土地利用变化对土壤水补给来源影响研究

盖浩琪,石培君,李 志

(西北农林科技大学资源环境学院,陕西 杨凌 712100)

土壤水作为水循环中的重要组成部分是联系降水、植被和地下水的重要介质,对植物生长和地下水补给具有重要作用[1-3]。黄土高原是全球黄土分布最广和最厚的区域,深厚非饱和带储存了巨大的“土壤水库”,为农业生产和经济发展提供了重要水源[1,4]。然而,退耕还林还草工程导致土地利用类型发生了巨大变化,对土壤水产生了重要影响[5-6],例如土地利用方式转变减小了土壤储水量,尤其是深根植被的引入会导致深层土壤水严重亏缺,逐渐形成稳定的土壤干层,加剧了区域水资源短缺危机[7-9]。但土地利用变化导致的土壤水亏缺能否恢复?如果深层土壤水能够被补给,其水源特征如何?这些问题都不清楚。因此,亟需明确土壤水补给机制及其对土地利用变化的响应,从而促进植被和水资源利用的可持续管理。

目前多采用动态监测方法以确定土壤水补给来源,而此方法需长期观测才能获得足够数据[10];另外,深厚非饱和带土壤水运动缓慢,进一步增加了监测难度。同位素示踪法在大气水汽来源识别、土壤水和地下水补给机制确定方面具有显著优势[11-12],为土壤水运动机制研究奠定了基础。不同种类同位素的优点和应用范围不同,如氢氧稳定同位素可有效识别土壤水来源和估算土壤蒸发损失[5,13],而放射性同位素可准确量化土壤水年龄和深层渗漏[12,14-15]。因此,联合使用氢氧稳定和放射性同位素,更有利于研究土壤水在深厚包气带中的运动过程。

本研究以黄土区长武塬为研究区域,联合使用氢氧稳定同位素和氚同位素,探究土壤水补给机制,进而明确土地利用变化对土壤水补给的影响,以期为该区域水资源合理利用与管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国科学院长武农业生态试验站(35°28′N,107°88′E),为典型的黄土塬区,位于黄土高原南部,地势平坦。属于西北内陆暖温带半湿润大陆性季风气候区,年均日照时数2 226.5 h,年均气温9.1℃,年均降水量581.0 mm[11],大多集中于7—9月,占年降水量的55%以上。地下水位埋深84 m[16]。研究区黄土深厚,主要土壤类型是粘黑垆土,母质为中壤质马兰黄土[17],土壤田间持水量22.5%,稳定湿度15.5%,凋萎湿度8.5%[18-19]。该地区以旱作农业为主,多数区域无灌溉;农地多为玉米和小麦轮作,自20世纪80年代以来大量转变为苹果园。

1.2 样品采集与分析

基于样点配对法选取三块距离较近的样地,分别为农地、18 a和26 a苹果园,苹果园均由农地转化而来。三块样地土壤和水文气象等条件相似,均无灌溉,样地间土壤水的差异充分体现了土地利用变化的影响。2020年6月采用人工土钻法采集土壤样品,农地和26 a苹果园采样深度均为20 m、18 a苹果园采样深度为15 m,采样间隔为0.2 m。收集的土样除去根系杂物后,一部分装入铝盒用于土壤水含量的测定[20];剩余部分装入250 mL聚乙二烯塑料瓶中,用Parafilm封口膜密封防止蒸发,冷藏避光保存用于土壤水提取。

2013—2019年,长武农业生态实验站采用雨量计收集日降水样品,水样保存在150 mL聚乙烯塑料瓶中,并在4℃下冷藏供进一步分析[11]。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水含量 采用烘干法测定。采样当天,先称量装有原状土的铝盒,再将铝盒放入烘箱,105℃下烘8 h至恒重,再次称量,记录铝盒及样品的总重量,计算土壤含水量(式1)：

(1)

式中,SMi为第i层土壤水含量(g·g-1);WWi、DWi分别为第i层土壤样品湿重和干重(g);AWi为铝盒质量(g)。

1.3.2 同位素含量 运用真空冷凝抽提系统(LI-2100,ABB,USA)抽提土壤水,将抽提的水分用0.22 μm滤头过滤,去除杂质后转移到1.5 mL玻璃瓶低温保存。通过液态水同位素分析仪(LGR GLA431-TLWIA,ABB,USA)测定δ2H、δ18O,精度分别为±0.2‰和±0.03‰,测定结果为维也纳标准平均海水(VSMOW)对应的千分差值式(2)。此后,按水样∶闪烁液=8∶12的比例配置样本,使用液体闪烁计数器(Quantulus 1220,Perkin Elmer,Singapore)测定土壤样品中氚含量,检出限为2.0 TU[21]。

(2)

式中,δ为同位素比值,即元素重同位素丰度与轻同位素丰度之比;Rsample、Rreference分别为水样和维也纳标准平均海水18O、2H的浓度。

1.4 土壤蒸发效应分析

为定性分析不同土地利用方式下蒸发效应强弱,引入降水偏移量(PO),该指标能够区分平衡分馏(如蒸汽的凝结)和非平衡分馏下的水文过程(如蒸发)。降水偏移量一般为0[5],植物蒸腾不影响PO,而地表蒸发会导致PO<0,因此,可通过计算PO揭示蒸发效应。PO值越接近零,表明蒸发强度越弱[5]。

(3)

(4)

式中,m、n分别为大气降水线的斜率和截距,分别取7.67和8.76;S为仪器分析误差(‰),在本研究中分别为0.2和0.03。

1.5 土壤水溯源分析

为探究土壤水补给机制及对土地利用变化的响应,需明确土壤水补给来源。已有研究表明,由于地下水埋深大,土壤水仅可能来自当地降水[6,22-23]。因此,将降水类型划分为雨季(7—9月)和旱季(10月—次年6月),同时根据日降雨量(P)划分降水等级为P≥10 mm·d-1,P≥20 mm·d-1,P≥30 mm·d-1,P≥40 mm·d-1和P≥50 mm·d-1。降水补给土壤水过程中存在强烈蒸发,其同位素会沿蒸发线进行非平衡分馏,进而导致土壤水同位素组成偏离其初始来源(即大气降水)[24]。基于此,本研究通过识别当地大气降水线(Local meteoric water line,LMWL)与土壤水蒸发线(Evaporation line of soil water isotopes,EL-SW)的交点确定初始水源。需要注意的是,以往研究多通过最小二乘法拟合得到土壤水蒸发线;但最新研究表明,土壤水同位素分馏受季节变化影响较大,上述方法的拟合结果可能存在偏差,需要基于Craig-Gordon模型估算蒸发线斜率[13]。因此,本研究采用该方法进行估算：

(5)

(6)

式中,hr为相对湿度,采用1957—2018年的相对平均湿度;δP和δA分别为月降水量加权同位素平均值(δ2H=-62.5‰,δ18O=-9.3‰)和水蒸汽同位素组成(‰);δA=(δP-ε+)/α+;εk为动力分馏系数(‰);ε为总分馏系数(‰);α+为液体与蒸汽之间的动力学同位素分馏系数。ε+为平衡分馏系数(‰),ε+=(α+-1)×1000;其中,ε=ε++εk,ε+和α+均与温度有关[13],此处温度取当地年平均气温。

(7)

(8)

εk(2H)=q(1-hr)(1-0.9755)

(9)

εk(18O)=q(1-hr)(1-0.9723)

(10)

式中,q为空气动力学扩散系数,其范围为0.5～1.0(饱和土壤条件下取0.5,非常干燥的土壤条件下取1.0),由于蒸发土层随时间推移具有交替的饱和干燥条件,本研究取0.75。最终计算得土壤水蒸发线斜率范围为2.80～4.00(n=22645),平均值为3.25±0.24[11]。

2 结果与分析

2.1 土壤水含量和同位素组成特征

果园土壤水含量明显低于农地(图1a,P<0.05),且随树龄增长,土壤水含量逐渐降低,说明果树耗水强度较农地大,对深层土壤水影响显著[19]。浅层(0～4 m)土壤水含量变化剧烈,但14 m以下土层间差异较小,表明深根果树造成土壤水亏缺的土层主要为4～14 m,说明苹果树根系吸水深度可达14 m。由图1b可知,土壤水δ18O在0～2 m土层变化剧烈(P<0.05),随深度增加同位素组成趋于稳定,且农地和果园下浅层土壤水氧同位素组成均比深层富集,说明浅层土壤水氧同位素易受蒸发和降水入渗影响,而深层土壤水氧同位素可能仅受极端降水的影响。两种土地利用方式下浅层(0～6 m)土壤水氧同位素组成差异显著,反映了土地利用方式对土壤水氧同位素组成的影响[25],而6 m以下土壤水同位素组成相比浅层变化较小,反映了土地利用变化前降水补给的影响。由氚含量剖面分布可知,峰值出现在6.6 m处,为46.6 TU(图1c),表明1963年降水在54 a内向下移动的距离为6.6 m。总而言之,说明6 m可作为分析土地利用变化影响的临界深度[13]。果园和农地土壤水同位素剖面没有出现明显的峰值,且氚剖面呈抛物线状,说明土壤水主要以基质流的形式运移。

图1 不同土地利用方式下土壤水(a)、氧稳定同位素(b)和氚的含量(c)剖面,氚含量(数据源自前期研究[21])Fig.1 Soil profiles for water content(a),δ18O(b) and tritium(c) under different land use types (The tritium content data comes from previous research[21])

注：当地大气降水线为δ2H=(7.67±0.11)δ18O+(8.76±1.0),n=228,R2=0.96,降水同位素数据来源于前期研究[11]。Note：The LMWL was δ2H=(7.67±0.11)δ18O+(8.76±1.0),n=228,R2=0.96,the precipitation isotopic data comes from previous research[11].图2 不同土地利用方式下降水和土壤水的双稳定同位素组成图Fig.2 The dual stable isotope compositions of precipitation and soil water under different land use types.

2.2 蒸发效应

由图2可知,土壤水氢氧稳定同位素仅有少数落在LMWL,而大多分布在其右下侧,表明土壤水同位素组成可能受蒸发分馏作用影响[7]。蒸发程度可通过土壤水氢氧稳定同位素的斜率和PO值大小表征[5]。农地、18 a和26 a苹果园下土壤水氢氧稳定同位素的线斜率分别为5.5、6.5和6.7(表1),说明农地受到的蒸发效应最强,18 a苹果园次之,26 a苹果园最弱。进一步计算得到农地、18 a和26 a苹果园下PO值分别为-22‰、-20‰和-6‰,说明降水补给土壤水后稳定同位素发生了非平衡分馏,即受到蒸发作用影响;相比果园,农地PO值较小,说明其土壤水受到的蒸发效应更强,而果园下土壤水受蒸发影响较小。土壤水氢氧稳定同位素的斜率和PO值对土地利用方式蒸发效应的分析结果一致。

表1 两种土地利用方式下土壤水趋势线Table 1 The trend line of soil water under two land use types

2.3 土壤水补给来源

该区土壤水主要来源于降水,且双同位素组成比较表明补给过程经历了强烈的非平衡分馏。为进一步探究土壤水补给来源,根据土壤水含量和氢氧稳定同位素组成分布特征,将土层深度划分为0～6 m、6～14 m和>14 m;利用公式(5)～(10)估算初始水源的同位素组成(图3a、b)。6 m以下土壤水补给来源(δ2H=-83.8‰,δ18O=-12.1‰)较0～6 m土壤水源(δ2H=-68.8‰,δ18O=-10.1‰)更为贫化,说明深层土壤水更易接受强降水补给;整体而言,三个土层水源同位素组成都更接近雨季降水。据此划分降水等级,0～6 m 土壤水源接近P≥20 mm·d-1和≥30 mm·d-1;然而,6 m以下土壤水同位素组成与P≥50 mm·d-1降水更相似,说明深层土壤水需要更高强度的降水补给。进一步分析土地利用方式对土壤水补给来源的影响(图3c、d)可知,农地和苹果园下土壤水源同位素组成均与雨季降水同位素相似,说明两种土地利用方式下,土壤水均主要来源于雨季降水补给。具体而言,果园氢氧稳定同位素组成(δ2H=-76.1‰,δ18O =-11.1‰)比农地 (δ2H=-70.6‰,δ18O =-10.4‰)更为贫化,表明果树作为深根植物,需要P≥50 mm·d-1的极端降水补给。

图3 不同土层和土地利用类型在不同季节和降雨强度下的土壤水分来源(圆圈越大表明降雨强度越大)Fig.3 Soil water sources of different soil layers and land use types under different seasons and rainfall intensities (The larger circle indicates more intense precipitation)

3 讨 论

由土壤水氧同位素和氚含量剖面分布可知,深厚黄土层中土壤水主要以活塞流形式运移。深根植被下土壤水含量显著低于浅根植被,表明土地利用变化显著降低了土壤水储量,甚至终止了深层土壤水补给,可能是由于强烈的根系吸水作用造成。与农地相比,苹果园土壤水线斜率、降水偏移量均较大,表明苹果园土壤水受到的蒸发作用较弱[5],这可能因为深根植被下叶面积指数较高,导致地表反照率较低。具体而言,浅根植被叶面积指数一般为0～2,而深根植被通常大于2[5]。

通过进一步估算水源可知,浅层(0～6 m)土壤水主要接受降雨量≥20 mm·d-1和≥30 mm·d-1的降水补给,而深层土壤水主要来自于雨季高强度降水补给,因为雨季月降水几乎等于甚至高于蒸散发量,这就需要极端降水补给深层土壤水。此外,降水入渗深度与降雨量和降水强度有关,降水量越大则入渗深度越深[11]。不同土地利用方式下对土壤水源进行计算结果表明,果园土壤水可能仅受到极端降水的补给,而农地土壤水主要来源于雨季降水,这可能由于降水从树冠落到地面时,受到果树冠层截留作用影响[26]。有研究发现[27],小雨的冠层截留率是大雨的2.1倍,说明降雨量越大,林木冠层的截留量越小,而且只有当冠层截留达到上限后,降雨才会以穿透形式降落下来,从而补给土壤[28]。因此,对于林地而言,土壤水可能在高强度降水时才能得到补给。

在干旱半干旱地区,地下水是农业生产和居民生活的重要水源[1],其对河流的贡献可高达70%[8]。黄土塬区地下水主要来源于深厚非饱和带土壤水的深层渗漏,土地利用类型转变后,果树由于需要更多水分满足蒸腾需求,其根系会不断向深层土壤扎根,通过根系吸水消耗更多的深层土壤水[29],但由于农地转变为果园后降水几乎全部用来满足果树蒸腾耗水,很少补给到土壤水[30],而且果树的冠层截留作用也减少了降水对土壤水的补给[27-28],这就导致深层土壤水消耗后不易随时间的推移得到补充[7],进一步降低了黄土塬区的地下水潜在补给量[9,12,29]。因此,为保证该地区植被恢复的可持续性,需要制定适当的措施来平衡深层土壤水供应与生态耗水之间的关系,例如可以定期修剪果树,减小其蒸腾耗水量,或是在不影响当地居民经济收益的情况下,采取间作、轮作的方式减少水分消耗,从而促进深层土壤水的恢复。

4 结 论

本研究以黄土高原长武塬作为研究对象,联合使用氢氧稳定性和氚同位素探讨土壤水补给来源。结果表明,该地区土壤水运动的主导方式为活塞流。与农地相比,苹果园的土壤水线斜率和降水偏移量均较大,说明土地利用方式转变后,土壤蒸发作用减弱。通过进一步识别水源得出,深层土壤水主要接受50 mm·d-1的降水补给,其原因是小降水只能补给浅层土壤水和供植物吸收利用,而难以入渗到长期处于亏缺状态的深层土壤;果园接受补给的土壤水同位素组成更为贫化,说明果树可能由于冠层结构和深层根系的影响,需要极端降水才能进行补给。因此,深根植被的种植会阻碍降水对深层土壤水的补给。本研究对水资源有限、土地利用变化剧烈的非饱和带地区地下水可持续管理具有重要意义。