黃土塬區不同土地利用方式下深層土壤水分變化特征

程立平，劉文兆 ，李 志

(1.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊凌 712100;2.平頂山學院資源與環境科學學院，平頂山 467000;3.西北農林科技大學資源環境學院，楊凌 712100;4.中國科學院大學，北京 100049)

土壤水資源作為水資源的重要組成部分，在植物生長過程中起著非常重要的作用。黃土高原地區屬大陸性季風氣候區，降水年際變化大，年內分布不均;而深厚的黃土層猶如土壤水庫，具有保蓄和調節水分功能，能夠對降水不足和時間空間分布不均所導致的旱情能夠起到有效的緩解作用［1］。由于該區土壤的特殊性、降水資源的緊缺性，因而人們非常重視植被與土壤水資源的相互影響［2］，尤其是植被生長對土壤水分生態環境影響的研究［3-12］。人工林草的強烈蒸騰作用所導致的深層土壤干燥化問題，不僅對植被自身的生長造成不利影響，而且對陸地水文循環產生了一定的影響［7］，因而深層土壤水分環境問題越來越受到研究者的關注，如樊軍等［11］對黃土旱塬農業生態系統土壤深層水分消耗與水分生態環境效應進行了研究;Wang等研究黃土丘陵區不同植被類型對0—10 m黃土剖面水分含量的影響［12］，并通過荒草地對照確定了不同植被類型的耗水深度［13］;程立平等對長武塬區不同土地利用方式下0—20 m剖面土壤水分分布特征進行了研究［14］，并分析了其土壤水氫氧同位素的組成特征［15］;王云強等通過對黃土高原382個點上土壤水分的調查，研究了整個黃土高原0—10 m土層土壤水分空間分布特征及其影響因素［16］，并對比研究了山西中陽、陜西綏德、陜西神木、陜西吳起、寧夏固原、陜西長武6個典型區域0—21 m土層水分剖面分布規律［17］;李軍等［10］通過對黃土高原半濕潤區、半干旱區和半干旱偏旱區53類林地、草地和農田深層土壤濕度的觀測，分析比較了各類型區各類林地、草地和農田土壤濕度、土壤水分過耗量、土壤干燥化指數、土壤干層厚度等土壤干燥化效應指標。但是由于深層土壤取樣困難，黃土高原地區有關深層土壤水分的研究，存在以下局限:一是多為一次調查取樣研究，缺少長期定位研究;二是多數研究未超過10 m深度。因此，本文利用長武黃土高原農業生態試驗站深剖面水分運動觀測場長期定位監測數據研究了裸地、高產農田、苜蓿草地和蘋果林地對深層土壤水分環境的影響，以期為黃土塬區土地利用方式的優化配置以及旱作農業的持續發展提供土壤水分依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

長武黃土高原農業生態試驗站(N35°14'，E107°40')位于陜西省長武縣長武塬上，海拔1 220m，屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，降水年際變化大，年內分布不均，多年平均降水578 mm，主要集中在7—9月，占全年降水總量的55%以上。年均氣溫9.1℃，＞10℃積溫3029℃，無霜期171 d。長武塬區為典型的雨養農業區，作物一年一熟。黃土堆積深厚，土壤為黑壚土，母質為中壤質馬蘭黃土，地下水埋深40—80 m。0—20 m黃土剖面田間持水率和凋萎濕度分別為(21.39±0.13)% 和(8.06±0.45)%［14］，土壤容重在1.23—1.44 g/cm3之間［18］，容重變化主要在0—1 m土層內，1 m以下土層容重變化較小，平均值為 1.3 g/cm3。

1.2 研究方法

選定長武站深剖面水分運動觀測場和鄰近蘋果林地測定土壤水分。深剖面水分觀測場建于2005年(之前為農田)，設3種土地利用方式樣地，分別為苜蓿草地、高產農田和裸地，農田輪作方式為冬小麥-冬小麥-春玉米。苜蓿草地、高產農田和裸地3塊樣地面積均為10 m×10 m。蘋果林地為1994年種植，面積約為2 000 m2，目前處于盛果期。具體土壤水分測定樣地見表1。土壤水分采用美國CPN公司生產的CNC503(DR)智能中子土壤水分儀測定，測定深度為15 m，0—1 m以10 cm為間隔測定1次，1—15 m以20 cm為間隔測定1次。每塊樣地在其中心位置處埋設一根中子儀管，根據長期監測實驗設計，土壤水分于每月19號測定。其中苜蓿草地、高產農田和裸地土壤水分測定時段為2009年4月至2011年10月，蘋果林地土壤水分測定時段為2009年11月至2011年10月。

表1 土壤水分測定樣地基本情況Table 1 General information on soil moisture plots

旱地土壤水量平衡計算式一般為:

式中，ΔW為土壤儲水量的變化量，P為降水量，U為向上進入蒸散作用層的毛管水流量，U為地面徑流量，D為向下排出蒸散作用層的水量，ET為蒸散量，以上各量均以水的厚度(mm)表示。在黃土塬區，水量平衡計算公式一般被簡化為下式:

式中符號意義同上。

土壤儲水量W計算公式為:

式中，W為一定厚度土壤內的儲水量(mm)，n為一定厚度土壤所劃分的層次數，θi為第i層土壤的體積含水量，hi為第i層土壤的厚度(mm)。

2 結果與討論

2.1 0—15 m土層土壤水分剖面特征

因數據量大，本文選擇幾個具有代表性的測定日數據繪制0—15m黃土剖面土壤水分垂直分布曲線，分別為2009年6月19日和11月19日，2010年6月19日和11月19日，2011年6月19日和10月19日(圖1)。之所以選擇這幾個測定日，是因為一年當中6月屬雨季到來之前，土壤水分含量處于低值;而11月前后雨季已過，土壤水分在土體中的再分配過程基本完成，是一個相對穩定的時期。2009年6月測定日有降雨，24h累積降水量2.8 mm，為無效降水;離測定水分時間最近的上一次降雨發生在11d前，降水量為7.4 mm。2009年11月測定日無降雨，離測定水分時間最近的上一次降雨發生在3d前，降水量為3.6 mm。2010年6月測定日無降雨，離測定水分時間最近的上一次降雨發生在12d前，降水量為26.2 mm。2010年11月測定日無降雨，離測定水分時間最近的上一次降雨發生在24d前，降水量為7.5 mm。2011年6月測定日無降雨，離測定水分時間最近的上一次降雨發生在2d前，降水量為5.1 mm。2011年10月測定日無降雨，離測定水分時間最近的上一次降雨發生在10d前，降水量為27.9 mm。

通過0—15m黃土剖面土壤水分垂直分布曲線可以看出，不同土地利用類型之間土壤水分剖面具有共同的特征，即剖面上部含水量隨時間變化劇烈，下部含水量時間變化較小。在干濕季明顯的季風條件下，黃土剖面上層土壤處于水分消耗、補充的交替過程之中，含水量波動劇烈，為干濕交替層［3］，不同土地利用方式干濕交替層深度范圍不同。圖1可知，裸地干濕交替層約在0—5 m土層，高產農田約在0—4 m土層，蘋果林地約在0—3.5 m土層，苜蓿草地約在0—2 m土層。干濕交替層以下黃土剖面，土壤含水量變化較小，可稱之為相對穩定層。土壤含水率在土壤剖面上的這種變化特征是由于降水量的年際差異(表2)和降水入滲深度的不同所造成，降水入滲深度不同包括同一土地利用類型下不同年份之間和不同土地利用方式之間入滲深度的差異。從圖1可以看出，苜蓿草地2 m以下土層土壤水分隨苜蓿年限增加而逐年減少，尤其是在約6—12m土層范圍內表現出了明顯年際變化，與Li等［3］的研究結論相符。其原因在于苜蓿根系直接吸水層超過10m深度［19］，能夠吸收利用深層土壤水分以滿足生長所需，因而2 m以下深層土壤水分在在苜蓿的強烈蒸騰耗水作用下逐年減少，但是其與干濕交替層水分變化相比，則相對穩定。

圖1 不同土地利用方式下土壤水分剖面Fig.1 Soil moisture profiles under different land use patterns

表2 研究區2007—2011年降水量Table 2 Annual precipitations from 2007 to 2011

2.2 土壤水分動態變化

土壤水分由于受氣候、土壤、利用方式等因素的影響，經常處于動態變化之中。干濕交替層因易受降水入滲補給、蒸散耗水的影響，其水分具有明顯的季節性波動變化特征。黃土高原在1a之中，土壤儲水量的變化可分為2個主要的時期，即雨季蓄水期(7—10月)和失水期(10月—翌年6月)［20］，蓄水期和失水期并無十分嚴格的時間界限，與雨季開始時間及持續時間長短有關。由圖2可以看出，裸地、苜蓿草地和蘋果林地干濕交替層內土壤儲水量具有相似的季節變化:因強烈的蒸騰蒸發作用，每年6月到7月期間土壤儲水量降至全年最低值，經過雨季降水補償，至10—11月期間土壤儲水量升至全年最高值。而高產農田干濕交替層土壤儲水量的季節變化與種植作物類型有關。冬小麥生育期處于當年雨季后和翌年雨季來臨之前的旱季，小麥種植后至3月底拔節前，土壤水分含量較高且穩定，3月底以后，土壤濕度逐層降低，至小麥收獲期，土壤儲水量降至全年最低值;雨季開始后，土壤水分逐漸恢復，恢復度受雨季降雨量影響。春玉米主要生長期與雨季吻合，雨季降水能滿足其生長發育的水分需求，因而干濕交替層內土壤儲水量季節變化平緩。

圖2 不同土地利用方式下土壤儲水量的動態變化Fig.2 Dynamics of soil water storage under different land use patterns

相對于干濕交替層，深層土層接受降水補給較少，其土壤水分狀況主要受植物利用影響，因而土壤儲水量動態變化較小，且不同土地利用方式下深層土壤水分有著不同的動態變化特征。裸地因整層土層濕潤，因而其深層土壤水分能夠得到降水補給，但是這種補給往往是在雨季結束后土壤水分的再分配過程中發生的，且補給量有限;因而與干濕交替層相比，裸地深層土壤儲水量的季節變化具有一定的滯后性(圖2)，且變化較小。高產農田深層土壤儲水量則基本不隨時間變化(圖2)，其原因有兩點:一是農作物根系較淺，對深層土壤水分利用有限;二是農田深層土壤水分接受降水補償有限。相關研究表明長武高產農田條件下，年降水入滲深度至3 m土層以下需要9.8a才能出現1次［21］，說明在絕大多數年份里高產農田深層土壤水分將不能得到降水補給。苜蓿具有極深的吸水根系，因而苜蓿能夠吸收深層土壤儲水以供生長之需。回歸分析顯示，苜蓿2—15m土層土壤儲水量與時間序列具有極顯著(P=0.01)的線性關系，其關系式為:

Y= －9.904 X+2940.3 (R2=0.958)(4)式中，Y為2—15 m土層土壤儲水量(mm)，X為時間(月)，2009年4月為第1次測定，2011年10月為第32次測定。表明隨著苜蓿生長年限延長，苜蓿草地深層土壤儲水量在研究時段內表現出了直線下降的趨勢(圖3)。從圖2可以看出，從2009年4月到2011年10月，苜蓿草地深層儲水量由2925 mm減少到2644mm，減少了281mm。同苜蓿一樣，蘋果樹亦具有較深的根系，但是蘋果林地在大約4—10 m土層已經形成了穩定的低濕層(圖1)，其深層儲水量在研究時段內由2380 mm減少到2323 mm，減少了57 mm，時間變化較小(圖2)。

圖3 苜蓿草地深層土壤儲水量變化Fig.3 The variation of soil water storage in deep soil layer of alfalfa grassland

2.3 土壤水分虧缺及土壤干層

在黃土地區，由于蒸發量大于降水量，地下水埋藏很深，致使土壤水分經常處于虧缺狀態。土壤水分虧缺量是指土壤儲水量與田間持水量之間的差額［22］。由圖1可知，高產農田土壤水分虧缺主要發生在10 m以上土層，虧缺量為309 mm，而苜蓿草地和蘋果林地在測定土層范圍內都發生了土壤水分虧缺，虧缺量分別為1146 mm和1057 mm。可以看出，人工林草地土壤水分虧缺，不論在影響深度還是在虧缺程度上都遠大于農田，這種虧缺是人工林草逐年吸取深層土壤水分以補充植被蒸散所需缺額造成。

高耗水人工林草的參與，使水分虧缺向深層土層發展，土壤水分處于負平衡之中，最終將在土體某一深度范圍形成厚度不等的低濕層——土壤干層［20］。土壤干層具有以下特點:一是土壤干層濕度介于萎蔫濕度和土壤穩定濕度之間;二是位于土體某一深度范圍內;三是干燥化程度因植物種類和生長年限而定［7，18］。研究區土壤穩定濕度為田間持水量的70%［23］，約為15%。從圖1可以看出，除裸地外，高產農田、苜蓿草地和蘋果林地均有土壤干層存在，所不同的是，高產農田下土壤干層為暫時性干層，分布土層范圍約為1—3 m，在豐水年里，該層內土壤水分將得到恢復［21］。而苜蓿草地和蘋果林地則已形成了持久性干層，具有較大的水分虧缺量和極深的干層厚度，因此即使在豐水年，此類干層也不能得到恢復。這種土壤干層，使深層土壤水庫調蓄水分作用減弱甚至消失，可能會對林草自身的生長和區域水分循環造成一定的影響［7］。

2.4 不同土地利用方式對深層土壤水分環境的影響

黃土塬區，不同土地利用方式下土壤中水分的儲量和分布，受植物耗水特征的影響而產生分異。從圖1可以看出，經過雨季降水補給，各土地利用方式下干濕交替層內土壤水分得到一定程度的恢復，接近或達到田間持水量，然而其深層土壤濕度剖面有很大差異。圖1中4類土地利用方式下土壤水分曲線可以分為3類:第1類為裸地，第2類為高產農田，第3類為苜蓿草地和蘋果林地。以2011年10月為例，利用方差分析來比較不同土地利用方式下0—15 m土層含水量，結果見表3。

表3 2011年10月不同土地利用方式下土壤含水量(平均值±標準差)/%Table 3 Soil water content under different land use patterns in October，2011(Mean± Standard Deviation)/%

裸地因無植被蒸騰耗水而整層濕潤，0—15 m剖面內平均濕度為23.1%，除13 m以下土層濕度稍低外，剖面其他部位均已達到或超過了田間持水量。因高產引起的高蒸散量，使得高產農田2—10 m土層土壤含水率極顯著低于裸地，表明高產農田對土壤水分環境影響深度已達10 m深度。研究區，高產作物根系直接吸水層約為0—3 m土層［3］，而3 m以下土壤儲水則是在土壤水勢梯度差的作用下向上運動，最終為農作物所消耗。高產農田0—15 m剖面內平均濕度為20.6%。由于蒸散需水量超過年降水量，苜蓿草地和蘋果林地引起了深層土層干燥化，干燥化土層已延至10 m以下深度。由表3可以看出，苜蓿草地和蘋果林地在2—15 m土層范圍內土壤含水率極顯著低于裸地和高產農田，說明了它們對土壤水分環境所能影響的深度。有研究表明，23a苜蓿草地干燥化土層已延伸至20 m以下土層［15］，因此可以認為隨著苜蓿年限的增加，其下干燥化土層將繼續向更深土層發展。研究區14a蘋果林地和32年蘋果林地在0—10 m土層內土壤水分分布相差不大［9］，表明14a以上的蘋果林地已形成了穩定的深層土壤干層，深層土壤水庫調蓄水分作用減弱，果樹蒸散所需水分主要依靠年度降水供應，其產量不可避免的隨年際降水變化而波動。以上分析表明，不同土地利用方式對深層土壤水環境影響具有極顯著的差異，其影響大小依次為苜蓿草地＞蘋果林地＞高產農田＞裸地。

2.5 不同土地利用方式下土壤水量平衡

水量平衡是說明生態系統功能和特征的重要指標之一。土壤水量平衡計算中，計算土體深度的選擇至關重要，深度選擇不當會給植物與水分關系研究帶來失真的結論，以致給闡述二者的關系帶來困難。以苜蓿草地為例，分別按2 m和15 m深度計算時，其在2009年11月至2011年10月間蒸散量分別為1091 mm和1310 mm，與同期降水量(1212 mm)分別相差121 mm和－98 mm，土壤水分收支狀況分別為正補償和負補償。為此，本文選擇了不同土體深度，利用公式2對不同土地利用方式下2009年11月至2011年10月的蒸散量進行了計算，結果如圖4所示。

圖4 計算深度對蒸散量計算結果的影響Fig.4 Influence of calculated thickness on calculated result for evapotranspiration

各土地利用方式下按照不同土體深度計算所得蒸散量具有明顯差異，原因在于各土地利用方式下蒸散作用層深度不同，其涉及到作物根系的吸水深度以及降水的入滲深度。通過對比一定時段內不同深度土壤水量平衡結果，則可初步確定水量平衡分析所需選擇的土體深度。從圖4可以看出，裸地和高產麥田蒸散量計算結果隨著計算深度增加而減小，所不同的是裸地至5 m深度后基本保持穩定，高產農田4 m深度后基本保持穩定。苜蓿草地和蘋果林地蒸散量計算結果首先隨著計算深度增加減小，在一定深度后又隨著計算深度增加而增加，至15 m深度時最大。苜蓿草地蒸散量計算結果在2 m深度后隨著計算深度增加而增加，其分別按2、5、10 m和15 m深度計算時，蒸散量分別為1091、1103、1233 mm和1310 mm，變化較大。蘋果林地蒸散量計算結果在4 m深度后隨著計算深度增加而增加，其分別按4、5、10 m和15 m深度計算時，蒸散量分別為1056、1059、1080 mm 和 1096 mm，變化不大。

可見，不同土地利用方式下進行水量平衡計算時選擇的計算深度應不同。對于裸地和高產農田，計算深度分別不宜小于5和4 m。而對于高耗水的苜蓿草地和蘋果林地，不同的生長階段所選計算深度也應不同。人工林草種植初期至旺盛期的一段時間，因土壤深處儲水豐富，能夠滿足植物生長所需水分要求，此時蘋果林地計算深度不宜小于10 m，苜蓿草地計算深度不宜小于15 m。隨著深層土壤水分的消耗，林草地下最終將會形成深厚而穩定的土壤干層，土壤水庫水分調節作用減弱，植物生長所需水分主要依靠年度降水供給，此時林草地計算深度可選取降水入滲深度為限。以1994年種植蘋果林為例，其按4 m深度以2a為時間尺度計算所得蒸散量為按15 m深度計算所得結果的96.3%，可見以降水入滲深度為計算深度對水量平衡分析結果影響不大。

3 結論

(1)不同土地利用方式下干濕交替層深度范圍有別，裸地、高產農田、苜蓿草地和蘋果林地分別約為0—5 m，0—4 m，0—2 m和0—3.5 m。受降水入滲補給、蒸散等因素影響，干濕交替層內土壤水分具有明顯的季節性波動變化特征;而干濕交替層以下深層土壤水分主要受土地利用影響，各土地利用方式下表現出不同的動態變化特征:裸地深層土壤儲水量的季節變化較干濕交替層具有一定的滯后性，且變化小;高產農田深層土壤儲水量基本不隨時間變化;苜蓿草地深層土壤儲水量隨苜蓿年限增加而具有直線下降特征;蘋果林地因具有穩定的深層土壤干層，其深層土壤儲水量隨時間變化較小。

(2)不同土地利用方式對深層土壤水環境影響具有極顯著差異，與裸地相比較，其影響大小依次為苜蓿草地＞蘋果林地＞高產農田。除裸地外，高產農田、苜蓿草地和蘋果林地均發生了土壤水分虧缺，并形成了土壤干層，所不同的是高產農田下土壤干層為暫時性干層，分布土層范圍約為1—3 m;而苜蓿草地和蘋果林地因對深層土壤水分的過度消耗，已形成了持久性干層，且干層已延至10 m以下土層。

(3)在黃土塬區進行水量平衡計算時，不同土地利用方式選擇的計算深度應不同，處于不同生長階段的高耗水林草所選計算深度也應不同。對于裸地和高產農田，計算深度不宜小于5和4 m。對于未形成深厚穩定土壤干層的苜蓿地和蘋果地來說，其計算深度不宜小于15 m和10 m;而對于已經形成穩定土壤干層的苜蓿地和蘋果地來說，進行年尺度的水量平衡分析時，其計算深度可取降水入滲深度。

處于不同生長階段的林草地對深層土壤水環境影響程度不同，其進行水量平衡計算時所需選擇深度亦不同，但是不同類型林草地形成深厚且穩定的土壤干層所需年限不同，土壤干層厚度亦不同，因而有關不同林草地下深層土壤干燥化發展過程是一個需要繼續長期觀測研究的科學問題。

致謝:感謝朱元俊老師對本文寫作的幫助。

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