黄土长武塬区苹果林地水量平衡研究

穆艳，王延平

（1.西北农林科技大学，a. 风景园林艺术学院，b. 资源环境学院，陕西 杨凌712100）

黄土长武塬区苹果林地水量平衡研究

穆艳1a，王延平1b

（1.西北农林科技大学，a. 风景园林艺术学院，b. 资源环境学院，陕西 杨凌712100）

本研究以黄土高原沟壑区的典型代表长武塬为研究区，选取苹果园生态系统为研究对象，通过测定土壤蒸发、植物蒸腾、土壤含水量等水量平衡的各个组分，以月为时间尺度，分析初果园（9龄）和盛果园（19龄）林地系统的水量平衡状况，以期正确认识和评价黄土高原大面积种植苹果经济林的生态水文效应。结果表明：1）苹果林生态系统蒸散贡献量由小到大依次为冠层截留、土壤蒸发和果树蒸腾，初果园的土壤蒸发作用大于盛果园，而盛果园的蒸腾作用却大于初果园；2）土壤蒸发量及果树蒸腾量具有先增大后降低的趋势，土壤蒸发较果树蒸腾最大值出现提早一个月，土壤蒸发量6月份出现最大值，果树蒸腾最大值出现在7月；3）2014年盛果园、初果园5-8月总的平衡项分别为19.2 mm和-36.7 mm，占该时段降水量的7.9%和15.1%；2015年盛果园5-9月总平衡项为15.7 mm，占该时段降水量的4.3%，初果园5-9月的平衡项为-0.1 mm。研究结果可为黄土塬区农田、果园结构调整和土壤有限水资源的持续利用提供理论依据。

土壤蒸发；植物蒸腾；土壤含水量；水量平衡；闭合程度

水量平衡是研究植物-土壤-大气中水分的运移规律、对水分的输入和支出进行定量分析的过程，分析生态系统的水量平衡能够全面的认识水分在生态系统中的分配情况，揭示水分运移过程中各个形态之间的转化，从而提高水分利用效率，增加植物生产力[1-2]。随着农业产业结构的调整，黄土高原渭北旱塬区农作物种植面积减少，传统农产品种植转变为人工经济苹果林[3-4]。这一措施缓解并改善了因退耕还林还草政策对当地百姓经济收入的影响，进而有效地推动了退耕还林还草政策的实施[5]。但土地利用方式的改变是影响水量平衡的重要因素，在不明确苹果林的蒸散耗水规律、降水利用效率以及土壤水分生产力的条件下，大面积、高密度发展苹果经济林，必然改变原有的水量平衡过程，造成黄土高原苹果园地土壤水分过度消耗并形成土壤干层的严重生态问题[6-7]。对黄土旱塬不同农业生态系统土壤深层水分消耗与水分生态环境效应的研究表明，苹果树的大面积种植加快了土壤深层水分消耗，最终会影响这一区域的陆地水循环[8]。因此，针对目前黄土高原大面积发展苹果林种植的现状，有必要研究该地区苹果林的水量平衡过程，分析苹果林地蒸发和蒸腾在区域水分循环中的功能与规律，为黄土高原有限水资源条件下苹果发展的科学布局、探索减轻苹果林地土壤干化危害的技术措施提供科学依据。

本研究以黄土高塬沟壑区中的典型地区长武塬为研究区域，以月为时间尺度，研究不同降水年型果园生长季的蒸散特征，分析水量平衡过程中的各个分量（降雨量、蒸散量和土壤储水量）的变化规律，判别不同林龄苹果园系统的水量平衡状况，以期正确认识和评价黄土高原大面积种植苹果经济林的生态水文效应，为黄土塬区农田、果园结构调整和土壤有限水资源的持续利用提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于陕西省咸阳市长武县城以西12 km的王东沟小流域（107°40′30″-107°42′30″E，35°12′16″-35°16′00″N），属于暖温带半湿润、大陆性季风气候区，为东南暖湿地区与西北干旱地区的过渡带。主要土壤类型是粘黑垆土，母质为中壤质马兰黄土，田间持水量为23%，凋萎含水量为10.6%，地下水埋深50-80 m。最大年降水量为813.2 mm，最小年降水量为369.5 mm，多年平均为584.1 mm，年日照时数为2 226.5 h，日照百分率51%，年总辐射为48.4 kJ/cm3，最高气温36.9 ℃，最低气温-24.9 ℃，年均气温9.1 ℃，年积温2 994 ℃，无霜期171 d。土地利用现状格局以耕地、果园和草地为主。

2 材料与方法

2.1 样地选择

研究样地选择9龄（初果园）和19龄（盛果园）红富士苹果林地，林内地势平坦，无灌溉水输入，进行定期病虫害防治，适时拉枝剪梢与套袋，清除杂草。苹果林样地的基本情况见表1。

表1 研究样地基本情况Table 1 Characteristics of the studied apple orchard

2.2 土壤贮水量

在初果园、盛果园样地分别布设6个土壤水分监测点，监测深度600 cm。土壤含水量的测定采用中子仪（CNC503B），测定时间为4月至10月，每月测定2次（间隔15 d）。土壤含水量的测定采用机械分层，0-100 cm土层每10 cm记录读数一次，100-600 cm土层每20 cm记录读数一次，结合土壤容重（环刀法测定），6个监测点的平均值为该层的土壤含水量。首次测定时，对中子仪进行标定（标定方程为y=0.7879x+0.0002，R2=0.9574）。土壤贮水量采用水层深度△S表示，计算公式为：

式中：△S为土壤贮水量（cm）；θi为土壤体积含水量（%）；hi为土层厚度（cm）。

2.3 降水量

距试验样地50 m的自动气象观测站，对降水量（P）实时观测。

2.4 林冠截持量

林冠截持量（I）通过降雨量减去林地穿透雨量和树干茎流量计算。

2.4.1 穿透雨量 在初果园、盛果园样地内分别随机布设10个铁质不漏水简易雨量筒（内径20 cm，高度30 cm）。在单次降水事件结束后30 min内称量简易雨量筒内收集的穿透降水量的重量，数据处理时将穿透降雨量的质量（g）换算成单位面积上的水量深度（mm）[9]。

2.4.2 树干茎流量 在初果园、盛果园样地内分别选择10株标准果树进行树干茎流量的收集。把橡胶管沿着剖面的直径纵向剖开，将一分为二的橡胶管，依次呈螺旋状地缠绕于距离地面50 cm的果树主干上，为了保证树干茎流量能够全部得到收集，使橡胶管在每株果树主干上至少缠绕2圈，并使橡胶管上沿与树干接触处畅开，用玻璃胶密封橡胶管下沿与树干接触处，保证下沿不漏水；最后，将橡胶管下端导入细口承接容器（10 L塑料桶），对降水过程中沿树干流下的水量进行收集。降水结束后30 min内称量收集的树干茎流量重量[10]。

2.5 土壤蒸发测量

采用导热率较小的PVC材料制作的微型蒸发皿来测定0-15 cm土壤的蒸发量[11]。在初果园、盛果园样地分别随机选择10个点安装微型土壤蒸发皿，于每天早上8:00用精度为0.1 g的电子天平称重测量。土壤蒸发量由两天的重量差与蒸发皿的面积之比求得，样地土壤蒸发量由10个蒸发皿测得蒸发量的平均值求得。降雨期间的土壤蒸发用阴天的最小值代替，每隔3-5 d为蒸发皿换土一次。土壤蒸发量测算公式为：

式中：E为土壤蒸发量（mm/d），△m为相邻两天土壤重量差（g），ρ为水的密度（g/cm3），S'为微型蒸发皿的面积（cm2）。

2.6 蒸腾量

采用热扩散液流探针法（Thermal Dissipation Probe），通过检测插入树干边材的一对有热电偶的探针温差来计算液流速率值[12]。所用植物茎流计为美国Dynamax公司生产的插针式FLGS-TDP，探针型号为TDP-10，长10 mm，针头直径为1.2 mm。试验林地内选择8株标准果树，用数据采集器CR1000（CR1000，Campbell Scientifc，UN）和PC400来调节茎流计的工作电压和检测热电偶，每60 s获取一次数据并记录每半小时的平均值。边材液流通量FS（L/h）由以下公式得出[13]：

式中：Fs为液流速率（L/h）；As为树干边材面积（cm2）；△Tmax为无液流时加热探针与参考探针的最大温差（℃）；△T为瞬时温差值（℃）。

式中：T为苹果林日蒸腾量（mm/d），n为试验样地苹果树株数，Fsd为果树日蒸腾速率（L/d），S为苹果林面积（m2），F-S为24 h边材液流通量均值（L/h）。

2.7 水量平衡原理

将果园地上部分及0-600 cm土壤综合体看作一完整黑箱，由于研究区地下水埋深超过50 m，不考虑深层渗露的条件下[14-15]，水量平衡公式为：式中：P为林外降雨量（mm）；ET为总蒸散量（mm），I为林冠截持量（mm），E为土壤蒸发量（mm），T为植被蒸腾量（mm）；△S为土壤贮水量（mm）；△R为径流量（mm）。该研究区土壤地表平坦，且果园定期进行除草，土壤表层疏松，水分入渗很快，在试验期间，大部分单次降水强度较小，没有产生明显的地表径流，△R=0。

2.8 数据处理

运用Microsoft Excel 2010软件对试验数据进行统计分析及图表绘制。

3 结果与分析

3.1 大气降水量

研究区属雨养农业区，果园的水分补给主要依赖天然降水，该地区多年平均降水量为584.1 mm，根据降水年型划分标准[16]，2014年全年降水量578.8 mm，为平水年，观测期间（5-9月）降水量为437.9 mm，占总降水量的75.7%；2015年全年降水量为522.2 mm，为枯水年，观测期间（5-9月）降水量为348.4 mm，占全年总降水量的66.7%。2014年和2015年降水出现两个集中期，4月、5月和6月为较小的降水高峰期，8月和9月出现较大的降水集中期。2014年5-9月的月降水量依次为29.2 mm、56.0 mm、21.8 mm、135.6 mm和195.3 mm，2015年5-9月的月降水量依次为55.4 mm、93.6 mm、8.2 mm、129.6 mm和61.6 mm，两年试验期间的月降水量均值依次为42.3 mm、74.8 mm、15.0 mm、132.6 mm和128.5 mm，7月份出现降水“低谷”（图1）。

图1 研究区2014-2015年降水量Fig. 1 Precipitation of the study area in 2014-2015

3.2 苹果林地蒸散量

苹果林地各月份的蒸散量变化表明（表2和表3），各月份的蒸散量都存在明显变化。蒸散强度的高低受气象条件和果树生物学特性的双重制约，而蒸散发比值是可以有效反映不同时期土壤水分散失的主要方式。2014年5-8月降水量为242.6 mm，初果园林地蒸散量为236.8 mm，比该时段降水量小5.8 mm，果园水分收支平衡；盛果园林地该时段的蒸散量为291.5 mm，大于降水量，果园水分处于亏缺状态；盛果园水分消耗量大于初果园。通过分析试验期间盛果园、初果园冠层截留、棵间蒸发及果树蒸腾，发现果园蒸散贡献由小到大依次为冠层截留、棵间土壤蒸发和果树蒸腾，初果园该三组分与蒸散量的百分比值分别为10.1%、34.8%和55.1%；盛果园中该三组分与蒸散量的比值分别为8.1%、30.3%和61.6%（表2）。结果显示，初果园土壤蒸发对蒸散的贡献值大于盛果园，这是由于初果园林窗空隙大，一方面会增加林内穿透雨，增加土壤水分来源，另一方面，林窗空隙增加，导致林下光照时间和辐射增加，极大地增加土壤蒸发量；同时，初果园果树蒸腾作用小于盛果园，主要是因为盛果园果树枝叶较初果园繁茂，生理生态需水量强烈，因此出现盛果园果树蒸腾耗水量较初果园大。

表2 2014年观测期苹果园蒸散与棵间蒸发Table 2 Evapotranspiration and soil evaporation during the period of experiment in 2014

表3 2015年观测期苹果园蒸散与棵间蒸发Table 3 Evapotranspiration and soil evaporation during the period of experiment in 2015

2015年5-9月降水量为348.4 mm，初果园和盛果园总蒸散量分别为347.7 mm、350.2 mm，盛果园的水分消耗量略大于初果园。结果显示，无论盛果园还是初果园，蒸散贡献量由小到大依次为冠层截留、棵间土壤蒸发和果树蒸腾，初果园和盛果园中该三组分与蒸散量的百分比值分别为7.9%、27.0%、65.1%和12.9%、25.3%、61.8%（表3）。2015年结果同样显示出，初果园的土壤蒸发作用大于盛果园，而盛果园的植被蒸腾作用大于初果园。

本试验观测期主要是5月至9月，观测期间土壤蒸发量及果树蒸腾量具有先增大后降低的趋势，但土壤蒸发较果树蒸腾最大值出现的月份早一个月，土壤蒸发量6月份出现最大值，而植被蒸腾最大值出现在7月（表3），该现象与气象条件、果树生长状态相关。5月和6月的降水量处在全年降水量的第二集中期，降水补给较充足，同时气温开始升高，果树枝叶正在开花，叶芽开始生长，林窗空隙相对较小，土壤蒸发作用强烈且增大；但随着枝叶郁闭程度增大，土壤蒸发量开始降低，但7月份的大气温度相对较高，土壤蒸发稍小于6月；8月至9月，果树叶幕形成，温度逐渐降低，土壤蒸发减小量较大。而果树蒸腾在5月至7月，随着枝叶生长及温度升高，果树的蒸腾耗水量增加；8月果树蒸腾量稍低于7月蒸腾量，但蒸腾量仍相对较高；9月降水事件发生集中，阴雨天较多，同时温度较低，果树枝叶生长停止，所以果树蒸腾作用较弱。

表4 2014年初果园水量平衡（mm）Table 4 The water budget status of apple orchard during growing season in the 9 year orchard（mm）

表5 2014年盛果园水量平衡（mm）Table 5 The water budget status of apple orchard during growing season in the 19 year orchard（mm）

3.3 苹果林地水量平衡状况

根据降水年型划分，2014年为平水年，观测期苹果园土壤蓄水量变化量较小，表示果树系统水分的收支相对平衡；2015年为枯水年，土壤蓄水量变化量均为负值-15.0 mm和-1.7 mm（表4和表5），观测期间土壤水分处于亏缺状态。综合分析土壤储水量变化与降水量间的关系，发现当月降水量较大时，该月的土壤水分出现盈余；反之，则土壤出现亏缺，土壤水分输入小于水分输出。

野外试验过程中，一方面由于环境、技术及仪器操作等均会对试验数据造成误差，导致水量平衡产生不闭合现象，即下列表中的平衡项，平衡项越小，说明试验过程中水量平衡闭合程度较好，反之则说明水量平衡方程中各组分的测算误差较大。另一方面，本研究忽略了水量平衡方程中的相关组分，例如地表径流、土壤水深层渗漏等因素，也可能是导致水量“不平衡”的原因。为明确果园水量平衡闭合情况及误差大小，比较降水输入量与蒸散、土壤储水量变化等各实测值进行闭合分析，掌握盛果园和初果园的水分转移规律，检验试验结果误差大小。结果显示，2014年盛果园、初果园林地5-8月总的平衡项为19.2 mm和-36.7 mm，占该时段降水量的7.9%和15.1%；2015年盛果园5-9月总平衡项为15.7 mm，占该时段降水量的4.3%，初果园5-9月的平衡项为-0.1 mm，果园水量平衡闭合较好，水分收支平衡。

通过对降水量与平衡项两者的分析，结果显示，降水量较小或者很大时，水量平衡闭合状态均相对较差，平衡项绝对值一般较大。2014年观测期间，7月份降水量最小，初果园平衡项为-44.1 mm，盛果园平衡项为-30.2 mm，数值相对较大；8月降水量较大，为135.6 mm，平衡项达到81.6 mm（表4和表5）。同样，2015年观测期间，7月份降水量很小，仅为8.2 mm，初果园和盛果园的平衡项分别为-65.4 mm和-74.1 mm，平衡项绝对值较大；8月份降水量最大，为129.6 mm，初果园和盛果园平衡项分别为53.9 mm和33.5 mm，平衡项绝对值均较大（表6和表7）。结果说明，降水量很大或者很小均会使水量平衡闭合产生较大误差。

本研究中根据长武塬区气候典型性及土壤特性的特殊性，采用简化的水量平衡方程，忽略了地表径流、深层渗漏、及深层土壤水分上移而进入研究土层等项目，将平衡项看做研究过程中误差与忽略项的综合，当降水量很小时，苹果树在利用研究土层0-600 cm土壤水分的同时，由于水分补给量少，果树根系也会吸收深层土壤水分，或者深层土壤水分由于上层水分的降低而上移，最终导致水分输入项增加毛管上升水，水量平衡为负平衡，且误差相对较大；当降水很大时，易产生地表径流或深层渗漏等，导致平衡项较大。综上所述，降水量对水量平衡产生明显影响。

表6 2015年初果园水量平衡（mm）Table 6 The water budget status of apple orchard during growing season in the 9 year orchard（mm）

表7 2015年盛果园水量平衡（mm）Table 7 The water budget status of apple orchard during growing season in the 19 year orchard（mm）

4 结论

1）苹果林地蒸散贡献量由小到大依次为冠层截留，棵间土壤蒸发和果树蒸腾，2014年初果园和盛果园中该三组分与蒸散量的百分比值分别为10.1%、34.8%、55.1%和8.1%、30.3%、61.6%；2015年初果园和盛果园中该三组分与蒸散量的百分比值分别为7.9%、27.0%、65.1%和12.9%、25.3%、61.8%；同时，初果园的土壤蒸发作用大于盛果园，而盛果园的植被蒸腾作用却大于初果园。

2）观测期间土壤蒸发量及果树蒸腾量具有先增大后降低的趋势，土壤蒸发较果树蒸腾最大值出现的月份早一个月，土壤蒸发量6月份出现最大值，植被蒸腾最大值出现在7月，该变化规律与环境及果树生长状态相关。

3）通过水量平衡综合分析，2014年盛果园、初果园5-8月总的平衡项为19.2 mm和-36.7 mm，占该时段降水量的7.9%和15.1%；2015年盛果园5-9月总平衡项为15.7 mm，占该时段降水量的4.3%，初果园5-9月的平衡项为-0.1 mm。本研究中根据长武塬区气候典型性及土壤特性的特殊性，采用简化的水量平衡方程，忽略了地表径流和深层渗漏等因素，在降水量较小或者很大时，忽略项及试验操作误差会使研究果园系统的水量平衡闭合状态均较差，平衡项绝对值较大，即降水量对水量平衡有明显影响。

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（责任编辑：王育花）

Study on soil water balance of apple orchards in the Loess Tableland of China

MU Yan1a, WANG Yan-ping1b
（1. Northwest A&F University, a. College of Landscape Architecture and Arts, b. College of Resources and Environment, Yangling, Shaanxi 712100, China

A typical tableland in the Loess Plateau, Changwu plateau, was selected to analyze the soil water balance of apple orchards by measuring various components of water budget such as soil evaporation, plant transpiration, and soil water content. The purpose was to understand and evaluate the eco-hydrological effect of extensive planting of the economic apple forest in the Loess Tableland. The results showed that: 1) the contribution to the evapotranspiration in the apple forestland ranked in the order of canopy interception＜soil evaporation ＜ plant transpiration, and soil evaporation in the young forestland (9 a) was greater than that of the mature forestland (19 a) while plant transpiration of the mature forest was greater than that of the young forestland; 2) soil evaporation and plant transpiration had the tendency of increasing first and then decreasing, and soil evaporation reached the maximum in June while plant transpiration reached the maximum in July; 3) in 2014, the closure error of water balance for the mature and young forestlands from May to August were 19.2 mm and -36.7 mm respectively, accounting for 7.9% and 15.1% of the precipitation during this period; in 2015, the closure error of water balance for the mature forestland from May to September were 15.7 mm, accounting for 4.3% of the precipitation during the period, while the value of the young forest was -0.1 mm. The results would provide theoretical support for the restructuring of farmland and orchard in the Loess Plateau and the sustainable use of limited soil water resources.

soil evaporation; plant transpiration; soil water content; water balance; closure

MU Yan, E-mail: muyanyl@126.com.

S152.7+5

A

1000-0275（2017）01-0161-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0148

穆艳, 王延平. 黄土长武塬区苹果林地水量平衡研究[J]. 农业现代化研究, 2017, 38(1): 161-167.

Mu Y, Wang Y P. Study on soil water balance of apple orchards in the Loess Tableland of China[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(1): 161-167.

国家自然科学基金项目（41401613、41571218）；黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金（A318009902-1516）。

穆艳（1979-），女，陕西杨凌人，讲师，主要从事农业水土工程和森林经理方面的研究，E-mail: muyanyl@126.com。

2016-10-15，接受日期：2016-12-26

Foundation item: National Natural Science Foundation of China (41401613, 41571218); The Open Research Funds from State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Agriculture on the Loess Plateau (A318009902-1516).

Received 15 October, 2016;Accepted 26 December, 2016