黄土塬区农田—果园镶嵌布局深剖面土壤水分时空分布及影响因素

【摘要】：土壤水是陆地水资源的重要组成部分,也是旱作地区制约植物生长的关键因子。地处黄土高原南部的黄土塬区,近三十年来果园建设渐成规模,粮食作物与果树对土壤水分的利用各有特点,农田–果园镶嵌分布格局下的深层土壤水分消耗特征及土壤水资源协同利用模式引人关注,对该问题的深入研究有助于进一步阐明土壤水库功能,协调推进区域粮食生产与果业发展。本文在位于黄土塬区的庆阳、长武和洛川塬区分别选取不同树龄苹果园及邻近农田,从样点到区域尺度,通过野外采样、室内分析等手段,并结合数理统计、整合分析等方法,就黄土塬区农田-果园镶嵌布局深剖面土壤水分时空分布及影响因素进行了深入研究,取得的主要结果如下:(1)黄土塬区苹果园深层包气带土壤干燥化特征。庆阳、长武和洛川的土壤质地在0～23 m垂直剖面上呈现相似的变化趋势,且具有明显的分层特征。在0～3 m土层中,气候因素(降水量)与土壤水分显著相关,其影响SWC变异的相对贡献率达到46.9%。在3 m以下土层上,影响SWC变异的主导因子及对应土层分别为:树龄(3～13 m)和土壤质地(13 m)。果园土壤干层起始深度为2～3 m,其受降水影响较大,而土壤干层厚度却随树龄的增加而显著增加。果树根系耗水深度和土壤水分亏缺量(与农田相比)则呈现“S”型变化,大体在20龄以后,果树根系吸水深度不再增加,年耗水量逐渐与年降水量持平。(2)区域尺度上农田转变为果园后深层土壤水分演变过程。农田转变为果园后,果树不断吸收利用深层土壤水分,导致深层SWC在幼龄期以后随着果树不断生长消耗而降低,直到20龄以后逐渐保持稳定;受降水量空间变异的影响,从年降水量500 mm地区到650 mm地区,果园深层SWC随之显著增加。栽植密度对果园土壤水分的影响则因树龄而异:在幼龄期,不同栽植密度苹果园深层SWC有显著差异(P0.05),而在衰老果园中栽植密度对SWC的影响减弱,但均显著低于对照(农田)。整体而论,黄土塬区农田变为果园会导致土壤水分出现过度消耗,这是树龄、栽植密度以及降水量水平等多个因素综合作用的结果。建议果园栽植规划中,应平衡果树生产力与土壤水分关系,根据当地气候条件合理配置栽植密度,推进区域果业可持续发展。(3)农田-果园镶嵌布局下土壤水分空间分布特征。在24龄果园-农田交界带中,随着距果园测定距离的增大,相邻农田样地下剖面土壤水分受果园的影响愈小。农田-果园交界带上的土壤水分分布存在明显的边缘效应:苹果树能够吸收邻近农田2 m以下的土壤水分来满足自身需求,24龄果园的水平吸收范围达到7 m,表现出对邻近农田的依赖,但10龄果园未影响到邻近农田的土壤水分。在塬区农业生产中,建议以粮食自给确定农田面积阈值,维持合适的农果面积比例,农田地块的宽度不小于14 m,以推进区域农业水资源的可持续利用,协调区域果业生产与粮食安全。(4)农田和不同树龄苹果园土壤有机碳分布及其与深层土壤水分的相互作用。受黄土-古土壤序列在剖面分布的影响,土壤有机碳含量在剖面呈现相似的变化规律,苹果树种植显著影响到0～40 cm剖面土壤有机碳含量。与农田相比,果园土壤剖面碳储量随树龄增加先减少后增加,并超过农田,但各树龄阶段无显著差异。降水、气温及树龄对浅层土壤有机碳影响较大,而深层土壤有机碳更多受到土壤质地的影响。此外,0～1 m土壤碳储量仅占整个剖面土壤碳储量的8.83%±1.88%,表明深层土壤累计碳储量较高,这对未来土地利用管理以及评估陆地碳循环具有重要意义。本项研究通过大量的野外测定以及文献整合分析,阐明了黄土塬区农果镶嵌格局下典型样地土壤水分的时空分布特征,描述了农田和果园深层土壤有机碳分布及其与土壤水分的关系,提出了有助于土壤水资源可持续利用、考虑粮食自给的粮果业可持续发展的管理建议。这对于合理调整黄土塬区土地利用结构,协调推进区域粮食安全、果业生产与经济发展具有重要意义。