黃土塬區(qū)土地利用變化對深剖面土壤水分的影響

向　偉，林雪青，張志強(qiáng)，李　志,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

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黃土塬區(qū)土地利用變化對深剖面土壤水分的影響

向偉1，林雪青1，張志強(qiáng)1，李志1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100)

在長武塬區(qū)的6個地點分別采集農(nóng)地、10年果園和20年果園10 m深剖面的土樣，通過測定和分析不同樣地的土壤水分，定量揭示其對土地利用變化的響應(yīng)。結(jié)果表明：農(nóng)地和10年果園土壤水分具有相似的垂向分布，隨深度增加土壤水分含量增大，而20年果園隨深度增加呈減小趨勢，但6 m以下3種樣地土壤水分隨深度增加基本不發(fā)生變化；農(nóng)地、10年和20年果園在0～6 m、6～10 m和0～10 m土層平均土壤水分含量分別為17.8%、17.5%和15.8%，20.4%、20.6%和14.8%，18.8%、18.7%和15.4%，與農(nóng)地相比，20年果園0～6m、6～10m和0～10 m土層減少的土壤水分分別占農(nóng)地的11%、27%和18%；農(nóng)地6～10 m土壤儲水量為1 063 mm，而轉(zhuǎn)化為果園后隨果齡增大而減小，其中10年果園無明顯差異，但20年果園減少了291 mm，在該土層形成穩(wěn)定的低濕層。20年果園6 m以下穩(wěn)定的低濕層可能減少水分的深層滲漏進(jìn)而降低地下水補(bǔ)給量，伴隨著大面積的農(nóng)地轉(zhuǎn)化為人工林草，可能會對區(qū)域水循環(huán)造成影響。

土壤水分；土地利用變化；蘋果園；深剖面；黃土高原

黃土高原生態(tài)脆弱，水土流失嚴(yán)重，大規(guī)模的水土保持措施導(dǎo)致土地利用發(fā)生顯著的變化[1-4]。同時，黃土高原近年來水循環(huán)狀況發(fā)生了明顯的變化，如河流徑流減少[5-6]和地下水位下降[7-8]等。土地利用變化與水文變化間存在一定的聯(lián)系[9-10]，而土壤水分是水循環(huán)中水分的重要來源，可以聯(lián)系降水和地下水并能影響地表徑流的產(chǎn)生[11]。因此，研究黃土高原土地利用變化對土壤水分的影響具有極其深遠(yuǎn)的意義。

渭北旱塬由于獨特的氣候條件成為蘋果的優(yōu)生區(qū)，因此，近年來大量農(nóng)地轉(zhuǎn)化為果園，成為該區(qū)域主要的土地利用變化方式之一[12]。根據(jù)相關(guān)研究，人工林草顯著減少土壤水分，可能進(jìn)而影響區(qū)域水循環(huán)狀況[13-14]。該區(qū)域大面積的農(nóng)地轉(zhuǎn)化為果園，土壤水分勢必會受到影響。因此，研究該區(qū)域農(nóng)地轉(zhuǎn)化為果園后的土壤水分狀況十分必要。

為此，本研究在長武塬的6個樣點，每個樣點采集農(nóng)地、10年和20年果園，采樣深度10 m，對比分析土壤水分差異性，定量研究土地利用變化對深剖面土壤水分的影響，以期為黃土高原土地利用和水資源管理提供參考依據(jù)。

1　樣品采集與數(shù)據(jù)分析

1.1研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選擇位于黃土高原中南部陜甘交界處的長武塬面，是農(nóng)地大幅轉(zhuǎn)為果園的典型地帶。平均海拔1 200 m，屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。降水年內(nèi)年際變化較大，多年平均降水量584 mm。光照條件充足，年日照時數(shù)2 230 h，日照率51%，年均輻射量為4 837 kJ·cm-2，無霜期171 d，年均氣溫9.1℃，≥10℃活動積溫3 029℃。無灌溉條件，屬典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土層深厚，母質(zhì)為馬蘭黃土，土壤多為中壤質(zhì)黑壚土，0～1、1～2 m和2～10 m土層平均容重分別為1.34、1.28、1.30 g·cm-3，凋萎濕度和田間持水量分別為7.46%±0.65%和21.16%±0.86%[15]，田間穩(wěn)定濕度(凋萎濕度與田間持水量的算術(shù)平均值)為14.31%[16]。

1.2樣品采集與測定

2014年8月在長武塬區(qū)選擇具有代表性的6個樣點，各樣點分別選取鄰近(兩兩間距離不超過50 m)的3種樣地進(jìn)行土樣采集，分別為農(nóng)地(典型的冬小麥-春玉米輪作地)，8～12 年生和18～24 年生蘋果地(以下簡稱10年果園和20年果園)。通過人工打鉆采集10 m深度的土樣，取樣間隔20 cm，用烘干法測定土壤水分，計算各層土壤含水率。

樣點選擇遵循典型性和代表性原則。長武塬面呈東南低西北高的地貌特征,6個樣點從東南到西北呈均勻分布,盡可能代表塬區(qū)情況，各樣點遠(yuǎn)離道路干線和居民區(qū),同時靠近塬中心區(qū)域，各種類型樣地在所有樣點間盡可能保持一致性，樣點分布見圖1。

圖1采樣點分布示意圖

Fig.1Position of sampling sites

1.3數(shù)據(jù)分析

首先分析土壤含水量的剖面分布規(guī)律，定性描述3種樣地下土壤水分的差異；其次通過土壤儲水量分析剖面土壤的水文狀況；以農(nóng)地為對照，通過計算不同果齡果園的土壤儲水量，定量研究土地利用變化隨時間對土壤水分的影響。

土壤儲水量(SWS, mm)、土壤有效儲水量(ASW, mm)和土壤水分虧缺量(WD, mm)[16-17]計算公式如下：

SWS=SM×SBD×h

(1)

ASW=(SM-WM)×SBD×h

(2)

WD=WF-SWS

(3)

式中，SWS、ASW、WD和WF分別為土壤儲水量、土壤有效儲水量、土壤水分虧缺量和田間持水量，單位均為mm；SM為土壤含水率，%；WM為土壤凋萎濕度，%；SBD為土壤容重，g·cm-3；h為土層厚度，mm。

2　結(jié)果與分析

2.1不同土地利用方式下的土壤水分剖面分布

3種樣地在6個樣點的土壤水分垂向分布相似(圖2)。由于受蒸發(fā)和降水入滲影響比較強(qiáng)烈，0～2 m土壤水分的差異沒有一致的規(guī)律。但隨土層深度增加，土地利用方式對土壤水分的影響加強(qiáng)。2 m以下農(nóng)地與10年果園的土壤水分緩慢增加，而20年果園的土壤水分緩慢減小。整體而言，3種樣地的土壤水分分布在4 m以下具有顯著的分異性。在6～10 m土層，農(nóng)地與10年果園土壤水分隨深度的增加無明顯增加趨勢，20年果園減小趨勢亦不明顯，3種樣地土壤水分的波動性可能與土壤質(zhì)地有關(guān)[18]。土壤水分垂直分布中，農(nóng)地和10年果園比較相似，其含量在多數(shù)層次明顯高于20年果園，兩種垂直分布模式說明10年果園對于土壤水分沒有較大影響，甚至由于根系作用使部分層次水分含量高于農(nóng)地；但20年果園顯著降低土壤水分特別是4 m以下土層的水分含量。

圖2各樣地不同土地利用方式下土壤含水率分布

Fig.2Soil water content distribution under different land use types in investigated sites

2.2土地利用變化對土壤水分的影響

為進(jìn)一步量化3種樣地下土壤水分的差異，根據(jù)圖2確定形成穩(wěn)定差異的深度為6 m，分層次統(tǒng)計了不同深度內(nèi)(0～6 m和6～10 m)的土壤水分含量。整個剖面以及兩個土層的土壤水分都存在農(nóng)地≈10年果園>20年果園的特征(表1)。整個剖面3種樣地的平均土壤水分含量分別為18.8%、18.7%和15.4%；0～6 m的相應(yīng)值分別為17.8%、17.5%和15.8%，而6～10 m的相應(yīng)值分別為20.4%、20.6%和14.8%。t檢驗結(jié)果進(jìn)一步表明20年果園與農(nóng)地和10年果園間的差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.001)，而農(nóng)地與10年果園間差異不顯著(P=0.195)。

農(nóng)地和10年果園0～6 m土壤水分含量均低于6～10 m，而20年果園的情況則相反，這主要是植物根系的耗水差異導(dǎo)致的。土壤水分最低值出現(xiàn)的土層一般是植物集中耗水的層次[19]。小麥耗水通常在干濕交替層內(nèi)，10年果樹因樹小根淺耗水量小而集中在干濕交替層，均對深層土壤水分影響較小；而20年果樹樹大根深且耗水量大，耗水層位逐漸向深層土壤移動，因此深層土壤水分曲線明顯向左偏移，出現(xiàn)顯著性的差異。

以農(nóng)地為對照，計算20年果園對土壤水分的影響，發(fā)現(xiàn)0～10 m、0～6 m和6～10 m土層內(nèi)20年果園減少的土壤水分分別占農(nóng)地的18%、11%和27%?？梢姡?0年果園對于土壤水分干燥化有重要的影響，可能進(jìn)而影響塬區(qū)局部地區(qū)的降水-土壤水-地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系，而近年來長武塬區(qū)的地下水位不斷下降[20]，可能也與土地利用變化有著重要的關(guān)系。

2.3土地利用變化對土壤儲水量的影響

深層土壤水分被形象地稱為“土壤水庫”，是干旱半干旱區(qū)植物生長耗水的重要來源之一，對水資源時空分布不均具有緩解作用，其儲量狀況反映了這種調(diào)節(jié)能力的大小。為分析不同利用方式下深層土壤水分狀況，分別計算各樣地6～10 m土壤儲水量(表2)。

表1　3種土地利用方式下不同深度土壤水分含量/%

注：F—農(nóng)地；A10—10年果園；A20—20年果園。

Note: F—Farmland; A10—10-year-old apple orchard; A20—20-year-old apple orchard.

表2　各樣地6～10 m土層儲水量狀況

注：FC—田間持水量；WD—20年果園土壤水分虧缺量；△—20年果園與農(nóng)地水分差值；不同字母表示在0.05水平下差異顯著。

Note: FC—field capacity;WD—the soil moisture deficit of 20-year-old apple orchard; △—the difference value between 20-year-old apple orchard and farmland; different letters mean significant difference at 0.05 level.

農(nóng)地和10年果園深層土壤儲水量差異較小，分別為945～1 212 mm和869～1 276 mm，均值為1 063 mm和1 075 mm，占田間最大持水量的97%和98%，基本維持在田間持水量水平，甚至部分農(nóng)地和10年果園土壤儲水量略高于田間持水量，這可能與降雨入滲補(bǔ)給有關(guān)。通常情況下，深層土壤水分較干濕交替層具有一定的時間滯后性[21]，在這些樣地下，采樣前一段時間的降水，還沒有完全發(fā)生重力下移。20年果園土壤儲水量變化范圍為666～915 mm，均值為771 mm，占田間最大持水量的70%，土壤水分條件相對較差，按照曹裕等[16]對土壤干燥化的評價標(biāo)準(zhǔn)，深層土壤屬輕度干燥化。T檢驗表明農(nóng)地和10年果園深層土壤儲水量無顯著差異(P=0.195)，但兩者均與20年果園存在極顯著差異(P<0.001)。深層土壤水分狀況與土地利用方式[13]和種植年限[22]有關(guān)，上述差異顯然是由農(nóng)地轉(zhuǎn)化為果園后隨時間變化造成的。

農(nóng)地轉(zhuǎn)化為20年果園后，6～10 m儲水量減少84～465 mm，均值為291 mm，占農(nóng)地儲水量的8%～41%。土地利用變化前后儲水量變化值(△，mm)表征了20年果園深層土壤水分多年累積的虧缺量，各樣地間存在一定差異，這可能與地上生物量[23]和產(chǎn)量[24]差異有關(guān)。除S4樣地(農(nóng)地)和10年果園的深層土壤儲水量略高于田間持水量外，大部分樣地深層土壤水分處于虧缺狀態(tài)，說明深層土壤水分難以得到降水補(bǔ)給，導(dǎo)致深層土壤水分長期處于負(fù)補(bǔ)償而發(fā)生水分虧缺，20年果園虧缺量達(dá)185～434 mm，均值為329 mm，約占田間持水量的30%。

3　討　論

水資源是黃土高原發(fā)展的限制因子之一。土壤水分作為地表水和地下水之外的一種潛性水資源，具有相當(dāng)可觀的生態(tài)價值和利用價值；同時，土壤水分也是土壤-植物-大氣連續(xù)體水分的重要來源，是實現(xiàn)地表水與地下水轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。長武塬區(qū)無可用的河流，且暴雨季節(jié)形成的地表徑流不易存儲利用。此外，地下水大多埋藏于40～100 m[20]，加上降雨多集中在6—9月，年內(nèi)年際變化較大，因此，土壤水分資源對于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)建設(shè)十分重要。

黃土高原土壤水分條件逐漸替代肥力成為作物產(chǎn)量的限制因素[25]。農(nóng)田產(chǎn)量與土壤水分條件有關(guān)，但導(dǎo)致了一定厚度的季節(jié)性生物利用干層[26]。長武塬區(qū)是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，種植高耗水作物蘋果后，隨種植年限的增加耗水量增大，耗水深度逐漸向土壤深層發(fā)展，深層土壤出現(xiàn)干燥化[17]。本研究中10年果園深層土壤水分未發(fā)生明顯的虧缺，基本維持在98%田間最大持水量，還有相當(dāng)?shù)目衫昧浚c樊軍等[25]的研究結(jié)論基本一致。而20年果園深層土壤水分普遍虧缺，虧缺量為329 mm±84 mm。張社紅等[22]分析了洛川地區(qū)蘋果種植年限與深層土壤水分的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)20年后土壤深層將形成穩(wěn)定干層，本結(jié)論與之印證。蘋果樹隨著種植年限的增加，生長耗水由初期的降雨轉(zhuǎn)化為深層土壤水分，深層土壤發(fā)生明顯的干燥化后，果樹轉(zhuǎn)而更加依賴年內(nèi)降水[16]。20年果園深層土壤發(fā)生穩(wěn)定干燥化，土壤水庫調(diào)節(jié)能力減弱，果園產(chǎn)量轉(zhuǎn)而依靠年內(nèi)降水，勢必會出現(xiàn)一定的年際波動。因此，需要在水資源管理與果園產(chǎn)量之間找到平衡，確定蘋果樹種植的最適年限。

土地利用變化導(dǎo)致土壤水分變化進(jìn)而影響降水-土壤水-地下水的區(qū)域循環(huán)過程，李玉山[27-28]認(rèn)為在土壤干層存在條件下，重力水難以向下移動，土壤中液態(tài)水只發(fā)生大氣-土壤循環(huán)。本研究中農(nóng)地和10年果園深層土壤水分在“重力水發(fā)生濕度”[28]附近波動，具有重力水下滲的條件，在這些區(qū)域可能存在降水-土壤水-地下水循環(huán)過程；而20年果園深層土壤水分基本維持在70%“重力水發(fā)生濕度”，需要補(bǔ)給1 137～1 424 mm降水才可能發(fā)生重力水下移。此外，該區(qū)域年均降雨584 mm，水分入滲通常只發(fā)生在干濕交替層，因此，在現(xiàn)有的降雨和土壤入滲條件下，深層土壤水分難以得到降雨入滲補(bǔ)給。伴隨著大面積的農(nóng)地轉(zhuǎn)化為人工經(jīng)濟(jì)林，局部地區(qū)的重力水下滲通道被阻斷，可能是該區(qū)地下水位下降的重要原因。

4　結(jié)　論

通過采集長武黃土塬6個地點下3種利用方式10 m深的土壤樣品，即農(nóng)地、10年果園和20年果園，測定了土壤水分并定量揭示了其對土地利用變化的響應(yīng)。得到如下結(jié)果：

1) 3種樣地下土壤水分垂直分布不同，農(nóng)地與10年果園類似，土壤水分隨深度增加而增大，而20年果園土壤水分隨深度增加呈減小趨勢。6 m以下3種利用方式下土壤水分形成穩(wěn)定差異，這為不同利用方式下土壤水分的監(jiān)測深度提供了重要的參考依據(jù)。

2) 土壤水分在不同深度(0～6 m和6～10 m)以及整個剖面(0～10 m)內(nèi)均具有農(nóng)地≈10年果園>20年果園的特征。植物耗水層位因土地利用方式和種植年限差異而不一致。農(nóng)地和10年果園集中耗水在0～6 m土層內(nèi)，而20年果園集中耗水層位向深層移動。以農(nóng)地為對照，20年果園在6～10 m土層水分減少明顯，減少量達(dá)農(nóng)地土壤水分含量的27%。

3) 農(nóng)地轉(zhuǎn)化為果園，深層(6～10 m)土壤儲水量隨果齡增大變化顯著。10年果園儲水量變化不明顯，基本保持在田間持水量；而20年果園儲水量顯著減小，水分虧缺量達(dá)329 mm，約占田間持水量的30%，土壤出現(xiàn)輕度干燥化。

伴隨著大面積的農(nóng)地轉(zhuǎn)化為人工經(jīng)濟(jì)林草，深層土壤水分隨著林木耗水而不斷減少，形成穩(wěn)定的低濕層。局部地區(qū)的低濕層阻斷了重力水下滲通道，可能會對降水-土壤水-地下水區(qū)域循環(huán)造成一定影響，因此，這也可能是該區(qū)域地下水位下降的重要原因。

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The effects of land-use change on soil moisture in deep soil profile at Changwu loess tableland

XIANG Wei1, LIN Xue-qing1, ZHANG Zhi-qiang1, LI Zhi1,2

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,Yangling,Shaanxi712100,China)

10 m soil profiles were sampled fromthree representative land-use types (farmland, apple orchard about 10 years old and 20 years old) at six sites on the Changwu loess tableland. In this study, soil water content wasmeasured and a quantified analysiswas conducted to evaluate the effect of farmland that had been converted to apple orchard for 10 years and for 20 years. Results showed that there was an increasing trend in soil water contentwith the increase ofdepth in farmlands and apple orchards about 10 years old, but the trend was remarkably different inapple orchard about 20 years old. In 6～10 m layer, soil water contents in three land-use types weresimilarlystable withdepthincrease. The average soil water content in 0～6 m, 6～10 m and 0～10 m layers in three land-use types were 17.8%, 17.5% and 15.8% (farmland), 20.4%, 20.6% and 14.8% (10 years old orchard), and 18.8%, 18.7% and 15.4% (20 years old orchard), respectively. Compared with farmlands, the average soil water contents at 0～6 m, 6～10 m and 0～0 m layers in apple orchard about 20 years oldwere decreased by 11%, 27% and 18%, respectively. The average soil water storage at 6～10 m layerin farmlands was 1 063 mm, but the conversion to apple orchardsfor 20 years reduced soil water storage by 291 mm. Land-use change had a significant impact on deep soil water, which probably reducedthe deep percolationofwater and further affected groundwater recharge. Conversion of farmland to grasslands and forests is one of the main types of land-use changes on the Loess Plateau, which may further alter regional hydrologic cycle.

soil moisture; land-use change; apple orchard; deep profile; the Loess plateau

1000-7601(2016)04-0012-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.03

2015-09-10

國家自然科學(xué)基金(51179161)；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃(2013KJXX-18)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(2452015105)

向偉(1992—)，男，重慶人，碩士研究生，研究方向為水文水資源。 E-mail: xiangwei2016@126.com。

李志(1978—)，男，山東沂水人，副教授，博士，主要從事水文水資源方面的研究。 E-mail: lizhibox@126.com。

S152.7

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