黄河中段不同河流阶地枣树林土壤水分的特征

张鹏飞,钞锦龙,戴燕燕,赵景波

(1.太原师范学院 地理科学学院,山西 太原 030619;2.陕西师范大学 地理科学与旅游学院,陕西 西安 710119)

黄河是中华文明的摇篮,又被称为中国的“母亲河”,黄河有着复杂的发育历史。黄河全程流经多个不同的地质构造单元与气候类型区,因此分段研究成为了解黄河的重要手段之一[1-2]。河流阶地是流域内气候变化与水文最可靠、最直接的信息载体之一。河流阶地所形成的平台往往是人类聚居、工程建设的主要场所,因此对其研究也关系到人类自身的切身利益[3-4]。黄河中段特别是晋陕峡谷地处黄土高原生态脆弱区[5],研究该区土壤含水量及其对植被的影响是非常有必要的。水分是影响植物生长的重要因素,只有持续地供给植物水分、养分,植物才可以繁衍生长[6]。因此,土壤水分含量高低是影响河流阶地经济林发展的重要因素。由于河流阶地靠近河流,因此其位置的特殊性使得研究者容易忽视对河流阶地土壤水分的研究。前人对黄河河流阶地做了大量的研究,但大多关注黄河河流阶地的演化、发育和构造等方面[7-10],对黄河河流阶地土壤水分方面的研究很少。

黄河晋陕峡谷生态环境脆弱,社会发展基础落后,贫困区域达到90%以上,是全国经济发展的低谷区[5]。黄河晋陕峡谷是我国红枣的最佳优生区之一,也是我国五大红枣产区之一。红枣产业为该区域主导产业之一,峡谷两岸红枣种植面积达到30万hm2以上,正常年景红枣产量在20万t以上,占全国产量的25%～30%[11]。

综上所述,研究黄河河流阶地枣树林土壤水分状况对该区经济发展有一定的支持作用,对枣树种植和发展有一定的指导意义。

1 研究区概况与试验方法

黄河中游河段在地理位置上界定为内蒙古托克托县河口镇至河南孟津之间,全长1206 km,流域面积广阔,约占全流域面积的46%。该区域年降水量由东南向西北递增,夏季降水集中,全年降水量的3/5到4/5集中在6～9月。春季尤为干旱,常有沙尘暴发生。

2018年8月中旬,在临县克虎镇采集了土壤含水量样品。采样点位于佳临黄河大桥向西约1000 m处,在黄河北侧,乡村公路与河床之间,公路高出河面常水位约20 m。由公路到河床分别选取了两个不同梯度的河流阶地(一级阶地、二级阶地),共选取了3个采样点,其中在二级阶地选取了2个采样点(A和B),在一级阶地选取了1个采样点(C)。A采样点距离河床直线距离约260 m,高出河面常水位6～7 m,距公路直线距离约80 m,采集剖面共3个,分别为A1、A2和A3。A1剖面深度为5.3 m;A2剖面深度为5.5 m;A3剖面深度为3.8 m。A采样点剖面通常打到很难再打下去为止。B采样点距离河床直线距离约130 m,高出河面常水位约5 m,距公路直线距离约200 m,采集剖面3个,分别为B1、B2和B3。3个剖面的深度均为5 m。C采样点距离河床直线距离约50 m,高出河面常水位约2 m,距公路直线距离约300 m,采集剖面3个,分别为C1、C2和C3。3个剖面的深度均为3.1 m,其中C1和C2采样点均到达地下水层。在各采样点均为年代混杂的枣树林,树龄为10～60年,树间距为3～5 m。林下植被以人工种植作物为主,有玉米、花生、大豆、蔬菜等。剖面样品采集利用轻型人力钻,每10 cm采集1个样品,同一采样点3个剖面的水平间距大于20 m。

土壤含水量的测定采用烘干称重法,样品在采样现场用电子天平称量湿土重(W1),然后使用两层塑料袋密封,带回实验室进行烘干,称量干土重(W2)。烘干温度为105 ℃,烘干时间在24 h以上,直到样品中的水分全部被蒸发掉为止。土壤含水量的计算公式为:

上式中：Q为样品的土壤含水量(%)；W1为湿土重(g)；W2为干土重(g)。

2 结果与分析

2.1 A采样点土壤水分含量分析

根据A采样点3个钻孔剖面土壤含水量结果(图1)可知,A1剖面平均含水量为10.92%,变化范围在4.60%～22.59%。根据含水量从上到下的变化,可将A1剖面分为3层：第1层0.0～1.9 m，平均含水量为12.47%；第2层2.0～3.9 m,平均含水量为10.54%;第3层4.0～5.3 m,平均含水量为9.36%。A2剖面的平均含水量为11.50%,变化范围为5.25%～21.44%。根据含水量从上到下的变化,可将A2剖面分为3层:第1层0.0～1.9 m,平均含水量为14.07%;第2层2.0～3.9 m,平均含水量为9.87%;第3层4.0～5.5 m,平均含水量为10.82%。A3剖面的平均含水量为11.39%,变化范围为5.26%～18.72%。根据含水量从上到下的变化,可将A3剖面分为2层:第1层0.0～1.9 m,平均含水量为11.24%;第2层2.0～3.8 m,平均含水量为14.10%。A采样点3个剖面平均含水量为11.39%,变化范围为4.60%～22.59%。第1层0.0～1.9 m,平均含水量为12.59%;第2层2.0～3.9 m,平均含水量为11.47%;第3层4.0～5.0 m,平均含水量为10.09%。

图1 A采样点各剖面土壤含水量曲线

2.2 B采样点土壤水分含量分析

根据B采样点3个钻孔剖面土壤含水量结果(图2)可知,B1剖面平均含水量为6.03%,变化范围为2.08%～15.74%。根据含水量从上到下的变化,可将B1剖面分为3层:第1层0.0～1.9 m,平均含水量为5.72%;第2层2.0～3.9 m,平均含水量为5.11%;第3层4.0～5.0 m,平均含水量为8.26%。B2剖面平均含水量为6.18%,变化范围为2.30%～11.20%。根据含水量从上到下的变化,可将B2剖面分为3层:第1层0.0～1.9 m,平均含水量为6.07%;第2层2.0～3.9 m,平均含水量为5.36%;第3层4.0～5.0 m,平均含水量为7.84%。B3剖面平均含水量为7.77%,变化范围为3.55%～20.09%。根据含水量从上到下的变化,可将B3剖面分为3层:第1层0.0～1.9 m,平均含水量为6.57%;第2层2.0～3.9 m,平均含水量为7.65%;第3层4.0～5.0 m,平均含水量为10.03%。B采样点3个剖面平均含水量为6.66%,变化范围为2.08%～15.74%。第1层0.0～1.9 m,平均含水量为6.12%;第2层2.0～3.9 m,平均含水量为6.04%;第3层4.0～5.0 m,平均含水量为8.71%。

图2 B采样点各剖面土壤含水量曲线

2.3 C采样点土壤水分含量分析

根据C采样点3个钻孔剖面土壤含水量结果(图3)可知,C1剖面平均含水量为13.86%,变化范围为3.47%～28.93%。根据含水量从上到下的变化,可将C1剖面分为2层:第1层0.0～1.9 m,平均含水量为7.69%;第2层2.0～3.1 m,平均含水量为23.62%。C2剖面平均含水量为15.67%,变化范围在2.37%～27.97%。根据含水量从上到下的变化,可将C2剖面分为2层:第1层0.0～1.9 m,平均含水量为10.11%;第2层2.0～3.1 m,平均含水量为24.48%。C3剖面平均含水量为8.47%,变化范围为3.04%～18.40%。根据含水量从上到下的变化,可将C3剖面分为2层:第1层0.0～1.9 m,平均含水量为8.01%;第2层2.0～3.1 m,平均含水量为9.02%。C采样点3个剖面平均含水量为12.64%,变化范围为2.37%～28.93%。第1层0.0～1.9 m,平均含水量为8.60%;第2层2.0～3.1 m,平均含水量为19.04%。

图3 C采样点各剖面土壤含水量曲线

3 讨论

3.1 不同河流阶地干层发育的强度变化与分布深度

王力等[12]在对陕北延安一带的研究中,将干层初步划分为3级:轻度干层,含水量为9%～12%;中度干层,含水量为6%～9%;严重干层,含水量在6%以下,最低可达死亡湿度。上部2 m土层的干层为临时性干层,易受蒸发作用的影响而变干,也易得到大气降水的较快补充而恢复,所以上部2 m土层的变干为暂时性的,通常不叫土壤干层。而2 m以下的干层不易得到降水补充,因此干层不易恢复,所以干层一旦形成,往往经过若干年也不能恢复,属于永久性干层[12]。

过去对黄河中段河流阶地土壤干层发育等级差异与分布深度变化的研究很少。根据以上分析,并结合本研究各采样点土壤含水量测定结果可知,河流二级阶地A采样点除A3剖面以外,各剖面2.0～3.9 m和4.0～5.5 m土层中土壤含水量平均值均在9%～12%,发育了轻度干层。B采样点B1和B2剖面在2.0～3.9 m土层中土壤含水量平均值均低于6%,发育了严重干层;B3剖面在2.0～3.9 m土层中土壤含水量平均值为7.65%,也发育了中度干层;而4.0～5.0 m土层中除B3剖面发育了轻度干层外,其余2个剖面均发育了中度干层。位于一级阶地的C采样点除C3剖面在2.0～3.1 m土层中发育了轻度干层外,其余2个剖面均无干层发育。

以上结果表明,黄河中段河流二级阶地2.0～5.0 m土层均有干层发育,而河流一级阶地2.0 m以下土层中无干层发育。另外,在二级阶地中,靠近山丘的采样点(A采样点)干层为轻度干层,而远离山丘的采样点(B采样点)已发育为中度及严重干层。以上结果可能是由以下两方面原因造成的：一方面由于河流阶地的成因,A采样点位于河流二级阶地远离河床位置；B采样点同样居于二级阶地,但距离河床相对于A采样点近了130 m左右；C采样点位于黄河一级阶地。根据洪水带来泥沙的沉积规律,若同一河流阶地的洪水深度高，则形成的河漫滩相沉积物粒度粗,反之,则粒度细[13]。因此,在同一次洪水过程中,A采样点的洪水深度小于B采样点,所以A采样点沉积物组成成分粒度细,持水能力强于B采样点。C采样点位于黄河一级阶地,剖面下层接近地下水,因此水分含量高。另一方面由于水分补给的原因,A采样点靠近山丘,易于受到山坡地表径流及地下径流的补给。而B采样点远离山丘,水分补给主要来自大气降水。

3.2 不同河流阶地土壤水分有效性类型分析

前人的研究认为土壤水分含量的变化有3个转折点,分别为凋萎湿度、生长阻滞持水量和田间持水量[14]。凋萎湿度一般确定为植物叶片开始出现萎缩时的土壤含水量。田间持水量为土壤能够稳定保持的最高土壤含水量。本研究区的稳定凋萎湿度和田间持水量分别为6.0%和20.0%[15]。布雷迪[16]把田间持水量和稳定凋萎湿度之间的水分含量称为有效水。但即使土壤含水率在有效水范围内,植物吸收利用土壤水分也存在着难易差异[17]。刘增文等[18]根据植物吸收土壤水分的难易程度,将土壤有效水划分为难效水、中效水和易效水3个等级。难效水指凋萎湿度到生长阻滞持水量；土壤水中的难效水虽能够被植物吸收利用,但其根系从土壤中吸收水分需要克服较大基质吸力,从而在一定程度上阻滞植物的生长。中效水指田间持水量的60%～80%；植物吸收利用中效水,在一定程度上受土水势的影响。易效水指田间持水量的80%以上；土壤基质对易效水的吸力较弱,这部分水容易被植物吸收利用,一般不会对植物的生长发育造成水分胁迫[17]。结合本研究实际情况，将黄河中段土壤水分有效性划分为5个等级(表1)

结合上述土壤水分有效性等级的划分,对研究区一、二级阶地3个采样点土壤水分的有效性进行分析。结果表明A采样点2.0 m以下土层的土壤水分基本上都处于难效水状态(图4),枣树林吸收土壤水分都会受到不同程度的抑制,这对枣树林的生长及红枣产量都有一定的不利影响。然而,A采样点的难效水接近中效水,若对该区枣树林进行合理的管理,则该区域的难效水也可能成为中效水。B采样点各土层的土壤水分大部分已处于无效水状态,表明该区域已不适合进行经济林的种植。C采样点2.0 m以下土层的土壤水分为中效水、易效水及重力水,能够满足枣树林对水分的吸收利用。所以河流一级阶地适于大规模扩大枣树林的种植。

表1 黄河中段土壤水分有效性的分级[18]

图4 各采样点土壤水平均含量及有效性

3.3 不同河流阶地土壤水分平衡与水分循环

水分循环的过程包含蒸发、植被蒸腾、水汽输送、降水形成地表径流或下渗形成地下径流，最后流入江河湖海或成为地下水[19]。土壤水分的平衡包含正平衡与负平衡,以黄土高原为例,黄土高原人工林在年降水量600 mm的条件下,土壤水分处于平衡状态[15],若降水量大于600 mm则处于正平衡状态,若小于600 mm则处于负平衡状态。正平衡状态表明大气降水与土壤水较充足,每年有多余的水分转化成为地下水[20]。虽然本研究未能精准测定各项指标来判定水分平衡状况,但可利用土壤干层的发育情况来推断土壤水分平衡与否[21-22]。本研究区二级阶地各采样点均有干层发育,说明研究区二级阶地土壤水分输出量大于输入量,同时表明二级阶地土壤水分处于负平衡状态,也就是说大气降水经过蒸发、蒸腾、植物叶片截留和地表径流损失之后,已没有多余的水分通过土壤渗入地下。然而,C采样点无干层发育,说明研究区一级阶地土壤水分输入量大于输出量,也就是说一级阶地土壤水分处于正平衡状态。

二级阶地土壤水分的负平衡表明,正常大气降水补给地下水的环节被切断,使大气降水只能转化成为位于地表的土壤水,所以该区的地下水基本上不参与水分循环,而以地表水循环为主,形成了大气-植物—地表径流—土壤的水气循环模式,属于异常的水分循环类型。因此,二级阶地枣树林干层的出现,影响了正常的水循环,长期发展下去会导致该区地下水位的持续下降和地下水资源缺乏[20]。一级阶地土壤水分为正平衡,表明正常的大气降水能够很好地补给地下水,在一级阶地入渗到土壤中的大气降水的去向可分为3个部分：一部分以植物蒸腾、土壤蒸发的形式再回到大气;一部分被植物吸收利用;一部分渗入地下,成为地下径流,形成了大气—植物—地表径流—土壤—地下水的水气循环模式,属于正常的水分循环类型。因此,一级阶地适于经济林特别是枣树的大规模种植,但需要合理规划,保持土壤水分,以满足植被用水的需要,更好地发挥其生态、经济效益。

4 结论

黄河中段河流二级阶地2.0～5.0 m土层均有干层发育,而河流一级阶地2.0 m以下土层中无干层发育。在二级阶地中,靠近山丘的采样点(A采样点)干层为轻度干层,远离山丘的采样点(B采样点)已发育中度及严重干层。

黄河中段二级阶地靠近山丘的采样点(A采样点)2.0 m以下土层土壤水分基本上为难效水,不利于枣树林吸收土壤水分。B采样点各土层土壤水分大部分已处于无效水状态,该区域已不适于经济林的种植。一级阶地C采样点2.0 m以下土层土壤水分为中效水及易效水,能够满足枣树林对水分的吸收利用。

黄河中段二级阶地土壤水分输出量大于输入量,处于负平衡状态,水分循环类型主要为地表水循环,属于异常的水分循环。研究区一级阶地土壤水分输入量大于输出量,处于正平衡状态,形成了大气—植物—地表径流—土壤—地下水的水气循环模式,属于正常的水分循环类型。因此,一级阶地适于经济林特别是枣树的大规模种植。