全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 愿期摇 摇 圆园员源年 源月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
海洋浮游纤毛虫生长率研究进展 张武昌袁李海波袁丰美萍袁等 渊员愿怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市森林调控空气颗粒物功能研究进展 王晓磊袁王摇 成 渊员怨员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
雪地生活跳虫研究进展 张摇 兵袁倪摇 珍袁常摇 亮袁等 渊员怨圆圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
黄河三角洲贝壳堤岛叶底珠叶片光合作用对 悦韵圆浓度及土壤水分的响应
张淑勇袁夏江宝袁张光灿袁等 渊员怨猿苑冤
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米槠人促更新林与杉木人工林叶片及凋落物溶解性有机物的数量和光谱学特征
康根丽袁杨玉盛袁司友涛袁等 渊员怨源远冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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利用不同方法测定红松人工林叶面积指数的季节动态 王宝琦袁刘志理袁戚玉娇袁等 渊员怨缘远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
环境变化对兴安落叶松氮磷化学计量特征的影响 平摇 川袁王传宽袁全先奎 渊员怨远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征 程立平袁刘文兆袁李摇 志 渊员怨苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
土壤水分胁迫对拉瑞尔小枝水分参数的影响 张香凝袁孙向阳袁王保平袁等 渊员怨愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
遮荫处理对臭柏幼苗光合特性的影响 赵摇 顺袁黄秋娴袁李玉灵袁等 渊员怨怨源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
漓江水陆交错带典型立地根系分布与土壤性质的关系 李青山袁王冬梅袁信忠保袁等 渊圆园园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
梭梭幼苗的存活与地上地下生长的关系 田摇 媛袁塔西甫拉提窑特依拜袁李摇 彦袁等 渊圆园员圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
模拟酸雨对西洋杜鹃生理生态特性的影响 陶巧静袁付摇 涛袁项锡娜袁等 渊圆园圆园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
岩溶洞穴微生物沉积碳酸钙要要要以贵州石将军洞为例 蒋建建袁刘子琦袁贺秋芳袁等 渊圆园圆愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
桂东北稻区第七代褐飞虱迁飞规律及虫源分析 齐会会袁张云慧袁蒋春先袁等 渊圆园猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
鄱阳湖区灰鹤越冬种群数量与分布动态及其影响因素 单继红袁马建章袁李言阔袁等 渊圆园缘园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
雪被斑块对川西亚高山两个森林群落冬季土壤氮转化的影响 殷摇 睿袁徐振锋袁吴福忠袁等 渊圆园远员冤噎噎噎噎噎
小秦岭森林群落数量分类尧排序及多样性垂直格局 陈摇 云袁王海亮袁韩军旺袁等 渊圆园远愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
圆园员圆年夏季挪威海和格陵兰海浮游植物群落结构的色素表征 王肖颖袁张摇 芳袁李娟英袁等 渊圆园苑远冤噎噎噎噎
云南花椒园中昆虫群落特征的海拔间差异分析 高摇 鑫袁张立敏袁张晓明袁等 渊圆园愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
人工湿地处理造纸废水后细菌群落结构变化 郭建国袁赵龙浩袁徐摇 丹袁等 渊圆园怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
极端干旱区尾闾湖生态需水估算要要要以东居延海为例 张摇 华袁张摇 兰袁赵传燕 渊圆员园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
秦岭重点保护植物丰富度空间格局与热点地区 张殷波袁郭柳琳袁王摇 伟袁等 渊圆员园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
太阳辐射对黄河小浪底人工混交林净生态系统碳交换的影响 刘摇 佳袁同小娟袁张劲松袁等 渊圆员员愿冤噎噎噎噎噎
黄土丘陵区油松人工林生态系统碳密度及其分配 杨玉姣袁陈云明袁曹摇 扬 渊圆员圆愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
湘潭锰矿废弃地不同林龄栾树人工林碳储量变化趋势 田大伦袁李雄华袁罗赵慧袁等 渊圆员猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
湘南某矿区蔬菜中 孕遭尧悦凿污染状况及健康风险评估 吴燕明袁吕高明袁周摇 航袁等 渊圆员源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
北京市主要建筑保温材料生命周期与环境经济效益评价 朱连滨袁孔祥荣袁吴摇 宪 渊圆员缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
城市地表硬化对银杏生境及生理生态特征的影响 宋英石袁李摇 锋袁王效科袁等 渊圆员远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆苑远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆怨鄢圆园员源鄄园源
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 冷杉红桦混交林雪要要要冷杉是松科的一属袁中国是冷杉属植物最多的国家袁约 圆圆 种 猿 个变种遥 冷杉常常在高纬度
地区至低纬度的亚高山至高山地带的阴坡尧半阴坡及谷地形成纯林袁或与性喜冷湿的云杉尧落叶松尧铁杉和某些松树
及阔叶树组成针叶混交林或针阔混交林遥 冷杉具有较强的耐阴性袁适应温凉和寒冷的气候袁土壤以山地棕壤尧暗棕
壤为主遥 川西尧滇北山区的冷杉林往往呈混交状态袁冷杉红桦混交林为其中重要的类型遥 雪被对冷杉林型冬季土壤
氮转化影响的研究对揭示高山森林对气候变化的响应及其适应机制提供重要的理论支持遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 8 期
2014年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.8
Apr.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(41171033, 51179161)
收稿日期:2012鄄11鄄14; 摇 摇 修订日期:2013鄄03鄄04
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wzliu@ ms.iswc.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201211141597
程立平, 刘文兆,李志.黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征.生态学报,2014,34(8):1975鄄1983.
Cheng L P, Liu W Z, Li Z. Soil water in deep layers under different land use patterns on the Loess Tableland. Acta Ecologica Sinica,2014,34( 8):
1975鄄1983.
黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征
程立平1,2,4, 刘文兆1,*,李摇 志3
(1. 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌摇 712100;
2. 平顶山学院资源与环境科学学院, 平顶山摇 467000; 3. 西北农林科技大学资源环境学院,杨凌摇 712100;
4. 中国科学院大学,北京摇 100049)
摘要:利用长期定位监测数据,对陕西省长武黄土塬区裸地、高产农田、苜蓿草地和苹果林地下 0—15 m黄土剖面土壤水分环境
进行了研究。 结果表明,不同土地利用方式下,干湿交替层内土壤水分具有明显季节性波动变化特征,但其深度范围有别。 裸
地、高产农田、苜蓿草地和苹果林地分别约为 0—5 m,0—4 m,0—2 m和 0—3.5 m。 干湿交替层以下深层土壤水分状况主要受
土地利用方式的影响,其影响大小依次为苜蓿草地>苹果林地>高产农田>裸地,各土地利用方式下表现出不同的时间变化特
征。 黄土塬区土壤水量平衡计算中土层厚度大小的确定非常重要,这不仅与土地利用方式相关,也与林草植被的生长阶段相
联。 裸地和高产农田土层厚度选择不宜小于 5 m和 4 m;未形成深厚稳定土壤干层的苜蓿草地和苹果林地,土层厚度选择不宜
小于 15 m和 10 m;对于已经形成稳定土壤干层的林草地来说,进行年尺度的水量平衡分析时,其计算深度可取降水入渗深度。
研究可从土壤水资源的保持及利用的角度上服务于黄土塬区旱作农业的持续发展和土地利用方式的优化配置。
关键词:土壤湿度;土地利用;水量平衡; 黄土塬区
Soil water in deep layers under different land use patterns on the Loess
Tableland摇
CHENG Liping1,2,4, LIU Wenzhao1,*, LI Zhi3
1 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and
Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China
2 College of Resource and Environment Science, Pingdingshan University, Pingdingshan 467000,China
3 College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China
4 University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Soil water environment of 0—15 m loess profiles in bare land, high鄄yield farmland, alfalfa grassland and apple
orchard on the Changwu Loess Tableland are investigated based on the data of long term experiments in situ. Results show
that the seasonal variations of soil water were obvious in the layers of dry鄄wet alternation and the depths that the layers
appeared were different under different land use patterns. The depths for bare land, high鄄yield farmland, alfalfa grassland
and apple orchard were 0—5 m, 0—4 m, 0—2 m and 0—3.5 m, respectively. Soil water in deep soil layers below the
layers of dry鄄wet alternation was mainly affected by land use patterns. In terms of the magnitudes of the effect, it showed in
the order of alfalfa grassland>apple orchard>high鄄yield farmland>bare land. And the temporal variations of soil water in
deep soil layers were different under the different land use patterns. The determination of soil thicknesses is very important
to the calculation of soil water balance on the Loess Tableland, depending on the land uses and the growth stages of the
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vegetations. The calculated soil thicknesses should be 5 m and 4 m at least in bare land and high鄄yield farmland,
respectively and be 15 and 10 m at least alfalfa grassland and apple orchard, respectively when the stable dry soil layer has
not yet formed in soil profile. However, when the layer has formed in planted woodland and grassland, the calculated
thickness can take the depth of precipitation infiltration in the analysis of soil water balance at annual scale. This study can
improve the sustainable development of rain鄄fed agriculture and the optimal allocation of landuse patterns in the aspects of
the conservation and utilization of soil water resources for the Loess Tableland.
Key Words: soil moisture; land use; water balance; Loess Tableland
摇 摇 土壤水资源作为水资源的重要组成部分,在植
物生长过程中起着非常重要的作用。 黄土高原地区
属大陆性季风气候区,降水年际变化大,年内分布不
均;而深厚的黄土层犹如土壤水库,具有保蓄和调节
水分功能,能够对降水不足和时间空间分布不均所
导致的旱情能够起到有效的缓解作用[1]。 由于该区
土壤的特殊性、降水资源的紧缺性,因而人们非常重
视植被与土壤水资源的相互影响[2],尤其是植被生
长对土壤水分生态环境影响的研究[3鄄12]。 人工林草
的强烈蒸腾作用所导致的深层土壤干燥化问题,不
仅对植被自身的生长造成不利影响,而且对陆地水
文循环产生了一定的影响[7],因而深层土壤水分环
境问题越来越受到研究者的关注,如樊军等[11]对黄
土旱塬农业生态系统土壤深层水分消耗与水分生态
环境效应进行了研究;Wang等研究黄土丘陵区不同
植被类型对 0—10 m 黄土剖面水分含量的影响[12],
并通过荒草地对照确定了不同植被类型的耗水深
度[13];程立平等对长武塬区不同土地利用方式下
0—20 m 剖面土壤水分分布特征进行了研究[14],并
分析了其土壤水氢氧同位素的组成特征[15];王云强
等通过对黄土高原 382 个点上土壤水分的调查,研
究了整个黄土高原 0—10 m土层土壤水分空间分布
特征及其影响因素[16],并对比研究了山西中阳、陕
西绥德、陕西神木、陕西吴起、宁夏固原、陕西长武 6
个典型区域 0—21 m 土层水分剖面分布规律[17];李
军等[10]通过对黄土高原半湿润区、半干旱区和半干
旱偏旱区 53类林地、草地和农田深层土壤湿度的观
测,分析比较了各类型区各类林地、草地和农田土壤
湿度、土壤水分过耗量、土壤干燥化指数、土壤干层
厚度等土壤干燥化效应指标。 但是由于深层土壤取
样困难,黄土高原地区有关深层土壤水分的研究,存
在以下局限:一是多为一次调查取样研究,缺少长期
定位研究;二是多数研究未超过 10 m 深度。 因此,
本文利用长武黄土高原农业生态试验站深剖面水分
运动观测场长期定位监测数据研究了裸地、高产农
田、苜蓿草地和苹果林地对深层土壤水分环境的影
响,以期为黄土塬区土地利用方式的优化配置以及
旱作农业的持续发展提供土壤水分依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区概况
长武黄土高原农业生态试验站(N35毅14忆,E107毅
40忆)位于陕西省长武县长武塬上,海拔 1 220m,属温
带半湿润大陆性季风气候区,降水年际变化大,年内
分布不均,多年平均降水 578 mm,主要集中在 7—9
月,占全年降水总量的 55%以上。 年均气温 9.1益,
>10益积温 3029益,无霜期 171 d。 长武塬区为典型
的雨养农业区,作物一年一熟。 黄土堆积深厚,土壤
为黑垆土,母质为中壤质马兰黄土,地下水埋深 40—
80 m。 0—20 m黄土剖面田间持水率和凋萎湿度分
别为(21.39依0.13)%和(8.06依0.45)%[14],土壤容重
在 1.23—1.44 g / cm3之间[18],容重变化主要在 0—
1 m土层内,1 m 以下土层容重变化较小,平均值为
1.3 g / cm3。
1.2摇 研究方法
选定长武站深剖面水分运动观测场和邻近苹果
林地测定土壤水分。 深剖面水分观测场建于 2005
年(之前为农田),设 3种土地利用方式样地,分别为
苜蓿草地、高产农田和裸地,农田轮作方式为冬小
麦鄄冬小麦鄄春玉米。 苜蓿草地、高产农田和裸地 3 块
样地面积均为 10 m伊10 m。 苹果林地为 1994 年种
植,面积约为 2 000 m2,目前处于盛果期。 具体土壤
水分测定样地见表 1。 土壤水分采用美国 CPN 公司
生产的 CNC503(DR)智能中子土壤水分仪测定,测
定深度为 15 m,0—1 m 以 10 cm 为间隔测定 1 次,
1—15 m以 20 cm 为间隔测定 1 次。 每块样地在其
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中心位置处埋设一根中子仪管,根据长期监测实验
设计,土壤水分于每月 19 号测定。 其中苜蓿草地、
高产农田和裸地土壤水分测定时段为 2009 年 4 月
至 2011 年 10 月,苹果林地土壤水分测定时段为
2009年 11月至 2011年 10月。
表 1摇 土壤水分测定样地基本情况
Table 1摇 General information on soil moisture plots
土地利用 Land use 说明 Information
裸地 Bare land 不种作物,定期清理杂草
高产农田 High鄄yield farmland 冬小麦鄄冬小麦鄄春玉米轮作,2009年和 2010年种植小麦,2011年种植玉米
苜蓿草地 Alfalfa grassland 2005年种植,不施肥,每年刹割 3次
苹果林地 Apple orchard 1994年种植,盛产期,行距伊株距为 4 m伊3 m,测定点位于两行中线位置
摇 摇 旱地土壤水量平衡计算式一般为:
驻W = P +( )U - R + D +( )ET (1)
式中, 驻W为土壤储水量的变化量, P 为降水量, U
为向上进入蒸散作用层的毛管水流量, U 为地面径
流量, D为向下排出蒸散作用层的水量, ET 为蒸散
量,以上各量均以水的厚度(mm)表示。 在黄土塬
区,水量平衡计算公式一般被简化为下式:
ET = P - 驻W (2)
式中符号意义同上。
土壤储水量 W计算公式为:
W =移
n
i = 1
兹i 伊 hi (3)
式中, W 为一定厚度土壤内的储水量(mm), n 为一
定厚度土壤所划分的层次数, 兹i 为第 i 层土壤的体
积含水量, hi 为第 i层土壤的厚度(mm)。
2摇 结果与讨论
2.1摇 0—15 m土层土壤水分剖面特征
因数据量大,本文选择几个具有代表性的测定
日数据绘制 0—15m 黄土剖面土壤水分垂直分布曲
线,分别为 2009年 6月 19 日和 11 月 19 日,2010 年
6月 19日和 11月 19 日,2011 年 6 月 19 日和 10 月
19日(图 1)。 之所以选择这几个测定日,是因为一
年当中 6 月属雨季到来之前,土壤水分含量处于低
值;而 11月前后雨季已过,土壤水分在土体中的再
分配过程基本完成,是一个相对稳定的时期。 2009
年 6月测定日有降雨,24h累积降水量 2.8 mm,为无
效降水;离测定水分时间最近的上一次降雨发生在
11d前,降水量为 7.4 mm。 2009年 11月测定日无降
雨,离测定水分时间最近的上一次降雨发生在 3d
前,降水量为 3.6 mm。 2010 年 6 月测定日无降雨,
离测定水分时间最近的上一次降雨发生在 12d 前,
降水量为 26.2 mm。 2010年 11 月测定日无降雨,离
测定水分时间最近的上一次降雨发生在 24d 前,降
水量为 7.5 mm。 2011年 6月测定日无降雨,离测定
水分时间最近的上一次降雨发生在 2d 前,降水量为
5.1 mm。 2011年 10月测定日无降雨,离测定水分时
间最近的上一次降雨发生在 10d 前,降水量为
27郾 9 mm。
通过 0—15m黄土剖面土壤水分垂直分布曲线
可以看出,不同土地利用类型之间土壤水分剖面具
有共同的特征,即剖面上部含水量随时间变化剧烈,
下部含水量时间变化较小。 在干湿季明显的季风条
件下,黄土剖面上层土壤处于水分消耗、补充的交替
过程之中,含水量波动剧烈,为干湿交替层[3],不同
土地利用方式干湿交替层深度范围不同。 图 1 可
知,裸地干湿交替层约在 0—5 m 土层,高产农田约
在 0—4 m土层,苹果林地约在 0—3.5 m 土层,苜蓿
草地约在 0—2 m土层。 干湿交替层以下黄土剖面,
土壤含水量变化较小,可称之为相对稳定层。 土壤
含水率在土壤剖面上的这种变化特征是由于降水量
的年际差异(表 2)和降水入渗深度的不同所造成,
降水入渗深度不同包括同一土地利用类型下不同年
份之间和不同土地利用方式之间入渗深度的差异。
从图 1可以看出,苜蓿草地 2 m 以下土层土壤水分
随苜蓿年限增加而逐年减少,尤其是在约 6—12m土
层范围内表现出了明显年际变化,与 Li 等[3]的研究
结论相符。 其原因在于苜蓿根系直接吸水层超过
10m深度[19],能够吸收利用深层土壤水分以满足生
长所需,因而 2 m 以下深层土壤水分在在苜蓿的强
烈蒸腾耗水作用下逐年减少,但是其与干湿交替层
水分变化相比,则相对稳定。
7791摇 8期 摇 摇 摇 程立平摇 等:黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征 摇
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图 1摇 不同土地利用方式下土壤水分剖面
Fig.1摇 Soil moisture profiles under different land use patterns
表 2摇 研究区 2007—2011年降水量
Table 2摇 Annual precipitations from 2007 to 2011
年 Year 2007 2008 2009 2010 2011
降水量 Precipitation / mm 446 539 500 576 680
2.2摇 土壤水分动态变化
土壤水分由于受气候、土壤、利用方式等因素的
影响,经常处于动态变化之中。 干湿交替层因易受
降水入渗补给、蒸散耗水的影响,其水分具有明显的
季节性波动变化特征。 黄土高原在 1a 之中,土壤储
水量的变化可分为 2 个主要的时期,即雨季蓄水期
(7—10月)和失水期(10月—翌年 6 月) [20],蓄水期
和失水期并无十分严格的时间界限,与雨季开始时
间及持续时间长短有关。 由图 2 可以看出,裸地、苜
蓿草地和苹果林地干湿交替层内土壤储水量具有相
似的季节变化:因强烈的蒸腾蒸发作用,每年 6 月到
7月期间土壤储水量降至全年最低值,经过雨季降水
补偿,至 10—11 月期间土壤储水量升至全年最高
值。 而高产农田干湿交替层土壤储水量的季节变化
与种植作物类型有关。 冬小麦生育期处于当年雨季
后和翌年雨季来临之前的旱季,小麦种植后至 3 月
底拔节前,土壤水分含量较高且稳定,3月底以后,土
壤湿度逐层降低,至小麦收获期,土壤储水量降至全
年最低值;雨季开始后,土壤水分逐渐恢复,恢复度
受雨季降雨量影响。 春玉米主要生长期与雨季吻
合,雨季降水能满足其生长发育的水分需求,因而干
湿交替层内土壤储水量季节变化平缓。
8791 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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图 2摇 不同土地利用方式下土壤储水量的动态变化
Fig.2摇 Dynamics of soil water storage under different land use patterns
摇 摇 相对于干湿交替层,深层土层接受降水补给较
少,其土壤水分状况主要受植物利用影响,因而土壤
储水量动态变化较小,且不同土地利用方式下深层
土壤水分有着不同的动态变化特征。 裸地因整层土
层湿润,因而其深层土壤水分能够得到降水补给,但
是这种补给往往是在雨季结束后土壤水分的再分配
过程中发生的,且补给量有限;因而与干湿交替层相
比,裸地深层土壤储水量的季节变化具有一定的滞
后性(图 2),且变化较小。 高产农田深层土壤储水
量则基本不随时间变化(图 2),其原因有两点:一是
农作物根系较浅,对深层土壤水分利用有限;二是农
田深层土壤水分接受降水补偿有限。 相关研究表明
长武高产农田条件下,年降水入渗深度至 3 m 土层
以下需要 9.8a 才能出现 1 次[21],说明在绝大多数年
份里高产农田深层土壤水分将不能得到降水补给。
苜蓿具有极深的吸水根系,因而苜蓿能够吸收深层
土壤储水以供生长之需。 回归分析显示,苜蓿 2—
15m土层土壤储水量与时间序列具有极显著(P =
0郾 01)的线性关系,其关系式为:
Y = -9.904 X + 2940.3 摇 (R2 = 0.958) (4)
图 3摇 苜蓿草地深层土壤储水量变化
摇 Fig.3 摇 The variation of soil water storage in deep soil layer of
alfalfa grassland
式中,Y为 2—15 m土层土壤储水量(mm),X为时间
(月),2009年 4月为第 1 次测定,2011 年 10 月为第
32 次测定。 表明随着苜蓿生长年限延长,苜蓿草地
深层土壤储水量在研究时段内表现出了直线下降的
趋势(图 3)。 从图 2 可以看出,从 2009 年 4 月到
2011年 10月,苜蓿草地深层储水量由 2925 mm减少
到 2644mm,减少了 281mm。 同苜蓿一样,苹果树亦
具有较深的根系,但是苹果林地在大约 4—10 m 土
9791摇 8期 摇 摇 摇 程立平摇 等:黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征 摇
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层已经形成了稳定的低湿层(图 1),其深层储水量
在研究时段内由 2380 mm 减少到 2323 mm,减少了
57 mm,时间变化较小(图 2)。
2.3摇 土壤水分亏缺及土壤干层
在黄土地区,由于蒸发量大于降水量,地下水埋
藏很深,致使土壤水分经常处于亏缺状态。 土壤水
分亏缺量是指土壤储水量与田间持水量之间的差
额[22]。 由图 1可知,高产农田土壤水分亏缺主要发
生在 10 m以上土层,亏缺量为 309 mm,而苜蓿草地
和苹果林地在测定土层范围内都发生了土壤水分亏
缺,亏缺量分别为 1146 mm和 1057 mm。 可以看出,
人工林草地土壤水分亏缺,不论在影响深度还是在
亏缺程度上都远大于农田,这种亏缺是人工林草逐
年吸取深层土壤水分以补充植被蒸散所需缺额
造成。
高耗水人工林草的参与,使水分亏缺向深层土
层发展,土壤水分处于负平衡之中,最终将在土体某
一深度范围形成厚度不等的低湿层———土壤干
层[20]。 土壤干层具有以下特点:一是土壤干层湿度
介于萎蔫湿度和土壤稳定湿度之间;二是位于土体
某一深度范围内;三是干燥化程度因植物种类和生
长年限而定[7, 18]。 研究区土壤稳定湿度为田间持水
量的 70%[23],约为 15%。 从图 1 可以看出,除裸地
外,高产农田、苜蓿草地和苹果林地均有土壤干层存
在,所不同的是,高产农田下土壤干层为暂时性干
层,分布土层范围约为 1—3 m,在丰水年里,该层内
土壤水分将得到恢复[21]。 而苜蓿草地和苹果林地
则已形成了持久性干层,具有较大的水分亏缺量和
极深的干层厚度,因此即使在丰水年,此类干层也不
能得到恢复。 这种土壤干层,使深层土壤水库调蓄
水分作用减弱甚至消失,可能会对林草自身的生长
和区域水分循环造成一定的影响[7]。
2.4摇 不同土地利用方式对深层土壤水分环境的影响
黄土塬区,不同土地利用方式下土壤中水分的
储量和分布,受植物耗水特征的影响而产生分异。
从图 1可以看出,经过雨季降水补给,各土地利用方
式下干湿交替层内土壤水分得到一定程度的恢复,
接近或达到田间持水量,然而其深层土壤湿度剖面
有很大差异。 图 1中 4类土地利用方式下土壤水分
曲线可以分为 3类:第 1类为裸地,第 2 类为高产农
田,第 3类为苜蓿草地和苹果林地。 以 2011 年 10
月为例,利用方差分析来比较不同土地利用方式下
0—15 m 土层含水量,结果见表 3。
表 3摇 2011年 10月不同土地利用方式下土壤含水量(平均值依标准差) / %
Table 3摇 Soil water content under different land use patterns in October, 2011 (Mean 依 Standard Deviation) / %
土层
Soil layer / m
裸地
Bare land
高产农田
High鄄yield farmland
苜蓿草地
Alfalfa grassland
苹果林地
Apple orchard
0—2 21.3依0.6abc 21.4依1.1abc 20.1依3.8b 22.6依1.5c
2—4 23.5依1.0a 18.8依1.9b 12.1依0.4c 14.6依2.1d
4—6 23.8依0.8a 19.0依0.4b 12.2依1.0c 12.8依0.9c
6—8 23.0依0.6a 18.7依0.9b 14.2依0.3c 13.9依0.6c
8—10 23.8依1.5a 20.4依1.8b 13.6依0.5c 13.4依0.6c
10—13 25.4依1.1a 24.1依0.9a 20.7依1.8c 19.7依2.0c
13—15 20.9依0.9a 20.0依0.9a 18.8依1.1c 17.8依0.8c
摇 摇 同行不同字母表示差异达到极显著水平(P= 0.01)
摇 摇 裸地因无植被蒸腾耗水而整层湿润, 0—15 m
剖面内平均湿度为 23.1%,除 13 m 以下土层湿度稍
低外,剖面其他部位均已达到或超过了田间持水量。
因高产引起的高蒸散量,使得高产农田 2—10 m 土
层土壤含水率极显著低于裸地,表明高产农田对土
壤水分环境影响深度已达 10 m深度。 研究区,高产
作物根系直接吸水层约为 0—3 m土层[3],而 3 m以
下土壤储水则是在土壤水势梯度差的作用下向上运
动,最终为农作物所消耗。 高产农田 0—15 m 剖面
内平均湿度为 20.6%。 由于蒸散需水量超过年降水
量,苜蓿草地和苹果林地引起了深层土层干燥化,干
燥化土层已延至 10 m以下深度。 由表 3 可以看出,
苜蓿草地和苹果林地在 2—15 m土层范围内土壤含
水率极显著低于裸地和高产农田,说明了它们对土
壤水分环境所能影响的深度。 有研究表明,23a 苜蓿
草地干燥化土层已延伸至 20 m 以下土层[15],因此
0891 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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可以认为随着苜蓿年限的增加,其下干燥化土层将
继续向更深土层发展。 研究区 14a 苹果林地和 32
年苹果林地在 0—10 m土层内土壤水分分布相差不
大[9],表明 14a 以上的苹果林地已形成了稳定的深
层土壤干层,深层土壤水库调蓄水分作用减弱,果树
蒸散所需水分主要依靠年度降水供应,其产量不可
避免的随年际降水变化而波动。 以上分析表明,不
同土地利用方式对深层土壤水环境影响具有极显著
的差异,其影响大小依次为苜蓿草地>苹果林地>高
产农田>裸地。
2.5摇 不同土地利用方式下土壤水量平衡
水量平衡是说明生态系统功能和特征的重要指
标之一。 土壤水量平衡计算中,计算土体深度的选
择至关重要,深度选择不当会给植物与水分关系研
究带来失真的结论,以致给阐述二者的关系带来困
难。 以苜蓿草地为例,分别按 2 m 和 15 m 深度计算
时,其在 2009年 11月至 2011年 10月间蒸散量分别
为 1091 mm和 1310 mm,与同期降水量(1212 mm)
分别相差 121 mm 和-98 mm,土壤水分收支状况分
别为正补偿和负补偿。 为此,本文选择了不同土体
深度,利用公式 2对不同土地利用方式下 2009 年 11
月至 2011年 10月的蒸散量进行了计算,结果如图 4
所示。
图 4摇 计算深度对蒸散量计算结果的影响
摇 Fig. 4 摇 Influence of calculated thickness on calculated result
for evapotranspiration
各土地利用方式下按照不同土体深度计算所得
蒸散量具有明显差异,原因在于各土地利用方式下
蒸散作用层深度不同,其涉及到作物根系的吸水深
度以及降水的入渗深度。 通过对比一定时段内不同
深度土壤水量平衡结果,则可初步确定水量平衡分
析所需选择的土体深度。 从图 4 可以看出,裸地和
高产麦田蒸散量计算结果随着计算深度增加而减
小,所不同的是裸地至 5 m深度后基本保持稳定,高
产农田 4 m深度后基本保持稳定。 苜蓿草地和苹果
林地蒸散量计算结果首先随着计算深度增加减小,
在一定深度后又随着计算深度增加而增加,至 15 m
深度时最大。 苜蓿草地蒸散量计算结果在 2 m 深度
后随着计算深度增加而增加,其分别按 2、5、10 m 和
15 m 深度计算时,蒸散量分别为 1091、1103、1233
mm和 1310 mm,变化较大。 苹果林地蒸散量计算结
果在 4 m深度后随着计算深度增加而增加,其分别
按 4、5、10 m 和 15 m 深度计算时,蒸散量分别为
1056、1059、1080 mm和 1096 mm,变化不大。
可见,不同土地利用方式下进行水量平衡计算
时选择的计算深度应不同。 对于裸地和高产农田,
计算深度分别不宜小于 5 和 4 m。 而对于高耗水的
苜蓿草地和苹果林地,不同的生长阶段所选计算深
度也应不同。 人工林草种植初期至旺盛期的一段时
间,因土壤深处储水丰富,能够满足植物生长所需水
分要求,此时苹果林地计算深度不宜小于 10 m,苜蓿
草地计算深度不宜小于 15 m。 随着深层土壤水分的
消耗,林草地下最终将会形成深厚而稳定的土壤干
层,土壤水库水分调节作用减弱,植物生长所需水分
主要依靠年度降水供给,此时林草地计算深度可选
取降水入渗深度为限。 以 1994 年种植苹果林为例,
其按 4 m 深度以 2a 为时间尺度计算所得蒸散量为
按 15 m深度计算所得结果的 96.3%,可见以降水入
渗深度为计算深度对水量平衡分析结果影响不大。
3摇 结论
(1)不同土地利用方式下干湿交替层深度范围
有别,裸地、高产农田、苜蓿草地和苹果林地分别约
为 0—5 m, 0—4 m, 0—2 m和 0—3.5 m。 受降水入
渗补给、蒸散等因素影响,干湿交替层内土壤水分具
有明显的季节性波动变化特征;而干湿交替层以下
深层土壤水分主要受土地利用影响,各土地利用方
式下表现出不同的动态变化特征:裸地深层土壤储
水量的季节变化较干湿交替层具有一定的滞后性,
且变化小;高产农田深层土壤储水量基本不随时间
变化;苜蓿草地深层土壤储水量随苜蓿年限增加而
具有直线下降特征;苹果林地因具有稳定的深层土
壤干层,其深层土壤储水量随时间变化较小。
1891摇 8期 摇 摇 摇 程立平摇 等:黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征 摇
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(2)不同土地利用方式对深层土壤水环境影响
具有极显著差异,与裸地相比较,其影响大小依次为
苜蓿草地>苹果林地>高产农田。 除裸地外,高产农
田、苜蓿草地和苹果林地均发生了土壤水分亏缺,并
形成了土壤干层,所不同的是高产农田下土壤干层
为暂时性干层,分布土层范围约为 1—3 m;而苜蓿草
地和苹果林地因对深层土壤水分的过度消耗,已形
成了持久性干层,且干层已延至 10 m以下土层。
(3)在黄土塬区进行水量平衡计算时,不同土地
利用方式选择的计算深度应不同,处于不同生长阶
段的高耗水林草所选计算深度也应不同。 对于裸地
和高产农田,计算深度不宜小于 5 和 4 m。 对于未形
成深厚稳定土壤干层的苜蓿地和苹果地来说,其计
算深度不宜小于 15 m和 10 m;而对于已经形成稳定
土壤干层的苜蓿地和苹果地来说,进行年尺度的水
量平衡分析时,其计算深度可取降水入渗深度。
处于不同生长阶段的林草地对深层土壤水环境
影响程度不同,其进行水量平衡计算时所需选择深
度亦不同,但是不同类型林草地形成深厚且稳定的
土壤干层所需年限不同,土壤干层厚度亦不同,因而
有关不同林草地下深层土壤干燥化发展过程是一个
需要继续长期观测研究的科学问题。
致谢:感谢朱元俊老师对本文写作的帮助。
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3891摇 8期 摇 摇 摇 程立平摇 等:黄土塬区不同土地利用方式下深层土壤水分变化特征 摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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本期责任副主编摇 杨永兴摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 愿期摇 渊圆园员源年 源月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
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