晉西黃土區(qū)山地棗林土壤水分及干燥化效應?

鈔錦龍，胡 磊，郝小梅，陶 軍，李浩杰

(1.太原師范學院 地理科學學院,山西 晉中 030619；2.北京師范大學 地理科學學部,北京 100038)

0 引言

黃土高原降水量稀少、蒸發(fā)劇烈，地表水分匱乏.此外，由于黃土覆蓋，區(qū)域地下水埋藏過深，難以被植被吸收利用.因此，土壤儲水成為區(qū)域深根性植被的“天然水庫”[1].土壤水作為陸地水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，其動態(tài)變化影響著植被的生存與生長[2]以及整個生態(tài)系統(tǒng)的演替方向.在黃土高原區(qū)，正常年份降雨入滲深度0～200 cm，而濕潤年份或者雨季林地降水補充深度一般也不會超過200～300 cm[3]，因此，黃土高原區(qū)植被狀況與土壤水分條件緊密相關.然而大量研究發(fā)現(xiàn)黃土高原人工林種植區(qū)域，大氣降水、植被耗水與土壤儲水關系失衡，導致天然土壤水庫儲水量不斷下降[4]，造成嚴重的土壤干燥化現(xiàn)象，影響區(qū)域植被類型和結構.前人的研究[3]表明土壤干層通常發(fā)生在降水滲透層以下，半干旱區(qū)200 cm以下不能獲得天然降水的及時補給，同時土壤水分又受到植被根系的過耗作用，長期累積形成干層.干層厚度的累積又進一步阻礙了自然降水對于深層土壤的補給，加重了土壤水分的虧缺[5].土壤干層會導致很多生態(tài)問題，比如林木低效低產(chǎn)的“小老樹”，人工林草植被的衰敗以及局部氣候的干旱化等[6].所以，因地制宜合理種植人工林草，防止干層發(fā)生，避免生態(tài)環(huán)境惡化已成為生態(tài)文明建設的關鍵問題.

相關學者為防治土壤干層可能帶來的環(huán)境問題，已就土壤干層定義、成因、空間分布及影響因素等[7?10]做了大量研究.最新成果多集中在不同因素影響下土壤水分的差異研究，如霍嘉儀等[11]、索立柱等[12]研究不同植被類型土壤水分差異，梁海斌[13]、常譯方[14]、孟秦倩等[15]分別對林齡、密度和坡向因素影響下植被土壤水分異質性進行了探究.晉西山地棗樹栽培歷史悠久，且有關棗林土壤水分的探討也有報道，其主要研究了不同林齡、密植方式對土壤水分影響，以及垂直根系分布與土壤水分的關系等[16?18].但針對山地棗林在不同立地條件下土壤水分變異情況和原因，以及干層狀況的報道尚不多見.

研究區(qū)位于晉陜峽谷中段的丘陵地區(qū)，棗樹是黃土溝壑區(qū)珍貴的果樹資源，同時采樣區(qū)臨縣紅棗也是獲得國家地理標志的保護產(chǎn)品，紅棗作為本地農業(yè)主導產(chǎn)業(yè)，在區(qū)域農業(yè)經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)重要地位.因此本文研究晉西黃土區(qū)山地棗林土壤水環(huán)境，對不同立地條件下水分差異進行分析，以及對土壤干層強度和厚度定量評價，可為進一步揭示黃河沿岸山地棗林深層土壤干燥化原因，提高林地生產(chǎn)力，獲得更大經(jīng)濟和生態(tài)效益提供理論依據(jù).同時也是堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，踐行以水而定、量水而行的黃河生態(tài)治理理念的具體體現(xiàn).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣區(qū)位于晉陜峽谷中段山西省臨縣境內，地理坐標37?35′52′′～38?14′19′′N，100?39′40′′～111?18′02′′E之間.東臨呂梁山，西與陜西隔黃河相望.臨縣大部分區(qū)域屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，海拔1 000～1 300 m，地形高低起伏.同時，臨縣位于溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，雨熱同期，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨.臨縣年均降雨量為511.70 mm，但采樣區(qū)（克虎鎮(zhèn)）周邊區(qū)域年均僅有420 mm，且主要集中在7―9月，占年降水量的59.32%（圖1）.年蒸發(fā)量2 149 mm左右，是降雨量的4倍，年日照時長2 807 h，光照充足，該氣候條件特別適合棗樹生長.因此臨縣又被稱為“中國紅棗之鄉(xiāng)”.臨縣境內，黃綿土是主要的土壤覆蓋類型，此外還有風沙土、黑壚土等.土壤的總體特點為機質低、結構疏松、土地坡度大等；土壤質地以沙壤土、輕壤土為主；田間持水量和凋萎濕度分別為20.5%、4.5%，土壤平均容重為1.20 g/cm3左右[1,19].

圖1 研究區(qū)1979―2018年月均降水及溫度情況Fig 1 Annual average precipitation and temperature in the study area from 1979 to 2018

1.2 土壤采集與濕度測定方法

野外采樣時間為2019年9月21日至22日，正值該地區(qū)雨季末期，土壤水分狀況良好，且采樣前7月、8月累計降水量約為190 mm，屬同時期正常年份降水.采樣期間無降雨過程，選擇這一時段采樣可以有效分析區(qū)域在雨季后土壤水分維持狀況.野外調查隨機選取東西走向山體的陽坡坡底、坡中、坡頂以及陰坡坡中位置的棗林為研究對象，所選典型樣地生境相似且樹齡相同，其基本情況見表1（海拔、坡度、坡向儀器測量，樹齡調查走訪獲得），由于受實際采樣點可達性限制，在陰坡只選擇坡中位置進行分析和對比研究.在選取的典型樣地上，按照“W”形布設3個采樣點，其間距約為1 000 cm，且采樣盡量避免與棗樹過近造成的土壤水分誤差.采用人工土鉆法，鉆取深度為500 cm的土壤剖面，每隔10 cm土壤取樣1次，每層樣本處理3個重復.然后自封袋密封，最后帶回實驗室，在105 ℃溫度下連續(xù)烘干24 h以上，直至恒重.土壤含水量的計算公式為：

表1 山地棗林地基本情況Tab 1 Basic situation of mountain Jujube forest land

式中：Q為樣品的土壤質量含水量（%），W1為濕土重(g)，W2為干土重(g).

1.3 土壤水分指標計算法

土壤儲水量SMS(Soil Moisture Storage)指某一定厚度的土層實際所儲存的水量，其公式為[13,20]：

式中：SMS是土壤儲水量，SMC（Soil Moisture Content）是土壤質量含水量（%），BD（Bulk Density）是土壤容重（g/cm3）,H 是土層的厚度（cm），ρ是水的密度（1.0 g/cm3）.

土壤有效儲水量ASMS(Available Soil Moisture Storage)定義為土層實際儲水量與凋萎濕度狀態(tài)下的土壤儲水量的差值，其公式為[13,20]：

式中：ASMS是土壤有效儲水量（mm）,SMSWM是指土層水分在凋萎濕度狀態(tài)下的土壤儲水量（mm）.

土壤水分過耗量SMO（Soil Moisture Overuse）定義為土壤穩(wěn)定濕度狀態(tài)下的儲水量與實際濕度土壤儲水量的差值，其公式為[13,20]：

式中：SMO指土壤水分過耗量（mm），SMSSSM指處于穩(wěn)定濕度狀態(tài)的土壤儲水量（mm）.

土壤干燥化速度SSD(Speed Of Soil Desiccation)定義為人工造林地土壤過耗量與人工林樹齡的比值，其公式為[20]：

式中：SSD是土壤干燥化速度（mm/a），TA（Tree Age）是人工樹齡（a）.

1.4 土壤干燥化強度評價法

為了定量研究土壤干燥化效應，通常劃定干層發(fā)生時土壤水分的上下界線，以此判斷干層發(fā)生與發(fā)育程度.本文采用楊文治等[21]關于土壤干層的觀點，將土壤干層水分的上下界分別設置為土壤穩(wěn)定濕度和土壤凋萎濕度，其中土壤穩(wěn)定濕度約占田間持水量的35～80%.持水量與土壤穩(wěn)定濕度間的水分虧缺是黃土干旱區(qū)自然狀態(tài)下的水分虧缺[22]，而非由于根系過耗和植被蒸騰作用所造成的土壤干燥化，是屬于土壤在生境中的正常狀態(tài).由于野外實驗不易獲得不隨季節(jié)和年份變化的土壤穩(wěn)定水分含量，因此本研究土壤穩(wěn)定濕度取值為田間持水量與土壤凋萎濕度的算數(shù)平均值[13,23]，該值為田間持水量的61%.

土壤干燥化指數(shù)SDI（Soil Desiccation Index）是指某一土層實際土壤水分的過耗量占該層土壤穩(wěn)定有效含水量的百分比.其公式為[24]：

式中：SDI 是指土壤干燥化指數(shù)（%），SSM 表示土壤的穩(wěn)定濕度（%），SM 表示土壤的質量含水量（%），SW 表示土壤的凋萎濕度（%）.SDI 值越大表明該層土壤干燥化強度越高，植物可以吸收利用的水分越少，反之，表明干燥化強度越低，植物可以利用的水分越多（表2）.

表2 土壤干燥化強度劃分標準[1,24]Tab 2 Division standard of soil drying intensity

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

本文運用單因素方差分析、LSD多重比較法比較不同坡位、坡向影響下土壤水分變化，同時使用SPSS19.0、Origin10.0處理數(shù)據(jù).

2 結果與分析

2.1 土壤水分分析

山地棗林0～500 cm土壤剖面含水量特征如圖2所示，自上而下含水量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，其耗水量最大出現(xiàn)在60～220 cm部位土層.其中除陰坡坡中0～30 cm土壤、陽坡坡底430～440 cm土壤含水量高于穩(wěn)定濕度，以及陽坡坡中50～110 cm、190～240 cm土壤含水量低于凋萎濕度外，其余部位土壤均在土壤穩(wěn)定濕度與凋萎濕度線內.

圖2 棗林土壤剖面含水量變化情況Fig 2 Water content change of soil profile in Jujube forest

2.1.1 坡位對土壤含水量的影響

不同坡位棗林土壤平均含水量具有顯著差異（圖3）.0～500 cm土壤含水量，陽坡坡底（9.10%）顯著高于陽坡坡中（6.08%）和坡頂（6.68%），且P<0.01.0～200 cm土壤含水量，陽坡坡底顯著高于陽坡坡中（P<0.05），其中陽坡坡底土壤含水量變化范圍為5.26%～12.14%，平均值7.19%；陽坡坡中含水量變化范圍為4.05%～8.72%，平均值5.48%；而坡頂含水量變化范圍為4.51%～10.99%，平均值6.07%.200～500 cm土壤陽坡坡底含水量顯著高于陽坡坡中和坡頂（P<0.05），其中陽坡坡底土壤含水量變化范圍分別介于7.31%～12.55%之間，平均值為10.38%；陽坡坡中土壤含水量介于3.86%～8.31%，平均值6.47%；坡頂土壤含水量介于4.63%～10.70%之間，平均值7.09%（表3）.研究結果表明地形因素對降水的再分配使得到達地表降水資源呈現(xiàn)差異.變異系數(shù)結果顯示，0～200 cm土壤含水量變異系數(shù)（均值0.3）均大于200～500 cm土壤(均值0.19），進一步說明200 cm以上土壤相對以下土壤更容易受到降水和蒸發(fā)影響，使得土壤具有干濕交替變化特征.

圖3 棗林土壤含水量情況Fig 3 Soil moisture content of Jujube forest

表3 山地棗林地土壤水分特征統(tǒng)計Tab 3 Statistics of soil water characteristics of mountain Jujube forest land

2.1.2 坡向對土壤含水量的影響

不同坡向棗林土壤含水量差異同樣顯著（P<0.01，圖3），陰坡棗林地0～500 cm土壤平均含水量（9.86%）顯著高于陽坡（6.08%）.陰、陽坡不同深度土層含水量情況如表3所示，其中陰坡棗林0～200 cm土壤含水量變化范圍為6.75%～14.34%，平均值為8.97%；200～500 cm土壤含水量變化范圍為7.26%～12.47%，平均值為10.45%.結果表明在坡度相近的陰陽坡，不同深度土壤水分均呈現(xiàn)陰坡大于陽坡的差異.采樣時段內太陽基本正東升、正西落，而土壤水環(huán)境的變異主要是陰陽坡蒸發(fā)量不同所致.

2.2 土壤干燥化分析

2.2.1 山地棗林土壤儲水量比較

土壤儲水量是研判土壤干層發(fā)育情況的重要指標.如表4所示，土壤有效儲水量變化范圍在64.80～291.60 mm之間，土壤水分過耗量在158.40～385.20 mm之間，表明山地棗林土壤發(fā)生了不同程度的水分虧缺及土壤干燥化現(xiàn)象.其中陰坡坡中棗林有效儲水量、水分過耗量為最大和最小值，因此陰坡坡中土壤干燥化程度最輕、速度最?。ǜ稍锘俣?.92 mm/a），其次是坡底棗林地（干燥化速度10.20 mm/a），陽坡坡中和坡頂干層發(fā)育最為嚴重（干燥化速度19.26 mm/a、17.46 mm/a）.

表4 山地棗林0～500 cm土壤水分指標Tab 4 Soil moisture index of 0～500 cm in mountain Jujube forest

2.2.2 山地棗林土壤干層深度、厚度以及干燥化強度分析

在黃土高原，0～200 cm土壤受到大氣降水的影響，水分虧缺容易得到緩解，所以，本文關注200 cm以下土壤干層狀況.圖4表明山地棗林土壤干層深度均超過500 cm，干層厚度基本達到300 cm，且僅有陽坡坡底棗林430～440 cm部位土層未發(fā)育干層外，其它部位均有不同程度水分虧缺現(xiàn)象.土壤剖面干燥化情況顯示，土壤不同深度發(fā)育有不同強度的干層.200～300 cm土層普遍發(fā)育有極度或強烈干燥層，且隨著深度加深土壤干燥化強度減弱.

圖4 山地棗林土壤剖面干燥化情況Fig 4 Drying condition of soil profile of Jujube forest in mountainous area

山地棗林土壤干燥化情況如表5所示，土壤平均干燥化指數(shù)變化范圍在25.63%～76.38%之間，表明研究區(qū)土壤主要發(fā)育中度至強烈干燥層.不同立地條件下土壤平均干燥化強度指數(shù)大小關系為：陽坡坡中>坡頂>陽坡坡底>陰坡坡中，其中陽坡坡中干燥化指數(shù)76.38%，為強烈干燥化；坡頂干燥化指數(shù)67.63%，屬于強烈干燥化；陽坡坡底干燥化指數(shù)26.50%，為中度干燥化；陰坡坡中干燥化指數(shù)25.63%，為中度干燥化.同時研究表明，陰坡坡中和陽坡坡底土壤以發(fā)育較厚的嚴重及以下等級干燥層為主，而以上等級干燥層較薄；陽坡坡中、坡頂情況與之相反.

表5 山地棗林200～500 cm土壤干燥化強度及干層厚度Tab 5 Drying strength and dry layer thickness of 200～500 cm soil in mountain Jujube forest

3 討論

3.1 土壤水分變異性

黃土高原人工林種植區(qū)域，土壤的降水入滲深度一般不會超過200 cm[25]，因此淺層、深層土壤水分消耗主要驅動力不同[26].本研究中，0～200 cm土壤由于受到采樣前大氣降水、物理蒸發(fā)作用，以及植被蒸騰作用的疊加影響，土壤水分變化活躍.而200～500 cm土壤，受到植被連續(xù)生長過程中根系過耗作用長期積累的影響[2]，結果導致土壤水分虧缺嚴重.棗樹相較苜蓿、檸條和油松，根系分布較淺[27]，且棗樹的最大根系量和土壤水分消耗主要發(fā)生在0～200 cm部位，且隨著土壤深度增加，棗根干質量密度不斷下降[18,27]，所以棗樹對土壤生態(tài)位水分的“掠奪”主要以0～200 cm土壤水為主，且此部位土壤耗水量最大，而隨著土壤深度增加棗林根系量和耗水量減少，土壤含水量呈現(xiàn)上升趨勢.

陽坡坡底棗林土壤含水量顯著高于陽坡坡中和坡頂，這是由于不同立地條件下坡底地勢平緩（坡度約為7?），在相同降雨過程中其更易于水分下滲，并且坡底棗林位于山坡的水分匯集區(qū)，能夠匯聚坡面地表徑流，因此坡底棗林土壤儲水量較高.陽坡坡中地形坡度較大（坡度約為35?），在相同降水條件下，坡中區(qū)域形成地表產(chǎn)流更為迅速，地表水的下滲比重降低.同時在坡度較大的地段受到地表蒸發(fā)和側向蒸發(fā)的雙重影響，相同的日照蒸發(fā)環(huán)境下陽坡坡中棗林土壤儲水量低.坡頂土壤含水量低于坡底而高于坡中，主要由于地形較緩（坡度為9?），降水垂直下滲作用也相對坡中較強.然而，坡頂?shù)貏莞摺L速大，且接受到的日照時間長，不利于土壤水分儲存.此結論與王力等[28]研究延安人工刺槐林地坡度越大，土壤含水量越低相似.坡向對山地土壤的影響，主要體現(xiàn)在不同坡向坡面水熱微環(huán)境差異，從而影響土壤水分條件.陽坡環(huán)境下，地表接收到更多的太陽輻射用于地表增溫，溫度升高使得近地表蒸發(fā)旺盛，加之湍流擴散能力強，使得水分散失較快，導致土壤含水量偏低.而陰坡棗林平均地溫低于陽坡，土壤水分蒸發(fā)力較弱，所以土壤水分狀況相對較好.該結果與孟秦倩[15]、李軍[3]等黃土高原不同坡向植被土壤濕度在陰陽坡的分布差異結果一致.

在水分稀缺的半干旱區(qū)，山地不同立地條件下土壤對植被生長的影響主要表現(xiàn)在水分差異上.因此，本文認為陽坡坡底和陰坡坡中棗林土壤含水量顯著高于陽坡坡中和坡頂，且200 cm以下部分土壤虧缺程度較輕，更接近土壤穩(wěn)定濕度值，所以陽坡坡底和陰坡坡中適合大面積種植棗樹；而陽坡坡中和坡頂，200～500 cm土壤含水量較低，水分過耗量大，如遇枯水年則土壤水分更接近凋萎濕度，會抑制棗樹生長發(fā)育甚至致其死亡，所以陽坡坡中和坡頂位置應適當減少種植密度，并輔以灌溉管理、修剪枝葉、覆蓋地布等[29]必要的農藝措施，以及在坡度較大的地方修建梯田，達到改善土壤水環(huán)境的目的.

3.2 土壤干燥化變異性

一般來說，土壤干層是指植被過度蒸騰耗水導致土壤水分相對持久性的“地區(qū)型干層”或“蒸發(fā)型干層”[30]，是土壤在地表植被、下墊面性質、生態(tài)氣候帶等綜合因素作用下出現(xiàn)的土壤水循環(huán)負平衡現(xiàn)象[5].在黃土高原半干旱區(qū)域，人工林地的土壤水循環(huán)的負平衡過程體現(xiàn)在林地耗水量明顯大于大氣降水的供應，所以棗林地普遍發(fā)生干層現(xiàn)象，但隨著土壤深度加深，植被耗水能力減弱，土壤干燥化強度不斷減弱，直到接近或達到無干燥化水平.在干燥化強度變化中，由于土壤生物的機械作用迫使土壤物理性質發(fā)生改變，或是不同深度土壤質地、結構和容重的改變[31]，均會導致土壤水分波動變化，這可能是研究中土壤含水量曲線左右波動，以及坡底棗林430～440 cm部位土層表現(xiàn)無干燥化現(xiàn)象的原因.從立地條件上看，不同坡位棗林土壤降水下滲量的差異，是陽坡坡中、坡頂棗林土壤干燥化程度嚴重的主要原因.同時，不同坡向棗林地太陽輻射量的差異影響土壤蒸發(fā)力強度，是導致陽坡棗林土壤干燥化強度大于陰坡的主要因素.本研究定量分析了山地棗林200～500 cm土壤干層情況，由于長期受到植被蒸騰作用，此土層容易形成土壤干層水分難恢復區(qū)，從土壤水分的可持續(xù)利用及生態(tài)修復角度來說，該深度水分狀況更應受到關注.同時，土壤干層的發(fā)育又進一步阻礙土壤降水下滲，破壞了土壤水分的可持續(xù)循環(huán)過程，最終影響生態(tài)環(huán)境向著不可持續(xù)發(fā)展的方向演替.所以因地制宜，明確不同立地條件下土壤水分特征，擇優(yōu)選擇坡地種植位置.

4 結論

本文的研究結論如下：

（1）山地棗林土壤含水量自上而下先減小后增加，其耗水最大部位位于60～220 cm.不同坡位和坡向上棗林土壤含水量存在顯著差異，陽坡坡底顯著高于陽坡坡中、坡頂(P<0.05)；陰坡極顯著高于陽坡(P<0.01).

（2）研究區(qū)土壤發(fā)生了不同程度的水分虧缺及干燥化現(xiàn)象,土壤水分過耗量的變化范圍在158.40～385.20 mm之間.

（3）土壤干層深度均超過500 cm，干層厚度基本達到300 cm.土壤平均干燥化強度指標大小為：陽坡坡中（76.38%）>坡頂（67.63%）>陽坡坡底（26.50%）>陰坡坡中（25.63%）.