林國偉, 李 志, 李晨曦, 向 偉, 林雪青

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

黃土高原白草塬土壤水分特征及對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

林國偉, 李 志, 李晨曦, 向 偉, 林雪青

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

[目的] 對(duì)黃土高原白草塬土壤水分特征及對(duì)土地利用變化的響應(yīng)進(jìn)行分析，為該區(qū)水資源管理和生態(tài)建設(shè)提供重要的參考依據(jù)。 [方法] 測定并分析白草塬6種利用方式下0—10 m的土壤水分，并基于土壤儲(chǔ)水量、水分虧缺量及干燥化指數(shù)等指標(biāo)評(píng)價(jià)土地利用變化的影響。 [結(jié)果] 6種土地利用方式0—10 m平均含水量表現(xiàn)為:農(nóng)地>荒草地>苜蓿地>杏林地>杏林檸條間作地>杏林苜蓿間作地。土地利用變化對(duì)土壤水分的影響深度不同，苜蓿地與荒草地的影響集中在0—5 m，而包含杏樹的利用方式對(duì)土壤水分的影響向深層推進(jìn)甚至可貫穿整個(gè)剖面。0—5 m除農(nóng)地外皆有重度土壤干燥化現(xiàn)象；5—10 m包含杏樹的利用方式干燥化程度較農(nóng)地、荒草地和苜蓿地嚴(yán)重。 [結(jié)論] 農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)榘訕涞睦梅绞胶髮?duì)土壤深層水分有顯著的影響，造成土壤水分儲(chǔ)水量減少和干燥化現(xiàn)象嚴(yán)重。

土壤水分; 土地利用變化; 深剖面; 黃土塬區(qū)

文獻(xiàn)參數(shù)： 林國偉, 李志, 李晨曦, 等.黃土高原白草塬土壤水分特征及對(duì)土地利用變化的響應(yīng)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(2)：32-38.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.005； Lin Guowei, Li Zhi, Li Chenxi, et al. Characteristics of Soil Water and Response to Land Use Changes on Baicao Loess Tableland[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：32-38.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.005

黃土高原嚴(yán)重的土壤侵蝕對(duì)人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，進(jìn)而制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-5]。為此，自20世紀(jì)50 a來以來國家開展了大量的水土保持工作，特別是1999年開展的退耕還林還草政策，導(dǎo)致土地利用方式發(fā)生了極大的變化。土地利用變化大大減少了土壤侵蝕[6]，保持了土壤肥力，有效利用了土地資源[7]等。但需要注意的是，土地利用變化導(dǎo)致區(qū)域水循環(huán)發(fā)生了重要的變化，如徑流減少[8]，地下水儲(chǔ)量減少[9]和土壤干層加劇[10]等。因此，土地利用變化的水文效應(yīng)備受關(guān)注，為此，需要具體分析水文變異與土地利用的關(guān)系，從而為區(qū)域尺度上的決策提供依據(jù)。黃土高原深厚的黃土層為土壤水分的存貯提供了條件，形成了土壤水庫[11]，因此，土壤水分對(duì)于調(diào)節(jié)整個(gè)水文過程具有重要的意義。塬區(qū)土層更加深厚，多在130 m以上，理論上講具有更加豐富的水資源，但近年來發(fā)生的地下水位下降[12]和干燥化現(xiàn)象[13]已經(jīng)嚴(yán)重威脅了當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活，受到了廣泛的關(guān)注，因此，探討地下水的補(bǔ)給機(jī)制及其影響因素成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[14-16]。由于近50 a來黃土高原的降水有顯著的降低趨勢[17]，因此，地下水等的變化應(yīng)該主要由人類活動(dòng)導(dǎo)致，一方面是由于地下水的抽提量加大直接導(dǎo)致的，另外一個(gè)重要的方面就是大范圍的土地利用變化改變了土壤水文過程，如大面積農(nóng)地轉(zhuǎn)換為果園等經(jīng)濟(jì)林導(dǎo)致的土壤水分變化[18]。因此，通過分析不同利用方式下的土壤水分含量，可以有效分析各種水文過程的變化。同時(shí)，對(duì)于干旱區(qū)而言，土壤水分是維持植物生長的基本要素，也是衡量不同類型植物是否適合生長的重要指標(biāo)。可見，分析土地利用變化與土壤水分變化的關(guān)系，對(duì)于理解水文變化和指導(dǎo)土地規(guī)劃與生態(tài)建設(shè)等都具有重要的意義。

在半濕潤區(qū)的幾個(gè)典型黃土塬區(qū)，如長武塬和洛川塬等都有大量的相關(guān)研究[19-22]，主要是針對(duì)農(nóng)地轉(zhuǎn)換為蘋果園后的生態(tài)水文效應(yīng)，而針對(duì)干旱氣候下塬區(qū)的相應(yīng)研究不多。甘肅會(huì)寧縣的白草塬區(qū)，年均降水量184.8 mm，屬于典型的旱區(qū)，由于“退耕還林(草)，封山綠化”政策的實(shí)施[23-26]，土地利用類型發(fā)生較大變化，如農(nóng)地轉(zhuǎn)為杏樹林和苜蓿地等。此種背景下，干旱氣候下黃土塬區(qū)土地利用變化對(duì)土壤水分的影響需要研究。通過分析白草塬區(qū)塬面農(nóng)田、林地、草地等不同土地利用方式下深剖面土壤水分的差異，分析黃土塬區(qū)土壤水分分布特征，評(píng)價(jià)土壤干燥化現(xiàn)狀，探討土地利用變化對(duì)土層土壤水分的影響，可為黃土高原合理利用土地，促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原西部甘肅省會(huì)寧縣白草塬，屬東南季風(fēng)氣候西北部邊緣區(qū)，年均降水量184.8 mm[18]，年均氣溫6.4 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 613 h，年均輻射量579 MJ/m2，年均≥10 ℃，有效積溫2 920.5 ℃。土壤主要為沙壤土和黃綿土[27-28]。由于氣候干旱，塬區(qū)土地利用方式以農(nóng)地為主，主要位于便于修筑水渠的塬中心進(jìn)行引黃灌溉，但1999年以來大量農(nóng)地轉(zhuǎn)換為杏樹林及杏樹與其他灌木或草的間作地[29]。

1.2 樣點(diǎn)選擇與土壤水分測定

2015年7月在白草塬面上選擇具有代表性的6個(gè)典型土地利用方式，即農(nóng)地、荒草地、苜蓿、杏林、杏林檸條間作地及杏林苜蓿間作地。其中，杏林與檸條或苜蓿的間作地選擇相鄰4棵杏樹中心(樹行距3.5 m×4.0 m)以及生長密度均勻的間作檸條或苜蓿地作為采樣點(diǎn)。經(jīng)調(diào)查這些樣地?zé)o灌溉歷史而完全依靠天然降水，因此，其土壤水分狀況可以反映農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋秃蟮耐寥浪男?yīng)。具體情況詳見表1。采用土鉆在上述樣點(diǎn)取0—10 m范圍內(nèi)土樣，每隔20 cm采集1個(gè)土樣，在105 ℃恒溫條件下連續(xù)烘干12 h至恒量測定土壤含水量，計(jì)算各層土壤質(zhì)量含水率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

為探討土壤水分特征及其對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，按照兩個(gè)層次進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。首先計(jì)算不同土地利用方式下土壤水分的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，通過直接對(duì)比來初步分析土地利用變化對(duì)土壤水分的影響；其次，通過土壤儲(chǔ)水量、水分虧缺量和干燥化程度等指標(biāo)量化土地利用變化的影響。土壤儲(chǔ)水量(SWS)、水分虧缺量(WD)及土壤干燥化指數(shù)(SDI)計(jì)算公式為：

SWS=SM·SBD·h

(1)

WD=WF-SWS

(2)

(3)

式中：SWS——土壤儲(chǔ)水量(mm)； SM——重量含水率(%)； SBD——土壤容重(g/cm3)；h——土層深度(cm)； WD——水分虧缺量(mm)；WF——田間持水量(%)；WM——凋萎濕度(%)； SSM——土壤穩(wěn)定濕度(凋萎濕度與田間持水量的算術(shù)平均值)(%)，反映了地區(qū)土壤保持水分能力的平均狀態(tài)； SDI——土壤干燥化指數(shù)(%)，可準(zhǔn)確定量描述研究區(qū)土壤干燥化強(qiáng)度和干旱脅迫程度，反映土壤水分虧缺量占土壤正常有效含水量的比重。依據(jù)SDI值的大小，將土壤干燥化強(qiáng)度劃分為4級(jí)[30]： (1) 若SDI≥100%，為無干燥化； (2) 若70%≤SDI <100%，為輕度干燥化； (3) 若40%≤SDI<70%，為中度干燥化； (4) 若SDI<40%，為重度干燥化。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分總體特征

各土地利用方式下的土壤水分含量和垂直分布有差異。6種利用方式下整個(gè)剖面的平均土壤水分含量:農(nóng)地>荒草地>苜蓿地>杏林地>杏林檸條間作地>杏林苜蓿間作地(表2)，其數(shù)值分別為10.3%，9.2%，8.9%，7.4%，7.1%和5.7%。其中，農(nóng)地、苜蓿地和荒草地的土壤水分含量約占田間持水量的1/2，2/5，2/5，而包含杏樹的利用方式(3種：杏林、杏樹與檸條間作地、杏樹與苜蓿間作地)下土壤水分含量均僅占田間持水量的3/10，明顯低于農(nóng)地和草地。

表2 不同土地利用方式下0-10 m 土壤水分統(tǒng)計(jì)特征 %

隨土層深度增加，苜蓿地和荒草地土壤含水量在1 m下剖面逐漸提高(圖1)，其他4種利用方式土壤水分0—5 m逐漸減少而5—10 m呈增加趨勢。0—5 m土層，杏樹與檸條或苜蓿的間作地含水量接近萎蔫濕度，可見其對(duì)淺層土壤水分有較嚴(yán)重的影響。各土地利用方式在5—10 m土層內(nèi)土壤水分有增加趨勢，8—10 m出現(xiàn)相對(duì)的高含水層。這些垂直分布的差異表明植被對(duì)土壤水分的影響程度和深度不同。

2.2 土地利用變化對(duì)土壤水分的影響

表2和圖1初步表明6種土地利用方式下土壤水分形成穩(wěn)定差異的深度為5 m。為分析土地利用變化對(duì)土壤水分的影響，將6種利用方式分類給出垂直分布圖，并與農(nóng)地進(jìn)行對(duì)比(圖1)。較農(nóng)地的土壤水分儲(chǔ)量，0—5 m剖面荒草地和苜蓿地減少了155 mm (占田間持水量的33.9%)，而包含杏樹的利用方式減少了301 mm (占田間持水量65.8%)；5—10 m剖面，農(nóng)地、荒草地和苜蓿地差異不大，但包含杏樹的利用方式減少了198 mm (占田間持水量的37.4%)，但均未達(dá)到萎蔫濕度(4%)；杏林地較農(nóng)地減少，其中一塊杏林已經(jīng)達(dá)到萎蔫濕度(圖1)；杏林檸條間作地和杏林苜蓿間作地土壤水分較農(nóng)地嚴(yán)重減少(圖1)，且均已接近或達(dá)到萎蔫濕度，形成了明顯的、深厚的土壤干層?？梢?，杏樹的種植對(duì)深層土壤水分有顯著影響。5—10 m土層，荒草地與苜蓿地的土壤水分隨土層深度加深而增加并與農(nóng)地接近；杏林地(圖1)、杏林檸條間作地和杏林苜蓿間作地(圖1)的土壤水分隨土層深度的加深而緩慢增加，且是6種樣地的最低值。植物集中耗水層一般是土層所含水分最低值[31]，與無杏樹利用方式相比，可能是杏樹根部的吸水作用使5 m以下土壤水分曲線較農(nóng)地出現(xiàn)向左偏移?？梢姡恋乩米兓瘜?duì)深層土壤水分有重要的影響。

圖1 不同土地利用方式下土壤水分含量的垂直分布

2.3 土地利用變化對(duì)土壤儲(chǔ)水量的影響

土壤儲(chǔ)水量(SWS)能夠綜合反映植被根系對(duì)土壤剖面結(jié)構(gòu)的影響，是進(jìn)行植被恢復(fù)和重建工程的理論依據(jù)[21]，為此，此部分使用土壤儲(chǔ)水量和水分虧缺量來量化土地利用變化的影響(表3)。0—5 m農(nóng)地、草地和苜蓿地儲(chǔ)水量分別為618，468，460 mm(均值，下同)，占田間持水量(WF)的45.1%，34.1%和33.8%，水分虧缺較為嚴(yán)重；包含杏樹的利用方式間土壤儲(chǔ)水量差異較小，分別為422，332和336 mm，占田間持水量30.9%，24.4%和24.6%，水分虧缺嚴(yán)重，遠(yuǎn)低于田間持水量。5—10 m，農(nóng)地、草地和苜蓿地儲(chǔ)水量基本持平，為665 mm左右；但包含杏樹的利用方式間差異大，分別為494，546和375 mm，遠(yuǎn)低于田間持水量。0—10 m整個(gè)剖面各利用方式都存在水分虧缺現(xiàn)象，但包含杏樹的利用方式遠(yuǎn)大于其他利用方式。

表3 各樣地不同土層儲(chǔ)水量狀況

深層土壤水分含量與土地利用方式和種植年限相關(guān)。農(nóng)地轉(zhuǎn)化為荒草地和人工苜蓿地后深層儲(chǔ)水量變化不明顯，但包含杏樹的利用方式的深層土壤水分嚴(yán)重虧缺。這些差異一方面是由于農(nóng)地轉(zhuǎn)化為草地的時(shí)間較短，另一個(gè)方面則是杏樹根系的作用深度大導(dǎo)致土壤水分長期處于負(fù)補(bǔ)償而發(fā)生水分虧缺造成的。相同的利用方式存在一定差異，可能與植被生長狀況導(dǎo)致需水量不同相關(guān)[32-35]。

2.4 土地利用方式變化對(duì)土壤干燥化程度的影響

土壤干燥化指數(shù)可定量描述研究區(qū)土壤干燥化強(qiáng)度和干旱脅迫程度[19,36]，反映土壤水分虧缺量占土壤正常有效含水量的比重(表4)。0—10 m剖面，農(nóng)地、荒草和苜蓿地土壤干燥化指數(shù)的平均值為63%，以中度干燥化為主；而包含杏樹的利用方式的土壤干燥化指數(shù)平均取值32%，以重度干燥化為主。0—5 m，土壤干燥化指數(shù)平均為42%，除了農(nóng)地和一塊杏林地屬中度干燥化外，其他利用方式下均為重度干燥化；5—10 m不同利用方式間存在顯著差異，農(nóng)地、草地和苜蓿地屬輕度干燥化，而包含杏樹的利用方式屬中度或者重度干燥化。同時(shí)，5—10 m杏林、杏樹與檸條間作地屬中輕度干燥化，而杏樹與苜蓿間作地屬重度干燥化，可見，苜蓿的土壤水分消耗量大于其他植被[37]。

表4 各利用方式下不同深度土層的土壤干燥化指數(shù)(SDI)

3 討 論

白草塬降雨量少，大部分區(qū)域無灌溉條件而地下水位較深，植被變化顯著影響土壤水分狀況。通過分析6種利用方式土壤水分狀況，發(fā)現(xiàn)無杏樹樣地深層土壤含水量10.9%，土壤水分虧缺量少，干燥化程度較小(中度干燥化)；而包含杏樹的利用方式深層土壤水分含量僅為7.8%，虧缺量為789±156 mm，約占田間持水量的37.4%。此種變化程度遠(yuǎn)較地處半濕潤區(qū)的塬區(qū)嚴(yán)重，長武塬20 a蘋果園的深層土壤水分含量為17.3%，儲(chǔ)水量減少30%[38-39]?？梢?，土地利用變化改變了陸地水分循環(huán)路徑,削弱降雨轉(zhuǎn)化為地表徑流的比率。這必然更加嚴(yán)重地降低土壤水分入滲能力，進(jìn)而影響地下水補(bǔ)給，而這可能也是白草塬地下水資源嚴(yán)重短缺的重要原因之一。

重力下滲和吸力下滲是黃土高原土壤水分下滲的2種主要機(jī)制[18]。降水入滲量超過土壤水分的虧缺量且入滲超過作用層深度才發(fā)生重力下滲。白草塬年降水量158 mm，干燥化程度最低的農(nóng)地0—5 m土層水分虧缺642 mm，除豐水年或較大規(guī)模集中連續(xù)降水情況外，降水量難以超過土壤水分虧缺量；圖1也顯示出植被根系作用較深且存在土壤干層，重力下滲深度有限。塬區(qū)土壤水分上干下濕，故不存在吸力下滲。因此，白草塬降水入滲通常只發(fā)生在干濕交替層，土壤深層水分難以得到補(bǔ)給，將使作為干旱半干旱地區(qū)植物生長耗水主要來源的土壤水庫受到影響，加重土壤干燥化。對(duì)于白草塬開展的退耕還林還草政策是否能達(dá)到“涵養(yǎng)水源”功能和保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)，尚存在一定爭議需要深入研究。

人工林植被雖然能夠使長期未被利用的深層土壤水資源得以利用，但不合理的利用將會(huì)以深層土壤水分為代價(jià)，造成黃土高原植被系統(tǒng)的不穩(wěn)定。資料表明[9,40-42]：長武和洛川塬區(qū)果園深層土壤水分均出現(xiàn)不同程度虧缺現(xiàn)象，甚至長武塬20 a果園的深層土壤已發(fā)生穩(wěn)定干燥化；侯慶春[43]調(diào)查延安7個(gè)鄉(xiāng)后結(jié)果表明人工植被條件下的大部分區(qū)域出現(xiàn)土壤實(shí)際含水量接近凋萎濕度的土壤水分虧缺層。穆興民[44]認(rèn)為在黃土高原干旱半干旱氣候背景下,人工林植被的耗水可使3～8 m剖面土壤含水量降低到長期接近或低于凋萎濕度,形成難以恢復(fù)的深厚土壤干層。李軍[13]研究了黃土高原北部半干旱偏旱區(qū)林地、草地和農(nóng)田土壤水分情況，其干燥化程度分別屬于嚴(yán)重干燥化、嚴(yán)重干燥化和輕度燥化強(qiáng)度，林草地土壤干層厚度可達(dá)8 m，甚至部分林地出現(xiàn)極度干燥化。本研究中6種利用方式所出現(xiàn)的不同程度土壤干燥化及干層現(xiàn)象與穆興民和李軍研究結(jié)論基本相符。因此，土地利用對(duì)黃土塬區(qū)土壤水分已成為不可忽視的影響因素需要加以重視，應(yīng)采取有效的管理措施防止區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭到破壞。

土壤水分變化反過來又可能影響植被生長狀況。蒲金涌[45]分析了隴西地區(qū)嚴(yán)重干旱土壤含水量界限值為9%，低于此值后植被生長將受到水分制約，最終引起植物枯死。而采樣區(qū)中也發(fā)現(xiàn)了部分杏樹的衰敗現(xiàn)象。農(nóng)地和草地對(duì)深層土壤水分影響較小，因此，需要考慮種植適宜本地區(qū)的植物，進(jìn)一步加強(qiáng)土地利用規(guī)劃和管理?？梢?，在生態(tài)建設(shè)取得一定成效的前提下，如何進(jìn)行水資源的可持續(xù)利用已成為一個(gè)重要的議題。

4 結(jié) 論

通過測定白草塬區(qū)6種土地利用方式(農(nóng)地、荒草地、苜蓿地、杏林地、杏林檸條間作地，杏林苜蓿間作地)10 m剖面的土壤水分，分析了土地利用方式變化對(duì)土壤水分的影響，初步探討了可能形成的水文效應(yīng)。

不同利用方式對(duì)土壤水分的影響程度和深度不同。6種利用方式下10 m剖面土壤水分含量不同，表現(xiàn)為：農(nóng)地>荒草地>苜蓿地>杏林地>杏林檸條間作地>杏林苜蓿間作地趨勢。隨土層深度增加，苜蓿地和荒草地土壤水分含量在1 m以下逐漸增大，其他4種類型的土壤水分含量在0—5 m逐漸減少而在5—10 m增加。

農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌梅绞胶髮?duì)深層土壤水分產(chǎn)生了影響。6種利用方式下5—10 m土壤水分形成穩(wěn)定差異，包含杏樹的利用方式的土壤水分含量比農(nóng)地少30%左右，達(dá)到重度干燥化，轉(zhuǎn)變?yōu)榛牟莺蛙俎５厣顚油寥浪植顒e不大。

塬區(qū)地形平坦，徑流系數(shù)小，降水進(jìn)入土壤后主要用于植物利用和入滲補(bǔ)給地下水。白草塬氣候干旱，降水量少，本身提供的可用水資源量少，而土地利用變化導(dǎo)致的土壤水分虧缺將嚴(yán)重影響土壤水文過程。因此，白草塬土地利用變化的水文效應(yīng)要較洛川塬和長武塬等更加嚴(yán)重，需要引起足夠的重視。

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Characteristics of Soil Water and Response to Land Use Changes on Baicao Loess Tableland

LIN Guowei, LI Zhi, LI Chenxi, XIANG Wei, LIN Xueqing

(CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

[Objective] The characteristics and response of soil water to land use change(LUC) on Baicao loess tableland were demonstrated to provide information for water resources management and ecological construction. [Methods] Soil water contents in 0—10 m profile were measured under six typical land use types (farmland, grassland, alfalfa, apricot, apricot-caragana, and apricot-alfalfa land), and soil water storage(SWS), soil water deficit(SWD) and soil desiccation index(SDI) were calculated. [Results] The average soil water contents under the six land use types ranked as farmland>grassland>alfalfa>apricot>apricot-caragana>apricot-alfalfa. The depth of water profiles being influenced by vegetation were different. The effects of alfalfa and grassland on water content concentrated in 0—5 m profile, while the effects of other land use types as apricot, apricot-caragana, and apricot-alfalfa were detected in the whole measured profile, it was as deepen as 10 m. Except for farmland, SDIs were very large for all land use types in 0—5 m depth. In 5—10 m profile, SDIs were comparatively small under farmland, grassland and alfalfa; and were moderate under apricot and apricot-caragana; exhibited the largest under apricot-alfalfa. [Conclusion] The conversion from farmland to other land use types with apricot greatly impacted soil water at deep soil profile. These land use types reduced SWS and deteriorated soil water condition by desiccation.

soil water; land use change; deep soil profile； loess tableland

2016-08-31

2016-09-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于環(huán)境同位素的黃土高塬溝壑區(qū)水循環(huán)機(jī)制研究”(51179161); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(2452015105)

林國偉(1992—),男(漢族),河南省林州市人,碩士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境變化水文效應(yīng)。E-mail:linguoweivip@163.com。

李志(1978—),男(漢族),山東省沂水縣人,博士,教授,主要從事水文水資源方面的研究。E-mail:lizhibox@126.com。

A

1000-288X(2017)02-0032-07

S157.2， F301