蘋果樹種植對黃土旱塬土壤蒸發的影響

華 溢,陸彥瑋,李 敏,韋昊延,王建龍,龐薛清秋,司炳成

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,旱區農業水土工程教育部重點實驗室,陜西 楊凌 712100;2.長安大學水利與環境學院,旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室,陜西 西安 710054;3.魯東大學資源與環境工程學院,山東 煙臺 264025)

蘋果樹作為中國北方地區退耕還林(草)工程的主要經濟林,在黃土高原地區大量種植,已成為當地農業經濟的重要支柱,然而黃土高原區氣候干旱和水資源短缺一直是限制當地果園生產力的重要因素[1]。隨著樹齡的增長,果樹不斷透支有限的土壤水資源[2],加之旱區降水補給能力有限,使得果園土壤水分長期處于虧缺狀態,嚴重威脅當地蘋果產業的可持續發展[3]。土壤蒸發作為土壤水文過程的重要組成部分,不僅影響土壤水分變化,也是評估植物干旱脅迫的關鍵指標[4]。因此,如何準確計算蘋果園土壤蒸發量并厘清其演變規律對于旱區果園水分利用的評價和管理具有重要現實意義。

目前,評估土壤蒸發的方法有很多,如渦度相關法、紅外遙感法和蒸滲儀法等[5]。渦度相關法是通過風速、氣體濃度和水分脈動的測定來獲取水分通量,被廣泛應用于生態系統碳水通量觀測[6];紅外遙感法可通過衛星或無人機遙感觀測的土壤反射率及地表光譜等參數進行陸地蒸散發的計算,具有測量面積大、經濟高效等優點;蒸滲儀法是通過稱重直接測定土壤水通量變化的方法,該測量儀器敏感性高、原理簡單,常用于田間尺度土壤蒸散或蒸發的實時監測[7]。以上方法的廣泛使用極大地推動了土壤蒸發等相關研究的進展。然而對于林下土壤蒸發量的準確估算,由于受到冠層阻力等諸多環境因素的限制,上述方法很難將土壤蒸發和植物蒸騰有效地區分開[8]。特別是對于較長時間尺度的林下土壤平均蒸發量評估,仍然是當前陸地生態系統水分收支研究中亟需解決的關鍵問題。

氫氧穩定同位素作為水分子的基本組成部分,是描述水分來源和去向的理想示蹤劑[9]。在土壤與大氣的連續界面中,蒸發不僅會導致土壤水分損失,也會使土壤水同位素發生分餾[10],改變土壤水中氫氧穩定同位素的組成比例[11]。因此,基于氫氧同位素分餾原理可對土壤蒸發量進行定量估算。與其他方法相比,氫氧穩定同位素方法不受植物蒸騰影響,能夠準確描述土壤蒸發通量的變化,同時具有穩定可靠、少次取樣就能估算長時間尺度土壤蒸發量等優點。秦雯怡等[12]和雷義珍等[13]學者已嘗試利用氫氧同位素技術對土壤蒸發量進行估算,但上述研究多基于裸土或草地、農地等淺根植被,對于蘋果等深根經濟林少有研究。

本研究以黃土高原典型蘋果種植區陜西長武塬為例,通過對研究區農地和5個不同林齡蘋果園土壤剖面氫氧穩定同位素的探究,利用Craig-Gordon模型定量估算農地和不同林齡蘋果園多年平均土壤蒸發量,并基于“空間換時間”方法分析當地果園種植及生長(從農地到蘋果園種植,再到老齡果樹)對土壤蒸發的影響。以期為黃土塬經濟林水資源高效利用,乃至退耕還林工程的生態效應評價提供相關理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于黃土高原中南部(107°41′E,35°14′N)(圖1a),年均氣溫9.2 ℃,多年平均降水量573 mm(1994—2017年),屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。當地平均海拔約1 230 m,土層深厚,母質多為馬蘭黃土,地下水埋深多在30～100 m之間[14]。自20世紀90年代以來,長武塬區大力發展蘋果產業,截至2020年,全縣種植蘋果樹面積已發展到16 733.33 hm2,產量達到33.8萬t[15]。

注:圖1(b)采樣點用A表示,其后數字代表果園的種植年代。Note: The sampling points in (b) were represented by A, followed by number of the planting year of the apple orchard.圖1 研究區地理位置與各采樣點分布圖Fig.1 Geographical location of the study area and the distribution map of each sampling point

1.2 樣品采集

1.2.1 土壤樣品采集 研究區農地及不同林齡(9、12、16、19、23 a)蘋果園分布見圖1b,蘋果品種均為‘富士’,選取長勢良好且能代表整個果園平均生長水平的4棵樹的中間位置采集土樣。于2017年7月采樣,采樣時利用人工土鉆每20 cm間隔連續鉆取鮮土樣,取樣深度為8 m。鉆取的鮮土樣裝入塑料瓶密封帶回室內冷藏,用于土壤水分提取及后期同位素測定。采樣點位置和果園具體信息見表1。

表1 長武塬區果園分類及種植年份Table 1 Classification and planting year of orchards in Changwu Tableland

1.2.2 降水樣品采集與測定 降水是研究區域土壤水分補給和植物耗水的重要來源之一[16]。本研究在長武塬區設有降水同位素觀測收集點(35°14′N,107°41′E,海拔1 200 m),對當地2005—2020年的降水事件進行連續收集并測定其氫氧穩定同位素組成。為減少蒸發分餾對降水同位素組成產生的影響,本研究采用一種防蒸發的降水收集裝置[17]進行大氣降水的收集。該裝置可為本研究降水同位素數據的準確性提供可靠保障[18]。將收集好的水樣及時送回實驗室進行氫氧穩定同位素組成的測定。此外,研究區氣溫、降水量、相對濕度等氣象數據獲取自中國氣象數據網(https://data.cma.cn/)。

1.2.3 葉面積指數測定 蘋果園葉面積指數(LAI)的測定采用冠層分析儀(Li-2200C,Li-cor,USA)。在每個蘋果園隨機選擇6棵蘋果樹,分別對位于蘋果樹冠層上部和下部的輻射通透密度值進行測定,并根據轉換模型估算LAI[19]。在每一個測點冠層上部測一次,下部(行間及行內)重復測4次,并對光散射進行校正[20]。為避免光環境變化對測定結果產生影響,故選擇在天空散射均勻的清晨或傍晚對LAI進行測定。

1.3 氫氧穩定同位素測定

在西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院示蹤水文學實驗室進行研究樣品氫氧同位素組成的測定。首先采用植物土壤水分真空抽提系統(LI-2000,LICA,北京)提取土壤樣品中的水分(提取效率≥ 99%),然后利用液態水激光同位素分析儀(LGR IWA-45EP,Los Gatos Research Inc., 美國)測定土壤水和降水氫氧穩定同位素組成(2H、18O)。測定結果基于維也納標準海洋水標準,用千分位(‰)表示,δ(2H)和δ(18O)的測量精度分別為±0.5‰和±0.1‰。

1.4 土壤蒸發損失率計算

基于同位素質量平衡原理應用Craig-Gordon模型[21]計算開放液-汽同位素系統中的蒸發損失率(f),如式(1)所示:

(1)

式中,δ0表示土壤水分來源的同位素值(‰)。δs表示土壤水氫氧同位素值(‰)。δ*和m分別表示同位素富集限制因子(‰)和富集斜率,分別根據以下公式進行計算[21]:

(2)

(3)

式中,εk表示動力分餾系數,基于降水平衡假設,修正系數k=1;h表示大氣相對濕度(%);ε+代表土壤平均的干濕狀況[22];δA表示大氣水汽同位素值(‰),可根據Gibson推薦計算公式得到:

(4)

對于氫和氧同位素的計算公式分別為:

εk(2H)=n×(1-h)×(1-0.9755)

(5)

εk(18O)=n×(1-h)×(1-0.9723)

(6)

式中,n為蒸發時液-氣界面的空氣動力學參數,通常情況下飽和土壤為0.5,非常干燥的土壤為1.0。受降水入滲和土壤蒸發的影響,表層土壤經常處于干-濕交替的過程當中,因此,本文參數n取平均值0.75。T為溫度(K),選用土壤采樣點臨近國家基本氣象觀測站數據。ε+和α+為平衡分餾系數,公式如下:

(7)

(8)

ε+=α+-1

(9)

本研究選用交點法來確定土壤水分來源的同位素值,即土壤水分來源同位素值為土壤水蒸發趨勢線與當地大氣降水線(LMWL)方程交點對應的同位素值,計算公式如下:

(10)

δ0(2H)=a×δ0(18O)+b

(11)

式中,a和b分別為LMWL的斜率和截距;SLEL和ILEL為土壤蒸發趨勢線(LEL)的斜率和截距。選用考慮平衡分餾和瑞利分餾的理論方法計算SLEL,公式如下[23]:

(12)

式中,δP代表多年平均降水同位素值(‰),ILEL根據實測土壤水同位素值和計算得到的SLEL斜率值擬合得到。本文采用Excel 2016和SPSS 25軟件進行數據處理與統計分析,使用Origin 2021軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 降水穩定同位素組成與當地大氣降水線

如圖2所示,2005—2020年長武塬區月大氣降水δ(2H)、δ(18O)的變化范圍分別介于-118.52‰～13.56‰和-16.53‰～1.17‰之間,δ(2H)、δ(18O)多年雨量加權平均值分別為-55.96‰和-8.42‰。其中,雨季(5—10月)降水δ(2H)、δ(18O)的雨量加權平均值分別為-57.62‰和-8.54‰,低于多年雨量加權平均值;而旱季(11月—次年4月)降水δ(2H)、δ(18O)的雨量加權平均值分別為-43.13‰和-7.51‰,顯著大于多年雨量加權平均值。當地降水穩定同位素組成呈現出明顯的“雨季低、旱季高”的季節性特征。此外,當地降水穩定同位素組成還隨降水量呈現出相反的變化趨勢,具有一定的“雨量效應”?；陂L武2005—2020年月降水δ(2H)和δ(18O)數據,使用最小二乘法構建LMWL方程為δ(2H)= 7.65δ(18O)+ 10.27 (R2= 0.95),其中斜率略低于全球大氣降水線(GMWL:δ(2H)=8.00δ(18O)+10.00),表明研究區降水同位素在降落過程中發生了一定的蒸發分餾。

2.2 土壤剖面氫氧穩定同位素組成與土壤蒸發線

圖3展示了長武塬區不同林齡蘋果園和農地土壤水δ(2H)、δ(18O)隨土壤深度變化的分布,可以看出在0～8 m土層深度內,土壤水δ(2H)、δ(18O)的變化范圍分別介于-12‰～-4‰和-80‰～-40‰之間。其中,不同林齡蘋果園相同深度土層土壤水的δ(2H)、δ(18O)在0～2 m內變化最大,變異系數均>10%;隨著土壤深度的增加,土壤水δ(2H)、δ(18O)的變異性逐漸減小;直至4 m深度以下時,不同林齡蘋果園土壤水δ(2H)、δ(18O)的變異系數低至5%左右,基本不隨土層深度發生改變,且土壤水氫氧穩定同位素組成與農地土壤水基本相近,這表明4 m深度以下的土壤水穩定同位素組成并未隨果樹的種植及生長而發生改變,其氫氧穩定同位素信號更多反映了果樹種植前的土壤蒸發信號。此外,Lu等[24]通過對長武塬土壤水文信息長時間的觀測表明,黃土包氣帶0～2 m的淺層土壤受降水輸入、地表蒸發等氣候強迫的動態影響,土壤水同位素信息極不穩定,穩定入滲區多為2 m以下。因此,本研究選取2～4 m處土壤水氫氧穩定同位素的組成信息進行研究區不同林齡蘋果園土壤蒸發量的計算。

不同林齡蘋果園和農地2～4 m處土壤水δ(2H)、δ(18O)分布特征如圖4所示,所有土壤水穩定同位素組成均位于LMWL右下方,表明當地降水在進入土壤后經歷了不同程度的蒸發分餾。隨著蘋果園林齡的增大,2～4 m土壤水氫氧穩定同位素平均值δs也逐漸增加(表2),結合瑞利分餾理論(公式12)計算得到的土壤蒸發線斜率(SLEL=3.29),土壤水穩定同位素擬合的蒸發趨勢線與LMWL形成的交點即為土壤水分來源的同位素信息δo。雖然研究區土壤水分均來自于當地大氣降水,但結果顯示農地和不同林齡蘋果園下土壤水分來源的同位素組成δo不盡相同,蘋果園δo隨著林齡的增長大致呈現不斷富集的變化趨勢(表2)。

圖4 長武塬區2005—2020年大氣降水線和農地及不同林齡蘋果園2～4 m土壤水蒸發趨勢線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 農地和不同林齡蘋果園土壤蒸發量

根據農地及不同林齡蘋果園的δs和δo值,使用Craig-Gordon模型計算出相應的土壤蒸發損失率f。如表2所示,基于2H計算的f小于基于18O計算的f,差值范圍約在-16%～-38 %之間。將2H、18O計算的土壤蒸發平均損失率f與研究區平均降水量(P=573 mm)相乘即可得到農地及不同林齡蘋果園對應的土壤平均蒸發量。農地及9、12、16、19 a和23 a林齡蘋果園土壤年蒸發量分別為129、104、89、119、128、136 mm,土壤蒸發量隨農地轉化為蘋果園呈現出先減少再增大的變化趨勢。

3 討 論

3.1 蘋果樹種植對土壤蒸發的影響

氣象條件和淺層土壤(0～2 m)屬性是決定土壤蒸發變化的重要影響因素[25]。本研究中不同林齡蘋果園均位于長武塬區,故可認為所處的氣象要素信息(太陽輻射、飽和水汽壓差、溫度和風速等)基本相似,即不是造成農地以及不同林齡果園土壤蒸發量差異的主要原因。鑒于此,將土壤蒸發量與農地及不同林齡蘋果園的土壤平均含水量和土壤質地(0～2 m)進行了相關分析。結果顯示,土壤蒸發量與土壤質地(砂粒、粉粒、黏粒)和土壤含水量均無顯著相關關系(圖5),說明淺層土壤屬性并不是影響果園土壤蒸發量變化的主要因素。葉面積指數表征了植物冠層的發育水平,有研究表明冠層的覆蓋能減小土壤表層所接收到的太陽輻射量,改變土壤附近的小氣候,從而影響土壤蒸發量[26]。在本研究中,不同林齡蘋果園的葉面積指數與土壤蒸發量顯著負相關(R=-0.713,P<0.10)(圖5),說明葉面積指數是蘋果園土壤蒸發變化的主要控制因子。在農地轉變為果樹種植的前中期(農地、9 a和12 a蘋果園),由于土壤水分供給充足,冠層覆蓋會隨著果樹的正常生長而不斷增加,使單位面積土地上葉面積持續增加,土表受蔭蔽比例增大,從而導致土壤蒸發量減少。而在果樹生長的中后期(12、16、19 a和23 a),由于果樹生長不斷消耗土壤水資源,果園根區水分的虧缺使得果樹產生干旱脅迫,主動減少葉面積來縮減水分需求,維持基本存活,此時果園土表裸露增加,土壤蒸發量也相應增加,最終高于農地蒸發量。

圖5 農地和蘋果園的土壤平均蒸發量與葉面積指數和土壤性質的相關性Fig.5 Correlation between average soil evaporativeness and leaf area index and soil properties in farmland and apple orchards

3.2 基于氫氧穩定同位素計算土壤蒸發的不確定性分析

現有研究表明,基于Craig-Gordon模型計算的土壤蒸發與實測結果有較好的一致性[27],說明氫氧穩定同位素方法在量化土壤蒸發方面具有一定的準確性,但并不能保證氫氧穩定同位素計算土壤蒸發量一定準確,該方法的準確性不僅取決于使用Craig-Gordon模型的限定條件,還與模型輸入參數——土壤水蒸發信號同位素組成的選取息息相關。本研究通過比較分析農地及不同林齡果園土壤水氫氧穩定同位素剖面的變化特征,剔除了易受地表氣候環境動態影響的淺層土壤水(0～2 m)和未受到蘋果種植后土壤蒸發影響的深層土壤水(>4 m),選取最能夠代表果樹種植后土壤蒸發變化的2～4 m土壤水同位素組成來確定δs和δo,進而計算土壤蒸發量。在實際情況中,若土壤入滲存在優先流,導致部分降水未經歷完整的蒸發過程就入滲到土壤深處;亦或是部分小降水還未入滲到2～4 m土壤時就已經被完全蒸發。這些情況使得部分土壤蒸發信號被丟失[23],導致輸入Craig-Gordon模型的土壤水同位素偏貧化,進而計算的土壤蒸發量被低估。此外,在研究中基于2H、18O計算的土壤蒸發量并不相同,這可能是由于植物根系腐爛會產生氫物質,導致土壤水中氫同位素發生變化而變得相對貧化[29],從而造成基于2H計算出的土壤蒸發量整體小于基于18O計算的土壤蒸發量。因此,未來還需進一步對氫氧穩定同位素計算土壤蒸發的方法進行研究和完善。

4 結 論

1)農地及9、12、16、19、23 a林齡蘋果園土壤年蒸發量分別為129、104、89、119、128、136 mm,土壤蒸發量隨農地轉化為蘋果園呈現出先減少再增大的變化趨勢;

2)不同林齡蘋果園土壤蒸發量與葉面積呈現較強的負相關關系,農地轉化為蘋果園后葉面積指數增加,從而使得土壤蒸發量減小;

3)老齡果園深層土壤水已被蘋果樹大量消耗,蘋果樹產生干旱脅迫并會通過減少葉面積來減小水分消耗,從而導致土壤蒸發量增大。