土地利用變化對土壤水補給來源影響研究

蓋浩琪,石培君,李 志

(西北農林科技大學資源環境學院,陜西 楊凌 712100)

土壤水作為水循環中的重要組成部分是聯系降水、植被和地下水的重要介質,對植物生長和地下水補給具有重要作用[1-3]。黃土高原是全球黃土分布最廣和最厚的區域,深厚非飽和帶儲存了巨大的“土壤水庫”,為農業生產和經濟發展提供了重要水源[1,4]。然而,退耕還林還草工程導致土地利用類型發生了巨大變化,對土壤水產生了重要影響[5-6],例如土地利用方式轉變減小了土壤儲水量,尤其是深根植被的引入會導致深層土壤水嚴重虧缺,逐漸形成穩定的土壤干層,加劇了區域水資源短缺危機[7-9]。但土地利用變化導致的土壤水虧缺能否恢復?如果深層土壤水能夠被補給,其水源特征如何?這些問題都不清楚。因此,亟需明確土壤水補給機制及其對土地利用變化的響應,從而促進植被和水資源利用的可持續管理。

目前多采用動態監測方法以確定土壤水補給來源,而此方法需長期觀測才能獲得足夠數據[10];另外,深厚非飽和帶土壤水運動緩慢,進一步增加了監測難度。同位素示蹤法在大氣水汽來源識別、土壤水和地下水補給機制確定方面具有顯著優勢[11-12],為土壤水運動機制研究奠定了基礎。不同種類同位素的優點和應用范圍不同,如氫氧穩定同位素可有效識別土壤水來源和估算土壤蒸發損失[5,13],而放射性同位素可準確量化土壤水年齡和深層滲漏[12,14-15]。因此,聯合使用氫氧穩定和放射性同位素,更有利于研究土壤水在深厚包氣帶中的運動過程。

本研究以黃土區長武塬為研究區域,聯合使用氫氧穩定同位素和氚同位素,探究土壤水補給機制,進而明確土地利用變化對土壤水補給的影響,以期為該區域水資源合理利用與管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國科學院長武農業生態試驗站(35°28′N,107°88′E),為典型的黃土塬區,位于黃土高原南部,地勢平坦。屬于西北內陸暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區,年均日照時數2 226.5 h,年均氣溫9.1℃,年均降水量581.0 mm[11],大多集中于7—9月,占年降水量的55%以上。地下水位埋深84 m[16]。研究區黃土深厚,主要土壤類型是粘黑壚土,母質為中壤質馬蘭黃土[17],土壤田間持水量22.5%,穩定濕度15.5%,凋萎濕度8.5%[18-19]。該地區以旱作農業為主,多數區域無灌溉;農地多為玉米和小麥輪作,自20世紀80年代以來大量轉變為蘋果園。

1.2 樣品采集與分析

基于樣點配對法選取三塊距離較近的樣地,分別為農地、18 a和26 a蘋果園,蘋果園均由農地轉化而來。三塊樣地土壤和水文氣象等條件相似,均無灌溉,樣地間土壤水的差異充分體現了土地利用變化的影響。2020年6月采用人工土鉆法采集土壤樣品,農地和26 a蘋果園采樣深度均為20 m、18 a蘋果園采樣深度為15 m,采樣間隔為0.2 m。收集的土樣除去根系雜物后,一部分裝入鋁盒用于土壤水含量的測定[20];剩余部分裝入250 mL聚乙二烯塑料瓶中,用Parafilm封口膜密封防止蒸發,冷藏避光保存用于土壤水提取。

2013—2019年,長武農業生態實驗站采用雨量計收集日降水樣品,水樣保存在150 mL聚乙烯塑料瓶中,并在4℃下冷藏供進一步分析[11]。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤水含量 采用烘干法測定。采樣當天,先稱量裝有原狀土的鋁盒,再將鋁盒放入烘箱,105℃下烘8 h至恒重,再次稱量,記錄鋁盒及樣品的總重量,計算土壤含水量(式1)：

(1)

式中,SMi為第i層土壤水含量(g·g-1);WWi、DWi分別為第i層土壤樣品濕重和干重(g);AWi為鋁盒質量(g)。

1.3.2 同位素含量 運用真空冷凝抽提系統(LI-2100,ABB,USA)抽提土壤水,將抽提的水分用0.22 μm濾頭過濾,去除雜質后轉移到1.5 mL玻璃瓶低溫保存。通過液態水同位素分析儀(LGR GLA431-TLWIA,ABB,USA)測定δ2H、δ18O,精度分別為±0.2‰和±0.03‰,測定結果為維也納標準平均海水(VSMOW)對應的千分差值式(2)。此后,按水樣∶閃爍液=8∶12的比例配置樣本,使用液體閃爍計數器(Quantulus 1220,Perkin Elmer,Singapore)測定土壤樣品中氚含量,檢出限為2.0 TU[21]。

(2)

式中,δ為同位素比值,即元素重同位素豐度與輕同位素豐度之比;Rsample、Rreference分別為水樣和維也納標準平均海水18O、2H的濃度。

1.4 土壤蒸發效應分析

為定性分析不同土地利用方式下蒸發效應強弱,引入降水偏移量(PO),該指標能夠區分平衡分餾(如蒸汽的凝結)和非平衡分餾下的水文過程(如蒸發)。降水偏移量一般為0[5],植物蒸騰不影響PO,而地表蒸發會導致PO<0,因此,可通過計算PO揭示蒸發效應。PO值越接近零,表明蒸發強度越弱[5]。

(3)

(4)

式中,m、n分別為大氣降水線的斜率和截距,分別取7.67和8.76;S為儀器分析誤差(‰),在本研究中分別為0.2和0.03。

1.5 土壤水溯源分析

為探究土壤水補給機制及對土地利用變化的響應,需明確土壤水補給來源。已有研究表明,由于地下水埋深大,土壤水僅可能來自當地降水[6,22-23]。因此,將降水類型劃分為雨季(7—9月)和旱季(10月—次年6月),同時根據日降雨量(P)劃分降水等級為P≥10 mm·d-1,P≥20 mm·d-1,P≥30 mm·d-1,P≥40 mm·d-1和P≥50 mm·d-1。降水補給土壤水過程中存在強烈蒸發,其同位素會沿蒸發線進行非平衡分餾,進而導致土壤水同位素組成偏離其初始來源(即大氣降水)[24]。基于此,本研究通過識別當地大氣降水線(Local meteoric water line,LMWL)與土壤水蒸發線(Evaporation line of soil water isotopes,EL-SW)的交點確定初始水源。需要注意的是,以往研究多通過最小二乘法擬合得到土壤水蒸發線;但最新研究表明,土壤水同位素分餾受季節變化影響較大,上述方法的擬合結果可能存在偏差,需要基于Craig-Gordon模型估算蒸發線斜率[13]。因此,本研究采用該方法進行估算：

(5)

(6)

式中,hr為相對濕度,采用1957—2018年的相對平均濕度;δP和δA分別為月降水量加權同位素平均值(δ2H=-62.5‰,δ18O=-9.3‰)和水蒸汽同位素組成(‰);δA=(δP-ε+)/α+;εk為動力分餾系數(‰);ε為總分餾系數(‰);α+為液體與蒸汽之間的動力學同位素分餾系數。ε+為平衡分餾系數(‰),ε+=(α+-1)×1000;其中,ε=ε++εk,ε+和α+均與溫度有關[13],此處溫度取當地年平均氣溫。

(7)

(8)

εk(2H)=q(1-hr)(1-0.9755)

(9)

εk(18O)=q(1-hr)(1-0.9723)

(10)

式中,q為空氣動力學擴散系數,其范圍為0.5～1.0(飽和土壤條件下取0.5,非常干燥的土壤條件下取1.0),由于蒸發土層隨時間推移具有交替的飽和干燥條件,本研究取0.75。最終計算得土壤水蒸發線斜率范圍為2.80～4.00(n=22645),平均值為3.25±0.24[11]。

2 結果與分析

2.1 土壤水含量和同位素組成特征

果園土壤水含量明顯低于農地(圖1a,P<0.05),且隨樹齡增長,土壤水含量逐漸降低,說明果樹耗水強度較農地大,對深層土壤水影響顯著[19]。淺層(0～4 m)土壤水含量變化劇烈,但14 m以下土層間差異較小,表明深根果樹造成土壤水虧缺的土層主要為4～14 m,說明蘋果樹根系吸水深度可達14 m。由圖1b可知,土壤水δ18O在0～2 m土層變化劇烈(P<0.05),隨深度增加同位素組成趨于穩定,且農地和果園下淺層土壤水氧同位素組成均比深層富集,說明淺層土壤水氧同位素易受蒸發和降水入滲影響,而深層土壤水氧同位素可能僅受極端降水的影響。兩種土地利用方式下淺層(0～6 m)土壤水氧同位素組成差異顯著,反映了土地利用方式對土壤水氧同位素組成的影響[25],而6 m以下土壤水同位素組成相比淺層變化較小,反映了土地利用變化前降水補給的影響。由氚含量剖面分布可知,峰值出現在6.6 m處,為46.6 TU(圖1c),表明1963年降水在54 a內向下移動的距離為6.6 m。總而言之,說明6 m可作為分析土地利用變化影響的臨界深度[13]。果園和農地土壤水同位素剖面沒有出現明顯的峰值,且氚剖面呈拋物線狀,說明土壤水主要以基質流的形式運移。

圖1 不同土地利用方式下土壤水(a)、氧穩定同位素(b)和氚的含量(c)剖面,氚含量(數據源自前期研究[21])Fig.1 Soil profiles for water content(a),δ18O(b) and tritium(c) under different land use types (The tritium content data comes from previous research[21])

注：當地大氣降水線為δ2H=(7.67±0.11)δ18O+(8.76±1.0),n=228,R2=0.96,降水同位素數據來源于前期研究[11]。Note：The LMWL was δ2H=(7.67±0.11)δ18O+(8.76±1.0),n=228,R2=0.96,the precipitation isotopic data comes from previous research[11].圖2 不同土地利用方式下降水和土壤水的雙穩定同位素組成圖Fig.2 The dual stable isotope compositions of precipitation and soil water under different land use types.

2.2 蒸發效應

由圖2可知,土壤水氫氧穩定同位素僅有少數落在LMWL,而大多分布在其右下側,表明土壤水同位素組成可能受蒸發分餾作用影響[7]。蒸發程度可通過土壤水氫氧穩定同位素的斜率和PO值大小表征[5]。農地、18 a和26 a蘋果園下土壤水氫氧穩定同位素的線斜率分別為5.5、6.5和6.7(表1),說明農地受到的蒸發效應最強,18 a蘋果園次之,26 a蘋果園最弱。進一步計算得到農地、18 a和26 a蘋果園下PO值分別為-22‰、-20‰和-6‰,說明降水補給土壤水后穩定同位素發生了非平衡分餾,即受到蒸發作用影響;相比果園,農地PO值較小,說明其土壤水受到的蒸發效應更強,而果園下土壤水受蒸發影響較小。土壤水氫氧穩定同位素的斜率和PO值對土地利用方式蒸發效應的分析結果一致。

表1 兩種土地利用方式下土壤水趨勢線Table 1 The trend line of soil water under two land use types

2.3 土壤水補給來源

該區土壤水主要來源于降水,且雙同位素組成比較表明補給過程經歷了強烈的非平衡分餾。為進一步探究土壤水補給來源,根據土壤水含量和氫氧穩定同位素組成分布特征,將土層深度劃分為0～6 m、6～14 m和>14 m;利用公式(5)～(10)估算初始水源的同位素組成(圖3a、b)。6 m以下土壤水補給來源(δ2H=-83.8‰,δ18O=-12.1‰)較0～6 m土壤水源(δ2H=-68.8‰,δ18O=-10.1‰)更為貧化,說明深層土壤水更易接受強降水補給;整體而言,三個土層水源同位素組成都更接近雨季降水。據此劃分降水等級,0～6 m 土壤水源接近P≥20 mm·d-1和≥30 mm·d-1;然而,6 m以下土壤水同位素組成與P≥50 mm·d-1降水更相似,說明深層土壤水需要更高強度的降水補給。進一步分析土地利用方式對土壤水補給來源的影響(圖3c、d)可知,農地和蘋果園下土壤水源同位素組成均與雨季降水同位素相似,說明兩種土地利用方式下,土壤水均主要來源于雨季降水補給。具體而言,果園氫氧穩定同位素組成(δ2H=-76.1‰,δ18O =-11.1‰)比農地 (δ2H=-70.6‰,δ18O =-10.4‰)更為貧化,表明果樹作為深根植物,需要P≥50 mm·d-1的極端降水補給。

圖3 不同土層和土地利用類型在不同季節和降雨強度下的土壤水分來源(圓圈越大表明降雨強度越大)Fig.3 Soil water sources of different soil layers and land use types under different seasons and rainfall intensities (The larger circle indicates more intense precipitation)

3 討 論

由土壤水氧同位素和氚含量剖面分布可知,深厚黃土層中土壤水主要以活塞流形式運移。深根植被下土壤水含量顯著低于淺根植被,表明土地利用變化顯著降低了土壤水儲量,甚至終止了深層土壤水補給,可能是由于強烈的根系吸水作用造成。與農地相比,蘋果園土壤水線斜率、降水偏移量均較大,表明蘋果園土壤水受到的蒸發作用較弱[5],這可能因為深根植被下葉面積指數較高,導致地表反照率較低。具體而言,淺根植被葉面積指數一般為0～2,而深根植被通常大于2[5]。

通過進一步估算水源可知,淺層(0～6 m)土壤水主要接受降雨量≥20 mm·d-1和≥30 mm·d-1的降水補給,而深層土壤水主要來自于雨季高強度降水補給,因為雨季月降水幾乎等于甚至高于蒸散發量,這就需要極端降水補給深層土壤水。此外,降水入滲深度與降雨量和降水強度有關,降水量越大則入滲深度越深[11]。不同土地利用方式下對土壤水源進行計算結果表明,果園土壤水可能僅受到極端降水的補給,而農地土壤水主要來源于雨季降水,這可能由于降水從樹冠落到地面時,受到果樹冠層截留作用影響[26]。有研究發現[27],小雨的冠層截留率是大雨的2.1倍,說明降雨量越大,林木冠層的截留量越小,而且只有當冠層截留達到上限后,降雨才會以穿透形式降落下來,從而補給土壤[28]。因此,對于林地而言,土壤水可能在高強度降水時才能得到補給。

在干旱半干旱地區,地下水是農業生產和居民生活的重要水源[1],其對河流的貢獻可高達70%[8]。黃土塬區地下水主要來源于深厚非飽和帶土壤水的深層滲漏,土地利用類型轉變后,果樹由于需要更多水分滿足蒸騰需求,其根系會不斷向深層土壤扎根,通過根系吸水消耗更多的深層土壤水[29],但由于農地轉變為果園后降水幾乎全部用來滿足果樹蒸騰耗水,很少補給到土壤水[30],而且果樹的冠層截留作用也減少了降水對土壤水的補給[27-28],這就導致深層土壤水消耗后不易隨時間的推移得到補充[7],進一步降低了黃土塬區的地下水潛在補給量[9,12,29]。因此,為保證該地區植被恢復的可持續性,需要制定適當的措施來平衡深層土壤水供應與生態耗水之間的關系,例如可以定期修剪果樹,減小其蒸騰耗水量,或是在不影響當地居民經濟收益的情況下,采取間作、輪作的方式減少水分消耗,從而促進深層土壤水的恢復。

4 結 論

本研究以黃土高原長武塬作為研究對象,聯合使用氫氧穩定性和氚同位素探討土壤水補給來源。結果表明,該地區土壤水運動的主導方式為活塞流。與農地相比,蘋果園的土壤水線斜率和降水偏移量均較大,說明土地利用方式轉變后,土壤蒸發作用減弱。通過進一步識別水源得出,深層土壤水主要接受50 mm·d-1的降水補給,其原因是小降水只能補給淺層土壤水和供植物吸收利用,而難以入滲到長期處于虧缺狀態的深層土壤;果園接受補給的土壤水同位素組成更為貧化,說明果樹可能由于冠層結構和深層根系的影響,需要極端降水才能進行補給。因此,深根植被的種植會阻礙降水對深層土壤水的補給。本研究對水資源有限、土地利用變化劇烈的非飽和帶地區地下水可持續管理具有重要意義。