長(zhǎng)武塬區(qū)蘋果園和農(nóng)田相互轉(zhuǎn)換的深層土壤水環(huán)境效應(yīng)

劉錦月,韓曉陽(yáng),朱元駿, 3

(1. 中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

近年來(lái)，蘋果產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為陜西農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主導(dǎo)特色產(chǎn)業(yè)之一[1]。2018年陜西蘋果種植面積59.8萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量1008.7萬(wàn)t，其中咸陽(yáng)市蘋果產(chǎn)量34.2萬(wàn)t[2]。蘋果園生物量高于農(nóng)作物，其耗水量也相應(yīng)較高，農(nóng)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(xiàn)象普遍發(fā)生[3-6]。且隨著蘋果樹(shù)生長(zhǎng)年限的延長(zhǎng)，其對(duì)土壤水分的消耗巨大，因此，有必要對(duì)黃土高原蘋果主產(chǎn)區(qū)蘋果園和農(nóng)田轉(zhuǎn)換后的土壤水環(huán)境變化進(jìn)行深入分析，為區(qū)域有限水資源條件下蘋果產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定和健康發(fā)展提供支持[7-10]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)黃土高原地區(qū)蘋果園土壤水分狀況[11-14]和土壤干層分布特征[15-18]進(jìn)行了大量研究，揭示了蘋果園深層土壤干燥化現(xiàn)象[19-20]。例如，張社紅等[21]對(duì)渭北旱塬蘋果園產(chǎn)量和深層土壤水分效應(yīng)模擬的研究表明，隨生長(zhǎng)年限的延長(zhǎng)，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(dá)14 a時(shí)，土壤干層深度超過(guò)了1 000 cm，20 a以后200～1 000 cm 土層形成穩(wěn)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(jī)理及調(diào)控技術(shù)，認(rèn)為以土壤貯水恢復(fù)量和土壤干層恢復(fù)厚度2個(gè)指標(biāo)為基礎(chǔ)，可以預(yù)估洛川、長(zhǎng)武和白水26、27 a和 23 a果園土壤水分恢復(fù)至當(dāng)?shù)剞r(nóng)田水平所需的年限依次為5、8 a和 9 a。王延平等[26]對(duì)陜西黃土高原蘋果園土壤水分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)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(jié)，北部丘陵溝壑區(qū)果園土壤水分虧缺度高達(dá)18.5%～47.5%，黃土殘塬區(qū)為7.8%～20.3%，關(guān)中平原僅有1.2%～6.3%。曹裕等[16]測(cè)定了黃土高原半濕潤(rùn)黃土臺(tái)塬區(qū)、半濕潤(rùn)易旱黃土旱塬區(qū)、半濕潤(rùn)偏旱和半干旱黃土丘陵區(qū)等不同氣候和地貌類型區(qū)32塊蘋果園地0～1 500 cm土層土壤濕度，發(fā)現(xiàn)旱作果園土壤干燥化指數(shù)(SDI)分別為32%、50%和46%，各類型干層厚度分別達(dá)到或超過(guò)790、1297 cm和910 cm。其他相關(guān)研究主要關(guān)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(huán)境效應(yīng)[23-25]，而對(duì)該地區(qū)蘋果園轉(zhuǎn)換為農(nóng)田后土壤水環(huán)境變化的研究較少。蘋果園轉(zhuǎn)換為農(nóng)田后，土壤水分會(huì)得到一定程度的恢復(fù)，但恢復(fù)程度與年限的關(guān)系及其影響因素尚需進(jìn)一步研究。

本文通過(guò)對(duì)黃土高原長(zhǎng)武塬區(qū)農(nóng)田和蘋果園轉(zhuǎn)換后0～1 000 cm土層土壤水分進(jìn)行觀測(cè)和分析，以揭示這種土地利用變化對(duì)深層土壤水分的影響特征，為長(zhǎng)武塬區(qū)蘋果園可持續(xù)發(fā)展和土壤水資源可持續(xù)利用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原南部陜西省長(zhǎng)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(rùn)季風(fēng)氣候。該區(qū)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(wú)灌溉條件，屬于典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)；年日照時(shí)數(shù)2 226.5 h，多年平均無(wú)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(zhì)疏松，地下水埋深50～80 m，不參與土壤水分循環(huán)；土壤的田間持水量22.5%，穩(wěn)定濕度15.5%，凋萎濕度8.5%[16]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用空間分布代替時(shí)間序列的方法，測(cè)定和比較不同生長(zhǎng)年限農(nóng)田和蘋果園相互轉(zhuǎn)換后的土壤水分狀況。試驗(yàn)選擇的蘋果園生長(zhǎng)年限為2 a(幼樹(shù)，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(nóng)田耕作年限為1 a(CO2)、5 a(CO3)和10 a(CO4)，以未進(jìn)行轉(zhuǎn)換的農(nóng)田作為對(duì)照(CO1)。所有采樣點(diǎn)均分布在塬面上，樣地基本信息見(jiàn)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(nóng)田轉(zhuǎn)換為蘋果園前主要作物為小麥或者玉米，產(chǎn)量為當(dāng)?shù)仄骄剑O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(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法，蘋果園按照季節(jié)的變化進(jìn)行科學(xué)病蟲害防治、保墑追肥、清除雜草、修剪樹(shù)枝與套袋；砍伐果樹(shù)后第一年施肥量較少，以后正常施肥，農(nóng)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(shù)和玉米生長(zhǎng)旺季，對(duì)樣地0～1 000 cm土層進(jìn)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(cè)定采用烘干法。

表1 樣地基本情況

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 土壤含水量

(1)

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

1.3.2 土壤干燥化指數(shù) 土壤干燥程度以土壤穩(wěn)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(fā)生了干燥化現(xiàn)象；如土壤含水量恢復(fù)到土壤穩(wěn)定濕度值或之上時(shí)，則判定土壤干層內(nèi)的土壤水分得到恢復(fù)。

以土壤干燥化指數(shù)(SDI)來(lái)評(píng)價(jià)土壤干層的干燥化程度，計(jì)算公式為：

(2)

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

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

表2 SDI值的范圍及其對(duì)應(yīng)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(lái)指示土壤剖面上的低水分區(qū)域，從而分析隨蘋果樹(shù)生長(zhǎng)年限的延長(zhǎng)土壤低含水量區(qū)域的變化情況，并預(yù)測(cè)不同生長(zhǎng)年限蘋果園土壤干層的發(fā)生情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田轉(zhuǎn)換為蘋果園后土壤水分變化特征

圖1為不同生長(zhǎng)年限蘋果園0 ～ 1000 cm土壤含水量分布特征。不同樹(shù)齡蘋果園0 ～ 1000 cm土層平均土壤含水量隨生長(zhǎng)年限的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，果園進(jìn)入衰老后期后土壤含水量稍有恢復(fù)。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(wěn)定濕度(15.5%)。根據(jù)土壤有關(guān)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(wú)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(xiàn)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(wú)明顯變化，16 a后200～1 000 cm土層土壤含水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。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(wěn)定濕度；CA3～CA5蘋果園土壤干層分布深度超過(guò)1 000 cm。

將不同年限的蘋果園與對(duì)照農(nóng)田(CO1)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在由農(nóng)田轉(zhuǎn)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(xiàn)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(duì)照，表明當(dāng)蘋果園進(jìn)入盛果期后根系對(duì)深層水分消耗較大。

由圖2可見(jiàn)，土壤含水量距平值為負(fù)值的果園及其土壤深度范圍表現(xiàn)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(fù)距平值的分布特征說(shuō)明幼果期(CA1)和盛果前期(CA2)蘋果樹(shù)根系分布較淺，主要吸收0～500 cm的土壤水分；隨著蘋果樹(shù)生長(zhǎng)年限的延長(zhǎng)，蘋果樹(shù)根系吸水強(qiáng)度和深度逐漸增加，進(jìn)入衰老期后根系吸水區(qū)域逐漸上移。

2.2 農(nóng)田轉(zhuǎn)換為蘋果園后的土壤干燥化強(qiáng)度評(píng)價(jià)

由表3可知，CA1～CA5蘋果園0～1 000 cm土層的土壤干燥化指數(shù)平均值分別為-23%、-19%、12%、17%和25%，CA1和CA2幼果期蘋果園無(wú)土壤干燥化，CA3～CA5均達(dá)到了輕度干燥化程度。CA1～CA5蘋果園均未出現(xiàn)強(qiáng)烈干燥土層和極度干燥土層，CA3輕度干燥、中度干燥和嚴(yán)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(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，嚴(yán)重干燥層出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

圖1 農(nóng)田轉(zhuǎn)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(nóng)田轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為農(nóng)田后的土壤水分恢復(fù)效應(yīng)

蘋果園轉(zhuǎn)換為農(nóng)田后，CO1～CO4農(nóng)田0～200 cm平均土壤含水量無(wú)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(fù)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(shuō)明蘋果園轉(zhuǎn)換為農(nóng)田后，短期內(nèi)深層土壤含水量還未能得到補(bǔ)給和恢復(fù)。

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

3 討 論

由于國(guó)家政策和蘋果種植帶來(lái)的高收益，近年來(lái)長(zhǎng)武塬區(qū)蘋果園的面積占比逐年增大，農(nóng)田種植面積逐年減小。與農(nóng)作物相比，蘋果是深根系、高生物量的植物，其對(duì)土壤水分的消耗也更大。此外，由于蘋果樹(shù)有自己的生命周期，在由盛轉(zhuǎn)衰后，將其轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，不僅可以恢復(fù)土壤水分，還可以增加土地的經(jīng)濟(jì)效益。因此，研究農(nóng)田和蘋果園相互轉(zhuǎn)換的土壤水環(huán)境效應(yīng)，不僅有助于量化區(qū)域蘋果大面積種植對(duì)土壤水環(huán)境的影響，還可以量化蘋果園轉(zhuǎn)化為農(nóng)田后的土壤水分恢復(fù)情況，從而為蘋果園的可持續(xù)發(fā)展和土壤水資源的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

表3 農(nóng)田轉(zhuǎn)換為蘋果園后的土壤干燥化情況

圖3 蘋果園轉(zhuǎn)換為農(nóng)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(zhǎng)武塬區(qū)2～29 a(CA1～CA5)的蘋果園0～1 000 cm土層土壤含水量出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)蘋果園進(jìn)入衰老后期，更高齡的蘋果園(CA5)土壤含水量高于相對(duì)低齡的蘋果園(CA4)，可能是由于衰老后期果樹(shù)衰退，生產(chǎn)能力降低，對(duì)水分的需求也相應(yīng)地減少，加之雨季上層土壤水分的補(bǔ)給，使總體土壤含水量略有增加，這與李青華等[7]的研究結(jié)果一致。CA1 ～CA5蘋果園500～1 000 cm的土壤含水量低于土壤穩(wěn)定濕度，這與Liu等[26]研究結(jié)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(huì)導(dǎo)致黃土高原土層的干燥化現(xiàn)象。低齡的蘋果園(CA1和CA2)沒(méi)有出現(xiàn)土壤干燥化，可能是由于幼果期和盛果前期果樹(shù)主要耗水層為0～200 cm，夏季降水能夠補(bǔ)充，這與王延平等[6]研究結(jié)果類似。通過(guò)對(duì)不同年限蘋果園土壤水分狀況的分析，我們擬合出農(nóng)田輪作為果園后的土壤水分含量與生長(zhǎng)年限的關(guān)系：Y=0.0079X2-0.5600X+24.2440(R2=0.98，Y為土壤質(zhì)量含水量，X為蘋果園生長(zhǎng)年限)。如果以土壤穩(wěn)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(jì)算出蘋果園種植的適宜年限為21 a(即不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤干燥化)，這與張社紅等[21]的研究結(jié)果相似。果園轉(zhuǎn)換為農(nóng)田后，土壤干層出現(xiàn)由上部和下部向中間層逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象。以降水為主要水分補(bǔ)給來(lái)源的長(zhǎng)武塬區(qū)，蘋果園轉(zhuǎn)換為農(nóng)田后表層土壤水分恢復(fù)主要是由于降水入滲；深層土壤水分恢復(fù)可能是由于“土壤水庫(kù)”的深層儲(chǔ)水沿水勢(shì)梯度向上補(bǔ)充的結(jié)果[27-28]，這一點(diǎn)與樊軍等[19]的結(jié)論一致。

4 結(jié) 論

蘋果園轉(zhuǎn)換為農(nóng)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(xiàn)由上部和下部土層向中間層逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象，恢復(fù)到土壤穩(wěn)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(wěn)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(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤干燥化)，此后應(yīng)轉(zhuǎn)換為糧食作物，以緩解土壤干燥化、促進(jìn)土壤水分恢復(fù)。