深層干化土壤水分恢復試驗研究

田 璐 張敬曉 高建恩 董建國 汪有科

(1.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100； 2.中國科學院大學， 北京 100049；3.河北水利電力學院水利工程學院， 滄州 061000； 4.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

黃土高原位于我國腹地，是東南季風氣候向西北內陸干旱氣候過渡帶[1]，存儲于深厚黃土層中的土壤水對維持和調節植物的生長非常重要[2]。長期以來黃土高原一直面臨著水資源嚴重不足的問題[3]，大面積、高密度的人工林建設造成了土壤水分的嚴重虧缺，形成了土壤干層[4-5]。王志強等[6]最新研究表明，干層一旦形成，其土壤濕度就會處于穩定的低水平，且具有持久性，林后放牧荒坡土壤水分要恢復到持續放牧荒坡至少需要150年。孫劍等[5]研究表明，6年生苜蓿草地0～1 000 cm土壤水分恢復到當地土壤穩定濕度需要23.8年。干層的存在使樹木生長衰退，難以成林[7]；植被提早衰退，生長周期短，林下更新不良[8]；衰敗的草地重新造林難度更大[9-10]。棗樹由于耐旱、耐貧瘠、營養價值高等優點，在黃土丘陵區的種植規模不斷擴大，是該區域的支柱產業之一[11]。刺槐是黃土高原常見的造林樹種，長期種植會消耗深層土壤水分，形成干層[8]。多年來，眾多科研工作者為黃土高原區域保蓄土壤水分、提高土壤水分利用效率開展了大量的研究工作[12-14]。

國內外學者進行了許多關于不同覆蓋措施下土壤水分恢復的研究。文獻[15-18]研究發現，覆蓋措施能夠提高土壤水分的利用效率，可以抑制土壤水分的蒸發，增加降水入滲。但這些研究大部分是在有植物根系消耗土壤水分的情況下進行，不能反映無植物利用情況下不同覆蓋措施對土壤水分的影響，且很多是短期對土壤水分進行監測，鮮有對連續幾年覆蓋下土壤水分的恢復研究。本文在野外建造10 m深模擬干化土壤的大型土柱，以當地坡耕地為參照，分析不同覆蓋措施下土壤水分和儲水量的恢復情況，以及干化土壤中栽植棗樹與刺槐的耗水規律，綜合評價栽植植物和無植物情況下的深層干化土壤水分恢復特征，以期為該地區防治土壤干化的研究提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于陜西省米脂縣境內遠志山紅棗示范基地(37°40′～38°06′N，100°15′～110°16′E)，為典型黃土丘陵溝壑區；屬中溫帶半干旱性氣候，年平均氣溫8.4℃，最高氣溫38.2℃，最低氣溫-25.5℃。多年平均降雨量為450 mm，試驗期間年均降雨量為518.3 mm。土壤以黃土母質發育的黃綿土為主，質地為粉質沙壤土，容重1.29～1.31 g/cm3，田間持水率為22%。試驗區土層深厚，地下水埋深在50 m以下，對根系吸水影響可忽略。試驗地為前期栽植蘋果23年伐后再利用地，試驗土柱平均土壤體積含水率約7.5%，接近棗樹凋萎系數6.5%。試驗區附近坡耕地0～10 m土層平均含水率為15.3%，儲水量為1 526 mm。

2 試驗方法

2.1 樣地布設

圖1 不同覆蓋措施實體圖Fig.1 Entity pictures of different mulching measures

2014年5月在同一水平階地上建造18個直徑0.8 m、深10 m的大型土柱，間距1.6 m。分別設置裸地、石子覆蓋、樹枝覆蓋、薄膜覆蓋以及栽植棗樹、刺槐6個處理(圖1)，每個處理3個重復，覆蓋方式見表1。人工開挖后土柱內壁用防水塑料膜與周圍土層隔開，避免土柱內外水分的擴散以及周圍植物根系對水分的影響，上邊界為高出地面0.1 m的混凝土井圈，防止降雨流失，水分變化只通過蒸散和入滲完成。回填土經過均勻摻混后每隔30 cm踩實一次，盡量保持土壤的密實度與周圍實際原狀土壤一致。圖2a為土柱縱截面示意圖，圖2b為薄膜覆蓋方式縱截面示意圖。

表1 田間試驗設計Tab.1 Design of field experiment

圖2 土柱縱截面示意圖Fig.2 Sketches of vertical sections of soil column

2.2 氣象數據采集

利用小型綜合氣象觀測站(BLJW-4型)測定氣象數據。氣象站設有溫度和濕度傳感器、翻斗式雨量筒、風速儀和凈輻射傳感器，分別用來獲取環境溫度、環境濕度、降水量、風速和凈輻射值等氣象數據。數據采集器每隔30 min讀取數據一次。

2.3 土壤含水率測定

每個土柱中間位置安放10 m長鋁合金套管，利用CNC-503DR型中子土壤水分儀測定0～1 000 cm深度內的土壤含水率，每20 cm為一個測層。觀測期為2014年5月—2017年12月，其中2014年5月—2016年5月每10 d采集一次數據，本文中所用數據為每月月末所采集。2016年6月、2016年12月、2017年12月月末各采集一次數據定期對中子儀進行校準，土壤含水率均為體積含水率。

2.4 相關指標計算

土壤儲水量計算公式為

W=10θd

(1)

式中W——土壤儲水量，mm

θ——土壤體積含水率，%

d——土層厚度，cm

儲水量變化量計算公式為

ΔW=Wfinial-Winitial

(2)

式中 ΔW——儲水量變化量，mm

Winitial——計算時段初期土壤儲水量，mm

Wfinial——計算時段末期土壤儲水量，mm

試驗區植物蒸散量利用農田水量平衡法計算。試驗區植物為雨養，無灌水，無地下水補給，試驗期間未發生地表徑流，當植物耗水深度達到1 000 cm時停止對蒸散量的計算。因此，0～1 000 cm深度范圍內，植物蒸散量公式可簡化為

ET=Pr-ΔW

(3)

式中ET——植物蒸散量，mm

Pr——降雨量，mm

降雨貯存效率[19](Precipitation storage efficiency, PSE)為計算時段內儲水量變化量占降雨總量的百分比，即

(4)

式中IPSE——降雨貯存效率，%

為定量評價土壤水分恢復程度，比較各種覆蓋處理不同時期的土壤水分恢復能力，根據王美艷等[20]提出的土壤水分恢復度(Soil water restoration degree, SWR)的計算方法加以修改，將其定義為某土層已經恢復的土壤儲水量占應恢復土壤儲水量的百分比，公式為

(5)

式中ISWR——土壤水分恢復度，%

Wslopeland——坡耕地0～1 000 cm土壤儲水量，mm

2.5 數據處理

用Excel 2010進行數據預處理，采用Origin 9.0軟件進行繪圖。

3 結果與分析

3.1 不同覆蓋下土壤含水率變化

圖3 不同覆蓋措施各月0～1 000 cm土壤平均含水率 和降雨量Fig.3 Average soil water content in 0～1 000 cm soil depth of different mulching measures and monthly precipitation

圖4 不同覆蓋措施剖面土壤含水率年際分布圖Fig.4 Interannual distributions of soil water content of different mulching measures

圖3為各覆蓋措施試驗期間0～1 000 cm土壤平均含水率和各月降雨量。從圖中可看出，薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、裸地、棗樹以及刺槐的初始土壤含水率(2014年5月)接近，且均處于干化狀態(土壤含水率僅在7.5%左右)。經過2014年5月—2015年2月的水分積累，各覆蓋下的土壤含水率均有明顯提升，但已經出現不同覆蓋下的土壤水分差異。2014年是栽植棗樹與刺槐的第1年，栽植樹木以成活為主，生長量很小，所以生長耗水較小，因此土壤含水率在干化情況下還是略有增大，到2015年3月土壤含水率由大到小順序為薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、棗樹、裸地、刺槐。2015年3月刺槐開始萌發生長，其下的土壤含水率持續降低，5月棗樹開始萌發生長，其下的土壤含水率開始持續降低。5—9月是試驗區雨季，薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、裸地的土壤含水率整體呈上升趨勢，與降雨量變化趨勢貼近；5—9月是棗樹與刺槐生長最旺盛、耗水最大的時期，土壤含水率呈下降趨勢。刺槐土壤含水率小于棗樹土壤含水率，說明刺槐耗水量大于棗樹，3—6月刺槐含水率下降速率是棗樹下降速率的4倍，這個期間也是刺槐和棗樹耗水的主要時期。

至觀測期結束，薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、裸地土壤含水率持續上升，較初始含水率分別增大12.1%、8.5%、6.5%、5.2%，說明覆蓋措施能夠提高土壤含水率，薄膜覆蓋效果最好，石子覆蓋次之，樹枝覆蓋效果最差。棗樹土壤含水率較初始含水率上升0.2%，刺槐比初始含水率降低2.4%，說明試驗期間刺槐耗水大于棗樹耗水，種植刺槐比棗樹更加消耗土壤水分。

3.2 不同覆蓋下的土壤水分恢復狀況

通過上面分析可看出，除了栽植棗樹與刺槐，其他4個處理土壤含水率最高階段為11—12月，選取2014—2017年每年12月不同覆蓋措施0～1 000 cm深度各土層土壤含水率作土壤水分剖面分布曲線(圖4)，并且和就近的坡耕地土壤平均含水率(15.26%)及其實際含水率作比較分析，土壤含水率大于坡耕地含水率的土層稱為恢復層，視其土壤水分完全恢復。

從圖4可看出，薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、裸地2014年末入滲深度分別為420、320、260、200 cm，以坡耕地平均含水率為恢復目標的恢復層厚度分別為280、180、160、120 cm。2015年末各覆蓋措施入滲深度分別為720、500、340、320 cm，恢復層厚度在2014年的基礎上分別增加400、200、100、80 cm；到2016年底，薄膜覆蓋0～1 000 cm深度土壤水分完全恢復，完全恢復所需時長為3年，石子覆蓋入滲深度為840 cm，恢復層厚度為740 cm，較2015年增加260 cm，樹枝覆蓋入滲深度為600 cm，恢復層厚度為520 cm，較2015年增加260 cm，裸地入滲深度為460 cm，恢復層厚度為340 cm，較2015年增加140 cm；2017年薄膜覆蓋土壤含水率繼續增大，平均含水率達19.6%，石子覆蓋0～1 000 cm土壤水分完全恢復，完全恢復所需時長為4年，平均含水率達16%，樹枝覆蓋入滲深度達800 cm，恢復層厚度為700 cm，裸地入滲深度達580 cm，恢復層厚度為480 cm。圖中坡耕地實際土壤含水率在180～340 cm以及440～540 cm兩個深度范圍內出現兩個峰值，由于土柱中土壤顆粒組成比較均一，土壤含水率變化曲線沒有發生如此大的波動，因此在兩個波峰附近的土壤含水率與坡耕地實際含水率相差較大。至試驗期結束，以坡耕地實際含水率及其平均含水率為參考得出的薄膜覆蓋與石子覆蓋恢復深度一致，均為1 000 cm，樹枝覆蓋恢復深度為700 cm，裸地恢復深度為480 cm。

整個觀測期內，薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋以及裸地的土壤水分恢復深度逐年增大，且每年的恢復層厚度變化量由大到小均為薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、裸地。土壤水分入滲過程體現為上部高含水土層土壤含水率的降低，下層低含水土層土壤含水率的升高以及入滲深度的增加，且土壤水分入滲過程中存在滯后效應，因此各覆蓋措施入滲深度均大于恢復深度。

黃土高原干旱環境條件下，降雨不足以滿足人工植物生長耗水時，為維持其正常生長，需從深層土壤吸收水分，導致土壤干化程度加劇。觀測期內棗樹土壤含水率變化范圍在0～300 cm深度，300 cm以下土壤含水率基本保持在2014年的水平沒有發生變化，說明4年生棗樹根系沒有到達300 cm以下；2014年刺槐土壤含水率在0～140 cm范圍內有所增大，隨樹齡增加，耗水深度不斷增加，導致耗水層逐漸下移，2015年12月耗水深度已達720 cm，0～1 000 cm土層平均土壤含水率由初始的7.7%降低到6.6%；2016年底，耗水深度達1 000 cm，平均土壤含水率約為5.2%；2017年深層土壤含水率與2016年基本相同，說明土壤儲藏水分已經不能利用，在0～1 000 cm深度范圍內消耗的只有當年降雨量。由于土柱底部未密封，監測深度只有1 000 cm，因此刺槐根系是否消耗1 000 cm以下土壤水分還需做進一步研究。

綜上，4種覆蓋措施對土壤水分恢復效果最好的為薄膜覆蓋，其次是石子覆蓋、樹枝覆蓋，裸地恢復效果最差；在干化土壤上種植棗樹，其干化程度基本不變，刺槐使土壤水分虧缺狀態更加嚴重，說明棗樹比刺槐更適合在當地種植。

3.3 不同覆蓋下土壤儲水量及降雨貯存效率變化

表2為2014年5月—2017年12月不同覆蓋措施0～1 000 cm深度儲水量變化量、降雨貯存效率及土壤水分恢復度。從表中可看出，薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、裸地的土壤儲水量增量均為正值，說明土壤儲水量逐年增大，且每年的儲水增加量以及降雨貯存效率由大到小均表現為薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、裸地。到2017年末薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、裸地土壤儲水量分別增大1 211.4、853.4、662.5、523.2 mm；薄膜覆蓋儲水量總增量分別是裸地、石子覆蓋、樹枝覆蓋的2.3、1.4、1.8倍。試驗區2014年5—12月降雨總量為428 mm，2015年降雨總量為434.8 mm，2016年降雨總量為590.8 mm，2017年降雨總量為619.6 mm，年均降雨量為518.3 mm。2017年降雨量最大，但薄膜覆蓋與石子覆蓋土壤儲水量以及降雨貯存效率較2016年小，原因在于2016年底薄膜覆蓋土壤水分入滲深度達1 000 cm，石子覆蓋2016—2017年間入滲深度達1 000 cm(圖4)，且土柱底部未密封，當水分入滲深度超過1 000 cm后會繼續向下運移，監測到的土壤儲水量減小，降雨貯存效率減小。因此薄膜覆蓋全年平均降雨貯存效率為63.4%，石子覆蓋全年平均降雨貯存效率為42.4%。樹枝覆蓋與裸地在觀測期內土壤水分入滲深度未達到1 000 cm，因此樹枝覆蓋全年平均降雨貯存效率為29.4%，裸地為23.0%。

表2 不同覆蓋措施0～1 000 cm土壤儲水量變化量、降雨貯存效率及土壤水分恢復度Tab.2 Variation of soil water storage in 0～1 000 cm soil depth and precipitation storage efficiency and soil water restoration of different mulching measures

由圖4可知，2017年底棗樹耗水深度未達1 000 cm，土壤儲水量增加17.8 mm，棗樹2015—2017年年均蒸散量為586.4 mm，大于試驗期年均降雨量，到2017年末棗樹高146 cm，冠幅為73.8 cm×88.2 cm。2016年底刺槐耗水深度超過1 000 cm,其2015—2016年年均蒸散量為666.5 mm，是棗樹的1.1倍，顯著大于試驗期年均降雨量。為滿足生長需消耗一部分土壤水分，當土壤含水率降低到4.8%(圖4)左右時不再降低，之后生長依靠降雨和更深層土壤水分；2017年末，刺槐土壤儲水量減小235.7 mm，2017年監測到其蒸散量為608.8 mm，顯著低于2015—2016年蒸散量，且小于當年降雨量，但生命力旺盛,樹高480 cm，冠幅為189.3 cm×197.4 cm。

到2017年底，薄膜覆蓋恢復度為155.6%，石子覆蓋恢復度為110.1%，土壤水分完全恢復，樹枝覆蓋恢復度為86.3%，裸地為67.6%，樹枝覆蓋與裸地土壤水分要完全恢復分別還需1年和3年時間，總時長約需5年和7年。棗樹降雨貯存效率為-8.5%，顯著大于刺槐的降雨貯存效率-20.3%。

4 討論

本試驗在模擬干化土壤的基礎上，研究在自然降雨條件下薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、栽植棗樹、刺槐以及裸地的土壤含水率變化情況。室內由于空間和操作限制，土柱體積不夠大，且水分補充與蒸發條件也不能完全與野外吻合，對于研究土壤水分恢復狀況的真實性有較大距離，野外建造土柱更符合實際情況。

土壤干化是由于自然降水、土壤儲水以及作物耗水關系失衡導致的，其結果為土壤水庫儲水量顯著降低[21]。眾多學者[22-26]對干化土壤水分恢復研究發現，在自然條件下土壤水分恢復年限較長，且土壤水分入滲深度較淺，但這些研究多在考慮自然情況下有植物生存耗水問題，所以恢復時間較長，本研究結果主要體現了沒有植物繼續耗水情況下的干化土壤恢復特點，結果顯示在全年地表覆蓋下，薄膜覆蓋0～1 000 cm土壤水分完全恢復至當地坡耕地水平需要3年時間，石子覆蓋需要4年，樹枝覆蓋需要5年，裸地需要7年。說明沒有植物耗水情況下干化土壤水分恢復很快，這個結果較以往研究更樂觀，也為今后干化土壤水分恢復提供了新途徑。

前人研究中對于土壤干層劃分的標準并不一致[27]，干化土壤濕度上限為土壤穩定持水率[28]，土壤穩定持水率在數值上相當于田間持水率50%～80%[29]，常見的是將田間最大持水率的60%作為劃分土壤干層的指標[30]。坡耕地0～200 cm由于地表耕作及土面蒸發等作用土壤含水率較小，但該層水分經過降雨可以很快修復，屬于臨時性干層[27]，200 cm以下土壤含水率均大于田間最大持水率的50%，因此認為試驗區坡耕地土壤沒有干化現象，坡耕地平均含水率(15.3%)大于田間最大持水率的60%(13.2%)，所以按均值分析的土壤水分恢復狀況較按田間最大持水率的60%恢復狀況好，兩者的恢復深度結果差異不大。張文飛等[31]研究表明，坡耕地土壤含水率由于不同深度土壤顆粒組成不同，在垂直方向上土壤含水率有一定幅度的變化，但由于土柱內的土壤是回填土，在回填過程中進行了充分混勻，其土壤顆粒組成相對均一，土壤含水率變化波動較小，因此以坡耕地平均土壤含水率為恢復目標。李玉山[28]曾用直線表示農地的田間持水率，用以說明森林中土壤干層的存在。WANG等[32]也曾用一年生棗樹0～1 000 cm平均土壤含水率為基準確定多年生棗樹根系分布深度，效果較好。以坡耕地實際土壤含水率為恢復目標得出的最終恢復深度與以其平均土壤含水率為恢復目標得出的最終恢復深度差異不大，恢復度相同。

在以天然降雨為土壤水分唯一補給源的黃土高原丘陵溝壑區，降雨相對不足，林地土壤水分長期處于負平衡，隨植物的生長和林齡的增大，土壤干化程度加劇[33]。本研究也表明了這一現象，到2015年棗樹與刺槐樹體恢復正常生長，生育期由于蒸散量較大，造成土壤含水率降低。當淺層土壤水分消耗殆盡，植物根系繼續向下延伸，深層土壤儲水不斷消耗，造成深層土壤更加干化。針對在降水不足的半干旱黃土丘陵區棗樹高耗水情況，汪有科等[34]提出節水型修剪技術，提高棗樹水分利用效率，研究結果表明節水型修剪能夠有效提高水分利用效率，證明節水型修剪技術在生產中具有較好的應用價值。

本研究發現，在干化土壤中栽植的棗樹與刺槐能夠正常生長，且棗樹耗水小于試驗期年均降雨量，說明在前期干化土壤中再造植被仍然可行。但刺槐具有發達的垂直和水平根系，對深層土壤水分消耗強烈，加劇土壤干化程度，刺槐林下土壤含水率在4.8%左右，這樣低的土壤含水率是否仍然可以再造其他植被，需要后續更多試驗研究驗證。考慮到植被耗水狀況對土壤干化程度的影響，建議在造林時考慮結合降雨造林，在半干旱區選擇像棗樹類耗水較小的樹種。

5 結論

(1)以坡耕地0～1 000 cm平均土壤含水率為恢復目標，薄膜覆蓋土壤含水率經過3年全部恢復，石子覆蓋經過4年全部恢復，樹枝覆蓋土壤水分經過4年入滲深度達800 cm，恢復層厚度為700 cm，完全恢復需要5年時間，裸地經過4年入滲深度達580 cm，恢復層厚度為480 cm，完全恢復需要7年時間。以坡耕地0～1 000 cm實際土壤含水率為恢復目標，薄膜覆蓋與石子覆蓋在恢復深度上一致，樹枝覆蓋恢復深度為740 cm，裸地恢復深度為440 cm，以儲水量計算的恢復度兩者結果一致。總體來看，沒有植物情況下深達1 000 cm的干化土壤在短期內可以得到較好的恢復。

(2)薄膜覆蓋、石子覆蓋、樹枝覆蓋、裸地、棗樹、刺槐0～1 000 cm土壤儲水量增加量分別為1 211.4、853.4、662.5、523.2、17.8、-235.7 mm，全年覆蓋降雨貯存效率分別為63.4%、42.4%、29.4%、23.0%、-8.5%、-20.3%，土壤水分恢復度分別為155.6%、110.1%、86.3%、67.6%、2.3%、-31.2%。

(3)4年生棗樹耗水深度在0～300 cm范圍內，300 cm以下土壤含水率幾乎不發生變化，4年生刺槐耗水深度超過1 000 cm。棗樹年均蒸散量為586.4 mm，年均降雨能夠滿足棗樹生長需水。刺槐年均蒸散量為666.5 mm，是棗樹的1.1倍，年均降雨不能滿足其生長需水，需消耗土壤水分。當刺槐林下土壤含水率降低到4.8%左右時不再變化，棗樹土壤水分略有恢復，種植刺槐導致土壤更加干燥。