黃河中段不同河流階地棗樹林土壤水分的特征

張鵬飛,鈔錦龍,戴燕燕,趙景波

(1.太原師范學院 地理科學學院,山西 太原 030619;2.陜西師范大學 地理科學與旅游學院,陜西 西安 710119)

黃河是中華文明的搖籃,又被稱為中國的“母親河”,黃河有著復雜的發育歷史。黃河全程流經多個不同的地質構造單元與氣候類型區,因此分段研究成為了解黃河的重要手段之一[1-2]。河流階地是流域內氣候變化與水文最可靠、最直接的信息載體之一。河流階地所形成的平臺往往是人類聚居、工程建設的主要場所,因此對其研究也關系到人類自身的切身利益[3-4]。黃河中段特別是晉陜峽谷地處黃土高原生態脆弱區[5],研究該區土壤含水量及其對植被的影響是非常有必要的。水分是影響植物生長的重要因素,只有持續地供給植物水分、養分,植物才可以繁衍生長[6]。因此,土壤水分含量高低是影響河流階地經濟林發展的重要因素。由于河流階地靠近河流,因此其位置的特殊性使得研究者容易忽視對河流階地土壤水分的研究。前人對黃河河流階地做了大量的研究,但大多關注黃河河流階地的演化、發育和構造等方面[7-10],對黃河河流階地土壤水分方面的研究很少。

黃河晉陜峽谷生態環境脆弱,社會發展基礎落后,貧困區域達到90%以上,是全國經濟發展的低谷區[5]。黃河晉陜峽谷是我國紅棗的最佳優生區之一,也是我國五大紅棗產區之一。紅棗產業為該區域主導產業之一,峽谷兩岸紅棗種植面積達到30萬hm2以上,正常年景紅棗產量在20萬t以上,占全國產量的25%～30%[11]。

綜上所述,研究黃河河流階地棗樹林土壤水分狀況對該區經濟發展有一定的支持作用,對棗樹種植和發展有一定的指導意義。

1 研究區概況與試驗方法

黃河中游河段在地理位置上界定為內蒙古托克托縣河口鎮至河南孟津之間,全長1206 km,流域面積廣闊,約占全流域面積的46%。該區域年降水量由東南向西北遞增,夏季降水集中,全年降水量的3/5到4/5集中在6～9月。春季尤為干旱,常有沙塵暴發生。

2018年8月中旬,在臨縣克虎鎮采集了土壤含水量樣品。采樣點位于佳臨黃河大橋向西約1000 m處,在黃河北側,鄉村公路與河床之間,公路高出河面常水位約20 m。由公路到河床分別選取了兩個不同梯度的河流階地(一級階地、二級階地),共選取了3個采樣點,其中在二級階地選取了2個采樣點(A和B),在一級階地選取了1個采樣點(C)。A采樣點距離河床直線距離約260 m,高出河面常水位6～7 m,距公路直線距離約80 m,采集剖面共3個,分別為A1、A2和A3。A1剖面深度為5.3 m;A2剖面深度為5.5 m;A3剖面深度為3.8 m。A采樣點剖面通常打到很難再打下去為止。B采樣點距離河床直線距離約130 m,高出河面常水位約5 m,距公路直線距離約200 m,采集剖面3個,分別為B1、B2和B3。3個剖面的深度均為5 m。C采樣點距離河床直線距離約50 m,高出河面常水位約2 m,距公路直線距離約300 m,采集剖面3個,分別為C1、C2和C3。3個剖面的深度均為3.1 m,其中C1和C2采樣點均到達地下水層。在各采樣點均為年代混雜的棗樹林,樹齡為10～60年,樹間距為3～5 m。林下植被以人工種植作物為主,有玉米、花生、大豆、蔬菜等。剖面樣品采集利用輕型人力鉆,每10 cm采集1個樣品,同一采樣點3個剖面的水平間距大于20 m。

土壤含水量的測定采用烘干稱重法,樣品在采樣現場用電子天平稱量濕土重(W1),然后使用兩層塑料袋密封,帶回實驗室進行烘干,稱量干土重(W2)。烘干溫度為105 ℃,烘干時間在24 h以上,直到樣品中的水分全部被蒸發掉為止。土壤含水量的計算公式為:

上式中：Q為樣品的土壤含水量(%)；W1為濕土重(g)；W2為干土重(g)。

2 結果與分析

2.1 A采樣點土壤水分含量分析

根據A采樣點3個鉆孔剖面土壤含水量結果(圖1)可知,A1剖面平均含水量為10.92%,變化范圍在4.60%～22.59%。根據含水量從上到下的變化,可將A1剖面分為3層：第1層0.0～1.9 m，平均含水量為12.47%；第2層2.0～3.9 m,平均含水量為10.54%;第3層4.0～5.3 m,平均含水量為9.36%。A2剖面的平均含水量為11.50%,變化范圍為5.25%～21.44%。根據含水量從上到下的變化,可將A2剖面分為3層:第1層0.0～1.9 m,平均含水量為14.07%;第2層2.0～3.9 m,平均含水量為9.87%;第3層4.0～5.5 m,平均含水量為10.82%。A3剖面的平均含水量為11.39%,變化范圍為5.26%～18.72%。根據含水量從上到下的變化,可將A3剖面分為2層:第1層0.0～1.9 m,平均含水量為11.24%;第2層2.0～3.8 m,平均含水量為14.10%。A采樣點3個剖面平均含水量為11.39%,變化范圍為4.60%～22.59%。第1層0.0～1.9 m,平均含水量為12.59%;第2層2.0～3.9 m,平均含水量為11.47%;第3層4.0～5.0 m,平均含水量為10.09%。

圖1 A采樣點各剖面土壤含水量曲線

2.2 B采樣點土壤水分含量分析

根據B采樣點3個鉆孔剖面土壤含水量結果(圖2)可知,B1剖面平均含水量為6.03%,變化范圍為2.08%～15.74%。根據含水量從上到下的變化,可將B1剖面分為3層:第1層0.0～1.9 m,平均含水量為5.72%;第2層2.0～3.9 m,平均含水量為5.11%;第3層4.0～5.0 m,平均含水量為8.26%。B2剖面平均含水量為6.18%,變化范圍為2.30%～11.20%。根據含水量從上到下的變化,可將B2剖面分為3層:第1層0.0～1.9 m,平均含水量為6.07%;第2層2.0～3.9 m,平均含水量為5.36%;第3層4.0～5.0 m,平均含水量為7.84%。B3剖面平均含水量為7.77%,變化范圍為3.55%～20.09%。根據含水量從上到下的變化,可將B3剖面分為3層:第1層0.0～1.9 m,平均含水量為6.57%;第2層2.0～3.9 m,平均含水量為7.65%;第3層4.0～5.0 m,平均含水量為10.03%。B采樣點3個剖面平均含水量為6.66%,變化范圍為2.08%～15.74%。第1層0.0～1.9 m,平均含水量為6.12%;第2層2.0～3.9 m,平均含水量為6.04%;第3層4.0～5.0 m,平均含水量為8.71%。

圖2 B采樣點各剖面土壤含水量曲線

2.3 C采樣點土壤水分含量分析

根據C采樣點3個鉆孔剖面土壤含水量結果(圖3)可知,C1剖面平均含水量為13.86%,變化范圍為3.47%～28.93%。根據含水量從上到下的變化,可將C1剖面分為2層:第1層0.0～1.9 m,平均含水量為7.69%;第2層2.0～3.1 m,平均含水量為23.62%。C2剖面平均含水量為15.67%,變化范圍在2.37%～27.97%。根據含水量從上到下的變化,可將C2剖面分為2層:第1層0.0～1.9 m,平均含水量為10.11%;第2層2.0～3.1 m,平均含水量為24.48%。C3剖面平均含水量為8.47%,變化范圍為3.04%～18.40%。根據含水量從上到下的變化,可將C3剖面分為2層:第1層0.0～1.9 m,平均含水量為8.01%;第2層2.0～3.1 m,平均含水量為9.02%。C采樣點3個剖面平均含水量為12.64%,變化范圍為2.37%～28.93%。第1層0.0～1.9 m,平均含水量為8.60%;第2層2.0～3.1 m,平均含水量為19.04%。

圖3 C采樣點各剖面土壤含水量曲線

3 討論

3.1 不同河流階地干層發育的強度變化與分布深度

王力等[12]在對陜北延安一帶的研究中,將干層初步劃分為3級:輕度干層,含水量為9%～12%;中度干層,含水量為6%～9%;嚴重干層,含水量在6%以下,最低可達死亡濕度。上部2 m土層的干層為臨時性干層,易受蒸發作用的影響而變干,也易得到大氣降水的較快補充而恢復,所以上部2 m土層的變干為暫時性的,通常不叫土壤干層。而2 m以下的干層不易得到降水補充,因此干層不易恢復,所以干層一旦形成,往往經過若干年也不能恢復,屬于永久性干層[12]。

過去對黃河中段河流階地土壤干層發育等級差異與分布深度變化的研究很少。根據以上分析,并結合本研究各采樣點土壤含水量測定結果可知,河流二級階地A采樣點除A3剖面以外,各剖面2.0～3.9 m和4.0～5.5 m土層中土壤含水量平均值均在9%～12%,發育了輕度干層。B采樣點B1和B2剖面在2.0～3.9 m土層中土壤含水量平均值均低于6%,發育了嚴重干層;B3剖面在2.0～3.9 m土層中土壤含水量平均值為7.65%,也發育了中度干層;而4.0～5.0 m土層中除B3剖面發育了輕度干層外,其余2個剖面均發育了中度干層。位于一級階地的C采樣點除C3剖面在2.0～3.1 m土層中發育了輕度干層外,其余2個剖面均無干層發育。

以上結果表明,黃河中段河流二級階地2.0～5.0 m土層均有干層發育,而河流一級階地2.0 m以下土層中無干層發育。另外,在二級階地中,靠近山丘的采樣點(A采樣點)干層為輕度干層,而遠離山丘的采樣點(B采樣點)已發育為中度及嚴重干層。以上結果可能是由以下兩方面原因造成的：一方面由于河流階地的成因,A采樣點位于河流二級階地遠離河床位置；B采樣點同樣居于二級階地,但距離河床相對于A采樣點近了130 m左右；C采樣點位于黃河一級階地。根據洪水帶來泥沙的沉積規律,若同一河流階地的洪水深度高，則形成的河漫灘相沉積物粒度粗,反之,則粒度細[13]。因此,在同一次洪水過程中,A采樣點的洪水深度小于B采樣點,所以A采樣點沉積物組成成分粒度細,持水能力強于B采樣點。C采樣點位于黃河一級階地,剖面下層接近地下水,因此水分含量高。另一方面由于水分補給的原因,A采樣點靠近山丘,易于受到山坡地表徑流及地下徑流的補給。而B采樣點遠離山丘,水分補給主要來自大氣降水。

3.2 不同河流階地土壤水分有效性類型分析

前人的研究認為土壤水分含量的變化有3個轉折點,分別為凋萎濕度、生長阻滯持水量和田間持水量[14]。凋萎濕度一般確定為植物葉片開始出現萎縮時的土壤含水量。田間持水量為土壤能夠穩定保持的最高土壤含水量。本研究區的穩定凋萎濕度和田間持水量分別為6.0%和20.0%[15]。布雷迪[16]把田間持水量和穩定凋萎濕度之間的水分含量稱為有效水。但即使土壤含水率在有效水范圍內,植物吸收利用土壤水分也存在著難易差異[17]。劉增文等[18]根據植物吸收土壤水分的難易程度,將土壤有效水劃分為難效水、中效水和易效水3個等級。難效水指凋萎濕度到生長阻滯持水量；土壤水中的難效水雖能夠被植物吸收利用,但其根系從土壤中吸收水分需要克服較大基質吸力,從而在一定程度上阻滯植物的生長。中效水指田間持水量的60%～80%；植物吸收利用中效水,在一定程度上受土水勢的影響。易效水指田間持水量的80%以上；土壤基質對易效水的吸力較弱,這部分水容易被植物吸收利用,一般不會對植物的生長發育造成水分脅迫[17]。結合本研究實際情況，將黃河中段土壤水分有效性劃分為5個等級(表1)

結合上述土壤水分有效性等級的劃分,對研究區一、二級階地3個采樣點土壤水分的有效性進行分析。結果表明A采樣點2.0 m以下土層的土壤水分基本上都處于難效水狀態(圖4),棗樹林吸收土壤水分都會受到不同程度的抑制,這對棗樹林的生長及紅棗產量都有一定的不利影響。然而,A采樣點的難效水接近中效水,若對該區棗樹林進行合理的管理,則該區域的難效水也可能成為中效水。B采樣點各土層的土壤水分大部分已處于無效水狀態,表明該區域已不適合進行經濟林的種植。C采樣點2.0 m以下土層的土壤水分為中效水、易效水及重力水,能夠滿足棗樹林對水分的吸收利用。所以河流一級階地適于大規模擴大棗樹林的種植。

表1 黃河中段土壤水分有效性的分級[18]

圖4 各采樣點土壤水平均含量及有效性

3.3 不同河流階地土壤水分平衡與水分循環

水分循環的過程包含蒸發、植被蒸騰、水汽輸送、降水形成地表徑流或下滲形成地下徑流，最后流入江河湖海或成為地下水[19]。土壤水分的平衡包含正平衡與負平衡,以黃土高原為例,黃土高原人工林在年降水量600 mm的條件下,土壤水分處于平衡狀態[15],若降水量大于600 mm則處于正平衡狀態,若小于600 mm則處于負平衡狀態。正平衡狀態表明大氣降水與土壤水較充足,每年有多余的水分轉化成為地下水[20]。雖然本研究未能精準測定各項指標來判定水分平衡狀況,但可利用土壤干層的發育情況來推斷土壤水分平衡與否[21-22]。本研究區二級階地各采樣點均有干層發育,說明研究區二級階地土壤水分輸出量大于輸入量,同時表明二級階地土壤水分處于負平衡狀態,也就是說大氣降水經過蒸發、蒸騰、植物葉片截留和地表徑流損失之后,已沒有多余的水分通過土壤滲入地下。然而,C采樣點無干層發育,說明研究區一級階地土壤水分輸入量大于輸出量,也就是說一級階地土壤水分處于正平衡狀態。

二級階地土壤水分的負平衡表明,正常大氣降水補給地下水的環節被切斷,使大氣降水只能轉化成為位于地表的土壤水,所以該區的地下水基本上不參與水分循環,而以地表水循環為主,形成了大氣-植物—地表徑流—土壤的水氣循環模式,屬于異常的水分循環類型。因此,二級階地棗樹林干層的出現,影響了正常的水循環,長期發展下去會導致該區地下水位的持續下降和地下水資源缺乏[20]。一級階地土壤水分為正平衡,表明正常的大氣降水能夠很好地補給地下水,在一級階地入滲到土壤中的大氣降水的去向可分為3個部分：一部分以植物蒸騰、土壤蒸發的形式再回到大氣;一部分被植物吸收利用;一部分滲入地下,成為地下徑流,形成了大氣—植物—地表徑流—土壤—地下水的水氣循環模式,屬于正常的水分循環類型。因此,一級階地適于經濟林特別是棗樹的大規模種植,但需要合理規劃,保持土壤水分,以滿足植被用水的需要,更好地發揮其生態、經濟效益。

4 結論

黃河中段河流二級階地2.0～5.0 m土層均有干層發育,而河流一級階地2.0 m以下土層中無干層發育。在二級階地中,靠近山丘的采樣點(A采樣點)干層為輕度干層,遠離山丘的采樣點(B采樣點)已發育中度及嚴重干層。

黃河中段二級階地靠近山丘的采樣點(A采樣點)2.0 m以下土層土壤水分基本上為難效水,不利于棗樹林吸收土壤水分。B采樣點各土層土壤水分大部分已處于無效水狀態,該區域已不適于經濟林的種植。一級階地C采樣點2.0 m以下土層土壤水分為中效水及易效水,能夠滿足棗樹林對水分的吸收利用。

黃河中段二級階地土壤水分輸出量大于輸入量,處于負平衡狀態,水分循環類型主要為地表水循環,屬于異常的水分循環。研究區一級階地土壤水分輸入量大于輸出量,處于正平衡狀態,形成了大氣—植物—地表徑流—土壤—地下水的水氣循環模式,屬于正常的水分循環類型。因此,一級階地適于經濟林特別是棗樹的大規模種植。