苜蓿深層土壤水分利用與土壤干層水分動(dòng)態(tài)研究

三葉草是優(yōu)良的多年生草本植物。它在世界各地得到廣泛的適應(yīng)性，被稱為“繁殖之王”。紫花苜蓿(以下簡稱苜蓿)在我國種植歷史悠久,對草牧業(yè)的發(fā)展發(fā)揮著重要的作用。隨著退耕還林還草工程及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略的實(shí)施,寧南山區(qū)紫花苜蓿種植面積不斷擴(kuò)大,并已成為農(nóng)民新的收入增長點(diǎn)。苜蓿產(chǎn)草量高,耗水量大,對深層土壤水分利用能力很強(qiáng)。隨著苜蓿生長年限的延長,會導(dǎo)致深層土壤嚴(yán)重干燥化,形成深厚的土壤干層。200cm以下干層一旦形成,即使經(jīng)過多年的自然降水,也不能得到有效恢復(fù)。同時(shí),產(chǎn)草量急劇下降,草地嚴(yán)重退化,不僅難以促進(jìn)畜牧業(yè)的發(fā)展,而且導(dǎo)致土壤水庫調(diào)節(jié)功能減弱甚至喪失,土壤水分生態(tài)環(huán)境惡化。苜蓿形成的土壤干層問題已經(jīng)引起人們足夠的重視[2,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],但是對苜蓿土壤大厚度深層次(700～1000cm)的水文動(dòng)態(tài)進(jìn)行連續(xù)年份的測定和研究甚少。本文結(jié)合苜蓿深層土壤水分的分布和動(dòng)態(tài)變化,對苜蓿地0～1000cm水分剖面分布進(jìn)行了層次劃分,以撂荒地為對照,重點(diǎn)研究苜蓿草地深層水分利用和土壤干層水分動(dòng)態(tài),為寧南山區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和土壤有限水資源的持續(xù)利用提供理論依據(jù)。1學(xué)習(xí)方法1.1半干旱偏旱丘陵區(qū)自然條件的特點(diǎn)試驗(yàn)于2004-03～2005-10在西北農(nóng)林科技大學(xué)寧夏海原(賈塘)寧南旱作農(nóng)業(yè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于東經(jīng)105°82′,北緯36°50′,海拔約1820m,地處黃土高原寧夏南部農(nóng)牧交錯(cuò)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),屬典型的半干旱偏旱丘陵區(qū)。年均太陽總輻射566KJ/cm2,日照時(shí)數(shù)2706h,年均氣溫8.2℃,≥10℃有效積溫2398℃,無霜期146d左右。年均降水量350mm,年內(nèi)降水分布極不平衡,大多集中在5～9月份,約占全年降水量的80%以上。年均蒸發(fā)量為2200mm,為降水量的6.3倍,干燥度2.17。土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黑壚土和黃綿土,質(zhì)地輕壤,pH值為8.23。作物大田和苜蓿土壤凋萎濕度分別為5.90%和3.50%。地下水位較深,難以利用,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水主要來自降水。該區(qū)自然條件惡劣,生態(tài)環(huán)境脆弱,植被稀少,水土流失嚴(yán)重。干旱少雨,風(fēng)大沙多,自然災(zāi)害頻繁,旱、風(fēng)、雹、凍、澇五災(zāi)俱全,尤以旱災(zāi)為重,素有“十年九旱”之稱。1.2土壤含水量和含水率本試驗(yàn)于2004-07-24～25和2005-08-19～20連續(xù)兩年分別對試驗(yàn)區(qū)4、7、12年生苜蓿地0～700cm和3、6、10年生苜蓿地0～1000cm深層土壤水分進(jìn)行了測定。采用以空間分布代替時(shí)間序列的方法研究不同年限苜蓿地土壤水分分布特征和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。兩次測定前的年內(nèi)降水量基本相當(dāng),分別為128.0mm和124.8mm。試驗(yàn)中各生長年限苜蓿均為人工種植,地勢平坦,面積均在666.7m2以上,土壤類型為黃綿土,質(zhì)地輕壤。刈割第一茬的3、4和7年生苜蓿產(chǎn)鮮草量分別約為11000、12000和12250kg/hm2,生長較旺盛,地面覆蓋度較大,6年生苜蓿產(chǎn)鮮草量為21000kg/hm2左右,生長最旺盛,地面覆蓋度最大,10、12年生苜蓿產(chǎn)鮮草量分別為4500kg/hm2和3000kg/hm2,地表裸露現(xiàn)象嚴(yán)重。在苜蓿第1次刈割后測定土壤水分,以常年撂荒地剖面水分為對照。采用常規(guī)土鉆取樣,烘干法測定土壤含水率,用重量含水率(%)表示,取樣間距20cm/層。不同生長年限苜蓿地水分測定各重復(fù)2次,求平均值。2結(jié)果與分析2.1苜蓿地土壤含水率及根系深度隨生長年限的變化根據(jù)兩年各生長年限苜蓿土壤深層水分實(shí)測結(jié)果,對其剖面水分分布特征進(jìn)行分析。隨著苜蓿生長年限的增加,土壤干燥化程度加劇。圖1、2中,2004年測定的4、7和12年生苜蓿0～700cm土層平均含水率分別為5.30%、5.22%和5.01%,其中0～200cm分別為6.77%、7.08%和7.89%,200～700cm分別為4.63%、4.18%和4.15%;2005年測定的3、6和10年生苜蓿地0～800cm平均含水率分別為6.26%、5.60%和5.27%,其中0～200cm分別為6.92%、8.42%和8.02%,200～800cm分別為6.41%、4.57%和4.15%?？梢?0～200cm土層均保持較高的濕度,隨著苜蓿生長年限增加,200～800cm土層范圍干燥化加劇。各苜蓿地水分在土壤垂直剖面上有著基本相似的分布特征,且隨生長年限增加呈有規(guī)律變化。各年生苜蓿地0～100cm表土層由于受降水的直接作用,總體上保持較高的濕度。2004年測定的4、7和12年生苜蓿0～100cm土層平均含水率分別為8.11%、8.04%和8.69%,2005年測定的3、6和10年生苜蓿0～100cm土層平均含水率分別為8.40%、9.10%和7.86%。100～300cm土層水分隨著苜蓿生長年限的增加,有增加趨勢。2004年測定的4、7和12年生苜蓿地該土層平均含水率分別為4.92%、5.26%和5.92%,2005年測定的3、6和10年生苜蓿地該土層平均含水率分別為4.83%、6.43%和6.77%。而300～800cm范圍內(nèi)土壤濕度隨生長年限增加呈干燥化趨勢。2004年測定的4、7和12年生苜蓿地300～700cm土層平均含水率分別為4.83%、4.13%和4.00%,2005年測定的3、6和10年生苜蓿地300～800cm土層含水率分別為6.41%、4.57%和4.15%。800～1000cm土層水分開始下降,但到一定年限后有明顯反彈,2005年測定的3、6和10年生苜蓿地該土層平均含水率分別為14.73%、6.25%和8.09%,6～10年生期間含水率上升了1.84%。從各年生苜蓿地土壤剖面濕度最低點(diǎn)可看出根系深度位置及其隨生長年限的動(dòng)態(tài)變化。圖1、2顯示,2004年的4、7和12年生苜蓿根系深度分別約在420cm、500cm和540cm左右,2005年的3、6和10年生苜蓿根系深度分別約在360cm、580cm和620cm左右。兩年測定結(jié)果均表明,3～12年生苜蓿根系大致分布在360cm～620cm深度范圍,在3年生以后,苜蓿根系已達(dá)300cm以下,對300cm以下土層水分消耗強(qiáng)烈,且隨生長年限增加,不斷下扎延深,反映了根系的向水性。以常年撂荒地土壤剖面同土層水分為對照,可看出各生長年限苜蓿根系的吸水深度。如圖1、2所示,2004年測定的4、7和12年生苜蓿根系耗水深度均超過700cm,2005年3年生苜蓿耗水深度為840cm,6年生超過1000cm,10年生為960cm。以2005年測定的3、6和10年生苜蓿地為例,0～300cm土層濕度均高于撂荒地,其中0～100cm土層濕度高低依次為6年生(9.10%)>3年生(8.40%)>10年生(7.86%)>撂荒地(6.18%),100～300cm土層濕度依次為10年生(6.77%)>6年生(6.43%)>3年生(4.83%)>撂荒地(4.72%),這可能與地面覆蓋度大小和根系耗水深度變化有關(guān);300～800cm土壤濕度均低于撂荒地,高低依次為撂荒地(11.05%)>3年生苜蓿地(6.37%)>6年生苜蓿地(4.55%)>10年生苜蓿地(4.15%),顯示出苜蓿根系對土壤水分的劇烈消耗;800～1000cm土層濕度高低依次為3年生苜蓿地(15.05%)>撂荒地(12.50%)>10年生苜蓿地(8.15%)>6年生苜蓿地(6.29%),說明3年生時(shí)苜蓿根系耗水深度還未達(dá)該層?？梢?各年生苜蓿地300cm以上土層濕度基本上高于對照撂荒地同層濕度,300cm以下土層濕度遠(yuǎn)低于撂荒地。2.2苜蓿地土壤水分水分按4.5和5.4年生時(shí)含水率的變化由連續(xù)兩年對不同生長年限苜蓿土壤水分的實(shí)測結(jié)果顯示,隨著生長年限增加,苜蓿地土壤剖面水分變化遵循一定規(guī)律。各年生苜蓿0～100cm土層經(jīng)雨季降水補(bǔ)充,同時(shí)又受到強(qiáng)烈蒸發(fā),土層濕度保持在7.86%～9.10%之間。苜蓿生長的第3～12年,隨著生長年限增加,對100～300cm層水分消耗逐漸減少。2004年測定的4、7和12年生苜蓿地該土層平均含水率分別為4.92%、5.26%和5.92%,2005年測定的3、6和10年生苜蓿地該土層平均含水率分別為4.83%、6.43%和6.77%。對300cm以下深層土壤水分消耗量增加。2004年測定的4、7和12年生苜蓿地300～700cm土層平均含水率分別為4.83%、4.13%和4.00%,2005年測定的3、6和10年生苜蓿地300～800cm土層含水率分別為6.41%、4.57%和4.15%。與上述苜蓿根系隨生長年限變化的深度大小一致。由于3年生苜蓿地和撂荒地800～1000cm土層濕度分別為14.73%和12.61%,而6年生苜蓿地此層濕度僅6.25%,說明3年生苜蓿還未消耗利用到該土層水分,而6年生時(shí)苜蓿耗水深度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1000cm。結(jié)合田間長勢認(rèn)為,約在6年生,苜蓿進(jìn)入生長旺盛期,土壤水分蒸騰強(qiáng)烈,耗水深度最大,土壤水分嚴(yán)重消耗。在7～12年生期間,由于苜蓿生長衰敗,形成的生物量和苜蓿對水分的耗用量均逐漸減少,在天然降水補(bǔ)充作用下,土壤上層水分有增加趨勢。800～1000cm土層在6年生后得到土壤深層儲水的調(diào)節(jié)作用,濕度有增加現(xiàn)象,由6年生的6.25%上升到10年生的8.09%。這可能由于苜蓿蒸騰拉力作用,在土壤垂直深度方向形成水勢梯度差,1000cm以下未被利用的土壤儲水克服重力勢向上移動(dòng)補(bǔ)償,引起了800～1000cm土層濕度的增加。2.3三葉草地干層特征及土壤剖面水文等級的分類2.3.1苜蓿干層濕度土壤干層是位于降雨入滲補(bǔ)給深度以下,因林草植被過度消耗深層儲水導(dǎo)致土壤水分負(fù)平衡而形成的長期存在的干燥化土層,是黃土高原地區(qū)半干旱和半濕潤環(huán)境條件下出現(xiàn)的一種特殊的水文現(xiàn)象。大多研究者認(rèn)為土壤干層濕度范圍應(yīng)以土壤穩(wěn)定濕度為上限,穩(wěn)定萎蔫系數(shù)為下限。土壤穩(wěn)定濕度是指在黃土高原干旱氣候、土壤質(zhì)地、自然植被等因素作用下,通常旱地土壤能夠長期維持的土壤濕度,其值約為田間持水量的50%～75%。楊文治認(rèn)為,土壤穩(wěn)定濕度可根據(jù)無雨或少雨的干旱季節(jié)測得的土壤濕度系列加以判斷,其值為表現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢的深層土壤濕度,此時(shí)懸浮水在蒸發(fā)過程中失去了連續(xù)性并停止向蒸發(fā)面運(yùn)移。而常年撂荒地土壤剖面440～560cm土層水分分布就具有此特征,盡管裸露土壤的水分在源源不斷地被蒸發(fā),向地面運(yùn)移而散失,但是該層含水率穩(wěn)定在9.17～9.99%之間,平均9.58%,以此為拐點(diǎn),其下層濕度呈直線增加趨勢。因此本試驗(yàn)區(qū)土壤穩(wěn)定濕度為9.58%。由于2004～2005年實(shí)測苜蓿土壤穩(wěn)定凋萎濕度為3.50%,土壤干層濕度應(yīng)在3.50%～9.58%含水率范圍。由圖1、2所示,苜蓿土壤干層范圍為3.50%最低濕度線到9.58%土壤穩(wěn)定濕度線之間的部分。2004年測定的4、7和12年生苜蓿干層在土壤中的分布深度均可達(dá)700cm以下,2005年測定的3、10年生苜蓿的干層分布深度分別達(dá)720cm和940cm,6年生苜蓿干層深度度可達(dá)1000cm以下。隨生長年限的延長,苜蓿土壤0～800cm干層濕度一直減小,厚度先增加后減小。2.3.2苜蓿地土壤水分含量與生長年限的關(guān)系綜合兩年苜蓿土壤剖面的水分分布特征及其隨生長年限的動(dòng)態(tài)變化,可將苜蓿草地0～1000cm剖面劃分為4個(gè)層次:降水蒸發(fā)易變層(0～100cm)、降水繼續(xù)擴(kuò)散層(100～300cm)、根系耗水干燥層(300～800cm)和深層儲水調(diào)節(jié)層(800～1000cm以下)。以上各層次均可劃入干層范圍,不同層次的水分動(dòng)態(tài)如圖3、4所示。降水蒸發(fā)易變層(0～100cm):各年生苜蓿地0～100cm土層水分在生長季內(nèi)變化較大,隨降水和蒸發(fā)出現(xiàn)明顯的干濕波動(dòng),相對保持較高的濕度,兩年測定的含水率在7.86%～9.10%。同時(shí)易受外界氣候因素的直接影響,濕度高低與苜蓿生長年限不相關(guān)。2004和2005年測定前該土層受到較相等的降水和同樣氣候環(huán)境下的蒸發(fā)影響,所以測定時(shí)的土壤濕度變化不大,保持在8.00%左右。各年生苜蓿地0～100cm土層平均含水率都高于對照的常年撂荒地(6.18%),可見地面有苜蓿植被覆蓋可有效抑制水分蒸發(fā),與有關(guān)結(jié)論一致。降水繼續(xù)擴(kuò)散層(100～300cm):各年生苜蓿地100～300cm土層含水率均隨苜蓿生長年限的增加而增加。其中100～200cm在苜蓿3～4年生后濕度高于大田凋萎濕度5.90%,2004年的4、7、12年生苜蓿該層濕度分別為5.44%、6.12%和7.10%,2005年的3、6、10年生苜蓿該層濕度分別為5.44%、7.73%和8.18%;而200～300cm土層濕度雖有增加現(xiàn)象但仍都低于大田凋萎濕度5.90%。2004年測定的4、7和12年生苜蓿200～300cm土層平均含水率分別為4.39%、4.40%和4.74%;2005年測定的3、6和10年生苜蓿地該土層平均含水率分別為4.21%、5.13%和5.36%。只有在豐水年的雨季遇較大而持續(xù)的降水后才有可能恢復(fù)到穩(wěn)定濕度以上,使干層得到消除。然而在寧南山區(qū)這種降水機(jī)率極為罕見。對照撂荒地100～200cm和200～300cm土層平均含水率分別為4.30%和5.14%?？梢?各年生苜蓿地100～200cm土層濕度均高于對照的常年撂荒地同層濕度,進(jìn)一步說明地面植被的抑制蒸發(fā)作用;各年生苜蓿地200～300cm土層濕度除10年生苜蓿地外,均低于對照撂荒地,說明苜蓿對此層土壤水分的消耗量大于降水入滲的補(bǔ)充量?？偟膩碚f,隨著苜蓿生長年限增加,降水繼續(xù)擴(kuò)散層(100～300cm)濕度有上升趨勢?？赡茈S著苜蓿生長年限增加,形成生物量減小,對土壤耗水量減少,0～100cm土層未能完全利用的水分或非生長季的少許降水繼續(xù)下滲到120～300cm土層,引起濕度稍有上升。根系耗水干燥層(300～800cm):土壤剖面含水率最低點(diǎn)為苜蓿生長的強(qiáng)耗水深度,反映苜蓿根系的位置。各年生苜蓿的強(qiáng)耗水深度均在300～800cm范圍內(nèi),且逐年加深。2004年測定的4、7、12年生苜蓿強(qiáng)耗水深度分別在420cm、500cm和540cm,各深度對應(yīng)的最低含水率分別為3.77%、3.50%和3.57%;2005年測定的3、6、10年生苜蓿強(qiáng)耗水深度分別在360cm、460cm和620cm處,對應(yīng)的最低含水率分別為3.56%、3.82%、3.52%,最低濕度都趨向于3.50%。隨生長年限的增加,苜蓿對該層土壤水分的消耗由淺層向深層延伸,呈干燥化趨勢。2004年測定的4、7和12年生苜蓿地300～700cm土層平均含水率分別為4.83%、4.13%和4.00%,2005年測定的3、6和10年生苜蓿地300～800cm土層含水率分別為6.41%、4.57%和4.15%,苜蓿對該層土壤水分的消耗強(qiáng)度也表現(xiàn)為先強(qiáng)后弱。根系耗水干燥層(300～800cm)由于降水無法入滲,只存在苜蓿的蒸騰耗水作用,隨苜蓿生長年限的增加,干燥化程度不斷加劇。所以,該層土壤一旦形成干層,將成為永久性干層。深層儲水調(diào)節(jié)層(800～1000cm):苜蓿生長到一定年限,800～1000cm深層土壤濕度有反彈現(xiàn)象。根據(jù)圖2的土壤水分分布趨勢反映,苜蓿在3～6年生期間800～1000cm深層土壤濕度由14.73%下降到6.25%,10年生增加到8.09%,基本回升到降水蒸發(fā)易變層(0～100cm)含水率水平,其中900～1000cm土層濕度為9.65%,已經(jīng)恢復(fù)到土壤穩(wěn)定濕度9.58%以上。說明深層儲水調(diào)節(jié)層形成的干層在苜蓿生長發(fā)生衰退后,通過土壤深層儲水的補(bǔ)充,可上升到穩(wěn)定濕度之上,達(dá)到對干層的緩解與消除。然而,在重力作用下,這種土壤毛管上升水向上運(yùn)移補(bǔ)充的高度是有限的。從苜蓿土壤剖面水分的垂直分布看,降水蒸發(fā)易變層(0～100cm)濕度最高,2004年和2005年測定的各年生苜蓿該土層平均含水率分別為8.28%和8.45%;深層儲水調(diào)節(jié)層(800～1000cm)較高,2005年平均含水率為7.17%;降水繼續(xù)擴(kuò)散層(100～300cm)次之,平均含水率分別為5.37%和6.01%;根系耗水干燥層(300～800cm)最低,2005年各年生苜蓿該層平均含水率僅為5.04%。其中300～700cm土層平均含水率2004年和2005年分別為4.25%和4.59%。3苜蓿地土壤水分變化特征(1)隨著苜蓿生長年限的增加,土壤總體上干燥化程度加劇。2004年測定的4、7和12年生苜蓿0～700cm土壤平均含水率分別為5.30%、5.22%和5.01%,2005年測定的3、6和10年生苜蓿地0～800cm土壤平均含水率分別為6.26%、5.60%和5.27%。(2)不同土層濕度變化趨勢不同。3年生以后,苜蓿根系已達(dá)300cm以下,隨生長年限增加,對300～800cm土層范圍水分消耗強(qiáng)烈,4～12年生苜蓿地300～800cm土層濕度均在5%以下;而對300cm以上土層水分消耗減緩,其中0～100cm土層濕度受降水、蒸發(fā)和苜蓿田間覆蓋度的影響較大,保持相對較高濕度,100～300cm土層濕度隨生長年限延長,濕度均有所增加,(3)根據(jù)多年生苜蓿土壤水分分布特征和動(dòng)態(tài)變化,將其剖面劃分為4個(gè)層次:降水蒸發(fā)易變層(0～100cm)、降水繼續(xù)擴(kuò)散層(100～300cm)、根系耗水干燥層(300～800cm)和深層儲水調(diào)節(jié)層(800～1000cm以下)。(4)苜蓿在6年生前,根系耗水深度和干層厚度逐年迅速增加,土壤干燥化加劇;約在6年生,進(jìn)入生長旺盛期,土壤水分蒸騰強(qiáng)烈,耗水深度和干層厚度均最大,超過1000cm,0～1000cm平均含水率僅5.73%;7～12年生,苜蓿生長衰退,耗水深度和干層厚度有所減小,但300cm以下土層干燥化仍在加劇,300～700cm干層含水率僅維持在4%左右的水平,800～1000cm土層受深層儲水的補(bǔ)充,濕度有回升現(xiàn)象。在降水補(bǔ)充作用下,300cm以上土層濕度隨生長年限增加而增加。4討論4.1不同生長年限苜蓿地土壤剖面水分分布特征韓仕峰將黃土區(qū)0～800cm土壤水分分布特征劃分為速變層(0～20cm)、活躍層(20～100cm)、次活動(dòng)層(100～200cm)和相對穩(wěn)定層(200～800cm以下)4個(gè)層次,杜世平將寧南紫花苜蓿地0～300m土層土壤水分垂直分布劃分為3個(gè)層次:活躍層(0～70cm)、次活躍層(70～150cm)、相對穩(wěn)定層(150～300cm)。本試驗(yàn)在以上研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)兩年測定的6種不同生長年限苜蓿地土壤剖面水分分布特征和動(dòng)態(tài)規(guī)律,將其分為4個(gè)層次:降水蒸發(fā)易變層(0～100cm)、降水繼續(xù)擴(kuò)散層(100～300cm)、根系耗水干燥層(300～800cm)和深層儲水調(diào)節(jié)層(800～1000cm以下)。苜蓿吸水深度超過1000cm,降水入滲深度在100cm左右,與有關(guān)研究的結(jié)論基本一致。由于同時(shí)又受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)損失,所以把0～100cm層稱為“降水蒸發(fā)易變層”。100～300cm土層水分隨生長年限增加而稍有增加,可能由于在苜蓿非生長季或7～9月雨季未被苜蓿完全利用的降水下滲所致。而且,在苜蓿3年生以后,根系吸水層主要集中在300cm以下,對300cm以上水分利用量相對減少,當(dāng)苜蓿進(jìn)入衰退期,形成生物量減小,耗水量減少,加上降水的補(bǔ)充作用,使得100～300cm土層濕度增加,所以稱為“降水繼續(xù)擴(kuò)散層”。3～12年生苜蓿根系基本分布在300cm以下,苜蓿耗水深度與根系分布關(guān)系密切,隨生長年限增加根系下扎深度加深,導(dǎo)致300～800cm土層干燥化加劇,所以把該層稱“根系耗水干燥層”。6～10年生期間800～1000cm土層水分有回升現(xiàn)象,所以把該層稱之為深層儲水調(diào)節(jié)層(800～1000cm)。這兩層水分變化特點(diǎn)均與程積民在寧南苜蓿地的深層水分測定結(jié)果一致。4.2土壤水分?jǐn)U散規(guī)律不同層次土壤干層深度水分的增加,主要還是要通過合理利用有限的降水