山西临县不同树龄枣树坡林地土壤水分特征研究

肖梦琳张鹏飞郜鹏畅张兆瑞戴燕燕李乐乐

(1.太原师范学院地理科学学院，山西 晋中 030619；2.太原师范学院碳中和研究院，山西 晋中 030619；3.福建师范大学地理科学学院，福建 福州 350007)

土壤水分是影响植物生长和作物产量的重要因子，是半干旱半湿润区农业生产、生态系统稳定的重要基础[1,2]。黄河中段是黄土丘陵生态脆弱区，研究该区土壤含水量及其对植被的影响是非常重要的。黄土高原是世界上最典型的生态环境脆弱地区，因严重的水土流失而闻名于世[3]。临县位于黄土丘陵区，特殊土壤条件与环境因素导致黄土丘陵区地形条件复杂，地貌沟壑纵横，生态环境恶劣而脆弱，在生态环境科学研究中备受重视[4]。其中植被建设是防治水土流失的根本措施，也是黄土高原丘陵区保土持水的重要措施。临县位于黄河中游，生态环境脆弱，红枣产业为区域主导产业之一，种植面积和产量均居全国之首，实现了生态生计互促、增绿增收兼顾，多龄枣林交错分布是临县枣林空间分布的主要特征之一，研究表明不同树龄枣树土壤水分和根系分布存在显著差异[5]，土壤水分不足和利用率低是普遍存在的问题，同时随林龄的增加需水量增大，有限的土壤水分不能满足植被生长需求，出现了土壤干层等生态问题[2]，威胁区域生态环境的恢复与可持续性发展。包维斌等[2]经冗余分析得出，坡度及树龄等因素是导致土壤干燥的主要原因。钞锦龙等[6]认为，不同树龄、坡度坡向对土壤含水量和土壤干层的程度和深度也不同。辛小桂等[7]提出，随着树龄增长梨枣林地土壤水分下降，土壤干层的分布深度和土壤干燥化强度趋于增加。赵西宁等[1]研究表明，浅层土壤水分充足时，枣树主要吸收浅层水分，浅层土壤水分匮乏时，枣树会增加对中层和深层土壤水分的吸收。因此，了解黄河临县段不同林龄下枣林地土壤水分变化与土壤干层变化规律，可为高效利用土壤水分、改善和恢复生态环境建设提供数据支撑。本研究以十年生、三十年生、五十年生的枣树林为研究对象，对不同树龄枣树林土壤水分分布特征以及土壤干层变化进行研究，并提出了不同树龄枣树林水分利用建议，以期为生态系统持续健康发展提供理论支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验区位于黄河中游的晋西临县段，研究对象为10龄、30龄和50龄的枣树林，土壤以黄绵土为主。该区年降水量较少(年平均降水量为518.8mm)，季节分布不均，且集中于夏秋两季，蒸发量大于降水量，是降水量的4倍，县内水资源主要依靠降水补给。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤含水量

在黄河临县段河流坡地选择立地条件和林分密度相同的十年生(10a)、三十年生(30a)、五十年生(50a)，长势相当的3株枣树作为一块样地，使用轻型人力钻采取土壤样品，每种树龄取3个采样点，分别为a、b、c，每个钻孔取坡地中间位置，钻孔直线距离15～20m。每孔取样深度为5m左右，样品间距为10cm，每个钻孔共取50个样品，用自封袋封装，避免日光照射，尽快带回室内测定。土壤含水量采用烘干法测定，烘干温度为105℃，烘干时间为24h，土壤含水量W计算公式：

W=(M1-M2)/M2×100%

式中，M1为烘干前土壤样品重量；M2为烘干后土壤样品重量。

1.2.2 土壤水分有效性分级

土壤水分有效性是指土壤水分能否被植物利用及其利用的难易程度，有效水的含量及分布状况直接关系到植物成活率，从而影响植物发育[8]。刘文增等[9]将土壤有效水分为难效水(凋萎湿度到田间持水量的60%)、中效水(田间持水量的60%～80%)、易效水(田间持水量的80%以上)；张鹏飞等[10]将土壤有效水划分为5级，在刘文增等基础上增加了无效水(凋萎湿度以下)和重力水(田间持水量以上)；结合前人研究与实际情况，将黄河中段土壤水分有效性划分为4个等级：无效水、难效水、中效水和易效水，如表1所示。

表1 土壤水分有效性分级

1.2.3 土壤干层

土壤干层是指土壤剖面中，在多年平均降水入渗层以下，因植被深层吸水且不能被雨季降水入渗恢复，由自然降水、土壤贮水和林草植被耗水关系失衡所导致的，其直接结果就是深层土壤的贮水量明显减少，并形成具有较低土壤含水量范围、位于降水入渗层以下、形成后具有持久性等一系列特点的土壤干层[11]。根据王力等[12]、张鹏飞等[10]对土壤干层的研究，可初步将土壤干层分为3级：轻度干层，含水量为9%～12%，对植物生长的影响不大，基本可以满足生长所需水分；中度干层，含水量为6%～9%，对植物生长的影响较严重；严重干层，含水量为6%以下，此时植物处于严重缺水状态，严重影响植物正常生长甚至导致植物死亡。上部2m土层的干层为临时性干层，易受蒸发作用的影响而变干，因为降雨入渗影响范围在200cm之间，所以也较容易受到降水影响而得到补给，因此上部2m的土层变干是暂时性的，通常不叫土壤干层，而2m以下的干层不易得到降水补充，因此干层不容易恢复，所以干层一旦形成，往往经过很多年也不能恢复，属于永久性干层[12]。

2 结果与分析

2.1 不同树龄枣林地土壤水分差异

根据图1中10a树龄3个采样点钻孔剖面土壤含水量分布结果可知，a剖面平均含水量为8.38%，土壤含水量变化范围为4.82%～12.24%；b剖面平均含水量为7.98%，土壤含水量变化范围为4.45%～13.60%；c剖面平均含水量为6.25%，土壤含水量变化范围为4.25%～13.04%。10a树龄的平均含水量为7.54%，土壤含水量变化范围为4.83%～12.96%。

根据图2中30a树龄3个采样点钻孔剖面土壤含水量分布结果可知，a剖面平均含水量为8.27%，土壤含水量变化范围为4.04%～13.08%；b剖面平均含水量为8.33%，土壤含水量变化范围为4.79%～14.19%；c剖面平均含水量为9.33%，土壤含水量变化范围为4.91%～15.68%。30a树龄的平均含水量为8.64%，土壤含水量变化范围为4.65%～13.96%。

根据图3中50a树龄3个采样点钻孔剖面土壤含水量结果可知，a剖面平均含水量为8.74%，土壤含水量变化范围为5.92%～13.37%；b采样点剖面平均含水量7.14%，土壤含水量变化范围为3.67%～11.75%；c剖面平均含水量为7.20%，土壤含水量变化范围为4.14%～12.21%。50a树龄的平均含水量为7.69%，土壤含水量变化范围为4.86%～12.18%。

2.2 土壤水分干层分布特征

由图4可知，10a树龄枣林地a剖面在2～2.7m发育轻度干层，2.8～3.3m发育中度干层，3.4m以下发育严重干层；b剖面2～2.9m发育中度干层，3m以下发育严重干层；c剖面在2～2.4m发育中度干层，2.5m以下均发育严重干层。30a树龄枣林地a剖面在2.4～2.8m为轻度干层，2.1～2.3m和2.9～3.7m发育中度干层，3.8m以下发育严重干层；b剖面在2～3.5m发育中度干层，3.6m以下均发育严重干层；c剖面在2～2.5m为轻度干层，2.6～3.8m为中度干层，3.9m以下全部发育严重干层。50a树龄枣林地a剖面2m以下几乎全部发育中度干层；b剖面在2～2.6m发育中度干层，在2.7～4.8m发育严重干层；c剖面在2～2.3m发育中度干层，2.4～5m全部发育严重干层。根据各树龄3个剖面样点的平均含水量可知，10a树龄在2～3m发育中度干层，在3.1m以下发育严重干层；30a树龄在2～3.7m发育中度干层，在3.8～5m发育严重干层；50a树龄在2～2.7m发育中度干层，在2.8～5m发育严重干层。

图1 10a树龄枣林地土壤含水量曲线

图2 30a树龄枣林地土壤含水量曲线

图3 50a树龄枣林地土壤含水量曲线

2.3 土壤水分有效性

由图4可知，10a树龄枣林地a剖面在0～2.7m基本为中效水，2.8～3.3m为难效水，3.4～5m为无效水；b剖面在0～2m基本为中效水，2.1～2.9m为难效水，3～5m为无效水；c剖面在0～0.2m为易效水，0.3～0.7m为中效水，0.8～1m和1.7～2.4m为难效水，2.5～5m为无效水。30a树龄枣林地a剖面在0～0.6m为易效水，0.7～1.6m和2.4～2.8m为中效水，1.7～2.3m和2.9～3.7m为难效水，3.8～5m为无效水；b剖面在0～0.7m为易效水，0.8～1.5m为中效水，1.6～3.5m为难效水，3.6～5m为无效水；c剖面在0～1.1m为易效水，1.2～2.5m为中效水，2.6～3.8m为难效水，3.9～5m为无效水。50a树龄枣林地a剖面在0～1.2m为易效水，1.3～2.1m为中效水，2.2～5m为难效水，此剖面没有无效水；b剖面在0～1.4m为中效水，1.5～2.6m和4.9～5m为难效水，2.7～4.8m为无效水；c剖面在0～1.3m为中效水，1.4～2.3m为难效水，2.4～5m为无效水。根据各树龄3个样点的平均值得出，10龄枣林地无易效水，在0～1.2m为中效水，1.3～3m为难效水，3.1～5m为无效水；30龄枣林地在0～0.8m为易效水，0.9～1.7m为中效水，1.8～3.7m基本为难效水，3.8m以下为无效水；50龄枣林地无易效水，在0～1.5m为中效水，1.6～2.7m基本为难效水，2.8m以下为无效水。

图4 土壤干层与土壤水分有效性分布

3 讨论与结论

坡地是黄土丘陵区主要的地貌类型之一，黄土丘陵区土质疏松，坡地植被稀疏的地方在降雨的冲刷下易形成水土流失，因而坡地是黄土丘陵区水土流失的主要源地，在坡地进行植被建设对保持水土尤为重要[13]。土壤水分是影响植物生长和植被重建的主要限制因子，而不同树龄植被的土壤水分也存在差异[4]。

本研究结果表明，不同树龄的枣林地土壤水分随深度增加而逐渐降低；不同树龄枣林地在0～5m土壤水分平均值随树龄增加呈先增加后减少的趋势，即30a(8.64%)>10a(7.54%)>50a(7.69%)，这与马鹏毅等[14]研究一致。其中，30a树龄土壤含水量最高的原因可能是30a枣树冠幅均较大，郁闭度较高，可减少阳光直射地面，增加地表湿度等，从而降低地面蒸发，因而30a树龄的枣树土壤含水率也较高[5]。50a树龄枣树土壤含水量最低可能是因为枣树根系生物量较大，需要吸收更多的土壤水分[7]。

辛小桂等[7]认为，随着枣树树龄增加，土壤干层厚度增加。对比3种不同林龄枣林地土壤水分平均值可以发现，2m以下全部为中度及严重干层，土壤严重干层厚度从大到小为50a(2.2m)>10a(1.9m)>30a(1.2m)。不同树龄的植被根系发育程度不同，对土壤水分的吸收也有差异，李蓝君等[15]认为，根系吸水能力随树龄增大而增大，50a树龄枣树土壤干层最严重主要是由于随着枣树生长年限增加，根系向深层延伸，对深层土壤水分利用加剧，从而使深层土壤水分亏缺[7]。而30a树龄枣树土壤干层程度要低于10a树龄枣树的原因可能是，30a树龄枣树冠层较大，减少了土壤表层水分的蒸发，从而土壤干层厚度较小。

土壤水中的中效水和难效水虽能够被植物吸收利用，但在一定程度上受土水势的影响，从而在一定程度上抑制枣树的生长，而无效水则表明植物不能吸收利用此部分水分[10]。结果表明，10a树龄枣树土壤中能被植物吸收利用的水分较少，30a树龄枣树土壤中有易效水，能被植物吸收利用的水分较多，50a树龄枣树土壤中从2.8m起为无效水，无效水厚度从大到小为50a(2.2m)>10a(1.9m)>30a(1.2m)，枣树吸收土壤水分受到抑制，不利于枣林生长和产量提高。

综合考虑，10a树龄枣树正值生长旺盛期，植被的蒸腾量和需水量都较大，土壤含水量减少；30a树龄枣树生长稳定，根系向下延伸，根系生物量增加，降雨随根系渗深加大，土壤含水量增大，加之30a树龄枣树冠层盖度大，减少了土壤水分的蒸发，另外，30a树龄枣树位于阴坡，阴坡枣林地温度低于阳坡，土壤水分蒸发能力弱，所以土壤水分含量较高[6]；而50a树龄枣树可能已进入衰败期，蒸腾量及水分消耗量均加大，深层土壤水分被大量消耗，导致土壤含水量减少[11]。其中，30a树龄枣林地基本能满足生长水分需求，10a树龄枣林地加大治理力度，也可满足一定的水分需求。不同树龄的枣林地在0～5m深的土层中，2m以下均发育中度干层，因此需要进行适当补充灌溉或降低种植密度，增加表层土壤水，降低深层土壤水分的利用，从而防止土壤干层等问题[14]。