長武塬區蘋果園和農田相互轉換的深層土壤水環境效應

劉錦月,韓曉陽,朱元駿, 3

(1. 中國科學院教育部水土保持與生態環境研究中心，陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院大學，北京 100049;3.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

近年來，蘋果產業已經成為陜西農村經濟發展的主導特色產業之一[1]。2018年陜西蘋果種植面積59.8萬hm2，總產量1008.7萬t，其中咸陽市蘋果產量34.2萬t[2]。蘋果園生物量高于農作物，其耗水量也相應較高，農田輪作為蘋果園后加劇了土壤水分的供需矛盾，蘋果園土壤干燥化現象普遍發生[3-6]。且隨著蘋果樹生長年限的延長，其對土壤水分的消耗巨大，因此，有必要對黃土高原蘋果主產區蘋果園和農田轉換后的土壤水環境變化進行深入分析，為區域有限水資源條件下蘋果產業的穩定和健康發展提供支持[7-10]。

國內學者對黃土高原地區蘋果園土壤水分狀況[11-14]和土壤干層分布特征[15-18]進行了大量研究，揭示了蘋果園深層土壤干燥化現象[19-20]。例如，張社紅等[21]對渭北旱塬蘋果園產量和深層土壤水分效應模擬的研究表明，隨生長年限的延長，蘋果園0～1 000 cm土層土壤含水量逐漸降低、土壤干層分布深度逐漸加大；在蘋果種植年限達14 a時，土壤干層深度超過了1 000 cm，20 a以后200～1 000 cm 土層形成穩定的土壤干層。彭星星[22]分析了渭北旱地蘋果園深層土壤干燥化形成機理及調控技術，認為以土壤貯水恢復量和土壤干層恢復厚度2個指標為基礎，可以預估洛川、長武和白水26、27 a和 23 a果園土壤水分恢復至當地農田水平所需的年限依次為5、8 a和 9 a。王延平等[26]對陜西黃土高原蘋果園土壤水分進行分析，發現陜西蘋果園由南向北土壤貯水量逐漸降低，土壤水分虧缺加重；在干旱季節，北部丘陵溝壑區果園土壤水分虧缺度高達18.5%～47.5%，黃土殘塬區為7.8%～20.3%，關中平原僅有1.2%～6.3%。曹裕等[16]測定了黃土高原半濕潤黃土臺塬區、半濕潤易旱黃土旱塬區、半濕潤偏旱和半干旱黃土丘陵區等不同氣候和地貌類型區32塊蘋果園地0～1 500 cm土層土壤濕度，發現旱作果園土壤干燥化指數(SDI)分別為32%、50%和46%，各類型干層厚度分別達到或超過790、1297 cm和910 cm。其他相關研究主要關注糧草輪作、冬小麥-夏玉米輪作和玉米-大豆輪作等的土壤水環境效應[23-25]，而對該地區蘋果園轉換為農田后土壤水環境變化的研究較少。蘋果園轉換為農田后，土壤水分會得到一定程度的恢復，但恢復程度與年限的關系及其影響因素尚需進一步研究。

本文通過對黃土高原長武塬區農田和蘋果園轉換后0～1 000 cm土層土壤水分進行觀測和分析，以揭示這種土地利用變化對深層土壤水分的影響特征，為長武塬區蘋果園可持續發展和土壤水資源可持續利用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于黃土高原南部陜西省長武縣王東溝流域(107°41′E，35°14′N)，海拔1 220 m，屬于半干旱半濕潤季風氣候。該區年最大和最小降水量分別為954 mm(2003年)和296 mm(1995年)，降水主要集中在7—9月，占年總量的57%以上，無灌溉條件，屬于典型的雨養農業區；年日照時數2 226.5 h，多年平均無霜期171 d，年平均氣溫9.1℃，年輻射總量4 837 kJ·m-2；地帶性土壤為黑壚土，土層深厚，土質疏松，地下水埋深50～80 m，不參與土壤水分循環；土壤的田間持水量22.5%，穩定濕度15.5%，凋萎濕度8.5%[16]。

1.2 試驗設計

采用空間分布代替時間序列的方法，測定和比較不同生長年限農田和蘋果園相互轉換后的土壤水分狀況。試驗選擇的蘋果園生長年限為2 a(幼樹，CA1)、7 a(初果期，CA2)、17 a(盛果期，CA3)、23 a(衰老期，CA4)和29 a(衰老后期，CA5)，退果農田耕作年限為1 a(CO2)、5 a(CO3)和10 a(CO4)，以未進行轉換的農田作為對照(CO1)。所有采樣點均分布在塬面上，樣地基本信息見表1(其中土壤含水量為200～1 000 cm土層土壤含水量值)。本研究中農田轉換為蘋果園前主要作物為小麥或者玉米，產量為當地平均水平，蘋果園種植品種以紅富士為主，種植密度為3 m×4 m或者4 m×4 m；各樣地的管理模式均采用當地常規方法，蘋果園按照季節的變化進行科學病蟲害防治、保墑追肥、清除雜草、修剪樹枝與套袋；砍伐果樹后第一年施肥量較少，以后正常施肥，農田主要管理措施為病蟲防治、清除雜草和施肥。在2018年8月蘋果樹和玉米生長旺季，對樣地0～1 000 cm土層進行取樣，0～200 cm深度土層的采樣間隔為10 cm，200～1 000 cm深度土層的采樣間隔為20 cm。土壤水分測定采用烘干法。

表1 樣地基本情況

1.3 數據處理

1.3.1 土壤含水量

(1)

式中，SWC為土壤質量含水量(%)；W1為干燥鋁盒的質量(g)；W2為濕土加鋁盒的質量(g)；W3為烘干土加鋁盒的質量(g)。

1.3.2 土壤干燥化指數 土壤干燥程度以土壤穩定含水量(15.5%)作為閾值，若某一層的土壤含水量低于這一值則判定該層發生了干燥化現象；如土壤含水量恢復到土壤穩定濕度值或之上時，則判定土壤干層內的土壤水分得到恢復。

以土壤干燥化指數(SDI)來評價土壤干層的干燥化程度，計算公式為：

(2)

式中,SDI為土壤干燥化指數(%)；SM為土壤含水量(%)；WM為凋萎濕度(%)；SSM為土壤穩定濕度(%)。

根據土壤干燥化指數SDI值的大小，果園土壤干燥化程度可劃分為 6 級(表2)。

表2 SDI值的范圍及其對應的干燥化程度

1.3.3 土壤含水量距平值 土壤含水量距平值是指某一土層含水量與全層含水量平均值之差，用來指示土壤剖面上的低水分區域，從而分析隨蘋果樹生長年限的延長土壤低含水量區域的變化情況，并預測不同生長年限蘋果園土壤干層的發生情況。

2 結果與分析

2.1 農田轉換為蘋果園后土壤水分變化特征

圖1為不同生長年限蘋果園0 ～ 1000 cm土壤含水量分布特征。不同樹齡蘋果園0 ～ 1000 cm土層平均土壤含水量隨生長年限的增加呈現先減小后增大的趨勢，果園進入衰老后期后土壤含水量稍有恢復。2、7、17、23、29 a(CA1～CA5)蘋果園200～1 000 cm平均土壤含水量分別為22.8%、21.4%、16.8%、15.4%和14.9%(表1)，其中23 a和29 a(CA4和CA5)平均土壤含水量低于土壤穩定濕度(15.5%)。根據土壤有關含水量分布特征，可將圖1蘋果園0～1 000 cm土層剖面分為3層：(1)土壤含水量無顯著差異層，深度范圍0～200 cm，蘋果園的平均土壤含水量在18.8%～20.8%之間；(2)土壤含水量差異逐漸顯現層，深度范圍200～500 cm，CA1～CA5蘋果園的平均土壤含水量分別為22.4%、21.0%、19.7%、18.6%和15.4%；(3)土壤含水量顯著差異層，深度范圍500～1 000 cm，CA1～CA5蘋果園的平均土壤含水量分別為23.0%、21.5%、15.0%、13.3%和14.5%。7 a以下的蘋果園200～1 000 cm土層土壤含水量無明顯變化，16 a后200～1 000 cm土層土壤含水量呈現下降趨勢。其中，CA3和CA4蘋果園500～1 000 cm和CA5蘋果園340～1 000 cm的土壤含水量低于土壤穩定濕度；CA3～CA5蘋果園土壤干層分布深度超過1 000 cm。

將不同年限的蘋果園與對照農田(CO1)進行對比，發現在由農田轉換為果園后，0～500 cm土層的土壤含水量均下降；而500～1 000 cm土層土壤含水量則表現不同，由高到低依次為：CA1(23.0%)>CA2(21.5%)>CO1(17.1%)>CA3(15.0%)>CA5(14.5%)>CA4(13.3%)。CA3～CA5蘋果園的500～1 000 cm土壤含水量低于對照，表明當蘋果園進入盛果期后根系對深層水分消耗較大。

由圖2可見，土壤含水量距平值為負值的果園及其土壤深度范圍表現為：CA1：0～300 cm；CA2：0～400 cm、540～560 cm和760～ 900 cm；CA3：480～1 000 cm；CA4：460～1 000 cm；CA5：260～1 000 cm。負距平值的分布特征說明幼果期(CA1)和盛果前期(CA2)蘋果樹根系分布較淺，主要吸收0～500 cm的土壤水分；隨著蘋果樹生長年限的延長，蘋果樹根系吸水強度和深度逐漸增加，進入衰老期后根系吸水區域逐漸上移。

2.2 農田轉換為蘋果園后的土壤干燥化強度評價

由表3可知，CA1～CA5蘋果園0～1 000 cm土層的土壤干燥化指數平均值分別為-23%、-19%、12%、17%和25%，CA1和CA2幼果期蘋果園無土壤干燥化，CA3～CA5均達到了輕度干燥化程度。CA1～CA5蘋果園均未出現強烈干燥土層和極度干燥土層，CA3輕度干燥、中度干燥和嚴重干燥的土層厚度分別為100、240、20 cm；CA4分別為60、90 cm和180 cm；CA5為130、260 cm和90 cm；CA3～CA5蘋果園輕度干燥層和中度干燥層均出現先減小后增加的趨勢，嚴重干燥層出現先增加后減小的趨勢。

圖1 農田轉換為蘋果園后土壤含水量剖面分布Fig.1 Vertical distribution of soil water content in the appleorchards rotated from farmland

圖2 農田轉換為蘋果園后土壤含水量距平值變化Fig.2 Variation of distanced average for soil water content inthe apple orchards rotated from farmland

2.3 蘋果園轉換為農田后的土壤水分恢復效應

蘋果園轉換為農田后，CO1～CO4農田0～200 cm平均土壤含水量無明顯差異，分別為17.9%、20.5%、18.6%和16.7%；200～500 cm的平均土壤含水量較上層明顯減小，分別為14.7%、16.3%、17.0%和18.9%，其中CO2～CO4土壤含水量都恢復到15.5%以上(圖3)。在500～1 000 cm土層中，CO2～CO4土壤含水量最低，分別為14.7%、14.9%和14.5%，說明蘋果園轉換為農田后，短期內深層土壤含水量還未能得到補給和恢復。

CA5蘋果園在340～1 000 cm土層形成了一個土壤含水量低于土壤穩定濕度的干燥層，隨著蘋果園輪作農田生長年限的延長，干燥層逐漸減小。1 a農田(CO2)的干燥層范圍縮小到400～920 cm，5 a農田(CO3)的干燥層范圍縮小到500～940 cm，10 a農田(CO4)的干燥層范圍縮小到580～840 cm(圖3)。可見，土壤干層是由上部和下部土層向中間層逐漸恢復的。CO2～CO4農田0～1 000 cm土層恢復到土壤穩定濕度值以上的土層厚度分別為140、220 cm和400 cm，隨著農田生長年限的延長，土壤干層厚度逐漸減小。

3 討 論

由于國家政策和蘋果種植帶來的高收益，近年來長武塬區蘋果園的面積占比逐年增大，農田種植面積逐年減小。與農作物相比，蘋果是深根系、高生物量的植物，其對土壤水分的消耗也更大。此外，由于蘋果樹有自己的生命周期，在由盛轉衰后，將其轉化為農田，不僅可以恢復土壤水分，還可以增加土地的經濟效益。因此，研究農田和蘋果園相互轉換的土壤水環境效應，不僅有助于量化區域蘋果大面積種植對土壤水環境的影響，還可以量化蘋果園轉化為農田后的土壤水分恢復情況，從而為蘋果園的可持續發展和土壤水資源的保護提供科學依據。

表3 農田轉換為蘋果園后的土壤干燥化情況

圖3 蘋果園轉換為農田后的土壤含水量垂直分布Fig.3 Vertical distribution of soil water content in thefarmland rotated from apple orchard

長武塬區2～29 a(CA1～CA5)的蘋果園0～1 000 cm土層土壤含水量出現先減小后增大的趨勢。當蘋果園進入衰老后期，更高齡的蘋果園(CA5)土壤含水量高于相對低齡的蘋果園(CA4)，可能是由于衰老后期果樹衰退，生產能力降低，對水分的需求也相應地減少，加之雨季上層土壤水分的補給，使總體土壤含水量略有增加，這與李青華等[7]的研究結果一致。CA1 ～CA5蘋果園500～1 000 cm的土壤含水量低于土壤穩定濕度，這與Liu等[26]研究結果一致。蘋果種植作為一種特殊的退耕還林模式，在盛果后期和衰老期均存在很厚的土壤干層，表明種植蘋果也會導致黃土高原土層的干燥化現象。低齡的蘋果園(CA1和CA2)沒有出現土壤干燥化，可能是由于幼果期和盛果前期果樹主要耗水層為0～200 cm，夏季降水能夠補充，這與王延平等[6]研究結果類似。通過對不同年限蘋果園土壤水分狀況的分析，我們擬合出農田輪作為果園后的土壤水分含量與生長年限的關系：Y=0.0079X2-0.5600X+24.2440(R2=0.98，Y為土壤質量含水量，X為蘋果園生長年限)。如果以土壤穩定溫度和凋萎濕度分別作為土壤水分的上、下邊界，我們可以計算出蘋果園種植的適宜年限為21 a(即不會導致嚴重的土壤干燥化)，這與張社紅等[21]的研究結果相似。果園轉換為農田后，土壤干層出現由上部和下部向中間層逐漸恢復的現象。以降水為主要水分補給來源的長武塬區，蘋果園轉換為農田后表層土壤水分恢復主要是由于降水入滲；深層土壤水分恢復可能是由于“土壤水庫”的深層儲水沿水勢梯度向上補充的結果[27-28]，這一點與樊軍等[19]的結論一致。

4 結 論

蘋果園轉換為農田1、5、10 a后，200～1 000 cm土層土壤含水量分別為：15.3%、15.7%和16.1%。0～1 000 cm土壤干層出現由上部和下部土層向中間層逐漸恢復的現象，恢復到土壤穩定濕度值以上的土層厚度分別為140、220 cm和400 cm。隨著退果年限的增加，土壤干層厚度逐漸減小。以土壤穩定濕度和凋萎濕度為土壤水分的上、下邊界，蘋果園的最大適宜種植年限為21 a(即不會導致嚴重的土壤干燥化)，此后應轉換為糧食作物，以緩解土壤干燥化、促進土壤水分恢復。