张源沛,郑国保,周丽娜,孔德杰,朱金霞,张益民
(1.宁夏农林科学院 农业生物技术研究中心,银川750002;2.宁夏农林科学院资源与环境研究所,银川750002;3.宁夏农林科学院 后勤服务中心,银川750002)
长期严重的风沙危害,造成荒漠化草原大面积沙化,使荒漠化草原的生态环境极其脆弱,水分成为其主要的限制因素[1-2]。土壤水分与植被群落的分布具有一定的相关性,降水和土壤水分对植物群落水分平衡起重要的调节作用,其时空变化对天然牧草的生长、草场退化和土地沙化有着举足轻重的作用[3-6];植被类型、盖度及生长情况都会影响土壤含水量[7-8]。许多研究表明:土壤水分状况与牧草生物量也有着密切的关系,影响土壤水分状况的因子除了土壤质地外,还包括降水量、地下水位、地表径流、牧草蒸腾等[9];土壤水分受土壤特性、气象等诸多环境因子的影响,其收入主要为自然降水,支出包括地表径流、渗漏水量、地面蒸发量和植物蒸腾量等。典型草原区土壤水分大多数年份可以达到平衡,但季节降雨变化大,土层垂向水分变化主要发生在60cm以上[10-13];围栏对土壤水分、养分和草场植被的影响较大,尤其对草场植被的影响极其明显[14-15];因此,要合理地利用有限的降水资源,就必须摸清土壤性状与土壤水分运移规律的关系。本文对围栏禁牧草原不同机械组成的土壤水分开展研究,为围栏禁牧对退化草原的影响研究提供依据。
试验区位于宁夏回族自治区银川市灵武市宁东镇,地处我国西北部农牧交错带,年平均降水量255.2 mm,年平均蒸发量2 682.2mm,为降水量的10.5倍。年平均气温8.8℃,≥5℃的积温3 153.9℃。年平均风速2.5m/s,历年最大风速24.0m/s,年大风加沙暴日数11d,年扬沙日数平均45d。
选择试验区内具有代表性的土壤(机械组成为松砂土、紧砂土、轻壤土和中壤土)设立监测点,在每个监测点埋设3根200cm深的土壤水分探测管,每隔10d进行一次土壤水分监测,并在降雨前后加测,监测深度180cm,每10cm为一层进行测定。
本研究使用仪器为德国生产的TRIME-FM型(管式)时域反射仪(TDR)。
试验数据处理采用Excel 2003,作图用Surfer 7.0。
降水是草原土壤水分的主要来源,其数量的多寡对土壤贮水量有举足轻重的作用[15]。2003年试验地整个生长季降水量为182.9mm,5—8月降雨量较大,其中5月中旬至5月底,降水量较大,共140.8mm,占植物生长季降水量的79.0%,6月份降水量最大,达47.8mm,占整个生长季降水量的26.1%。
图1 不同土壤类型200cm土层贮水量
由图1可见,随着土壤机械组成逐步变黏,土壤贮水量呈增加趋势,紧砂土与轻壤土的贮水量基本相当。不同类型土壤贮水量月际变化规律基本相同,200cm土层内8月份和10月份的贮水量最低(松砂土为106.5mm、紧砂土为201.0~202.0mm、轻壤土为181.1~190.9mm、中壤土为220.7~226.4 mm),9月份最高(松砂土为172.1mm、紧砂土为232.6mm、轻壤土为229.2mm、中壤土为292.4 mm)。其主要原因是试验区全年降雨主要集中在5—8月份,6月份和8月份降雨量相对较高。由于8月份草原植物正处于生长旺盛期,植被蒸腾量大,对土壤水分的消耗量也大,8月份降雨量仅为35.9 mm,不能满足植物生长所需的水分,势必消耗土壤水分,使土壤贮水量降低。而9月份草原大部分植被已进入衰老枯黄期,此时对土壤水分的消耗量减少,加之气温较低地表有枯枝覆盖,相对减少了地表蒸发,提高了土壤的保蓄水能力。
由图2可见:荒漠化草原土壤水分垂直变化规律基本一致,各层次土壤水分含量由浅入深逐渐减小,土壤水分受外界环境的影响随土层深度的增加而减小,土壤水分的变化主要集中在110cm以上土层,80 cm以上土层最为剧烈,110cm土层以下变化较小,这与周尧治[17]的研究结果极其相似。土壤水分的变化主要受降水和植物耗水的影响,降雨较大时,土壤水分变化也较大,但是土壤水分的最大入渗深度未超过80cm,说明在目前的降雨条件下,降雨不能对土壤深层水分进行补充。随着围栏后植被的恢复,土壤中的水分被大量消耗,耗水深度下移,造成深层土壤水分不可逆的亏缺,反过来可能会有导致天然草场进一步的退化;降雨后不同类型土壤200cm土层内均有水分下移现象,松砂土较其它土壤相对松散,尤其在9月15日土壤水贮量达最高,随土层深度的增加,土壤体积含水量呈增加趋势;紧沙土、轻壤土和中壤土则随土层深度的增加,在110cm处达到最大值,土壤水分的亏缺或变化剧烈时期主要集中在6—9月,尤以7月、8月份为甚,这主要与该时段气温较高和植被处在快速生长阶段有关,如何在该时段内合理利用地上植被资源,减少水分消耗,是围栏草场资源可持续利用的关键。
土壤储水量变化主要受降水量和植物耗水的影响。由表1可知:实施围栏后,不同机械组成土壤的贮水量降低,造成土壤水分的亏缺。如2002年全年降雨量达到298.5mm,试验区围栏内土壤水分不但没有得到补充,其平均亏缺量反达52.9mm。围栏封育时间越长,土壤水分贮量越低。
松砂土所在围栏区域1999年实行围栏封育,2002—2004年监测植被萌发前,其200cm的土层贮水量分别为192.9,133.0,125.7mm;紧砂土所在的围栏区域2001年实行围栏封育,2002—2004年监测植被萌发前,其200cm的土层贮水量分别为288.8,215.7,187.1mm;中壤土所在的围栏区域2001年实行围栏封育,2002—2004年监测植被萌发前,其200 cm土层的贮水量分别为303.7,248.9,193.6mm。因此,在自然降雨量不可能大幅度增加的情况下,对围栏草场植被资源进行合理的利用,减少植被的蒸腾耗水,防止围栏后草原退化甚至荒漠化显得尤为重要。
图2 土壤水分动态变化
表1 生育期内土壤贮水量变化 mm
(1)松砂土的保蓄水能力较弱,中壤土较强,紧砂土与轻壤土居两者之间,且保蓄水能力基本相当。但这4种土壤的年度内贮水量变化趋势基本相同,主要受降雨影响。
(2)荒漠化草原土壤水分垂直变化规律基本一致,各层次土壤水分含量由浅入深逐渐减小,土壤水分受外界环境的影响随土层深度增加而减小,土壤的水分变化主要集中在110cm以上土层,且以80cm以上层最为剧烈。
(3)实施围栏后,草原植被得到了恢复,降雨不能满足草原植被生长所需的水分,植被消耗了大量的土壤水分,造成土壤水分的亏缺,降低了土壤水分储量。
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