撂荒年限對陜北黃土區(qū)山地棗林土壤水分的影響

宗巧魚, 艾 寧,, 劉廣全, 張 軍, 郭紅艷, 劉長海, 強(qiáng)方方, 郝寶寶, 王祎珂

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院/陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 延安 716000;2.中國水利水電科學(xué)研究院, 北京 100044; 3.子長市退耕還林工程管理辦公室, 陜西 子長 717300)

土壤水分是聯(lián)系土壤、植被和大氣的重要因子，對土壤特性、植被生長分布、植被群落演替及群落結(jié)構(gòu)有著重要影響[1-3]。土壤水分受到多種因素的影響，包括水文、氣象、地形、植被類型和人為活動等[4-7]，在時間和空間上表現(xiàn)出明顯的變異性和尺度依賴性[8]。陜北黃土區(qū)降水少，氣候干旱，土壤瘠薄，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)脆弱，土壤干化缺水嚴(yán)重[9]。棗樹(Ziziphusjujua)是陜北黃土區(qū)退耕還林的重要經(jīng)濟(jì)林木，發(fā)展棗林產(chǎn)業(yè)是改善該區(qū)生存環(huán)境，提高當(dāng)?shù)厣钏降挠行Т胧?，生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。土壤水分制約著棗樹的生長發(fā)育，是其生長過程中最主要的限制因子。因此，對于該區(qū)域棗林土壤水分進(jìn)行研究具有重要意義。目前，眾多學(xué)者對陜北黃土區(qū)山地棗林土壤水分的動態(tài)變化進(jìn)行了研究。魏瑞鋒等[10]研究表明土壤水分條件與植被耗水量呈正相關(guān)，棗樹耗水量隨著水分供應(yīng)量增加而增加；王經(jīng)民等[11]應(yīng)用Gauss函數(shù)與擴(kuò)張因子b的積數(shù)學(xué)模型擬合在山地棗樹生長過程中土壤水分的變化，研究結(jié)果表明棗林土壤水分消耗隨著林齡增長而增大；馬建鵬等[12]研究表明隨著山地棗林種植年限的增加，棗樹對下層土壤水分利用加劇，年耗水量增大，耗水深度增加，土壤儲水量下降，下層土壤水分虧缺加大，進(jìn)而導(dǎo)致棗林土壤干層的分布深度增加，土壤干燥化強(qiáng)度也趨于增加；汪星等[13]將0—10 m土層范圍山地密植棗林土壤水分從上到下劃分為穩(wěn)定層、活躍層以及難恢復(fù)層，對陜北黃土區(qū)山地棗林的土壤水分變化規(guī)律進(jìn)行研究?？v觀已有研究，雖然對棗林土壤水分動態(tài)變化做了大量研究，但主要集中在棗林地的蒸騰蒸發(fā)耗水及棗林地土層內(nèi)水分動態(tài)變化等方面的研究，目前對山地棗林生長季中深層土壤水分動態(tài)變化以及土壤水分虧缺程度與撂荒年限耦合關(guān)系的研究鮮見報(bào)道。因此，本文以陜北黃土區(qū)不同撂荒年限山地棗林作為研究對象，撂荒蘋果林和撂荒草地作為對照，系統(tǒng)分析該區(qū)不同撂荒年限下棗林0—340 cm土層土壤水分季節(jié)變化特征、土壤干燥化特征及土壤貯水虧缺程度，旨在明確陜北黃土區(qū)山地棗林土壤水分動態(tài)變化及土壤貯水虧缺程度，以期為今后該區(qū)域進(jìn)行山地棗園營造和管理、紅棗生產(chǎn)基地穩(wěn)定發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北黃土區(qū)延川縣齊家山山地紅棗栽植試驗(yàn)示范基地，該區(qū)位于東經(jīng)110°29′,北緯36°57′，平均海拔850 m。地貌為陜北典型黃土高原梁峁溝壑區(qū)。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。研究區(qū)降雨時空分布不均勻，且多為短時間強(qiáng)降雨的雷雨，主要集中于7—9月份，年平均降雨量500 mm左右。研究區(qū)主要栽植棗樹為主，以及一些蘋果(Malusdomestica)等經(jīng)濟(jì)林樹種和酸棗(ZiziphusjujubaMill. var.spinosa)等野生小灌木。

2 材料與方法

2.1 樣地布設(shè)

于2019年在陜西省延川縣齊家山紅棗試驗(yàn)基地，按照典型性和代表性的原則，在試驗(yàn)區(qū)選取不同撂荒年限下紅棗林地、撂荒蘋果園地以及撂荒草地，共計(jì)7塊樣地進(jìn)行調(diào)查取樣，樣地詳細(xì)信息見表1。

表1采樣點(diǎn)基本情況

2.2 樣品采集

課題組于2019年，在每個樣地分春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)3個時間段，每月15日左右進(jìn)行采樣，如有降雨發(fā)生，采樣時間推遲1周。每個樣地取樣深度為0—340 cm，其中0—100 cm土層以10 cm為間隔取樣，100—340 cm土層以20 cm為間隔取樣，將各層的土壤樣品裝入鋁盒，每層3個重復(fù)，帶回實(shí)驗(yàn)室105°恒溫烘干測定其含水量。整個試驗(yàn)過程共采集4 158個土壤樣品用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析。

2.3 土壤干燥化強(qiáng)度評價方法

本文為定量描述不同撂荒年限下棗林地的土壤干燥化程度，采用土壤干燥化指數(shù)SDI(soil desiccation index)對比不同撂荒年限下棗林地的土壤干燥化程度。土壤干燥化強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2，土壤干燥化指數(shù)SDI定義為某一土層實(shí)際土壤有效含水量占該層土壤穩(wěn)定有效含水量比值的百分?jǐn)?shù)，其含義為某一土層可供植物吸收利用的土壤實(shí)際有效含水量占該層土壤正常有效含水量的比重[14]，公式為：

(1)

式中:SDI為土壤干燥化指數(shù)(%)；SM為土壤濕度(%)；SW為凋萎濕度(%)；SSM是土壤穩(wěn)定濕度(%)。本文中土壤穩(wěn)定濕度取田間持水量的60%[15],凋萎濕度取4.7%[16]。

表2 土壤干燥化強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測定

1 m以下土壤容重實(shí)測較難，土壤容重與有機(jī)碳含量有關(guān)，采用土壤容重的計(jì)算公式[17]：

BD=1.3770×e-0.0048×SOC

(2)

土壤儲水量計(jì)算公式為：

SMS=SMC×BD×H

(3)

式中:SMS為土壤儲水量(mm)；SMC為土壤質(zhì)量含水量(%)；BD為土壤容重(g/cm3)；H為土層厚度(mm)。

土壤田間持水量計(jì)算公式為：

(4)

式中:m1為空環(huán)刀重量(g)；m2為烘干后干土與環(huán)刀重量(g)；m3為吸水后環(huán)刀和土壤總重量(g)；Fc為土壤田間持水量。

土壤儲水虧缺度與虧缺補(bǔ)償度[18]：

(5)

式中:Da為土壤儲水虧缺量(mm)；Fc為田間持水量(mm)；DSW為土壤儲水虧缺度。

(6)

式中:CSW為土壤儲水虧缺補(bǔ)償度；ΔW為春季土壤儲水增量(mm)；ΔW=Wcm-Wcc為秋季土壤實(shí)際儲水量(mm);Wcc為春季初土壤實(shí)際儲水量;Dac為春季土壤水虧缺量(mm),Dac=Fc-Wcc。

DSW可以反映土壤貯水虧缺程度，其中虧缺度為0，則表明土壤水分虧缺得以完全恢復(fù)；CSW用來反映夏季降雨對土壤水分虧缺的補(bǔ)償程度，如果CSW<0，表示土壤水分虧缺在夏季沒有得到補(bǔ)償，虧損進(jìn)一步加強(qiáng)；如果CSW=100%，表示土壤水分虧缺得以完全補(bǔ)償與恢復(fù)[18]。

文中數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016，SPSS 22.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，用Origin 2017進(jìn)行圖表繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同撂荒年限下林地土壤水分剖面特征分析

由圖1可知，土壤含水量垂直剖面的動態(tài)變化特征具有一定的層次性，且隨季節(jié)變化波動較大，0—100 cm土層土壤水分隨季節(jié)變化趨勢最為明顯，隨著土層深度增加，土壤含水量變化明顯減弱，最后趨于穩(wěn)定?？傮w來說，0—50 cm土層夏季植被土壤含水量高于秋季，秋季高于春季。各季節(jié)不同撂荒年限下的棗樹林地、撂荒蘋果林及撂荒草地土壤含水量都在20 cm左右出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，而50—340 cm土層土壤含水量變化趨勢存在差異。其中，撂荒1 a棗林地各季節(jié)土壤含水量變化基本趨于一致，都在20 cm土層達(dá)到最大，分別是夏季(13.34%)，秋季(9.96%)，春季(9.91%)；且各季節(jié)土壤含水量在280 cm土層出現(xiàn)了拐點(diǎn)。撂荒3 a棗林地各季節(jié)土壤含水量變化存在差異。撂荒6 a棗林地各季節(jié)土壤含水量變化趨于一致，1 m以下各季節(jié)土壤含水量基本穩(wěn)定在6.11%～6.99%。撂荒20 a棗林地各季節(jié)土壤含水量隨著土層深度的增加總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。撂荒蘋果林和撂荒草地土壤含水量各季節(jié)變化趨勢一致，1 m以下各季節(jié)土壤含水量分別穩(wěn)定在6.84%～7.71%，4.24%～6.31%。

圖1 不同撂荒年限林地土壤水分季節(jié)分布特征(0-340 cm)

3.2 不同撂荒年限下林地土壤含水量變化特征分析

分別對各季節(jié)不同撂荒年限下棗林地、撂荒蘋果林及撂荒草地土壤含水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3)。其中春季各林地0—340 cm土層土壤含水量介于5.11%～13.93%，平均值7.75%，土壤儲水量介于246.97～476.50 mm，平均346.03 mm；夏季土壤含水量在5.14%～16.61%波動，平均值達(dá)9.35%，土壤儲水量介于284.27～519.49 mm，平均372.81 mm；秋季土壤含水量和土壤儲水量分別介于4.24%～15.94%和282.12～465.31 mm。各季節(jié)不同撂荒年限下棗林地平均土壤含水量均表現(xiàn)為3 a>6 a>1 a>20 a。各季節(jié)不同撂荒年限下棗林地土壤儲水量有所不同，春季表現(xiàn)為，撂荒3 a(476.50 mm)>撂荒20 a(384.14 mm)>撂荒1 a(337.67 mm)>撂荒6 a(289.77 mm)；夏季和秋季均為3 a>6 a>1 a>20 a。春季、夏季和秋季不同植被類型下平均土壤含水量均表現(xiàn)為撂荒棗樹>撂荒蘋果林>撂荒草地。土壤儲水量春季表現(xiàn)為，撂荒蘋果林(370.32 mm)最大，撂荒棗樹(316.88 mm)次之，撂荒草地(246.97 mm)最小；夏季和秋季均為撂荒棗樹>撂荒蘋果林>撂荒草地。

表3 不同植被類型下0-340 cm土層土壤含水量比較

3.3 不同撂荒年限下棗樹林地土壤干燥化分析

表4為不同季節(jié)下棗林SDI(土壤干燥化指數(shù))及其干層厚度。總體來說，在0—340 cm不同林地土壤干燥化強(qiáng)度都屬于輕度干燥化，平均干燥化指數(shù)介于0.17%～1.23%，輕度干燥層厚度介于200—340 cm。春季不同林地的土壤干燥化指數(shù)，撂荒3 a棗林地最小0.17%，撂荒草地最大1.23%；其干層厚度撂荒3 a棗林地為200 cm，其余林地均為340 cm。夏季不同林地的土壤干燥化指數(shù)介于0.30%～1.01%，撂荒3 a棗林地最小，撂荒20 a棗林地最大；輕度干燥層厚度從小到大依次為撂荒3 a棗林地(300 cm)，撂荒6 a棗林地(310 cm)，撂荒草地(310 cm)，撂荒1 a棗林地(320 cm)，撂荒20 a棗林地(340 cm)，蘋果林(340 cm)。秋季不同林地的土壤干燥化指數(shù)介于0.35%～1.05%，撂荒3 a棗林地最小，撂荒20 a棗林地最大；干層厚度撂荒3 a棗林地最小(240 cm)，撂荒6 a棗林地次之(310 cm)。

表4 土壤干燥化強(qiáng)度及其各類土壤干層厚度

3.4 不同撂荒年限下棗林地土壤儲水虧缺程度分析

不同撂荒年限下棗林地土壤儲水虧缺度與儲水虧缺補(bǔ)償度存在差異(圖2)。春季，不同撂荒年限下棗林地0—340 cm土層平均土壤儲水虧缺度表現(xiàn)為6 a(41.51%)>20 a(35.50%)>1 a(30.62%)>3 a(17.59%)；在0—100 cm土層各樣地土壤儲水虧缺度隨著土層深度的增加，均呈先減小后增加的趨勢，且在40 cm處虧缺程度最?。?00—340 cm土層各樣地土壤儲水虧缺度變化趨勢基本一致，隨著土層的增加呈降低趨勢，1 a，6 a和20 a棗林地降低趨勢明顯，各樣地在300 cm左右均有波動。秋季，整個土層土壤儲水虧缺度表現(xiàn)為20 a(42.19%)>1 a(33.57%)>6 a(31.16%)>3 a(17.10%)，整體呈先增加再減小的趨勢；在0—100 cm土層各樣地土壤儲水虧缺度變化趨勢與春季相同，在土層40 cm左右虧缺程度最小，100 cm處虧缺度明顯降低；撂荒20 a與1 a秋季土壤儲水虧缺度較春季大。

圖2 不同撂荒年限下土壤儲水虧缺度與虧缺補(bǔ)償度分析

除撂荒20 a棗林地以外，各樣地0—100 cm土層夏季土壤儲水補(bǔ)償度均為正值，說明夏季降雨對棗林地100 cm以內(nèi)土層的土壤水分進(jìn)行了補(bǔ)償，但是隨著土層深度的增加，補(bǔ)償度降低，降雨對土壤水分的補(bǔ)充作用越來越小，6 a補(bǔ)償度最大僅有17.83%；各樣地夏季土壤儲水補(bǔ)償度在200—340 cm土層均為負(fù)值，即夏季降雨并未對深層土壤水進(jìn)行補(bǔ)償，且土壤水分虧缺加重；20 a棗林地在20—340 cm土層補(bǔ)償度均為負(fù)值，說明雨季降雨并未對其土壤水分進(jìn)行補(bǔ)充與恢復(fù)，林地土壤水分虧缺加重，但是隨著土層深度的增加，補(bǔ)償度也在增加，土壤耗水與補(bǔ)充間的差值越來越??；在60—140 cm土層各樣地基本在平衡值之間波動，說明夏季撂荒棗林地土壤水分消耗與補(bǔ)充基本達(dá)到平衡。

4 討 論

4.1 不同撂荒年限下林地土壤含水量變化特征

不同撂荒年限下棗林土壤水分含量隨季節(jié)的變化波動性較大，這與徐志堯等[19]的研究結(jié)果相同，這種波動性是植被對土壤水分的利用、自然降水和土壤水分物理蒸發(fā)等因素共同作用的結(jié)果。不同植被類型土壤含水量在土層20 cm左右出現(xiàn)了拐點(diǎn)及0—50 cm土層植被土壤含水量夏季高于春季和秋季，主要是因?yàn)?00 cm內(nèi)土層土壤含水量易受氣溫、降水、蒸騰蒸發(fā)的影響，土壤上層處于水分消耗與水分增補(bǔ)的交替過程中，土壤水分變化劇烈，隨著土層深度的增加，100 cm以下土層降雨很難入滲，土壤水分入滲能力下降，同時土壤物理蒸發(fā)相對減弱，土壤水分主要受植被自身根系的影響，使得深層土壤水分維持穩(wěn)定狀態(tài)[19]。夏季到秋季研究區(qū)氣溫逐漸降低，植被自身生理活動逐漸減弱，進(jìn)一步導(dǎo)致植被對土壤水分的利用降低，加之夏季降雨對土壤水分的補(bǔ)充，棗林地土壤水分表現(xiàn)出秋季高于夏季，土壤含水量上升[20]。

撂荒1 a，3 a，6 a和20 a棗林地土壤含水量存在顯著差異，棗林地經(jīng)過長期的撂荒，土壤表層次生演替出生物多樣性較高的草地生態(tài)系統(tǒng)，隨著撂荒年限的增加棗林地的林下草本植物種類及數(shù)量增多，進(jìn)而導(dǎo)致土壤含水量存在顯著差異。本研究中撂荒3 a土壤含水量最高，撂荒20 a土壤含水量最低，說明撂荒演替前期土壤含水量呈增加的趨勢，但隨著撂荒演替時間的增長土壤含水量呈下降的趨勢，這可能是隨著撂荒年限的增加，林地植被種類與數(shù)量增多耗水增加以及林地隨著撂荒時間的增加，土壤表層會形成生物土壤結(jié)皮導(dǎo)致土壤下滲率降低[21]。而不同植被的土壤含水量不僅受降水的影響，植被根系吸收水分的深度范圍也會影響其含量，植被根系主要的分布區(qū)是降水—植被—深層土壤水分進(jìn)行水分交換的緩沖區(qū)[22]，黃志剛等[23]也在研究中指出，由于植被類型不同，根系的分布深度差異較大，從而土壤的蒸發(fā)和植被的蒸騰有所差異，進(jìn)一步造成土壤水分的分布也不同。對植被生長所需水分提供保障從而不同植被的土壤含水量之間存在差異。不同植被類型下的土壤儲水量存在差異，這與王晶等[22]對黃土高原林地儲水量的研究結(jié)果相一致，不同林地在生長季的土壤儲水量存在明顯差異，并且具有明顯的季節(jié)性。同時土壤儲水量的變化可以反映出植被土壤水分的平衡狀態(tài)，土壤儲水量變化與植被的根系分布有關(guān)，根系分布多，根系對土壤水分的吸收量大，從而導(dǎo)致土壤儲水量增高。研究結(jié)果表明撂荒草地保水蓄水能力較撂荒林地差。研究區(qū)林地存在著大量的撂荒，本研究僅從土壤水分對不同撂荒年限棗林地進(jìn)行了研究，后續(xù)可以從土壤入滲率等方面繼續(xù)研究，到底通過撂荒該區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)程度如何還需進(jìn)一步研究。

4.2 不同撂荒年限下棗樹林地土壤干燥化與土壤儲水虧缺程度

陜北黃土區(qū)棗林地深層土壤干燥化現(xiàn)象是棗樹生長耗水、降水相對不足和潛在蒸發(fā)量巨大等因素長期相互作用的結(jié)果。本研究中在0—340 cm土層不同撂荒年限下棗林地土壤干燥化強(qiáng)度都屬于輕度干燥化，李玉山[24]認(rèn)為，林地0—300 cm土層受降水入滲影響最為明顯，是干濕交替層，而300 cm以下土層為穩(wěn)定的下伏土壤干層。除撂荒20 a棗林地以外，各樣地0—100 cm土層夏季土壤儲水補(bǔ)償度均為正值，說明在降雨集中的夏季，對土壤水分形成了有效的補(bǔ)給。但200—340 cm各樣地補(bǔ)償度均為負(fù)值，說明棗林深層土壤水分處于虧缺狀態(tài)。本研究中夏季降雨并未對撂荒20 a棗林地土壤水分虧缺進(jìn)行補(bǔ)償，土壤水分虧缺沒有得到改善，說明該樣地土壤水分虧缺加重。撂荒1 a，3 a和6 a棗林地土壤水分較雨季前均有不同程度的補(bǔ)償，但沒有達(dá)到完全恢復(fù)。陜北黃土區(qū)棗樹以旱作為主，由于自然降水較少，深層土壤水分對棗樹生長具有重要的意義，然而，缺乏必要人工補(bǔ)灌的棗園深層干燥化程度加劇和永久性土壤干層產(chǎn)生必然成為一種趨勢，永久性土壤干層形成后，深層土壤水分供應(yīng)相對減弱乃至消失，棗樹生長更加嚴(yán)重依賴自然降水，特別是夏季降水補(bǔ)給，補(bǔ)充的降雨供棗樹生長消耗后無降水盈余，棗園深層土壤水分將得不到良好恢復(fù)。所以，一旦旱作棗園深層土壤干燥化達(dá)到較嚴(yán)重的程度，其后果不僅表現(xiàn)為當(dāng)前棗園退化，生態(tài)環(huán)境惡化，更意味著其在該地區(qū)生產(chǎn)價值的降低，不利于當(dāng)?shù)貤棙I(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 論

(1) 不同撂荒年限下棗林地土壤含水量隨季節(jié)變化表現(xiàn)出層次性和波動性，其中0—100 cm土層土壤含水量受季節(jié)變化影響最為明顯，深層土壤含水量變化較小，相對穩(wěn)定。

(2) 不同撂荒年限下棗林地土壤含水量差異顯著(p<0.05)，生長季中平均土壤含水量均表現(xiàn)為3 a>6 a>1 a>20 a。春季棗林地土壤儲水量撂荒3 a最大為476.50 mm，撂荒6 a最小為289.77 mm；生長季中不同植被類型下平均土壤含水量均表現(xiàn)為撂荒棗樹>撂荒蘋果林>撂荒草地。

(3) 在0—100 cm土層各樣地土壤儲水虧缺度隨著土層深度的增加，均呈先減小后增加的趨勢，在40 cm處虧缺程度最??；撂荒1 a，3 a 和6 a棗林地在0—140 cm土層降水對土壤水分進(jìn)行了有效的補(bǔ)給，其中60—140 cm土層補(bǔ)償度基本在平衡值上下波動，說明該土層撂荒棗林地土壤水分消耗與補(bǔ)充基本達(dá)到平衡，各樣地夏季土壤儲水補(bǔ)償度在200—340 cm土層均為負(fù)值，即夏季降雨并未對深層土壤水分進(jìn)行補(bǔ)償，且土壤水分虧缺加重。