全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2006) 04-0338-05
云雾山封育草原对表土持水性的影响
刘娜娜1 , 赵世伟1, 2* , 杨永辉2, 王恒俊2, 赵永刚2 , 姬秀云3 , 曹丽花1
( 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.宁夏云雾山草原自然保护区管理处, 宁夏固原　756500)
摘要: 应用离心机法测定土壤水分特征, 研究黄土高原典型草原带退耕地植被恢复演替过程中土壤持水性能的变化特
点及趋势。结果表明: 土壤含水量与土壤水吸力之间符合幂函数
= aS b ,参数a 的变化随着植被的演替呈增加趋势;由于
植被的影响, 在同一吸力范围内的土壤含水量不同,植被为顶级长芒草( Stip a bung eana)群落时, 土壤在各吸力段的含水
量最高, 坡耕地最低; 其它群落土壤含水量随着水吸力的增加变化趋于一致;退耕地植被在演替过程中通过提高土壤有
机质含量改善结构, 降低容重并增加毛管孔隙度,对土壤的储水和持水性能产生作用。
关键词: 云雾山; 植被恢复演替; 土壤水分特征曲线; 土壤持水性
中图分类号: S 812. 2　　　　文献标识码: A
Study on Water-Holding Capacity of the Top Soil of a Steppe Reserve in the
Yunwu Mountains, Guyuan, Ningxia Hui Autonomous Region
LIU N a-na
1, ZHAO Shi-w ei
1, 2* , YANG Yong-hui
2, WANG Heng-jun
2 ,
ZHAO Yong-gang
2 , JI Xiu-yun
3 , CHAO Li-hua
1
( 1. College of Resources an d En vironmen t, Northw es t S ci-T ech U nivers ity of A gricul tu re an d Forest ry,
Yan gling, Shaanxi Provin ce, 712100, China;
2. S tate Key Laboratory of S oil Erosion an d Dry-land Farmin g on the Loess Plateau, In st itute of Soil and Water Conservat ion,
Chinese Acad emy of Scien ces and Minis t ry of Water Resources , Yangling , Sh aanxi Province, 712100, China;
3. Departmen t of Managem ent of the Yunw u Mountains Reservation , Guyuan, Nin gxia Hui Autonomous Region, 756500, C hina)
Abstract: T he study w as undertaken to determ ine the tendency and variation o f the so il-water holding capacity
during the restored vegetat ion community succession in a plot of former cropland bordering a typical steppe
zone on the Loess P lateau. The cur ves of soil w ater characterist ics measur ed by centrifugat ion show ed: there
w as a high pow er function correlat ion between the so il moisture and the potent ial of soil w ater , w hich could be
represented by
= aS b. Following the succession of the vegetat ions, the value a increased g radually. So il water
contents of various vegetat ions are dif ferent at the same r ange of soil water potent ial. T he data indicated that
the w ater content of soil co vered w ith St ip a bungeana was the highest , w hile the land was the low est in the
slope, though at the same range of soil w ater potent ial. The soil w ater contents o f other plant community
successions reached the same level w ith the increase o f so il water po tentials. The vegetat ion succession lessened
the soil bulk density and enhanced the soil poro sity by incr easing the so il org anic mat ter and improving the soil
constr uct ion; thus, af fect ing the soil-w ater ho lding capacity .
Key words : Yunwu mountains; Vegetat ions restor at ion and succession; Cur ve of soil water characterist ic; Soil
w ater ho lding capacity
　　以退耕还林还草为核心的生态环境建设实践证
明,退耕后植被的恢复与建设是改善生态环境的有效
措施[ 1]。我国黄土高原植被建设与土壤水分关系研究
主要集中在人工林地土壤水分背景、土壤水分利用状
收稿日期: 2006-03-13; 修回日期: 200-08-28
基金项目: “十一五”国家支撑计划重大项目( 2006BCA01A07)、黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金( 10501-152)和中国科学院
水利部水土保持研究所知识创新领域前沿项目( SW04102)资助。
作者简介: 刘娜娜( 1980-) ,女,陕西韩城人,硕士研究生,主要从事土壤环境效应研究; * 通讯作者 Author for correspond ence, E-mail: sw zhao
@ ms . isw c. ac. cn
第14卷　第 4期
　Vo l. 14　 No . 4
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　　　2006年　 12 月
　Dec. 　　 2006
况、地带性和非地带性因素分析、土壤水分生态分区及
土壤干层的形成及其机理上 [ 2～5] , 对人工植被建设 [ 6～8]
和天然森林植被恢复[ 9]下土壤水分特征也有一定的研
究,而关于退耕草地在封禁条件下天然恢复演替过程
中土壤持水性能研究较少。
马祥华等在研究中得出[ 10] :随着植被的恢复, 地
表逐渐形成了一个有机物覆盖面,使表层土壤有机质
含量增加,改善了土壤的水分环境; 0～20 cm 表层土
壤孔隙度变化幅度较20～40 cm、40～60 cm 土层大;
同时> 0. 25 mm 水稳性团聚体含量提高,随之引起土
壤结构的改善。即植被促使表层土壤有机质的积累、水
分环境和结构的改善,最终又反过来促进植被群落的
生长演替。安韶山的研究表明[ 11] ,不同演替阶段植物
群落中土壤表层与下层相比, 土壤的酶活性强且养分
含量高。周印东等的研究认为[ 12]自然植被的正向演替
对表层土壤有机质含量有明显的促进作用,表层土壤
田间持水量、容重、总孔隙度等与土壤持水性能相关的
指标都与有机质含量呈显著或极显著相关。可见土壤
表层是植被恢复过程中的活跃层,对植被恢复演替过
程中的土壤状况的改变反应灵敏。因此,这些变化势必
会引起表层土壤水分通道作用的加强, 对土壤水环境
的改善具有重要意义。
本文就固原云雾山坡地封育草原的表层土壤水分
特征进行研究,旨在探明退耕坡地草地植被恢复过程
对土壤持水性能的演变、改善土壤水环境和水库调节
功能恢复的影响,进一步回答黄土高原实施退耕还草
工程的土壤环境效应,为黄土高原退耕封育草地植被
建设提供理论依据。
1　材料与方法
1. 1　研究区自然概况
云雾山自然保护区是黄土高原典型草原带的代表
性区域,以长芒草( St ip a bungeana)为建群种[ 13]。它位
于宁夏南部山区固原县东北部( 106°24′～106°28′E,
36°13′～36°19′N) , 海拔 1800～2148 m, 总面积 4000
hm
2。属中温带半干旱气候区,年均气温5℃,≥0℃积
温2370～2882℃, 7月气温最高( 22～25℃) , 1月气温
最低( - 14℃) ; 年日照 2500 h,辐射总量 125 kCal·
cm
- 2, 年均降水量412 mm,无霜期137 d。地带性土壤
为山地灰褐土和黑垆土。保护区植被可分为草原和灌
丛两类,周边有34个自然村, 耕地1156 hm 2,草地5400
hm
2。经过20多年的保护和建设,生态系统呈良性循
环,植被覆盖度在95% 以上,植物种类增加到182种,
脊椎动物和昆虫共计200余种[ 14]。
1. 2　研究方法
这里分布着典型弃耕地的长芒草( S tipa bungeana)
草原正向演替序列 [ 15] , 因此, 采用在空间上横向选择
完整的演替序列来重建时间上纵向植被恢复演替过
程,以实现退耕封育后草原植被恢复演替过程中土壤
持水性能变化的刻画。
1. 3　样地选设
于2005年10月3日- 5日采样,此时坡耕地无种
植作物,并已翻耕。样地封育年限通过访问当地农民确
定(表1) ,样地封育年限与植被群落的正向演替相对
应。以云雾山自然保护区长芒草植被的演替为主线, 选
择坡耕地为对照。在退耕封育初期赖草( L eymus seca-
linus ) 为优势种, 此后伴生种群如猪毛蒿 ( A rtemisia
scop aria)、长芒草等开始出现, 随着长芒草的竞争力不
断提高,竞争能力较差的铁杆蒿( Ar temisia gmel init )、
大针茅( Stipa gr andis)和百里香( T hymus mongol i-
cus)等由优势种降为伴生种。
1. 4　土样采集
在植被调查的基础上,选取1 m×1 m 样方3个,
调查植物群落生物量。取表层0～5 cm 层环刀原状土
和混合土样, 蜡封后风干待测。
1. 5　测定方法与计算
1. 5. 1　土壤有机碳采用外加热重铬酸钾氧化法测定;
含水量用烘干法测定; 容重用环刀法测定[ 16] ;土壤水
分特征曲线用离心机法[ 17]。计算土壤萎蔫含水量、毛
管孔隙度和非毛管孔隙度 [ 18] , 应用恒定水头法测定土
壤的饱和导水率[ 19, 20]。
1. 5. 2　离心机测定土壤水分特征曲线:将环刀原状土样
浸水饱和,采用日产CR21G型高速冷冻离心机将土样在
20℃下从低速向高速顺序离心,转速和离心时间见表1,
使之达到水分平衡, 每次离心后称重;土样烘干称重,计
算不同水吸力S(×102 kPa)下的土壤含水量
( % )。
1. 5. 3　离心机法既克服了张力计法只能测定 0～
0. 8×102 kPa 低吸力范围的缺点, 又解决了压力膜
(板)法测定周期太长的缺点; 但是离心机法测定时也
存在离心过程中土壤容重不断变化的问题 [ 21]。
土壤水分特征曲线表示土壤水能量和数量的关
系[ 22 23]。将实测土壤含水量
( %) 与土壤吸力S (×102
kPa) 数据利用幂函数关系:
= aSb进行拟合。
339第 4期 刘娜娜等:云雾山封育草原对表土持水性的影响
表1　样地基本情况
T able 1　Basic site descr iption
样地号
No.
植被
Vegetat ion
生物量
Biomass
( kg/ m 2)
海拔
Alt itude
(m )
坐标
Coordinate
　
坡度
Slop
degree
坡向
S lop
posit ion
备注
Remark
　
1 CK - - 1856
106°12′47. 5″E
36°12′31. 7″N 21°
SE40°
半阳坡
S emi-sunny
坡耕地
S lope plantat ion
2
　
　
赖草—阿尔泰狗娃花+ 猪毛蒿+ 苦苣菜
L ey mus secal inus -H eter op app us alataicus+
A rtemisia scop aria+ S onchus oler aceus
- 2066
106°23′12. 1″E
36°15′45. 6″N 16°
SW70°
阳坡
Sunny
退耕封育 5a
5a former cr op lan d closed
to res tore vegetat ion
3
　
　
赖草—猪毛蒿+ 长芒草+ 九月菊
L . secalinus-A . scop aria+ S tip a bung eana+
Tanace tum nematolobum
0. 21 2076
106°23′13. 9″E
36°15′47. 8″N 15°
W
阳坡
Sunny
退耕封育 8a
8a former cr op lan d closed
to res tore vegetat ion
4
　
　
铁杆蒿—大针茅+ 乳白香青+ 阿尔泰狗娃花
A . gmel init -S . gr andi s+
A nap hali s sinica+ H . alatai cus
- 2050
106°23′25. 7″E
36°15′39. 5″N 19°
SE40°
半阳坡
S emi-sunny
退耕封育 15a
15a for mer cr oplan d closed
to res tore vegetat ion
5
　
　
长芒草+ 大针茅+ 铁杆蒿—阿尔泰狗娃花+ 白颖苔草
S . bung eana+ S .g rand is+ A . gmel inii-
H . alataicus+ Carex rig escens
0. 33 2043
106°23′01″E
36°15′47. 3″N 30°
SE15°
阳坡
Sunny
退耕封育 20a
20a for mer cr oplan d closed
to res tore vegetat ion
6
　
　
长芒草+ 百里香—铁杆蒿+ 星毛萎陵菜+ 赖草
S . bung eana+ Thymus mongoli cus -
A . gmel init+ Potent il la acauli s+ L . secal inus
0. 35 2046
106°22′35″E
36°14′41. 8″N 12°
NW50°
半阳坡
S emi-sunny
退耕 30a 封育 2a
30a former cr op lan d closed;
2a for restoring vegetat ion
7
　
　
长芒草—铁杆蒿+ 大针茅+ 百里香
S . bung eana -A . gmelinit+
S . grand is+ T . mong ol icus
0. 58 2035
106°23′06. 4″E
36°15′19. 5″N 15°
NE80°
半阳坡
S emi-sunny
长芒草封育区*
S tip a bungean a cul t ivated *
　　注: * 邹厚远长芒草封育区。1982年封育时长芒草盖度为45% [ 7] ; Note: * St ipa bu ngeana sect ion, managed by M r. ZOU Houyuan . In 1982 w hen
the sect ion w as closed, the cover d egree of St ipa bungeana was 45%
表 2　应用高速离心机对应不同水势下的转速及时间
Table 2　Rotat ing speed and time under different suction fo rce, using a high-speed cent rifug e
水吸力 Suct ion (×102 kPa) 0. 1 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0 2. 0 4. 0 6. 0 8. 0 10. 0
转速 Rotate speed (×1000rpm/ min ) 0. 98 1. 39 1. 96 2. 40 2. 77 3. 10 4. 39 6. 20 7. 60 8. 77 9. 60
时间 T ime ( min ) 26 36 45 51 55 58 68 77 83 87 93
2　结果与分析
2. 1　土壤水分特征曲线数学模型
赵世伟等 [ 9]研究表明,参数 a值随着植被类型的
不同,呈现有规律的变化,即乔木林群落> 灌丛群落>
草本群落,从而可反映土壤持水性能的大小。
由于退耕地随着植被的恢复土壤有明显的正向发
育现象,在同一生态环境下土壤具有不同的理化特性。
因而具有不同蓄水性能,并反映在土壤水分特征曲线
上。用实测土壤含水量与土壤吸力数据,拟合的参数及
数学模型如表3。
　　由表 3可见, 土壤含水量随着土壤吸力的变化而
变化, 坡耕地(样1)的参数值a最低, 为12. 5。退耕封育
5年后(样地2) a 值迅速提高到17. 7。自此在植被演替
过程中a值均处于17. 7～19. 1范围内, 直到最终的顶
级长芒草草地群落后才明显上升至21. 6。总的趋势是
参数a随着演替的进程值逐渐增加, 可见在植被向顶
级群落演替的过程中土壤持水性能的提高是一个相当
漫长的过程。
表3　土壤水分特征曲线数学模型与相关系数
Table 3　M athematical model and cor relative coefficient of soil w ater character istic curv es
样号
No.
土层厚度( cm)
Soil Depth( cm)
参数a
Parameter a
参数 b
Param eter b
数学模型
Mathem at ical model
相关系数
C or relat ive coeff icient
1 0～5 12. 486 - 0. 2614
= 12. 486S - 0. 2614 R 2= 0. 9713
2 0～5 17. 771 - 0. 2088
= 17. 771S - 0. 2088 R 2= 0. 9790
3 0～5 17. 721 - 0. 1926
= 17. 721S - 0. 1926 R 2= 0. 9901
4 0～5 18. 961 - 0. 2342
= 18. 961S - 0. 2342 R 2= 0. 9766
5 0～5 19. 082 - 0. 1920
= 19. 082S - 0. 1920 R 2= 0. 9931
6 0～5 18. 668 - 0. 2140
= 18. 668S - 0. 2140 R 2= 0. 9605
7 0～5 21. 691 - 0. 1969
= 21. 691S - 0. 1969 R 2= 0. 9787
　　注:相关系数均达到极显著 Note: Correlat ive coef ficien ts are all signif icant
340 草　地　学　报 第 14卷
2. 2　土壤持水性
一般将黄土高原土壤吸力范围划分为 3 个区
间[ 24 ] : ( 1)吸力< 1×102 kPa 为低吸力段; ( 2)吸力值1
× 102 kPa～15×102 kPa 为中吸力段; ( 3)吸力值>
15×102kPa 为高吸力段。15×102kPa 吸力以下的是植
物可吸收利用的范围。将实测值( 0. 1×102 kPa～10×
102 kPa)及由上述回归方程
= aSb 算出15×102kPa 所
对应的凋萎含水量作图(图1)
图1　不同吸力段的土壤水分特征
F ig . 1　So il wat er char act erist ic cur ves in the differ ent suction segments
　在同一吸力下, 由于植被的影响,土壤的含水量均不
同。植被为顶级的长芒草群落时,土壤在各吸力下的含
水量最高,坡耕地的最低。其它坡地的土壤的含水量随
着水吸力的增加而趋于集中:在0. 8×102kPa 时,土壤
含水量集中在 17. 8%～19. 4%范围内, 范围差为
1. 6%;当吸力达 15×102 kPa时,土壤含水量在 9. 9%
～11. 2%,范围差为1. 3%。随着水吸力的增加, 在植被
恢复的正向演替过程中土壤水分含量越趋于一致。在
坡耕地退耕后,随着草原植被的恢复演替, 土壤的持水
能力逐渐加强,最终达到顶级群落的持水性能(图1)。
另据测定(表4) ,退耕初期先锋植被(赖草为主)出
现时,土壤的有机质含量增加最快, 退耕封育5年土壤
有机质含量是坡耕地的3倍。此后土壤有机质含量上
升程度不大, 在退耕30年的6号土壤中,有机质含量才
又一次明显的增加, 直到顶级长芒草群落阶段有机质
含量比坡耕地提高了8. 3倍。从时间上看与邹厚远关
于植被的天然恢复要经过四、五十年的结论一致。同时
随着植被的恢复土壤的水分状况得到改善,土壤的持
水性增强。
2. 3　土壤理化性质及基本水分常数分析
由表4可见, 不同封育年限下草原植被恢复过程
中土壤各理化性质和基本水分常数均呈现上升趋势。
与坡耕地(样地1)相比, 退耕初期(样地2、3)土壤有机
质含量增加了1. 5%左右, 土壤容重略有增加,毛管孔
隙度和非毛管孔隙度分别提高了 5. 7%和 2. 6%～
4. 3%, 土壤结构明显改善, 土壤饱和导水率显著增加
( P< 0. 01) ,土壤的持水性显著增强, 有效水含量上升
了1. 0%～1. 8%, 无效水含量上升了4. 0%～4. 7%, 田
间持水量上升了5. 0%～6. 0% ,可见退耕初期随着先
锋植被的出现,土壤有机质含量提高,土壤结构得到改
善,因此土壤持水性能增强。
随着退耕封育年限的增加(样地4、5) , 土壤有机质
含量进一步提高, 增加至2. 9～3. 2% ,土壤容重开始下
降,毛管孔隙度和非毛管孔隙度有所增加, 但差异不显
著,土壤饱和导水率上升至1. 0 mm/ m in以上,土壤有
效水、无效水和田间持水量分别增加不显著,可见草原
植被恢复过程中, 土壤有机质含量略有提高,但土壤结
构与退耕初期相比变化不大, 土壤持水和导水能力的
提高不明显。
到退耕30a(样地6)土壤有机质含量增加到4. 3%,由
于该样地1975年退耕后到2003年之间未封育, 因牛羊踩
踏土壤容重增加,毛管孔隙度变化不大, 而非毛管孔隙度
有所降低,土壤饱和导水率下降, 有效水含量、无效水含
量及田间持水量变化不大, 可见放牧对土壤容重和饱和
导水率有一定影响[ 25] , 对土壤结构和持水性能的影响不
大,通过短期封育即可达到未放牧的效果。
对于顶级长芒草群落(样地7) ,土壤有机质含量最
高,达4. 8%, 土壤容重下降至0. 96 g / cm3, 毛管孔隙度
和非毛管孔隙度增加, 土壤饱和导水率达 1. 4 mm /
341第 4期 刘娜娜等:云雾山封育草原对表土持水性的影响
min,土壤各基本水分常数显著提高,达到退耕恢复后
的顶点值,可见当退耕后植被达到顶级群落后, 土壤各
理化性质最高,土壤结构最好,土壤的导水和持水能力
达到最高。
表4　不同坡地土壤理化性质及基本水分常数
Table 4　Soil physics and chemistr y char acters in differ ent slopes
样地号
No.
土壤深度
Soil Depth
( cm )
土壤有机质含量
SOM
(% )
土壤容重
Bulk Density
( g·cm- 3)
毛管孔隙度
Pipe Poros ity
( % )
非毛管孔隙度
Non-pipe
Poros ity( % )
保和导水率
K 10
( mm/ min)
有效水
Available water
( % )
无效水
U navailable w ater
( % )
田间持水量
Deter mination of
f ield capacity ( % )
1( CK) 0～5 0. 84 1. 00 17. 26 26. 72 0. 25 11. 24 6. 03 17. 27
2 0～5 2. 31 1. 08 22. 98 30. 07 0. 99 13. 00 9. 98 22. 98
3 0～5 2. 40 1. 04 23. 00 28. 33 0. 76 12. 26 10. 75 23. 00
4 0～5 2. 86 1. 01 25. 31 32. 82 1. 13 13. 41 10. 91 24. 31
5 0～5 3. 17 1. 02 23. 85 31. 78 1. 03 12. 66 11. 20 23. 85
6 0～5 4. 26 1. 09 24. 42 24. 58 0. 51 14. 21 10. 21 24. 42
7 0～5 4. 81 0. 96 27. 13 33. 58 1. 37 14. 78 12. 35 27. 13
3　讨论与结论
3. 1　土壤水分作为土壤3相之一, 是土壤环境的重要
组成部分,影响着植被恢复的程度和速度, 对旱区植被
恢复起着极其重要的作用[ 26]。同时退耕地在植被恢复
中形成不同的植被类型,对土壤水分特征产生了深刻
影响。参数 a值的变化随着植被的演替呈现出逐渐增
加的趋势。在同一吸力范围下, 由于植被的影响,土壤
的含水量各不相同:植被为顶级的长芒草群落时,土壤
在各吸力段的含水量最高; 坡耕地最低;除长芒草群落
和坡耕地外, 其它演替阶段群落土壤含水量随着水吸
力的增加而趋于一致。植被演替过程中通过提高土壤
有机质含量, 改善结构,降低土壤容重和增加土壤毛管
孔隙度等土壤的理化特性对土壤的储水和持水性能产
生作用,同时退耕后的放牧地由于进行封禁,其土壤有
机质的积累和毛管孔隙度与封育年限相近的土壤差异
不显著,因此放牧地经封育后土壤的持水性能可在较
短时间内得到恢复。
3. 2　以上分析表明,土壤表层的持水性随着退耕后草
地植被的恢复和演替而逐渐增强,土壤的持水性能越
大其抗冲刷能力就越强[ 1 1] , 反之亦然, 说明天然草原
植被恢复后通过提高土壤的持水性能来改善土壤的抗
蚀性,对黄土高原水土保持建设具有重要作用。因此,
该地区坡地实施退耕还草建设, 可有效防治水土流失,
对改善土壤环境具有重要意义。
参考文献:
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342 草　地　学　报 第 14卷