全 文 ：第 16 卷 第 4 期
Vo l. 16 No. 4
草 地 学 报
ACT A AGREST IA SIN ICA
2008年 7 月
Jul. 2008
黄土高原侵蚀区长芒草对坡地土壤水分养分的影响
韩凤朋1, 2 , 董丽娜1, 3 , 罗文林1, 3, 张兴昌1, 3*
( 1.中国科学院水土保持与生态环境研究中心(西北农林科技大学水土保持研究所)黄土高原土壤侵蚀
与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100;
2.中国科学院研究生院, 北京 100039; 3.西北农林科技大学资源与环境学院, 杨凌 712100)
摘要: 在黄土高原神木六道沟流域选相邻退耕坡地和裸地, 均匀布点采样结合室内分析, 采用 SPSS 处理数据,研究
30 龄长芒草( S tipa bungeana)对土壤水分、养分的影响。结果表明: 在长芒草根系分布区土壤水分下降很快,并且形
成干层, 其中40~ 60 cm 含水量均低于 5. 5% , 最低达 3. 2% ; 同时,长芒草可使土壤养分在表层累积,而降低 20~ 50
cm土层处养分含量;全氮、全磷、有机质、硝态氮和铵态氮含量均随土层的加深而降低。
关键词: 黄土高原; 人工草地; 土壤水分; 养分
中图分类号: S812. 2 文献标识码: A 文章编号 : 10070435( 2008) 04040305
Effects of Stip a bungeana on Soil Water Contents and Nutrients
of Sloping Lands in Loess Plateau of China
HAN Fengpeng1, 2 , DONG Lina1, 3 , LU O Wenlin1, 3 , ZHANG Xingchang1, 3*
( 1. S tate Key Laboratory of Soil Erosion and Dry lan d Farming on th e Loess Plateau, In st itu te of Soil and Water Conservation ,
Chinese Academ y of S cien ces and Northw est A& F University, Yanglin g, Sh aanxi 712100, Ch ina;
2. Graduate School, Chin ese Academy of Sciences, Beijing 100039, C hina;
3. College of Resources and Environm ent , Northw est A& F University, Yangling, Sh aanxi 712100, Ch ina)
Abstract: The effects of S tipa bungeana T rin. sow n 30 years ago on the soil w ater contents and nutrients
of the sloping lands in Loess P lateau w ere studied in Shenmu Exper imental Stat ion by the comparison of S.
bungeana vs. bare sloping lands. T he results show that the soil prof ile w ith the ro ot dist ribut ion o f S.
bungeana had low er w ater contents and someplace fo rmed the desiccat ion in deep soil lay er. The mean soil
w ater content in depth of 40- 60 cm was below 5. 5% w ith lowest point at 3. 2%. The plantat ion of S.
bungeana r esulted in the accumulat ion of so il nut rients in soil surface lay er, but reduced the content of nu
t rients in 20- 50 cm depth. The contents of to tal nit ro gen, total phosphorus, organic mat ter, nit rate ni
t rog en, and ammonium nit rog en w ere decreased g radually along w ith the depth of soil pro file.
Key words: The Loess P lateau; Sow n pasture; Soil w ater contents; Soil nut rients
在黄土高原坡地作为构成山地、丘陵地貌的基
本景观单元, 是影响土壤侵蚀强度的主要形态学因
素。黄土丘陵沟壑区坡耕地占总耕地面积的 70%~
90%,水土流失面积达 45. 4 万 km2 ; 侵蚀模数大于
5000 t/ km 2 . a 的强度水蚀面积 14. 65 万 km2 [ 1, 2]。
为防治水土流失, 改善生态环境,退耕还林(草)工程
已大规模展开。坡面造林种草是防治水土流失的主
要措施,但由于忽视高原气候的特殊性,盲目选择一
些高生产力的紫花苜蓿 ( Medicago sat iva )、冰草
( A grop yr on cr istatum )等大密度种植, 结果导致土
壤水分快速耗竭,形成利用型干层[ 3]。土壤干层的
出现不仅导致现有植被的迅速衰败,而且极大的增
加了植被恢复的困难[ 4] 。因此,研究人工植被覆盖
下坡面水分和养分的变化对旱区生态恢复与植被重
建中的林草选种等工作有重要的现实指导意义。针
对黄土区坡面水分以及水力学参数空间变异的研究
已有大量报道[ 5~ 10] 。但是, 植被对土壤养分影响的
研究主要集中在土壤表层或者农田剖面 [ 11~ 14] ,针对
收稿日期: 20070625; 修回日期: 20071030
基金项目: 国家 973计划( 2007CB106803) ;西北农林科技大学科研创新团队支持计划;国家科技支撑计划( 2006BAD09B06)
作者简介: 韩凤朋( 1980 ) ,男,山东日照人,在读博士,主要从事环境化学研究, Email: hanx iangz i007@ 126. com; * 通讯作者 Author for
cor respond ence, Email: zhangxc@ ms. isw c. ac. cn
草 地 学 报 第 16卷
黄土高原风蚀水蚀交错带人工植被对坡地养分的空
间特征研究尚未见报导。本文分析了神木县六道沟
流域 30年人工长芒草( St ip a bungeana T rin. )群落
覆盖下土壤的水分、养分含量的空间变化情况, 旨在
确定其对土壤水分和养分的影响, 以期为植被选择
和布设提供科学依据。
1 材料与方法
1. 1 研究区域自然概况
研究区域为中国科学院水土保持与生态环境研
究中心神木生态观测站,位于六道沟流域,地处毛乌素
沙漠边缘, 属于黄土高原水蚀风蚀交错带, 面积
6. 7 km
2 [ 15]。属中温带半干旱气候,年均气温 8. 4 ,年
均降水量 437. 4 mm, 其中 6- 9月占全年的 77. 4%。
植被为长芒草、苜蓿、柠条 ( Car agana kor shinsk ii
Kom . )、沙柳( Sal ix p sammop hi la C. Wang et Ch.
Y. Yang)、沙蒿( A rtemisia desertorum Spreng. )等
耐干旱和贫瘠植物。
1. 2 样点布置及采样
选择 30 年前种植的长芒草坡地和相邻的裸地
为研究对象, 两个坡面位于同一山坡,南北坡向、坡
度在 18左右。裸地在上部, 长芒草在下部相距 200
m。裸地基本没有植被。经过 30年的演替长芒草
仍未衰败,覆盖度大于 85% , 枯枝落叶主要集中在
表层5 cm 以下,从未施肥。坡面位于六道沟流域的
沟头(图 1) ,面积 60 m 50 m,采用 10 m 10 m 布
设网格,共设 12 个样点; 裸地坡面面积 30 m 40
m, 设置 6个样点。用 GPS 定位, 海拔 1234~ 1253
m。各样点取剖面 0~ 2 m 的土样, 1 m 以上每 10
cm 取一个, 1 m以下每 20 cm取一个, 共采集 288个
土样,包括表层土。于2006年 8月 25日完成。
图 1 采样点位置
Fig. 1 T he map of sampling lo cat ion
1. 3 测定方法
土壤水分用重量法测定 ( 105~ 110 , 10 h) ;
铵态氮和硝态氮用 Bremner 浸取法,用连续流动分
析仪测定;有机质含量用重铬酸钾- 外加热容量法
测定;全氮用凯氏定氮仪测定;全磷用酸熔钼锑抗比
色法测定。
1. 4 统计分析
用 SPSS13. 0 软件进行方差分析, 同时结合
Excel、ArcGIS9. 0和 surfer8. 0进行数据分析。
2 结果与分析
2. 1 长芒草对土壤水分的影响
因土层60 cm以上变化较大, 每20 cm设一层,
60 cm以下每 50 cm 设一层,测试水分变化情况。土
壤水分随着深度的增加呈先减少后稍增加, 最后保
持不变。即在 60 cm 以上土层, 受外界影响较大土
壤含水率变化明显, 因 8月采样降雨较多(当月累计
降雨 60. 5 mm) ,所以 0~ 20 cm 含水量较大, 变异
较大。在海拔变化明显的中间部位(海拔等值线密
集的区域)反而含水量更高(色深处) (图 2)。受长
芒草的影响随着深度的增加土壤含水量不断减少,
以40~ 60 cm土层最低, 整个坡面的等值线介于
3. 2% ~ 5. 5%之间。因此, 40~ 60 cm 可以认为是
干层。超过60 cm后,土壤含水量有所上升, 这主要
是由于本坡面长芒草的根系主要分布在 50 cm 范围
以内(图 2)。60 cm 以下的土壤含水量变化不大。
水分沿着坡面呈降低趋势, 到达坡脚时有所回升。
结果与图 3相吻合。
在距离坡顶 10 m 处的土壤含水量高于同一深
度其它坡位, 在距坡顶 20 和 30 m 处土壤含水量保
持降低趋势, 但 40 m 则呈升高趋势,这是由于坡中
部坡度较大,但坡脚处坡度较缓和。土壤含水量随
着深度的变化在 180 cm 后,已经不明显, 基本保持
在 5. 2%左右。与裸地相比除表层水分较高外, 其
它土层都低于裸地。裸地土壤水分除表层较低外,
随着土壤深度的增加变化不大, 分布在 8% ~ 10%
(图 3)。长芒草对土壤水分的影响范围主要是在 60
cm 以上,尤其是对表层的影响较大。表层与深层水
分含量差异显著( P< 0. 05) , 20~ 60 cm与 60 cm 以
下含水量间差异不显著。各层的标准差都很小, 均
小于 0. 9,说明组内差异很小(表 1)。
404
第 4期 韩凤朋等: 黄土高原侵蚀区长芒草对坡地土壤水分养分的影响
图 2 土壤剖面含水量
Fig . 2 Isoline of soil pro file w ater content( % )
2. 2 长芒草对土壤养分的影响
0~ 20 cm 土层养分含量较高, 主要是长芒草每
年有大量的凋落物进入土壤, 增加有机质和其它养
分含量。在 20 cm 以下长芒草根系所能达到的深度
(分布在 50 cm 范围内)各种养分都出现迅速降低的
趋势,这与根系吸收有关。总体上看,主要的养分含
量均随着土层的加深而降低, 且随着深度的增加
误差逐渐减小(图 4) , 其中以有机质和全氮含量
降低最多, 分别从 0~ 20 cm 的7. 47 g kg- 1和0. 41
g kg- 1降低到160~ 180 cm 的 1. 67 g kg- 1和0. 14
g kg- 1 ,而且在 0~ 100 cm范围内大幅度降低, 超
过100 cm 则趋于稳定。而全磷的变化不明显,除表
层含量较高外,其它层次都在 0. 45~ 0. 57 g kg- 1
之间,在 60~ 70 cm 达到最低值, 而后则有所回升。
硝态氮的变化, 除表层受长芒草凋落物影响含量较
高外, 从 20~ 120 cm 保持降低趋势, 在 100~ 120
cm 处达最低值,这与硝态氮的运移形式有关, 在坡
度较大时径流占主导地位, 但是在坡度较小时主要
是随着降水的淋溶下潜[ 16]。本坡面长芒草覆盖度
较大,降雨时,雨水和土壤的作用时间较长, 而且多
为暴雨,满足硝态氮淋溶条件。铵态氮除在表层比
其他层次含量较高外, 随着深度的增加呈波浪形变
化,变幅不大,含量在 4~ 4. 6 mg kg - 1之间。主要
是由于土壤对铵态氮的吸附性较强,而且铵态氮的
流失不同于硝态氮, 铵态氮几乎不发生淋溶损失, 而
主要溶解于径流和吸附于泥沙中[ 17] 。
图 3 坡面水分变化
F ig . 3 Soil water distribution along the slope
表 1 长芒草覆盖下土壤水分分布状况
T able 1 So il w ater distr ibution along soil depth
深度 I( cm)
S oil depth I
均值( % )
Mean
深度 J( cm)
S oil depth J
均值差( I- J )
Mean dif feren ce
标准差
Std. err or
Sig.
99% conf iden ce
interval
0~ 20 10. 38041 20~ 60 5. 63611( * ) 0. 85294 0. 00 3. 0970~ 8. 1752
60~ 200 4. 85943( * ) 0. 77863 0. 00 2. 5416~ 7. 1773
20~ 60 4. 739926 0~ 20 - 5. 63611( * ) 0. 85294 0. 00 - 8. 1752~ - 3. 097
60~ 200 - 0. 77668 0. 72486 0. 30 - 2. 9345~ 1. 3811
60~ 200 5. 520974 0~ 20 - 4. 85943( * ) 0. 77863 0. 00 - 7. 1773~ - 2. 5416
20~ 60 0. 77668 0. 72486 0. 30 - 1. 3811~ 2. 9345
注: * 差异显著性水平 0. 01
Note: * indicates the difference is signif icant at th e 0. 01 level
405
草 地 学 报 第 16卷
图 4 长芒草覆盖下土壤养分变化
F ig. 4 Dynamics o f the so il nutr ients under S. bungeana
表 2 长芒草坡地和裸地土层养分差值分析
Table 2 Difference analysis of so il nutr ient along the so il depth under S. bungeana vs. bar e land
土壤深度 I
Soil depth I( cm)
土壤深度 J
Soil depth J( cm)
有机质( I- J)
Organic mat ter
全氮( I- J)
Tot al nit rogen
全磷( I- J)
Total phosphorus
硝态氮( I- J)
N itrate nitrogen
铵态氮( I- J)
Ammonium nit rogen
长芒草 长芒草 60~ 200 2. 40702( ** ) 0. 10771( ** ) 0. 02385 0. 49531( * ) 0. 36090( * )
S. bung eana 0~ 60 裸地 0~ 60 1. 83750( ** ) 0. 12348( ** ) 0. 02585 0. 45253( * ) 0. 61938( ** )
长芒草 长芒草 0~ 60 - 2. 40702( ** ) - 0. 10771( ** ) - 0. 02385 - 0. 49531( * ) - 0. 36090( * )
S. bungeana 60~ 200 裸地 60~ 200 - 0. 56953 0. 02839 0. 01219 0. 09065 0. 01792
裸地 长芒草 0~ 60 - 1. 83750( ** ) - 0. 12348( ** ) - 0. 02585 - 0. 45253( * ) - 0. 61938( ** )
Bare land 0~ 60 裸地 60~ 200 0. 505 0. 01263 0. 01019 0. 13343 - 0. 24056
裸地 裸地 0~ 60 - 0. 505 - 0. 01263 - 0. 01019 - 0. 13343 0. 24056
Bare land 60~ 200 长芒草 60~ 200 0. 56953 - 0. 02839 - 0. 01219 - 0. 09065 - 0. 01792
注: * 显著水平 0. 05; ** 显著水平 0. 01
Note: * or ** indicates the dif ference is significant at the 0. 05 level or 0. 01 level, respect ively
3 讨 论
3. 1 长芒草对土壤水分的影响
土壤含水量的垂直分布不仅受土壤质地、容重
等因素的限制, 还受降水、蒸发、土地利用类型和植
被等环境因子的影响[ 18]。土壤表面长期在长芒草
凋落物覆盖下, 根系和丰富的腐殖质有利于良好结
构的形成,使土层孔隙度增加,从而扩大贮水能力,
但主要影响土壤 0~ 20 cm 的含水量[ 19, 20] , 本结果
406
第 4期 韩凤朋等: 黄土高原侵蚀区长芒草对坡地土壤水分养分的影响
与上述结论一致。但随着深度的增加, 根系吸水对
水分的影响起决定作用。刘爽等研究不同耕作处理
对麦田土壤水分的垂直变化规律,得出0~ 50 cm 为
活跃变化层、50~ 100 cm 为缓慢变化层、100 cm 以
下为相对稳定层[ 21]。本研究通过方差分析得出
0~ 60 cm为长芒草根系的主要影响范围, 与上述结
论相符。
3. 2 长芒草对土壤养分的影响
在长芒草覆盖下, 除表层养分受凋落物影响外,
土壤养分变化主要受根系的影响 [ 22]。除全磷外,坡
面 0~ 60 cm 养分含量显著高于 60 cm 以下土层和
裸地,二者差异显著( P < 0. 05) , 甚至极显著( P<
0. 01) , 全磷在土层间的差异不显著; 60 cm 以下养
分含量与裸地差异不显著。说明长芒草除对全磷影
响较小外,对有机质、全氮、硝态氮和铵态氮含量的
影响显著(表 2)。
4 结 论
4. 1 长芒草对坡面土壤水分的影响非常明显, 其根
系主要分布在 0~ 50 cm 范围。在其根系所及的区
域土壤水分下降很快, 其中以40~ 60 cm最低, 整个
坡面 40~ 60 cm 土层都低于凋萎含水量。
4. 2 长芒草可以增加土壤表层有机质和全氮、硝态
氮、全麟、铵态氮的含量, 同时降低了 20~ 60 cm 养
分含量。总之,主要养分含量均随着土层的加深而
降低,其中以有机质和全氮含量的降低最多, 全磷、
硝态氮和铵态氮除表层含量较高外, 随着土层深度
的增加变化较小。表土养分的变异较大, 随着深度
的增加变异减少。
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(责任编辑 孟昭仪)
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