王 冬，楊 政，郝紅敏，武高林，朱元駿，史志華

（1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊陵712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊陵712100）

近年來，隨著“退耕還林（草）”和“天然林保護(hù)”等重大生態(tài)工程在黃土高原的實(shí)施，水土流失得到有效控制，該區(qū)植被恢復(fù)對(duì)全球生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了正效應(yīng)。黃土高原地區(qū)是實(shí)施退耕最早的地區(qū)，植被恢復(fù)對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，其核心是生物量的蓄積、覆蓋和轉(zhuǎn)化促進(jìn)的土壤水分和養(yǎng)分的改善［1］。凋落物數(shù)量動(dòng)態(tài)、化學(xué)性質(zhì)和水分特征反映著不同生態(tài)系統(tǒng)間的差別和動(dòng)態(tài)特征。凋落物的水分特征直接關(guān)系到植被恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)水文過程及水文生態(tài)功能，對(duì)其研究有助于深入了解凋落物增加土壤團(tuán)聚體，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低雨滴對(duì)地面的擊濺程度、延緩地表徑流，增加土壤入滲、抑制土壤蒸發(fā)等水文生態(tài)效應(yīng)［2］。凋落物的厚度和蓋度是控制不同植被格局水文特征的主要因子，在一定的時(shí)期內(nèi)，凋落物的厚度和累積量隨著退耕年限的增加而增加［3］。

蒸發(fā)蒸騰作為區(qū)域水量平衡和能量平衡的主要成分，不僅在水循環(huán)和能量循環(huán)過程中具有極其重要的作用，而且也是生態(tài)過程與水文過程的重要紐帶［4］。土壤蒸發(fā)是主要的水分耗散過程之一，其量值受到生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響下的微氣象條件、土壤含水量和凋落物厚度的影響。王鵬程等［5］通過凋落物浸水試驗(yàn)研究凋落物最大持水量評(píng)價(jià)凋落物的水文效應(yīng)。Sato等［6］研究發(fā)現(xiàn)，凋落物的最大持水量與降雨強(qiáng)度及凋落物組成具有相關(guān)關(guān)系。Li等［7］對(duì)針葉及闊葉凋落物在不同雨強(qiáng)及不同質(zhì)量下的凋落物持水量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，凋落物存在最大與最小儲(chǔ)水量，其差值對(duì)降雨后的蒸發(fā)有顯著影響。已有關(guān)于凋落物的水文效應(yīng)研究主要集中在森林凋落物持水能力，而對(duì)草地凋落物抑制蒸發(fā)的研究較少，尤其是對(duì)半干旱區(qū)黃土高原不同退耕年限草地凋落物的研究尚未見報(bào)道。

本文的目的是在黃土高原溝壑區(qū)，以空間序列代時(shí)間變化序列，通過室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，研究不同質(zhì)量凋落物減緩徑流及抑制土壤蒸發(fā)的作用。比較相同時(shí)段內(nèi)累計(jì)蒸發(fā)量和累計(jì)蒸發(fā)量占總持水量的比例，確定年限凋落物覆蓋的保水效果；研究凋落物覆蓋下表層土壤蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程；對(duì)不同凋落物覆蓋條件下土壤蒸發(fā)過程進(jìn)行比較分析。在干旱、半干旱地區(qū)，水分是植被恢復(fù)與重建的主要限制因子，本文以期從凋落物水分保持效應(yīng)的角度來研究植被恢復(fù)對(duì)土壤水分的影響，從而為黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

樣地選擇在中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站的王東溝小流域，該流域是黃土高原溝壑區(qū)的典型代表，塬面和溝壑各占35%和65%。位于陜西省長(zhǎng)武縣洪家鄉(xiāng)王東溝村，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度9.2℃，年平均降水量582.3 mm，其中約55%集中在7—9月，無霜期171d。該區(qū)土壤屬黑壚土，母質(zhì)是中壤質(zhì)馬蘭黃土，全剖面土質(zhì)均勻疏松，通透性好，全剖面土質(zhì)均勻疏松，穩(wěn)定入滲率為1.35mm／min。田間持水量為21%～23.8%，萎蔫濕度為9%～12%。該區(qū)自然植被多為人工林草植被，林地物種主要有刺槐（Robinia pseudoacacia）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）、草地物種主要有冰草（Agropyron cristatum）、鐵桿蒿（Artemisia sacrorum）、胡枝子（Lespedeza bicolor）等。但20世紀(jì)80年代以來，部分刺槐林地遭到人為砍伐破壞而逐漸變?yōu)榛牟莸兀ㄏ∈璐袒绷值兀?，主要物種包括冰草（Agropyron cristatum）、鐵 桿 蒿 （Artemisia sacrorum）、異燕麥（Helictotrichon schellianum）、纖毛鵝冠草（Roegneria ciliaris）、蛇莓（Duchesnea indica）、野菊花（Flos chrysanthemi）等［8］。

2 材料方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從王東溝小流域溝坡選取退耕5a，15a，30a的草地和對(duì)照農(nóng)田作為研究對(duì)象，測(cè)量凋落物厚度；用環(huán)刀取表層0—5cm容重，室內(nèi)用烘箱在105℃下，烘至恒重；按照15cm×20cm取土體以上枯落物及半分解層樣，并取0—5cm表土室內(nèi)風(fēng)干。樣地概況見表1。

表1 樣地及凋落物特征

在室內(nèi)，按照室外容重填充土槽。選取鋁盤作土槽裝土樣及凋落物樣。參照Sato等［6］和Li等［7］的方法，采用大小為20cm×15cm×7cm（長(zhǎng)×寬×高）的鋁盤，鋁盤底部按照2cm×2cm間隔布置0.2 cm直徑孔隙，在其上部墊層紗布。根據(jù)測(cè)定值表層容重?zé)o顯著差異，室內(nèi)按照1.1g／cm3的容重填充5 cm土壤，將野外取好的半分解層及枯落物均勻平鋪。然后在5cm處鉆孔保證徑流，示意圖見圖1。

2.2 試驗(yàn)過程

按照陳杰等對(duì)長(zhǎng)武1957—2006年日降水量資料分析得出，該區(qū)侵蝕性降雨以降雨量小于30mm較多，同時(shí)以短歷時(shí)30min內(nèi)降雨為主［9］。在模擬降雨過程，選取降雨強(qiáng)度為60mm／h的雨強(qiáng)，降雨30 min。唐克麗等［10］提出黃土高原地區(qū)的退耕坡度為25°，以此確定降雨過程中土槽放置坡度為25°。

圖1 蒸發(fā)器橫剖面示意圖

依據(jù)野外退耕5a，15a，30a的草地凋落物覆蓋特征，設(shè)3個(gè)凋落物處理水平，以裸地為對(duì)照，重復(fù)3個(gè)，共12個(gè)土槽，其中對(duì)照只填土，無凋落物及半分解層。

降雨前期稱取土槽總重為W1（g），降雨過程中記錄產(chǎn)流時(shí)間為t。在降雨結(jié)束后t時(shí)刻分別稱取土槽質(zhì)量，記為Wi，i＝0，0.5，1，2，3，4，5，6，7，8，10，12，24，36，48，72h，其中W0表示降雨結(jié)束后稱重。

土體及地上凋落物總降雨持水量為W，t時(shí)刻持水量為Wt。二者計(jì)算公式如下：

降雨結(jié)束后不同時(shí)間累積蒸發(fā)量記為Et。t時(shí)刻累積蒸發(fā)量占總凋落物降雨持水量W的百分比記為At。

朱元俊等［11］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤水分累積蒸發(fā)率隨時(shí)間呈指數(shù)降低趨勢(shì)，本文選取指數(shù)模型預(yù)測(cè)t時(shí)刻土體保水量：

t時(shí)刻土體累積蒸發(fā)速率由下式計(jì)算得出：

72h后，去除凋落物，在105℃溫度下烘至恒重，計(jì)算試驗(yàn)?zāi)┢谕寥篮俊?/p>

2.3 數(shù)據(jù)處理

本論文所有的數(shù)據(jù)處理使用SPSS 12.0進(jìn)行分析。單因素方差分析使用Tukey′s HSD檢驗(yàn)，比較不同處理間降雨持水量、累積蒸發(fā)量、單位時(shí)間蒸發(fā)量比重的差異。使用Sigmaplot 10.0畫圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)流時(shí)間及持水量

不同草地凋落物層在模擬降雨條件下的產(chǎn)流時(shí)間不同，最早產(chǎn)流的是對(duì)照蒸發(fā)器，2′35″開始產(chǎn)流，接下來為退耕5a草地蒸發(fā)器產(chǎn)流，退耕30a蒸發(fā)器在降雨30′后無明顯產(chǎn)流（表2）。降雨產(chǎn)流時(shí)間主要取決于降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、坡度及地表覆蓋等的相互作用［12］。凋落物由于具有較多的微孔隙，微孔隙具有較強(qiáng)固持水分的能力，從而凋落物層能延緩徑流，推遲徑流時(shí)間，且隨著凋落物質(zhì)量的提高，延緩徑流效果越明顯。

對(duì)比降雨前后蒸發(fā)器質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)不同處理間持水量存在顯著差異（F3，8＝41.52，P＜0.001），有無凋落物覆蓋存在顯著差異，對(duì)照蒸發(fā)器持水量?jī)H為348.33g，此時(shí)土壤含水量為23.2%，為土壤田間持水量。隨著退耕年限的增加，凋落物量及持水量增加，退耕30a草地持水量最大為741.00g。試驗(yàn)設(shè)計(jì)中土槽底部有小孔，試驗(yàn)中土體部分含水量近似為田間持水量。與對(duì)照相比，具有凋落物處理持水量增加67%～113%。

表2 不同樣地模擬降雨產(chǎn)流時(shí)間及降雨持水量

圖2為凋落物與凋落物部分持水量的回歸曲線，可以看出，凋落物持水量與凋落物質(zhì)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。已有研究表明植物凋落物質(zhì)量、稻草覆蓋、砂石覆蓋等可以降低地表徑流，減少土壤流失量，增加入滲，與本研究結(jié)果相似［13－14］。隨著凋落物質(zhì)量顯著提高，凋落物層能夠通過儲(chǔ)水蓄水作用來延緩產(chǎn)流時(shí)間而延長(zhǎng)降雨入滲時(shí)間。在黃土高原高原溝壑區(qū)耕地退耕還草后，凋落物增加能顯著提高地表含水量。

3.2 凋落物持水能力

圖3為各處理持水量隨降雨后時(shí)間變化。試驗(yàn)表明，不同處理降雨后72h內(nèi)，持水量符合指數(shù)分布。24h，對(duì)照蒸發(fā)器持水量減少約168g水分，占總持水量的48.41%，而 R5，R15，R30分別減少111，133，133g。蒸發(fā)器持水量第一天減少對(duì)照比具有凋落物覆蓋多30%左右。劉廣全等［15］研究凋落物在生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)中的功能，發(fā)現(xiàn)覆蓋可以有效抑制土壤蒸發(fā)，地面蒸發(fā)量及蒸發(fā)率無凋落物覆蓋大于有凋落物覆蓋，覆蓋處理比對(duì)照少10%～40.4%的蒸發(fā)量，與本研究結(jié)果在蒸發(fā)前期相似。覆蓋可使地面層顯熱通量增大，潛熱通量和土壤熱通量均明顯減小，而使土壤蒸發(fā)受限。在24h內(nèi)，累積蒸發(fā)量隨著退耕年限及凋落物含量的增加，累積蒸發(fā)量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，在72h內(nèi)，累積蒸發(fā)量隨著凋落物的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，累積蒸發(fā)72h，對(duì)照持水量減少約268g，R5，R15，R30分別減少293，292，297g，有覆蓋處理72h累積減少量反而比對(duì)照多。主要由于凋落物含量的增加持水能力增加，供給蒸發(fā)的能力增加；土壤蒸發(fā)速率決定于大氣的蒸發(fā)能力與土壤潛在的蒸發(fā)能力，土壤潛在蒸發(fā)能力決定于土壤中含水量大小及其分布，凋落物層增加了界面水分含量。

圖2 凋落物質(zhì)量與凋落物蓄水量回歸曲線

圖3 不同處理保水量變化

從圖4中可以看出，72h土壤水分累積蒸發(fā)率隨時(shí)間呈指數(shù)降低趨勢(shì)。不同處理的土壤水分蒸發(fā)率在0～12h維持較高水平（＞6mm／h），此后急速降低。在12h后，不同處理的土壤水分蒸發(fā)率均降低到5mm／h以下。對(duì)比不同凋落物含量的土壤，可以看出試驗(yàn)期間土壤水分蒸發(fā)率差別不大，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能在于：在蒸發(fā)的初始階段，由于土壤含水率均很高，凋落物對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用未表現(xiàn)出來；當(dāng)蒸發(fā)到一定階段后，對(duì)照土壤含水量較低從而可供蒸發(fā)能力下降，蒸發(fā)速率降低；而有凋落物處理凋落物對(duì)土壤水分蒸發(fā)的抑制作用表現(xiàn)出來，因而凋落物處理具有較高含水量而沒有顯著高于對(duì)照的蒸發(fā)速率。原翠萍等［16］研究礫石覆蓋能明顯改變土壤蒸發(fā)過程，覆蓋條件下的土壤蒸發(fā)與裸土相比不僅降低而且更加平穩(wěn)。本研究表明不同處理間蒸發(fā)過程都較平穩(wěn)，可能與本研究的時(shí)間尺度有關(guān)，本研究時(shí)間較短，未能表現(xiàn)出凋落物處理與對(duì)照的差異。

3.3 抑制土壤蒸發(fā)作用

72h后，對(duì)照處理累積蒸發(fā)量占到降雨持水量的79.6%，而具有凋落物覆蓋的蒸發(fā)量?jī)H占降雨持水量的40.1%～49.9%（圖5），對(duì)照與具有凋落物覆蓋處理間存在顯著差異（F3，8＝74.07，P＜0.000 1）。在72h后，不同凋落物間也存在顯著差異，累積蒸發(fā)量占降雨總持水量隨著凋落物的增加而逐漸減少，退耕5a凋落物覆蓋處理蒸發(fā)量占降雨持水量的49.9%，而退耕30a草地地上凋落物覆蓋處理僅占40.1%。累積蒸發(fā)量占總持水量的比例隨著退耕年限的增加而降低，退耕年限的增加即凋落物的增加有助于降低蒸發(fā)比例。隨著蒸發(fā)時(shí)間的增加，凋落物質(zhì)量多少延緩蒸發(fā)的效應(yīng)顯現(xiàn)出來，凋落物覆蓋的退耕草地可以降低蒸發(fā)比例。

圖4 累計(jì)蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化

圖5 累計(jì)蒸發(fā)量占降雨持水量比例及土壤含水量

圖5顯示72h后4個(gè)處理土壤含水量也存在顯著差異（F3，8＝199.39，P＜0.000 1），隨著凋落物質(zhì)量的增加表層土體含水量顯著提高。這主要由于，凋落物自身含水較多，蒸發(fā)過程中先蒸發(fā)了自身含水，延緩了土壤水分的蒸發(fā)。凋落物能保持土體高含水量，其作為土壤與大氣間的隔離層，在涵養(yǎng)水源和保持水土過程中起到正作用，延緩了蒸發(fā)并降低了蒸發(fā)速率［17－18］。在半干旱區(qū)由于氣候干燥，降雨后，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤含水量下降很快，難以滿足作物生長(zhǎng)的需要，凋落物層可以使表土層保持較高含水量，在后期開展植被重建，可以覆蓋凋落物來提高成活率。

4 結(jié) 論

凋落物對(duì)土壤水分蒸發(fā)的影響主要表現(xiàn)在以下方面：（1）凋落物延緩了徑流，增加了表層土體持水量；（2）凋落物層自身吸收的水分，先蒸發(fā)了凋落物層的水分，導(dǎo)致參與蒸發(fā)的土體水分在時(shí)間尺度上有所延緩；（3）凋落物層作為地表覆蓋，避免了土體與大氣的直接接觸、陽(yáng)光的直接照射及大風(fēng)運(yùn)動(dòng)的接觸，降低了土層水分的擴(kuò)散蒸發(fā)速率，最終促進(jìn)凋落物下層土壤的持水性和含水量的改善，涵養(yǎng)了水源。在本試驗(yàn)條件下，凋落物層在一定程度上能延緩徑流的產(chǎn)生，顯著延緩地表蒸發(fā)和增加表層土體持水量。不同退耕年限草地通過增加凋落物質(zhì)量和厚度改變了地表水文交換過程，通過增加凋落物層抑制土壤蒸發(fā)、增加地表土壤含水量，進(jìn)而改善植被—土壤界面水文過程。

［1］ 師陽(yáng)陽(yáng)，陳云明，張光輝，等.不同退耕年限撂荒地植物多樣性及生物量分析［J］.水土保持研究，2012，19（6）：36－40，44.

［2］ Mulumba L N，Lal R.Mulching effects on selected soil physical properties［J］.Soil and Tillage Research，2008，98（1）：106－111.

［3］ MayoráG，Bautista S，Bellot J.Factors and interactions controlling infiltration，runoff，and soil loss at the microscale in a patchy Mediterranean semiarid landscape［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2009，34（12）：1702－11.

［4］ 王浩，楊貴羽，賈仰文，等.以黃河流域土壤水資源為例說明以“ET管理”為核心的現(xiàn)代水資源管理的必要性和可行性［J］.中國(guó)科學(xué) E輯：技術(shù)科學(xué)，2009，39（10）：1691－1701.

［5］ 王鵬程，肖文發(fā)，張守攻，等.三峽庫(kù)區(qū)森林植被林地枯落物現(xiàn)存量及其持水能力［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6（4）：41－47.

［6］ Sato Y ，Kumagai T O，Kume A，et al.Experimental analysis of moisture dynamics of litter layers－the effects of rainfall conditions and leaf shapes［J］.Hydrological Processes，2004，18（16）：3007－3018.

［7］ Li X，Niu J，Xie B.Study on hydrological functions of litter layers in north China［J］.PloS one，2013，8（7）：e70328.

［8］ 陳洪松，邵明安，王克林.黃土區(qū)荒草地和裸地土壤水分的循環(huán)特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16（10）：1853－1857.

［9］ 陳杰，劉文兆，王文龍，等.長(zhǎng)武黃土高塬溝壑區(qū)降水及侵蝕性降雨特征［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2009，7（1）：27－31.

［10］ 唐克麗.土壤侵蝕環(huán)境演變與全球變化及防災(zāi)減災(zāi)的機(jī)制［J］.土壤與環(huán)境，1999，8（2）：81－86.

［11］ 朱元駿，邵明安.鈣結(jié)石含量對(duì)土壤水分蒸發(fā)影響的模擬試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（2）：77－81.

［12］ Shi Z H，F(xiàn)ang N F，Wu F Z，et al.Soil erosion processes and sediment sorting associated with transport mechanisms on steep slopes［J］.Journal of Hydrology，2012，454／455：123－130.

［13］ Huang Z G，Ouyang Z Y，Li F R，et al.Response of runoff and soil loss to reforestation and rainfall type in red soil region of southern China［J］.Journal of Environmental Sciences，2010，22（11）：1765－1773.

［14］ Boer M，Puigdef Bregas J.Effects of spatially structured vegetation patterns on hillslope erosion in a semiarid Mediterranean environment：a simulation study［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2005，30（2）：149－167.

［15］ 劉廣全，王浩，秦大庸，等.黃河流域秦嶺主要林分凋落物的水文生態(tài)功能［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2002，17（1）：55－62.

［16］ 原翠萍，張心平，雷廷武，等.砂石覆蓋粒徑對(duì)土壤蒸發(fā)的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（7）：25－28.

［17］ 李學(xué)斌，馬琳，楊新國(guó)，等.荒漠草原典型植物群落枯落物生態(tài)水文功能［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2011，20（5）：834－838.

［18］ 趙曉春，劉建軍，任軍輝，等.賀蘭山4種典型森林類型凋落物持水性能研究［J］.水土保持研究，2011，18（2）：107－111.