苹果树种植对黄土旱塬土壤蒸发的影响

华 溢,陆彦玮,李 敏,韦昊延,王建龙,庞薛清秋,司炳成

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,旱区农业水土工程教育部重点实验室,陕西 杨凌 712100;2.长安大学水利与环境学院,旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西 西安 710054;3.鲁东大学资源与环境工程学院,山东 烟台 264025)

苹果树作为中国北方地区退耕还林(草)工程的主要经济林,在黄土高原地区大量种植,已成为当地农业经济的重要支柱,然而黄土高原区气候干旱和水资源短缺一直是限制当地果园生产力的重要因素[1]。随着树龄的增长,果树不断透支有限的土壤水资源[2],加之旱区降水补给能力有限,使得果园土壤水分长期处于亏缺状态,严重威胁当地苹果产业的可持续发展[3]。土壤蒸发作为土壤水文过程的重要组成部分,不仅影响土壤水分变化,也是评估植物干旱胁迫的关键指标[4]。因此,如何准确计算苹果园土壤蒸发量并厘清其演变规律对于旱区果园水分利用的评价和管理具有重要现实意义。

目前,评估土壤蒸发的方法有很多,如涡度相关法、红外遥感法和蒸渗仪法等[5]。涡度相关法是通过风速、气体浓度和水分脉动的测定来获取水分通量,被广泛应用于生态系统碳水通量观测[6];红外遥感法可通过卫星或无人机遥感观测的土壤反射率及地表光谱等参数进行陆地蒸散发的计算,具有测量面积大、经济高效等优点;蒸渗仪法是通过称重直接测定土壤水通量变化的方法,该测量仪器敏感性高、原理简单,常用于田间尺度土壤蒸散或蒸发的实时监测[7]。以上方法的广泛使用极大地推动了土壤蒸发等相关研究的进展。然而对于林下土壤蒸发量的准确估算,由于受到冠层阻力等诸多环境因素的限制,上述方法很难将土壤蒸发和植物蒸腾有效地区分开[8]。特别是对于较长时间尺度的林下土壤平均蒸发量评估,仍然是当前陆地生态系统水分收支研究中亟需解决的关键问题。

氢氧稳定同位素作为水分子的基本组成部分,是描述水分来源和去向的理想示踪剂[9]。在土壤与大气的连续界面中,蒸发不仅会导致土壤水分损失,也会使土壤水同位素发生分馏[10],改变土壤水中氢氧稳定同位素的组成比例[11]。因此,基于氢氧同位素分馏原理可对土壤蒸发量进行定量估算。与其他方法相比,氢氧稳定同位素方法不受植物蒸腾影响,能够准确描述土壤蒸发通量的变化,同时具有稳定可靠、少次取样就能估算长时间尺度土壤蒸发量等优点。秦雯怡等[12]和雷义珍等[13]学者已尝试利用氢氧同位素技术对土壤蒸发量进行估算,但上述研究多基于裸土或草地、农地等浅根植被,对于苹果等深根经济林少有研究。

本研究以黄土高原典型苹果种植区陕西长武塬为例,通过对研究区农地和5个不同林龄苹果园土壤剖面氢氧稳定同位素的探究,利用Craig-Gordon模型定量估算农地和不同林龄苹果园多年平均土壤蒸发量,并基于“空间换时间”方法分析当地果园种植及生长(从农地到苹果园种植,再到老龄果树)对土壤蒸发的影响。以期为黄土塬经济林水资源高效利用,乃至退耕还林工程的生态效应评价提供相关理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原中南部(107°41′E,35°14′N)(图1a),年均气温9.2 ℃,多年平均降水量573 mm(1994—2017年),属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候。当地平均海拔约1 230 m,土层深厚,母质多为马兰黄土,地下水埋深多在30～100 m之间[14]。自20世纪90年代以来,长武塬区大力发展苹果产业,截至2020年,全县种植苹果树面积已发展到16 733.33 hm2,产量达到33.8万t[15]。

注:图1(b)采样点用A表示,其后数字代表果园的种植年代。Note: The sampling points in (b) were represented by A, followed by number of the planting year of the apple orchard.图1 研究区地理位置与各采样点分布图Fig.1 Geographical location of the study area and the distribution map of each sampling point

1.2 样品采集

1.2.1 土壤样品采集 研究区农地及不同林龄(9、12、16、19、23 a)苹果园分布见图1b,苹果品种均为‘富士’,选取长势良好且能代表整个果园平均生长水平的4棵树的中间位置采集土样。于2017年7月采样,采样时利用人工土钻每20 cm间隔连续钻取鲜土样,取样深度为8 m。钻取的鲜土样装入塑料瓶密封带回室内冷藏,用于土壤水分提取及后期同位素测定。采样点位置和果园具体信息见表1。

表1 长武塬区果园分类及种植年份Table 1 Classification and planting year of orchards in Changwu Tableland

1.2.2 降水样品采集与测定 降水是研究区域土壤水分补给和植物耗水的重要来源之一[16]。本研究在长武塬区设有降水同位素观测收集点(35°14′N,107°41′E,海拔1 200 m),对当地2005—2020年的降水事件进行连续收集并测定其氢氧稳定同位素组成。为减少蒸发分馏对降水同位素组成产生的影响,本研究采用一种防蒸发的降水收集装置[17]进行大气降水的收集。该装置可为本研究降水同位素数据的准确性提供可靠保障[18]。将收集好的水样及时送回实验室进行氢氧稳定同位素组成的测定。此外,研究区气温、降水量、相对湿度等气象数据获取自中国气象数据网(https://data.cma.cn/)。

1.2.3 叶面积指数测定 苹果园叶面积指数(LAI)的测定采用冠层分析仪(Li-2200C,Li-cor,USA)。在每个苹果园随机选择6棵苹果树,分别对位于苹果树冠层上部和下部的辐射通透密度值进行测定,并根据转换模型估算LAI[19]。在每一个测点冠层上部测一次,下部(行间及行内)重复测4次,并对光散射进行校正[20]。为避免光环境变化对测定结果产生影响,故选择在天空散射均匀的清晨或傍晚对LAI进行测定。

1.3 氢氧稳定同位素测定

在西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院示踪水文学实验室进行研究样品氢氧同位素组成的测定。首先采用植物土壤水分真空抽提系统(LI-2000,LICA,北京)提取土壤样品中的水分(提取效率≥ 99%),然后利用液态水激光同位素分析仪(LGR IWA-45EP,Los Gatos Research Inc., 美国)测定土壤水和降水氢氧稳定同位素组成(2H、18O)。测定结果基于维也纳标准海洋水标准,用千分位(‰)表示,δ(2H)和δ(18O)的测量精度分别为±0.5‰和±0.1‰。

1.4 土壤蒸发损失率计算

基于同位素质量平衡原理应用Craig-Gordon模型[21]计算开放液-汽同位素系统中的蒸发损失率(f),如式(1)所示:

(1)

式中,δ0表示土壤水分来源的同位素值(‰)。δs表示土壤水氢氧同位素值(‰)。δ*和m分别表示同位素富集限制因子(‰)和富集斜率,分别根据以下公式进行计算[21]:

(2)

(3)

式中,εk表示动力分馏系数,基于降水平衡假设,修正系数k=1;h表示大气相对湿度(%);ε+代表土壤平均的干湿状况[22];δA表示大气水汽同位素值(‰),可根据Gibson推荐计算公式得到:

(4)

对于氢和氧同位素的计算公式分别为:

εk(2H)=n×(1-h)×(1-0.9755)

(5)

εk(18O)=n×(1-h)×(1-0.9723)

(6)

式中,n为蒸发时液-气界面的空气动力学参数,通常情况下饱和土壤为0.5,非常干燥的土壤为1.0。受降水入渗和土壤蒸发的影响,表层土壤经常处于干-湿交替的过程当中,因此,本文参数n取平均值0.75。T为温度(K),选用土壤采样点临近国家基本气象观测站数据。ε+和α+为平衡分馏系数,公式如下:

(7)

(8)

ε+=α+-1

(9)

本研究选用交点法来确定土壤水分来源的同位素值,即土壤水分来源同位素值为土壤水蒸发趋势线与当地大气降水线(LMWL)方程交点对应的同位素值,计算公式如下:

(10)

δ0(2H)=a×δ0(18O)+b

(11)

式中,a和b分别为LMWL的斜率和截距;SLEL和ILEL为土壤蒸发趋势线(LEL)的斜率和截距。选用考虑平衡分馏和瑞利分馏的理论方法计算SLEL,公式如下[23]:

(12)

式中,δP代表多年平均降水同位素值(‰),ILEL根据实测土壤水同位素值和计算得到的SLEL斜率值拟合得到。本文采用Excel 2016和SPSS 25软件进行数据处理与统计分析,使用Origin 2021软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 降水稳定同位素组成与当地大气降水线

如图2所示,2005—2020年长武塬区月大气降水δ(2H)、δ(18O)的变化范围分别介于-118.52‰～13.56‰和-16.53‰～1.17‰之间,δ(2H)、δ(18O)多年雨量加权平均值分别为-55.96‰和-8.42‰。其中,雨季(5—10月)降水δ(2H)、δ(18O)的雨量加权平均值分别为-57.62‰和-8.54‰,低于多年雨量加权平均值;而旱季(11月—次年4月)降水δ(2H)、δ(18O)的雨量加权平均值分别为-43.13‰和-7.51‰,显著大于多年雨量加权平均值。当地降水稳定同位素组成呈现出明显的“雨季低、旱季高”的季节性特征。此外,当地降水稳定同位素组成还随降水量呈现出相反的变化趋势,具有一定的“雨量效应”。基于长武2005—2020年月降水δ(2H)和δ(18O)数据,使用最小二乘法构建LMWL方程为δ(2H)= 7.65δ(18O)+ 10.27 (R2= 0.95),其中斜率略低于全球大气降水线(GMWL:δ(2H)=8.00δ(18O)+10.00),表明研究区降水同位素在降落过程中发生了一定的蒸发分馏。

2.2 土壤剖面氢氧稳定同位素组成与土壤蒸发线

图3展示了长武塬区不同林龄苹果园和农地土壤水δ(2H)、δ(18O)随土壤深度变化的分布,可以看出在0～8 m土层深度内,土壤水δ(2H)、δ(18O)的变化范围分别介于-12‰～-4‰和-80‰～-40‰之间。其中,不同林龄苹果园相同深度土层土壤水的δ(2H)、δ(18O)在0～2 m内变化最大,变异系数均>10%;随着土壤深度的增加,土壤水δ(2H)、δ(18O)的变异性逐渐减小;直至4 m深度以下时,不同林龄苹果园土壤水δ(2H)、δ(18O)的变异系数低至5%左右,基本不随土层深度发生改变,且土壤水氢氧稳定同位素组成与农地土壤水基本相近,这表明4 m深度以下的土壤水稳定同位素组成并未随果树的种植及生长而发生改变,其氢氧稳定同位素信号更多反映了果树种植前的土壤蒸发信号。此外,Lu等[24]通过对长武塬土壤水文信息长时间的观测表明,黄土包气带0～2 m的浅层土壤受降水输入、地表蒸发等气候强迫的动态影响,土壤水同位素信息极不稳定,稳定入渗区多为2 m以下。因此,本研究选取2～4 m处土壤水氢氧稳定同位素的组成信息进行研究区不同林龄苹果园土壤蒸发量的计算。

不同林龄苹果园和农地2～4 m处土壤水δ(2H)、δ(18O)分布特征如图4所示,所有土壤水稳定同位素组成均位于LMWL右下方,表明当地降水在进入土壤后经历了不同程度的蒸发分馏。随着苹果园林龄的增大,2～4 m土壤水氢氧稳定同位素平均值δs也逐渐增加(表2),结合瑞利分馏理论(公式12)计算得到的土壤蒸发线斜率(SLEL=3.29),土壤水稳定同位素拟合的蒸发趋势线与LMWL形成的交点即为土壤水分来源的同位素信息δo。虽然研究区土壤水分均来自于当地大气降水,但结果显示农地和不同林龄苹果园下土壤水分来源的同位素组成δo不尽相同,苹果园δo随着林龄的增长大致呈现不断富集的变化趋势(表2)。

图4 长武塬区2005—2020年大气降水线和农地及不同林龄苹果园2～4 m土壤水蒸发趋势线Fig.4 Precipitation line and soil water evaporation trend line of 2～4 m in farmland and apple orchards of different stand ages from 2005 to 2020 in Changwu Tableland

2.3 农地和不同林龄苹果园土壤蒸发量

根据农地及不同林龄苹果园的δs和δo值,使用Craig-Gordon模型计算出相应的土壤蒸发损失率f。如表2所示,基于2H计算的f小于基于18O计算的f,差值范围约在-16%～-38 %之间。将2H、18O计算的土壤蒸发平均损失率f与研究区平均降水量(P=573 mm)相乘即可得到农地及不同林龄苹果园对应的土壤平均蒸发量。农地及9、12、16、19 a和23 a林龄苹果园土壤年蒸发量分别为129、104、89、119、128、136 mm,土壤蒸发量随农地转化为苹果园呈现出先减少再增大的变化趋势。

3 讨 论

3.1 苹果树种植对土壤蒸发的影响

气象条件和浅层土壤(0～2 m)属性是决定土壤蒸发变化的重要影响因素[25]。本研究中不同林龄苹果园均位于长武塬区,故可认为所处的气象要素信息(太阳辐射、饱和水汽压差、温度和风速等)基本相似,即不是造成农地以及不同林龄果园土壤蒸发量差异的主要原因。鉴于此,将土壤蒸发量与农地及不同林龄苹果园的土壤平均含水量和土壤质地(0～2 m)进行了相关分析。结果显示,土壤蒸发量与土壤质地(砂粒、粉粒、黏粒)和土壤含水量均无显著相关关系(图5),说明浅层土壤属性并不是影响果园土壤蒸发量变化的主要因素。叶面积指数表征了植物冠层的发育水平,有研究表明冠层的覆盖能减小土壤表层所接收到的太阳辐射量,改变土壤附近的小气候,从而影响土壤蒸发量[26]。在本研究中,不同林龄苹果园的叶面积指数与土壤蒸发量显著负相关(R=-0.713,P<0.10)(图5),说明叶面积指数是苹果园土壤蒸发变化的主要控制因子。在农地转变为果树种植的前中期(农地、9 a和12 a苹果园),由于土壤水分供给充足,冠层覆盖会随着果树的正常生长而不断增加,使单位面积土地上叶面积持续增加,土表受荫蔽比例增大,从而导致土壤蒸发量减少。而在果树生长的中后期(12、16、19 a和23 a),由于果树生长不断消耗土壤水资源,果园根区水分的亏缺使得果树产生干旱胁迫,主动减少叶面积来缩减水分需求,维持基本存活,此时果园土表裸露增加,土壤蒸发量也相应增加,最终高于农地蒸发量。

图5 农地和苹果园的土壤平均蒸发量与叶面积指数和土壤性质的相关性Fig.5 Correlation between average soil evaporativeness and leaf area index and soil properties in farmland and apple orchards

3.2 基于氢氧稳定同位素计算土壤蒸发的不确定性分析

现有研究表明,基于Craig-Gordon模型计算的土壤蒸发与实测结果有较好的一致性[27],说明氢氧稳定同位素方法在量化土壤蒸发方面具有一定的准确性,但并不能保证氢氧稳定同位素计算土壤蒸发量一定准确,该方法的准确性不仅取决于使用Craig-Gordon模型的限定条件,还与模型输入参数——土壤水蒸发信号同位素组成的选取息息相关。本研究通过比较分析农地及不同林龄果园土壤水氢氧稳定同位素剖面的变化特征,剔除了易受地表气候环境动态影响的浅层土壤水(0～2 m)和未受到苹果种植后土壤蒸发影响的深层土壤水(>4 m),选取最能够代表果树种植后土壤蒸发变化的2～4 m土壤水同位素组成来确定δs和δo,进而计算土壤蒸发量。在实际情况中,若土壤入渗存在优先流,导致部分降水未经历完整的蒸发过程就入渗到土壤深处;亦或是部分小降水还未入渗到2～4 m土壤时就已经被完全蒸发。这些情况使得部分土壤蒸发信号被丢失[23],导致输入Craig-Gordon模型的土壤水同位素偏贫化,进而计算的土壤蒸发量被低估。此外,在研究中基于2H、18O计算的土壤蒸发量并不相同,这可能是由于植物根系腐烂会产生氢物质,导致土壤水中氢同位素发生变化而变得相对贫化[29],从而造成基于2H计算出的土壤蒸发量整体小于基于18O计算的土壤蒸发量。因此,未来还需进一步对氢氧稳定同位素计算土壤蒸发的方法进行研究和完善。

4 结 论

1)农地及9、12、16、19、23 a林龄苹果园土壤年蒸发量分别为129、104、89、119、128、136 mm,土壤蒸发量随农地转化为苹果园呈现出先减少再增大的变化趋势;

2)不同林龄苹果园土壤蒸发量与叶面积呈现较强的负相关关系,农地转化为苹果园后叶面积指数增加,从而使得土壤蒸发量减小;

3)老龄果园深层土壤水已被苹果树大量消耗,苹果树产生干旱胁迫并会通过减少叶面积来减小水分消耗,从而导致土壤蒸发量增大。