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Alfalfa Growth Characteristics and Soil Water Dynamics of Grassland Converted from Cropland in Semi-arid Region

半干旱区退耕地紫花苜蓿生长特性与土壤水分生态效应



全 文 :第 19 卷  第 4 期
Vol. 19  No. 4
草  地  学  报
ACTA AGRESTIA SINICA
   2011 年  7 月
 Jul.   2011
半干旱区退耕地紫花苜蓿生长特性
与土壤水分生态效应
程积民1, 2 , 程  杰1, 高  阳1
( 1.西北农林科技大学 动物科技学院, 陕西 杨凌  712100; 2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西 杨凌  712100)
摘要 : 本文系统研究了黄土高原半干旱地区不同立地条件下, 20 年生紫花苜蓿 (Meducagi sativ a L . )生长变化特
征与土壤水分的消耗与恢复过程。结果表明:紫花苜蓿不同生长阶段生产力差异较大, 年生长的 6- 8 月份 ,即在
水热同步条件下,紫花苜蓿形成较高地上生物量 ,为年生长的盛期, 但土壤水分消耗过度,降至年最低点; 紫花苜蓿
产草量不同生长年限均达极显著差异,在山地、塬地和川地 3种立地条件下均呈规律性变化特征,即在生长的 4~ 8 年
间, 3 种立地条件下紫花苜蓿均为旺盛生长阶段, 第 10 年土壤含水量降到最低, 土壤干层厚度高达 300~ 720 cm,
土壤水分严重亏缺; 10年后随紫花苜蓿的基本衰败, 土壤水分开始缓慢恢复; 第 15~ 20 年, 3 种立地类型 500 cm
土层以上土壤水分可恢复到接近种植前的土壤含水量,而500 cm 以下土壤通体干燥化严重,水分恢复极为缓慢,且恢
复难度较大。因而,在黄土高原半干旱区紫花苜蓿适宜生长年限应为 8~ 10 年,第 4~ 8 年为苜蓿生长的高峰期。
关键词:紫花苜蓿; 地上生物量;土壤水分; 土壤干层;半干旱区
中图分类号: S152. 7; S541. 9     文献标识码: A      文章编号: 10070435( 2011) 04056506
Alfalfa Growth Characteristics and Soil Water Dynamics of Grassland
Converted from Cropland in Semiarid Region
CHENG Jimin1, 2 , CHENG Jie1 , GA O Yang1
( 1. Colleg e of Animal Science and Techn ology, Northw est S ciT ech University of Agricultur e and Fores tr y, Yan gling,
Shaanxi Province 712100, Ch ina; 2. In st itu te of Soil and Water Conservation , Chines e Acad emy of
Sciences and M inist ry of Soil Resources, Yangling, Sh aanxi Provin ce 712100, China)
Abstract: T he grow th characteristics of 20yearo ld alfalfa (Medicago sat iva L. ) and soil w ater consump
t ion and recovery pro cess at v arious ecosites in semiar id Loess Plateau w ere systemat ically studied. Re
sults show that alfalfa productivity varies w ith g row th stag es. Alfalfas have higher aboveground biomass
from June to August , w hich is the vigor ous g row th period of a year under synchr onous condit ions of both
temperature and precipitat ion. How ever, the soil w ater is ex cessiv ely consumed to its bo ttom po int . Alfal
fa annual yield has signif icant dif ference. Alfalfa grow s vigo rously during 4 to 8 years in all tested ecosites.
In the 10th year, soil w ater dr ops to the minimum level and reaches a severe def icit. Dry so il lay er reaches
300~ 720 cm . After 10th year, so il w ater beg ins to recover slow ly w ith alfalfa grow th declining . Soil
moisture above 500 cm soil layer recovers the same level as befor e plant ing in 15 th to 20th year s. How ever,
the soil below 500 cm is seriously dry , and so il water recover y is ex tr emely slow and hard. Overall, alfalfa
product ion reaches peak during 4~ 8 year s af ter plant ing , and alfalfa should be r eplanted at 8 to 10 years
af ter plant ing in sem iarid Loess P lateau.
Key words: Alfalfa; Aboveground biomass; Soil w ater; Dry so il layer; Sem iarid region
  黄土高原半干旱区是典型的生态脆弱地带, 天
然降水是农牧业生产的主要水源, 但降水量较少, 季
节分配不均, 地下水埋藏较深。由于受干旱和土壤
水分亏缺的多重影响,人工草地植被生长对土壤水
收稿日期: 20100323;修回日期: 20110403
基金项目:农业部 现代农业产业技术体系建设专项资金资助 ;中国科学院重要方向项目( KZCX2YW441) ( KZCX2YW149) ;国家重点
基础研究发展计划 973项目(2007CB106803) ;国家自然科学基金重点项目( 40730631) ;国家林业总局 全国沙化典型地区定位
监测项目资助
作者简介:程积民( 1955 ) ,男,陕西蒲城人,学士,研究员,从事恢复生态学研究, Em ail: gyzcjm@ ms. isw c. ac. cn
草  地  学  报 第 19卷
分消耗过度, 恢复与持续生长难度较大。国家退
耕还林(草)政策的推出, 对改善区域生态环境和
畜牧业发展奠定了重要基础[ 1]。紫花苜蓿( M edi
cago sativa L. )是一种优质、高产、抗旱和适应性强
的饲料作物, 素有牧草之王的美称, 在我国人工
牧草种植中面积最大, 现存面积为 104. 5 万 hm2 ,
占全国人工草地总面积的 78. 5% [ 2] 。紫花苜蓿也
是一种优良的改土培肥植物[ 3, 4] , 能够吸收深层土
壤水分和养分, 是我国西北地区适宜的栽培品种,
具有悠久的种植历史[ 5]。在干旱、半干旱地区农业
发展中具有十分重要的作用, 也是目前农业结构转
型和生态环境建设中大力推广的优良饲草[ 6] , 同时,
在建立区域草田轮作和舍饲养殖相结合的农业经营
模式中占有重要地位[ 7] 。然而,紫花苜蓿作为一种
高产高耗水的优质饲草 [ 8] , 在黄土高原半干旱区的
有限降水条件下栽培草地的持续性差[ 9]。大量研究
表明[ 10~ 1 2] ,紫花苜蓿大面积种植, 将会引起区域大
面积的土壤旱化和深层土壤水库亏缺, 同时, 也会严
重影响到野生植物与后茬作物的生长。为此, 研究
半干旱区紫花苜蓿草地适宜的生长年限和土壤水分
消耗过程,揭示其生长、衰败与土壤水分消耗、恢复
及其野生植物组成的时空变化规律,对促进该区人
工草地建设利用与水分平衡具有重要的现实意义。
1  材料与方法
1. 1  试验区概况
研究区位于黄土高原西部( E10553~ 10630,
N3532~ 3620)的宁夏固原黄土丘陵区, 试验分为
3种地貌类型,即山地试验地布设在黄峁山,前茬为
人工种植小麦( Tr i ti cum aesti vum )、胡麻( Sesamum
indicum )作物的多年坡耕地, 田面坡度< 10, 地下
水埋藏深度在百米以下; 塬地位于头营梁,前茬是多
年种植小麦、豆类和胡麻作物的退耕地, 田面坡度
< 5,地下水埋藏深度在 70 m 以下; 川地位于小川
子,多年来前茬一直是种植小麦,田面坡度< 3,地下
水埋藏深度在 20 m 以下, 3 种类型均相距 10~
15 km。海拔 1650~ 1750 m, 植被属森林草原向典型
草原的过渡区,年均温 6~ 7  , 年均降水量 450 mm,
30年间年降水量 480 mm 左右的丰水年占25. 0% ,
400 mm 左右的平水年占37. 5%, 300 mm以下的枯
水年占37. 5%。一般在7- 9月份降水量占年降水量
的 65% ~ 75%, 潜在蒸发量为 1330~ 1640 mm,
10  积温 2100~ 3200  , 干燥度 1. 5~ 2. 0, 属温
凉半干旱区。地貌沟壑纵横,土壤为黄土母质上发
育的淡黑垆土和黄绵土,土层分布较均匀深厚。
1. 2  试验设计
1. 2. 1  试验方法  试验于 1989- 2008年在宁夏固
原山地、塬地和川地上布设了紫花苜蓿草地与土壤
水分的长期定位监测试验。紫花苜蓿采用人工条
播,播种期为 1989- 1990 年 4 月,播种量为 7. 5~
22. 5 kg  hm2 ,播种深度为 2~ 3 cm ,并实行田间松
土与清除杂草的管理方法。
1. 2. 2  测定指标
1. 2. 2. 1  植物生长测定  从播种当年开始每年在
紫花苜蓿返青期至成熟期,设固定样地定期进行密
度、株高、分枝及生物量测定。生物量测定采用刈割
法,齐地面刈割,留茬高度低于 3 cm, 测定鲜草产量
及不同层次的茎叶结构, 测定样方面积为 1 m  1
m, 每项测定重复 5次。
1. 2. 2. 2  土壤水分测定  土壤水分测定与植物生
长调查相对应,每年在植物生长盛期,测定 0~ 1000
cm 的土壤水分,每 20 cm 分层取样,共采样 50个,
重复 3次。其中土壤水分年际测定时间为每年 7月
中旬,月动态测定山地、塬地为紫花苜蓿生长的第
12年,川地为第 11年,含水量以百分数表示。
1. 3  气象资料与数据分析
气象资料由宁夏固原市气象局提供, 数据的统
计分析采用 SPSS 13. 0软件完成。
2  结果与分析
2. 1  紫花苜蓿生物量与土壤水分月间变化动态
半干旱区紫花苜蓿在生长的同一年不同月份,
受降雨量和地上生物产量的影响, 土壤水分的消耗
与恢复差异较大, 直接影响紫花苜蓿生长发育与土
壤水分的平衡。山地、塬地和川地紫花苜蓿生长后
期,即第 11年( 1999年)和第 12年( 2000年)土壤水
分的月变化过程见图 1~ 3。1999年和 2000年降雨
量仅为 319. 1 mm 和406. 2 mm ,属于干旱与平水年
份。在 3 种立地条件下紫花苜蓿的生长后期, 即
1999年降雨量与生物量的月变化呈极显著的正相
关(山地R= 0. 9420, 塬地 R = 0. 9390, 川地 R =
09360, P< 0. 001)。其中,在雨水较多的 7月份,月降
雨量达128. 5 mm,苜蓿生物量山地为 0. 49 kg  m- 2 ,
塬地 0. 69 kg m- 2 ,川地 1. 31 kg  m- 2。在 2000年
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第 4期 程积民等:半干旱区退耕地紫花苜蓿生长特性与土壤水分生态效应
降雨量较多的 6月份为 145. 7 mm, 苜蓿生物量山地
为 0. 38 kg  m - 2 , 塬地 0. 67 kg  m - 2 , 川地
1. 01 kg m- 2 ,土壤水分的变化趋势 3 种类型基本
相同,其垂直变化特征可划分为 4层,第 1层受降水
的影响为速变层, 分布深度为 0~ 100 cm ;第 2 层受
降水和根系利用的影响, 为土壤水分过度消耗利用
层,分布深度为 100~ 350 cm; 第 3层随着根系分布
范围的不断扩大和水分的大量吸收利用, 为根系水
分调节利用层,分布深度为 350~ 600 cm, 土壤水分
含量最低;第 4层受地下水和根系分布少的影响,为
水分恢复利用层, 此层水分在山地和塬地受地下水
较深的影响,各月间土壤水分变化差异较大,但川地
因地下水位较浅, 土壤水分月间变化差异小,恢复过
程较为稳定,分布深度在610~ 1000 cm 。在山地和
塬地紫花苜蓿生物量较低的 4- 6月份,土壤含水量
明显高于其他月份, 7、8月份生物量达到峰值,土壤
水分消耗较大,土壤剖面含水量降至最低,而在川地
由于受局地气候的影响, 生物量出现的峰值较山地
和塬地可提前 15~ 20 d,一般出现在 6、7月份。另
外,土壤水分的月变化受地上生物量的影响差异显
著,在山地和塬地生物量较低的 4- 6月份,土壤含
水量明显高于其他月份, 7、8月份生物量达到峰值,
土壤水分消耗较大, 土壤剖面含水量降至最低。8
月份是紫花苜蓿第 2茬生长初期, 0~ 200 cm 土壤
水分的消耗均低于其他月份, 200 cm 以下各月间的
变化差异不明显。
2. 2  紫花苜蓿生物量与土壤水分年际变化动态
半干旱区紫花苜蓿生长及产量与土壤含水量有
着密切关系,紫花苜蓿在该区域的生长年限一般为
10年左右, 4~ 8年为地上生物量生产的最高阶段,
在此期间土壤水分亏缺严重,天然降水补偿持续期
长,地下水位又较深,短期内难以补充, 直接影响紫
花苜蓿的持续生长与生物量的形成。
由图 4~ 6可知,黄土高原半干旱区紫花苜蓿草
地不同生长年限土壤水分的变化差异较大,在种植当
年( 1989年) , 年降雨量仅为 358. 3 mm, 0~ 1000 cm
土层含水量平均山地为 10. 8% ,塬地为 12. 2%, 川
地为 14. 3%。在第 10 年 ( 1998 年) , 年降雨量为
433. 7 mm, 土壤含水量降到最低点, 0~ 1000 cm 土
层平均含水量山地仅为 5. 35% ,塬地为 8. 26%, 川
地为11. 1%。生物量的变化从图7可以看出,生物量
最高时,山地为 1. 4 kg  m- 2、塬地为 1. 71 kg  m- 2、
川地为 2. 34 kg m - 2 。随着草地生长的逐渐衰败
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草  地  学  报 第 19卷
及地上生物量的大幅度下降,土壤水分的消耗逐渐减
少,恢复程度也愈来愈明显。在紫花苜蓿退化的第
15年( 2003年) , 年降雨量为 551. 6 mm, 0~ 1000 cm
土壤含水量比最低的第 10年, 分别提高 36. 8% (山
地)、14. 8% (塬地)、9. 6% (川地) ; 在第 20年( 2008
年) ,年降雨量仅为 354. 8 mm, 0~ 1000 cm 土层含
水量比最低的第 10年, 分别提高了 52. 3% (山地)、
31. 2%(塬地)、14. 4% (川地)。但地上生物量在第
15年下降更加显著, 山地为 79. 4%、塬地 81. 9%、
川地 78. 1%;在第 20年比峰期下降 87. 2%(山地)、
88. 2% (塬地)、90. 5% (川地)。
2. 3  紫花苜蓿草地土壤干层水分恢复过程与野生
植物的密度组成
根据黄土高原半干旱区土壤凋萎湿度、植物生
长状况和土壤水分的亏缺程度, 将土壤干层划分为
3级, 土壤含水量 8% ~ 10%为轻度干层; 6. 0% ~
8 0%为中度干层; 6. 0%以下为重度干层[ 8]。本区
紫花苜蓿草地的土壤干层主要集中在根系分布的密
集区,一般随着紫花苜蓿生长年限的延长土壤干层
的形成逐渐加深。从图 4~ 6看出, 在山地、塬地和
川地紫花苜蓿生长的第 1~ 2年因其植株生长缓慢,
还未能形成较高的生物量, 土壤水分消耗少,土壤干
层不明显。随着紫花苜蓿地上部分的旺盛生长和生
物量的大幅度提高, 在第 5年土壤干层出现的厚度,
山地为 640 cm,土壤含水量为 4. 4%~ 7. 8%, 塬地为
400 cm,土壤含水量5. 6%~ 7. 3%,川地为300 cm,土
壤含水量7. 1% ~ 8. 3%。地上生物量越高,土壤干层
形成越明显。在土壤水分达到最低时, 干层分布厚
度,山地、塬地和川地平均分别为 720 cm, 580 cm 和
300 cm,土壤含水量分别为 3. 2% ~ 6 8% , 6. 8% ~
8. 6%和 9. 7% ~ 10. 8%。受土壤水分亏缺的影响,
随着生长年限的延长, 紫花苜蓿种群密度逐渐减少,
生物量大幅度下降; 在第 11~ 15 年, 随着草地大幅
度的衰败,土壤水分开始缓慢恢复,直到第 20年,山
地土壤水分恢复深度达 280 cm,土壤含水量比种植
前平均提高 1. 23% ;塬地恢复深度达 460 cm ,土壤
含水量平均提高 1. 0%;川地恢复深度达 460 cm,土
壤含水量接近种植前。从图 8可以看出,在第 11~
20年,随苜蓿衰败时间的延续, 野生植物数量在逐
渐增加,其植物密度变化平均为: 山地 10种  m- 2 ,
塬地11种 m- 2 ,川地 14种 m- 2。植物种类的组
成主要以禾本科为主, 在群落中占植物总数比例,山
地为 46. 6%,塬地 42. 8%,川地 39. 8%。常见的优势
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第 4期 程积民等:半干旱区退耕地紫花苜蓿生长特性与土壤水分生态效应
种植物有本氏针茅 ( Stipa bungeana )、大针茅
( S. grandis)、厚穗冰草 ( A gr ophy ron cr istatum )、
硬质早熟禾 ( Poa sphondy lodes )、早熟禾 ( Poa
annua)、二裂萎陵菜( Potenti l la bi f urca) ; 伴生种
有香茅草 ( Cymbopogon cit ratus )、狗尾草 ( S et ria
vi ridi s)、天蓝苜蓿 ( Medicago lupulina )、苦荬菜
( I x er i s dentuculata) ; 偶见种有田旋花 ( Conv olv u
lus arv ensi s )、紫花地丁( Viola y ed oensi s )、蒲公英
( T ar axacum mongol icum )等,形成黄土高原半干旱
区山地和塬地人工草地群落退化演替独具特色的草
地植被景观,但川地这一景观不甚明显。
3  讨论
在苜蓿产量及生产力年际变化动态方面, 因受
气候及地域等自然因素的影响, 研究结果各有差
异[ 13~ 16]。有研究认为在甘肃省苜蓿的有效利用年
限从第 2年开始,产草量逐渐上升, 到生长的第 4, 5
年达到高峰, 第 6 年开始呈下降趋势[ 13] ;在内蒙古
产草量因受生长年限的不同而发生较大变化, 一般
在生长的第3, 4, 5年,苜蓿产草量分别为 0. 7 kg m- 2、
0. 8 kg  m- 2和 1. 0 kg  m- 2 , 但差异并不显著 [ 16]。
本试验在典型的黄土高原半干旱区 3种地貌类型,
长达 20年对苜蓿生长发育、产量形成与土壤干层及
水分恢复的全过程研究表明, 苜蓿草地土壤水分因
受生长年限、产量形成及当年降雨量的影响而发生
显著变化,三者相互作用互为结果,即苜蓿地上生物
量高峰期是土壤水分的低谷期(严重亏缺期) , 苜蓿
生长年限越长, 土壤干层越明显,干层厚度越大。在
该区紫花苜蓿生长到第 10 年后, 人工草地基本衰
败,苜蓿已丧失利用价值, 但土壤水分开始逐渐恢
复,直到第 20年(水分恢复的第 10年) , 在 500 cm
以上土壤水分才可以恢复到苜蓿种植前的土壤水
分,在 500 cm以下干层仍很明显。黄土高原半干旱
区土壤水分这一漫长的恢复过程与特征, 充分表明
人工草地土壤干层的形成及土壤水分降低并严重亏
缺,原因之一是地上生物量的大幅度提高,加大了植
物水分的蒸腾,加速了土壤水分的消耗;其二是气候
干旱、降雨量稀少、季节分配不均、水热不同步,使土
壤水分不能及时得到补充,致使水分严重亏缺,且恢
复难度增大,严重影响和抑制了苜蓿的持续生长。苜
蓿草地生物量在第 5~ 6年开始下降, 在第 7~ 10年
受天然降水与土壤水分的影响,呈波浪式变化, 10年
后苜蓿生长的株高、密度和生物量均明显出现了较大
幅度的下降,草地呈现出斑块状的裸露地面,衰败迹
象非常明显,并抑制了野生杂类草的生长,裸露地面
又加速了土壤表面的蒸发。因而,土壤的旱化以及乡
土草种的入侵加速了苜蓿人工草地的退化过程[ 18, 19]。
根据黄土高原地区的气候与降雨特点以及苜蓿的适
应特性,从苜蓿的生长、密度、生物量与土壤水分的变
化分析,苜蓿在该区的最佳生长期为8~ 10年。10年
后受土壤水分过度消耗的影响,引起土壤生态系统的
严重退化,直接影响人工草地向天然草地演替或后茬
作物的正常种植与生长。但若能在草地生长的前 6
年内,采取适当增加土壤水分的措施进行科学管理,
就可以延长紫花苜蓿在黄土高原的生长期及使用寿
命,这也是贯彻国家退耕还林草、改善西部生态环境,
发展畜牧业、提高农村经济的有机结合[ 20~ 22] 。
4 结论
4. 1  黄土高原半干旱区不同立地类型 20年生紫花
苜蓿生长与生物量变化规律呈逐步上升稳定高产
迅速下降的 A字型生长变化曲线。适宜生长年
限均在 8~ 10年。
4. 2  在黄土高原半干旱区特殊的环境条件下, 不同
地貌类型紫花苜蓿生物量与降雨量、土壤水分及土
壤干层密切相关, 其月降雨量与生物量相关性达极
显著水平; 在生物量形成的峰期, 土壤干层厚度达
400~ 880 cm, 含水量仅为 5. 4% ~ 8. 3%。
4. 3  随着紫花苜蓿生物量大幅度下降及草地退化程
度的逐步加剧,土壤水分开始逐渐恢复,第 15年比最
低的第 10年分别提高 36. 8% ~ 9. 6%; 第 20年提高
了 52. 3% ~ 14. 4%, 土壤水分恢复深度达 280~
460 cm,含水量比种植前平均提高 1. 0%~ 1 23%。
4. 4  从紫花苜蓿退化的第 11年开始到第 20年间,
适宜在干燥化土壤环境生长的野生植物不断增多,
使人工草地群落逐渐向天然化草地演替, 野生植物
的密度 10年平均山地为10种m- 2 ,塬地11种m- 2,
川地 14种 m- 2 , 形成了独具特色的退化人工草地
演替景观。
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(下转第 576页)
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草  地  学  报 第 19卷
力为 H 2= 25. 58%。广义遗传力的第 1、第 2 茬比
较高,第 3、第 4茬低,说明前 2茬非加性遗传作用
突出,后 2茬则较低。前 2茬产量在整个生育期起
重要作用。
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(责任编辑  李美娟)
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(责任编辑  吕进英)
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