黄土高原丘陵沟壑区苜蓿土壤干层形成及其水分恢复机制研究

西部黄土高原丘陵沟壑区是中国乃至世界上水土流失最严重的区域。以小麦单播为主的传统农业和过度耕作是引致水土流失的最主要原因，加之降水变率大，产量低而不稳，农业系统稳定性差。紫花苜蓿作为一种优良豆科牧草，在该区生态环境建设和产业结构调整中发挥着重要作用，但种植数年苜蓿形成深厚的土壤干层后在长时期内难以恢复。因此，本研究以2001年、2006年开始的保护性耕作长期定位试验为基础，从作物-土壤-大气系统中水分（"三水"）循环相互关系入手，拟通过监测牧草和作物生长动态、水分动态以及影响水分变化的土壤理化特性，探究黄土高原丘陵沟壑区苜蓿草地土壤水分消耗规律和干层形成机制以及耕作方式和轮作模式对不同生长年限苜蓿土壤干层水分的恢复效应及其机制，并通过分析粮食作物和豆科牧草在"三水"转化与WUE关系方面的异同，提出粮草轮作系统高效用水调控理论，为黄土高原半干旱区苜蓿草地可持续利用和旱地作物稳产提供科学依据。

西部黄土高原丘陵沟壑区是中国农村居民生活贫困的区域。作物单播和过度耕作是引致水土流失的最主要原因，加之降水变率大，产量低而不稳，农业系统稳定性差。紫花苜蓿作为优良豆科牧草，在该区生态环境建设和产业结构调整中发挥着重要作用，但种植数年形成深厚的土壤干层在长时期内难以恢复。因此，本研究利用黄土高原典型雨养农业区苜蓿地布设田间试验，旨在探索不同种植年限紫花苜蓿土壤水分特征、适宜种植年限和粮草轮作系统土壤水分恢复效应及其机制。结果表明，苜蓿草产量表现为随种植年限增加呈先增后降，其中以8 a苜蓿草产量最高(12 128 kg / ha)。苜蓿持续3 a 以上0-300 cm土层含水量明显低于土壤稳定湿度值(SSM)，其中10 a以上甚至低于作物有效水分下限(CLL)。土壤干燥化评价发现，1、3、8、12和14 a生苜蓿地0~300 cm土层干燥化指数分别为125.4%、30.5%、18.4%、-34.2%和-83.3%，除1 a生苜蓿外，其余种植年限苜蓿土壤均发生不同程度干燥化，且表现为随种植年限延长干燥化程度加剧，但干燥化速率呈减缓趋势。综合苜蓿生产力动态和土壤水分状况，确定该区紫花苜蓿适宜的种植年限为8～10 a。研究同时发现，持续种植8 a的紫花苜蓿轮作粮食作物可不同程度地增加0-300 cm土壤贮水量，轮作4季后苜蓿-休闲(L-F)、苜蓿-小麦(L-W)、苜蓿-玉米(L-C)、苜蓿-马铃薯(L-P)、苜蓿-糜子(L-M)比苜蓿-苜蓿(L-L)分别多贮存94.80、37.11、39.11、61.18、30.31mm水分。土壤水分恢复效应评价发现，L-F表现为完全恢复(恢复指数131%)，L-P表现为极好恢复(恢复指数96%)，其余处理均表现为良好恢复(恢复指数64%～74%)。作物生育期耗水量(ET)表现为L-L>L-C>L-M>L-P>L-F>L-W；棵间蒸发占总耗水量比例(E/ET)表现为L-F>L-M>L-P>L-W>L-L>L-C，其中L-F高达90%以上，L-C仅为17%。表明L-F耗水主要表现为土壤蒸发，而L-C耗水主要用于作物蒸腾。作物水分利用效率(WUE)表现为L-P > L-L> L-C> L-M> L-W。综合土壤物理性质、土壤水分恢复效应、作物产量和WUE表现，确定苜蓿-马铃薯和苜蓿-玉米轮为该地区较好的轮作模式。