宁夏盐池不同草地类型的土壤水分平衡研究

刘娜娜, 陈惠娟, 孔德杰

(1.宁夏农业勘查设计院, 银川750002; 2.宁夏农林科学院 农业生物技术研究中心, 银川750002;3.西北农林科技大学 农学院, 陕西 杨凌 712100; 4.陕西省循环农业工程技术研究中心, 陕西 杨凌 712100)



宁夏盐池不同草地类型的土壤水分平衡研究

刘娜娜1, 陈惠娟1, 孔德杰2,3,4

(1.宁夏农业勘查设计院, 银川750002; 2.宁夏农林科学院 农业生物技术研究中心, 银川750002;3.西北农林科技大学 农学院, 陕西 杨凌 712100; 4.陕西省循环农业工程技术研究中心, 陕西 杨凌 712100)

以位于农牧交错地带盐池县的6种不同草地类型土壤含水量为研究对象，通过监测各种类型草地0—100 cm土层质量含水量的动态变化情况，运用Surfer制图软件分析牧草生育期土壤水分的空间分布特征；利用土壤水分平衡方程和土壤分层贮水量公式计算不同草地0—100 cm土层总贮水量变化情况，结合试验地生长季降水量变化，分析了不同草地类型土壤贮水量动态变化与蒸散量的变化规律，结果表明：降雨和植被类型是不同类型草地土壤水分动态变化的主要原因，沙丘土壤水分随降雨量变化较为明显；移栽柠条地土层剖面生育期水分变异系数最大，表明干旱时土壤失水较多，降雨充足时蓄水最多。因此应增加沙丘植被覆盖，对柠条、苜蓿、草地应适度进行放牧和刈割，控制植被生长，减少植被蒸腾蒸发，提高土壤水分固持能力，维持土壤水分的可持续发展。

土壤水分; 草地类型; 贮水量; Surfer

在宁夏中部干旱地区，由于降水少、蒸发强烈，环境总体处于水分亏缺状态，降雨量的多少是影响该地区土壤水分和植物生长的主要因素[1]。土壤水分是该地区决定生态系统结构与功能的关键因子[2-4]，不同植物群落土壤含水量的季节动态不同[5]。本地区土壤水分的丰亏变化直接影响着植物的生存与生长状况[6]，王新平等[6]对盐池草原化荒漠带人工固沙植丛区土壤水分动态开展了相关的研究。李学斌等[7]通过调查荒漠草原5种典型植物群落枯落物蓄积量、持水性能、对降雨的截留和对土壤水分蒸发的抑制作用，分析了荒漠草原不同植被类型枯落物的生态水文功能；方楷等[8]研究表明地形对植物的生长动态规律影响很大，生长初期的土壤水分是植物生长的关键影响因子，并且植物生长耗水主要来自60—100 cm土层。何秀珍等[9]开展的荒漠草原区不同类型草地土壤水分特征研究。以上虽然对盐池主要类型草地土壤水分动态、植被对土壤水分的利用层次、土壤水分的消耗状况进行了相关的研究报道。盐池县封山禁牧政策实施后植被状况有了明显改善，但是生长逐渐茂盛的草地消耗了大量的土壤储存水，可能会造成土壤水分的逐渐干化，进而影响植被生长[10]。但是盐池草地类型多样，采用一刀切的封育禁牧措施也是不合适的，目前对多种典型草地类型牧草生育期土壤水分变化的综合比较及土壤水分平衡的研究报道还比较少。因此，对宁夏中部干旱地区典型草地土壤水分时空格局及其动态规律进行系统研究，无疑会对研究地区荒漠化防治、退化生态系统的恢复与重建具有重要意义。

1　材料与方法

1.1研究区概况

盐池县位于宁夏回族自治区东部，北与毛乌素沙漠相连，南靠黄土高原，是典型的农牧交错过渡地带，气候干燥，生态脆弱，常年风沙活动频繁，属于中温带大陆性气候，年平均气温7.7℃，7月平均气温22.5℃，≥10℃积温为2 949℃；年日照时数2 867.9 h，日照率65%；年平均降水量250～350 mm，大部分集中在6—9月，且多暴雨，降水年变率较大，年蒸发量2 136 mm，是降雨量的6～8倍，年无霜期162 d。土壤多为灰钙土，还有大面积的风沙土、黄绵土等土壤类型，土壤质地以砂壤、粉砂壤和砂土为主。主要植被类型主要有灌丛、干草原、荒漠草原、沙地植被等，植物种类包括旱生、强旱生的天然草本和人工种植的甘草、柠条，属于半自然植被景观。

1.2试验设计

在盐池县杨柳堡(37°50′45″N，107°24′04″E)选择移栽柠条地、直播甘草地、天然牧草地，在杨石塘(37°43′53″N，107°15′42″E)选择沙丘上(零星有草)、沙丘下(较少的草)、沙丘旁草地，共6种草地类型，2011年4月15日草地萌发前和2011年11月15日，用烘干法在每月的15号测量不同草地类型100 m深的土壤含水量，每10 cm测量1次。生育期土壤贮存水量变化、土壤水分样本变异系数计算公式如下：

土壤贮水量(mm)=土壤质量含水率(%)×土壤容重(g/cm3)×土层厚度(cm)×10

(1)

土壤水分样本变异系数=土样含水量样本的均方差/土样含水量平均值

(2)

1.3数据处理

试验数据处理采用SPSS 19.0，作图用Excel 2003，Surfer 7.0软件。

2　结果与分析

2.1不同类型草地土壤水分动态变化情况

宁夏盐池干旱风沙区有限的大气降水是荒漠草原水分的直接补给来源，也是无灌溉条件下天然植被得以生存的主要水源之一。由图1可以看出，不同草地类型生育期0—100 cm土壤平均含水量秋季>春季>夏季，分析其原因：2011年4月15日开始测量时，移栽、播种、天然和沙丘上样地的土壤含水量较低，沙丘下和沙丘旁的土壤贮水量比较高，由于5月16日—6月15日的降雨量只有11.8 mm，此刻宁夏中部干旱带处于春末夏初，牧草刚刚萌发，风速较大，空气相对湿度低，土壤水分蒸发较强；7月16日—8月15日的降雨量只有24.1 mm，加之该阶段是牧草生长旺盛时期，对水分的需求非常敏感，加之气温升高，导致的蒸腾蒸发量升高，并且该时期的降雨量较少，只能消耗土壤贮存的水分，8月15日播种甘草处理的土壤贮存水分最低，仅为33.2 mm。从8月16日—10月15日月降雨量较大，土壤开始补充水分，并且土壤含水量逐渐增加，11月15日测得土壤含水量达到最大。草地生育期内移栽柠条地、直播甘草地、天然牧草地对降雨的蓄积能力好于沙丘，不同类型土壤水分含量增加量不同。

图1不同草地类型生育期0-100 cm土壤平均含水量

由图2可以看出，6种草地类型土壤水分含量都是春季较低，秋季最高，移栽柠条地、直播甘草地、天然牧草地牧草生育期土壤水分动态变化较为平缓，沙丘上、沙丘下及沙丘旁草地土壤水分含量随降雨量的变化而变化较为剧烈。分析其原因牧草生育前期由于移栽柠条地、直播甘草地、天然牧草地牧草植被长势较好，干旱地区生长植被根系较发达，消耗了土壤贮存的水分，少量的降雨仅仅湿润土壤表面，并且很容易蒸发，进而导致土壤水分含量较低。而降水进入沙丘后，一部分入渗转化为沙丘水储存在深层沙层中，另一部分以物理蒸发的方式重返大气中，降雨后沙土含水量迅速增加，天晴后又蒸发较快，因此沙丘上水分变化随降雨变化表现较为剧烈。沙丘上、沙丘外和沙丘下因植被蒸腾较小，土壤表面较大的沙粒、孔隙也抑制了深层土壤水分的蒸发，进而在牧草生育前期深层土壤含水量高于移栽、直播和天然草地土壤含水量。

图2不同草地类型生育期土壤水分动态变化情况

由表1可以看出，在不同生育时期6种草地类型0—100 cm土壤贮水量有很大的差异，移栽柠条、播种甘草、天然草地、沙丘上、沙丘下、沙丘旁草地生育期平均贮水量依次为90.5，74.6，82.5，70.9，150.6，200.4 mm，也说明了植被类型和生长状况对土壤贮水量的影响很大。4月份、5月份土壤的贮水量是去年夏秋土壤中雨水储备，由于上一年冬季及本年春季降雨较少，空气相对湿度低，气候干燥，随着温度升高，土壤、牧草生长的蒸腾蒸散量增加，蒸散量大于降雨量，土壤处于失水状态。6月份土壤水分含量最低，7月之后降雨量开始增加，土壤贮水量也随之增加。从8月16日—10月15日月降雨量较大，短期内降雨量大于蒸散量，土壤开始补充水分，并且土壤贮水逐渐增加，11月15日测得土壤贮水量达到最大。草地生育期内移栽柠条地、直播甘草地、天然牧草地对降雨的蓄积能力好于沙丘，牧草生育期内不同类型土壤水分增加量不同，移栽>播种>天然>沙丘下>沙丘上>沙丘旁，其数值依次为113.9，74.4，69.0，62.0，36.9，-6.0 mm。

2.2不同类型样地土壤水分剖面分布特征

土壤水分含量变化主要受降雨、植被状况、气候条件、蒸腾蒸发等因素的影响，除了播种甘草处理外，其他5种土壤类型牧草生育期内土壤含水量都随着土壤深度的增加有不同的增加。移栽、播种、天然、沙丘上、沙丘下、沙丘旁等土壤类型0—50 cm土壤含水量平均依次为4.35%，4.93%，4.47%，3.89%，7.45%，11.83%；50—100 cm土壤含水量平均依次为7.15%，4.53%，6.06%，4.40%，10.34%，13.42%。沙丘旁草地土壤水分含量最高，比其他类型草地有显著提高，沙丘上土壤水分含量最低。土壤含水量变异系数是反映土壤水分变化的重要指标，样本值的均方差越大，变异系数就越大，说明土壤含水量变化就越剧烈，反之土壤含水量变化就越小，6种类型土壤含水量变化系数都是0—10 cm土层最大，也说明了降雨量和土壤植被的蒸腾蒸发对0—10 cm表层土的影响最大，随着土层深度的增加变异系数逐渐减少。移栽、播种、天然、沙丘上、沙丘下、沙丘旁土壤类型0—50 cm土壤含水量变异系数平均依次为0.54，0.54，0.48，0.29，0.26，0.26；50—100 cm土壤含水量变异系数平均依次为0.52，0.61，0.51，0.26，0.18，0.19；从表1可以看出，移栽柠条、播种甘草、天然草地的土壤水分变异系数较大，并且移栽柠条、播种甘草的变异系数大于天然草地的，分析其原因是移栽柠条、播种甘草的植被覆盖度好于天然草地，根系分布也较天然草地深很多，因此干旱时消耗的土壤水分比天然草地多，降雨量多时一部分雨水被截留，土壤表面有枯枝落叶覆盖，增加了水分的入渗，因较大植被覆盖，减少了土壤水分的蒸发，一定程度上抑制了土壤水分的损耗，这也就导致了移栽柠条、播种甘草的土壤水分变异较大，而沙丘上、沙丘下、沙丘旁植被差、沙土颗粒大，对水分的固持力有限，降雨进入土壤后又被很快蒸发，这也是土壤水分变异系数较小的原因。

表1　不同类型样地生育期0-100 cm土壤贮水量动态变化情况　　mm

表2　不同类型样地生育期土层剖面含水量动态变化情况　　%

注：表中字母表示不同类型草地牧草生育期该土层深度土壤含水量的多重比较(大小写字母分别代表0.01极显著和0.05显著水平)，括号内为该土层深度在牧草生育期内土壤含水量的变异系数。

2.3不同类型草地对生育期蒸散量的影响

如图3所示，宁夏盐池春季习惯上为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月。从春到秋相对湿度逐渐增加，而风速逐渐减少，平均空气相对湿度和平均风速数值依次为31.45%，49.17%，71.40%和2.28，1.99，1.42 m/s；气候上给人的感觉是冬季漫长，春季很短，雨热同季，从春到秋降雨量逐渐增加，2011年降雨量较平常年份多，是很少见的丰雨年，从春到秋的平均气温和季度降雨量依次为8.93，22.35，8.69℃和50.4，130.7，217.7 mm。

不同类型草地类型土壤、植被蒸散量等于当月降雨量减去土壤贮水增加量，气温高低、风速大小以及土壤颗粒大小、水分含量高低、降雨和植被蒸腾对宁夏中部干旱带不同时期、不同植被类型土壤蒸散量的影响较大。由表3可以看出，各类型4月16日—11月15日期间的实际蒸散量，呈先增高后降低的趋势，生育期总蒸散量平均为314.9 mm，不同类型牧草生育期期间实际总蒸散量也不相同，大小关系依次是沙丘旁>沙丘下>沙丘上>天然>播种>移栽。其中移栽、播种和天然3种类型生育期总蒸散量平均为279.4 mm，沙丘上、沙丘下、沙丘旁生育期总蒸散量平均为350.4 mm，因此增加沙丘植被覆盖，减少植被、土壤水分蒸腾蒸发，提高土壤水分固持能力，是维持土壤水分健康发展的重要举措。

注：表中数据来源于中国气象科学数据共享服务网。

图32011年盐池县主要气象数据资料

表3　牧草生育期不同草地类型蒸散量　　mm

4月16日—5月15日，各种类型草地平均蒸散量为19.8 mm，各处理大小依次是沙丘上>沙丘旁>天然>沙丘下>播种>移栽，本时期是牧草的萌发期，土壤气温低、贮水量少、植被覆盖度低、需水量少是蒸散量较少的主要原因。6月15日—7月15日气温适宜，是牧草生长旺盛时期，该时期对水分的需求非常敏感，但是降雨量仅为11.8 mm，各种类型草地平均蒸散量为35.4 mm，本时期是土壤失墒期；7月15日—8月15日温度逐渐升高，植被需水量增加，降雨量仅为24.1 mm，土壤平均蒸散量为44.9 mm，此期间只能消耗土壤贮存的水分。8月15日—9月15日降雨量最大，达到了140 mm，牧草生长全年最为茂盛的时期，平均蒸散量达到了62.5 mm，由于降雨对土壤蒸发及植被生长影响有一定滞后性，也导致了9月16日—10月15日蒸散量达到最大值74.5 mm。随后随着温度降低和牧草生长发育停止对水分需求减少及土壤水分含量降低，10月16日—11月15日时期蒸散量为32.7 mm。

3　结论与讨论

土壤水分含量因受降雨量大小、地形坡度、径流运动、土层渗透性、地下水位、气温高低和牧草生长阶段、太阳辐射强度、气流与风力风速等多因素影响制约，导致不同草地类型土壤水分运移与蒸散结果不同。降雨是宁夏中部干旱带农牧交错带土壤水分补给源，不同草地类型土壤水分动态变化随着生育期的延后和降雨量的变化，土壤水分含量也出现波动，胡江波等[10]的研究观点与此相同，但是本研究表明土壤含水量变化相对降雨量变化有一定的滞后性，本试验测得的各种草地类型土壤含水量都是在11月15日最高，主要原因可能是9月份降雨量比往年较大，此时空气相对湿度较大、风速降低、平均温度较低因而导致的蒸腾蒸散量降低而导致土壤含水量增加。

植被类型对荒漠化草原土壤水分含量影响很大，弓成等[5]研究表明不同植物群落在不同时期的土壤含水量各不相同。何秀珍等[9]研究表明：草地表层土壤含水量都在5%～6%，0—40 cm土层变化幅度较大，随着土壤深度增加，含水量增加，在80—100 cm土层水分值最大。本研究表明土壤水分变化特征在时间、空间分布上不同，移栽、播种、天然土壤水分变化较为平缓，但是生育期变异系数较大，说明降雨较少时土壤失水较多，降雨多时对水分的固持力较强；沙丘上、沙丘下、沙丘旁因植被覆盖较少土壤水分变化随着降雨量的变化较为剧烈，降雨入渗深度随降雨量的增加而增大，因此应增加沙丘植被覆盖减少土壤水分蒸发。

围栏封育对盐池草原植被恢复起到了重要的促进作用[11]。2011年盐池牧草生育期降雨量为381.4 mm，是很少有的丰雨年，在此降雨量的前提下，本研究表明：合理的草地植被增加土壤对雨水的蓄积、贮存能力，生育期土壤贮水量增加，但是在干旱的春季、夏初，移栽柠条、直播甘草土壤失墒也是比较厉害的。沙丘地区土壤含水量基本维持平衡，但也是要增加沙丘植被覆盖，减少土壤蒸发。但是在宁夏盐池地区，降雨十分有限，十年九旱，常年都是地表蒸发量大于降雨量，因此植被恢复时应考虑移栽、播种时密度不宜过大，以防止太过茂盛的植被因蒸散消耗了大量的土壤贮存水，造成土壤干化，大片植物因缺水而枯死，土地重新沙化，不利于该地区的生态环境建设[12]。国内一些学者也表示并不是封育年限越长，植被恢复生长效果就越好[13-14]，不同草地类型不应该一刀切地都封育禁牧，沙丘地区应该禁牧，增加植被覆盖，而在天然草场和人工草场，在植被生长茂盛的7月、8月、9月适当刈割和放牧，既能减少牧民养殖成本，增加牧民收入，又能减少植被蒸腾，降低土壤水分的消耗，合理调控牧草植被群落体系，提高草原的利用价值，维持草原的健康可持续发展。

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Soil Moisture Budget in Different Types of Grasslands in Yanchi County of Ningxia Arid Zone

LIU Nana1, CHEN Huijuan1, KONG Dejie2,3,4

(1.NingxiaAgriculturalInstituteofSurveyDesign,Yinchuan750002,China; 2.AgriculturalBiotechnologyCenterofNingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan750002,China;3.CollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 4.ResearchCenterofRecycleAgricultureEngineeringandTechnologyofShaanxiProvince,Yangling,Shaanxi712100,China)

Six types of grasslands in Yanchi County of Ningxia arid zone were chosen as the research sites. Soil moisture monitoring in the depths ranging from 0 cm to 100 cm in 6 types grasslands was carried out, and spatial characteristics of soil moisture was analyzed by Surfer software. The total soil moisture storage of different depth was calculated by soil water balance equation, moreover, the change of soil moisture storage and evapotranspiration were analyzed based on the precipitation in the test plots of different grasslands in growing season. The results showed that rainfall and vegetation types were the main reason for soil moisture dynamic variation in different types in Ningxia farming pastoral zone, soil moisture variation of sand dune is more intense, and the coefficient of variation changed a lot in the field of transplantingCaraganakorshinskii, indicating that soil water loss was the highest in the drought condition, and most moisture was maintained under the rainfall. So we should increase vegetation coverage of sand dune, and perform moderate mowing and grazing of eugenic vegetation in order to reduce vegetation evapotranspiration, and to keep the soil water resources to be long-term stable and sustainable.

soil moisture; grassland types; moisture storage; Surfer

2015-08-23

2015-09-13

宁夏回族自治区科技攻关项目“宁夏中部地区植被恢复与水土资源可持续利用关键技术研究与示范”(KGZ-08-07-09)

刘娜娜(1980—),女,陕西韩城人,硕士,助理工程师,主要从事农业土壤学研究。E-mail:lnne_mail@sina.com.cn

孔德杰(1982—),男,河南淮阳县人,硕士,助理研究员,主要从事农田水土高效利用研究。E-mail:kdj1982@126.com

S152.7

A

1005-3409(2016)01-0023-06