陜西省延川縣孫家塬經(jīng)濟(jì)林土壤水分和水分平衡

牛俊杰，馬樹苗，趙景波，周 旗

眾多學(xué)者對(duì)西北黃土地區(qū)人工植被土壤含水量進(jìn)行了廣泛地研究［1－6］，獲得了許多重要研究成果。目前已認(rèn)識(shí)到黃土高原土壤水分不足，常有土壤干層發(fā)育。研究［1－4］表明，土壤干層是導(dǎo)致黃土高原中齡人工林生長(zhǎng)不良甚至造成樹木死亡的主要原因，土壤干層不僅在黃土高原分布廣泛，在西北草原地區(qū)分布更廣，發(fā)育更為嚴(yán)重［7－9］。關(guān)于土壤干層產(chǎn)生的原因，普遍認(rèn)為天然降水少和在不適宜森林生長(zhǎng)地區(qū)造林以及所選樹種不當(dāng)?shù)龋?，6］所致。國(guó)外對(duì)土壤水分研究也很多，并重視土壤水分對(duì)植被的影響和氣候變化對(duì)土壤水分的影響。Yuin［10］研究了土壤水分入滲過程，提出了入滲模型；Rapp［11］研究了蒸發(fā)對(duì)土層結(jié)構(gòu)的影響，獲得了旱化結(jié)殼對(duì)種子萌發(fā)的不利作用；Atrick等［12］根據(jù)土壤性質(zhì)和模擬實(shí)驗(yàn)，估算了現(xiàn)代作物根部土壤含水量；Lunt等［13］研究認(rèn)為，利用雷達(dá)反射資料能夠估算現(xiàn)代土壤含水量；Michael等［14］研究了干旱區(qū)土壤水的持續(xù)性和穩(wěn)定性，認(rèn)識(shí)到除降水因素之外，土壤性質(zhì)起到了主要作用；Anne等［14］通過模擬實(shí)驗(yàn)研究了氣候變化對(duì)土壤水動(dòng)態(tài)影響，認(rèn)為到21世紀(jì)中期氣候暖干化將使美國(guó)勃蘭登堡地區(qū)可利用土壤水減少4%～15%；Sonia等［15］研究了氣候變化與土壤濕度的相互作用，認(rèn)為土壤水對(duì)氣候有多方面的影響；Patricio等［16］研究美國(guó)中部大平原農(nóng)田土壤水分恢復(fù)，提出了預(yù)測(cè)土壤水分的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停籞oltan［17］通過衛(wèi)星觀測(cè)和分析典型土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，認(rèn)為據(jù)此可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)10a內(nèi)全球范圍的土壤水分的變化序列。

我國(guó)蘋果產(chǎn)量位居世界第一，黃土高原地區(qū)獨(dú)特的自然地理位置和氣候條件決定了該區(qū)是優(yōu)質(zhì)蘋果生產(chǎn)基地；陜北的紅棗質(zhì)量?jī)?yōu)良，也是陜北經(jīng)濟(jì)的重要來源。過去對(duì)黃土高原中南部蘋果林地土壤水做了一定研究［18－20］，但對(duì)位于延安市北部地區(qū)的延川地區(qū)蘋果林地土壤水分和棗樹林地的土壤水分研究很少。研究該區(qū)經(jīng)濟(jì)林地土壤水分的垂向變化，能夠揭示土壤水垂向分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，能夠查明該區(qū)土壤水對(duì)經(jīng)濟(jì)林生長(zhǎng)的適宜性，可為該區(qū)經(jīng)濟(jì)林發(fā)展和農(nóng)民增收提供重要科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與試驗(yàn)方法

延川縣地處陜西省延安市的東北部，是延安地區(qū)管轄縣之一，距延安市北約80km。位于黃河西岸，屬陜北黃土丘陵溝壑區(qū)，平均海拔約850m。延川縣地理位置在北緯36°37′15″—37°5′55″、東經(jīng)109°36′20″—110°26′44″之間。延川縣年平均氣溫為11.9℃，年平均降水量為511mm，降雨主要集中在6—9月份，屬于半干旱氣候。該區(qū)土壤為黏黑壚土，侵蝕后在黃土上發(fā)育黃綿土［6］。延川縣地帶性的植被為森林灌叢草原。

通過野外調(diào)查，選擇延川縣孫家塬蘋果林地和棗樹林地進(jìn)行采樣研究。采樣點(diǎn)蘋果林地位于延川縣東南方向的孫家塬附近，距延川縣城約15km，林地面積約0.20hm2，蘋果產(chǎn)量22 500～30 000kg／hm2，果樹齡14a，樹高4m左右，主干直徑約10cm，根系分布深度為1.5m左右，植株間距為2.5～3.5m，樹冠直徑為2～3m。利用土鉆在蘋果林地打12個(gè)鉆孔，鉆孔間距在20～30m之間，分別標(biāo)記為剖面（鉆孔）a，b，c，d，e，f，g，h，i，j，k，l。為了揭示蒸發(fā)影響深度（約2m）之下土壤水分的剖面變化，鉆孔深度為4m。采樣間距0.1m。樣品重量一般為50～60g。采樣時(shí)間選在土壤水分條件較好的雨季中期的8月份3～12號(hào)。采樣前的7月份延川降水量近120mm，與正常年7月降水基本相同。采樣前一周曾降小雨，不足10mm。棗樹林地位于蘋果林南1km左右，樣地約0.13hm2，產(chǎn)量15 000kg／hm2，樹齡為7～8a，樹高約3m，直徑約8cm，植株間距3m左右，樹冠直徑約為2m。在棗樹樣地打10個(gè)鉆孔（分別標(biāo)記為a，b，c，d，e，f，g，h，i，j），鉆孔深度為4m，鉆孔間距約20m，樣品間距0.1m。果樹生長(zhǎng)主要在春季，但夏季的蒸騰與蒸發(fā)消耗水分也很多。土壤含水量的測(cè)定利用烘干稱重法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 棗樹林地土壤水分含量分析

根據(jù)棗樹林地10個(gè)鉆孔剖面土壤含水量測(cè)定結(jié)果可知，棗樹林地0—4m深度范圍土壤含水量自上向下總體呈增加趨勢(shì)，土層含水量垂向分布特點(diǎn)是整個(gè)剖面含水量差異很?。▓D1），波動(dòng)變化也小。a孔平均含水量為10.2%，變化范圍為8.5%～11.7%；b孔平均含水量為10.5%，變化范圍為9.6%～11.2%，含水量波動(dòng)較大；c孔平均含水量為10.5%，變化范圍為10.0%～11.3%；d孔平均含水量為10.5%，變化范圍為8.1%～11.1%；e孔平均含水量為10.8%，變化范圍為10.2%～12.1%；f孔平均含水量為10.7%，變化范圍為10.0%～12.3%；g孔平均含水量為10.9%，變化范圍為8.2%～11.8%；h孔平均含水量為10.6%，變化范圍為7.1%～11.7%；i孔平均含水量為10.8%，變化范圍為9.0%～11.9%；j孔平均含水量為10.9%，變化范圍為8.5%～11.6%。

圖1 延川縣孫家塬棗樹林土壤含水量

2.2 蘋果樹林地土壤水分含量分析

蘋果樹林地12個(gè)鉆孔含水量測(cè)定結(jié)果表明（圖2），a，b，c和d剖面土壤含水量變化規(guī)律一致，在約1.2m以上土層中，土層中含水量隨深度的增加而減少，在1.2—2.5m之間含水量相對(duì)穩(wěn)定，較1.2m以上土壤的含水量少，在2.5—4m土層中，含水量呈增加趨勢(shì)。a剖面平均含水量為8.6%，變化范圍在6.3%～12.3%之間；b剖面平均含水量為6.6%，變化范圍為4.9%～11.2%；c剖面平均含水量為7.0%，變化范圍為5.2%～11.3%；d剖面平均含水量為6.8%，變化范圍為5.1%～10.9%。這4個(gè)剖面均可分為3層，從上向下第1層含水量最高，第2層含水量最低，第3層含水量居中。由圖2可以看出，e，f剖面和g，h剖面土壤含水量變化基本一致，在0—1.1m范圍內(nèi)隨深度增加呈較快減少，在1.1—4.0m之間含水量較低，變化較小。e剖面平均含水量為6.1%，變化范圍為5.0%～11.4%；f鉆孔平均含水量為5.8%，變化范圍為4.7%～9.6%；g孔平均含水量為6.1%，變化范圍為4.9%～9.7%；h孔剖面平均含水量為6.3%，變化范圍為5.0%～10.4%。這4個(gè)剖面含水量可分為2層，位于剖面上部的第1層在0—1m左右深度范圍，含水量較高，位于剖面中下部的第2層在約1—4m之間，含水量較低。i剖面與j剖面含水量較其它剖面高出2%左右。

圖2 延川縣孫家塬蘋果樹土壤含水量

3 結(jié)果討論

3.1 棗樹林地與蘋果林地可利用土壤水資源差異分析

延川縣棗樹林地與蘋果林地土壤含水量差別顯著，棗樹林地4m土層深度范圍內(nèi)平均含水量較蘋果林地高，前者平均含量為10.6%，后者平均為7.4%，棗樹林地土壤平均含水量高出蘋果林地3.2%。棗樹林地4m土層深度范圍內(nèi)分層不明顯，4m深度范圍含水量相當(dāng)均勻，蘋果林地4m深度范圍內(nèi)分層明顯，上層含水量高，中下層含水量低，這在黃土高原具有普遍性［19－21］。這種差異可以確定棗樹生長(zhǎng)消耗的水分較少，蘋果樹消耗水分較多。根據(jù)延安地區(qū)土壤穩(wěn)定凋萎濕度為約6%［22］可知，該區(qū)棗樹林地土壤水資源儲(chǔ)量還較多，還有約4.5%的土壤水資源未被利用，所以該區(qū)土壤水分能夠滿足棗樹林生長(zhǎng)的需要，適于發(fā)展棗樹林。延川蘋果林地2—4m土壤含水量只有6.5%左右，可利用水資源僅有0.5%左右，可利用水資源基本耗盡，所以該區(qū)如果沒有灌溉條件，一般不適于發(fā)展蘋果林。

3.2 延川縣經(jīng)濟(jì)林土壤水分有效性類型分析

土壤水分的含量變化存在3個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別是凋萎濕度、生長(zhǎng)阻滯持水量和田間持水量［20］。凋萎濕度是植物葉子剛開始出現(xiàn)萎縮時(shí)的土壤含水量［6］。田間持水量是指土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量。研究區(qū)的穩(wěn)定凋萎濕度和田間持水量分別為6.0%和20.0%［6］。土壤有效水總量指田間持水量與永久凋萎濕度之差。生長(zhǎng)阻滯持水量指田間持水量的60%。土壤含水量低于穩(wěn)定凋萎濕度時(shí)，土壤中的水分不能為植物吸收利用，就會(huì)導(dǎo)致植物干枯死亡，此時(shí)土壤水分為無效水。當(dāng)含水量大于穩(wěn)定凋萎濕度時(shí)，作物可以吸收利用土壤有效水分，但其吸收利用水分的難易程度存在差異［23］。所以根據(jù)土壤水分被植物吸收利用的難易程度，將土壤有效水劃分為難效水、中效水和易效水3個(gè)等級(jí)。難效水是指從穩(wěn)定凋萎濕度到生長(zhǎng)阻滯持水量的土壤水分，植物雖然能夠吸收利用土壤水分，但其根系從土壤中吸收水分時(shí)需要克服較大基質(zhì)吸力，植物的正常生長(zhǎng)受到一定的阻滯。難效水對(duì)植物生長(zhǎng)的阻滯性的大小差別也較大，這取決于含水量的多少，含水量越少，阻滯性越大，植物生長(zhǎng)越差。易效水指的是土壤含水量相對(duì)較高，小于田間持水量，大于80%田間持水量的這部分土壤水分，土壤基質(zhì)吸力較弱，容易為植物吸收利用，一般不會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成水分脅迫。中效水是指介于難效水與易效水之間的土壤水分，一般指土壤含水量為田間持水量的60%～80%的這部分土壤水分，吸收利用這部分水分，在一定程度上受土水勢(shì)的影響。結(jié)合本研究實(shí)際情況將延川地區(qū)土壤水分有效性劃分為5級(jí)（表1）。

表1 延川地區(qū)土壤水分有效性分級(jí)

結(jié)合上述土壤水分有效性等級(jí)劃分，對(duì)研究區(qū)棗樹林土壤和蘋果樹林土壤剖面水分的有效性進(jìn)行分析。結(jié)果表明蘋果樹林地各層土壤水分基本都處于難效水狀態(tài)（圖3），蘋果林吸收土壤水分都會(huì)不同程度上受到抑制，對(duì)蘋果生長(zhǎng)和蘋果產(chǎn)量具有一定的不利影響。蘋果樹林地1.1m以下土層土壤水分接近無效水。若該區(qū)持續(xù)干旱，則蘋果樹林地1.1m以下土壤水分易下降為無效水。若該區(qū)為豐水年，蘋果樹林地0—1.1m土壤水分也可能成為中效水。棗樹林土壤水分也為難效水，但其與蘋果林土壤水有明顯差別，棗樹林的難效水接近中效水（圖3），所以棗樹的生長(zhǎng)受到土壤水分的脅迫小。因此，該區(qū)適于發(fā)展棗樹林。

圖3 延川地區(qū)棗樹林與蘋果林土壤水分有效性

3.3 棗樹林與蘋果林土壤干層等級(jí)與原因分析

通常認(rèn)為，土壤水分的虧缺經(jīng)過多年的不當(dāng)補(bǔ)給，其土層為土壤干層［21］。要查明研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)林是否存在土壤干層，首先要確定土壤干層的判定依據(jù)。研究區(qū)屬于延安地區(qū)，土壤干層的判定根據(jù)王力［22］等提出的延安地區(qū)土壤干層的判定方法，以田間持水量的60%為確定土層為土壤干層的含水量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)［22］，可將該區(qū)土壤干層分為以下3個(gè)等級(jí)：（1）輕度干層。含水量在9%～12%之間，對(duì)植物生長(zhǎng)影響不大，土壤水分基本能滿足植物正常生長(zhǎng)發(fā)育。（2）中度干層。含水量在6%～9%之間，對(duì)植物生長(zhǎng)影響較為明顯，植物經(jīng)常處于缺水狀態(tài)，容易形成低產(chǎn)低效林。（3）重度干層。土壤含水量低于6%，嚴(yán)重影響著植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，甚至?xí)?dǎo)致植被枯萎甚至死亡。

圖4為延川地區(qū)棗樹林地和蘋果樹林地0—4m和2—4m土層深度的含水量，也顯示了4m土層深度范圍內(nèi)不同等級(jí)土壤干層的厚度。由圖4和表2可知，棗樹林所有土壤剖面的土壤干層均為輕度干層，干層發(fā)育較弱。蘋果樹林地鉆孔土壤2—4m土層深度土壤含水量集中在5.5%～9.7%之間，平均含水量為7.2%，含水量都顯著低于12%。由圖4可知各個(gè)鉆孔剖面都存在干層，且輕度干層、中度干層和重度干層都有發(fā)育，只是在各個(gè)剖面干層發(fā)育強(qiáng)度不同，12個(gè)剖面土壤2—4m深度發(fā)育的土壤干層主要為中度干層和重度干層，輕度干層僅在個(gè)別剖面發(fā)育。a，i，j剖面的干層發(fā)育情況相似，主要為中度干層，發(fā)育的厚度分別為1.6，1.4和1.4m，輕度干層發(fā)育厚度小，分別為0.4，0.6和0.6m。b，c，d，f剖面都存在中度干層和重度干層發(fā)育，中度干層的厚度分別為1.4，1.3，1.1和0.2m，重度干層的厚度分別為0.6，0.7，0.9和1.8m。e和g剖面全部都為重度干層。

表2 延川地區(qū)棗樹林和蘋果林土壤2－4m土層土壤平均含水量 %

圖4 延川縣孫家塬棗樹林與蘋果林土壤剖面含水量分層

3.4 棗樹林與蘋果林土壤干層與水分平衡的影響

研究表明，黃土高原人工林在年降水量600mm的條件下［6］，土壤水分處于平衡狀態(tài)，大于這一降水量為正平衡，低于這一降水量為負(fù)平衡。在該區(qū)豐水年，土壤水分表現(xiàn)出清楚的正平衡［24－26］。正平衡表明大氣降水與土壤水較充足，每年有一部分大氣降水轉(zhuǎn)化成為地下水。水分循環(huán)的過程包括蒸發(fā)、植被蒸騰、水汽輸送、降水形成地表徑流或下滲形成地下徑流最后流入江河湖?；虺蔀榈叵滤?］。根據(jù)上述的研究，發(fā)現(xiàn)棗樹林地和蘋果樹林地2m以下土層都有干層發(fā)育，說明研究區(qū)土壤水分輸出量大于輸入量，也就是說土壤干層是在土壤水分處于負(fù)平衡的條件下產(chǎn)生的［6］。負(fù)平衡是指大氣降水經(jīng)過蒸發(fā)、蒸騰、植物葉片截留和地表徑流損失之后，已沒有剩余的水分通過土壤滲入地下。水分負(fù)平衡的出現(xiàn)造成了正常的水分下滲補(bǔ)給地下水的環(huán)節(jié)被切斷，使得大氣降水只能轉(zhuǎn)化成位于地表的土壤水，影響的深度只有2m左右，一般不參與地下水循環(huán)。這表明研究區(qū)水循環(huán)主要是地表水循環(huán)，地下水循環(huán)基本不存在，形成了土壤—植物—地表徑流—大氣的水分循環(huán)模式，屬于異常水分循環(huán)類型。這樣的水循環(huán)在自然界也是很常見的，特別是在干旱地區(qū)，水分負(fù)平衡是廣泛存在的［26］。因此，該區(qū)棗樹林與蘋果樹林土壤干層的出現(xiàn)，影響了該區(qū)的正常水循環(huán)和水分平衡，長(zhǎng)期發(fā)展下去會(huì)導(dǎo)致該區(qū)地下水位的持續(xù)下降和地下水資源缺乏。在土壤水分負(fù)平衡的地區(qū)，適于發(fā)展耗水少的淺根系植被或作物。

4 結(jié)論

（1）棗樹林地土壤含水量平均為10.6%，有4.5%的土壤水資源可以利用。蘋果林地4m深度范圍內(nèi)平均含水量為7.4%，2—4m深度范圍內(nèi)土壤水資源基本耗盡。蘋果林地土壤含水量自上向下呈現(xiàn)高—低—高分層變化特點(diǎn)，棗樹林地土壤水分剖面垂向分層不明顯。

（2）棗樹林地和蘋果林地土壤水分基本都呈難效水狀態(tài)，但棗樹林土壤水分接近中效水，土壤水分對(duì)蘋果林生長(zhǎng)具有嚴(yán)重的抑制作用，對(duì)棗樹林的生長(zhǎng)基本沒有抑制作用。

（3）棗樹林地僅有輕度干層發(fā)育，蘋果林地土層2—4m土層深度范圍內(nèi)輕度干層、中度干層和重度干層發(fā)育。干層長(zhǎng)期發(fā)展下去會(huì)導(dǎo)致該區(qū)地下水位的持續(xù)下降和地下水資源減少。該區(qū)土壤水分更適于發(fā)展棗樹林。干層長(zhǎng)期發(fā)展會(huì)導(dǎo)致該區(qū)地下水位的持續(xù)下降和地下水資源的減少。

（4）棗樹林地和蘋果林地土壤干層的發(fā)育切斷了大氣降水與地下水的聯(lián)系。水循環(huán)主要是地表水循環(huán)，地下水循環(huán)基本不存在，形成了土壤—植物—大氣的水分循環(huán)模式，屬于異常水分循環(huán)類型。

致謝：參加研究工作的還有邢閃、魏君平、楊龍和劉磊同志，謹(jǐn)此致謝。

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