自然及管理因素对伊犁河谷草地土壤水分动态的影响

普颖颖， 张文太， 李 政， 黄国平

(新疆农业大学 草业与环境科学学院， 新疆土壤与植物生态过程自治区级重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

伊犁河谷天然草地面积3.40×106hm2，占河谷土地总面积的60.9%，可利用草地面积3.10×106hm2，是构成伊犁河谷生态环境的重要组成部分[1]。近年来，新疆天然草原草地退化面临严峻形势[2]，伊犁河谷草地退化面积2.20×106hm2，占总面积的64.70%，占可利用面积的71.20%[1]。退化主要表现在毒害草蔓延，植被盖度降低，地上生物现存量减少，草层变矮[3]。草地的严重退化，加剧了土壤侵蚀，使得水土流失状况更为严重[4]。而植草护坡能有效减少堤防土壤流失量[5]，因此，植被的快速重建，显得迫在眉睫。

土壤水分是水资源含量中的重要组成部分之一，也是植物生长的主要影响因子，影响植物的正常生长[6]。土壤水分的变化主要受降水的影响，又是降水、林冠截流、土壤蒸发、地表径流、地下渗漏等多种因素共同影响而达到动态平衡的结果[7-8]。降雨是伊犁地区低山丘陵主要的水分补给，但伊犁低山丘陵地区降雨主要集中在4—8月，且分布不均。加上温度高，土壤蒸发量增大，与植物需水不能达到平衡，因此要通过一些水土保持或者微集雨措施来增加土壤含水量。目前来看，所有水土保持措施都能在不同程度上提高土壤的含水率，深入了解不同水土保持措施含水率的变化规律并选择适当的水土保持措施来提高坡面土壤水分的含量，对于增加土地生产力和作物产量有着重要的意义[9]。垄沟集雨种植系统在田间形成作物水分微环境，使降水通过垄面聚集到沟中作物根部，同时促进降雨的入渗，改善了作物水分供应状况，进而提高作物产量[10-11]。覆盖枯草可以改善土壤结构、减少土壤水分蒸发、强化降水入渗，缩小昼夜温差，减轻土壤流失，抗御土壤风蚀，抑制田间杂草[12]。Atkinson等[13]研究表明打孔有益于提高土壤的物理性状，从而使得水分可以快速渗透土壤，提高土壤含水量。雨水集蓄在时间和空间两个方面实现雨水富集，从而实现对天然降水的调控利用。集雨补灌不仅对植物生长促进作用大，同时，能改良土壤理化性质，促进农业经济结构调整和优化，减轻水旱灾害威胁，实现恢复和改善自然生态与稳定农业生产的有效统一[14]。

表层土壤是整个土壤圈与外界环境的接触面，直接受到外在环境的影响，相对于深层土壤来说，其环境具有太阳辐射强、温度高、蒸发大、风速快以及受人类活动影响显著的特点，从而导致水分含量低、变异性强[15]。本文通过研究表层土壤水分的变化规律，探讨自然及管理因素对表层土壤水分的影响，以期为新疆维吾尔自治区伊犁地区水土保持建设和生态恢复的重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆维吾尔自治区伊犁河北岸、伊犁河谷中部低山丘陵区的伊宁市北山坡九城生态园(81°09′E，48°53′N)。该区域属于温带大陆性干旱气候，气候温暖湿润，四季分明，昼夜温差大，年均气温9.2 ℃，最低温度≤-36 ℃，年均日照时间为3 614 h，年均降水量206～512 mm，并以短时间降雨为主，无霜期178 d。研究区草地类型为温性荒漠草原类，该类型草地面积占伊犁河谷草地总面积3.2%[16]。伊宁市草地总面积占伊犁河谷草地总面积的2.5%，其中可利用草地面积占2.4%，过度放牧过度造成了伊宁市草地严重退化。

1.2 试验设计

试验于2018年5月份开始，以伊犁河谷自然草地坡面为研究对象，进行定位试验。本试验在九城生态园水土保持示范区内选取布设了12个自然降雨径流观测小区，每个小区的长度为10 m，宽度为2 m。依据本研究的需要，分别采取了不同土壤管理措施，表1为小区试验布设详情。为了防止地表径流从试验区域内进出，试验中每个小区都在周围设置了围埂，防止外部径流，另外还在试验区域下部设置修建了集水槽，以承接试验区内流出的泥沙及径流，并利用硬质塑料管道引入集水桶内。

1.3 测定指标及方法

定时随机监测各个处理坡面上、中、下坡的表层0—10 cm土壤含水量，无雨情况下每2 d进行一次监测，有雨情况下雨后进行一次监测，利用美国Spectrum Field Scout TDR100便携式土壤水分速测仪进行测定。试验区设定小型气象站，监测试验期间降雨、气温等气象数据。

表1 伊犁河谷草地小区试验布设

注：①单倍补灌小区的补灌量为小区面积0.5 mm的日降雨量；②双倍小区的补灌量为小区面积1 mm的日降雨量；③有雨情况下不进行补灌，无雨情况下每隔2 d进行1次补灌。

2 结果与分析

2.1 土壤水分的变化特征

表2是不同管理措施下两种土壤类型坡面表层土壤含水量的统计特征值。如表2所示，在灰钙土坡面上，各管理措施表层土壤含水量均值从小到大排列为：枯草覆盖<增渗孔<对照<双倍补灌<单倍补灌<水平沟，各处理间差异性很小，土壤含水量变化最大与最小的管理措施为水平沟、枯草覆盖，变化区间值为12.0%和9.5%。在棕红土坡面上，各管理措施表层土壤含水量均值从小到大排列为：增渗孔<枯草覆盖<对照<水平沟<单倍补灌<双倍补灌，各处理间有一定差异，枯草覆盖和增渗孔处理与其他几组处理有显著性差异。土壤含水量变化最大与最小的管理措施为水平沟、增渗孔，变化区间值为24.3%和12.0%。

变异系数CV的大小反映了土壤水分的变异性大小，一般认为：变异系数CV≤0.1时为弱变异性；0.1

表2 不同管理措施下伊犁河谷草地2种土壤类型坡面表层土壤含水量的统计特征值

注：表中同列不同小写字母表示在5%水平上差异显著。

2.2 自然因素对土壤水分的影响

2.2.1 降雨和气温 本试验于2018年5—9月连续对试验区进行了气象数据的监测(见图1)。新疆降雨等级按日雨量分为4个等级：小雨(0.1～6.0 mm)，中雨(6.1～12.0 mm)，大雨(12.1～24.0 mm)和暴雨(≥24.1 mm)，有效雨日(量)为上面4个等级雨日(量)的总和[18]。

由图1可知，5—9月共计有17场小雨，1场中雨，1场暴雨，其中6月降雨量较多，中雨和暴雨都集中在6月，7—8月都是小雨，9月无降雨。试验区最大降雨量为82.4 mm，出现在6月，此降雨大部分在坡面上产生产流，以地表径流的形式损失掉，小部分入渗到坡面土壤中。最小降雨量为0.2 mm，此降雨大部分入渗到坡面土壤中。

试验区5—9月日平均气温大部分在13～30 ℃之间，波动较大，6—8月中旬气温都比较高，8月下旬—9月气温开始逐渐降低。在降雨过后，气温会出现短暂下降的状态，随着时间推移，气温呈逐渐回升状态。

图1 2018年5-9月伊犁河谷草地日降雨量和气温变化

降雨和温度对土壤水分变化影响巨大，在不同降雨和气温影响下，表层土壤水分的变化不同。0—3 mm的小降雨过后，灰钙土和棕红土坡面各处理表层土壤含水量无明显变化，说明在这种微降雨过后，随着地表温度升高，表层土壤水分迅速蒸发，很快恢复到稳定状态(图2)。

注：a为5.8 mm降雨下灰钙土和棕红土表层土壤含水量时间变化；b为11.2 mm降雨下灰钙土和棕红土表层土壤含水量时间变化；c为82.4 mm降雨下灰钙土和棕红土表层土壤含水量时间变化。

图2 3场降雨下灰钙土和棕红土表层土壤含水量的时间变化

图2主要分析了3场不同降雨量后8 d的表层土壤含水量的变化规律。在3场不同量的降雨下，11.2 mm降雨后表层土壤含水量上升幅度最大(见图2b)，降雨主要入渗到土壤中，其次是82.4 mm降雨(见图2c)，在大暴雨降雨情况下，降雨主要以径流形式流损失。在不同降雨量的情况下，降雨后4 d，表层土壤含水量下降迅速，到第8 d，趋于稳定。

从降雨后8 d气温与表层土壤含水量之间的相关性可以看出气温对表层土壤含水量变化的影响(见图3)。从图3可知在两种土壤类型坡面上，降雨后8 d内表层土壤含水量随气温的升高而减小，两者存在显著的幂函数关系。气温可以解释60%左右表层土壤含水量的变化，表明气温对表层土壤含水量变化有较大影响。

图3 灰钙土和棕红土表层土壤含水量与气温的相关性

2.2.2 坡位 从图4可以看出，在不同管理措施下，灰钙土和棕红土的上坡、中坡、下坡之间的表层土壤含水量无显著性差异(p>0.05)，说明坡位对两种土壤类型坡面表层土壤含水量没有影响。潘占兵等[19]在宁南黄土丘陵区研究发现受降水再分配影响，上、中、下坡0—180 cm平均土壤含水量变化趋势为:下坡>中坡>上坡。苏子龙等[20]在典型黑土区农业小流域研究发现0—100 cm各坡位土壤含水量中，下坡位土壤含水量最大，上坡位次之。同样，田迅等[21]在内蒙古草原研究发现坡底0—50 cm平均土壤含水量大于坡顶。表层土壤含水量的变异性较强，与深层土壤含水量的变化有一定差异，因此不同坡位对不同深度土层土壤含水量的影响不同。

2.2.3 土壤类型 灰钙土是伊犁河谷半荒漠草原带分布最广泛的地带性土壤，约占伊犁河谷总面积的12%[22]。从伊犁河谷西部海拔400 m到东部的1 200 m，大都分布在海拔较高的二、三级阶地及山前洪积—冲积扇。棕红土主要分布在伊宁县的青年农场等地，分布面积较小，易引起洪水灾害。表3是试验区两种土壤类型的土壤理化性质。从两者的土壤机械组成来看，灰钙土的砂粒含量高于棕红土，棕红土的粉粒和黏粒含量以及干容重高于灰钙土，两者都属于粉壤。灰钙土有机质含量高于棕红土，pH值差异不大，而棕红土电导率高于灰钙土。图5显示，各管理措施下棕红土的表层土壤含水量与灰钙土的表层土壤含水量有显著性差异，棕红土表层土壤含水量比灰钙土约高50%左右。一般来说，具有较高持水性的土壤能够贮存较多的水。土壤砂粒含量低时，其持水能力较强，土壤水分的稳定性也高[23]。棕红土砂粒含量较低于灰钙土，因此其持水性较强，表层土壤含水量较高。

图4 伊犁河谷草地不同管理措施对灰钙土(a)和棕红土(b)坡位表层土壤含水量的影响

表3 伊犁河谷草地两种土壤类型的土壤理化性质

母质取样土层/cm有机质/(g·kg-1)土壤颗粒组成0.05～2 mm0.002～0.05 mm<0.002 mm土壤质地干容重/(g·cm-3)pH值电导率/(us·cm-1)灰钙土0—1022.6722.76%74.67%2.57%粉壤1.218.58120.7棕红土0—1017.9120.72%75.96%3.32%粉壤1.478.38473.5

注：图中不同小写字母表示在5%水平上差异显著。

2.3 人为管理因素对土壤水分的影响

2.3.1 草地土壤管理措施 图6为不同土壤管理措施下灰钙土和棕红土坡面表层土壤含水量的变化特征。从图6中可以看出各处理表层土壤的水分变化分为土壤水分补充期和土壤水分消退期。土壤水分补充期是指降雨后，水分进入土壤，土壤含水量迅速增加。土壤消退期是指在降雨后，随着气温的上升，储存在土壤中的水分不断蒸发，土壤含水量迅速降低，很快恢复到原来的稳定状态。

根据土壤含水量的动态变化过程，结合降雨期间的水分蒸发量的季节变化规律，将试验区各处理表层土壤水分变化分为2个阶段。5—6月为表层土壤水分强烈波动期，该期间降雨多且降雨量较大，温度高，土壤水分在降雨后迅速上升。后期随着温度的升高，蒸发加强，土壤水分又呈急剧下降状态。7—9月为表层土壤水分的稳定期，在此期间，气温偏高，降雨量小且降雨次数减少，土壤水分波动较小，处于一个较为稳定的状态。

图6 不同土壤管理措施下灰钙土(a)和棕红土(b)坡面表层土壤含水量的变化

各处理表层土壤含水量在降雨后有所升高，随后逐渐下降并恢复到稳定状态。在降雨过后，灰钙土和棕红土坡面水平沟处理表层土壤含水量上升幅度最大，水平沟可以拦蓄径流，增大土壤含水量；灰钙土坡面枯草覆盖处理表层土壤含水量上升幅度最小，这是由于部分降雨难以浸透枯草覆盖层，补充到土壤中。红棕土坡面上，增渗孔处理表层土壤含水量上升幅度最小，增渗孔促进了棕红土表层土壤含水量的下渗，使其表层土壤含水量大部分入渗到下部土壤中去。

在各处理表层土壤含水量恢复到稳定状态的时间里，两种土壤类型坡面各处理表层土壤含水量下降速度为：水平沟>对照>增渗孔>枯草覆盖。水平沟处理在降雨后的前期表层土壤含水量大，但后期因温度上升较快，表层积水迅速蒸发，含水量急剧下降。增渗孔处理中，大部分降雨渗入深层土壤中，在后期蒸发过程中，水分上移，能够在一定程度上增加表层土壤含水量，使得其土壤含水量在降雨后变化较为缓慢。枯草覆盖处理表层土壤含水量下降速率最慢，恢复到稳定状态的时间最长，说明枯草覆盖可以在一定程度上减缓水分的散失。

2.3.2 集雨补灌 集雨补灌措施可以有效补充土壤水分，是一种雨水高效利用的方式。图7为两种土壤类型坡面上不同补灌措施下，表层土壤含水量的对比分析。由图7可知，不同补灌方式下，表层土壤含水量差异不大，因为温度过高，补灌后，一部分水分流入深层土壤，被植物所吸收利用，另一部分水分迅速蒸发，从而恢复到稳定状态。孙乐凤[24]利用集雨补灌技术对干旱区玉米进行研究发现，集雨补灌可以显著提高深层土壤含水量，同时提高了玉米产量和水分利用效率。后期在进行集雨补灌效果研究时，可以进一步研究深层土壤含水量以及草被的生长状况。

图7 不同集雨补灌措施对灰钙土(a)和棕红土(b)坡面表层土壤含水量的影响

3 讨 论

对于自然因素来说，土壤含水量的变化主要受蒸发和降水等因子制约[25]。降雨可以在8 d内使表层土壤含水量高于平常状态值，这对于补充灌溉具有一定的借鉴意义。本文集雨补灌措施对表层土壤含水量没有太大影响，分析原因可能是由于灌溉的量太小，加上温度高，表层土壤水分很快散失。补充灌溉可以增加土壤含水量，但只有达到一定量时，才能够到达预期效果，促进植物的生长[26-27]。在降雨少的情况下，可以加大补灌量，确定补灌的周期，从而促进草被植物的生长。气温也是影响表层土壤含水量的一个重要因素，有相关研究表明，降雨结束后，土壤水分的再分布主要受土水势控制，随着时间的延长，蒸发作用逐渐占据主导地位[28]。因此，在降雨后及时采取一定的防蒸发措施，可以有效减缓表层土壤含水量的蒸发。

本文研究发现表层土壤含水量的变化除了受降雨和气温主控因子的影响，还受土壤类型因素的影响。其它自然因素，如风速、太阳辐射、植被状况等也会对表层土壤含水量的变化产生一定影响。后期可以对这些因素开展相关研究内容。

由于降雨时间分布不均，伊犁低山区较为干旱，植被生长状况较差，不同的土壤管理措施在一定程度上可以影响该地区的植被重建和生态修复工作。通过对各处理表层土壤含水量的对比分析可知，不同土壤管理措施在降雨后作用明显。水平沟处理在降雨后的表层土壤含水量最大。水平沟措施改变了土壤的水分条件[29]，在降雨补充下水平沟可以集蓄大量雨水，表层土壤含水量大幅度增加。然而枯草覆盖处理的表层土壤含水量增加幅度最小，可能是在降雨时有枯草覆盖的缘故，枯草会吸收水分。但在降雨后表层土壤含水量恢复到稳定状态的一段时间里，枯草覆盖处理下降速率最为缓慢，主要是由于地面的枯草有利于缓和土壤温度，在高温时有隔热保温的作用[30]。单小琴[31]同样也在地表覆盖秸秆并且有效地减弱了0—20 cm土壤含水率的波动幅度。

4 结 论

(1) 降雨和气温对表层土壤含水量影响显著，表层土壤含水量在降雨后显著升高，随着气温上升，又显著降低。

(2) 坡位对草地坡面表层土壤含水量没有显著性影响。

(3) 不同土壤类型的表层土壤含水量不同，棕红土表层土壤含水量要高于灰钙土，持水性较好。

(4) 不同管理措施表层土壤含水量在降雨后有明显差异。降雨使各处理表层土壤含水量增加，由高到低依次为：水平沟>对照>增渗孔>枯草覆盖。降雨结束后表层土壤含水量随时间呈现下降趋势，下降速率由高到低依次为水平沟>对照>增渗孔>枯草覆盖。在降雨后4 d内，表层土壤含水量下降的速率最快，气温上升的速率最慢，在此期间，可以采取相应的管理措施，减缓表层土壤含水量的蒸发。不同集雨补灌方式下表层土壤含水量差异不明显，但集雨补灌措施可在短时内提高表层土壤含水量，调控和再利用地表径流。后续还需要在坡面—沟道系统探讨集雨补灌措施的适用性。