典型地面覆盖下黄土丘陵区干化土壤深层水分变化研究

张珂萌 汪 星 汪有科 李 群 吴九江 张敬晓

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院， 陕西杨凌 712100； 2.宁夏大学农学院， 银川 750021； 3.北京市水科学技术研究院， 北京 100048)

0 引言

我国黄土高原地区由于多年来大力进行人工植被生态建设，人工林(草)地普遍发生土壤干化现象，自东南到西北土壤干化现象逐渐严重，具有地域性特征，且随年限的增加土壤干化程度加剧[1-2]，如7龄紫花苜蓿草地和23龄柠条灌木林，耗水深度可达15.5 m和22.4 m[3-6]。有学者从土壤干层形成机制进行划分，把由气候干旱和降雨量较低引起的土壤干化称为常态干化；把由于人类在植被建设过程中没有遵循自然规律，在适合低耗水性植物生长的地区种植强耗水性植物，或采用高密度粗放经营和不合理的种植方式等人为因素导致的土壤干化，称为加速干化[7-9]。黄土高原地区具有“低降水、高蒸发”[1]的气候特征且土壤水分主要以活塞流入渗为主，即使有降水补给，入渗深度也大多维持在表层0～3 m[10]，因此土壤形成常态化干层是不可避免的生态水文现象。也有研究表明采取轮作方式如苜蓿-早熟禾轮作[11]可以提高当地土壤养分利用率，但对土壤水分恢复作用不大[12]。而黄土高原人工造林活动则导致当地各类林地土壤加速干化，形成的土壤干层土壤含水率较低，位于降水渗深度以下且形成之后具有相对持久和干层土壤湿度恢复困难等基本特征[4,13-14]，即使人工林死亡或者被砍伐，深层土壤水分仍然很难恢复，使得土壤长期失去水分调节功能，对土地的可持续利用造成不利影响[15-17]，已经成为制约黄土高原植树造林成效的严重生态隐患。无论是常态化还是加速化一旦形成土壤干层，都会阻碍陆地水分小循环，削弱水文大循环，并严重影响该地区植被建设和区域生态稳定和可持续发展[18]，且在长期干化土壤中，刺槐等人工林(草)也会逐渐衰退[19]。另有学者通过黄土高原果园覆草，提高土壤含水率，改善土壤理化性质，并促进该地区土壤的水、肥、气、热、生物因素形成平衡的综合生态系统[20]，说明采取恰当覆盖措施具有良好的蓄水效果。改善该地区土壤的持续干化现象直至完全恢复其“土壤水库”调节功能成为亟待解决的科学问题。本研究选择9种不同覆盖措施，在野外大规格土柱模拟试验条件下连续5年观测各个处理的剖面土壤含水率变化量，分析不同覆盖措施对深层干化土壤水分的影响，以期对黄土高原干旱和半干旱区人工林(草)地土壤水分修复提供数据和理论依据。

1 研究区概况

研究区位于陕西省榆林市米脂县境内的远志山试验站[21](38°11′N，109°28′E)，属于典型的黄土高原丘陵区，水土流失严重。以无定河为分水岭，地势总体东西高中间低。海拔最高1 252 m，最低843 m，平均海拔1 049 m。干化土壤水分修复试验统一布设在同一台面上，坡度为23°。前期为23年生苹果林，伐后成为进行不同覆盖措施的大规格野外土柱模拟试验样地。土壤理化性质见表1，根据美国制分类标准，粒径0.05～2 mm为砂粒、0.002～0.05 mm为粉粒、0～0.002 mm为粘粒，试验区质地为粉壤土，且以黄土母质上发育的绵土为主，凋萎含水率为23年生苹果林伐后1 000 cm通体干化土层的平均含水率，同时也是本次试验的初始含水率。由于黄土丘陵区植被退化和水土流失严重，导致表层土壤侵蚀程度增强，以峁、沟、梁、川为主，沟壑密度3～6 km/km2，土壤侵蚀模数1.8万t/(km2·a)，构成梁峁起伏、沟壑纵横、支离破碎的特殊地貌，且土壤颗粒粗化，蒸发作用剧烈；深层土壤粉粒含量高，土壤质地均匀，孔隙度小，在一定程度上加重了该地区土壤干化程度。

表1 试验区土壤的颗粒组成和物理参数Tab.1 Particle composition and physical parameters of soil in test area

研究区属于中温带半干旱性气候，昼夜温差大，温度变化范围为-25～38℃，多年平均气温8.4℃，无霜期160 d左右，年均日照时数2 761 h，日照百分率为62%，年均太阳总辐射量580.5 kJ/cm2，多年平均风速1.19 m/s，多年平均相对湿度60%，多年平均降水量451.6 mm。试验区设置小型气象站，试验期间自动气象站(RR-9100型)实时监测气象数据。图1为试验区2014—2019年月降水量情况。本试验期间降水量主要分布在6—9月[21]，占全年总降水量的67%(图1),而11月—翌年3月降水量占全年比例仅6%，降水年际不均匀[7]与黄土丘陵区整体雨养气象[22]规律一致。

图1 试验区2014—2019年月降水量Fig.1 Monthly precipitation of test area from 2014 to 2019

2 研究方法

2.1 试验布设

图2为不同覆盖方式大型野外土柱纵剖面示意图，其中土柱直径为80 cm，深1 000 cm，土柱内每隔30 cm踩实一次进行分层回填原状土，尽量接近当地土壤容重，保持在(1.3±0.05)g/cm3，周围采用1 mm厚塑料隔离，防止土柱内外水分交换及其他植物根系进入土柱影响试验结果，土柱地表采用高度20 cm的混凝土井圈防止地表径流发生。试验土柱地面处理有种植刺槐、苜蓿、柠条、枣树和早熟禾以及覆盖石子、树枝、黑色地布和白色地膜9种处理(将早熟禾、苜蓿、柠条、枣树和刺槐视为植物覆盖处理；石子、树枝、地布和白色地膜视为非植物覆盖处理)，并以土壤表面完全裸露作为对照，具体布设见图3。其中枣树和刺槐在土柱中均是单株种植，苜蓿和柠条种植密度分别为15穴/m2和2株/m2。每种处理重复3次，每个土柱中间位置安放1 000 cm铝合金套管，利用CNC-503DR型中子土壤水分仪测定0～1 000 cm深度内的不同土层深度土壤含水率，测定土壤含水率土层深度间隔为20 cm，在2014年8月完成试验初步布设，9月完成仪器调试和数据初步校核，10月正式开始记录观测数据，观测期为2014年10月—2018年12月，每10 d观测一次，每3个月对中子仪进行校准，另外考虑到中子仪对表层土壤含水率测定容易出现误差，且本研究重点是干化土壤深层水分的修复或消耗情况，所以截取40～1 000 cm以上土壤水分变化情况。

图2 不同覆盖处理试验布设纵剖面示意图Fig.2 Longitudinal section diagram of test under different mulching treatments

图3 不同覆盖处理试验布设俯视示意图Fig.3 Overlooking schematic of test under different mulching treatments

2.2 指标计算

2.2.1土壤储水量、土壤有效储水量和土壤水分消耗量

通过土壤体积含水率分层计算土壤储水量(SWS)和土壤有效储水量(AWS)[7]。土壤储水量(SWS)计算公式为

SWSh=10θΔh

(1)

式中SWSh——土层h的土壤储水量，mm

θ——土壤体积含水率，%

Δh——土层深度，cm

土壤有效水的上限是田间持水率，下限是本次试验样地的凋萎含水率(表1)，本次试验中土壤有效储水量(AWS)指高于凋萎含水率的土壤储水量。计算公式为

AWSh=(θ-θw)Δh

(2)

式中AWSh——土层h的土壤有效储水量，mm

θw——土壤凋萎含水率，%

当测得的土壤含水率小于土壤凋萎含水率时有效储水量为0。

土壤水分消耗量表示经过2014—2018年不同植物覆盖措施连续生长土壤水分被过度消耗的逐年积累情况。计算公式为

SM=Pr+ΔW

(3)

式中SM——不同覆盖措施下土壤水分消耗量，mm

Pr——降水量，mm

ΔW——计算时段初与计算时段末土壤储水量之差，mm

2.2.2土壤干化指数

为定量描述土壤干化程度[17]，比较不同覆盖措施下土壤干化剖面分布特征和区域分布规律，采用土壤干化指数进行土壤干层分析[14]，计算公式为

(4)

式中ISD——土壤干化指数，%

θSS——土壤稳定含水率，%

其中稳定含水率指在黄土高原干旱气候、土壤质地、自然植被等因素作用下，通常旱地土壤能够长期维持的土壤含水率，其值为田间持水率的50%～75%[23]，本文取田间持水率的60%[9-24]。土壤干化指数越小，表明土壤干化强度越高，可供植物吸收利用的土壤有效含水量越小，消除了降水量和土壤种类等因素的影响，可用于不同区域、土壤之间土壤干化强度的差异比较。李军等[13-14]将土壤干化指数划分为6个级别，每25%分一层，但在本次试验中由于初期采用平均含水率为7.6%的极度干化状态，将划分细度改变，如表2所示。

表2 土壤干化状态划分标准Tab.2 Classification standard of soil desiccation state

2.3 数据处理

试验数据均为重复试验的平均值，其中土壤含水率均为体积含水率，数据整理利用Excel软件；试验布设图采用AutoCAD绘制；差异性分析采用SPSS 17.0软件，曲线和分布图采用OriginPro绘制。

3 结果与分析

3.1 不同覆盖处理下土壤含水率的差异性

表3为不同覆盖处理在试验期间(2014年10月—2018年12月)1 000 cm土柱年平均含水率差异性。通过对土壤年平均含水率在不同土层深度分布的差异状况比较发现，试验初期(2014年10月)刺槐、苜蓿、柠条、枣树、早熟禾、对照(裸地)、石子、树枝和地布处理处在同一水平，没有显著差异，白色地膜与其他覆盖处理存在显著差异；第2年(2015年)植物覆盖处理之间没有显著差异，非植物覆盖处理之间除白色地膜外石子、树枝和地布之间均无显著差异，裸露地表作为对照仅与白色地膜之间存在显著差异，刺槐与各非植物覆盖处理都存在显著差异；第3年(2016年)各植物覆盖处理之间仍然没有显著差异，非植物覆盖处理中石子和树枝没有显著差异，地布和白色地膜没有显著差异，分为2个水平差异，对照分别与植物覆盖处理中的早熟禾以及非植物覆盖处理中的石子和树枝没有显著差异，早熟禾和石子处理没有显著差异，其他植物覆盖处理与非植物覆盖处理之间均存在显著差异；第4年(2017年)植物覆盖处理之间出现差异，如刺槐分别与枣树和早熟禾存在显著差异，且与对照和非植物覆盖处理之间均存在显著差异，非植物覆盖处理仍然为2个差异水平(石子和树枝、地布和白色地膜)未变；到第5年(2018年)植物覆盖处理之间差异增大，刺槐分别与苜蓿、柠条、枣树以及早熟禾出现显著差异，苜蓿、柠条和枣树没有显著差异，枣树与早熟禾没有显著差异，对照与其他覆盖处理均存在显著差异，非植物覆盖处理依然是2个差异水平。说明白色地膜处理修复土壤水分效果最为明显，在试验初期就显现出与其他覆盖处理的显著差异，而随着时间的延续和降水的累积以及植物生理需水对土壤水分的消耗，各处理下的土壤含水率差异逐年显现并增大，各植物覆盖处理对土壤水分消耗能力的差别从初始的没有差异逐渐出现显著差异，在试验第5年表现为3个不同差异水平，而非植物覆盖处理由于水分损失较小且保蓄水分能力较好，在第2年就形成2个水平差异。

表3 不同覆盖处理下2014—2018年1 000 cm土柱平均含水率Tab.3 Average water content of 1 000 cm soil column under different coverage measures from 2014 to 2018 %

3.2 不同覆盖处理下降水逐年入渗深度

图4 不同覆盖处理2014—2018年试验期间年降水入渗垂直深度变化曲线Fig.4 Variation curves of vertical depth of annual precipitation infiltration with different coverage measures from 2014 to 2018

试验初期土柱土壤含水率基本保持在7.6%的通体干化状态。图4为2014—2018年试验期间不同覆盖处理下降水逐年入渗深度垂直分布。通过表3将各处理第5年平均含水率的差异情况分为3个梯度(刺槐-苜蓿-柠条、早熟禾-枣树和非植物覆盖处理)，裸露地表作为对照。图4显示刺槐、苜蓿、柠条、早熟禾和枣树等植物覆盖处理由于耗水较多，入渗深度在试验期间均小于裸露地表，更小于各非植物覆盖处理；非植物覆盖处理由于其保墒蓄水作用致使年入渗深度逐年增加，白色地膜甚至在第5年后深达1 000 cm土层。具体年尺度入渗深度如下：在试验初期(2014年)不同覆盖处理均有不同程度入渗；刺槐仅入渗到100 cm且200～300 cm内含水率因消耗而降低，早熟禾入渗达200 cm，苜蓿、柠条和枣树入渗至260 cm；裸露地表(对照)、石子、树枝和地布处理可入渗至300 cm；白色地膜的入渗深度可达400 cm以下；刺槐、苜蓿和柠条在第2年后入渗深度减小，第2～3年(2015—2016年)保持在100 cm以内且200～400 cm内土层含水率均被消耗，第4年(2017年)时年降水无法继续向下入渗，土柱内水分被消耗，土壤含水率逐渐降低，干化程度加重，到第5年(2018年)土壤干化程度更甚，1 000 cm土柱通体土层含水率下降；早熟禾和枣树的入渗深度在第2年达300 cm，300 cm以下土壤水分无法得到降水补充，枣树的入渗深度自第3年减小到100 cm以内，至第5年，早熟禾的逐年入渗深度由200 cm增至300 cm，随降水量的减小出现一定的滞后现象，刺槐、苜蓿、柠条从第2年开始入渗深度不再增加；非植物覆盖处理下的年入渗深度呈现逐年加深，第2年石子、树枝和地布处理达400 cm，白色地膜处理可达600 cm；第4年石子、树枝入渗达500 cm，地布达600 cm，白色地膜达800 cm，到第5年石子和树枝覆盖年入渗深度达700 cm，而地布和白色地膜已达1 000 cm土层；裸露地表(对照)的年入渗深度随降水也逐年增加，第5年时达520 cm左右。

综上所述，在前期干化土壤中,早熟禾年入渗深度超过逐年降水入渗深度，说明有累积入渗深度，使得原有干化土壤可以得到缓慢修复；刺槐、苜蓿和柠条均可以完全消耗每次降水，所以没有累积降水入渗发生，而且出现不同程度的土壤干化加重现象；非植物覆盖处理下则均表现出不同程度年入渗深度增加趋势，说明非植物覆盖对干化土壤的修复作用较好。

3.3 植物生长条件下的干化土壤水分消耗

表4为试验期间不同植物覆盖处理下土壤储水量、有效储水量及土壤水分消耗量等指标，其中2014年8月底完成本次试验的布设，9月完成试验仪器调试和数据校核，当年10月开始土壤水分数据观测，故降水量从2014年8月起算，2014年降水量是当年8—12月的累计降水量，故较其他年份降水量少，本次试验初始储水量为760 mm。由表4可看出，本试验期间年降水不均匀且平均降水量小于该地区多年平均降水量(451.6 mm)，各试验年的储水量由大到小依次为：对照、早熟禾、枣树、柠条、苜蓿、刺槐，而土壤水分消耗量则与之相反；裸露地表(对照)土壤储水量随年限延长和降水增大较植物覆盖处理明显，植物覆盖处理除早熟禾随年限略有增加外其他植物覆盖处理下的土壤储水量总体呈现降低趋势，其中刺槐、苜蓿和柠条甚至在试验的第3年(2016年)已无有效储水量，而枣树在第5年(2018年)时没有有效储水量，说明随刺槐、苜蓿和柠条耗水增大土壤干化程度在加重，而枣树耗水小于上述3种植物，其土壤干化加剧时间出现较晚，且与当年降水相关。总体来看植物在生长的第1年耗水量小于降水量，土壤储水有一定增值，第2年除早熟禾覆盖措施之外的其他植物生长需水增加，出现土壤干化加剧问题。各植物的耗水量还表现出随降水量的增加而增加的特点。植物覆盖处理下试验期间的土壤平均储水量由大到小依次为：早熟禾、枣树、柠条、苜蓿、刺槐，且均低于对照；而平均耗水量与储水量相反，由小到大依次为：早熟禾、枣树、柠条、苜蓿、刺槐，均大于对照。早熟禾的平均耗水量小于试验期间的平均降水量，可以正常生长且不会加深土壤干化程度，而刺槐、苜蓿、柠条、枣树的平均耗水量大于试验期间平均降水量，虽然可以在极度干化的土壤中生长，但土壤水分长期被消耗，会加剧土壤干化程度和干化深度，以刺槐最甚，枣树最轻。考虑到土壤水环境的可持续发展，应以种植耗水量较少、生长速度适中[7,25]的浅根草灌为主，而苜蓿和柠条等深根草灌以及刺槐等耗水较大且深根植物不适合在已经干化的土壤种植。

表4 不同植物覆盖处理下土壤水分指标Tab.4 Soil moisture index under different plant cover measures mm

图5 不同覆盖处理下土壤干化程度随土层深度变化的垂直条形分布图Fig.5 Vertical bar graphs of soil drying state of different cover measures with soil depth

3.4 不同覆盖措施下土壤干化程度的逐年变化

图5为试验土柱剖面土壤干化程度逐年变化情况。由图可看出，各植物覆盖处理下土壤水分情况，其中刺槐、苜蓿、柠条和枣树由于试验期间降水无法补充，生长消耗土壤水分，使得土壤含水率小于7.6%，所以土壤干化有所加重，只有早熟禾土壤水分在300 cm以内土层有所缓解，但无法达到深层；非植物覆盖处理显示了较好的土壤水分恢复效果，随着试验年限延长各处理下的土壤干化程度较初始状态均有所缓解(土壤含水率较初始含水率有所增加的土层深度视为缓解深度)，甚至完全被修复(将无干燥状态视为修复状态)。试验第1年(2014年)土壤干层修复程度由小到大依次为石子和裸露地表(对照)、树枝和地布、白色地膜，距地表深度依次为40、100、220 cm；缓解程度由小到大依次为裸露地表和树枝、地布、石子、白色地膜，距地表深度依次为300、340、380、420 cm；第2年(2015年)的干层修复程度由小到大依次为裸露地表、石子和树枝、地布和白色地膜，距地表深度依次为0、80、260 cm；裸露地表0～300 cm以内土壤极度干化状态可以得到缓解，石子和树枝的缓解深度达400 cm、地布达420 cm、白色地膜可达580 cm以内；第3年(2016年)的土壤干层修复程度由小到大依次则为裸露地表、石子、树枝、地布、白色地膜，距地表修复深度依次为160、180、240、380、420 cm；裸露地表的缓解深度在340 cm以内，石子在480 cm以内、树枝在460 cm以内、地布在620 cm以内、白色地膜在780 cm以内；第4年(2017年)的土壤干层修复程度由小到大依次为裸露地表、石子和树枝、地布、白色地膜，距地表的修复深度依次为0、200、580、600 cm；裸露地表的缓解深度在400 cm以内，石子和树枝在600 cm以内、地布在780 cm以内、白色地膜在880 cm以内；第5年(2018年)的土壤干层修复程度由小到大依次为裸露地表、石子、树枝、地布、白色地膜，距地表修复深度依次为240、280、300、440、480 cm，地布和白色地膜处理的0～1 000 cm深土层已经消除极度干化状态，而裸露地表(对照)的缓解深度则达520 cm以上，石子和树枝的缓解深度也在700 cm以内。综上所述裸露地表土壤水分修复效果受当年降水影响较大且有一定滞后现象，而缓解效果是持续累积过程。无论是修复还是缓解效果最好的都是覆盖白色地膜处理，其次是地布、树枝和石子。各非植物覆盖处理均优于裸露地表，而植物覆盖处理除早熟禾可以使300 cm以内干化土层得以缓解，其他植物覆盖措施均在不同程度消耗土壤水分，无法缓解已干化土壤水分状态。随降水累积入渗各非植物覆盖处理下的极度、轻度和严重干化状态逐渐减轻并下移，同时受降水的影响出现一定的波动，而作为对照组的裸露地表土柱则随逐年降水的变化呈现滞后，但深层土壤水分仍在缓慢增加。无论是白色地膜、地布、树枝、石子都能起到较好的含蓄土壤水分效果及恢复土壤水库的作用，其中白色地膜处理效果最佳。

4 讨论

本次试验以23年生苹果林伐后台地作为试验区样地，模拟苹果林地干化土壤建立大规格土柱进行不同地面覆盖试验，得出历时5年在天然降水条件下不同覆盖措施对土壤水分恢复和消耗的基本规律。由于本试验为土壤模拟试验，尽管土柱规格较大，且逐层以原状土压实填充，尽量还原当地原状土真实状况，但仍不可避免会存在一定差异，且试验土柱涉及的植物密度大于实际生产应用密度，这可能会加大土壤耗水量[22]，与实际存在一定差异。不同植物的凋萎系数不同，本次试验的凋萎含水率为23年雨养山地苹果林地伐后深层土壤的平均土壤含水率(7.6%)，刺槐[20]、苜蓿[11]和柠条的凋萎含水率均小于该值，但是作为研究深层干化土壤恢复与干化土壤中植物耗水量相比，这种方法还是具有较强的合理性，对今后的研究具有参考意义。研究发现无论是刺槐(乔木)、柠条(灌木)还是苜蓿(牧草)均会造成黄土丘陵沟壑地区土壤干化程度加剧，且在当地干旱的气候条件下降水无法有效地下渗补偿，土壤水分供需关系长期失衡，这与杨磊等[25]和李艳梅等[26]的研究结果一致。由于以往有关不同植物耗水的定位研究报道较少，本研究得出的植物处理耗水量尤其是不同植物耗水差异性具有参考意义，但深层干化土壤在植被覆盖处理下的土壤水分恢复性试验研究还需要进一步将适宜的植物与非植物覆盖措施相结合，充分利用当地降水条件[27-28]既满足浅根耗水小植被的生理需水又能缓解已干化土壤水分负增长状态，为当地植被重建的良性循环提供依据，其中非植物覆盖处理下土壤水分的恢复情况较好，更接近实际。

通过上述分析发现黄土高原丘陵区不宜选取刺槐、苜蓿和柠条等植物作为干化土壤生态绿化措施，宜选择耗水较小的浅根植被，并因地制宜地综合配套石子、树枝、地布和白色地膜的非植物覆盖措施。作为深层干化土壤恢复以及植物覆盖条件下的土壤水分消耗情况研究，本研究的时间较短，但试验涉及多个处理连续观测5年的类似动态研究目前还少有报道，因此该阶段性试验结果对于半干旱黄土丘陵区目前存在的规模化林地土壤干化治理以及可持续发展具有较好的参考价值。

5 结论

(1)干化土壤条件下，1～5年生刺槐处理土壤的年降水入渗深度均只有100 cm左右；苜蓿、柠条和枣树2年生年入渗深度达260 cm，3年生入渗深度减小至100 cm；早熟禾和裸露地表(对照)入渗规律接近，降水入渗深度呈逐年缓慢增加趋势；各非植物覆盖处理的入渗深度均逐年增加，其中白色地膜效果最佳，第5年时入渗深度达1 000 cm。

(2)干化土壤中的刺槐、苜蓿和柠条在生长第2年开始水分消耗量增大，年均土壤水分消耗量分别为467.35、458.79、458.36 mm，土壤水分消耗量大于降水量，土柱内含水率呈负增长状态；枣树处理土壤含水率也处于负增长状态但不严重，年均耗水量约为435.83 mm；早熟禾和裸露地表(对照)土壤含水率处于增长状态，年均土壤水分消耗量分别为408.90、366.02 mm，均小于试验期间平均降水量，对干化土壤有缓解作用。

(3)非植物覆盖处理对干化土壤均具有明显修复作用，其干化土壤水分恢复深度受当年降水影响较大，试验期间石子、树枝、地布和白色地膜处理的最大恢复深度分别为280、300、580、600 cm；干化土壤缓解深度则呈逐年积累趋势，在试验第5年(2018年)石子和树枝的缓解深度可达700 cm，而地布和白色地膜的缓解深度可达1 000 cm土层，说明采取非植物覆盖处理可以很好地含蓄水分，促进降水入渗从而恢复土壤水库功能。