晋陕峡谷河流阶地枣林土壤水分有效性及干燥化分析

钞锦龙，胡 磊，雷添杰，张鹏飞，郝小梅，赵德一

（1.太原师范学院，山西 晋中030600；2.中国水利水电科学研究院，北京100038）

黄土高原是我国生态脆弱和水土流失最严重的地区之一［1］。黄土高原干旱及半干旱区降水稀少，蒸发剧烈，且降水又是该区唯一的水分输入途径［2］，所以水分成为限制该地区植被生长和农业生产的关键因素［3］，其在黄土高原生态修复及实现区域农业可持续发展过程中起重要作用。因此在植被恢复和农业活动中，有效利用黄土高原有限的土壤水分尤为重要［1］。土壤水分有效性是指植被利用土壤水分的难易程度［3］，研究土壤水分有效性不仅有利于充分利用降水资源，提高林木存活率和经济作物产量，而且对避免人工林根系过耗作用形成土壤干层，以及防止生态恶化具有重要意义。

众多学者已就土壤水分有效性及土壤干燥化效应做了大量研究［4-6］，其中土壤水分有效性的研究侧重于采用土壤水势、作物产量、根系吸收速率等不同评价指标［7-9］，而评价方法则从考虑土壤质地的单一方法发展到邵明安等［10］研究SPAC理论的动力学方法，土壤水分有效性评价转向考虑大气、土壤和作物综合影响因素［3］；在土壤干燥化效应研究方面，相关成果主要集中于土壤干层定义、成因、空间分布及影响因素等［11-13］。黄河是中华文明的摇篮，黄河沿岸更是黄土高原地区人类重要的生产生活基地，其中，河流阶地因其特殊的沉积特点及良好的水土环境，不仅是当地重要的灌溉农业耕种平台，同时也是众多学者科学研究的重要对象。有关河流阶地的研究主要关注于河流阶地形成年代、沉积特征和对古气候指示意义的探讨，而对河流阶地土壤水分的研究尚有不足。

研究区位于黄河晋陕峡谷中段，采样地临县克虎镇则是黄河滩枣的主产区，而黄河滩枣主要分布于黄河河流阶地中，由于土壤水分条件及热量条件与周边山区存在较大差异，其品相及产量优于周边山区，并且在红枣收入中所占比重较大。所以，本文以河流阶地枣林土壤作为研究对象，对自然状态下各阶地不同深度土壤水分有效性的空间差异性和干燥化特征进行科学研判和分析，以期为提高林地生产力，获得更大经济和生态效益提供理论依据，同时也为黄河流域合理灌溉及生态保护提供基础理论支撑。

1 研究区概况

研究区位于晋陕峡谷临县境内（图1），地处100°39′40″～111°18′02″E、37°35′52″～38°14′19″N之间，东临吕梁山，西边与陕西隔黄河相望。全域地貌为黄土丘陵沟壑区，海拔在1 000～1 300 m之间，地形跌宕起伏。研究区位于温带大陆性半干旱气候区，雨热同期，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。全县年均气温40 a来介于7.9℃～10.5℃之间，且呈由南向北递减趋势，无霜日约为160 d；全县年降水量511.7 mm，而采样区附近仅有420 mm左右，其中7—9月降水量占全年的59.32%。临县光照充足，年蒸发量是降雨量的4倍左右，干旱的气候条件特别适合枣树的生长，所以自古以来，黄河沿岸就有大片的枣园。研究区域土壤类型以黄绵土为主，此外还有风沙土、黑垆土等；土壤质地以轻壤、沙壤土为主，土壤平均容重1.10～1.30 g·cm-3之间，田间持水量和土壤凋萎湿度取值分别为20.5%和4.5%［14-15］。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area

2 研究方法

2.1 土壤采集

野外采样选择土壤水分状况较好的雨季，时间为2019年9月19日—9月21日。采样前7、8月累计降水量约为190 mm，属于同时期正常年份降水。采样期内无降雨。在野外调查的基础上，选择临县克虎镇黄河沿岸河流一级、二级和三级阶地的枣林地进行采样研究，并且各阶地随机选取2块典型样地进行重复采样。样地均为无人工灌溉自然状态下的枣林地且林龄和生境相似，具体情况见表1。采样时每块枣林地按照“S”型重复钻取3个土壤剖面，每个剖面间距1 000 cm且保持与周围最近枣树根基距离相等，尽量避免与枣树过近。土壤采集使用人工土钻法取样，钻取500 cm深度土壤剖面，且每10 cm土层取样1次，用自封袋密封样本，最后带回实验室烘干称重处理。

表1 试验样地基本情况Table 1 Basic information of experimental plot

2.2 土壤水分有效性、土壤供水系数、水分亏缺度计算

土壤水分有效性指标Aw：指实际有效水分与最大有效水分之比，表征植被能够充分利用土壤水分含量的程度。计算公式为［1］：

式中，Aw为土壤水分有效性指数，θ为土壤实际水分含量，θw为土壤凋萎湿度，θf为田间持水量。土壤水分有效性指数Aw值越大，表示土壤水分可被植被吸收利用的程度越大，Aw值小于0表示土壤水分为无效水，不能被植被吸收。

土壤水分有效性分级：前人研究表明，土壤凋萎湿度、生长阻滞持水量和田间持水量是土壤水分对植被生长影响的3个转折点［16-17］。当土壤水分低于土壤凋萎湿度，植被叶片开始出现萎缩现象；田间持水量是土壤含水量的最大值；生长阻滞持水量是指土壤毛管悬着的水分由连续转为断裂状态，植被吸收土壤水分受到一定程度的抑制作用，取值为田间持水量的60%［1］。刘增文等［18］又将土壤凋萎湿度和田间持水量之间的有效水分为3个等级：（1）难效水，其范围为凋萎湿度到田间持水量的60%；（2）中效水，其范围为田间持水量的60%～80%；（3）易效水，其范围为田间持水量的80%～100%。

土壤供水系数Ks：可反映土壤水分胁迫对腾发量的影响。其公式为［1］：

式中，Ks为土壤供水系数，当Aw=100时，Ks=1，此时作物为最大腾发量；当Aw=0时，Ks=0，此时作物不能吸水，其腾发量也为0。

土壤水分亏缺度K表示土壤水分对植被生长的亏缺程度。计算公式为［1］：

式中，θa为生长阻滞持水量，取田间持水量的60%；θ为实际土壤水分湿度。根据土壤水分亏缺度K值将水分亏缺度分为4级：（1）若K≤0，为不亏缺；（2）若0＜K≤25%，为轻度亏缺；（3）若25%＜K≤50%，为中度亏缺；（4）若K＞50%，为严重亏缺。

2.3 土壤干燥化强度评价方法

本研究采用杨文治等［19］的观点，将土壤干层上限定为土壤稳定湿度，下限定为土壤凋萎湿度，其中土壤稳定湿度取值田间持水量的60%。

土壤干燥化强度指数SDI（Soil desiccation index）大小表示土壤干燥化程度，计算公式为［13］：

式中：SDI是土壤干燥化指数，SSM是土壤稳定湿度，SM是实际土壤湿度，SW是土壤凋萎湿度。根据SDI数值大小，结合枣林生长状态，可以将土壤干燥化强度分为6级：（1）若SDI≥100%，为极度干燥化；（2）若75%≤SDI＜100%，为强烈干燥化；（3）若50%≤SDI＜75%，为严重干燥化；（4）若25%≤SDI＜50%，为中度干燥化；（5）若0≤SDI＜25%，为轻度干燥化；（6）若SDI＜0，为无干燥化。

3 结果与分析

3.1 土壤水分含量分析

河流阶地枣林0～500 cm土层土壤水分情况如图2，结果表明：一级阶地枣林土壤含水量具有明显上升趋势，二、三级阶地土壤含水量自上而下无明显差异；一级阶地100 cm以上、300 cm以下部位，二、三级阶地100 cm以上、200 cm以下部位土壤的含水量波动较大。各阶地平均含水量为一级阶地（10.26%）＞三级阶地（6.75%）＞二级阶地（5.84%）。不同深度水分情况为：一级河流阶地土壤含水量变化范围在1.77%～27.44%之间，最小和最大值分别出现在120、400 cm深度土壤中；二级河流阶地土壤含水量变化范围在3.09%～13.96%之间，土壤含水量最小和最大值分别出现在140、460 cm深度土壤中；三级河流阶地土壤含水量变化范围在3.62%～12.35%之间，土壤含水量最小、最大值分别出现在310、30 cm深度土壤中。

图2 土壤剖面湿度Fig.2 Soil profile humidity

3.2 土壤水分有效性空间差异分析

3.2.1 土壤水分有效性的大小和分级 利用有效性指标Aw对河流不同阶地枣林土壤水分有效性进行比较（表2）。结果显示河流阶地之间土壤水分有效性具有显著性差异（P＜0.05）：一级阶地（0.36）显著高于二级（0.08）和三级阶地（0.14），其中二级和三级阶地之间差异不显著。河流阶地不同深度土壤水分有效性差异表现为：对0～200 cm土层土壤，除60～100 cm土层不显著外，其他部位土壤水分有效性均表现为三级阶地＞二级阶地＞一级阶地（P＜0.05）；对110～300 cm、310～500 cm土层土壤，土壤水分有效性分别表现为一级阶地最低和最高两种水分状况（P＜0.05），而二、三级阶地在210～400 cm土层内表现无显著差异。

如图2所示，河流阶地土壤水分有效性等级划分结果为：一级阶地100 cm深度以上土壤为难效水，110～300 cm深度土壤为无效水，310～500 cm深度土壤为富余水；二级阶地110～200 cm和340～410 cm深度土壤为无效水，其余部分土层均为难效水；三级阶地土壤水分基本上均属难效水。

表2 0～500 cm深度土壤水分指标统计Table 2 Statistics of 0～500 cm depth soil moisture index

3.2.2 土壤供水系数 从土壤供水系数上看（表2），不同阶地土壤供水系数Ks的变化为河流一级阶地（0.78）＞三级阶地（0.59）＞二级阶地（0.48），说明河流一级阶地土壤水分状况优于二、三级阶地，其土壤水分可达枣树生长所产生最大腾发量的78%，而二、三级阶地土壤水分仅能提供枣树生长所产生的约50%～60%的植被腾发量。不同深度土壤供水系数变化规律为：10～50 cm土层，土壤供水系数Ks表现为三级阶地＞一级阶地＞二级阶地；60～100 cm土层，各阶地土壤供水系数差异不大；110～300 cm土层，一级阶地土壤供水系数Ks值最小且为0，说明土壤水分状况差，枣树不能吸水，腾发量为0；310～500 cm土层，一级阶地土壤供水系数Ks值最大且接近1，说明土壤水分状态良好，基本可供应其达到最大生长腾发量。

3.2.3 土壤水分亏缺 黄土高原的土壤水分亏缺在一定程度上限制了农业发展，但不同深度土壤水分亏缺情况不同。河流阶地枣林土壤水分亏缺情况为（表2）：一级河流阶地总体表现为轻度亏缺，其中10～50 cm土层为中度亏缺，60～300 cm土层为严重亏缺，310～500 cm土层为不亏缺；二级河流阶地总体表现为严重亏缺，其中除210～300 cm和410～500 cm土层为中度亏缺外，其余均为严重亏缺；三级河流阶地总体表现为中度亏缺，其中10～50 cm土层为轻度亏缺，210～400 cm土层为中度亏缺，其他深度土壤水分状况均为严重亏缺。

3.3 土壤干燥化分析

3.3.1 200～500 cm深度土壤干层的分布情况 一般来说，土壤干层是指主要以植被过度蒸腾耗水所导致土壤水分相对持久性的“地区型干层”或“蒸发型干层”［17］，在黄土高原区域，由于0～200 cm土层土壤受到大气降水的即时影响，水分亏缺容易得到缓解，故本文重点关注200～500 cm深度土壤干燥化情况。图3为河流阶地200～500 cm深度土壤干层分布情况，其中除一级河流阶地340 cm土层以下土壤不发育干层外，其他阶地干层基本超过500 cm（其中二级阶地280 cm和460 cm部位土壤未发育干层）。

3.3.2 200～500 cm深度土壤干燥化强度与厚度分析 不同河流阶地枣林200～500 cm深度土壤平均干燥化强度为：一级阶地（干燥化指数-24.74%）土壤无干燥化，二级阶地（69.23%）、三级阶地（69.87%）土壤均为严重干燥化（表3）。不同深度土壤干层发育情况：一级阶地除无干燥化土层外，以发育极度干层为主，主要分布在200～330 cm土层范围内；二级阶地以发育极度干层和强烈干层为主，主要分布在200～240 cm及320～430 cm土层范围内；三级阶地以发育强烈和严重干层为主，主要分布在200～240 cm、260～280 cm、310～340 cm及420～470 cm土层范围内。

图3 枣林土壤剖面干层情况Fig.3 Dry layer of soil profile of jujube forest

表3 200～500 cm深度土壤干燥化情况Table 3 Drying of 200～500 cm soil depth

河流阶地200～500 cm深度土壤干层厚度情况为：三级阶地干层最厚（300 cm），二级阶地次之（280 cm），一级阶地干层发育最薄（130 cm）。

4 讨 论

4.1 河流阶地土壤水分有效性的空间差异

土壤水分有效性受到降雨、耕作方式等因素的影响，具有多变和复杂性［20］，是反映水分胁迫和植被生长的重要指标［21］。本文研究得出一级河流阶地土壤水分有效性（0.36）显著高于二级（0.08）和三级（0.14）阶地，这是由于一级阶地与河床距离最近，310 cm深度以下土壤水分受到黄河水位变化影响，容易获得土壤地下水补给作用，所以土壤水分有效性平均表现最高；而对310 cm深度以上土壤，大多部位土壤水分有效性显著低于二、三级阶地，这是因为根据河漫滩相沉积层的粒度组成与洪水深度关系的规律［16，22］，洪水经历时，发育形成中的一级阶地地势较低而洪水深度高，形成的河漫滩相沉积物粒度粗，反之二级和三级阶地形成沉积物粒度较细，所以导致0～300 cm土层在无黄河水分补给的条件下土壤持水性相对较差，表现为土壤水分有效性显著低于二、三级阶地。此外，三级阶地0～200 cm土层土壤水分有效性最高（60～100 cm土层除外），可能是因为三级阶地采样点靠近黄河沿岸的山坡体，大气降水在坡面形成的地表径流能够在阶地附近累积，形成集水区，改善了三级阶地土壤水分状况。综合以上因素分析，二级阶地土壤水分有效性指标（0.08）最低的原因有以下两个方面，第一距离河床位置较远，第二无山坡径流汇集水分补给作用，所以天然降水为二级阶地土壤水分的唯一来源。

本研究一级河流阶地310 cm深度以上土壤主要处于无效水状态，而以下为富余水，说明0～310 cm部位土壤水分严重胁迫植被生长，若出现持续干旱，则可能致使植被枯萎死亡，而310 cm深度以下土壤水分可以自由移动，对于植被生长无影响；二、三级阶地0～500 cm土层土壤多属于难效水状态，土壤水分对植被生长具有胁迫作用，特别是难以获得降水补充的200 cm土层以下部分土壤，若为枯水年，造成土壤重度干旱（约田间持水量45%以下），会严重影响枣树光合能力，损伤其细胞膜系统［23］，造成低效低产林；若为丰水年，土壤水分则有可能转为中效水，适合枣树生长发育。本文与张鹏飞等［16］研究的黄河河流阶地土壤水分有效性表现为一级阶地最高，二级阶地次之的结论基本一致，但其研究的河流阶地土壤各部位平均含水量明显偏高，以及各阶地土壤水分有效性状况与本文也有差异，这主要是由于采样时间不同，由自然降水年际差异（前者为丰水年，后者为正常年）以及土壤水分有效性标准划分不一造成的。

综上所述，虽然一级河流阶地土壤水分有效性大小显著高于二级、三级，但一级阶地0～310 cm深度土壤水分多为无效水，又因枣树根系主要分布并消耗该层内土壤水分［24］，因此一级阶地不适合枣树自然生长，尤其不利于幼龄枣树的发育。如大范围种植还需辅以人工灌溉，直到枣树根系生长至能有效获得地下水补给为止。对于二、三级河流阶地，尽管多属于难效水状态，在自然条件下，枣树生长受到一定的阻滞，但生长阻滞性大小取决于土壤含水量的多寡［25］。由于三级阶地受山坡径流水分的额外补给，土壤水分胁迫相比二级阶地较小，若再辅以地布覆盖、修剪枣林以及灌溉管理等［26］农艺措施，则更接近于中效水，适合枣树的生长发育。而对于二级阶地，应该适度减小枣树种植密度以及加强灌溉频率和增加水分补给量，改善枣林深层（200 cm土层以下）土壤水分状况，从而增大土壤水分有效性。

4.2 河流阶地的土壤干层与水分平衡

研究普遍认为，土壤干层形成的原因有降水稀少，或在不当的地区植树造林和选择不适宜的树种栽培等［27］。在黄土高原区域，土壤干层一定程度上是气候干旱的必然结果［17］，而植被类型选择不当、地形跌宕起伏以及林木密度过大都是加剧深层土壤干燥化的因素。本文研究阶地枣林200～500 cm深层土壤干燥化效应，分析不易受降水补给的永久性干层的强度和厚度，发现深层土壤普遍发育干层且干层发育强度和厚度不同，这是由于晋陕峡谷河流阶地林木根系过耗作用、地下水位、土壤粒度以及微地形条件综合作用下导致该地土壤水分循环出现负平衡的结果。又由于土壤干层发育在薄膜水带中，薄膜水向干层带运动，阻碍了大气降水的下渗［28］，进一步加剧土壤水分负平衡的过程。土壤水分负平衡严重影响陆地水分循环，切断了大气降水对地下水的补给作用，形成了土壤-植被-地表径流-大气的水分循环异常模式［16，25］。河流阶地枣林土壤水分的负平衡过程，造成地下水资源匮乏，威胁植被生存，增加了该地区生态恢复建设的难度系数。所以应该因地制宜，择优选择适水条件的阶地进行人工植被栽培，同时实施科学合理的举措种植枣树，以促进黄河流域生态环境的可持续发展，加强黄河流域生态保护，保障黄河长治久安。

5 结 论

河流阶地枣树林0～500 cm深度土壤含水量大小关系为：一级阶地（10.26%）＞三级阶地（6.75%）＞二级阶地（5.84%）。

不同阶地间枣林土壤水分有效性Aw具有显著性差异（P＜0.05），一级阶地（0.36）显著高于二级（0.08）和三级（0.14）阶地。不同深度土壤水分有效性间的差异表现为：0～200 cm土层土壤，除60～100 cm土层外，河流三级阶地显著高于一级、二级阶地（P＜0.05）；110～300 cm、310～500 cm土层土壤水分有效性分别表现为一级阶地最低和最高（P＜0.05）。对土壤水分有效性分级，一级阶地0～300 cm土层土壤主要处于无效水状态，310～500 cm土层土壤处于富余水状态；二级阶地和三级阶地主要属于难效水状态。

河流阶地土壤供水系数Ks的变化为河流一级阶地（0.78）＞三级阶地（0.59）＞二级阶地（0.48）；河流阶地土壤水分亏缺程度表现为二级阶地（严重亏缺）＞三级阶地（中度亏缺）＞一级阶地（轻度亏缺）。

河流阶地200～500 cm深度土壤均发育有干层，土壤平均干燥化强度为三级阶地（69.87%）＞二级阶地（69.23%）＞一级阶地（-24.74%）。