寧南黃土區不同年限撂荒梯田土壤水文物理特征

王月玲 馬璠 許浩 萬海霞 董立國 韓新生 郭永忠 蔡進軍

摘要：以寧南黃土區5個不同年限的撂荒梯田為研究對象，采用時空互代法研究撂荒地在植被恢復過程中土壤水分、土壤容重等物理特征的動態變化。結果表明：（1）通過對2016—2017年降水數據和多年平均降水數據進行分析可以看出，降水主要集中在植物生長旺季6—8月，且降水的季節分配極為不均，2017年全年降水的峰值出現在8月;（2）撂荒地土壤含水量季節變化趨勢總體表現為8月>9月>5月>6月>7月，土壤含水量的季節變化與降水量的變化大體一致;在垂直剖面上，隨著土層深度的加深，土壤含水量呈現增加的趨勢;隨著撂荒年限的延長，0～100 cm土層土壤水分含量的變化規律不是很明顯，總體呈現波動變化趨勢;（3）梯田撂荒后，隨著撂荒年限的增加，土壤容重總體呈減少趨勢，土壤孔隙度、土壤飽和持水量和毛管持水量總體呈升高趨勢。說明梯田在撂荒演替的過程中，土壤結構可得到一定程度的改善，結果可為該區域撂荒地植被的恢復提供一定的參考價值。

關鍵詞：寧南黃土區;撂荒梯田;土壤水分;土壤容重;總孔隙度;毛管持水量

中圖分類號： S157文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）21-0293-05

收稿日期：2018-09-25

基金項目：國家重點研發計劃重點專項（編號：2016YFC0501702）;“十二五”國家科技支撐計劃（編號：2015BAC01B01）;國家自然科學基金（編號：41561058、31660375）;寧夏自治區全產業鏈創新示范項目（編號：QCYL-2018-12）;寧夏自然科學基金（編號：2019AAC03289）;寧夏農林科學院科技創新先導資金項目（編號：NKYJ-17-11）。

作者簡介：王月玲（1980—），女，寧夏固原人，碩士，副研究員，主要從事黃土高原水土保持與生態環境建設方面的研究。Tel：（0951）6886842;E-mail：wylnxnky@163.com。

生態環境建設的成效在很大程度上取決于生態系統恢復重建過程中土壤質量的演化及環境效應。黃土高原生態環境建設和農業可持續發展的關鍵在于解決好水土資源保護和合理利用問題[1]，水資源缺乏是制約黃土高原生態環境建設的主要因子[2]。寧南黃土丘陵區地處黃土高原腹地，由于氣候干旱，降水稀少，蒸發量遠大于降水量，地下水埋藏很深，土壤水分經常處于虧缺狀態，生態環境極為脆弱，生態系統逐漸退化，水資源成為決定該區域生態系統結構和功能的關鍵因子，而土壤水分狀況決定著生態建設中植被的類型和結構，是植物生長和恢復的主要影響因素[3-5]。因此，寧南黃土丘陵區土壤水分動態研究，一直是該區土壤水分利用及環境治理研究中具有重要理論和實踐意義的課題。降水是寧南黃土丘陵區土壤水分的唯一來源，降水在季節分配上的顯著差異使得土壤水分含量與季節降水量的變化緊密相關，雨季土壤侵蝕和旱季干旱缺水成為黃土丘陵區綜合治理中的主要問題[6]。土壤容重是土壤物理性質中隨著撂荒演替年限的變化較為敏感的指標之一[7]。土壤物理性質如容重、有效水分含量等是土壤質量評價的重要指標，它們通過對土壤濕度、溫度、通氣性、土壤化學反應甚至有機質積累的作用，顯著地影響著植被的生長和分布，進而影響群落的演替[8]。

土壤水分是黃土高原植物生長發育的主要限制因子，具有高度的時空變異性，許多學者從不同方面對黃土高原土壤水分的時空分異特征進行了大量研究[9-14]，但是對寧南黃土丘陵區棄耕撂荒梯田演替過程中土壤水分物理特征的研究鮮有報道。近年來，隨著我國城鄉一體化建設和移民搬遷等工程的實施，農村耕地出現了不同程度的棄耕撂荒現象。在寧南黃土丘陵區，棄耕撂荒地面積約占土地面積的6%，棄耕撂荒地作為一種重要的土地資源，對其進行植被恢復和重建，將有助于提高土地生產力，減緩水土流失，對生態環境的改善有著重要的實踐意義。因此，充分認識不同土地利用條件下的土壤水分狀況及其變化規律是科學利用土地資源的前提[15]。

本研究通過探討寧南黃土丘陵區不同撂荒年限梯田土壤水分的時空變化規律，分析不同年限撂荒梯田土壤含水量的月動態、垂直動態，并結合土壤容重的空間變異，探索撂荒梯田在自然恢復過程中土壤物理性質對撂荒演替的響應，以期為寧南黃土丘陵區撂荒地的可持續利用和生態恢復提供科學依據。

1研究地區與研究方法

1.1研究區概況

研究區位于寧夏固原市彭陽縣東北13 km處的白陽鎮中莊村（106°41′～106°45′E，35°51′～35°55′N），該村總面積為16.5 km2，耕地面積為1 076 hm2，地貌類型屬于黃土高原腹部梁峁丘陵地，地形破碎，地面傾斜度大，平均海拔在1 600～1 700 m 之間，年平均氣溫為7.6 ℃，≥10 ℃的積溫為2 200～2 750 ℃，境內年蒸發量較大，干燥度為3.58，無霜期為140～160 d。降水是雨水資源量的決定因素，研究區多年平均年降水量為475 mm，降水量集中且年內分配不均，降水量集中月份的降水常以暴雨形式出現，易發生局地暴雨洪水。研究區以普通黑壚土為典型土壤類型，土壤母質為黃土及黃土狀物，pH值在8.0～8.5之間，土層深厚，土質疏松。植被類型以草原植被為基礎，生長有長芝草（Stipa bungeana Trin.）、角蒿（Incaroillea sinensis Lam.）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis L.）等;另外還有中生和早中生的落葉闊葉灌叢、落葉闊葉林、草甸。人工植被以山桃（Prunus davidiana Franch.）、沙棘（Hippophae rhamnoides L.）、山杏（Prunus armeniaca）等為主。

1.2研究方法

1.2.1樣地選擇

在野外全面踏查的基礎上，根據植物群落組成、結構和對當地居民的訪問調查結果，在保證樣地黃土母質相同的情況下，本試驗選取5塊無人為干擾或人為干擾相對較少且立地條件相似的不同撂荒年限樣地進行土壤水文物理特性測定，撂荒年限分別為2、5、10、17、20年。樣地基本概況見表1。

1.2.2土壤含水量測定

于2017年5—9月，采用德國產時域反射儀（time domain reflectometry，TDR）對土壤含水量進行定位測定，測定深度為0～100 cm，每20 cm取1層，共5層，各樣地設3次重復，最后取平均值。

1.2.3土壤容重、總孔隙度等測定

2017年5月對土壤容重、土壤持水量、總孔隙度等指標采用環刀-浸泡法進行測定，取樣深度為0～30 cm，每10 cm取1層，各樣地設3次重復，最后取平均值。

1.3數據處理與分析

采用Excel 2016進行數據處理，用DPS 16.05統計分析軟件進行單因素方差分析。

2結果與分析

2.1研究區降水特征

降水作為寧南山區土壤水分的唯一來源，是土壤水分變化的決定性因素。當年生長季的降水量及其分配是影響人工林地土壤水分季節變化趨勢的主導因子，且上年降水量對其也有一定影響[16]。

從圖1可以看出，1—9月降水量月際分配十分不均勻，降水主要集中在植被生長旺季6—8月。生長季5—9月份降水總量2016、2017年分別為318.7、331.6 mm，比生長季多年平均降水總量（342.6 mm） 分別減少了23.9、11.0 mm。其中2016年7月降水量最多，達到了全年的最高值，為110.9 mm，高于多年平均降水量14.7 mm，其次是6、5、4月，降水量均高于多年平均值，而8月和9月降水量均低于多年平均值，尤其是8月降水量明顯降低，比多年平均降水量減少了59.7 mm;2017年8月降水最多，達到137.9 mm，高于多年平均降水量36.8 mm，其次是5月，降水量為76.6 mm，高于多年平均量37.2 mm，6、7、9月降水量均明顯低于多年平均降水量，尤其是9月，比多年平均降水量減少了33.0 mm。

2.2不同年限撂荒梯田土壤含水量的季節變化

以2017年5—9月各層土壤含水量的平均值為研究對象，從圖2可以明顯看出，撂荒地土壤含水量的季節變化規律總體為8月>9月>5月>6月>7月，8月的土壤含水量達到生長季5—9月份的峰值，平均值為25.37%，這是因為8月降水充沛，土壤水分的補給量明顯高于消耗量，另外雖然9月降水量非常少，但是植物生長到了末期，生長基本停止，此時的水分主要用于植物自身消耗和地面蒸發，相對于前期的生長旺季，土壤中貯存的水分相對較多，因此8月和9月土壤含水量上升且保持較高的水平。5、6月土壤含水量比較接近，差異較小，平均值分別為20.68%、20.45%，7月的土壤含水量達到全年最低值，平均值為16.06%。主要是因為7月的降水量較少，7—8月的氣溫開始上升，植物處于生長旺季，降水的補給不能滿足土壤水分消耗，因此土壤含水量較低。

不同年限撂荒地土壤水分季節變化趨勢基本一致。在0～100 cm土層，土壤水分隨撂荒年限變化的規律不是很明顯，總體呈現波動變化趨勢。

2.3不同年限撂荒梯田土壤含水量的垂直動態變化

以2017年5—9月土壤水分含量為研究對象，逐月進行撂荒地演替過程中土壤含水量垂直變化規律研究。由圖3可以明顯看出，5、6、8月0～20、20～40 cm土層土壤含水量變化趨勢比較明顯，尤其以0～20 cm變化最明顯，該土層土壤含水量明顯低于其他4層，在撂荒10年處土壤含水量達到最低值;7月以0～20、40～60 cm土層土壤含水量變化趨勢比較明顯，其中0～20 cm土層的土壤含水量明顯低于其他4層，該土層土壤含水量在撂荒10年處達到最低值;9月以0～20、20～40、40～60 cm土層土壤含水量變化趨勢比較明顯，尤其以0～20 cm變化最明顯，除撂荒2年外，其他撂荒年限該土層的土壤含水量明顯低于其他4層，而且在撂荒10年處達到最低值?？傮w說明2017年5-9月，不同年限撂荒地0～100 cm各土層土壤含水量曲線表現出不同的變化趨勢，其中以0～20、20～40、40～60 cm土層變化趨勢比較明顯，尤其以0～20 cm土層變化最明顯，且均在撂荒10年處降到最低，之后隨著撂荒年限的延長，土壤水分總體增加，60～80 cm和80～100 cm 土層間的土壤含水量變化曲線差異不大。這主要是由于5—7月降水量較少，植被正值生長初期和旺季，需水量多，表層（0～20 cm土層）土壤水分消耗較多，導致土壤水分含量較少，8月雖然降水充足，0～20、20～40 cm土層土壤水分含量也明顯升高，但是氣溫上升，植物生長茂盛，深層水分消耗較多，土壤水分沒有及時得到補充，因此8月80～100 cm 土層的土壤含水量也較低。9月雖然植物已停止生長，但由于降水量較少，地表蒸發量較大，表層土壤水分含量較少。從土壤水分含量的季節變化可以看出，相同撂荒年限不同土層土壤含水量的垂直分異在空間上變化規律不同，說明隨著撂荒年限的逐漸增加，1 m以內土壤含水量的變化趨勢是不穩定的。

2.4不同年限撂荒梯田土壤容重、總孔隙度和持水量的動態變化

土壤容重是土壤物理性質中隨著撂荒演替年限的變化較為敏感的指標之一。土壤容重的大小與土壤質地、結構、有機質含量、土壤堅實度、耕作措施等有關，其數值可以作為土壤的肥力指標之一。土壤的容重愈小，表明土壤的結構性愈好，孔隙多，疏松，有利于土壤的氣體交換和滲透性的提高。反之，土壤的容重愈大，表明結構性愈差，孔隙少，板結。

從表2可以看出，不同年限撂荒梯田的土壤容重在1.04～1.48 g/cm3之間變化。不同年限撂荒梯田對0～30 cm土層土壤容重有顯著影響（P<0.05）。撂荒2年的樣地，由于前期耕作措施對土壤結構的破壞作用遠未消除，表層土壤結構松散，土壤容重較小。在撂荒5年時，0～10、10～20 cm土層土壤容重已達到最大，之后隨著撂荒年限的增加，表層（0～10 cm土層）、中層（10～20 cm土層）土壤容重顯著降低，下層（20～30 cm土層）土壤容重變化規律不是很明顯。這可能是由于農地撂荒后上層土壤人為擾動減少，加之植物根系的網絡串聯作用和生物化學作用促進團粒的形成，使得土壤疏松、土壤孔隙度增加，從而使得土壤容重隨著撂荒年限的增加顯著下降。而根系對下層土壤影響較弱，土壤容重變化較小。0～10、10～20 cm土層撂荒17年土壤容重略有上升，撂荒20年時，土壤容重又開始降低。在垂直剖面上，隨著土層深度的增加，不同年限撂荒梯田的土壤容重總體呈現增加的趨勢。因此撂荒演替使土壤容重呈減少趨勢，土壤結構得到一定程度的恢復。

土壤孔隙度是決定土壤結構好壞的重要指標，對土壤的水分及養分可以起保護作用。由表3可以看出，土壤總孔隙度在45.61%～62.58%之間變化。0～10、10～20、20～30 cm土層的孔隙度變化趨勢基本一致，隨著撂荒年限的增加，總體呈現先降低后升高的趨勢。不同年限撂荒地0～30 cm土層土壤總孔隙度的整體變化規律為20年（56.94%）>17年（54.03%）>10年（53.77%）>2年（53.72%）>5年（4838%）。在垂直剖面上，表土層（0～10 cm） 的孔隙度明顯偏高，0～20 cm土層土壤總孔隙度基本隨著土層深度的加深而減少。

土壤的持水性能決定著土體內可能貯存水量的多少，它包括飽和持水量（最大持水量）、毛管持水量和田間持水量。

其中毛管水是土壤中既能被土壤保持又能被植物利用的主要水分。由表4和表5可以看出，0～30 cm各土層不同年限撂荒地土壤最大持水量和毛管持水量變化趨勢基本是一致的，均總體隨著撂荒年限的增加，呈現先降低后升高的趨勢。土壤最大持水量在31.01%～60.24%之間變化，毛管持水量在26.87%～39.74%之間變化。不同年限撂荒地0～30 cm土層土壤最大持水量的整體變化規律為20年（51.33%）>2年（46.01%）>17年（43.95%）>10年（43.52%）>5年（3566%）。毛管持水量的整體變化規律為20年（38.00%）>17年（35.07%）>2年（34.32%）>10年（33.20%）>5年（29.75%）。在垂直剖面上，表土層（0～10 cm）的最大持水量和毛管持水量總體明顯偏高，整個土層（0～30 cm） 土壤最大持水量和毛管持水量基本隨著土層深度的加深呈現減少的趨勢。

3結論與討論

降水是寧南黃土區自然植被土壤水分的唯一來源，土壤含水量隨降水的變化而變化。根據對2016—2017年降水數據和多年平均降水數據分析可以看出?降水主要集中在植物生長旺季6—8月，而且降水的季節分配極為不均，2017年全年降水的峰值出現在8月。通過對2017年5—9月土壤水分的分析發現，不同撂荒年限梯田土壤水分季節變化趨勢基本一致，土壤含水量的變化趨勢總體表現為8月>9月>5月>6月>7月。土壤含水量的季節變化主要受年內降水量以及植被所處的不同時期所決定。土壤水分隨撂荒年限的變化規律不明顯，總體呈波動變化趨勢。

隨著撂荒演替的進行，不同撂荒年限梯田各土層之間的土壤含水量變化曲線表現出不同的趨勢，其中0～20、20～40、40～60 cm土層土壤含水量變化活躍，尤其是0～20 cm土層更為突出，均在撂荒10年處降到最低，之后隨著撂荒年限的延長，土壤水分含量總體增加。0～100 cm土層，隨著土層深度的加深，土壤含水量的變化不規律。郝文芳等研究也表明，土壤表層水分易受環境變化的影響，深層水分相對穩定[17]。韓仕峰等將土壤剖面水分分布劃分為速變層、活躍層、次活動層和相對穩定層4個層次，土壤水分速變層處于0～20 cm 土層范圍內，該層完全受氣象條件制約，活躍層一般處于20～100 cm土層范圍內，干濕變化幅度大，根系分布密集，水分利用快且多[18]。由于在本研究區，取樣深度為0～100 cm土層，植被的根系主要集中0～100 cm土層范圍內，基本上處于水分的速變層和活躍層，水分的變化除了受降水、植物自身消耗影響外，也受到大氣濕度等的影響，因此土壤水分含量變化較大。

土壤物理性質通過對土壤濕度、溫度、通氣性等的作用，顯著影響植被的生長和分布，進而影響群落演替。通過2017年的研究發現，土壤容重、土壤總孔隙度和持水量的變化與土壤含水量不同，隨著撂荒演替，土壤容重總體呈減少趨勢，土壤總孔隙度、土壤最大持水量和毛管持水量呈升高的趨勢，土壤結構得到一定程度的改善。在植被恢復過程中，土壤容重是土壤物理性質中隨著撂荒演替年限的變化較為敏感的指標之一，土壤容重的改變對植物根系活動、土壤呼吸等都有促進作用，進而促進植被的正向演替。

植物群落的演替是一個漫長的過程，在本研究中，土壤含水量隨著撂荒演替的進行，恢復效果不是很明顯，主要是由于群落生活型的改變使得后期撂荒地植物群落水分消耗較多，其次降水量的差異也是影響土壤水分含量的主要因素。在黃土區，自然植被在現有的生態環境下演替緩慢，所以撂荒地土壤水分生態環境的改善是一個漫長的過程，另外，本研究中樣地撂荒年限較短，所得研究結果僅是一個階段性的初步探討，關于群落演替的土壤發展還需進一步研究，同時也希望本研究能為寧南黃土區撂荒地植被恢復提供一定的參考，進而促進植被生態環境的進一步改善。

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