黃土塬區(qū)不同土地利用方式土壤水分消耗與補(bǔ)給變化特征

王艷萍，王 力,*，韓 雪，楊文強(qiáng)

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 楊凌 712100

黃土塬區(qū)不同土地利用方式土壤水分消耗與補(bǔ)給變化特征

王艷萍1,2，王 力1,2,*，韓 雪1，楊文強(qiáng)1

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 楊凌 712100

對(duì)黃土塬區(qū)不同土地利用方式下2012年3—10月7齡果園(掛果初期)、17齡果園(盛果期)、小麥地、玉米地土壤水文狀況進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，0—600 cm試驗(yàn)土層7齡果園土壤貯水量最高，其次為玉米地、小麥地，17齡果園最低，且不同土地利用方式下貯水量隨著降水量的變化而上下波動(dòng)，但其變化滯后于降水。不同土地利用方式均表現(xiàn)為隨土壤深度增加土壤含水量變異程度減弱的特征，且其土壤剖面的水分含量變化存在季節(jié)變異。農(nóng)田和7齡果園中不存在土壤干燥化現(xiàn)象，而17齡果園土壤剖面存在較厚的干燥化土層，其分布深度為320—600 cm。不同的土地利用方式的土壤水分的消耗和補(bǔ)充深度有較大差異，17齡果園消耗深度為500 cm，補(bǔ)充深度為200 cm；7齡果園、玉米地和小麥地消耗深度分別為200、300 cm和300 cm，且補(bǔ)充深度均超過了測(cè)定的土壤深度，大于600 cm。

土壤含水量；土壤干層；消耗和補(bǔ)充深度；土地利用方式

土壤水分是土壤-植被-大氣連續(xù)體的關(guān)鍵因子，是土壤系統(tǒng)中物質(zhì)和能量循環(huán)的載體，對(duì)土壤特性、植被生長(zhǎng)及其分布格局以及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)有著重要的影響[1]。黃土高原地處半干旱、半濕潤(rùn)地區(qū)，其中位于黃土高原的渭北旱塬則屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，生產(chǎn)潛力比較大，素有“陜西第二糧倉(cāng)”之稱。隨著該地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以蘋果林為主的果園面積增大，農(nóng)作物種植面積減少，傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品種植轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯そ?jīng)濟(jì)蘋果林緩解并改善了因退耕還林還草政策對(duì)當(dāng)?shù)匕傩战?jīng)濟(jì)收入的影響，進(jìn)而有效地推動(dòng)了這一政策的實(shí)施。但土地利用方式的改變是影響土壤水分時(shí)空變異的重要因子，在不明確蘋果林水分消耗和供給的狀況下，大力推進(jìn)耕地轉(zhuǎn)為果園，可能會(huì)導(dǎo)致一系列不可預(yù)測(cè)的生態(tài)問題，同時(shí)也會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐募Z食生產(chǎn)造成一定影響。樊軍等[2]通過對(duì)黃土旱塬不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤深層水分消耗與水分生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析后指出，蘋果樹的大面積種植加快了土壤深層水分消耗，最終可能影響這一區(qū)域的陸地水循環(huán)。有研究表明，渭北旱塬10齡以上果園均有干層出現(xiàn)，且深層土壤干層表現(xiàn)出隨果園年限增加而增強(qiáng)[3]。果園中土壤干層的出現(xiàn)嚴(yán)重制約了蘋果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

本研究以黃土高塬溝壑區(qū)中的典型地區(qū)長(zhǎng)武塬為研究區(qū)域，在基于長(zhǎng)武塬面的幾種主要土地利用方式土壤水分動(dòng)態(tài)變化定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了不同土地利用方式下土壤貯水量隨降水量的動(dòng)態(tài)變化過程，土壤水分垂直變化規(guī)律及其變異特征，分析深層土壤干燥化的成因以及土壤水分的補(bǔ)充和消耗深度，為黃土塬區(qū)農(nóng)田、果園結(jié)構(gòu)調(diào)整和土壤有限水資源的持續(xù)利用提供理論依據(jù)，以期促進(jìn)黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)重建的順利進(jìn)行。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)塬面位于陜西省長(zhǎng)武縣城以西12 km的陜甘交界處(107°40′30″—107°42′30" E，35°12′16″—35°16′00" N)王東溝小流域，塬面地勢(shì)平坦，土層深厚，海拔1215—1226 m，屬典型的黃土高塬溝壑區(qū)，為旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。年均氣溫9.1 ℃，無霜期171 d。降水年際間變異大，最大年降水量為813.2 mm，最小年降水量為369.5 mm，多年平均降水量為584.1 mm，且多集中在7—9月，占全年降水量的54.9%。年平均蒸發(fā)量1016.6 mm，≥10 ℃活動(dòng)積溫3029 ℃，年日照時(shí)數(shù)為2230 h，日照率51%，年輻射總量為4837 kJ/m2。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為中壤質(zhì)黑壚土，總孔隙度47.5%—56.0%。田間持水量為23%(3×104Pa時(shí)的含水量)，萎蔫系數(shù)10.6%(1.5×106Pa)，地下水埋深50—80 m。

塬區(qū)土地利用現(xiàn)狀格局以耕地、園地、林地和草地為主，其中耕地3.0萬hm2，且以山坡地為主，田間種植的作物以小麥、玉米為主，黃豆及雜糧為輔，其中小麥在9月下旬播種，次年6月中下旬收獲，大田產(chǎn)量多年平均值為3198.2 kg/hm2；玉米在4月中旬播種，9月中旬收獲，大田產(chǎn)量多年平均值6037.5 kg/hm2。長(zhǎng)武塬區(qū)果園面積逐年增加，截至2012年底，全縣果園面積已發(fā)展到1.7萬 hm2，產(chǎn)量達(dá)到26萬 t，已成為該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣地選擇

農(nóng)田選取小麥地、玉米地，大田管理模式與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作法相同。小麥為冬小麥，于2012年9月18日播種，次年6月25日收割。玉米為夏玉米，于2012年4月20日播種，9月20日收獲。

果園選取7年、17年生紅富士果園，果園的營(yíng)造和管理模式采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法，果園定期進(jìn)行病蟲害防治，適時(shí)拉枝剪梢和套袋，保墑追肥，定期清除雜草，管理措施相對(duì)一致。所選擇的果園的基本情況見表1。

表1 研究果園的基本情況Table 1 Characteristics of the studied apple orchard

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目

(1)土壤含水量

在小麥地、玉米地、7齡果園、17齡果園中各隨機(jī)布置6個(gè)土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)。利用CNC503B(DR)中子儀于2011年7—9月、2012年3—9月每月15日和30日測(cè)定土壤水分。0—100 cm階段土層按10 cm記錄讀數(shù)1次，100—600 cm土層按每20 cm記錄讀數(shù)1次，用6個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值作為該層土壤含水量值，并用土鉆法校準(zhǔn)0—40 cm土層所測(cè)得數(shù)據(jù)。

(2)各層次土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。

(3)降水量采用普通雨量計(jì)和自記雨量計(jì)相結(jié)合的方法測(cè)定。

1.2.3 計(jì)算方法

(1)土壤貯水量計(jì)算公式：

WC=θm·ρ·h·10

式中，WC為土壤貯水量(mm)，θm為土壤質(zhì)量含水量，ρ為土壤體積質(zhì)量(g/cm3)，h為土層深度。

(2)變異系數(shù)(Coefficient of Variation)CV=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Excel、SPSS17.0和SigmaPlot12.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤貯水量與降水量的動(dòng)態(tài)特征

2012年降水量為480.8 mm，低于多年平均降水量584.1 mm[3]約17.7%，屬干旱年。大氣降水是研究區(qū)土壤水分的主要補(bǔ)給來源，各土地利用方式土壤動(dòng)態(tài)變化受降水影響較大。2012年研究期間降水隨時(shí)間變化情況如圖1所示，降水主要集中在7—9月，占全年降水量的63.5%，并在9月出現(xiàn)峰值。研究區(qū)內(nèi)小麥地、玉米地和果園的0—600 cm土壤貯水量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與降水隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，但在時(shí)間上滯后于降水量(圖1)。

2012年3—9月對(duì)長(zhǎng)武塬面7齡果園(掛果初期)、17齡果園(盛果期)、小麥地、玉米地0—600 cm土壤水分的監(jiān)測(cè)表明(圖1)，0—600 cm土壤貯水量7齡果園土壤最高，其次為玉米地、小麥地，17齡果園最低。在觀測(cè)期內(nèi)，受降水和蒸發(fā)蒸騰過程的影響，果園土壤貯水量有較大的起伏，3—4月，果樹剛剛生長(zhǎng)，但由于上一年的降水補(bǔ)充，觀測(cè)初期3月18日土壤貯水量最高，7齡果園和17齡果園0—600 cm貯水量分別達(dá)到193.7、132.2 cm。4—6月初，由于降水少，氣溫回升快，表層土壤蒸發(fā)潛力大，加之果樹生長(zhǎng)發(fā)育耗水強(qiáng)度逐漸增加，土壤水分消耗大于補(bǔ)給，貯水量逐漸減少；6—7月，降水雖然增多，但果樹生長(zhǎng)消耗仍大于補(bǔ)給，土壤貯水量仍繼續(xù)下降，8月降水相對(duì)較多，但蒸發(fā)蒸騰劇烈，使得各樣地在8月底，土壤貯水量達(dá)到最低值，7齡果園和17齡果園0—600 cm土壤貯水量分別僅為173.2、116.8 cm。9月初，降水增多，果樹生長(zhǎng)已進(jìn)入生殖生長(zhǎng)末期，耗水減少，因此9月份土壤貯水量又開始逐漸恢復(fù)。17齡果園土壤貯水量低于7齡果園，這主要是由于盛果期果樹由于蒸騰耗損量較大及果樹生長(zhǎng)所需吸收利用的水分較多從而造成土壤水分含量較低。

從圖1中可以看出，玉米地的土壤貯水量變化趨勢(shì)為先減少后增加，但變化幅度相對(duì)平穩(wěn)。在春季播種前，沒有植株蒸騰，僅以地面蒸發(fā)為主，但由于該時(shí)期降水量較少，不能及時(shí)補(bǔ)充土壤蒸發(fā)造成的土壤水分消耗，因此土壤貯水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；玉米播種后到玉米抽穗期，隨著玉米生長(zhǎng)以及氣溫升高，玉米地的植株蒸騰和棵間蒸發(fā)均在迅速增加，使得玉米地耗水量迅速增加，但在此階段分配不均的有效降水不同程度的補(bǔ)充了土壤貯水量，因而土壤貯水量并沒有顯著的變化；6—8月同果園變化趨勢(shì)一樣，8月底達(dá)到土壤貯水量最低值，0—600 cm土層貯水量為154.9 cm；9月中旬玉米成熟收獲后，玉米地的耗水迅速減少，由于集中的強(qiáng)有效降水使得土壤貯水量增加。

圖1 2012年監(jiān)測(cè)期不同土地利用方式0—600 cm土壤貯水量與降水量時(shí)間變化比較Fig.1 The comparison of 0—600 cm soil water storage temporal variation in different land use types and precipitation in 2012

冬小麥?zhǔn)乔锊ハ氖?，全生育期處于?dāng)年雨季后和翌年雨季前的旱季。3月份，由于小麥處于返青期，耗水量并未達(dá)到最大，土壤含水量相對(duì)較高，進(jìn)入5月份，小麥處于抽穗-揚(yáng)花期，該時(shí)期正值耗水高峰，此時(shí)蒸騰量大幅度增加，但降水偏少，土壤水分支出遠(yuǎn)高于收入；小麥在6月中旬進(jìn)入收獲期，由于小麥生育期內(nèi)耗水多，降水補(bǔ)給不足，因此，6月底小麥地土壤水分含量降到全年最低點(diǎn)，0—600 cm土層貯水量為134.3 cm。6月25日小麥?zhǔn)崭詈?，小麥地成為休閑農(nóng)地，為承納雨季中大量而集中的降水提供了條件，7—9月為該地區(qū)的雨季，降水充足，雨季中接納的降水補(bǔ)給地下水，又保存到來年春季供小麥生長(zhǎng)利用。

本研究還發(fā)現(xiàn)，與2011年9月末期土壤貯水量相比，各土地利用方式土壤貯水量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于2012年為少水年，補(bǔ)給期7—9月降水305.2 mm與2011年同期降水388.4 mm相比偏少，使得2012年該時(shí)期內(nèi)由于降水土壤水分雖然相對(duì)回升，但補(bǔ)給始終低于消耗，出現(xiàn)負(fù)補(bǔ)給情況。

2.2 土壤水分垂直分布規(guī)律及其變異特征

由于土壤0—200 cm土層水分含量受降水的影響，變化劇烈，因此200 cm以下可以反映不同土地利用方式對(duì)土壤剖面水分含量的長(zhǎng)期影響[2]。圖2給出各土地利用方式土壤含水量平均值的分布特征。從圖中可以看出，200—600 cm土壤含水量平均值7齡果園最高，玉米地、小麥地次之，17齡果園最低。

土壤水分受降水、蒸散過程、地形和土地利用方式[1,4- 5]等綜合因素的影響，在空間上具有高度的異質(zhì)性。不同土地利用方式下的不同土層的土壤含水量變化幅度差異較大，變異系數(shù)CV可以反映這個(gè)特征。CV值越大，則表示土壤含水量變化越劇烈，反之，則越穩(wěn)定[6]。7齡果園、17齡果園、小麥地、玉米地0—600 cm土體中不同土層土壤水分的CV值如圖2所示。結(jié)果表明，試驗(yàn)地塊表層(0—100 cm)土壤含水量的變異程度均較大，這是由于該層受降水入滲、土壤蒸發(fā)及植物根系吸水等多重過程的影響；同時(shí)由于土壤孔隙多，因而土壤干濕變化劇烈，土壤水分變異系數(shù)大。而由圖可知7齡果園、17齡果園、小麥地、玉米地分別于420、180、320、140 cm處以下CV值較小且變化不大，這是由于隨著土層的加深，土壤水分受外界條件的影響變小，土壤水分變異程度減弱，土壤水分趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 2012年不同土地利用方式下土壤水分特征剖面變化Fig.2 The sectional change characteristics of soil moisture in different land use types in 2012

在不同月份間，不同土地利用方式下的土壤水分變化具有明顯的季節(jié)特征，這是植物生長(zhǎng)規(guī)律和當(dāng)?shù)匚锖蛱攸c(diǎn)共同作用的結(jié)果。如圖2和圖3所示，各土地利用方式不同月份0—600 cm土壤剖面的水分含量變化存在差異。7齡果園土壤水分平均值自上而下呈“S”分布。60—240 cm之間土壤水分較低，240 cm以下呈增加趨勢(shì)。深層土壤含水量高于表層。17齡果園土壤含水量垂直變化先減小，后增加再減少，深層穩(wěn)定在13.5%左右。60—180 cm土層含水量有一個(gè)上升的過程，即土壤水分有一個(gè)補(bǔ)充過程。這與王經(jīng)民等[7]關(guān)于黃土區(qū)土壤水分的研究結(jié)果類似，其主要可能是0—60 cm土層土壤水分消耗較大引起的。小麥地和玉米地是研究區(qū)內(nèi)主要的兩種農(nóng)用地類型，它們的土壤含水量剖面變化趨勢(shì)相似，均呈先減小后增加的變化，冬小麥?zhǔn)乔锊ハ氖?，全生育期處于?dāng)年雨季后和翌年雨季前的旱季。小麥地0—300 cm土層各月份土壤含水量變化較大，存在明顯差異，這說明0—300 cm為小麥地降水入滲影響和根系吸水作用的主要層次，土壤濕度變化劇烈，干濕交替活躍。而在300—600 cm，各月土壤含水量變化較小，且土壤含水量隨土層加深而逐漸增加，說明該層位于小麥根系吸水深度以下。玉米各月份之間土壤含水量差異變化不大，土壤含水量垂直變化先減小后增加，0—300 cm土壤含水量逐漸減小，300—600 cm土壤含水量逐漸增加。

圖3 2012年各土地利用方式下土壤水分垂直剖面季節(jié)變化特征Fig.3 The seasonal variation characteristics of soil moisture of different land use types in vertical section in 2012

2.3 土壤干層

土壤干層是位于降水入滲補(bǔ)給深度以下，因林草植被過度消耗深層儲(chǔ)水導(dǎo)致土壤水分負(fù)平衡而形成的長(zhǎng)期存在的干燥化土層，是黃土高原地區(qū)半干旱和半濕潤(rùn)環(huán)境條件下出現(xiàn)的一種特殊的水文現(xiàn)象[8- 10]，也是環(huán)境旱化和土壤旱化的一種表現(xiàn)。土壤干燥化程度的判別與評(píng)價(jià)方法不盡相同，大多研究者認(rèn)為土壤干層濕度范圍應(yīng)以田間穩(wěn)定持水量或土壤穩(wěn)定濕度為上限，凋萎濕度為下限[11- 13]。由于田間穩(wěn)定持水量物理意義不明確[14]，本研究以植物氣孔開始關(guān)閉時(shí)的土壤含水量作為判斷農(nóng)田、果園土壤干燥化的上限指標(biāo)，該值一般介于田間持水量的60%—70%之間，在同一土壤條件下對(duì)不同植物會(huì)略有差異[15]。為了更為準(zhǔn)確描述土壤干燥化強(qiáng)度，采用土壤干燥化指數(shù)Sdi來評(píng)級(jí)土壤干燥化強(qiáng)度，計(jì)算公式為：

式中，Sdi為土壤干燥化指數(shù)(%)；θ為土壤含水率(%)；Sw為凋萎濕度(%)；S*為植物氣孔開始關(guān)閉時(shí)的土壤含水量[16](%)，相對(duì)應(yīng)的土壤水勢(shì)約為-0.01MPa。S*值為植物開始受水分脅迫的臨界值，以該值作為判別土壤干燥化強(qiáng)度的上限物理意義和生物學(xué)意義比以田間穩(wěn)定持水量為標(biāo)準(zhǔn)更為明確[17]。依據(jù)土壤干燥化指數(shù)Sdi的大小，將土壤干燥化強(qiáng)度分為6級(jí)：1)若Sdi<0，為無干燥化；2)若0≤Sdi<25%，為輕度干燥化；3)若25%≤Sdi<50%，為中度干燥化；4)若50%≤Sdi<75%，為嚴(yán)重干燥化；5)若75%≤Sdi<100%，為強(qiáng)烈干燥化；6)若Sdi≥100%，為極度干燥化。

由圖4和表2可知，小麥地、玉米地、7齡果園均未出現(xiàn)土壤干化現(xiàn)象，由此得知小麥、玉米以及蘋果在幼齡期的生長(zhǎng)主要消耗天然降水，土壤水庫(kù)中水分利用的較少。而在17齡果園中300 cm以下開始出現(xiàn)土壤干化現(xiàn)象，以土壤干燥化指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，300—360 cm土層和580—600 cm土層為輕度干燥化，380—560 cm土層為中度干燥化。

2.4 土壤水分的補(bǔ)充深度與消耗深度

土壤水分消耗深度和補(bǔ)充深度分別是指在特定的土地利用方式下，當(dāng)年植物消耗土壤水分的剖面深度和當(dāng)年降水所能入滲到的深度，是降水入滲補(bǔ)給與系統(tǒng)耗水共同作用的結(jié)果[18]。

圖4 2012年不同土地利用方式土壤干燥化強(qiáng)度Fig.4 Intensity of soil desiccation in different land use types in 2012

表2 2012年不同土地利用方式下耗水深度與補(bǔ)充深度比較Table 2 Comparison of soil water consumption and compensation depths in different land use types in 2012

對(duì)7齡果園、17齡果園、玉米地、小麥地0—600 cm土層貯水消耗和補(bǔ)充深度情況進(jìn)行分析(圖3)，從圖中可以看出不同的土地利用方式顯著影響土壤水分消耗和補(bǔ)給過程。各樣地的土壤水分消耗和補(bǔ)充深度因受雨季初土壤水分含量、冠層截留、系統(tǒng)蒸散過程以及土地利用方式等的影響有較大差異。7齡果園消耗深度在200 cm左右，降水入滲補(bǔ)充深度大于600 cm，超過了測(cè)定的土壤深度。17齡果園消耗深度在500 cm左右，而補(bǔ)充深度在200 cm左右，由于前期果樹生長(zhǎng)耗竭了水分，同時(shí)補(bǔ)充深度又不及耗水深度，因此300—600 cm土層已存在的干層，如果沒有人工干預(yù)，土壤深層干燥化現(xiàn)象將在一段時(shí)期內(nèi)持續(xù)存在。小麥地和玉米地的消耗深度均為300 cm左右，最大入滲深度均超過600 cm。冬小麥?zhǔn)崭詈筠r(nóng)田進(jìn)入7—9月的夏季休閑期，此時(shí)段正是黃土高塬降水充沛的季節(jié)，而小麥?zhǔn)崭詈筠r(nóng)田進(jìn)行翻耕，有利于深層土壤水分的恢復(fù)，小麥生長(zhǎng)期間強(qiáng)烈的蒸騰作用和棵間土壤蒸發(fā)所消耗的土壤水分可以得到部分或者全部恢復(fù)。

3 討論

(1)研究區(qū)內(nèi)小麥地、玉米地和果園的土壤貯水量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與降水隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，但在時(shí)間上滯后于降水量。有研究表明[19- 20]，土壤水分補(bǔ)償效果顯現(xiàn)的時(shí)間比降水量最大值出現(xiàn)的時(shí)間滯后一個(gè)月左右，這主要是由于土壤水分的垂直輸送具有滯后性以及作物和果樹生長(zhǎng)造成的，并說明土壤水分向下再分配可持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。王景才等[21]研究得出，入滲水量受季節(jié)降水、作物生長(zhǎng)期蒸騰蒸散的影響顯著；由于氣溫日趨升高日照增加，作物呈現(xiàn)出一定的長(zhǎng)勢(shì)，土壤蒸發(fā)和作物蒸散損耗增大從而導(dǎo)致可下滲水量減??；同時(shí)，深層由于水分輸送距離較長(zhǎng)以及深層土壤結(jié)構(gòu)較緊致使水分輸送阻力比較大，使得水分傳輸具有滯后效應(yīng)。

本研究得出，7齡果園0—600 cm土壤含水量顯著高于17齡果園。王亞莉等[22]測(cè)定了黃土高原半濕潤(rùn)偏旱區(qū)旱作果園0—1000 cm土壤含水量，研究表明，果園隨著種植年限(0—12齡)的增長(zhǎng)，0—1000 cm土壤含水量逐漸降低，此后土壤濕度逐漸趨于凋萎濕度直到24齡達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)，土壤干燥化程度也由無干燥化逐漸加劇，至24齡以后形成穩(wěn)定的強(qiáng)烈干燥化狀態(tài)。甘卓亭[3]對(duì)渭北旱塬不同齡果園土壤水分研究得出，20—21齡果園的土壤水分顯著高于10—11齡和15—16齡，呈現(xiàn)一定的恢復(fù)趨勢(shì)，而這是因?yàn)槿斯ち职l(fā)育過程植物對(duì)水分的利用先由淺變深再由深變淺，最終依靠當(dāng)年降水量維持正常的發(fā)育過程，而深層土壤水分得以逐漸恢復(fù)。

(2)李軍等[23]在分析黃土高原不同降水類型農(nóng)田土壤干燥化效應(yīng)得出，黃土高原半濕潤(rùn)區(qū)旱作糧田干燥化指數(shù)為-8%，即不存在土壤干化現(xiàn)象。李玉山[24]認(rèn)為，受降水入滲影響明顯，蘋果園地土壤干層分布于300—940 cm。張義等[25]研究得出塬地果園干層主要分布于400—800 cm。甘卓亭[3]對(duì)渭北旱塬果園土壤干燥化情況調(diào)查研究得出，3—4齡果園未出現(xiàn)土壤干層，而10齡以上果園均有干層出現(xiàn)，其中，深層土壤干層表現(xiàn)出隨果園年限增加而增強(qiáng)，20—21齡果園上層的土壤干層有減弱的趨勢(shì)。本研究得出農(nóng)田和7齡果園中不存在土壤干燥化現(xiàn)象，而17齡果園土壤剖面存在深厚的干燥化土層，其分布深度為320—600 cm。這是由于17齡果園水分消耗量較大，在欠水年，當(dāng)年降水不足以滿足果樹生長(zhǎng)需求時(shí)，對(duì)深層的土壤水分進(jìn)行了利用；由于受降水入滲深度的限制，深層土壤水分一旦被利用，很難得到有效補(bǔ)充，在連續(xù)干旱的條件下，便形成了土壤干層。

王亞莉等[22]指出，旱作蘋果園地土壤水分合理利用年限為23—24a。何福紅等[26]研究王東溝小流域退化果園還耕的生態(tài)水分效應(yīng)得出，退化果園和退果還耕地的平均含水量和土壤貯水量均顯著高于同期的盛果期果園。果園退化后廢棄和退果還耕，土壤水分會(huì)得到部分恢復(fù)。Huang等[27]利用SHAW模型對(duì)黃土溝壑區(qū)果樹砍伐后土壤水分的恢復(fù)狀況進(jìn)行分析，模擬出種植30a蘋果樹后約需7.3a才能使0—300cm范圍內(nèi)果園土壤剖面的水分恢復(fù)成種植冬小麥的土壤水分狀況。

(3)不同土地利用方式的土壤水分的消耗和補(bǔ)充深度有較大差異。本研究得出玉米地和小麥地消耗深度均為300 cm，7齡果園消耗深度為200 cm，且補(bǔ)充深度均超過了測(cè)定的土壤深度，大于600 cm，即其深層土壤水分狀況可在季節(jié)性降水后得到補(bǔ)償和改善。張義等[19]得出長(zhǎng)武塬面果園土壤水分下滲深度可達(dá)260 cm上下，本研究中得出17齡果園補(bǔ)充深度為200 cm，但消耗深度為500 cm，其補(bǔ)充深度不及消耗深度，因此在17齡果園中300—600 cm土層已存在的干層，如果沒有人工干預(yù)，土壤深層干燥化現(xiàn)象將在一段時(shí)期內(nèi)持續(xù)存在。樊軍等[28]研究表明，翻耕有利于0—200 cm土層土壤水分恢復(fù)，王志強(qiáng)等[29]認(rèn)為土壤水分恢復(fù)的深度和程度隨翻耕年限的增加而增大。因此，應(yīng)對(duì)果園尤其是已存在干層的盛果期果園進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜藶楦深A(yù)，如合理的撫育管理和復(fù)壯更新，果樹有可能得到正常的生存和發(fā)展，出現(xiàn)衰退的果樹亦有可能得到良好的恢復(fù)，否則，隨著土壤干層不斷加深，蘋果園因土壤水分的嚴(yán)重虧缺而退化衰敗，甚至成片干枯死亡。

4 結(jié)論

(1)對(duì)黃土塬區(qū)不同土地利用方式下7齡果園(掛果初期)、17齡果園(盛果期)、小麥地、玉米地土壤水文狀況進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，0—600 cm試驗(yàn)土層7齡果園土壤貯水量最高，其次為玉米地、小麥地，17齡果園土壤貯水量最低。且不同土地利用方式下土層貯水量隨降水量的變化而上下波動(dòng)，但其變化滯后于降水。

(2)不同土地利用方式下的土層均表現(xiàn)為隨土壤深度增加而土壤含水量變異程度減弱的特征。其土壤剖面的水分含量變化存在季節(jié)變異。

(3)農(nóng)田和7齡果園中不存在土壤干燥化現(xiàn)象，而17齡果園土壤剖面存在深厚的干燥化土層，其分布深度為320—600 cm。這是由于果樹生長(zhǎng)強(qiáng)烈耗水、降水相對(duì)不足和潛在蒸發(fā)量巨大等因素長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果。

(4)不同的土地利用方式顯著影響土壤水分消耗和補(bǔ)給過程，17齡果園消耗深度為500 cm，補(bǔ)充深度為200 cm；7齡果園、玉米地和小麥地消耗深度分別為200、300 cm和300 cm，而補(bǔ)充深度均超過了測(cè)定的土壤深度，大于600 cm。

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Dynamics of soil moisture depletion and replenishment in different land use types of the Loess Tableland

WANG Yanping1,2, WANG Li1,2,*, HAN Xue1, YANG Wenqiang1

1CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China2StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

Soil moisture has large impacts on agricultural production and regional ecosystems. The Loess Tableland was selected as the study area, and the characteristics of soil moisture in different land use types were measured and analyzed from March to October 2012. The objectives of this study were to characterize the dynamic changes in soil water, determine the soil moisture depletion and replenishment depths, and compare the differences in water consumption under the different land uses. The results showed that: (1) Soil moisture content recorded in the 0—600 cm layer in a 7-year-old apple orchard was the highest, followed by that in a corn field, wheat field, and a 17-year-old apple orchard. Soil moisture contents in different land use types had the same variation trends as precipitation during the observation period, but their responses lagged changes in precipitation. (2) Soil moisture variation declined with increasing soil depth in different land use types. The variation in surface soil water content was greater than that of deep soil water content because the surface layer (0—100 cm) was influenced by multiple processes, including rainfall infiltration, soil evaporation, and plant root water uptake. Soil moisture was less affected by outside conditions as soil depth increased; therefore, soil moisture tended to be relatively stable. In addition, because of complicated functions of plant growth regulation and local phenological characteristics, seasonal variation was also observed in the soil water profile in each land use type. The shape of the average soil moisture profile for the 7-year-old apple orchard was an S-type curve, while the soil moisture profile for the 17-year-old apple orchard showed an initial decrease, followed by an increase and a final decrease. The deep soil moisture stabilized around 13.5%. The shapes of the soil moisture profile in wheat and corn fields were similar; they both increased at first and then decreased. (3) No soil desiccation occurred in farmland or in the 7-year-old apple orchard, while relatively deep desiccated soil layers existed in the 17-year-old apple orchard at depths of 320—600 cm. This was because the water consumption in the 17-year-old apple orchard was greater than water replenishment. In lower rainfall years, the precipitation was not enough to meet the demand from tree growth, so water stored in deep soil was used. Due to the limitation of rainfall infiltration depth, it was hard for water to be replenished once it was depleted. Thus, desiccated soil layers formed under continuous dry years. (4) There were some differences between the soil moisture depletion and replenishment in different land use types. The depths of soil water depletion in the 7-year-old apple orchard, corn field, and wheat field were 200 cm, 300 cm, and 300 cm, respectively, and their replenishment depths were beyond the measured depth of 600 cm. Their deep soil moisture conditions got compensation and improvement after the seasonal precipitation. The depth of soil water depletion in the 17-year-old apple orchard was 500 cm, while the replenishment depth was about 200 cm. As the replenishment depth was less than the consumption depth, the desiccated soil layers already present in the 17-year-old apple orchard will continue to exist for some time if there is no human intervention.

soil water content; soil dry layer; soil moisture depletion and replenishment depth; land use type

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41390463， 51239009)

2014- 03- 03;

日期:2015- 04- 20

10.5846/stxb201403030359

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangli5208@nwsuaf.edu.cn

王艷萍，王力，韓雪，楊文強(qiáng).黃土塬區(qū)不同土地利用方式土壤水分消耗與補(bǔ)給變化特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(22):7571- 7579.

Wang Y P, Wang L, Han X, Yang W Q. Dynamics of soil moisture depletion and replenishment in different land use types of the Loess Tableland.Acta Ecologica Sinica,2015,35(22):7571- 7579.