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北方农牧交错带不同退耕方式下土壤水分变化特征_图文

中国农业大学学报 !! " # $ " " #! $ % & & ' $ " ) * + , . / * 01 2 3 .4 , 3 6 + / 7 + , . /8 3 9 : , ; 3 7 5 <

北方农牧交错带不同退耕方式下土壤水分变化特征
紫 檀$! 潘志华$! 安萍莉$! 潘学标$! 妥德宝!! 赵沛义!
" 中国农业大学 资源与环境学院 ! 北京 $ $? " " $ > %& 内蒙古农牧业科学院 植物营养与分析研究所 ! 呼和浩特 " # !? $ " " % $

摘 ! 要 ! 研究退耕还林  退耕还灌  退耕还草不同退耕方式对土壤水环境的影响  结 果 表 明  北方农牧交错带植被 耗水主要靠降水满足  土壤表层  水 % 种不同退耕方式的植被生育期内土壤水分含量均随降水量而变化  ""% "6 G 在% 林地土壤水分含量始终高于灌木地和草 地  草地的最低 对 于 ""$ 分含量相差不大  ""$ " "6 G 土层  " "6 G土 层 林地相对于灌木地和草地能更好地维持土壤水分  ! " " (年%种退耕方式的植被在生长季中对水 分 的 消 耗 均 超 过降水补给  关键词 ! 北方农牧交错带  退耕还草  退耕还灌  退耕还林  土壤水分  时空变化特征 中图分类号 !B$ " # ( !? @!!! 文章编号 !$ " " @ ' A % % % ! " " # " & ' " " " & ' " (!!! 文献标志码 !4

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!! 北方农牧交错带位于我国东部农耕区与西部草 * $ 原牧区之间 的 生 态 过 渡 带 ! 属 半 干 旱 气 候 区) +长
收稿日期 $! " " # ' " A ' " $

不合理耕作 , 粗放管理及 期以来由于人口急剧增加 , 水资源的不合理使 用 ! 使得该地区农业生产环境趋

基金项目 $ 国家自然科学基金资助项目 " # &国家支撑计划项目 " # % " @ @ $ ! & $! % " ! @ " ! & > ! " " & C 4 E ! > C " $! ! " " & C 4 E ! > C " > 作者简介 $ 紫檀 ! 硕士研究生 &潘志华 ! 副 教 授! 通 讯 作 者! 主 要 从 事 生 态 与 农 业 气 象, 生 态 恢 复 与 重 建 研 究! $ F ' G . 3 / . I 2 3 ' H 2 + . . + ? : J + ? 6 !6

!第&期

紫檀等 $ 北方农牧交错带不同退耕方式下土壤水分变化特征

@

! ' (* 于恶化 ! 水土流失 , 土地荒漠化等问题日益严重 ) +

点 % 个重复 ! 测 定 深 度 为 ""$ 每$ " "6 G! "6 G 为$ 层! 采用烘干法测定 + 降水量 " 用简易雨量筒实 GG# 测! 包含 植 物 生 长 季 节 的 所 有 降 雨 + 土 壤 水 分 含 量 " 为体积含水率 ! 其中 ! ,! Q# ,\.! - 为土壤质量含 % 水率 ! % ! 采用环刀法测定 + Q& . 为土壤容重 ! 6 G 5

我国实施' 退 耕 还 林 还 草( 政 策! $ > > > 年以来 ! 其实质是协调西部地区农牧业生产与生态环境建设 的矛盾 ! 使西部地区 的 农 牧 业 生 产 走 上 可 持 续 发 展 但该政策在实施过程中出现了一些问题 ! 一 的道路 ! 些退耕地的土壤水 分 进 一 步 降 低 ! 如黄土高原部分 地区由于树 " 草# 种选择不当和过分追求经济效益出
& ' @* +土壤水分变化反映农田水 现了土壤干 化 现 象 )

$! 结果及分析
$" !!(! ( () * 土壤水分含量随时间的变化 对不同退耕方式下植被生育期间 ""$ " "6 G土 壤平均体积含水率 随 时 间 的 变 化 进 行 分 析 ! 结果见 图 $+ 可见 $ % 种退耕方式的土壤平均含水率随时间 变化明显 + 土壤含 水 率 从 ! " " (年(月上旬至(月 下旬 均 逐 渐 减 少 ! (月下旬到&月上旬有一定的降 水! 土壤含 水 率 略 微 上 升 & 从" 降水仅 & ' " #-" @ ' $ "! 土壤 含 水 率 降 到 整 个 生 长 季 的 最 低 值 & % = %GG! @ 月 -# 月降水量增加 ! 种退耕方式的土壤含水率也 % 随之相应升高 & 随着降水量的减小 ! # 月下旬后 ! %种 退耕方式 的 土 壤 含 水 率 呈 现 下 降 趋 势 + 除 杨 树 林 柠条和苜蓿地的 土 壤 初 始 含 水 率 均 为 整 个 生 长 外! 季的较大值 ! 直到 $ 土壤含水率 " 月 生 长 季 结 束 时! 柠条和苜 依然低于 初 始 含 水 率 + 这 表 明 ! ! " " ( 年! 致使田间土壤水分 蓿经过 $ 个生长季 的 水 分 消 耗 ! 入不敷出 + 与生长 季 初 期 相 比 ! 到$ "月$ "日柠条 ! 苜 蓿 地 下降了 地土壤 平 均 含 水 率 下 降 了 % " = @Q 柠条地和苜蓿地 ! 除生育期降雨 ( & = #Q + 可以看出 ! 外! 生长季前土壤初 始 水 分 含 量 也 是 土 壤 供 水 的 重 要组成部分 + 由图 $ 还可看 出 ! 在整个生长季的大部分时间 杨树林地的土壤 平 均 体 积 含 水 率 高 于 柠 条 地 和 里! 柠 条 地 又 高 于 苜 蓿 地 +% 种 退 耕 地 的 土 壤 苜蓿地 ! 含水率均在 & 月下旬到 # 月上旬这段时间内达到最 柠 条 地 的 土 壤 最 低 含 水 率 出 现 时 间 略 迟+ 在 低! 杨树林地与苜蓿地 &-# 月植物生长最旺盛的季节 ! 的土壤含水率变化 较 大 ! 柠条地土壤含水率变化较 平缓 + 杨树林地在 & 月 ! $日土壤含水率达到最低 值后 ! 到#月! 说 $日 土 壤 含 水 率 一 直 呈 上 升 趋 势! 明杨树对 ""$ " "6 G 土层水分消耗较少 + 而苜蓿地 在&月! 在#月( $ 日出现土壤含水率 的最 低 值 后 ! 日又 出 现 了 $ 个 次 低 值 ! 这是由于苜蓿在@月底# 月初正处于生长最 旺 盛 的 时 期 ! 对土壤水分的消耗 非常大 ! 而降水的补 给 又 不 能 满 足 这 一 阶 段 苜 蓿 对 水分的 需 求 ! 从 而 使 土 壤 含 水 率 下 降+ 柠 条 地 在 " & ' ! $-" # ' " ( 这段 时 间 内 土 壤 含 水 率 基 本 保 持 稳

环境的改变 ! 是指示农业生产环境状况的重要指标 + 已有关于北方农牧交错带土壤水分的研究主要集中 在农作物水 分 利 用 效 率 方 面
) # ' $ !*

! 对生态保护背景

下植被耗水特征与 土 壤 水 分 变 化 规 律 的 研 究 较 少 + 本研究拟对北方农牧交错带 % 种不同退耕方式下土 壤水分的变化特征 进 行 研 究 ! 进而分析土壤水分的 动态变化和时空分 布 特 征 ! 及不同退耕方式对土壤 以期为农业生产环境的改善提供 水分环境的影响 ! 理论依据 +

!! 研究区概况及研究方法
!? !! 研究区概况 试验在内蒙古武川试验站 " ! ] A $ c " # = % A A d # 坡耕 地 进 行 + 武 川 试 验 站 位 于 北 方 F $ $ $ c $ @? ( # " d 农牧交错带的中段 ! 海拔 $( 属于阴山北麓丘 ( ( G! 陵区 ! 是 典 型 的 半 干 旱 偏 旱 农 牧 交 错 区& 年降水量 主要集中于夏季 & 无霜期> & 全 ! ( " A " "GG! " $ ! "J " " % ! 月份风速最大 ! 月均风速可 年月平均风速 A = (G ;( 达 &G % & 土壤为钙栗土 ! ; ""$ " "6 G 土壤容重 $ = !" % 土壤黏粒含 量 " 土壤田间 $ = @5 6 G! = " ( Q "" = & Q! 持水量 $ " = # Q" ! " = # Q + 种植制度为一年一熟 +
%

!? $! 研究方法 试验对退耕还林 , 退耕还灌 , 退耕还草 % 种退耕 方式下的土壤水分变化特征进行研究 + 试验地为旱 地退耕坡 地 ! 坡 向 北! 坡度( c左 右 + 坡 地 东 侧 种 植 树龄 ! 行距$ 株 距 % G! 面积 杨树林 ! ". 左 右 ! " G!
! % 约 (2 ! % ! G ""$ " "6 G 土壤平均 容重 为 $? A &5 6 G

选取杨树林作为退耕还林的代表方式 + 西侧是围栏
! 试验退耕地 ! 面积 !2 ! 采取顺坡带 G ! " " ! 年 退 耕!

状退耕方式 ! 每带间隔 $G! 选取其中的 柠条 和苜蓿 ! 种植被 类 型 分 别 代 表 退 耕 还 灌 和 退 耕 还 草 ! "" % % ! 柠条带宽度# $ " "6 G 土壤平均容重$ = A !5 6 G 种植密度为 !? 苜蓿带 宽度为 & G! 种植 G! ( 株% G! ! 密度 % $? % 株% G +! " " (年对%种退耕方式的生长
!

季土壤水分含量进 行 动 态 监 测 ! 每次测定时每个样

#

中 国 农 业 大 学 学 报

! " " #年 第$ %卷!

定! 表明柠条地土壤 水 分 在 这 段 时 期 内 收 支 基 本 维 持平衡 + 从整个生长季看 ! 土壤水分含量不断下降 ! 这是由于柠条和苜 蓿 地 消 耗 水 量 大 于 降 水 补 给 量 !

其中 ! 苜蓿比柠 条 的 耗 水 量 更 大 + 对 于 杨 树 地 土 壤 含水率的测定 ! 由于采样深度有限 ! 降水是否能满足 杨树的水分消耗有待进一步研究 +

注$ 降水量为土壤水分测定期间 " # 的有效降雨累积值 + ! " " ( ' " A ' " @T$ " ' $ "

图 !! 不同退耕方式 (! ( () * 土壤体积含水率随时间的变化 Y 3 ? $!U : G * , . / 9 . , 3 . 7 3 * ;* 0G : . -V + / KJ : ; 3 7 0 ; * 3 /X . 7 : ,X 3 7 2 3 -" "$ " "6 G+ J : ,J 3 0 0 : , : 7 6 * 9 : , . :H . 7 7 : , ; 5 H <* 5
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$ # $! 不同深度土壤水分含量随时间的变化 一般来 讲 ! ""$ " "6 G 土层是草本植物和灌木 的主要耗水层 ! 这一 土 层 的 土 壤 水 分 变 化 能 够 反 映 植被耗水 的 一 些 规 律 + 不 同 退 耕 方 式 下 土 壤 表 层 " 和中层" 体积含水率随时 ""% "6 G# % ""$ " "6 G# " # + 可见 ! 对于土壤表层来说 ! 间的变化见图 ! . %种 方式的土壤水分变 化 趋 势 基 本 一 致 ! 受降水影响很 大 + 在生长季前期 " # ! " ( ' $ !-" & ' ! $ % 种方 式表层土 且 壤在没有降水补给 的 情 况 下 含 水 率 均 丧 失 迅 速 ! 杨树林地表层土壤含水率低于柠条地与苜蓿地 + 在 生长季中期 ! 随着降水量的增 加 ! %种方式的土壤含 降水比较集中且 水率也 随 之 上 升 +" @ ' " &-" # ' ! $! 强度 较 大 ! %种方式的土壤表层水分含量无明显差

异 + 到了生长季后期 " # ! " > ' $ "-$ " ' " @ % 种 方式的土 其中 ! 杨树林地的 壤表层水分含量均呈现下降趋势 ! 土壤表层水分含量 下 降 较 慢 ! 表层土壤含水率较另 ! 种方式高 + % ""$ " "6 G 土壤体积含水率随时间的变化见 " + 可 见! 杨树林地中层土壤含水率始终较 图! V# 高! 且在整个生长季内的变化比较平稳 ! 与另外 ! 种 退耕方式的中层土壤含水率差距较大 + 在有降水补 杨树林 地 的 中 层 土 壤 水 分 含 量 呈 现 上 给的情况下 ! 升趋势 + 柠 条 地 的 生 长 季 中 层 土 壤 含 水 率 曲 线 呈 ' 字型 ! 在生长季前期降水 补给 较少 的时 候 ! 土壤 e( 至@月! 中层水分不断减少 ! ( 日时降至最低点 + 此 后! 随着降水补给增加 ! 土壤中层水分含量又逐渐升

图 $! 不同退耕方式不同深度土壤体积含水率随时间的变化 Y 3 = !!U : G * , . / 9 . , 3 . 7 3 * ;* 0G : . -V + / KJ : ; 3 7 0 ; * 3 /X . 7 : ,+ J : ,J 3 0 0 : , : 7 6 * 9 : , . :H . 7 7 : , ; 3 -J 3 0 0 : , : 7J : 7 2 ; 5 H <* 5 H
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!第&期

紫檀等 $ 北方农牧交错带不同退耕方式下土壤水分变化特征

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高 + 苜蓿地的中层土壤水分含量在生长季内基本呈 现持续下降的趋 势 + 综 合 % 种 不 同 的 退 耕 类 型 ! 林 地土壤中层含水率较高 ! 草地土壤中层含水率较低 ! 灌木地土壤中层含 水 率 在 生 长 季 前 期 与 草 地 接 近 ! 后期与林地接近 + 造 成 这 些 现 象 可 能 的 原 因 是 $ 草 地在生 长 季 内 消 耗 的 水 分 主 要 来 自 ""$ " "6 G土 层! 随着苜蓿的生 长 ! 该 层 水 分 不 断 被 消 耗! 降水补 所以土壤 给也不足以补偿这 一 层 土 壤 水 分 的 丧 失 ! 水分含量在生长 季 内 不 断 降 低 + 在 生 长 季 内 ! 林地 且维持在较高 % ""$ " "6 G 的土壤水分变化较平稳 ! 的水平 + 可 能 的 原 因 是 此 层 并 非 林 地 的 主 要 耗 水 层 + 灌木地的 % ""$ " "6 G 土壤水分变化介于草地 与林地之间 + 可能 的 原 因 是 在 生 长 季 前 期 ! 灌木主 在生长季后 要消耗的还是 ""$ " "6 G 土 层 的 水 分! 期! 灌木生长到一 定 程 度 后 ! 由 于 根 系 深 扎! 消耗更 使深层土壤水分有更多的机会 多的深层土壤水分 ! 渗透至 ""$ 因此在生长季后期灌木 " "6 G 的 土 层! ""$ " "6 G 土层土壤水分含量出现与林地类似的上 升趋势 + $ # %! 退耕方式对不同深度土壤水分含量的影响 不同退耕方式下不同深度的土壤水分含量存在

很大差异 ! 在整 个 生 长 季 中 的 变 化 很 明 显 + 生 长 季 初期 ! 林 地 ""A "6 G 土壤含水率较灌木地与草地 低! ( ""$ " "6 G 土壤含水率则是林地大于灌木地大 于草地 " 图 %" # # +生长季后期各退耕方式下土壤 . 含水率随土壤深度的变化情况已经与生长季初的土 壤水分状况有了明 显 的 不 同 ! 无论土壤表层还是中 层! 林地 土 壤 含 水 率 均 高 于 灌 木 地 与 草 地 " 图% " # # + 灌木地""% V "6 G 土壤含水率低于草地 ! % "" 土壤 含 水 率 则 高 于 草 地 + 从 生 长 季 的 变 化 $ " "6 G 灌木和草地的土 壤 含 水 率 均 为 生 长 季 后 期 低 于 看! 表明 这 ! 种 退 耕 方 式 下 ""$ 生长季初期 ! " "6 G土 层水分亏 缺 ! 水 分 支 出 大 于 水 分 收 入 + 林 地 在"" $ " "6 G 土层 水 分 消 耗 较 灌 木 和 草 地 少 + 因 此 虽 然 但在 生长季初期土壤表 层 含 水 率 低 于 灌 木 和 草 地 ! 生长季末无论是土 壤 表 层 还 是 中 层 ! 含水率均高于 林地& 灌木地和草地 + 在整个生长 季内 ! ""$ " "6 G 土层的土壤含水率 变 化 不 大 ! 一直维持在较高的水 平& ""A "6 G 土层的土壤含水率在生长季末比生长 表 明 ""$ 季初略有升高 ! " "6 G 土层水分收支平衡 处于正值 ! 对于该层土壤 ! 林地相对于灌木和草地能 更好的维持土壤水分 +

图 %! 不同退耕方式生长季初期与生长季末期不同深度土壤体积含水率 Y 3 ? %!B * 3 /X . 7 : ,V + / KJ : ; 3 7 0J 3 0 0 : , : 7J : 7 2 ;+ J : ,J 3 0 0 : , : 7 6 * 9 : , . :H . 7 7 : , ;. 7 5 <* H 5 7 2 :V : 3 3 J: J 3 05 , * X 3 : . ; * 5 5. 5* 5;
!

%! 结 ! 论
本研究对北方农牧交错带退耕还林 , 退耕还灌 , 退耕还草 % 种退耕方式下土壤水分的变化特征和不 同退耕方式对土壤水环境的影响进行了研究 + 结论 如下 $ # 植被耗水主 要 靠 降 水 满 足 ! 降水是土壤水分 $ 补充的最主要来源 ! 对土壤水分的变化有直接的影

响 +% 种退耕方式下植被生 育期 内土 壤 含 水 率 均 随 着降水量的变化而变 化 ! 平均含水率林地%灌木% 草地 + # 水分含 ! % 种退耕方式的土壤表层 " ""% "6 G# 中层 " 水分含量林地始终 量相差不大 ! % ""$ " "6 G# 高于灌木地和草地 + 可能原因是草地的主要耗水层 而林地的主要耗水层不在% 为% ""$ " "6 G! "" 灌 木 地 在 生 长 季 前 期 接 近 于 草 地! 生 $ " "6 G土层 !

$ "

中 国 农 业 大 学 学 报

! " " #年 第$ %卷!

长季中后期接近于林地 + # 从土壤水分平衡角度 ! 无论是草地 , 灌木地还 % 是林地 ! 在! 对水分的消耗均超 " " (年 的 生 长 季 中! 过了降水的补给 + 由于观测 手 段 的 限 制 ! 笔 者 只 研 究 了 ""$ " " 灌木地 6 G 土层土壤水分的变化情况 + 考虑到林地 , 的耗水层超过 $ 对更深 层次土 壤水分变 化 情 " "6 G! 林地树 况的进一步研究 非 常 必 要 + 特 别 说 明 的 是 ! 种为杨树 ! 该树种耗水性较强 ! 本研究结果也同时表 明该区域杨树生长状况较差 +

) * 安 萍 莉! 郑 大 玮! 等 ?农 牧 交 错 带 生 态 系 统 结 ( ! 潘 志 华! 构变化及其对 系 统 退 化 的 影 响 ) * ) ?中 国 农 业 大 学 学 报! " # $ ! " " !! @ ( ( " ' ( % ) * 邵明 安 ?黄 土 高 原 退 耕 还 林 条 件 下 的 土 壤 干 化 & ! 王力 ! 化问题 ) * " # $ ) ?世界林业研究 ! ! " " A! $ @ A ( @ ' & " ) * 路鹏 ! 党廷辉 ?退耕 还 草 对 土 壤 水 分 养 分 演 变 @ ! 郭胜利 ! 的影响 ) * " # $ ) ?西北植物学报 ! ! " " %! ! % # $ % # % ' $ % # # ) * 李子忠 ! 龚元石 ?农 牧 交 错 带 不 同 土 地 利 用 方 # ! 孙泽强 ! 式土壤水分利用效益的比 较 ) * ) ?中 国 农 业 大 学 学 报 ! " # $ ! " " %! # $ A % ' A & ) * 黄 高 宝! 张 仁 陟! 等 ?不 同 保 护 性 耕 作 措 施 对 > ! 李 玲 玲! * 旱作 农 田 土 壤 水 分 的 影 响 ) ) ?生 态 学 报 ! ! " " (! ! ( " # $ > ! % ! & ' ! % % ! ) * 徐斌! 严平! 等 ?农 牧 交 错 带 不 同 农 田 耕 作 模 $ " !杨春平! * 式土壤水分特征对比研 究 ) ) ?水 土 保 持 学 报 ! ! " " (! " # $ $ > ! $ ! ( ' $ ! > ) * 刘连友! 严平! 等 ?农 牧 交 错 带 不 同 地 表 土 壤 水 $ $ !胡霞! 分特征研究 - 以内蒙古太 仆 寺 旗 为 例 ) * ) ?水 土 保 " # $ 持研究 ! ! " " &! $ % ! $ " ( ' $ % @ ) * 秦红灵! 高旺盛! 等 ?农 牧 交 错 带 不 同 耕 作 方 $ ! !马月存! 式土壤水 分 动 态 变 化 特 征 ) * ) ?生 态 学 报 ! ! " " @! ! @ " # $ & ! ( ! % ' ! ( % "

参!考!文!献
) * 妥德宝 ! 王砚田 ?内 蒙 古 阴 山 北 麓 旱 农 区 综 合 $ ! 郑大玮 ! 内蒙古人民出 治理与增产配 套 技 术 ) W* ?呼 和 浩 特 $ 版社 ! ! " " " ) * 潘志华 ! 郑大玮 ?北 方 农 牧 交 错 带 土 地 利 用 结 ! ! 安萍莉 ! * " # $ 构重建研究 ) ) ?资源科学 ! ! " " !! ! A $ % ( ' % > ) * * % ) ? ! 程序 ?农牧交错带研究 中 的 现 代 生 态 学 前 沿 问 题 ) 资源科学 ! " # $ $ > > >! ! $ ( $ ' # ) * 薛 纪 瑜 ?中 国 北 方 农 牧 交 错 带 生 态 环 境 脆 弱 A ! 罗承平 ! 性及其成因分析 ) * $ ) ?干 旱 区 资 源 与 环 境 ! $ > > (! >" $# $ ' @




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