喀斯特地区不同年限退耕草地的持水性能.pdf
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1、第4 3卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 5 修回日期:2 0 2 3-0 3-2 1 资助项目:国家自然科学基金项目“喀斯特山区林草间作生态恢复过程中土壤质量演变规律及其评价:以贵州 晴隆模式 为例”(3 1 4 6 0 1 3 3)第一作者:罗秀龙(1 9 9 8),男(彝族),贵州省黔西市人,硕士研究生,研究方向为土壤学。E m a i l:2 2 3 8
2、5 1 1 5 4 9q q.c o m。通信作者:舒英格(1 9 7 3),男(汉族),贵州省镇宁县人,博士,教授,主要从事农业资源与环境、土地利用与规划研究。Em a i l:m a o g e n 9 5 81 6 3.c o m。喀斯特地区不同年限退耕草地的持水性能罗秀龙,舒英格,龙 慧,李雪梅(贵州大学 农学院 贵州 贵阳5 5 0 0 2 5)摘 要:目的研究不同年限退耕草地持水性能,为喀斯特地区退耕草地持水性能和水土保持提供科学依据。方法选取贵州省安顺市喀斯特地区不同年限退耕草地(5,1 0,1 5,2 0a)和耕地(对照C K)为研究对象,采用“时空替代法”研究凋落物蓄积量、持
3、水量和拦蓄量以及土壤剖面容重、孔隙度、颗粒组成、含水率及持水量随退耕年限的变化特征。结果凋落物层蓄积量、最大持水量、最大拦蓄量和有效拦蓄量均表现为:1 5a 2 0a 1 0a 5a,且凋落物层持水量、吸水速率与浸水时间的关系分别符合对数函数和幂函数。退耕草地砂粒含量和容重随着退耕年限的延长均呈现出先下降再上升的趋势;粉粒、黏粒、总孔隙度、毛管孔隙度、最大持水量和毛管持水量的变化规律与土壤容重相反。凋落物层和土壤层的持水总量表现为:1 0a 2 0a 1 5a 5a C K,其中土壤层最大持水量贡献率达到9 9%以上。结论退耕草地不仅增加了凋落物层的生物积累、拦截降雨作用和持水性能,还在改善土
4、壤结构和孔隙状况的同时,提高了土壤持水性能。退耕草地均在退耕1 0a以后逐渐趋于稳定。因此,建议在退耕1 0a以后种植落叶树种。关键词:喀斯特地区;年限;退耕草地;持水性能文献标识码:A 文章编号:1 0 0 0-2 8 8 X(2 0 2 3)0 5-0 0 0 7-1 1 中图分类号:S 8 1 2.2文献参数:罗秀龙,舒英格,龙慧,等.喀斯特地区不同年限退耕草地的持水性能J.水土保持通报,2 0 2 3,4 3(5):7-1 7.D O I:1 0.1 3 9 6 1/j.c n k i.s t b c t b.2 0 2 3.0 5.0 0 2;L u oX i u l o n g,S
5、 h u y i n g g e,L o n gH u i,e ta l.W a t e r-h o l d i n gc a p a c i t yo f r e c l a i m e dg r a s s l a n dw i t hd i f f e r e n ta g e s i nk a r s t r e g i o n sJ.B u l l e t i no fS o i la n d W a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,4 3(5):7-1 7.W a t e r-h o l d i n gC a p a c i t yo fR
6、 e c l a i m e dG r a s s l a n dw i t hD i f f e r e n tA g e s i nK a r s tR e g i o n sL u oX i u l o n g,S h uY i n g g e,L o n gH u i,L iX u e m e i(C o l l e g eo fA g r i c u l t u r e,G u i z h o uU n i v e r s i t y,G u i y a n g,G u i z h o u5 5 0 0 2 5,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c
7、t i v eT h ew a t e r-h o l d i n gc a p a c i t yo fr e c l a i m e dg r a s s l a n do fd i f f e r e n ta g e sw a ss t u d i e di no r d e r t op r o v i d e a s c i e n t i f i cb a s i s f o rw a t e r r e t e n t i o na n ds o i l a n dw a t e r c o n s e r v a t i o no f r e c l a i m e dg r
8、 a s s l a n d i nk a r s t r e g i o n s.M e t h o d sR e c l a i m e dg r a s s l a n do fd i f f e r e n t a g e s(5,1 0,1 5,2 0y r)a n dc u l t i v a t e d l a n d(C K)i nak a r s t a r e a i nA n s h u iC i t y,G u i z h o uP r o v i n c ew a ss e l e c t e da st h er e s e a r c ho b j e c t s
9、,a n dt h e“s p a c e-t i m es u b s t i t u t i o nm e t h o d”w a su s e dt os t u d yl i t t e rs t o r a g e,w a t e r-h o l d i n gc a p a c i t y,a n dw a t e rs t o r a g ec a p a c i t y.T h ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so fs o i lp r o f i l eb u l kd e n s i t y,p o r o s i t y,
10、p a r t i c l ec o m p o s i t i o n,w a t e rc o n t e n t,a n dw a t e r-h o l d i n gc a p a c i t yw e r ed e t e r m i n e df o rd i f f e r e n t a g e so f r e c l a i m e dg r a s s l a n d.R e s u l t s T h el i t t e r-l a y e rs t o r a g ec a p a c i t y,m a x i m u mw a t e r-h o l d i
11、n gc a p a c i t y,m a x i m u ms t o r a g ec a p a c i t y,a n de f f e c t i v es t o r a g ec a p a c i t yf o l l o w e dt h er e c l a i m e dg r a s s l a n da g eo r d e ro f1 5y r 2 0y r 1 0y r 5y r.T h er e l a t i o n s h i p so f l i t t e r-l a y e rw a t e r-h o l d i n gc a p a c i t
12、ya n dw a t e r a b s o r p t i o n r a t ew i t hs o a k i n g t i m ew e r e c h a r a c t e r i z e db ya l o g a r i t h m i c f u n c t i o na n dap o w e r f u n c t i o n,r e s p e c t i v e l y.T h es a n dc o n t e n t a n db u l kd e n s i t yo f t h e r e c l a i m e dg r a s s l a n ds h
13、 o w e da t r e n do ff i r s td e c r e a s i n ga n dt h e ni n c r e a s i n ga sa g eo fr e c l a i m e dg r a s s l a n di n c r e a s e d.C h a n g e si ns i l t,c l a y,t o t a lp o r o s i t y,c a p i l l a r yp o r o s i t y,m a x i m u m w a t e r-h o l d i n gc a p a c i t y,a n dc a p i
14、l l a r y w a t e r-h o l d i n gc a p a c i t yw e r eo p p o s i t e t ot h ec h a n g e s i ns o i lb u l kd e n s i t y.T h et o t a lw a t e r-h o l d i n gc a p a c i t yo f t h e l i t t e r l a y e ra n dt h es o i l l a y e r f o l l o w e d t h eo r d e ro f 1 0y r 2 0y r 1 5y r 5y r C K.T
15、 h em a x i m u m w a t e r-h o l d i n gc o n t r i b u t i o nr a t eo ft h es o i ll a y e rw a s m o r et h a n9 9%.C o n c l u s i o nR e c l a i m e dg r a s s l a n do fd i f f e r e n ta g e sn o to n l yi n c r e a s e dt h eb i o a c c u m u l a t i o n,r a i n f a l l i n t e r c e p t i
16、o n,a n dw a t e r-h o l d i n gc a p a c i t yo f t h el i t t e r l a y e r,b u ta l s oi m p r o v e ds o i l s t r u c t u r ea n dp o r es t a t u s.T h es o i lw a t e r-h o l d i n gc a p a c i t yg r a d u a l l ys t a b i l i z e da f t e r1 0y e a r s.T h e r e f o r e,i t i s r e c o mm e
17、 n d e d t h a t p l a n t i n gd e c i d u o u s t r e e s a f t e r 1 0y e a r so f f a r m l a n dc o n v e r s i o n t og r a s s l a n d.K e y w o r d s:k a r s t a r e a;y e a r s;r e c l a i m e dg r a s s l a n d;w a t e r-h o l d i n gc a p a c i t y 贵州省喀斯特地区的生态环境具有地表崎岖破碎,溶蚀、水蚀作用严重,土壤浅薄且不连续
18、,土壤持水能力弱等特点1,因此,植被恢复成为改善喀斯特生态环境的根本措施和手段2。2 0 0 0年以来,随着人口、经济增长,大量农村人口选择外出务工,加之在国家退耕还林草政策的推动下,大面积耕地都已实现了退耕3。目前喀斯特生态系统处于退耕后不同恢复阶段4,草本植物恢复阶段作为陆地生态系统的重要组成部分,在水文生态功能中占有极其重要的地位。草地不仅能够截留降水,而且有着较高的渗透性和保水能力,在水土保持及改良土壤等方面具有重要意义5。因此,研究喀斯特地区不同年限退耕草地持水性能成为退耕草地演替及生态恢复的重要基础。土壤持水性能是影响地表过程的关键因素6,体现了土壤蓄积和保持水分的能力,是预防土壤
19、侵蚀、制定水土保持措施和水分管理等的重要依据7。对于土壤持水性能评价,目前采用的指标主要包括土壤颗粒 组 成、土 壤 容 重、土 壤 孔 隙 度 和 土 壤 持 水 量等8-9,这些指标与土壤持水性能密切有关。凋落物是植物的地上部分产生并归还到地表的有机物质总称1 0,其结构疏松、透水性和持水能力良好,在改善土壤理化性质、水源涵养、水量平衡等方面起着非常重要的作用1 1。近年来国内研究者采用“空间代替时间”的方法对植被恢复过程中的土壤水分特征进行了研究。例如,张永旺等1 2探究了黄土高原地区土壤持水性与土壤水分有效性对不同植被(草地、灌木林地和乔木林地)的响应。在草本植物恢复阶段的研究中,易湘
20、生等1 3开展了黄河源区草地退化对土壤持水性影响研究;王普昶等1 4研究了贵州南部人工草地不同放牧强度下浅层土壤剖面水分的空间异质性及其影响因素。关于凋落物已有的研究多集中于森林生态系统1 5-1 6,有部分学者以草地凋落物作为研究对象开展了一些探索性研究,涉及凋落物蓄积量、厚度特征1 7-1 8、凋落物持水特性1 9-2 0。上述研究分布于不同区域,具有一定的地域代表性。但是,已有研究较多集中在不同植被恢复阶段的土壤持水性、水分有效性和生态效应等,在草本植物阶段的研究也多关注于不同放牧及退化程度草地持水特征和土壤物理性质等,对于喀斯特地区不同年限退耕草地持水性能的对比研究却鲜有报道,限制了对
21、退耕地植被恢复过程中草地生态系统持水性能及其异质性的精确模拟。因此,本文选择了喀斯特地区退耕5,1 0,1 5,2 0a的次生草地凋落物和不同土层(05,51 0,1 02 0,2 03 0,3 04 0c m)土壤为研究对象,以耕地为对照,通过“时空替代法”研究不同退耕年限下草地凋落物层和土壤层持水性能的差异和变化特征,以期为喀斯特地区退耕草地持水性能和水土保持提供科学依据。1 研究区概况研究区位于贵州省安顺市平坝区,地处云贵高原东侧梯状斜坡中段,地势西北高东南低,中部较平坦。山系属苗岭山群,多呈北东南西走向,呈非平行展布,连续性较差。境内大部为丘陵,喀斯特地貌极为突出,土层较薄,土壤中石砾
22、含量较高。地理坐标为1 0 6 2 7 5 7 1 0 6 3 2 1 9 E,2 6 1 8 5 9 2 6 2 2 4 7 N,海拔12 1 812 8 5m。为亚热带季风湿润气候,多年平均降雨量为12 9 8mm,年平均气温为1 4.1。居住汉族、苗族、布依族人口。耕地面积2 6 7 3.3h m2,粮食作物主要以玉米(Z e am a y s)、水稻(O r y z as a t i v a)为主。研究区内主要土壤种类以石灰土和黄壤为主,并且有明显的石灰岩出露。所选试验样地退耕前为种植玉米的耕地,退耕后在自然状态下生长的次生草地,土壤类型均为石灰土,且未进行过人工干预。2 研究方法2.
23、1 样地设置及土壤样品采集2 0 2 2年9月,通过对安顺市平坝区进行实地勘察并访问当地老农,结合B i g e m a p和谷歌地球等工具来对历史卫星影像图进行比较,通过空间替代时间的方法,在坡向、坡度及海拔等立地条件基本一致的退耕集中连片地区,分别选取退耕时间为5,1 0,1 5,2 0a的草地和耕地作为对照的5个样地(表1)。每个样地都布设3个2 0m2 0m的标准样方,共设置1 5块标准样方。分别在每一个样方内沿对角线随机布设3个取样点,挖土层剖面,共计4 5个剖面。自下到上采用沟槽方式在04 0c m深度分5个层次采集距地面05,51 0,1 02 0,2 03 0,3 04 0c
24、m土壤。其中,在采集草地土壤剖面样品前,除去土壤表8 水土保持通报 第4 3卷面的枯枝落叶层及其分解和半分解层。每层取土样约一千克,将每个样方内的相同深度3个采样点的土壤混匀装袋,并依次在各土层用环刀法来测定土壤容重。使用G P S准确读取并记录采样点坐标、海拔等信息。将已收获的土样经过自然风干,并挑出植物根和砾石,过2mm筛后用于土壤颗粒组成的测定。表1 不同退耕年限草地样地状况T a b l e1 C o n d i t i o n so fp l o t sw i t hd i f f e r e n t y e a r so f r e c l a i m e dg r a s s l
25、 a n d退耕年限/a坐标海拔/m坡向 坡度/()主要植被C K1 0 6 2 8 4 8 E2 6 1 8 5 9 N12 4 3.0 6NW1 5玉米(Z e am a y s)51 0 6 3 2 1 9 E2 6 2 2 4 7 N12 1 7.6 2W1 4白茅(I m p e r a t ac y l i n d r i c a)、地 三 叶 草(T r i f o l i u ms u b t e r r a n e u m)1 01 0 6 2 9 1 0 E2 6 1 9 2 8 N12 3 6.3 6N1 6白茅、地三叶草、五月艾(A r t e m i s i ai n
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