深层干化土壤水分恢复试验研究

田 璐 张敬晓 高建恩 董建国 汪有科

(1.中国科学院水利部水土保持研究所， 陕西杨凌 712100； 2.中国科学院大学， 北京 100049；3.河北水利电力学院水利工程学院， 沧州 061000； 4.西北农林科技大学水利与建筑工程学院， 陕西杨凌 712100)

0 引言

黄土高原位于我国腹地，是东南季风气候向西北内陆干旱气候过渡带[1]，存储于深厚黄土层中的土壤水对维持和调节植物的生长非常重要[2]。长期以来黄土高原一直面临着水资源严重不足的问题[3]，大面积、高密度的人工林建设造成了土壤水分的严重亏缺，形成了土壤干层[4-5]。王志强等[6]最新研究表明，干层一旦形成，其土壤湿度就会处于稳定的低水平，且具有持久性，林后放牧荒坡土壤水分要恢复到持续放牧荒坡至少需要150年。孙剑等[5]研究表明，6年生苜蓿草地0～1 000 cm土壤水分恢复到当地土壤稳定湿度需要23.8年。干层的存在使树木生长衰退，难以成林[7]；植被提早衰退，生长周期短，林下更新不良[8]；衰败的草地重新造林难度更大[9-10]。枣树由于耐旱、耐贫瘠、营养价值高等优点，在黄土丘陵区的种植规模不断扩大，是该区域的支柱产业之一[11]。刺槐是黄土高原常见的造林树种，长期种植会消耗深层土壤水分，形成干层[8]。多年来，众多科研工作者为黄土高原区域保蓄土壤水分、提高土壤水分利用效率开展了大量的研究工作[12-14]。

国内外学者进行了许多关于不同覆盖措施下土壤水分恢复的研究。文献[15-18]研究发现，覆盖措施能够提高土壤水分的利用效率，可以抑制土壤水分的蒸发，增加降水入渗。但这些研究大部分是在有植物根系消耗土壤水分的情况下进行，不能反映无植物利用情况下不同覆盖措施对土壤水分的影响，且很多是短期对土壤水分进行监测，鲜有对连续几年覆盖下土壤水分的恢复研究。本文在野外建造10 m深模拟干化土壤的大型土柱，以当地坡耕地为参照，分析不同覆盖措施下土壤水分和储水量的恢复情况，以及干化土壤中栽植枣树与刺槐的耗水规律，综合评价栽植植物和无植物情况下的深层干化土壤水分恢复特征，以期为该地区防治土壤干化的研究提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于陕西省米脂县境内远志山红枣示范基地(37°40′～38°06′N，100°15′～110°16′E)，为典型黄土丘陵沟壑区；属中温带半干旱性气候，年平均气温8.4℃，最高气温38.2℃，最低气温-25.5℃。多年平均降雨量为450 mm，试验期间年均降雨量为518.3 mm。土壤以黄土母质发育的黄绵土为主，质地为粉质沙壤土，容重1.29～1.31 g/cm3，田间持水率为22%。试验区土层深厚，地下水埋深在50 m以下，对根系吸水影响可忽略。试验地为前期栽植苹果23年伐后再利用地，试验土柱平均土壤体积含水率约7.5%，接近枣树凋萎系数6.5%。试验区附近坡耕地0～10 m土层平均含水率为15.3%，储水量为1 526 mm。

2 试验方法

2.1 样地布设

图1 不同覆盖措施实体图Fig.1 Entity pictures of different mulching measures

2014年5月在同一水平阶地上建造18个直径0.8 m、深10 m的大型土柱，间距1.6 m。分别设置裸地、石子覆盖、树枝覆盖、薄膜覆盖以及栽植枣树、刺槐6个处理(图1)，每个处理3个重复，覆盖方式见表1。人工开挖后土柱内壁用防水塑料膜与周围土层隔开，避免土柱内外水分的扩散以及周围植物根系对水分的影响，上边界为高出地面0.1 m的混凝土井圈，防止降雨流失，水分变化只通过蒸散和入渗完成。回填土经过均匀掺混后每隔30 cm踩实一次，尽量保持土壤的密实度与周围实际原状土壤一致。图2a为土柱纵截面示意图，图2b为薄膜覆盖方式纵截面示意图。

表1 田间试验设计Tab.1 Design of field experiment

图2 土柱纵截面示意图Fig.2 Sketches of vertical sections of soil column

2.2 气象数据采集

利用小型综合气象观测站(BLJW-4型)测定气象数据。气象站设有温度和湿度传感器、翻斗式雨量筒、风速仪和净辐射传感器，分别用来获取环境温度、环境湿度、降水量、风速和净辐射值等气象数据。数据采集器每隔30 min读取数据一次。

2.3 土壤含水率测定

每个土柱中间位置安放10 m长铝合金套管，利用CNC-503DR型中子土壤水分仪测定0～1 000 cm深度内的土壤含水率，每20 cm为一个测层。观测期为2014年5月—2017年12月，其中2014年5月—2016年5月每10 d采集一次数据，本文中所用数据为每月月末所采集。2016年6月、2016年12月、2017年12月月末各采集一次数据定期对中子仪进行校准，土壤含水率均为体积含水率。

2.4 相关指标计算

土壤储水量计算公式为

W=10θd

(1)

式中W——土壤储水量，mm

θ——土壤体积含水率，%

d——土层厚度，cm

储水量变化量计算公式为

ΔW=Wfinial-Winitial

(2)

式中 ΔW——储水量变化量，mm

Winitial——计算时段初期土壤储水量，mm

Wfinial——计算时段末期土壤储水量，mm

试验区植物蒸散量利用农田水量平衡法计算。试验区植物为雨养，无灌水，无地下水补给，试验期间未发生地表径流，当植物耗水深度达到1 000 cm时停止对蒸散量的计算。因此，0～1 000 cm深度范围内，植物蒸散量公式可简化为

ET=Pr-ΔW

(3)

式中ET——植物蒸散量，mm

Pr——降雨量，mm

降雨贮存效率[19](Precipitation storage efficiency, PSE)为计算时段内储水量变化量占降雨总量的百分比，即

(4)

式中IPSE——降雨贮存效率，%

为定量评价土壤水分恢复程度，比较各种覆盖处理不同时期的土壤水分恢复能力，根据王美艳等[20]提出的土壤水分恢复度(Soil water restoration degree, SWR)的计算方法加以修改，将其定义为某土层已经恢复的土壤储水量占应恢复土壤储水量的百分比，公式为

(5)

式中ISWR——土壤水分恢复度，%

Wslopeland——坡耕地0～1 000 cm土壤储水量，mm

2.5 数据处理

用Excel 2010进行数据预处理，采用Origin 9.0软件进行绘图。

3 结果与分析

3.1 不同覆盖下土壤含水率变化

图3 不同覆盖措施各月0～1 000 cm土壤平均含水率 和降雨量Fig.3 Average soil water content in 0～1 000 cm soil depth of different mulching measures and monthly precipitation

图4 不同覆盖措施剖面土壤含水率年际分布图Fig.4 Interannual distributions of soil water content of different mulching measures

图3为各覆盖措施试验期间0～1 000 cm土壤平均含水率和各月降雨量。从图中可看出，薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、裸地、枣树以及刺槐的初始土壤含水率(2014年5月)接近，且均处于干化状态(土壤含水率仅在7.5%左右)。经过2014年5月—2015年2月的水分积累，各覆盖下的土壤含水率均有明显提升，但已经出现不同覆盖下的土壤水分差异。2014年是栽植枣树与刺槐的第1年，栽植树木以成活为主，生长量很小，所以生长耗水较小，因此土壤含水率在干化情况下还是略有增大，到2015年3月土壤含水率由大到小顺序为薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、枣树、裸地、刺槐。2015年3月刺槐开始萌发生长，其下的土壤含水率持续降低，5月枣树开始萌发生长，其下的土壤含水率开始持续降低。5—9月是试验区雨季，薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、裸地的土壤含水率整体呈上升趋势，与降雨量变化趋势贴近；5—9月是枣树与刺槐生长最旺盛、耗水最大的时期，土壤含水率呈下降趋势。刺槐土壤含水率小于枣树土壤含水率，说明刺槐耗水量大于枣树，3—6月刺槐含水率下降速率是枣树下降速率的4倍，这个期间也是刺槐和枣树耗水的主要时期。

至观测期结束，薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、裸地土壤含水率持续上升，较初始含水率分别增大12.1%、8.5%、6.5%、5.2%，说明覆盖措施能够提高土壤含水率，薄膜覆盖效果最好，石子覆盖次之，树枝覆盖效果最差。枣树土壤含水率较初始含水率上升0.2%，刺槐比初始含水率降低2.4%，说明试验期间刺槐耗水大于枣树耗水，种植刺槐比枣树更加消耗土壤水分。

3.2 不同覆盖下的土壤水分恢复状况

通过上面分析可看出，除了栽植枣树与刺槐，其他4个处理土壤含水率最高阶段为11—12月，选取2014—2017年每年12月不同覆盖措施0～1 000 cm深度各土层土壤含水率作土壤水分剖面分布曲线(图4)，并且和就近的坡耕地土壤平均含水率(15.26%)及其实际含水率作比较分析，土壤含水率大于坡耕地含水率的土层称为恢复层，视其土壤水分完全恢复。

从图4可看出，薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、裸地2014年末入渗深度分别为420、320、260、200 cm，以坡耕地平均含水率为恢复目标的恢复层厚度分别为280、180、160、120 cm。2015年末各覆盖措施入渗深度分别为720、500、340、320 cm，恢复层厚度在2014年的基础上分别增加400、200、100、80 cm；到2016年底，薄膜覆盖0～1 000 cm深度土壤水分完全恢复，完全恢复所需时长为3年，石子覆盖入渗深度为840 cm，恢复层厚度为740 cm，较2015年增加260 cm，树枝覆盖入渗深度为600 cm，恢复层厚度为520 cm，较2015年增加260 cm，裸地入渗深度为460 cm，恢复层厚度为340 cm，较2015年增加140 cm；2017年薄膜覆盖土壤含水率继续增大，平均含水率达19.6%，石子覆盖0～1 000 cm土壤水分完全恢复，完全恢复所需时长为4年，平均含水率达16%，树枝覆盖入渗深度达800 cm，恢复层厚度为700 cm，裸地入渗深度达580 cm，恢复层厚度为480 cm。图中坡耕地实际土壤含水率在180～340 cm以及440～540 cm两个深度范围内出现两个峰值，由于土柱中土壤颗粒组成比较均一，土壤含水率变化曲线没有发生如此大的波动，因此在两个波峰附近的土壤含水率与坡耕地实际含水率相差较大。至试验期结束，以坡耕地实际含水率及其平均含水率为参考得出的薄膜覆盖与石子覆盖恢复深度一致，均为1 000 cm，树枝覆盖恢复深度为700 cm，裸地恢复深度为480 cm。

整个观测期内，薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖以及裸地的土壤水分恢复深度逐年增大，且每年的恢复层厚度变化量由大到小均为薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、裸地。土壤水分入渗过程体现为上部高含水土层土壤含水率的降低，下层低含水土层土壤含水率的升高以及入渗深度的增加，且土壤水分入渗过程中存在滞后效应，因此各覆盖措施入渗深度均大于恢复深度。

黄土高原干旱环境条件下，降雨不足以满足人工植物生长耗水时，为维持其正常生长，需从深层土壤吸收水分，导致土壤干化程度加剧。观测期内枣树土壤含水率变化范围在0～300 cm深度，300 cm以下土壤含水率基本保持在2014年的水平没有发生变化，说明4年生枣树根系没有到达300 cm以下；2014年刺槐土壤含水率在0～140 cm范围内有所增大，随树龄增加，耗水深度不断增加，导致耗水层逐渐下移，2015年12月耗水深度已达720 cm，0～1 000 cm土层平均土壤含水率由初始的7.7%降低到6.6%；2016年底，耗水深度达1 000 cm，平均土壤含水率约为5.2%；2017年深层土壤含水率与2016年基本相同，说明土壤储藏水分已经不能利用，在0～1 000 cm深度范围内消耗的只有当年降雨量。由于土柱底部未密封，监测深度只有1 000 cm，因此刺槐根系是否消耗1 000 cm以下土壤水分还需做进一步研究。

综上，4种覆盖措施对土壤水分恢复效果最好的为薄膜覆盖，其次是石子覆盖、树枝覆盖，裸地恢复效果最差；在干化土壤上种植枣树，其干化程度基本不变，刺槐使土壤水分亏缺状态更加严重，说明枣树比刺槐更适合在当地种植。

3.3 不同覆盖下土壤储水量及降雨贮存效率变化

表2为2014年5月—2017年12月不同覆盖措施0～1 000 cm深度储水量变化量、降雨贮存效率及土壤水分恢复度。从表中可看出，薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、裸地的土壤储水量增量均为正值，说明土壤储水量逐年增大，且每年的储水增加量以及降雨贮存效率由大到小均表现为薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、裸地。到2017年末薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、裸地土壤储水量分别增大1 211.4、853.4、662.5、523.2 mm；薄膜覆盖储水量总增量分别是裸地、石子覆盖、树枝覆盖的2.3、1.4、1.8倍。试验区2014年5—12月降雨总量为428 mm，2015年降雨总量为434.8 mm，2016年降雨总量为590.8 mm，2017年降雨总量为619.6 mm，年均降雨量为518.3 mm。2017年降雨量最大，但薄膜覆盖与石子覆盖土壤储水量以及降雨贮存效率较2016年小，原因在于2016年底薄膜覆盖土壤水分入渗深度达1 000 cm，石子覆盖2016—2017年间入渗深度达1 000 cm(图4)，且土柱底部未密封，当水分入渗深度超过1 000 cm后会继续向下运移，监测到的土壤储水量减小，降雨贮存效率减小。因此薄膜覆盖全年平均降雨贮存效率为63.4%，石子覆盖全年平均降雨贮存效率为42.4%。树枝覆盖与裸地在观测期内土壤水分入渗深度未达到1 000 cm，因此树枝覆盖全年平均降雨贮存效率为29.4%，裸地为23.0%。

表2 不同覆盖措施0～1 000 cm土壤储水量变化量、降雨贮存效率及土壤水分恢复度Tab.2 Variation of soil water storage in 0～1 000 cm soil depth and precipitation storage efficiency and soil water restoration of different mulching measures

由图4可知，2017年底枣树耗水深度未达1 000 cm，土壤储水量增加17.8 mm，枣树2015—2017年年均蒸散量为586.4 mm，大于试验期年均降雨量，到2017年末枣树高146 cm，冠幅为73.8 cm×88.2 cm。2016年底刺槐耗水深度超过1 000 cm,其2015—2016年年均蒸散量为666.5 mm，是枣树的1.1倍，显著大于试验期年均降雨量。为满足生长需消耗一部分土壤水分，当土壤含水率降低到4.8%(图4)左右时不再降低，之后生长依靠降雨和更深层土壤水分；2017年末，刺槐土壤储水量减小235.7 mm，2017年监测到其蒸散量为608.8 mm，显著低于2015—2016年蒸散量，且小于当年降雨量，但生命力旺盛,树高480 cm，冠幅为189.3 cm×197.4 cm。

到2017年底，薄膜覆盖恢复度为155.6%，石子覆盖恢复度为110.1%，土壤水分完全恢复，树枝覆盖恢复度为86.3%，裸地为67.6%，树枝覆盖与裸地土壤水分要完全恢复分别还需1年和3年时间，总时长约需5年和7年。枣树降雨贮存效率为-8.5%，显著大于刺槐的降雨贮存效率-20.3%。

4 讨论

本试验在模拟干化土壤的基础上，研究在自然降雨条件下薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、栽植枣树、刺槐以及裸地的土壤含水率变化情况。室内由于空间和操作限制，土柱体积不够大，且水分补充与蒸发条件也不能完全与野外吻合，对于研究土壤水分恢复状况的真实性有较大距离，野外建造土柱更符合实际情况。

土壤干化是由于自然降水、土壤储水以及作物耗水关系失衡导致的，其结果为土壤水库储水量显著降低[21]。众多学者[22-26]对干化土壤水分恢复研究发现，在自然条件下土壤水分恢复年限较长，且土壤水分入渗深度较浅，但这些研究多在考虑自然情况下有植物生存耗水问题，所以恢复时间较长，本研究结果主要体现了没有植物继续耗水情况下的干化土壤恢复特点，结果显示在全年地表覆盖下，薄膜覆盖0～1 000 cm土壤水分完全恢复至当地坡耕地水平需要3年时间，石子覆盖需要4年，树枝覆盖需要5年，裸地需要7年。说明没有植物耗水情况下干化土壤水分恢复很快，这个结果较以往研究更乐观，也为今后干化土壤水分恢复提供了新途径。

前人研究中对于土壤干层划分的标准并不一致[27]，干化土壤湿度上限为土壤稳定持水率[28]，土壤稳定持水率在数值上相当于田间持水率50%～80%[29]，常见的是将田间最大持水率的60%作为划分土壤干层的指标[30]。坡耕地0～200 cm由于地表耕作及土面蒸发等作用土壤含水率较小，但该层水分经过降雨可以很快修复，属于临时性干层[27]，200 cm以下土壤含水率均大于田间最大持水率的50%，因此认为试验区坡耕地土壤没有干化现象，坡耕地平均含水率(15.3%)大于田间最大持水率的60%(13.2%)，所以按均值分析的土壤水分恢复状况较按田间最大持水率的60%恢复状况好，两者的恢复深度结果差异不大。张文飞等[31]研究表明，坡耕地土壤含水率由于不同深度土壤颗粒组成不同，在垂直方向上土壤含水率有一定幅度的变化，但由于土柱内的土壤是回填土，在回填过程中进行了充分混匀，其土壤颗粒组成相对均一，土壤含水率变化波动较小，因此以坡耕地平均土壤含水率为恢复目标。李玉山[28]曾用直线表示农地的田间持水率，用以说明森林中土壤干层的存在。WANG等[32]也曾用一年生枣树0～1 000 cm平均土壤含水率为基准确定多年生枣树根系分布深度，效果较好。以坡耕地实际土壤含水率为恢复目标得出的最终恢复深度与以其平均土壤含水率为恢复目标得出的最终恢复深度差异不大，恢复度相同。

在以天然降雨为土壤水分唯一补给源的黄土高原丘陵沟壑区，降雨相对不足，林地土壤水分长期处于负平衡，随植物的生长和林龄的增大，土壤干化程度加剧[33]。本研究也表明了这一现象，到2015年枣树与刺槐树体恢复正常生长，生育期由于蒸散量较大，造成土壤含水率降低。当浅层土壤水分消耗殆尽，植物根系继续向下延伸，深层土壤储水不断消耗，造成深层土壤更加干化。针对在降水不足的半干旱黄土丘陵区枣树高耗水情况，汪有科等[34]提出节水型修剪技术，提高枣树水分利用效率，研究结果表明节水型修剪能够有效提高水分利用效率，证明节水型修剪技术在生产中具有较好的应用价值。

本研究发现，在干化土壤中栽植的枣树与刺槐能够正常生长，且枣树耗水小于试验期年均降雨量，说明在前期干化土壤中再造植被仍然可行。但刺槐具有发达的垂直和水平根系，对深层土壤水分消耗强烈，加剧土壤干化程度，刺槐林下土壤含水率在4.8%左右，这样低的土壤含水率是否仍然可以再造其他植被，需要后续更多试验研究验证。考虑到植被耗水状况对土壤干化程度的影响，建议在造林时考虑结合降雨造林，在半干旱区选择像枣树类耗水较小的树种。

5 结论

(1)以坡耕地0～1 000 cm平均土壤含水率为恢复目标，薄膜覆盖土壤含水率经过3年全部恢复，石子覆盖经过4年全部恢复，树枝覆盖土壤水分经过4年入渗深度达800 cm，恢复层厚度为700 cm，完全恢复需要5年时间，裸地经过4年入渗深度达580 cm，恢复层厚度为480 cm，完全恢复需要7年时间。以坡耕地0～1 000 cm实际土壤含水率为恢复目标，薄膜覆盖与石子覆盖在恢复深度上一致，树枝覆盖恢复深度为740 cm，裸地恢复深度为440 cm，以储水量计算的恢复度两者结果一致。总体来看，没有植物情况下深达1 000 cm的干化土壤在短期内可以得到较好的恢复。

(2)薄膜覆盖、石子覆盖、树枝覆盖、裸地、枣树、刺槐0～1 000 cm土壤储水量增加量分别为1 211.4、853.4、662.5、523.2、17.8、-235.7 mm，全年覆盖降雨贮存效率分别为63.4%、42.4%、29.4%、23.0%、-8.5%、-20.3%，土壤水分恢复度分别为155.6%、110.1%、86.3%、67.6%、2.3%、-31.2%。

(3)4年生枣树耗水深度在0～300 cm范围内，300 cm以下土壤含水率几乎不发生变化，4年生刺槐耗水深度超过1 000 cm。枣树年均蒸散量为586.4 mm，年均降雨能够满足枣树生长需水。刺槐年均蒸散量为666.5 mm，是枣树的1.1倍，年均降雨不能满足其生长需水，需消耗土壤水分。当刺槐林下土壤含水率降低到4.8%左右时不再变化，枣树土壤水分略有恢复，种植刺槐导致土壤更加干燥。