黄土高原白草塬土地利用变化对地下水补给的影响

黄亚楠，林国伟，李 志

(西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

黄土高原是全球黄土分布面积最广、土层最厚、构造最为复杂的高地，也是世界上水土流失最为严重的地区之一。近50年多来，我国开展了一系列黄土高原水土保持工作，如实施退耕还林还草工程，这一决策经过多年发展已取得了可观的生态、社会和经济三位一体效益[1-2]。此项工程虽有效地遏制水土流失和保持土壤养分等[3-5]，却同时导致了区域水文变化，如土壤干层加剧和径流减少等现象[6]，逐步威胁到当地的可持续发展[7]。因此，分析退耕还林还草的水文效应成为当前的研究热点。

地下水是黄土高原的重要水源，近年来地下水位呈持续下降的趋势[8]。但地下水减少与土地利用变化的关系一直不明确，一个重要的原因是深厚的黄土层(50～150 m)产生的巨大储水结构，导致地下水文过程极其复杂，因此传统的土壤水分和地下水位监测技术难以直接表征降水与地下水之间的联系[9]。运用适合的方法研究土壤水分运移过程及其影响因素，对理解水文变化和指导土地规划与生态建设等具有重要的意义。

深厚的黄土层中，土壤水分是降水转化为地下水的中间纽带，而土地利用变化可以通过改变土壤水分平衡影响降雨对地下水的补给过程，还能通过破坏土壤优先通道，影响优先流的发生，进而引起区域地下水补给的变化。因此，借助新方法分析土壤水分运动机制，有助于研究地下水与土地利用的关系。Cl-是分析土壤水分运移及降雨入渗率等方面的重要环境示踪剂[10]。1969年Eriksson首次提出氯离子质量平衡法(Chloride mass balance method，CMB)[11]，即根据降水输入的Cl-浓度和降雨量与土壤水分中Cl-浓度的比值推求地下水补给量，此法被认为是评估干旱半干旱区地下水补给量最有效的办法之一[12]，目前在国内外已得到广泛运用[13-17]。我国西北干旱半干旱地区，具有特殊的地质地理和气候的天然优势，受人类活动影响较为单一，加之深厚的黄土层可以保留长时间序列信息。因此，可以用CMB法对地下水补给进行广泛而深入的研究[18]。

本文以典型的退耕还林还草工程实施区域白草塬为研究对象，基于土壤水分和氯离子含量探究塬区农田、杏林地、杏林与柠条或苜蓿的间作地4种不同利用方式土壤水分运动过程，并深入剖析土地利用变化对地下水补给的影响，从而为退耕还林背景下的黄土高原地下水资源管理提供理论依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原西部甘肃省会宁县白草塬(36°11′～36°13′N, 105°04′～105°06′E)，属东南季风气候西北部边缘区，年均降水量270 mm，年均气温6.4℃，年均日照时数2 613 h，年均辐射量5.79×105J·cm-2，有效积温2 920.5 ℃。海拔在1 600～1 700 m，地势由东南向西北倾斜，主要由河流和梁峁顶面残塬切割而成，塬边为“V”型深谷。塬面土层深厚，第三纪岩泥床被第四纪黄土覆盖，第四纪黄土在垂直方向上(从上至下)依次为渗透性较强的马兰黄土、含水性能较好的离石黄土和持水性差的午城黄土。该区土壤类型为沙壤土和黄绵土[19-20]，其中以粉砂土含量居多(粉砂土含量占比达60%以上)，土壤容重为1.05～2.5 g·cm-3[21]，田间持水量为21%，凋萎湿度4%[22]。

黄土塬区周围的沟谷深切到基岩以下，使塬区形成了独立水文质地单元结构，减少了潜水层侧向以及顶托补给塬区地下水的可能性，使降水成为了主要补给来源[23]。由于塬面水资源短缺，气候干旱，土地利用方式以人工栽培植物(春麦、玉米、豆类和马铃薯等经济作物)为主，天然植被种类较少，只有在塬边地段和梁峁上部有残存长芒草等分布。自1999年退耕还林还草工程实施后，大量农地转换为杏树林及杏树与其他灌木或草的间作地[24]。

1.2 试验设计

2015年7月在白草塬面上选择农地、杏林地、杏林‖柠条地及杏林‖苜蓿地4种土地利用方式开展试验。其中，杏林‖柠条地和杏林‖苜蓿地选择位于相邻4棵杏树中心(株行距3.5 m×4.0 m)、生长密度均匀的间作区作为采样点。经调查，选取的样地均无灌溉，完全依靠天然降水，加之黄土塬区具有黄土分布面积广、土质均一等特点，故本文选取的利用方式具有典型代表性，其土壤水分状况及其所携带的水化学信息可以反映农地转变为其他类型后土壤水文特征，各采样点的具体情况如表1所示。

表1 采样点概况

注：表内土地利用方式统一采用中文首字母，下同。

Note：These land use types are unified in Chinese initials in the table, the same below.

1.3 测定项目和方法

为探讨土地利用变化对地下水补给的影响，从定性和定量两个角度对所得数据统计和分析。首先，通过土壤储水量、水分亏缺量和干燥化程度等土壤水分指标定性探讨土地利用变化对土壤水分运动的影响；其次，使用氯离子质量平衡法量化地下水补给量，并进一步分析其对土地利用变化的可能响应。

1.3.1 土壤水分指标的测定与计算 采用人工钻孔的方法在上述样点取0～10 m土层范围内土样，每隔0.2 m采集1个土样，剔除钻头上部1/3的土壤，剩余土样一部分装于铝盒，于105℃恒温条件下连续烘干12 h，测定并计算各层土壤质量含水量，另一部分用聚乙烯塑料瓶密封后带回实验室低温保存，用于其他项目测定。土壤水分计算公式如下：

SM=(a-b)/b×100%

(1)

式中，SM为土壤质量含水量(%)；a为土壤鲜重(g)；b为土壤干重(g)。

用土壤储水量(SWS)、水分亏缺量(WD)和土壤干燥化指数(SDI)3个指标来分析不同土地利用方式对土壤水分的影响，其计算公式如下[25]：

SWS=SM×SBD×h

(2)

WD=(WF×SBD×h)-SWS

(3)

(4)

式中，SWS、WD分别为土壤储水量、水分亏缺量(mm)；SBD为土壤容重(g·cm-3)；h为土层深度(mm)；WF、WM、SSM、SDI分别为田间持水量、凋萎湿度、土壤稳定湿度(即凋萎湿度与田间持水量的算术平均值)、土壤干燥化指数(%)。其中，SDI可准确定量描述研究区土壤干燥化强度和干旱胁迫程度，依据SDI值的大小，将土壤干燥化强度划分为4级[4,26]：(1)若SDI≥100%，为无干燥化；(2)若70%≤SDI<100%，为轻度干燥化；(3)若40%≤SDI<70%，为中度干燥化；(4)若SDI<40%，为重度干燥化。

1.3.2 氯离子质量平衡法 土壤氯离子浓度的测定：取5 g干土样加入25 g超纯水(18.25 Ω·cm，25℃)充分搅拌，在恒温振荡机震荡60 min(180 r·min-1)，随后用低速离心机离心15 min(4 000 r·min-1)，将所得上清液过0.22 μm滤膜后，用离子色谱仪( ICS1100 )测定上清液中Cl-浓度。

氯离子质量平衡法遵循以下假设才能使用[27]：(1) 大气输入是Cl-的唯一来源；(2) Cl-在循环过程中表现稳定，不参与其它地球化学反应；(3) 土壤水分运移遵循一维垂直活塞流模式。本文选取的样地属雨养农业区，无灌溉历史，降水入渗是该区地下水补给的唯一来源。前期的研究结果表明地下水补给可能存在双组份模式的补给[28-29]，即优先流和活塞流，但优先流仅发生在某些特殊的地区，而活塞流是普遍存在的。为此本研究假定土壤剖面降雨垂直入渗为活塞向下运动，则该区地下水的补给量为[30]：

1.3.3 数据处理 试验数据采用Microsoft Excel 2016统计软件处理，应用OriginPro 2016软件绘制图形。

2 结果与分析

2.1 土壤水分剖面特征

图1为4种利用方式下0～10 m土层土壤水分垂直分布剖面。0～2 m土壤水分受地表蒸发和降雨强度影响，波动性较大，无明显规律；2～5 m土地利用变化对土壤水分的影响随深度增加逐渐加强，4个样地土壤水分逐渐减少，其中杏林‖柠条地、杏林‖苜蓿地含水量基本接近萎蔫湿度(4%)；>5 m土壤水分随深度加深均有增加趋势。可见，0～5 m受土地利用方式影响剧烈；5～10 m土地利用变化的影响相对和缓，水分有所恢复。需要注意的是，与农地相比，尽管其他3个样地的土壤水分均为5 m以下开始恢复，杏林地和杏林‖柠条地分别在9 m和7 m以下恢复到农地水平，而杏林‖苜蓿地恢复深度达到10 m或更深处，说明土地利用方式对土壤水分的影响深度不同。

图1 不同土地利用方式下土壤质量含水率Fig.1 Water content under different land use types

4个样地0～10 m平均土壤水分为农地>杏林>杏林‖柠条地>杏林‖苜蓿地，含量分别为10.3%、8.5%、7.8%和5.4% (表2)。整体而言，4个样地的土壤水分条件较差。0～5 m农地、杏林地、杏林‖柠条地和杏林‖苜蓿地土壤储水量分别为614、518、333 mm和336 mm，占田间持水量的24.4%～45.0%；尽管5～10 m土壤储水量略高于0～5 m，介于342～675 mm，但占田间持水量的比例最高仅53.5%。4个样地在0～5 m土壤水分亏缺严重，亏缺量达751～1 032 mm，其中农地和杏林地出现中度干燥化现象，而2种间作地为重度干燥化；随深度的增加，>5 m的土壤水分亏缺量有所降低，除杏林地和杏林‖苜蓿地分别出现中度和重度干燥化外，其他2个样地属轻度干燥化。

为深入分析农地转变为包含杏树的利用方式后对土壤水分造成的影响，进一步量化了利用方式与土壤水分之间的响应关系(表 2)。与农地相比，杏林地、杏林‖柠条地和杏林‖苜蓿地0～5 m储水量分别减少96、281 mm和278 mm，平均减少量218 mm；5～10 m储水量较农地分别减少133、49 mm和333 mm，平均减少量171 mm。此外，杏林地与2种间作地0～10 m土壤储水量也有明显差别，分别减少了91 mm和384 mm。由此可见，土地利用变化可以显著影响土壤水分含量，农地转为其他利用方式后，各层土壤水分减少明显，水分亏缺严重，并出现不同程度的干燥化现象；尤其是杏林‖柠条地和杏林‖苜蓿地已接近或达到萎蔫湿度，形成了明显的、深厚的土壤干层。

2.2 土壤水分的深层渗漏量

由图2可知，各样地氯离子垂直分布相似，2.4 m以上剖面土壤水分Cl-浓度远大于下层，深层土壤水分Cl-浓度趋于稳定。土壤水分Cl-浓度曲线峰值的宽度范围与扩散的影响程度成正比，波峰越宽则扩散作用越强烈[31]。各利用方式下土壤水分Cl-浓度峰值均出现在0～2.4 m剖面，表明土壤水分在近地表层受降雨入渗、地表蒸发和植物蒸腾等作用比较强烈[32]；2.4～5 m土壤水分Cl-浓度值随深度增加趋于一致；5.8～10 m土壤水分Cl-浓度随深度增加基本稳定。不同利用方式稳定层土壤水分Cl-平均浓度表现为杏林地>杏林‖柠条地>农地>杏林‖苜蓿地，数值分别为49.0、32.5、31.6 mg·L-1和23.5 mg·L-1。

深剖面Cl-浓度变化是评价降雨入渗过程的重要依据，也能揭示地下水补给率等重要信息[33]。为探究土地利用变化对深层土壤水分运动的影响，结合对土壤质量含水量特征的分析，选用5.8 m作为地下水被以稳态流补给的临界深度。通过氯离子质量平衡法计算地下水补给率，农地、杏林地、杏林‖柠条地和杏林‖苜蓿地(表3)分别为8.8、6.2、14.2 mm·a-1和13.6 mm·a-1，平均值为10.7 mm·a-1，4个样地补给量分别占比年均降雨量3.2%、2.3%、5.3%和5.0%，平均值为4.0%。

3 结论与讨论

植被和气候共同作用导致土壤水分亏缺，进而影响区域水循环。人工林地因根系发达通常耗水量大，随深度的增加，根系的影响逐渐减弱，深层土壤水分有所恢复，但恢复程度因土地利用方式不同也有差异。本研究中农地土壤水分为10.3%，水分亏缺量较小；而转化为包含杏树的利用方式后，0～5 m剖面包含杏树的样地植被根系生长旺盛，对周围水分吸取强度大，因此水分亏缺量比农地高218.3±106.0 mm，变化程度远比地处半湿润区的洛川塬区[34]和长武塬区[35]严重的多;5～10 m剖面根系作用随深度逐渐减弱，土壤水分有所恢复，其中杏树林和杏树‖柠条地分别在9 m和7 m恢复到农地水平，但杏树‖苜蓿地属双高耗水植被[36]，因根系吸水强度过大，深层土壤水分较难恢复。可见，土地利用方式对区域水资源的可持续利用有十分重要的影响。

表2 各样地不同土层土壤水分状况

图2 不同土地利用方式下土壤水分Cl-浓度Fig.2 Chloride concentration of soil water under different land use types

表3 包气带剖面数据

白草塬地处西北旱区，年均降雨量仅为270 mm，而年蒸发量是降雨量的6.5倍，干旱的气候除了限制地区性水资源状况，还会导致土壤强烈持续性干燥化，并形成干层[37]。研究中除农地外，包含杏树的利用方式在0～10 m均出现中度及以上程度的干燥化现象，尤其是包含杏树的2种间作地在0～5 m出现重度干燥化。从根系研究和土壤水分传导的性质可以判断，此种干燥化的形成是植物根系吸水造成的。但需要注意的是，由于该区降雨远小于植被需水量，产流率低，蒸发作用强烈，“土壤水库”的调节能力因水分含量降低而减弱[37]。地区性水量负平衡除了与长期的根系耗水作用有关，还与当地气候条件紧密相关，两者共同作用加剧了该区土壤干层的形成。

吸力下渗和重力下渗[37-38]是黄土塬区土壤水分下渗的两种主要机制。由表2可知，白草塬土壤水分上干下湿，故不存在吸力下渗；该区年降雨量远小于年蒸发量，难以补足土壤水分亏缺量，重力下渗会非常困难。对于干旱的白草塬而言，点位尺度上的土壤水分和氯离子剖面都显示了活塞流的运动机制，因此，如果这是地下水补给的主要方式，将导致地下水补给非常困难。一方面，4种利用方式下平均水分亏缺量为1 623 mm，相对于270 mm的年均降水量，即使降雨全部入渗也难以补足水分亏缺量(干旱气候区强烈的蒸发作用使降雨全部入渗的可能性为零)；另一方面，塬区年均地下水补给量为6.2～14.2 mm·a-1，仅占年均降水量的2.3%～5.3%。由于包气带厚度为0～350 m，可以计算出降雨入渗到地下水最长需要5 645 a。黄土高原其他地区的补给研究显示，半湿润区的洛川塬[27]年均补给量36～67 mm·a-1，占年均降雨的5.8%～10.8%，与半干旱区的固原(年均补给量为55～100 mm·a-1)相近[39]，降雨入渗到达地下水需133～316 a，从时间尺度上看远小于干旱区的白草塬入渗时间。

尽管不同利用方式下地下水补给量不同，但这并不只是由土地利用变化导致的。由于包气带浅层土壤水分输送距离较长，运移速度缓慢，使土壤水分运移具有一定的滞后效应[40]。因此，农地转变为杏树间作柠条或苜蓿的利用方式后对降雨入渗的影响可能还未到达地下水层，如果持续该种土地利用方式的转变，未来必将严重威胁地下水的安全。目前，该区已经存在严重的水资源短缺问题，水源主要靠外来引入，如果不注重土地利用变化的影响，未来的水资源将面临更严峻的挑战。因此，对于气候干旱的白草塬，如何兼顾生态环境与水资源的可持续利用，需要进一步研究。