白羊草与达乌里胡枝子混播草地不同降雨年份土壤水分利用状况

舒佳礼，王 京，高志娟，陈 吉，丁文利，徐炳成，2

（1.西北农林科技大学 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；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，陕西 杨凌712100）

半干旱黄土丘陵区是黄土高原生态最为脆弱的地区之一，水分是限制该区植物生长、分布和植被恢复最主要的制约因子［1］。多年的研究表明，通过植树种草恢复植被是该区防治水土流失，改善生态环境最有效的措施。作为植被建设的重要组成部分，人工草地不仅具有良好的生态效益，也是该区发展草地畜牧业的重要物质基础。在长期的草地建设过程中，由于过度追求高生物量和不合理的草种配置等，人工草地常因土壤水分过耗出现土壤旱化、早衰等为主要特征的退化现象［2－5］。因此，为保证人工草地建设和土壤水分利用的可持续性，正确选择植被类型、适度发展草地生产力以高效利用有限降雨，就显得尤为重要［6］。

豆禾牧草混播后因豆科植物具有生物固氮作用，能够改善草地土壤质量和提高土壤肥力，并提高饲草产量和饲草品质以及水分利用效率［6－8］等，使其成为旱区建设人工草地的首选类型［9］。但在建立豆禾混播草地时，仍需要考虑豆禾牧草的高产性与稳定性、二者间的互利关系等因素［10］。与外来引进种相比，地带性乡土草优势种由于经历长期自然选择，具有良好的区域环境生态适应性与种间兼容性，加强对其生产力与生态适应性研究，对种质资源保护和合理开发利用具有重要意义［11］。在黄土高原半干旱地区，土壤水分条件的优劣是植物生产力高低的重要标志，由于植物吸收和利用的土壤水分主要来源于天然降水，因此提高混播草地生产力需要考虑植物本身适应性特征和土壤水分条件［12－13］。通过比较不同水文年（丰水年、平水年、干旱年）豆禾牧草混播草地的土壤水分利用特征与差异，对控制草地密度和生产力、提高水资源利用效率、优化草种配置等具有重要意义［14］。

白羊草（Bothriochloa ischaemum）和达乌里胡枝子（Leapedeza davurica）为黄土丘陵区较常见的两种优良乡土牧草，前者为多年生禾本科植物，后者为多年生豆科草本状半灌木，均具有耐旱、耐践踏、固土保水能力强等特性，在维持区域生态景观和水土保持中发挥着重要作用。本研究主要从不同降雨年份出发，比较白羊草与达乌里胡枝子不同混播比例下的土壤水分特征，以期为寻求二者合理混播组合比例以及该区人工草地建设中乡土草种合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于陕西省安塞县中国科学院安塞水土保持综合试验站，地理位置为109°19′23″E，36°51′31″N，海拔为1 068～1 309m。气候属暖温带半干旱气候，年均温为8.8℃，最冷月1月平均温度－6.9℃，最热月7月平均温度22.6℃，全年≥10℃积温3 113.9℃，无霜期159d。年平均降雨量540mm，季节分布不均，其中生长季4—10月占90%左右，干燥度1.14，主要土壤类型为黄绵土。植被属暖温带半干旱森林草原区，天然植被中以中旱生草本植物群落占绝对优势，其中分布较广的植物有铁杆蒿（Artemisia sacrorum）、达乌里胡枝子、白羊草、长芒草（Stipa bungeana）、茭蒿（Artemisia giraldii）等。人工植被以紫花苜蓿（Medicago sativa）、沙打旺（Astragalus Laxmannii）、柠 条 （Caragana korshinskii）、油 松（Pinus tabulaeformis）等为主，其中沙打旺和苜蓿为当地人工草地建设的主要种。

1.2 试验材料与设计

试验材料为白羊草和达乌里胡枝子，种子采自该区天然草地群落。试验地位于山地梯田，于2009年7月15日建立。白羊草和达乌里胡枝子混播草地采用条播播种，播种量均为15kg／hm2，行距20cm，东西走向。混播草地采用生态替代法设计，即保持种群总行数不变而改变组成物种行比，按照白羊草（B）和达乌里胡枝子（D）行比共设置了7种组合比例组合（B0D10，B2D8，B4D6，B5D5，B6D4，B8D2，B10D0，即白羊草与达乌里胡枝子混合比例分别为0∶10，2∶8，4∶6，5∶5，6∶4，8∶2，10∶0），每种比例重复3次，共21个小区，小区面积为3m×3m，完全随机区组排列。于2010年4月在每小区几何中心处埋设土壤水分监测中子管，深度380cm。试验期间不施肥，不灌溉，在生长季内每月中旬适时清除杂草，每年年底生育期结束时全部齐地刈割。

1.3 测定项目及方法

土壤体积含水量：采用中子仪（CNC503B，北京核业超能科技有限公司）测定。其中0—200cm每10cm测定1次，200—380cm每20cm测定1次。从4月返青期至10月枯黄期每月中旬连续监测，根据中子仪测量值换算成体积含水量。土壤储水量公式为［3］：

式中：W——土壤储水量（mm）；VSWC——每层土壤体积含水量（%）；H——土层厚度（cm）；i——土层序数；n——土层总数。本试验中n＝29，土层深度 H1－20为10cm，H21－29为20cm。

由于试验在山地梯田，草地阶段耗水量采用简化公式计算［15］：

式中：ET——蒸散量（mm）；Wi——生育初期土壤储水量（mm）；Wi＋1——生育末期土壤储水量（mm）；R——降水量（mm）。降雨数据由安塞站山地气象观测场测得。

草地生物量：采用刈割收获法测定，于生长季末在每个小区随机选取0.5m样草带，刈割称取鲜重后于105℃杀青5min，80℃烘干至恒重。根据各小区中两草种组合比例折算单位面积白羊草和达乌里胡枝子总生物量。各草地小区水分利用效率为地上生物量与年度耗水量之比。

1.4 数据统计与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2007软件进行处理，不同组合比例间和年、季间土壤含水量、耗水量、地上部分生物量以及水分利用效率等差异显著性采用 ANOVA分析（SPSS 11.0，p＝0.05）。

2 结果与分析

2.1 生长季降雨量

研究区多年平均降雨量为528.3mm（1971—2004年），其中作物生长季4—10月降雨量呈单峰曲线，峰值在8月，降雨主要集中在7—9月，占全年的60.1%（图1）。本试验期间，2011年降雨量为663.4mm，高出多年平均25.6%，为典型丰水年，其中4—10月降雨579.4mm。2012年总降雨量458.2mm，比多年平均少13.3%，为偏旱年份，4—10月降雨为442.8mm。2011和2012年7—9月降雨量分别为431.0和303.4mm，占全年总降雨量的65.0%和66.2%，均高于多年平均值（图1）。

图1 2011－2012年生育期降雨量月分布

2.2 土壤水分

2.2.1 土壤储水量月动态 2011和2012年的4—6月，各组合比例草地0—380cm土壤储水量变化趋势相同，均表现为土壤储水量随时间持续下降。在7—10月，2011年各组合比例草地土壤储水量整体呈持续增加，平均每月增加为24.6±1.7mm；2012年7—9月土壤储水量月增加6.0±1.8mm，10月略微减少（图2）。2011年，B8D2比例下土壤储水量始终最低，B6D4和B10D0比例显著最高（p＜0.05），4—10月平均土壤储水量高低顺序为：B10D0（478.6mm）＞B6D4（474.6mm）＞B5D5（465.6mm）＞B4D6（452.3mm）＞B2D8（450.8mm）＞B0D10（450.6mm）＞B8D2（444.1mm）。2012年，土壤储水量最低的比例仍为B8D2（493.7mm），最高仍为B6D4（531.9mm）和B10D0（529.6mm）。

图2 2011和2012年土壤储水量月动态

2.2.2 土壤含水量剖面分布 除0—20cm土层外，2011年10月生育期结束时各层土壤含水量较生育初期（4月）均显著提高，而2012年整体较低（图3）。2011年，各组合比例草地生育期前后平均土壤体积含水量变化趋势基本相同，均表现为土壤表层（0—10cm）及下层（260—380cm）无明显变化，20—260cm土层土壤体积含水量在10月显著高于4月，该层生育期内（4—10月）降雨补充量占0—380cm土层总补充量的95.1%～99.4%。2012年各组合比例草地生育期前后0—20cm土层土壤体积含水量无明显变化，20cm以下普遍降低，但不同比例下变化土层不同，其中B0D10，B2D8，B4D6和B5D5比例下土壤含水量明显降低的土层为30—70和150—360cm；B6D4比例下仅240cm以下土层明显减少；B8D2比例下整体减少，幅度最大土层为160—360cm；B10D0土壤含水量生育期前后无明显变化。

2.2.3 土壤水分消耗与补偿 2011—2012年生长季期间，各组合比例草地均在8月达到土壤水分最大利用深度（表1）。与2012年同期相比，2011年土壤水分最大利用深度较浅，土壤水分降低量较小（5月除外）。2011年B0D10，B2D8和B8D2组合比例下土壤水分最大利用深度至170—180cm，B4D6，B6D4和B10D0比例下最大利用深度较浅，约为150cm。2011年5—8月，各组合比例土壤储水量降低量大小顺序为：B2D8（52.0mm）＞B0D10（50.7mm）＞B8D2（50.6mm）＞B5D5（48.5mm）＞B4D6（47.3mm）＞B6D4（44.8mm）＞B10D0（42.3mm）。2012年，B0D10和B8D2比例下最大利用深度分别为220和240cm，B6D4和B10D0均为170cm，其他比例均为190cm。2012年5—8月各比例土壤储水量降低量大小顺序为：B8D2（80.4mm）＞B2D8（72.7mm）＞B0D10（69.4mm）＞B5D5（63.4mm）＞B4D6（58.9mm）＞B10D0（58.0mm）＞B6D4（48.2mm）。

图3 2011和2012年生长季初期与末期土壤体积含水量剖面分布

表1 2011和2012年各组合比例草地土壤含水量降低土层与土壤储水量降低量

2011—2012年，各组合比例草地的土壤水分均在7月开始得到补偿（图2），补偿深度在10月达到最大值，但补偿深度及土壤水分增加量因比例不同存在差异（表2）。2011年，各组合比例草地土壤水分最大补偿深度顺序为：B8D2（320cm）＞B0D10（300cm）＞B2D8（280cm）＞B6D4（280cm）＞B4D6（270cm）＞B5D5（260cm）＞B10D0（260cm），其中B6D4在7和8月土壤水分增加量显著最高，补偿层次分别为0—70和0—110cm，而B8D2在9和10月增加量显著最高，补偿层次分别为80—180和140—320cm。2012年，以B8D2和B6D4比例下土壤水分补偿深度最大，分别至240和260cm，其他比例间差异不明显。

表2 2011和2012年各组合比例草地土壤含水量增加土层与土壤储水量增加量

2.3 水分利用效率

2011—2012年，除B0D10和B2D8比例间草地地上生物量相对较小且随年份变化出现显著差异外，其他比例下草地地上生物量年份间无显著性差异（表3）。草地耗水量总体以2011年显著高于2012年，但水分利用效率相反。2a间，水分利用效率较高的比例均为B6D4，B8D2和B10D0，较低的比例均为B2D8和B0D10。整体而言，B6D4和B8D2比例具有高生物量、高耗水量以及高水分利用效率（表3）。

表3 2011和2012年不同组合比例下草地地上部生物量、耗水量与水分利用效率

3 结论

在半干旱黄土高原地区，土壤水分主要受降雨、土壤蒸发和植物蒸腾等因素影响，表现出较明显的季节动态和年份差异［16－17］。大气降水作为土壤水分的主要来源，直接影响土壤水分含量的高低和时空变化特征［18］。2011与2012年由于降雨季节性分布的差异，造成植被同一生育期的耗水量存在明显差异：2011年植被各生育期耗水呈单峰曲线，耗水高峰出现在8月，而2012年植被耗水曲线呈“M”型，耗水高峰在7和9月出现，趋势与降雨分布基本相同（图1），即植被生育期耗水量与同期降水量呈显著正相关［15］。在降雨、土壤蒸发和植物蒸腾等因素的综合影响下，各组合比例土壤水分季节动态可分为水分相对稳定期（4—5月），水分消耗期（5—6月）和水分补给和波动期（7—10月）。这种变化是2011—2012年降雨量与季节分配差异以及两混播草地植物的生长节律的结果：在降雨相对较少的4—6月，随着植物返青后快速生长、耗水量增大，气温上升导致地表蒸发增加等，使得该阶段土壤储水量呈缓慢降低；在降雨集中的7—9月，虽然植物均处生长旺期，耗水量大，但各比例下草地土壤水分均得到不同程度补充。在降水较丰富的2011年，各组合比例草地雨季期间土壤水分都以补充为主，其中以B8D2和B0D10补充深度最大；在降雨较少的2012年，各组合比例草地的土壤水分也得到一定补充，但总体仍低于生育期开始时土壤储水量。

在不同降水年型下，土壤水分能否得到补给以及补给程度取决于年降水量的大小和分布，其中雨季是半干旱地区土壤水分的主要补给期，但降水入渗深度一般不超过300cm［13］。2011年，各组合比例下生育期末各比例20—260cm土壤水分补偿量占0—380cm总补偿量的95%以上，因此雨季富余水分主要下渗补充到20—260cm土层，各比例间土壤水分的差异低于2012年，出现一致性的变化趋势，主要是由于充沛的降雨补偿减小了土壤水分的空间变异［19］。

植物对土壤水分的利用深度往往与其根系的分布深度相一致［4－5］。在混播草地群落中，土壤含水量剖面分布与混播植物的水分生理生态特征及根系分布密切相关［20］。有研究表明，在豆禾混播体系中，豆科植物通过生物固氮可促进禾本科植物根系生长，加之相互间的竞争等会扩大根系利用水分的空间，促进植物对下层土壤水分的利用［21］。白羊草为C4须根系禾本科植物，其根系主要分布在0—30cm［22］；达乌里胡枝子为C3直根系豆科植物，根系可达140cm［23］。在相同生长环境条件下，白羊草的水分利用效率要高于达乌里胡枝子［24］。本试验结果显示，单播白羊草（B10D0）土壤储水量显著高于单播达乌里胡枝子（即B0D10）。各混播比例中随着达乌里胡枝子比例的增加，土壤耗水深度和耗水量增加，这与达乌里胡枝子根系分布深度和耗水量大有关。除B8D2土壤储水量相对较低外（图2），其他各混播群落均表现为白羊草所占比例越大其土壤储水量越高。

王淑芬等［25］比较研究不同降水年型冬小麦水分利用效率得出，丰水年里随着耗水量增加，水分利用效率反而下降。本研究中，各组合比例2012年的水分利用效率均要显著性高于2011年，这主要由于2011年耗水量显著较高，而生物量与2012年无显著差异有关。2a内白羊草所占比例较高的混播草地水分利用效率较高。前期的研究表明，盆栽条件下白羊草和达乌里胡枝子虽然表现出激烈的种间竞争，但二者混播仍有明显的互补效应，其中白羊草与达乌里胡枝子在10∶2混播下具有显著最高的生物量和水分利用效率［26］。自然条件下对混播草地中白羊草光合日变化测定发现，B6D4与B8D2比例下其光合速率和叶片水分利用效率相对较高［27］。本研究结果表明，白羊草与达乌里胡枝子混播草地土壤水分消耗和补充与混播比例密切相关，但主要受年度降雨量及其季节分配的影响。不同降雨量年份里，白羊草和达乌里胡枝子在B6D4与B8D2两混播比例下的地上生物量和水分利用效率均显著较高。

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