晉陜峽谷河流階地棗林土壤水分有效性及干燥化分析

鈔錦龍，胡 磊，雷添杰，張鵬飛，郝小梅，趙德一

（1.太原師范學院，山西 晉中030600；2.中國水利水電科學研究院，北京100038）

黃土高原是我國生態脆弱和水土流失最嚴重的地區之一［1］。黃土高原干旱及半干旱區降水稀少，蒸發劇烈，且降水又是該區唯一的水分輸入途徑［2］，所以水分成為限制該地區植被生長和農業生產的關鍵因素［3］，其在黃土高原生態修復及實現區域農業可持續發展過程中起重要作用。因此在植被恢復和農業活動中，有效利用黃土高原有限的土壤水分尤為重要［1］。土壤水分有效性是指植被利用土壤水分的難易程度［3］，研究土壤水分有效性不僅有利于充分利用降水資源，提高林木存活率和經濟作物產量，而且對避免人工林根系過耗作用形成土壤干層，以及防止生態惡化具有重要意義。

眾多學者已就土壤水分有效性及土壤干燥化效應做了大量研究［4-6］，其中土壤水分有效性的研究側重于采用土壤水勢、作物產量、根系吸收速率等不同評價指標［7-9］，而評價方法則從考慮土壤質地的單一方法發展到邵明安等［10］研究SPAC理論的動力學方法，土壤水分有效性評價轉向考慮大氣、土壤和作物綜合影響因素［3］；在土壤干燥化效應研究方面，相關成果主要集中于土壤干層定義、成因、空間分布及影響因素等［11-13］。黃河是中華文明的搖籃，黃河沿岸更是黃土高原地區人類重要的生產生活基地，其中，河流階地因其特殊的沉積特點及良好的水土環境，不僅是當地重要的灌溉農業耕種平臺，同時也是眾多學者科學研究的重要對象。有關河流階地的研究主要關注于河流階地形成年代、沉積特征和對古氣候指示意義的探討，而對河流階地土壤水分的研究尚有不足。

研究區位于黃河晉陜峽谷中段，采樣地臨縣克虎鎮則是黃河灘棗的主產區，而黃河灘棗主要分布于黃河河流階地中，由于土壤水分條件及熱量條件與周邊山區存在較大差異，其品相及產量優于周邊山區，并且在紅棗收入中所占比重較大。所以，本文以河流階地棗林土壤作為研究對象，對自然狀態下各階地不同深度土壤水分有效性的空間差異性和干燥化特征進行科學研判和分析，以期為提高林地生產力，獲得更大經濟和生態效益提供理論依據，同時也為黃河流域合理灌溉及生態保護提供基礎理論支撐。

1 研究區概況

研究區位于晉陜峽谷臨縣境內（圖1），地處100°39′40″～111°18′02″E、37°35′52″～38°14′19″N之間，東臨呂梁山，西邊與陜西隔黃河相望。全域地貌為黃土丘陵溝壑區，海拔在1 000～1 300 m之間，地形跌宕起伏。研究區位于溫帶大陸性半干旱氣候區，雨熱同期，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。全縣年均氣溫40 a來介于7.9℃～10.5℃之間，且呈由南向北遞減趨勢，無霜日約為160 d；全縣年降水量511.7 mm，而采樣區附近僅有420 mm左右，其中7—9月降水量占全年的59.32%。臨縣光照充足，年蒸發量是降雨量的4倍左右，干旱的氣候條件特別適合棗樹的生長，所以自古以來，黃河沿岸就有大片的棗園。研究區域土壤類型以黃綿土為主，此外還有風沙土、黑壚土等；土壤質地以輕壤、沙壤土為主，土壤平均容重1.10～1.30 g·cm-3之間，田間持水量和土壤凋萎濕度取值分別為20.5%和4.5%［14-15］。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of study area

2 研究方法

2.1 土壤采集

野外采樣選擇土壤水分狀況較好的雨季，時間為2019年9月19日—9月21日。采樣前7、8月累計降水量約為190 mm，屬于同時期正常年份降水。采樣期內無降雨。在野外調查的基礎上，選擇臨縣克虎鎮黃河沿岸河流一級、二級和三級階地的棗林地進行采樣研究，并且各階地隨機選取2塊典型樣地進行重復采樣。樣地均為無人工灌溉自然狀態下的棗林地且林齡和生境相似，具體情況見表1。采樣時每塊棗林地按照“S”型重復鉆取3個土壤剖面，每個剖面間距1 000 cm且保持與周圍最近棗樹根基距離相等，盡量避免與棗樹過近。土壤采集使用人工土鉆法取樣，鉆取500 cm深度土壤剖面，且每10 cm土層取樣1次，用自封袋密封樣本，最后帶回實驗室烘干稱重處理。

表1 試驗樣地基本情況Table 1 Basic information of experimental plot

2.2 土壤水分有效性、土壤供水系數、水分虧缺度計算

土壤水分有效性指標Aw：指實際有效水分與最大有效水分之比，表征植被能夠充分利用土壤水分含量的程度。計算公式為［1］：

式中，Aw為土壤水分有效性指數，θ為土壤實際水分含量，θw為土壤凋萎濕度，θf為田間持水量。土壤水分有效性指數Aw值越大，表示土壤水分可被植被吸收利用的程度越大，Aw值小于0表示土壤水分為無效水，不能被植被吸收。

土壤水分有效性分級：前人研究表明，土壤凋萎濕度、生長阻滯持水量和田間持水量是土壤水分對植被生長影響的3個轉折點［16-17］。當土壤水分低于土壤凋萎濕度，植被葉片開始出現萎縮現象；田間持水量是土壤含水量的最大值；生長阻滯持水量是指土壤毛管懸著的水分由連續轉為斷裂狀態，植被吸收土壤水分受到一定程度的抑制作用，取值為田間持水量的60%［1］。劉增文等［18］又將土壤凋萎濕度和田間持水量之間的有效水分為3個等級：（1）難效水，其范圍為凋萎濕度到田間持水量的60%；（2）中效水，其范圍為田間持水量的60%～80%；（3）易效水，其范圍為田間持水量的80%～100%。

土壤供水系數Ks：可反映土壤水分脅迫對騰發量的影響。其公式為［1］：

式中，Ks為土壤供水系數，當Aw=100時，Ks=1，此時作物為最大騰發量；當Aw=0時，Ks=0，此時作物不能吸水，其騰發量也為0。

土壤水分虧缺度K表示土壤水分對植被生長的虧缺程度。計算公式為［1］：

式中，θa為生長阻滯持水量，取田間持水量的60%；θ為實際土壤水分濕度。根據土壤水分虧缺度K值將水分虧缺度分為4級：（1）若K≤0，為不虧缺；（2）若0＜K≤25%，為輕度虧缺；（3）若25%＜K≤50%，為中度虧缺；（4）若K＞50%，為嚴重虧缺。

2.3 土壤干燥化強度評價方法

本研究采用楊文治等［19］的觀點，將土壤干層上限定為土壤穩定濕度，下限定為土壤凋萎濕度，其中土壤穩定濕度取值田間持水量的60%。

土壤干燥化強度指數SDI（Soil desiccation index）大小表示土壤干燥化程度，計算公式為［13］：

式中：SDI是土壤干燥化指數，SSM是土壤穩定濕度，SM是實際土壤濕度，SW是土壤凋萎濕度。根據SDI數值大小，結合棗林生長狀態，可以將土壤干燥化強度分為6級：（1）若SDI≥100%，為極度干燥化；（2）若75%≤SDI＜100%，為強烈干燥化；（3）若50%≤SDI＜75%，為嚴重干燥化；（4）若25%≤SDI＜50%，為中度干燥化；（5）若0≤SDI＜25%，為輕度干燥化；（6）若SDI＜0，為無干燥化。

3 結果與分析

3.1 土壤水分含量分析

河流階地棗林0～500 cm土層土壤水分情況如圖2，結果表明：一級階地棗林土壤含水量具有明顯上升趨勢，二、三級階地土壤含水量自上而下無明顯差異；一級階地100 cm以上、300 cm以下部位，二、三級階地100 cm以上、200 cm以下部位土壤的含水量波動較大。各階地平均含水量為一級階地（10.26%）＞三級階地（6.75%）＞二級階地（5.84%）。不同深度水分情況為：一級河流階地土壤含水量變化范圍在1.77%～27.44%之間，最小和最大值分別出現在120、400 cm深度土壤中；二級河流階地土壤含水量變化范圍在3.09%～13.96%之間，土壤含水量最小和最大值分別出現在140、460 cm深度土壤中；三級河流階地土壤含水量變化范圍在3.62%～12.35%之間，土壤含水量最小、最大值分別出現在310、30 cm深度土壤中。

圖2 土壤剖面濕度Fig.2 Soil profile humidity

3.2 土壤水分有效性空間差異分析

3.2.1 土壤水分有效性的大小和分級 利用有效性指標Aw對河流不同階地棗林土壤水分有效性進行比較（表2）。結果顯示河流階地之間土壤水分有效性具有顯著性差異（P＜0.05）：一級階地（0.36）顯著高于二級（0.08）和三級階地（0.14），其中二級和三級階地之間差異不顯著。河流階地不同深度土壤水分有效性差異表現為：對0～200 cm土層土壤，除60～100 cm土層不顯著外，其他部位土壤水分有效性均表現為三級階地＞二級階地＞一級階地（P＜0.05）；對110～300 cm、310～500 cm土層土壤，土壤水分有效性分別表現為一級階地最低和最高兩種水分狀況（P＜0.05），而二、三級階地在210～400 cm土層內表現無顯著差異。

如圖2所示，河流階地土壤水分有效性等級劃分結果為：一級階地100 cm深度以上土壤為難效水，110～300 cm深度土壤為無效水，310～500 cm深度土壤為富余水；二級階地110～200 cm和340～410 cm深度土壤為無效水，其余部分土層均為難效水；三級階地土壤水分基本上均屬難效水。

表2 0～500 cm深度土壤水分指標統計Table 2 Statistics of 0～500 cm depth soil moisture index

3.2.2 土壤供水系數 從土壤供水系數上看（表2），不同階地土壤供水系數Ks的變化為河流一級階地（0.78）＞三級階地（0.59）＞二級階地（0.48），說明河流一級階地土壤水分狀況優于二、三級階地，其土壤水分可達棗樹生長所產生最大騰發量的78%，而二、三級階地土壤水分僅能提供棗樹生長所產生的約50%～60%的植被騰發量。不同深度土壤供水系數變化規律為：10～50 cm土層，土壤供水系數Ks表現為三級階地＞一級階地＞二級階地；60～100 cm土層，各階地土壤供水系數差異不大；110～300 cm土層，一級階地土壤供水系數Ks值最小且為0，說明土壤水分狀況差，棗樹不能吸水，騰發量為0；310～500 cm土層，一級階地土壤供水系數Ks值最大且接近1，說明土壤水分狀態良好，基本可供應其達到最大生長騰發量。

3.2.3 土壤水分虧缺 黃土高原的土壤水分虧缺在一定程度上限制了農業發展，但不同深度土壤水分虧缺情況不同。河流階地棗林土壤水分虧缺情況為（表2）：一級河流階地總體表現為輕度虧缺，其中10～50 cm土層為中度虧缺，60～300 cm土層為嚴重虧缺，310～500 cm土層為不虧缺；二級河流階地總體表現為嚴重虧缺，其中除210～300 cm和410～500 cm土層為中度虧缺外，其余均為嚴重虧缺；三級河流階地總體表現為中度虧缺，其中10～50 cm土層為輕度虧缺，210～400 cm土層為中度虧缺，其他深度土壤水分狀況均為嚴重虧缺。

3.3 土壤干燥化分析

3.3.1 200～500 cm深度土壤干層的分布情況 一般來說，土壤干層是指主要以植被過度蒸騰耗水所導致土壤水分相對持久性的“地區型干層”或“蒸發型干層”［17］，在黃土高原區域，由于0～200 cm土層土壤受到大氣降水的即時影響，水分虧缺容易得到緩解，故本文重點關注200～500 cm深度土壤干燥化情況。圖3為河流階地200～500 cm深度土壤干層分布情況，其中除一級河流階地340 cm土層以下土壤不發育干層外，其他階地干層基本超過500 cm（其中二級階地280 cm和460 cm部位土壤未發育干層）。

3.3.2 200～500 cm深度土壤干燥化強度與厚度分析 不同河流階地棗林200～500 cm深度土壤平均干燥化強度為：一級階地（干燥化指數-24.74%）土壤無干燥化，二級階地（69.23%）、三級階地（69.87%）土壤均為嚴重干燥化（表3）。不同深度土壤干層發育情況：一級階地除無干燥化土層外，以發育極度干層為主，主要分布在200～330 cm土層范圍內；二級階地以發育極度干層和強烈干層為主，主要分布在200～240 cm及320～430 cm土層范圍內；三級階地以發育強烈和嚴重干層為主，主要分布在200～240 cm、260～280 cm、310～340 cm及420～470 cm土層范圍內。

圖3 棗林土壤剖面干層情況Fig.3 Dry layer of soil profile of jujube forest

表3 200～500 cm深度土壤干燥化情況Table 3 Drying of 200～500 cm soil depth

河流階地200～500 cm深度土壤干層厚度情況為：三級階地干層最厚（300 cm），二級階地次之（280 cm），一級階地干層發育最?。?30 cm）。

4 討 論

4.1 河流階地土壤水分有效性的空間差異

土壤水分有效性受到降雨、耕作方式等因素的影響，具有多變和復雜性［20］，是反映水分脅迫和植被生長的重要指標［21］。本文研究得出一級河流階地土壤水分有效性（0.36）顯著高于二級（0.08）和三級（0.14）階地，這是由于一級階地與河床距離最近，310 cm深度以下土壤水分受到黃河水位變化影響，容易獲得土壤地下水補給作用，所以土壤水分有效性平均表現最高；而對310 cm深度以上土壤，大多部位土壤水分有效性顯著低于二、三級階地，這是因為根據河漫灘相沉積層的粒度組成與洪水深度關系的規律［16，22］，洪水經歷時，發育形成中的一級階地地勢較低而洪水深度高，形成的河漫灘相沉積物粒度粗，反之二級和三級階地形成沉積物粒度較細，所以導致0～300 cm土層在無黃河水分補給的條件下土壤持水性相對較差，表現為土壤水分有效性顯著低于二、三級階地。此外，三級階地0～200 cm土層土壤水分有效性最高（60～100 cm土層除外），可能是因為三級階地采樣點靠近黃河沿岸的山坡體，大氣降水在坡面形成的地表徑流能夠在階地附近累積，形成集水區，改善了三級階地土壤水分狀況。綜合以上因素分析，二級階地土壤水分有效性指標（0.08）最低的原因有以下兩個方面，第一距離河床位置較遠，第二無山坡徑流匯集水分補給作用，所以天然降水為二級階地土壤水分的唯一來源。

本研究一級河流階地310 cm深度以上土壤主要處于無效水狀態，而以下為富余水，說明0～310 cm部位土壤水分嚴重脅迫植被生長，若出現持續干旱，則可能致使植被枯萎死亡，而310 cm深度以下土壤水分可以自由移動，對于植被生長無影響；二、三級階地0～500 cm土層土壤多屬于難效水狀態，土壤水分對植被生長具有脅迫作用，特別是難以獲得降水補充的200 cm土層以下部分土壤，若為枯水年，造成土壤重度干旱（約田間持水量45%以下），會嚴重影響棗樹光合能力，損傷其細胞膜系統［23］，造成低效低產林；若為豐水年，土壤水分則有可能轉為中效水，適合棗樹生長發育。本文與張鵬飛等［16］研究的黃河河流階地土壤水分有效性表現為一級階地最高，二級階地次之的結論基本一致，但其研究的河流階地土壤各部位平均含水量明顯偏高，以及各階地土壤水分有效性狀況與本文也有差異，這主要是由于采樣時間不同，由自然降水年際差異（前者為豐水年，后者為正常年）以及土壤水分有效性標準劃分不一造成的。

綜上所述，雖然一級河流階地土壤水分有效性大小顯著高于二級、三級，但一級階地0～310 cm深度土壤水分多為無效水，又因棗樹根系主要分布并消耗該層內土壤水分［24］，因此一級階地不適合棗樹自然生長，尤其不利于幼齡棗樹的發育。如大范圍種植還需輔以人工灌溉，直到棗樹根系生長至能有效獲得地下水補給為止。對于二、三級河流階地，盡管多屬于難效水狀態，在自然條件下，棗樹生長受到一定的阻滯，但生長阻滯性大小取決于土壤含水量的多寡［25］。由于三級階地受山坡徑流水分的額外補給，土壤水分脅迫相比二級階地較小，若再輔以地布覆蓋、修剪棗林以及灌溉管理等［26］農藝措施，則更接近于中效水，適合棗樹的生長發育。而對于二級階地，應該適度減小棗樹種植密度以及加強灌溉頻率和增加水分補給量，改善棗林深層（200 cm土層以下）土壤水分狀況，從而增大土壤水分有效性。

4.2 河流階地的土壤干層與水分平衡

研究普遍認為，土壤干層形成的原因有降水稀少，或在不當的地區植樹造林和選擇不適宜的樹種栽培等［27］。在黃土高原區域，土壤干層一定程度上是氣候干旱的必然結果［17］，而植被類型選擇不當、地形跌宕起伏以及林木密度過大都是加劇深層土壤干燥化的因素。本文研究階地棗林200～500 cm深層土壤干燥化效應，分析不易受降水補給的永久性干層的強度和厚度，發現深層土壤普遍發育干層且干層發育強度和厚度不同，這是由于晉陜峽谷河流階地林木根系過耗作用、地下水位、土壤粒度以及微地形條件綜合作用下導致該地土壤水分循環出現負平衡的結果。又由于土壤干層發育在薄膜水帶中，薄膜水向干層帶運動，阻礙了大氣降水的下滲［28］，進一步加劇土壤水分負平衡的過程。土壤水分負平衡嚴重影響陸地水分循環，切斷了大氣降水對地下水的補給作用，形成了土壤-植被-地表徑流-大氣的水分循環異常模式［16，25］。河流階地棗林土壤水分的負平衡過程，造成地下水資源匱乏，威脅植被生存，增加了該地區生態恢復建設的難度系數。所以應該因地制宜，擇優選擇適水條件的階地進行人工植被栽培，同時實施科學合理的舉措種植棗樹，以促進黃河流域生態環境的可持續發展，加強黃河流域生態保護，保障黃河長治久安。

5 結 論

河流階地棗樹林0～500 cm深度土壤含水量大小關系為：一級階地（10.26%）＞三級階地（6.75%）＞二級階地（5.84%）。

不同階地間棗林土壤水分有效性Aw具有顯著性差異（P＜0.05），一級階地（0.36）顯著高于二級（0.08）和三級（0.14）階地。不同深度土壤水分有效性間的差異表現為：0～200 cm土層土壤，除60～100 cm土層外，河流三級階地顯著高于一級、二級階地（P＜0.05）；110～300 cm、310～500 cm土層土壤水分有效性分別表現為一級階地最低和最高（P＜0.05）。對土壤水分有效性分級，一級階地0～300 cm土層土壤主要處于無效水狀態，310～500 cm土層土壤處于富余水狀態；二級階地和三級階地主要屬于難效水狀態。

河流階地土壤供水系數Ks的變化為河流一級階地（0.78）＞三級階地（0.59）＞二級階地（0.48）；河流階地土壤水分虧缺程度表現為二級階地（嚴重虧缺）＞三級階地（中度虧缺）＞一級階地（輕度虧缺）。

河流階地200～500 cm深度土壤均發育有干層，土壤平均干燥化強度為三級階地（69.87%）＞二級階地（69.23%）＞一級階地（-24.74%）。