鈔錦龍,胡 磊,雷添杰,張鵬飛,郝小梅,趙德一
(1.太原師范學(xué)院,山西 晉中030600;2.中國水利水電科學(xué)研究院,北京100038)
黃土高原是我國生態(tài)脆弱和水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]。黃土高原干旱及半干旱區(qū)降水稀少,蒸發(fā)劇烈,且降水又是該區(qū)唯一的水分輸入途徑[2],所以水分成為限制該地區(qū)植被生長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[3],其在黃土高原生態(tài)修復(fù)及實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展過程中起重要作用。因此在植被恢復(fù)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)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(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量,而且對(duì)避免人工林根系過耗作用形成土壤干層,以及防止生態(tài)惡化具有重要意義。
眾多學(xué)者已就土壤水分有效性及土壤干燥化效應(yīng)做了大量研究[4-6],其中土壤水分有效性的研究側(cè)重于采用土壤水勢、作物產(chǎn)量、根系吸收速率等不同評(píng)價(jià)指標(biāo)[7-9],而評(píng)價(jià)方法則從考慮土壤質(zhì)地的單一方法發(fā)展到邵明安等[10]研究SPAC理論的動(dòng)力學(xué)方法,土壤水分有效性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)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(yīng)研究方面,相關(guān)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(qū)人類重要的生產(chǎn)生活基地,其中,河流階地因其特殊的沉積特點(diǎn)及良好的水土環(huán)境,不僅是當(dāng)?shù)刂匾墓喔绒r(nóng)業(yè)耕種平臺(tái),同時(shí)也是眾多學(xué)者科學(xué)研究的重要對(duì)象。有關(guān)河流階地的研究主要關(guān)注于河流階地形成年代、沉積特征和對(duì)古氣候指示意義的探討,而對(duì)河流階地土壤水分的研究尚有不足。
研究區(qū)位于黃河晉陜峽谷中段,采樣地臨縣克虎鎮(zhèn)則是黃河灘棗的主產(chǎn)區(qū),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(qū)存在較大差異,其品相及產(chǎn)量優(yōu)于周邊山區(qū),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(duì)象,對(duì)自然狀態(tài)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(jìn)行科學(xué)研判和分析,以期為提高林地生產(chǎn)力,獲得更大經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益提供理論依據(jù),同時(shí)也為黃河流域合理灌溉及生態(tài)保護(hù)提供基礎(chǔ)理論支撐。
研究區(qū)位于晉陜峽谷臨縣境內(nèi)(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(qū),海拔在1 000~1 300 m之間,地形跌宕起伏。研究區(qū)位于溫帶大陸性半干旱氣候區(qū),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(qū)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(fā)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(qū)域土壤類型以黃綿土為主,此外還有風(fēng)沙土、黑壚土等;土壤質(zhì)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(qū)位置圖Fig.1 Location of study area
野外采樣選擇土壤水分狀況較好的雨季,時(shí)間為2019年9月19日—9月21日。采樣前7、8月累計(jì)降水量約為190 mm,屬于同時(shí)期正常年份降水。采樣期內(nèi)無降雨。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,選擇臨縣克虎鎮(zhèn)黃河沿岸河流一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)階地的棗林地進(jìn)行采樣研究,并且各階地隨機(jī)選取2塊典型樣地進(jìn)行重復(fù)采樣。樣地均為無人工灌溉自然狀態(tài)下的棗林地且林齡和生境相似,具體情況見表1。采樣時(shí)每塊棗林地按照“S”型重復(fù)鉆取3個(gè)土壤剖面,每個(gè)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(shí)驗(yàn)室烘干稱重處理。
表1 試驗(yàn)樣地基本情況Table 1 Basic information of experimental plot
土壤水分有效性指標(biāo)Aw:指實(shí)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(jì)算公式為[1]:
式中,Aw為土壤水分有效性指數(shù),θ為土壤實(shí)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(shù)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(jí):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(duì)植被生長影響的3個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)[16-17]。當(dāng)土壤水分低于土壤凋萎濕度,植被葉片開始出現(xiàn)萎縮現(xiàn)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(xù)轉(zhuǎn)為斷裂狀態(tài),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(gè)等級(jí):(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(shù)Ks:可反映土壤水分脅迫對(duì)騰發(fā)量的影響。其公式為[1]:
式中,Ks為土壤供水系數(shù),當(dāng)Aw=100時(shí),Ks=1,此時(shí)作物為最大騰發(fā)量;當(dāng)Aw=0時(shí),Ks=0,此時(shí)作物不能吸水,其騰發(fā)量也為0。
土壤水分虧缺度K表示土壤水分對(duì)植被生長的虧缺程度。計(jì)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(shí)際土壤水分濕度。根據(jù)土壤水分虧缺度K值將水分虧缺度分為4級(jí):(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(yán)重虧缺。
本研究采用楊文治等[19]的觀點(diǎn),將土壤干層上限定為土壤穩(wěn)定濕度,下限定為土壤凋萎濕度,其中土壤穩(wěn)定濕度取值田間持水量的60%。
土壤干燥化強(qiáng)度指數(shù)SDI(Soil desiccation index)大小表示土壤干燥化程度,計(jì)算公式為[13]:
式中:SDI是土壤干燥化指數(shù),SSM是土壤穩(wěn)定濕度,SM是實(shí)際土壤濕度,SW是土壤凋萎濕度。根據(jù)SDI數(shù)值大小,結(jié)合棗林生長狀態(tài),可以將土壤干燥化強(qiáng)度分為6級(jí):(1)若SDI≥100%,為極度干燥化;(2)若75%≤SDI<100%,為強(qiáng)烈干燥化;(3)若50%≤SDI<75%,為嚴(yán)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。
河流階地棗林0~500 cm土層土壤水分情況如圖2,結(jié)果表明:一級(jí)階地棗林土壤含水量具有明顯上升趨勢,二、三級(jí)階地土壤含水量自上而下無明顯差異;一級(jí)階地100 cm以上、300 cm以下部位,二、三級(jí)階地100 cm以上、200 cm以下部位土壤的含水量波動(dòng)較大。各階地平均含水量為一級(jí)階地(10.26%)>三級(jí)階地(6.75%)>二級(jí)階地(5.84%)。不同深度水分情況為:一級(jí)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(xiàn)在120、400 cm深度土壤中;二級(jí)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(xiàn)在140、460 cm深度土壤中;三級(jí)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(xiàn)在310、30 cm深度土壤中。
圖2 土壤剖面濕度Fig.2 Soil profile humidity
3.2.1 土壤水分有效性的大小和分級(jí) 利用有效性指標(biāo)Aw對(duì)河流不同階地棗林土壤水分有效性進(jìn)行比較(表2)。結(jié)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(jí)階地(0.36)顯著高于二級(jí)(0.08)和三級(jí)階地(0.14),其中二級(jí)和三級(jí)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(xiàn)為:對(duì)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(xiàn)為三級(jí)階地>二級(jí)階地>一級(jí)階地(P<0.05);對(duì)110~300 cm、310~500 cm土層土壤,土壤水分有效性分別表現(xiàn)為一級(jí)階地最低和最高兩種水分狀況(P<0.05),而二、三級(jí)階地在210~400 cm土層內(nèi)表現(xiàn)無顯著差異。
如圖2所示,河流階地土壤水分有效性等級(jí)劃分結(jié)果為:一級(jí)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(jí)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(jí)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(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of 0~500 cm depth soil moisture index
3.2.2 土壤供水系數(shù) 從土壤供水系數(shù)上看(表2),不同階地土壤供水系數(shù)Ks的變化為河流一級(jí)階地(0.78)>三級(jí)階地(0.59)>二級(jí)階地(0.48),說明河流一級(jí)階地土壤水分狀況優(yōu)于二、三級(jí)階地,其土壤水分可達(dá)棗樹生長所產(chǎn)生最大騰發(fā)量的78%,而二、三級(jí)階地土壤水分僅能提供棗樹生長所產(chǎn)生的約50%~60%的植被騰發(fā)量。不同深度土壤供水系數(shù)變化規(guī)律為:10~50 cm土層,土壤供水系數(shù)Ks表現(xiàn)為三級(jí)階地>一級(jí)階地>二級(jí)階地;60~100 cm土層,各階地土壤供水系數(shù)差異不大;110~300 cm土層,一級(jí)階地土壤供水系數(shù)Ks值最小且為0,說明土壤水分狀況差,棗樹不能吸水,騰發(fā)量為0;310~500 cm土層,一級(jí)階地土壤供水系數(shù)Ks值最大且接近1,說明土壤水分狀態(tài)良好,基本可供應(yīng)其達(dá)到最大生長騰發(fā)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(nóng)業(yè)發(fā)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(jí)河流階地總體表現(xiàn)為輕度虧缺,其中10~50 cm土層為中度虧缺,60~300 cm土層為嚴(yán)重虧缺,310~500 cm土層為不虧缺;二級(jí)河流階地總體表現(xiàn)為嚴(yán)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(yán)重虧缺;三級(jí)河流階地總體表現(xiàn)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(yán)重虧缺。
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(dǎo)致土壤水分相對(duì)持久性的“地區(qū)型干層”或“蒸發(fā)型干層”[17],在黃土高原區(qū)域,由于0~200 cm土層土壤受到大氣降水的即時(shí)影響,水分虧缺容易得到緩解,故本文重點(diǎn)關(guān)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(jí)河流階地340 cm土層以下土壤不發(fā)育干層外,其他階地干層基本超過500 cm(其中二級(jí)階地280 cm和460 cm部位土壤未發(fā)育干層)。
3.3.2 200~500 cm深度土壤干燥化強(qiáng)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(qiáng)度為:一級(jí)階地(干燥化指數(shù)-24.74%)土壤無干燥化,二級(jí)階地(69.23%)、三級(jí)階地(69.87%)土壤均為嚴(yán)重干燥化(表3)。不同深度土壤干層發(fā)育情況:一級(jí)階地除無干燥化土層外,以發(fā)育極度干層為主,主要分布在200~330 cm土層范圍內(nèi);二級(jí)階地以發(fā)育極度干層和強(qiáng)烈干層為主,主要分布在200~240 cm及320~430 cm土層范圍內(nèi);三級(jí)階地以發(fā)育強(qiáng)烈和嚴(yán)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(nèi)。
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(jí)階地干層最厚(300 cm),二級(jí)階地次之(280 cm),一級(jí)階地干層發(fā)育最?。?30 cm)。
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(fù)雜性[20],是反映水分脅迫和植被生長的重要指標(biāo)[21]。本文研究得出一級(jí)河流階地土壤水分有效性(0.36)顯著高于二級(jí)(0.08)和三級(jí)(0.14)階地,這是由于一級(jí)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(bǔ)給作用,所以土壤水分有效性平均表現(xiàn)最高;而對(duì)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(jí)階地,這是因?yàn)楦鶕?jù)河漫灘相沉積層的粒度組成與洪水深度關(guān)系的規(guī)律[16,22],洪水經(jīng)歷時(shí),發(fā)育形成中的一級(jí)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(jí)和三級(jí)階地形成沉積物粒度較細(xì),所以導(dǎo)致0~300 cm土層在無黃河水分補(bǔ)給的條件下土壤持水性相對(duì)較差,表現(xiàn)為土壤水分有效性顯著低于二、三級(jí)階地。此外,三級(jí)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?yàn)槿?jí)階地采樣點(diǎn)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(qū),改善了三級(jí)階地土壤水分狀況。綜合以上因素分析,二級(jí)階地土壤水分有效性指標(biāo)(0.08)最低的原因有以下兩個(gè)方面,第一距離河床位置較遠(yuǎn),第二無山坡徑流匯集水分補(bǔ)給作用,所以天然降水為二級(jí)階地土壤水分的唯一來源。
本研究一級(jí)河流階地310 cm深度以上土壤主要處于無效水狀態(tài),而以下為富余水,說明0~310 cm部位土壤水分嚴(yán)重脅迫植被生長,若出現(xiàn)持續(xù)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(dòng),對(duì)于植被生長無影響;二、三級(jí)階地0~500 cm土層土壤多屬于難效水狀態(tài),土壤水分對(duì)植被生長具有脅迫作用,特別是難以獲得降水補(bǔ)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(huì)嚴(yán)重影響棗樹光合能力,損傷其細(xì)胞膜系統(tǒng)[23],造成低效低產(chǎn)林;若為豐水年,土壤水分則有可能轉(zhuǎn)為中效水,適合棗樹生長發(fā)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(xiàn)為一級(jí)階地最高,二級(jí)階地次之的結(jié)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)劃分不一造成的。
綜上所述,雖然一級(jí)河流階地土壤水分有效性大小顯著高于二級(jí)、三級(jí),但一級(jí)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(nèi)土壤水分[24],因此一級(jí)階地不適合棗樹自然生長,尤其不利于幼齡棗樹的發(fā)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(bǔ)給為止。對(duì)于二、三級(jí)河流階地,盡管多屬于難效水狀態(tài),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(jí)階地受山坡徑流水分的額外補(bǔ)給,土壤水分脅迫相比二級(jí)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(nóng)藝措施,則更接近于中效水,適合棗樹的生長發(fā)育。而對(duì)于二級(jí)階地,應(yīng)該適度減小棗樹種植密度以及加強(qiáng)灌溉頻率和增加水分補(bǔ)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。
研究普遍認(rèn)為,土壤干層形成的原因有降水稀少,或在不當(dāng)?shù)牡貐^(qū)植樹造林和選擇不適宜的樹種栽培等[27]。在黃土高原區(qū)域,土壤干層一定程度上是氣候干旱的必然結(jié)果[17],而植被類型選擇不當(dāng)、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(yīng),分析不易受降水補(bǔ)給的永久性干層的強(qiáng)度和厚度,發(fā)現(xiàn)深層土壤普遍發(fā)育干層且干層發(fā)育強(qiáng)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(dǎo)致該地土壤水分循環(huán)出現(xiàn)負(fù)平衡的結(jié)果。又由于土壤干層發(fā)育在薄膜水帶中,薄膜水向干層帶運(yùn)動(dòng),阻礙了大氣降水的下滲[28],進(jìn)一步加劇土壤水分負(fù)平衡的過程。土壤水分負(fù)平衡嚴(yán)重影響陸地水分循環(huán),切斷了大氣降水對(duì)地下水的補(bǔ)給作用,形成了土壤-植被-地表徑流-大氣的水分循環(huán)異常模式[16,25]。河流階地棗林土壤水分的負(fù)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(qū)生態(tài)恢復(fù)建設(shè)的難度系數(shù)。所以應(yīng)該因地制宜,擇優(yōu)選擇適水條件的階地進(jìn)行人工植被栽培,同時(shí)實(shí)施科學(xué)合理的舉措種植棗樹,以促進(jìn)黃河流域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,加強(qiáng)黃河流域生態(tài)保護(hù),保障黃河長治久安。
河流階地棗樹林0~500 cm深度土壤含水量大小關(guān)系為:一級(jí)階地(10.26%)>三級(jí)階地(6.75%)>二級(jí)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(jí)階地(0.36)顯著高于二級(jí)(0.08)和三級(jí)(0.14)階地。不同深度土壤水分有效性間的差異表現(xiàn)為:0~200 cm土層土壤,除60~100 cm土層外,河流三級(jí)階地顯著高于一級(jí)、二級(jí)階地(P<0.05);110~300 cm、310~500 cm土層土壤水分有效性分別表現(xiàn)為一級(jí)階地最低和最高(P<0.05)。對(duì)土壤水分有效性分級(jí),一級(jí)階地0~300 cm土層土壤主要處于無效水狀態(tài),310~500 cm土層土壤處于富余水狀態(tài);二級(jí)階地和三級(jí)階地主要屬于難效水狀態(tài)。
河流階地土壤供水系數(shù)Ks的變化為河流一級(jí)階地(0.78)>三級(jí)階地(0.59)>二級(jí)階地(0.48);河流階地土壤水分虧缺程度表現(xiàn)為二級(jí)階地(嚴(yán)重虧缺)>三級(jí)階地(中度虧缺)>一級(jí)階地(輕度虧缺)。
河流階地200~500 cm深度土壤均發(fā)育有干層,土壤平均干燥化強(qiáng)度為三級(jí)階地(69.87%)>二級(jí)階地(69.23%)>一級(jí)階地(-24.74%)。