. 1 , 最高最低较差 67 , 年均日
较差 13. 8 , 10 活动积温为 3232 , 无霜期
169天, 全年日照时数 2836 h, 年总太阳辐射量为
5922 MJ m- 2。多年平均降水量 437. 4 mm ,其中
6- 9月份的降水占全年降水量的 77. 4%。该区属
于森林草原生物气候带, 干旱、霜冻、暴雨、大风、冰
雹、水蚀风蚀等灾害频繁发生,加之强烈的人类活动
影响,生态环境极为脆弱。野外观测实验于 2009年
进行,本年度生育期降水 402. 7 mm ,降水分布如图
1所示。
图 1 实验期内降水分布图
F ig. 1 Precipitat ion distribution during the exper iment per iod
1. 2 实验设计
黄土高原北部土壤中碳酸钙淀积层绝大部分是
以料礓石或碳酸钙结核出现, 在土体的不同深度
出现,地表尤为明显,在本区具有很好的代表性。同
时该区玉米种植量大, 有大量的秸秆可以作为覆盖
材料。本实验共设 3个处理: A .无覆盖对照( CK) ;
B.碳酸钙结核覆盖( Tuberculo id calcium car bonate
mulching , TM ) , 挑选直径约为 1- 3 cm 的碳酸钙
结核,密布于处理区苜蓿株间的土壤表层; C. 玉米
秸秆覆盖( St raw mulching , SM ) , 覆盖前将玉米秸
秆铡成 5- 10 cm 长的碎段,于 2009年 4月 30日一
次性均匀覆盖于处理区苜蓿株间的土壤表层,然后
用少许树枝覆于秸秆上, 避免秸秆被风吹走。两种
覆盖方式对棵间土壤覆盖率均达 90%左右。实验
采用随机区组排列, 每个处理重复 3 次, 共 9 个小
区,小区面积 20 m2 , 无坡度, 各小区苜蓿种植于
2007年 5 月。本实验于 2009 年 5 月 6 日开始观
测,至 2009年 10月 5日结束。
1. 3 观测项目和方法
土壤温度测定: 实验前期( 5月 6 日至 8月 27
日)每隔 5 天采用热电偶温度读表( HH509R)连接
173
草 地 学 报 第 18卷
热电偶探头测定土体 5 cm 和 10 cm 深度的土壤温
度,实验后期( 8月 28 日至 10 月 5 日)采用小区埋
设的 T DT (美国 A cclima公司)探头自动测定, 测定
频率为每小时, 计算为日平均值。
土壤水分测定: 实验前期( 5 月初至 8 月末)每
隔 5天采用H ydra Probe ( SDI-12/ RS485)测定 0
- 6 cm 深度土壤浅层平均体积含水量,实验后期( 8
月 28日至 10月 5日)采用小区埋设的 T DT (美国
Acclima公司)探头自动测定。分别于 4月 15日、6
月 15 日、8 月 15 日、9 月 5 日和 10 月 5 日用
CN C503B型中子土壤水分仪观测 0- 500 cm 土壤
含水量, 0- 100 cm 土层测量间距为 10 cm, 100-
500 cm 测量间距为 20 cm。
苜蓿生物量:不同覆盖处理的苜蓿刈割 2次, 分
别于 6月 30日和 10 月 7 日进行等样地取样, 每个
小区取一个样方,取样面积为 1 m2 , 刈割后立即称
鲜草重。采集部分样品, 烘干, 称干草重,计算地上
干生物量。
苜蓿水分利用效率的公式及其数学表达式: 产
量水平上的水分利用效率是单位耗水量的产量。苜
蓿水分利用效率定义为苜蓿干草产量 Y ( kg
hm
- 2
)与农田耗水量 ET ( mm)的比值,即
WUE= Y/ ET
根据农田水量平衡原理:
ET= W 种前- W 收获+ I+ P+ G
则有
WUE= Y / ET = Y / ( W播前 - W 收获+ I+ P+ G)
式中: W种前-种植前土壤贮水量 (计算深度 5
m) , mm;W 收获-收获时土壤贮水量(计算深度 5 m ) ,
mm; I-生育期灌水量, mm; P-生育期降水量, mm;
G-作物利用地下水量, mm。
由于苜蓿生长期间不进行灌溉,因此 I= 0。本
区地下水埋深大于 50 m ,所以 G= 0。由于本实验
小区平坦无坡度,因此不考虑地表和地下径流。
1. 4 数据统计
采用 Excel 2003进行数据整理, SPSS 13. 0 对
实验数据进行单因素方差分析和 Duncan检验。
2 结果与分析
2. 1 不同覆盖处理下浅层土壤温度的变化
图 2为 3种覆盖方式下苜蓿地土壤 5 cm ( A)
和 10 cm ( B)温度的变化动态。从图 2 中看出, 随
着时间的推移,不同覆盖方式处理土壤表层温度波
动明显,主要是受气温变化的影响。5 月到 7月份
土壤温度持续升高,与大气温度持续升高密切相关。
8月份开始土壤温度均表现为下降趋势, 主要是 8
月份阴雨天气较多,土壤温度受其影响,温度相对较
低,同时季节进入秋季,温度开始下降。9月份土壤
温度改为自动监测,测量结果更精确和连续。结果
显示温度波动较大,主要是 9月份间断性降雨较多,
进而影响温度变化。
从图 2也可以看出, 无覆盖处理土壤浅层温度
比碳酸钙结核覆盖和玉米秸秆覆盖高。后期连续的
温度测定结果显示, 秸秆覆盖可以明显抑制土壤浅
层温度的上升。方差分析结果表明, 无覆盖处理和
秸秆覆盖处理间有极显著的差异( P< 0. 01) , 而无
覆盖处理与结核覆盖、结核覆盖与秸秆覆盖处理间
差异不显著。
2. 2 不同覆盖处理下土壤表层水分的变化
由图 3看出,在整个实验期内玉米秸秆覆盖下
的土壤表层含水量较无覆盖和碳酸钙结核覆盖下的
都高(图 3) , 但是方差分析结果表明 3种覆盖方式
间差异均不显著。
2. 3 不同覆盖处理下土壤剖面水分的变化
从 4月到 10月份, 随着土壤深度的增加,不同
覆盖处理之间的 0- 500 cm 土壤含水量没有明显差
异,表明采取覆盖措施在短期内不能提高土壤深层
水分含量。
由图 4可以看出, 0- 20 cm 同一覆盖条件下不
同月份的土壤水分含量差异不明显; 20- 360 cm
从 4月到 8月份土壤水分含量呈明显降低趋势, 主
要是此期间降雨量少, 苜蓿根系吸水从而消耗土壤
深层水分;而 9月、10月份 20- 160 cm 土壤水分含
量相对较高, 主要是降雨量多, 补给土壤水分, 160
cm以下土壤水分含量与 8月份没有差异,主要是上
层水分还未下渗补给到下层; 360 cm 以下土壤含水
量在各个月份均没有差异,可能是苜蓿根系还没有
下伸到此深度,不消耗该层土壤水分。10月份的剖
面水分观测显示, 这一时期较多的降水使剖面水分
含量有一定的恢复,入渗深度到达了 1. 6 m。这些
入渗到土壤中的水分可为来年苜蓿的初期生长提供
水源。本年度观测结果显示,地表覆盖没有对苜蓿
消耗深层土壤水分过程产生影响, 其原因可能在于
下层土壤水分含量较高,可供吸收的水储量足。
174
第 2期 谢慧慧等:地表覆盖对黄土高原水蚀风蚀交错区人工草地水分利用的影响
2. 4 不同覆盖处理苜蓿产量及水分利用效率比较
3个处理苜蓿干草产量、总耗水量及水分利用
效率均存在一定差异(表 1) , 但均没有达到统计显
著水平( P> 0. 05)。其中结核覆盖产量比无覆盖提
高了 2. 5% ,秸秆覆盖比无覆盖提高了 4. 8%, 而结
核覆盖处理的水分利用效率比无覆盖提高了
3. 5% ,秸秆覆盖比无覆盖提高了 5. 3% ,表明两种
覆盖措施均可在一定程度上提高苜蓿的产量和水分
利用效率。
由表 1结合图 1可以得知, 苜蓿在 6月至 8 月
份时段耗水最多,土壤储水量下降明显,这与苜蓿达
到了其生长旺盛期及这一时段较多降水有关。8月
份过后,虽然降水较多,但是苜蓿已经进入其生长衰
败期,耗水量开始下降,土壤储水量有所恢复。
3 讨论
对于无覆盖处理的土壤来说, 土壤浅层温度比
碳酸钙结核覆盖和玉米秸秆覆盖高, 原因是土壤表
层直接受太阳辐射, 土壤热量损失少,升温快,而碳
酸钙结核覆盖又比玉米秸秆覆盖温度高, 主要是碳
酸钙结核较玉米秸秆导热性好。有研究表明,秸秆
覆盖在地表形成一层土壤与大气热交换的障碍物,
可阻止太阳直接辐射 [ 12] ,使得碳酸钙结核的土壤表
175
草 地 学 报 第 18卷
图 4 不同覆盖处理下土壤深层含水量分布
F ig . 4 So il moisture in so il pro files under different mulching treatments
表 1 不同覆盖处理苜蓿水分利用效率比较
Table 1 Compar ison of w ater use efficiency of alfalfa in differ ent mulching t reatments
处理
Tr eatm ent
产量
Yield
( kg hm- 2 )
4月贮水
W Apr.
( mm)
6月贮水
W Jun.
( mm )
8月贮水
WAug.
( mm)
9月贮水
WSept .
( mm)
10月贮水
W Oc t.
( mm )
总耗水量
WT otal
( mm)
水分利用效率
WUE
( kg mm- 1 hm- 2)
无覆盖 CK 5630. 9 805. 8 731. 3 661. 3 687. 6 714. 4 494. 1 11. 4
结核覆盖 TM 5774. 0 783. 8 707. 0 644. 0 665. 5 698. 4 488. 1 11. 8
秸秆覆盖 SM 5901. 5 806. 6 734. 7 661. 3 690. 2 719. 4 489. 9 12. 0
层温度相对秸秆覆盖较高。
在整个实验期内玉米秸秆覆盖下的土壤表层含
水量较无覆盖和碳酸钙结核覆盖下的都高, 苏衍涛
等人研究表明, 秸秆覆盖能有效增加降水入渗,但主
要影响浅层土壤水分的变化动态[ 13, 14] 。
相关研究表明[ 15, 16] , 在 6- 9 月的夏秋干旱季
节, 当旱地耕作土层出现持续干旱时, 由于土壤的
非饱和导水率低,下层土壤水分不能迅速向上层扩
散,使得下层土壤有可能保持相对稳定且含量高于
耕作层的水分状况。杜新艳、于舜章等人的研究表
明[ 17, 18] , 深层土壤含水量与降雨分布类型和降雨强
度密切相关,在一个气候生态区内,具有较强的年际
变化规律,地表覆盖对深层土壤水分动态影响相对
较小。
通过对 3 种覆盖方式进行研究比较,表明秸秆
覆盖和碳酸钙结核覆盖均可在一定程度上提高苜蓿
的产量和水分利用效率, 与刘冬青[ 19] 等人的研究结
果一致。苜蓿的耗水量与其生长阶段和大气降雨量
有关。苜蓿达到其生长旺盛期之前,与降雨量很大
关系,生长旺盛期过后,降雨量不再是其耗水量的限
制因素。有研究表明 [ 20] ,紫花苜蓿耗水量随着降水
量的增加而增大, 呈显著正相关,在整个生长周期内
基本呈现周期性正弦曲线波动, 主要是因为降水增
加了土壤湿度,使植株供水充分, 生长旺盛,叶面蒸
腾作用加强, 增大了耗水量。尽管本年度覆盖对苜
蓿水分利用没有显著的影响,但是随着苜蓿种植年
限的增加,土壤储水量的消耗,可以预见覆盖措施会
对苜蓿地水循环产生显著影响。
4 结论
4. 1 不同覆盖条件下土壤表层温度受大气温度和
降水的双重影响呈波动性变化, 地表覆盖对土壤浅
层温度有显著影响,通过覆盖, 可以显著降低土壤 5
cm 与 10 cm 处温度。同时覆盖减少了土壤蒸发,保
蓄了土壤水分。
4. 2 通过秸秆覆盖和结核覆盖可以提高苜蓿产量
和水分利用效率, 但是短期内并没有影响土壤深层
水分含量。
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(责任编辑 米 佳)
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