长武塬区苹果园和农田相互转换的深层土壤水环境效应

刘锦月,韩晓阳,朱元骏, 3

(1. 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院大学，北京 100049;3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

近年来，苹果产业已经成为陕西农村经济发展的主导特色产业之一[1]。2018年陕西苹果种植面积59.8万hm2，总产量1008.7万t，其中咸阳市苹果产量34.2万t[2]。苹果园生物量高于农作物，其耗水量也相应较高，农田轮作为苹果园后加剧了土壤水分的供需矛盾，苹果园土壤干燥化现象普遍发生[3-6]。且随着苹果树生长年限的延长，其对土壤水分的消耗巨大，因此，有必要对黄土高原苹果主产区苹果园和农田转换后的土壤水环境变化进行深入分析，为区域有限水资源条件下苹果产业的稳定和健康发展提供支持[7-10]。

国内学者对黄土高原地区苹果园土壤水分状况[11-14]和土壤干层分布特征[15-18]进行了大量研究，揭示了苹果园深层土壤干燥化现象[19-20]。例如，张社红等[21]对渭北旱塬苹果园产量和深层土壤水分效应模拟的研究表明，随生长年限的延长，苹果园0～1 000 cm土层土壤含水量逐渐降低、土壤干层分布深度逐渐加大；在苹果种植年限达14 a时，土壤干层深度超过了1 000 cm，20 a以后200～1 000 cm 土层形成稳定的土壤干层。彭星星[22]分析了渭北旱地苹果园深层土壤干燥化形成机理及调控技术，认为以土壤贮水恢复量和土壤干层恢复厚度2个指标为基础，可以预估洛川、长武和白水26、27 a和 23 a果园土壤水分恢复至当地农田水平所需的年限依次为5、8 a和 9 a。王延平等[26]对陕西黄土高原苹果园土壤水分进行分析，发现陕西苹果园由南向北土壤贮水量逐渐降低，土壤水分亏缺加重；在干旱季节，北部丘陵沟壑区果园土壤水分亏缺度高达18.5%～47.5%，黄土残塬区为7.8%～20.3%，关中平原仅有1.2%～6.3%。曹裕等[16]测定了黄土高原半湿润黄土台塬区、半湿润易旱黄土旱塬区、半湿润偏旱和半干旱黄土丘陵区等不同气候和地貌类型区32块苹果园地0～1 500 cm土层土壤湿度，发现旱作果园土壤干燥化指数(SDI)分别为32%、50%和46%，各类型干层厚度分别达到或超过790、1297 cm和910 cm。其他相关研究主要关注粮草轮作、冬小麦-夏玉米轮作和玉米-大豆轮作等的土壤水环境效应[23-25]，而对该地区苹果园转换为农田后土壤水环境变化的研究较少。苹果园转换为农田后，土壤水分会得到一定程度的恢复，但恢复程度与年限的关系及其影响因素尚需进一步研究。

本文通过对黄土高原长武塬区农田和苹果园转换后0～1 000 cm土层土壤水分进行观测和分析，以揭示这种土地利用变化对深层土壤水分的影响特征，为长武塬区苹果园可持续发展和土壤水资源可持续利用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原南部陕西省长武县王东沟流域(107°41′E，35°14′N)，海拔1 220 m，属于半干旱半湿润季风气候。该区年最大和最小降水量分别为954 mm(2003年)和296 mm(1995年)，降水主要集中在7—9月，占年总量的57%以上，无灌溉条件，属于典型的雨养农业区；年日照时数2 226.5 h，多年平均无霜期171 d，年平均气温9.1℃，年辐射总量4 837 kJ·m-2；地带性土壤为黑垆土，土层深厚，土质疏松，地下水埋深50～80 m，不参与土壤水分循环；土壤的田间持水量22.5%，稳定湿度15.5%，凋萎湿度8.5%[16]。

1.2 试验设计

采用空间分布代替时间序列的方法，测定和比较不同生长年限农田和苹果园相互转换后的土壤水分状况。试验选择的苹果园生长年限为2 a(幼树，CA1)、7 a(初果期，CA2)、17 a(盛果期，CA3)、23 a(衰老期，CA4)和29 a(衰老后期，CA5)，退果农田耕作年限为1 a(CO2)、5 a(CO3)和10 a(CO4)，以未进行转换的农田作为对照(CO1)。所有采样点均分布在塬面上，样地基本信息见表1(其中土壤含水量为200～1 000 cm土层土壤含水量值)。本研究中农田转换为苹果园前主要作物为小麦或者玉米，产量为当地平均水平，苹果园种植品种以红富士为主，种植密度为3 m×4 m或者4 m×4 m；各样地的管理模式均采用当地常规方法，苹果园按照季节的变化进行科学病虫害防治、保墒追肥、清除杂草、修剪树枝与套袋；砍伐果树后第一年施肥量较少，以后正常施肥，农田主要管理措施为病虫防治、清除杂草和施肥。在2018年8月苹果树和玉米生长旺季，对样地0～1 000 cm土层进行取样，0～200 cm深度土层的采样间隔为10 cm，200～1 000 cm深度土层的采样间隔为20 cm。土壤水分测定采用烘干法。

表1 样地基本情况

1.3 数据处理

1.3.1 土壤含水量

(1)

式中，SWC为土壤质量含水量(%)；W1为干燥铝盒的质量(g)；W2为湿土加铝盒的质量(g)；W3为烘干土加铝盒的质量(g)。

1.3.2 土壤干燥化指数 土壤干燥程度以土壤稳定含水量(15.5%)作为阈值，若某一层的土壤含水量低于这一值则判定该层发生了干燥化现象；如土壤含水量恢复到土壤稳定湿度值或之上时，则判定土壤干层内的土壤水分得到恢复。

以土壤干燥化指数(SDI)来评价土壤干层的干燥化程度，计算公式为：

(2)

式中,SDI为土壤干燥化指数(%)；SM为土壤含水量(%)；WM为凋萎湿度(%)；SSM为土壤稳定湿度(%)。

根据土壤干燥化指数SDI值的大小，果园土壤干燥化程度可划分为 6 级(表2)。

表2 SDI值的范围及其对应的干燥化程度

1.3.3 土壤含水量距平值 土壤含水量距平值是指某一土层含水量与全层含水量平均值之差，用来指示土壤剖面上的低水分区域，从而分析随苹果树生长年限的延长土壤低含水量区域的变化情况，并预测不同生长年限苹果园土壤干层的发生情况。

2 结果与分析

2.1 农田转换为苹果园后土壤水分变化特征

图1为不同生长年限苹果园0 ～ 1000 cm土壤含水量分布特征。不同树龄苹果园0 ～ 1000 cm土层平均土壤含水量随生长年限的增加呈现先减小后增大的趋势，果园进入衰老后期后土壤含水量稍有恢复。2、7、17、23、29 a(CA1～CA5)苹果园200～1 000 cm平均土壤含水量分别为22.8%、21.4%、16.8%、15.4%和14.9%(表1)，其中23 a和29 a(CA4和CA5)平均土壤含水量低于土壤稳定湿度(15.5%)。根据土壤有关含水量分布特征，可将图1苹果园0～1 000 cm土层剖面分为3层：(1)土壤含水量无显著差异层，深度范围0～200 cm，苹果园的平均土壤含水量在18.8%～20.8%之间；(2)土壤含水量差异逐渐显现层，深度范围200～500 cm，CA1～CA5苹果园的平均土壤含水量分别为22.4%、21.0%、19.7%、18.6%和15.4%；(3)土壤含水量显著差异层，深度范围500～1 000 cm，CA1～CA5苹果园的平均土壤含水量分别为23.0%、21.5%、15.0%、13.3%和14.5%。7 a以下的苹果园200～1 000 cm土层土壤含水量无明显变化，16 a后200～1 000 cm土层土壤含水量呈现下降趋势。其中，CA3和CA4苹果园500～1 000 cm和CA5苹果园340～1 000 cm的土壤含水量低于土壤稳定湿度；CA3～CA5苹果园土壤干层分布深度超过1 000 cm。

将不同年限的苹果园与对照农田(CO1)进行对比，发现在由农田转换为果园后，0～500 cm土层的土壤含水量均下降；而500～1 000 cm土层土壤含水量则表现不同，由高到低依次为：CA1(23.0%)>CA2(21.5%)>CO1(17.1%)>CA3(15.0%)>CA5(14.5%)>CA4(13.3%)。CA3～CA5苹果园的500～1 000 cm土壤含水量低于对照，表明当苹果园进入盛果期后根系对深层水分消耗较大。

由图2可见，土壤含水量距平值为负值的果园及其土壤深度范围表现为：CA1：0～300 cm；CA2：0～400 cm、540～560 cm和760～ 900 cm；CA3：480～1 000 cm；CA4：460～1 000 cm；CA5：260～1 000 cm。负距平值的分布特征说明幼果期(CA1)和盛果前期(CA2)苹果树根系分布较浅，主要吸收0～500 cm的土壤水分；随着苹果树生长年限的延长，苹果树根系吸水强度和深度逐渐增加，进入衰老期后根系吸水区域逐渐上移。

2.2 农田转换为苹果园后的土壤干燥化强度评价

由表3可知，CA1～CA5苹果园0～1 000 cm土层的土壤干燥化指数平均值分别为-23%、-19%、12%、17%和25%，CA1和CA2幼果期苹果园无土壤干燥化，CA3～CA5均达到了轻度干燥化程度。CA1～CA5苹果园均未出现强烈干燥土层和极度干燥土层，CA3轻度干燥、中度干燥和严重干燥的土层厚度分别为100、240、20 cm；CA4分别为60、90 cm和180 cm；CA5为130、260 cm和90 cm；CA3～CA5苹果园轻度干燥层和中度干燥层均出现先减小后增加的趋势，严重干燥层出现先增加后减小的趋势。

图1 农田转换为苹果园后土壤含水量剖面分布Fig.1 Vertical distribution of soil water content in the appleorchards rotated from farmland

图2 农田转换为苹果园后土壤含水量距平值变化Fig.2 Variation of distanced average for soil water content inthe apple orchards rotated from farmland

2.3 苹果园转换为农田后的土壤水分恢复效应

苹果园转换为农田后，CO1～CO4农田0～200 cm平均土壤含水量无明显差异，分别为17.9%、20.5%、18.6%和16.7%；200～500 cm的平均土壤含水量较上层明显减小，分别为14.7%、16.3%、17.0%和18.9%，其中CO2～CO4土壤含水量都恢复到15.5%以上(图3)。在500～1 000 cm土层中，CO2～CO4土壤含水量最低，分别为14.7%、14.9%和14.5%，说明苹果园转换为农田后，短期内深层土壤含水量还未能得到补给和恢复。

CA5苹果园在340～1 000 cm土层形成了一个土壤含水量低于土壤稳定湿度的干燥层，随着苹果园轮作农田生长年限的延长，干燥层逐渐减小。1 a农田(CO2)的干燥层范围缩小到400～920 cm，5 a农田(CO3)的干燥层范围缩小到500～940 cm，10 a农田(CO4)的干燥层范围缩小到580～840 cm(图3)。可见，土壤干层是由上部和下部土层向中间层逐渐恢复的。CO2～CO4农田0～1 000 cm土层恢复到土壤稳定湿度值以上的土层厚度分别为140、220 cm和400 cm，随着农田生长年限的延长，土壤干层厚度逐渐减小。

3 讨 论

由于国家政策和苹果种植带来的高收益，近年来长武塬区苹果园的面积占比逐年增大，农田种植面积逐年减小。与农作物相比，苹果是深根系、高生物量的植物，其对土壤水分的消耗也更大。此外，由于苹果树有自己的生命周期，在由盛转衰后，将其转化为农田，不仅可以恢复土壤水分，还可以增加土地的经济效益。因此，研究农田和苹果园相互转换的土壤水环境效应，不仅有助于量化区域苹果大面积种植对土壤水环境的影响，还可以量化苹果园转化为农田后的土壤水分恢复情况，从而为苹果园的可持续发展和土壤水资源的保护提供科学依据。

表3 农田转换为苹果园后的土壤干燥化情况

图3 苹果园转换为农田后的土壤含水量垂直分布Fig.3 Vertical distribution of soil water content in thefarmland rotated from apple orchard

长武塬区2～29 a(CA1～CA5)的苹果园0～1 000 cm土层土壤含水量出现先减小后增大的趋势。当苹果园进入衰老后期，更高龄的苹果园(CA5)土壤含水量高于相对低龄的苹果园(CA4)，可能是由于衰老后期果树衰退，生产能力降低，对水分的需求也相应地减少，加之雨季上层土壤水分的补给，使总体土壤含水量略有增加，这与李青华等[7]的研究结果一致。CA1 ～CA5苹果园500～1 000 cm的土壤含水量低于土壤稳定湿度，这与Liu等[26]研究结果一致。苹果种植作为一种特殊的退耕还林模式，在盛果后期和衰老期均存在很厚的土壤干层，表明种植苹果也会导致黄土高原土层的干燥化现象。低龄的苹果园(CA1和CA2)没有出现土壤干燥化，可能是由于幼果期和盛果前期果树主要耗水层为0～200 cm，夏季降水能够补充，这与王延平等[6]研究结果类似。通过对不同年限苹果园土壤水分状况的分析，我们拟合出农田轮作为果园后的土壤水分含量与生长年限的关系：Y=0.0079X2-0.5600X+24.2440(R2=0.98，Y为土壤质量含水量，X为苹果园生长年限)。如果以土壤稳定温度和凋萎湿度分别作为土壤水分的上、下边界，我们可以计算出苹果园种植的适宜年限为21 a(即不会导致严重的土壤干燥化)，这与张社红等[21]的研究结果相似。果园转换为农田后，土壤干层出现由上部和下部向中间层逐渐恢复的现象。以降水为主要水分补给来源的长武塬区，苹果园转换为农田后表层土壤水分恢复主要是由于降水入渗；深层土壤水分恢复可能是由于“土壤水库”的深层储水沿水势梯度向上补充的结果[27-28]，这一点与樊军等[19]的结论一致。

4 结 论

苹果园转换为农田1、5、10 a后，200～1 000 cm土层土壤含水量分别为：15.3%、15.7%和16.1%。0～1 000 cm土壤干层出现由上部和下部土层向中间层逐渐恢复的现象，恢复到土壤稳定湿度值以上的土层厚度分别为140、220 cm和400 cm。随着退果年限的增加，土壤干层厚度逐渐减小。以土壤稳定湿度和凋萎湿度为土壤水分的上、下边界，苹果园的最大适宜种植年限为21 a(即不会导致严重的土壤干燥化)，此后应转换为粮食作物，以缓解土壤干燥化、促进土壤水分恢复。