陜西省延川縣孫家塬經(jīng)濟林土壤水分和水分平衡

牛俊杰，馬樹苗，趙景波，周 旗

眾多學者對西北黃土地區(qū)人工植被土壤含水量進行了廣泛地研究［1－6］，獲得了許多重要研究成果。目前已認識到黃土高原土壤水分不足，常有土壤干層發(fā)育。研究［1－4］表明，土壤干層是導致黃土高原中齡人工林生長不良甚至造成樹木死亡的主要原因，土壤干層不僅在黃土高原分布廣泛，在西北草原地區(qū)分布更廣，發(fā)育更為嚴重［7－9］。關于土壤干層產(chǎn)生的原因，普遍認為天然降水少和在不適宜森林生長地區(qū)造林以及所選樹種不當?shù)龋?，6］所致。國外對土壤水分研究也很多，并重視土壤水分對植被的影響和氣候變化對土壤水分的影響。Yuin［10］研究了土壤水分入滲過程，提出了入滲模型；Rapp［11］研究了蒸發(fā)對土層結構的影響，獲得了旱化結殼對種子萌發(fā)的不利作用；Atrick等［12］根據(jù)土壤性質和模擬實驗，估算了現(xiàn)代作物根部土壤含水量；Lunt等［13］研究認為，利用雷達反射資料能夠估算現(xiàn)代土壤含水量；Michael等［14］研究了干旱區(qū)土壤水的持續(xù)性和穩(wěn)定性，認識到除降水因素之外，土壤性質起到了主要作用；Anne等［14］通過模擬實驗研究了氣候變化對土壤水動態(tài)影響，認為到21世紀中期氣候暖干化將使美國勃蘭登堡地區(qū)可利用土壤水減少4%～15%；Sonia等［15］研究了氣候變化與土壤濕度的相互作用，認為土壤水對氣候有多方面的影響；Patricio等［16］研究美國中部大平原農田土壤水分恢復，提出了預測土壤水分的經(jīng)驗模型；Zoltan［17］通過衛(wèi)星觀測和分析典型土壤水分數(shù)據(jù)，認為據(jù)此可以準確預報10a內全球范圍的土壤水分的變化序列。

我國蘋果產(chǎn)量位居世界第一，黃土高原地區(qū)獨特的自然地理位置和氣候條件決定了該區(qū)是優(yōu)質蘋果生產(chǎn)基地；陜北的紅棗質量優(yōu)良，也是陜北經(jīng)濟的重要來源。過去對黃土高原中南部蘋果林地土壤水做了一定研究［18－20］，但對位于延安市北部地區(qū)的延川地區(qū)蘋果林地土壤水分和棗樹林地的土壤水分研究很少。研究該區(qū)經(jīng)濟林地土壤水分的垂向變化，能夠揭示土壤水垂向分布特點和變化規(guī)律，能夠查明該區(qū)土壤水對經(jīng)濟林生長的適宜性，可為該區(qū)經(jīng)濟林發(fā)展和農民增收提供重要科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與試驗方法

延川縣地處陜西省延安市的東北部，是延安地區(qū)管轄縣之一，距延安市北約80km。位于黃河西岸，屬陜北黃土丘陵溝壑區(qū)，平均海拔約850m。延川縣地理位置在北緯36°37′15″—37°5′55″、東經(jīng)109°36′20″—110°26′44″之間。延川縣年平均氣溫為11.9℃，年平均降水量為511mm，降雨主要集中在6—9月份，屬于半干旱氣候。該區(qū)土壤為黏黑壚土，侵蝕后在黃土上發(fā)育黃綿土［6］。延川縣地帶性的植被為森林灌叢草原。

通過野外調查，選擇延川縣孫家塬蘋果林地和棗樹林地進行采樣研究。采樣點蘋果林地位于延川縣東南方向的孫家塬附近，距延川縣城約15km，林地面積約0.20hm2，蘋果產(chǎn)量22 500～30 000kg／hm2，果樹齡14a，樹高4m左右，主干直徑約10cm，根系分布深度為1.5m左右，植株間距為2.5～3.5m，樹冠直徑為2～3m。利用土鉆在蘋果林地打12個鉆孔，鉆孔間距在20～30m之間，分別標記為剖面（鉆孔）a，b，c，d，e，f，g，h，i，j，k，l。為了揭示蒸發(fā)影響深度（約2m）之下土壤水分的剖面變化，鉆孔深度為4m。采樣間距0.1m。樣品重量一般為50～60g。采樣時間選在土壤水分條件較好的雨季中期的8月份3～12號。采樣前的7月份延川降水量近120mm，與正常年7月降水基本相同。采樣前一周曾降小雨，不足10mm。棗樹林地位于蘋果林南1km左右，樣地約0.13hm2，產(chǎn)量15 000kg／hm2，樹齡為7～8a，樹高約3m，直徑約8cm，植株間距3m左右，樹冠直徑約為2m。在棗樹樣地打10個鉆孔（分別標記為a，b，c，d，e，f，g，h，i，j），鉆孔深度為4m，鉆孔間距約20m，樣品間距0.1m。果樹生長主要在春季，但夏季的蒸騰與蒸發(fā)消耗水分也很多。土壤含水量的測定利用烘干稱重法測定。

2 結果與分析

2.1 棗樹林地土壤水分含量分析

根據(jù)棗樹林地10個鉆孔剖面土壤含水量測定結果可知，棗樹林地0—4m深度范圍土壤含水量自上向下總體呈增加趨勢，土層含水量垂向分布特點是整個剖面含水量差異很小（圖1），波動變化也小。a孔平均含水量為10.2%，變化范圍為8.5%～11.7%；b孔平均含水量為10.5%，變化范圍為9.6%～11.2%，含水量波動較大；c孔平均含水量為10.5%，變化范圍為10.0%～11.3%；d孔平均含水量為10.5%，變化范圍為8.1%～11.1%；e孔平均含水量為10.8%，變化范圍為10.2%～12.1%；f孔平均含水量為10.7%，變化范圍為10.0%～12.3%；g孔平均含水量為10.9%，變化范圍為8.2%～11.8%；h孔平均含水量為10.6%，變化范圍為7.1%～11.7%；i孔平均含水量為10.8%，變化范圍為9.0%～11.9%；j孔平均含水量為10.9%，變化范圍為8.5%～11.6%。

圖1 延川縣孫家塬棗樹林土壤含水量

2.2 蘋果樹林地土壤水分含量分析

蘋果樹林地12個鉆孔含水量測定結果表明（圖2），a，b，c和d剖面土壤含水量變化規(guī)律一致，在約1.2m以上土層中，土層中含水量隨深度的增加而減少，在1.2—2.5m之間含水量相對穩(wěn)定，較1.2m以上土壤的含水量少，在2.5—4m土層中，含水量呈增加趨勢。a剖面平均含水量為8.6%，變化范圍在6.3%～12.3%之間；b剖面平均含水量為6.6%，變化范圍為4.9%～11.2%；c剖面平均含水量為7.0%，變化范圍為5.2%～11.3%；d剖面平均含水量為6.8%，變化范圍為5.1%～10.9%。這4個剖面均可分為3層，從上向下第1層含水量最高，第2層含水量最低，第3層含水量居中。由圖2可以看出，e，f剖面和g，h剖面土壤含水量變化基本一致，在0—1.1m范圍內隨深度增加呈較快減少，在1.1—4.0m之間含水量較低，變化較小。e剖面平均含水量為6.1%，變化范圍為5.0%～11.4%；f鉆孔平均含水量為5.8%，變化范圍為4.7%～9.6%；g孔平均含水量為6.1%，變化范圍為4.9%～9.7%；h孔剖面平均含水量為6.3%，變化范圍為5.0%～10.4%。這4個剖面含水量可分為2層，位于剖面上部的第1層在0—1m左右深度范圍，含水量較高，位于剖面中下部的第2層在約1—4m之間，含水量較低。i剖面與j剖面含水量較其它剖面高出2%左右。

圖2 延川縣孫家塬蘋果樹土壤含水量

3 結果討論

3.1 棗樹林地與蘋果林地可利用土壤水資源差異分析

延川縣棗樹林地與蘋果林地土壤含水量差別顯著，棗樹林地4m土層深度范圍內平均含水量較蘋果林地高，前者平均含量為10.6%，后者平均為7.4%，棗樹林地土壤平均含水量高出蘋果林地3.2%。棗樹林地4m土層深度范圍內分層不明顯，4m深度范圍含水量相當均勻，蘋果林地4m深度范圍內分層明顯，上層含水量高，中下層含水量低，這在黃土高原具有普遍性［19－21］。這種差異可以確定棗樹生長消耗的水分較少，蘋果樹消耗水分較多。根據(jù)延安地區(qū)土壤穩(wěn)定凋萎濕度為約6%［22］可知，該區(qū)棗樹林地土壤水資源儲量還較多，還有約4.5%的土壤水資源未被利用，所以該區(qū)土壤水分能夠滿足棗樹林生長的需要，適于發(fā)展棗樹林。延川蘋果林地2—4m土壤含水量只有6.5%左右，可利用水資源僅有0.5%左右，可利用水資源基本耗盡，所以該區(qū)如果沒有灌溉條件，一般不適于發(fā)展蘋果林。

3.2 延川縣經(jīng)濟林土壤水分有效性類型分析

土壤水分的含量變化存在3個轉折點，分別是凋萎濕度、生長阻滯持水量和田間持水量［20］。凋萎濕度是植物葉子剛開始出現(xiàn)萎縮時的土壤含水量［6］。田間持水量是指土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量。研究區(qū)的穩(wěn)定凋萎濕度和田間持水量分別為6.0%和20.0%［6］。土壤有效水總量指田間持水量與永久凋萎濕度之差。生長阻滯持水量指田間持水量的60%。土壤含水量低于穩(wěn)定凋萎濕度時，土壤中的水分不能為植物吸收利用，就會導致植物干枯死亡，此時土壤水分為無效水。當含水量大于穩(wěn)定凋萎濕度時，作物可以吸收利用土壤有效水分，但其吸收利用水分的難易程度存在差異［23］。所以根據(jù)土壤水分被植物吸收利用的難易程度，將土壤有效水劃分為難效水、中效水和易效水3個等級。難效水是指從穩(wěn)定凋萎濕度到生長阻滯持水量的土壤水分，植物雖然能夠吸收利用土壤水分，但其根系從土壤中吸收水分時需要克服較大基質吸力，植物的正常生長受到一定的阻滯。難效水對植物生長的阻滯性的大小差別也較大，這取決于含水量的多少，含水量越少，阻滯性越大，植物生長越差。易效水指的是土壤含水量相對較高，小于田間持水量，大于80%田間持水量的這部分土壤水分，土壤基質吸力較弱，容易為植物吸收利用，一般不會對植物的生長發(fā)育造成水分脅迫。中效水是指介于難效水與易效水之間的土壤水分，一般指土壤含水量為田間持水量的60%～80%的這部分土壤水分，吸收利用這部分水分，在一定程度上受土水勢的影響。結合本研究實際情況將延川地區(qū)土壤水分有效性劃分為5級（表1）。

表1 延川地區(qū)土壤水分有效性分級

結合上述土壤水分有效性等級劃分，對研究區(qū)棗樹林土壤和蘋果樹林土壤剖面水分的有效性進行分析。結果表明蘋果樹林地各層土壤水分基本都處于難效水狀態(tài)（圖3），蘋果林吸收土壤水分都會不同程度上受到抑制，對蘋果生長和蘋果產(chǎn)量具有一定的不利影響。蘋果樹林地1.1m以下土層土壤水分接近無效水。若該區(qū)持續(xù)干旱，則蘋果樹林地1.1m以下土壤水分易下降為無效水。若該區(qū)為豐水年，蘋果樹林地0—1.1m土壤水分也可能成為中效水。棗樹林土壤水分也為難效水，但其與蘋果林土壤水有明顯差別，棗樹林的難效水接近中效水（圖3），所以棗樹的生長受到土壤水分的脅迫小。因此，該區(qū)適于發(fā)展棗樹林。

圖3 延川地區(qū)棗樹林與蘋果林土壤水分有效性

3.3 棗樹林與蘋果林土壤干層等級與原因分析

通常認為，土壤水分的虧缺經(jīng)過多年的不當補給，其土層為土壤干層［21］。要查明研究區(qū)的經(jīng)濟林是否存在土壤干層，首先要確定土壤干層的判定依據(jù)。研究區(qū)屬于延安地區(qū)，土壤干層的判定根據(jù)王力［22］等提出的延安地區(qū)土壤干層的判定方法，以田間持水量的60%為確定土層為土壤干層的含水量標準。根據(jù)該標準［22］，可將該區(qū)土壤干層分為以下3個等級：（1）輕度干層。含水量在9%～12%之間，對植物生長影響不大，土壤水分基本能滿足植物正常生長發(fā)育。（2）中度干層。含水量在6%～9%之間，對植物生長影響較為明顯，植物經(jīng)常處于缺水狀態(tài)，容易形成低產(chǎn)低效林。（3）重度干層。土壤含水量低于6%，嚴重影響著植物正常的生長發(fā)育，甚至會導致植被枯萎甚至死亡。

圖4為延川地區(qū)棗樹林地和蘋果樹林地0—4m和2—4m土層深度的含水量，也顯示了4m土層深度范圍內不同等級土壤干層的厚度。由圖4和表2可知，棗樹林所有土壤剖面的土壤干層均為輕度干層，干層發(fā)育較弱。蘋果樹林地鉆孔土壤2—4m土層深度土壤含水量集中在5.5%～9.7%之間，平均含水量為7.2%，含水量都顯著低于12%。由圖4可知各個鉆孔剖面都存在干層，且輕度干層、中度干層和重度干層都有發(fā)育，只是在各個剖面干層發(fā)育強度不同，12個剖面土壤2—4m深度發(fā)育的土壤干層主要為中度干層和重度干層，輕度干層僅在個別剖面發(fā)育。a，i，j剖面的干層發(fā)育情況相似，主要為中度干層，發(fā)育的厚度分別為1.6，1.4和1.4m，輕度干層發(fā)育厚度小，分別為0.4，0.6和0.6m。b，c，d，f剖面都存在中度干層和重度干層發(fā)育，中度干層的厚度分別為1.4，1.3，1.1和0.2m，重度干層的厚度分別為0.6，0.7，0.9和1.8m。e和g剖面全部都為重度干層。

表2 延川地區(qū)棗樹林和蘋果林土壤2－4m土層土壤平均含水量 %

圖4 延川縣孫家塬棗樹林與蘋果林土壤剖面含水量分層

3.4 棗樹林與蘋果林土壤干層與水分平衡的影響

研究表明，黃土高原人工林在年降水量600mm的條件下［6］，土壤水分處于平衡狀態(tài)，大于這一降水量為正平衡，低于這一降水量為負平衡。在該區(qū)豐水年，土壤水分表現(xiàn)出清楚的正平衡［24－26］。正平衡表明大氣降水與土壤水較充足，每年有一部分大氣降水轉化成為地下水。水分循環(huán)的過程包括蒸發(fā)、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［6］。根據(jù)上述的研究，發(fā)現(xiàn)棗樹林地和蘋果樹林地2m以下土層都有干層發(fā)育，說明研究區(qū)土壤水分輸出量大于輸入量，也就是說土壤干層是在土壤水分處于負平衡的條件下產(chǎn)生的［6］。負平衡是指大氣降水經(jīng)過蒸發(fā)、蒸騰、植物葉片截留和地表徑流損失之后，已沒有剩余的水分通過土壤滲入地下。水分負平衡的出現(xiàn)造成了正常的水分下滲補給地下水的環(huán)節(jié)被切斷，使得大氣降水只能轉化成位于地表的土壤水，影響的深度只有2m左右，一般不參與地下水循環(huán)。這表明研究區(qū)水循環(huán)主要是地表水循環(huán)，地下水循環(huán)基本不存在，形成了土壤—植物—地表徑流—大氣的水分循環(huán)模式，屬于異常水分循環(huán)類型。這樣的水循環(huán)在自然界也是很常見的，特別是在干旱地區(qū)，水分負平衡是廣泛存在的［26］。因此，該區(qū)棗樹林與蘋果樹林土壤干層的出現(xiàn)，影響了該區(qū)的正常水循環(huán)和水分平衡，長期發(fā)展下去會導致該區(qū)地下水位的持續(xù)下降和地下水資源缺乏。在土壤水分負平衡的地區(qū)，適于發(fā)展耗水少的淺根系植被或作物。

4 結論

（1）棗樹林地土壤含水量平均為10.6%，有4.5%的土壤水資源可以利用。蘋果林地4m深度范圍內平均含水量為7.4%，2—4m深度范圍內土壤水資源基本耗盡。蘋果林地土壤含水量自上向下呈現(xiàn)高—低—高分層變化特點，棗樹林地土壤水分剖面垂向分層不明顯。

（2）棗樹林地和蘋果林地土壤水分基本都呈難效水狀態(tài)，但棗樹林土壤水分接近中效水，土壤水分對蘋果林生長具有嚴重的抑制作用，對棗樹林的生長基本沒有抑制作用。

（3）棗樹林地僅有輕度干層發(fā)育，蘋果林地土層2—4m土層深度范圍內輕度干層、中度干層和重度干層發(fā)育。干層長期發(fā)展下去會導致該區(qū)地下水位的持續(xù)下降和地下水資源減少。該區(qū)土壤水分更適于發(fā)展棗樹林。干層長期發(fā)展會導致該區(qū)地下水位的持續(xù)下降和地下水資源的減少。

（4）棗樹林地和蘋果林地土壤干層的發(fā)育切斷了大氣降水與地下水的聯(lián)系。水循環(huán)主要是地表水循環(huán)，地下水循環(huán)基本不存在，形成了土壤—植物—大氣的水分循環(huán)模式，屬于異常水分循環(huán)類型。

致謝：參加研究工作的還有邢閃、魏君平、楊龍和劉磊同志，謹此致謝。

［1］ 侯慶春.黃土高原地區(qū)小老樹成因及其改造途徑的研究［J］.水土保持學報，1991，5（2）：76－83.

［2］ 付明勝，錢衛(wèi)東，牛萍，等.連續(xù)干旱對土壤干層深度及植物生存的影響［J］.干旱區(qū)研究，2002，19（2）：71－74.

［3］ 許喜明，陳海濱，原煥英，等.黃土高原半干旱區(qū)人工林地土壤水分環(huán)境的研究［J］.西北林學院學報，2006，21（5）：60－64.

［4］ 張海，王延萍.黃土高原坡地土壤干層形成機理及補水途徑研究［J］.水土保持學報，2003，17（3）：162－164.

［5］ 劉剛，王志強，王曉嵐.吳旗縣不同植被類型土壤干層特征分析［J］.水土保持研究，2004，11（1）：126－129.

［6］ 楊文治.黃土高原土壤水分研究［M］.北京：科學出版社，2000.

［7］ 趙景波，曹軍驥.青海流域土壤水與土壤水庫［M］.北京：科學出版社，2012.

［8］ 趙景波，曹軍驥，侯雨樂.青海湖北沙柳河鎮(zhèn)土壤水分特征與植被建設［J］.水土保持通報，2011，31（1）：180－185.

［9］ 趙景波，祁子云，魏君平，等.青海湖北土壤水分分布與土壤干層恢復［J］.地理科學進展，2012，31（7）：853－858.

［10］ Yuin E.An infiltration model to predict suction changes in the soil profile［J］.Water Resource Research，1998，34（7）：1617－1622.

［11］ Rapp I.Evaporation and crust imperdance role in seeding emergence［J］.Soil Science，2000，165（4）：354－364.

［12］ Ptrick J.Use of limited soil property data and modeling to estimate root zone soil water content［J］.Journal of Hydrology，2003，272（1／4）：131－147.

［13］ Lunt I A，Hubbard S S，Rubin Y.Soil moisture content estimation using ground penetrating radar reflection data［J］.Journal of Hydrology，2005，307（1／4）：254－269.

［14］ Anne H，Tobias V，Katrin V，et al.Impact of climate change on soil moisture dynamics in Brandenburg with a focus on nature conservation areas［J］.Ecological Modelling，2009，220（17）：2076－2087.

［15］ Sonia I S，Thierry C，Edouard L D，et al.Investigating soil moisture－climate interactions in a changing climate：A review［J］.Earth－Science Reviews，2010，99（3／4）：125－161.

［16］ Patricio G，You Jinsheng，Kenneth G H，et al.Soil water recharge in a semi－arid temperate climate of the Central U.S.Great Plains［J］.Agricultural Water Management，2010，97（7）：1063－1069.

［17］ Zoltan B，Wolfgang W.Initial soil moisture retrievals from the METOP：A advanced scatterometer［J］.Geophysical Research Letters，2007，34（20）：1－5.

［18］ 黃明斌，楊新良，李玉山，等.黃土區(qū)渭北旱塬蘋果基地對區(qū)域水循環(huán)的影響［J］.地理學報，2001，56（1）：7－13.

［19］ Zhao Jingbo，Du Juan，Chen Baoqun.Dried earth layers of artificial forestlandin the Loess Plateau of Shaanxi Province［J］.Journal of Geographical Sciences，2007，17（1）：114－126.

［20］ 陳洪松，王克林，邵明安.黃土區(qū)人工林草植被深層土壤干燥化研究進展［J］.林業(yè)科學，2005，41（4）：155－161.

［21］ 李軍，陳兵，李小芳，等.黃土高原不同干旱類型區(qū)苜蓿草地深層土壤干燥化效應［J］.生態(tài)學報，2007，27（1）：76－89.

［22］ 王力，邵明安，侯慶春.土壤干層量化指標初探［J］.水土保持學報，2000，14（4）：87－90.

［23］ 陳海濱，劉淑明，黨坤良，等.黃土高原溝壑區(qū)林地土壤水分特征的研究（Ⅱ）：土壤水分有效性及其虧缺狀況的分析［J］.西北林學院學報，2004，19（1）：5－8.

［24］ 趙景波，王長燕，岳應利，等.西安地區(qū)人工林土壤干層與水分恢復研究［J］.自然資源學報，2007，22（6）：890－895.

［25］ 杜娟，趙景波.西安地區(qū)不同植被下土壤含水量及水分恢復研究［J］.水土保持學報，2006，20（6）：59－61.

［26］ 趙景波，曹軍驥.青海湖流域土壤水與土壤水庫研究［M］.北京：科學出版社，2011.