全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2003) 04-0296-05
黄土丘陵半干旱区天然草地土壤水分调控研究*
程积民, 万惠娥, 王
静, 雍绍萍
(中国科学院水利部水土保持研究所, 西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西杨凌 712100)
摘要 : 以黄土丘陵半干旱区天然草地土壤水分为重点, 研究封育和未封草地土壤水分的消耗与恢复过程。结果表
明:平水年封育草地鲜草产量达 5860. 7 kg/ hm2 ,未封草地鲜草产量仅 785. 4 kg/ hm2 ,植物生长期降水补充量封育
草地 39. 4mm, 未封草地 29. 2mm;在丰水年干物质生产 2. 65 kg / ( hm2
mm) ; 平水年 1. 94 kg/ ( hm2
mm) ; 枯水年仅
0. 64 kg/ ( hm2
mm)。在未封草地上采用工程整地措施修筑蓄水带和蓄水沟, 13 年 0~ 500 cm 土壤含水量为 11.
3% ~ 13. 5% ,比对照提高 3. 0~ 5. 2 个百分点,鲜草产量提高 5~ 8 倍。采用调控措施集蓄土壤水分是促进植物生
长和提高草地生产力的关键。
关键词: 草原学; 黄土丘陵区; 天然草地; 土壤水分特征; 土壤水分调控
中图分类号: S154. 3

文献标识码: A
Soil Water Regulation of the Natural Grassland of
Sem-i Arid Loess Hilly Region
CHENG J-i min, WAN Hu-i e, WANG Jing, YONG Shao-ping
( Institute of Soil an d Water Conservation, Ch inese Academy of Sciences and Minist ry of Water Resources,
Northw est S cience and Technology University of Agriculture and Forest ry, Yangling, Shanxi Province, 712100, Ch ina)
Abstract: A Study of t he depletion and restoration of so il water in closed and non-closed natural grassland of the sem-i arid loess hilly
r eg ion shows that w ith normal rainfall, the year ly fresh y ield on t he closed grassland amounts to 5860. 7 kg/ hm2 w hile that of the
non-closed gr assland is only 785. 4 kg/ hm2. During the plant grow ing per iod, compensatory water for the closed gr assland totalled 39.
4 mm, and for the non-closed one, 29. 2 mm. In an abundant precipitation year, the grassland
s dry substance yield averaged 2. 65 kg/
( hm2
mm) ; in a mo rmal precipitation year, 1. 94 kg / ( hm2
mm) , and merely 0. 64 kg/ ( hm2
mm) in a scanty precipitation year . In
t he non-closed grassland, construct ion of water- stor ing ditches and w ells had increased the water conent of soil of 0~ 500 cm depth
11. 5% ~ 13. 5% in 13 years ( 1987~ 1999) , 3% ~ 5. 2% higher than the g rassland w ithout constructing any water- storing projects,
and had incr eased the fresh y ield by 5~ 8 times. The soil w ater r egulation plans promote the growth of plant and raise the grassland
yield.
Key words: Grassland science; Loess hilly region; Natur al crassland; Character istic and regulation of soil w ater


荒山荒坡草地占黄土丘陵半干旱区总面积的
45. 6%, 由于降水不足, 加之气候干燥, 水分蒸散量
大,致使牧草生长缓慢,草群结构失调, 牧草品质差,
鲜草产量仅 525~ 825 kg / hm2, 近 2 hm2草地才能维
持一个羊单位[ 2, 3]。加之长期过度放牧, 使荒山荒
坡土壤坚实,降水入渗率低,水土流失严重, 草地土
壤水分极其亏缺,牧草生长发育不良,畜牧业的发展
因饲草不足而受到很大限制[ 1, 4]。30年来, 人们为
改变黄土丘陵区荒山荒坡因土壤水分亏缺,造成大
面积天然植被退化及其引起的一系列生态环境问
题,采取了诸多调控措施, 以提高土壤水分,促进荒
山荒坡林草植被的快速恢复[ 5, 6]。但对黄土丘陵半
干旱区天然草地土壤水分动态的长期系统研究不
多。本试验采用封育及工程整地土壤水分的方法调
收稿日期: 2002年 11月 26日; 修回日期: 2003年 8月 26日
资助项目:国家
十五
科技攻关( 2001BA508B19)课题 ;国家重点基础研究发展规划
973
项目( G2000018606) ;国家高技术研究发展计划
( 863计划项目 2002AA6Z3301) ; 国家自然科学基金重点项目( 30230290)资助
作者简介:程积民( 1955- ) ,男,博士生导师,研究员,长期从事黄土高原草地生态、退化草地植被恢复与建设等研究,发表论文 90余篇, 获
成果 13项
第 11 卷
第 4 期

Vol. 11

No. 4 草
地
学
报ACTA AGRESTIA SIN ICA
2003 年
12 月
Dec.
2003
控, 对天然草地土壤水分状况进行了长期监测比
较,以期为天然草地水分积蓄与植被快速恢复提供
科学依据。
1
材料与方法
1. 1
自然概况
试验区位于宁夏固原县(改为原州区)河川乡上
黄村阳洼山,东经 106
26
~ 106
30
,北纬 35
59
~
35
02
海拔 1550 ~ 1850 m。年均气温 6 ~ 7
,
1983~ 1999 年平均降水量 428 mm, 其中 500 mm
以上的丰水年占 25. 0% , 400 mm 左右的平水年占
37. 5%, 300 mm 以下的干旱年占 37. 5% , 7~ 9 月
占年降水量的 65% ~ 75% ,
10
积温 2100 ~
3200
,干燥度 1. 5~ 2. 0。植被属典型草原, 建群
植物为本氏针茅( St ipa bungeana ) , 主要伴生种为
铁杆蒿( A rtemisia vest ita )、百里香( Thymus mon-
golicus )和冷蒿( A . f r igida)。
1. 2
试验设计
于 1983~ 2000年对天然草地采取封育措施以
未封做对照,并于 1987年在未封草地 15
以下坡面
修筑蓄水带, 带面宽 1. 0~ 1. 5 m, 反坡(外高内低)
3
~ 5
;在 15
以上坡面修筑蓄水沟,沟宽 0. 3~ 0. 5
m,反坡 3
以上,带与带或沟与沟之间所留的原生荒
坡草地宽度为 3. 5~ 6. 0 m 。在封育与未封草地及
蓄水带和蓄水沟中分别设试验固定样地, 每个样地
面积皆为 3 hm2,其中每个样方面积为 1 m
1 m 。
1. 3
测定项目及方法
1. 3. 1
生物量测定
1983~ 2000年, 每年在牧草生长的 4月、8月、
10月中旬进行牧草生物量的测定。样方面积为 1
m
2
,重复 3次。
1. 3. 2
土壤水分测定
采用土钻烘干法, 1987~ 2000 年, 每年在 4月、
8月、11月中旬分三次, 每 20 cm 为一层取土,分别
测定 0~ 500 cm蓄水带和蓄水沟及封育和对照(荒
坡)草地的土壤含水量, 每次重复二次, 含水量以百
分数表示; 在每年的雨季一次降雨量在 15 mm 以
上,待降雨后蓄水带和蓄水沟土壤表面发白,再采用
土钻法测定蓄水带和蓄水沟及对照的土壤水分入渗
深度。
土壤贮水量= 土壤容重
土壤含水量, 土壤容
重采用环刀法测定。
表 1
封育与未封草地生长期的水分补充状况
Table 1
Complement of w ater-storage capacity of 500 cm-soil depth
during grow th period in closed and non-closed grassland
年份
Year
5~ 10月
降水量( mm)
Precipitat ion
( May-October)
生长季总蒸散量( mm)
Total
evapot ranspirat ion
降水补充量( mm)
Precipitation
complement
降水补充率( % )
Rat io of precipitation
complement
封育草地
Closed
grassland
未封草地
Non-closed
grassland
封育草地
Closed
grassland
未封草地
Non-closed
grassland
封育草地
Closed
grassland
未封草地
Non- closed
grassland
1987 302. 4 290. 0 269. 5 12. 4 32. 9 4. 1 10. 9
1988 412. 5 329. 8 334. 0 82. 7 78. 5 20. 0 19. 0
1989 321. 4 295. 0 312. 5 26. 4 8. 9 8. 2 2. 8
1990 451. 9 375. 6 383. 0 76. 3 68. 9 16. 9 15. 2
1991 267. 6 286. 4 275. 0 - 18. 8 - 7. 4 - 7. 0 - 2. 8
1992 411. 0 322. 1 344. 0 88. 9 67. 0 21. 6 16. 3
1993 281. 0 291. 1 312. 0 - 10. 1 - 31. 0 - 3. 6 - 11. 0
1994 419. 0 367. 6 375. 9 51. 4 43. 1 12. 3 10. 3
1995 433. 0 334. 7 388. 4 98. 3 44. 6 22. 7 10. 3
1996 472. 1 382. 0 419. 0 90. 1 53. 1 19. 1 11. 2
1997 351. 0 365. 0 375. 0 - 14. 0 - 24. 0 - 4. 0 - 6. 8
1998 461. 2 355. 7 372. 0 105. 5 89. 2 22. 9 19. 3
1999 323. 8 399. 7 367. 0 - 76. 4 - 43. 7 - 23. 6 - 13. 5
平均 377. 5 338. 1 348. 3 39. 44 29. 2 9. 2 6. 8
297第 4期 堆积民等:黄土丘陵半干旱区天然草地土壤水分调控研究
1. 3. 3
径流量测定
1996~ 2000 年在封育和未封草地内分别布设
径流场 3组,每组 2个, 每个长 20 m, 宽 10 m, 进行
定位观测。
1. 3. 4
蒸散量测定
1996~ 2000年利用蒸渗仪和 LI-co6200便携式
光合作用仪,测定土壤蒸发和植物蒸腾,计算总蒸散
量。
2
结果与分析
2. 1
封育和未封草地土壤水分的亏缺与补充
2. 1. 1
牧草生长期降雨对土壤水分的补充
封育和未封草地土壤水分的补充变化过程,通
过蒸散量和土壤水分测定, 从表 1可以看出,无论是
丰水年、平水年和枯水年,采用封育措施均可提高天
然降水的利用率, 使有限的降水促进了植物的正常
生长,而且丰水年、平水年、枯水年分别有 13. 1%、
9. 2%、5. 3%的降水渗入土壤。而未封草地降水入
渗率丰水年为 7. 1% , 平水年为 6. 8% , 枯水年为
3. 2%。且土壤水分的渗入深度,丰水年、平水年和
枯水年封育草地为 0. 6~ 1. 5 m, 未封草地仅为 0. 2
~ 0. 6 m。因此, 合理的封育不仅可提高天然降水
的利用率,还可增加土壤水分的渗入深度。
表 2
封育草地水分收支状况
Table 2
Increase and loss of w ater in closed S tipa bungeana grassland
项目
Item
丰水年( 1996)
Abundant precipitation year
平水年( 1994)
Equal precipitat ion year
枯水年( 1991)
Low precipitat ion year
收支量
( mm)
Varit ions
占降水量( % )
Percentage of
precipitation
收支量
( mm)
Varit ions
占降水量( % )
Percentage of
precipitat ion
收支量
( mm)
Varitions
占降水量( % )
Percentage of
precipitat ion
年降水量 Precipitation 511. 5 100 452. 7 100 276. 4 100
地表径流 Runoff 52. 0 10. 2 40. 3 8. 9 32. 6 11. 8
土壤贮水增减量( + - )
S oilw ater-storage
capacity variat ions
115. 6 22. 6 103. 4 22. 8 - 85. 0 - 30. 8
年蒸散量 Evapot ranspirat ion 395. 0 77. 2 344. 9 76. 2 336. 2 121. 6
2. 1. 2
封育草地水分收支状况
从表 2看出,草地经过多年封育,形成的地面枯
草层,既可调节地表径流, 减少蒸散量, 又可促进草
地土壤水库水分的积蓄与贮存。在丰水年地表径流
和蒸散量为 447 mm, 与同期降水量相比土壤水库
中水分增加 64. 5 mm , 草地年鲜草产量为 7050. 3
kg/ hm2, 有 93. 5% 的植物年内均能完成整个生育
期,形成种子, 第二年出现幼苗为 15~ 36株/ m2; 平
水年地表径流和蒸散量为 385. 2 mm , 与同期降水
量相比, 土壤水库中水分增加 67. 5 mm ,草地年鲜
草产量为 5860. 7 kg/ hm2, 有 53. 0%的植物年内能
完成整个生育期,形成种子, 第二年出现幼苗为 5~
16株/ m2。可见,丰水年和平水年土壤水库中水分
的贮存基本接近,但生物量的积累、植物的生长和幼
苗的形成差异显著, 其原因是平水年春夏干旱严重,
影响了植物前期的正常发育, 43%的植物处于营养
生长阶段,不能开花结实与完成整个生育期; 枯水年
草地植物年鲜草产量为 3250. 0kg/ hm2,地表径流和
蒸散量为 368. 8 mm, 与同期降水量相比土壤水库
中水分亏缺 92. 4 mm, 严重抑制了植物的生长发
育,是植物在生长末期常处于营养生长阶段,年内不
能完成整个生育期,繁殖更新能力减弱,个体数愈来
愈少,逐渐引起草地的严重退化。
2. 1. 3
未封草地水分收支状况
未封本氏针茅草地水分的收支状况从表 3可
知,丰水年未封草地植物年鲜草产量为 1250 kg/
hm2,水分生产效率为 3. 165( kg/ hm2
mm)。土壤
水分除满足植物生长而外, 还有 102. 1 mm 的水分
贮入土壤水库,平衡土壤水分的季节不足,调节干旱
对植物的胁迫;平水年未封草地植物年鲜草产量为
785. 4 kg / hm2, 水分生产效率为 2. 277( kg/ hm2

mm)。土壤水分除满足植物生长而外, 还有 93. 4
mm 的水分贮入土壤水库,以调节植物生长水分的
平衡;枯水年未封草地植物年鲜草产量为 405 kg/
hm2,水分生产效率为 1. 205( kg/ hm2
mm) , 植物生
长受到水分的严重胁迫, 水分亏缺量达 86. 3 mm,
使土壤水库的贮水量降到最低点, 含水量仅为 4.
3% ,土壤水库失去对其植物生长的季节平衡和调节
298 草
地
学
报 第 11卷
功能,牧草生长缓慢,更不能完成整个生育期。从以
上结果表明,枯水年土壤水分的严重亏缺,是影响植
物个体繁殖更新、生长发育及群落结构形成的主要
因素。
表 3
未封本氏针茅草地水分收支状况
T able 3
Increase and loss of w ater in non-closed Stipa bungeana g rassland
项目
Item
丰水年( 1996)
Abundant precipitation year
平水年( 1994)
Normal precipitat ion year
枯水年( 1991)
Scanty precipitat ion year
收支量
( mm)
Varit ions
占降水量( % )
Percentage of
precipitation
收支量
( mm)
Varit ions
占降水量( % )
Percentage of
precipitat ion
收支量
( mm)
Varitions
占降水量( % )
Percentage of
precipitat ion
年降水量 Precipitation 511. 5 100 452. 7 100 276. 4 100
地表径流 Runoff 26. 2 5. 1 21. 1 4. 7 23. 4 8. 5
土壤贮水增减量( + - )
S oil water-storage
capacity variat ions
102. 1 20. 0 93. 4 20. 6 - 86. 3 - 31. 2
年蒸散量 Evapot ranspirat ion 372. 4 72. 8 340. 0 75. 1 321. 9 116. 4
2. 2
未封草地土壤水分和产草量年际变化
图 1
未封草地土壤水分与产草量年际变化
Fig . 1
Year ly changes of soil w ater and gr ass
yields of non-closed grassland


从图 1看出,不同年限土壤水分的贮蓄和草地
产量的变化,受降水的影响波动较大,在植物生长期
的 5~ 10月份, 也是降水量较集中的时期,此时降水
量占年降水量的 65% ~ 75%。随着降水量的年际
变化土壤贮水量和草地产量差异显著, 通过差异性
检验分析结果表明,降水量与草地产量的相关性水
平达极显著( R 0. 01= 0. 9967) , N = 13;土壤贮水量与
草地产量的相关性水平达极显著( R 0. 01= 0. 9883) ,
N = 13;一般在丰水年干物质生产为 2. 65 kg/ mm;
平水年干物质生产为 1. 94 kg/ mm; 枯水年干物质
生产仅 0. 64 kg/ mm。这进一步说明在半干旱区,
影响草地生长的首要因子是水分,牧草生长的关键
时期水分若能及时补充, 草地产量可成倍增加,相反
可大幅度减少。
2. 3
工程整地对未封草地土壤水分的调控
图 2
未封育草地不同调控措施土壤水分变化
F ig. 2
Soil w ater var iat ion of non-closed
grassland under different regulation plans
为了快速恢复退化天然草地土壤水分, 在未封
草地修筑蓄水带和蓄水沟, 并分别测定带、沟中的土
壤含水量, 工程整地显著比对照提高( p < 0. 05)。
在 0~ 500 cm 深土层, 蓄水带草地平均土壤含水量
为 13. 5% ,蓄水沟平均土壤含水量为 11. 3% ,分别
比对照提高了 5. 2% ~ 3. 0% ,其产草量比对照提高
了 5~ 8倍。这充分表明通过蓄水带和蓄水沟整地,
在坡面出现的径流由分散型变成集中型集蓄,使降
水形成再次分配, 提高了蓄水带和蓄水沟草地土壤
水分含量。目前这一结果已在我国西部的宁夏固原
退耕还林还草工程建设中大力推广应用。
3
讨论
黄土丘陵半干旱区的封育和未封本氏针茅天然
草地中, 目前出现 83. 5%的中旱生植物, 使土壤的
299第 4期 堆积民等:黄土丘陵半干旱区天然草地土壤水分调控研究
中层和上层水分大量消耗。植物为了维持其生命,
随着干旱频率的加剧,其根系分布深度由常规的 20
~ 50 cm 不断加深, 致使不同层次土壤水分消耗严
重,并形成明显的土壤水分亏缺层。经过测定,未封
草地土壤田间持水量已由 20% ~ 22%减少到 19%
~ 17% ,土壤凋萎湿度为 5% ~ 6%, 最大吸湿水由
7%下降到 4. 5% ,土壤有效水由 14%减少到 12%
~ 11%,使该区植物生长的环境条件由 70年代的适
宜型降至 90年代的较适宜型,到上世纪末, 植物生
长的环境条件恶化程度已达到了极限, 视为维持型,
若再不采取一定的技术和政策调控措施, 要想在较
短的时间内改变极度恶化的生态环境, 是相当困难
的。因此, 需要在长期的封育保护与建设治理草地
的基础上, 进行土壤水分的恢复与草地建设。首先
采用工程整地措施修筑蓄水带和蓄水沟, 集蓄降雨
径流, 提高土壤含水量, 调节土壤水库中水分的不
足。蓄水沟虽然比蓄水带修筑简便,但蓄水沟集水
面小,蓄水效果不及蓄水带。蓄水带较蓄水沟费工,
但集水面宽,水分不易串流,能较多较快的积蓄天然
降水,促进水分的缓慢入渗,因此,应根据不同地貌
类型确定整地方式, 一般在 15
以下的荒山荒坡修
筑蓄水带, 在 15
以上的荒山荒坡修筑蓄水沟, 是本
区适宜推广的行之有效的草地土壤水分调控措施。
另则, 结合西部退耕还林还草和生态环境建设工程
的实施,在黄土丘陵半干旱区植被的建设中, 首先应
在封育的基础上再建造稀疏人工植被, 否则因水分
亏缺,治理效果欠佳。
4
结论
4. 1
封育草地在丰水年、平水年和枯水年,均可提
高天然降水的利用率及土壤入渗深度。
4. 2
封育草地可形成较多的地面枯草层,既可调节
地表经流,减少蒸散量,又可增加土壤水库的积蓄与
贮存,方可大幅度提高生物量。
4. 3
采用工程整地修筑蓄水带和蓄水沟,集蓄地表
经流,可有效提高天然草地土壤含水量。
参考文献
[ 1]
程积民,万惠娥.黄土高原半干旱区集流灌草立体配置与水分
调控[ J] .草地学报, 2000, 8( 3) : 210~ 219
[ 2]
程积民.荒坡地灌草植被与土壤水分调控 [ A] . 见:中国林学
会.西北生态环境论坛 - 西北地区生态环境建设研讨会专辑
[ C] .中国林业出版社, 2001. 127~ 131
[ 3]
程积民,万惠娥,杜峰.黄土高原半干旱区退化灌草植被的恢复
与重建[ J] .林业科学, 2001, (4) : 50~ 57
[ 4]
孙立达,朱金兆.水土保持林体系综合效益研究与评价[ M ] . 中
国林业出版社, 1995
[ 5]
陈国良,程积民.黄土丘陵坡地的水热状况与植被生产力[ J ] .
水土保持研究, 1996, (1) : 27~ 37
[ 6]
刘自学.中国草业的现状与展望[ J] .草业科学, 2002, 19( 1) :
6~ 8.
(上接 P282)
[ 4]
郑慧莹,李建东.松嫩平原盐生植物与盐碱化草地的恢复[ M ] .
北京:科学出版社, 1999. 132~ 178
[ 5]
郑慧莹, 李建东.松嫩平原的草地植被及其利用保护[ M ] . 北
京:科学出版社, 1993. 10~ 92
[ 6]
陈世璜,张昊,王立群等,中国北方草地植物根系[ M ] .长春: 吉
林大学出版社, 2001. 407~ 409
[ 7]
王荷生.植物区系地理[ M ] .北京:科学出版社, 1992. 13~ 17
[ 8]
王荷生,张镱锂.中国种子植物特有种属的分布型[ J] . 地理学
报, 1994, 49( 5) : 403~ 417
[ 9]
傅沛云,曹伟,李冀云.中国东北部种子植物种的地理成分分析
[ J] .应用生态学报, 1995, 6( 3) : 243~ 250
[ 10] 吴征镒. 中国种子植物属的分布区类型 [ J ] .云南植物研究,
1991,增刊
: 1~ 6
[ 11] 北川政夫.满洲植物考[ M ] .伪满大陆科学院出版, 1939
[ 12] 马毓泉等.内蒙古植物志(第 2版,第 3卷) [ M ] .呼和浩特:内蒙
古人民出版社, 1989
[ 13] 马毓泉等.内蒙古植物志(第 2版,第 2卷) [ M ] .呼和浩特:内蒙
古人民出版社, 1990
[ 14] 马毓泉等.内蒙古植物志(第 2版,第 4卷) [ M ] .呼和浩特:内蒙
古人民出版社, 1993
[ 15] 马毓泉等.内蒙古植物志(第 2版,第 5卷) [ M ] .呼和浩特:内蒙
古人民出版社, 1998
[ 16] M ueller-Dombois D. Ellenberg H. 植被生态学的目的和方法
[ M ] . 鲍显诚等译. 北京:科学出版社, 1986. 293~ 321
[ 17]
 ! ∀.
. 植物与环境、生态型和生活型,见:苏联的草甸植
被(张绅译) [ M ] .北京:科学出版社, 1959
[ 18 ]
 !∀#∃% & .
.
 ! ! ∀#  ∃% &∋( )∗%%∋( + ,)∋


!∀#∃% &∃!∋!∀()∃∗% )+,−∃∗.)/% +,.)(∃∗0 .)(1∃/%

 !∀#∃!%!& ∋#&#(∃!)! ∗+%+,∋ +∃+ [ M ] .
.
 .
 ! .

 !.
 .
,
 ! ∀#∃%&# 1961,
 . 54~ 132
300 草
地
学
报 第 11卷