Depth and Amount of Deep Soil Water Consumption in Ecological Forests on the Loess Plateau
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摘要:目的 探讨黄土高原生态林耗水深度和深层耗水量，以明确黄土高原生态林的耗水规律。方法 选取延安地区16年生的侧柏、沙棘和刺槐三种常见的黄土高原生态林种，以土钻法获取不同生态林和草地的土壤水分含量。首先基于年际的土壤水分含量确定生态林的土壤水分活跃层；其次，基于 > 25 m深剖面的土壤水分数据来确定三种生态林的耗水深度和深层耗水量，并分析不同土层的耗水速率。结果 依据年际土壤水分含量变化，2 m土层为该地区土壤水分活跃层。侧柏、沙棘和刺槐的最大耗水深度分别为12.0 m、12.2 m和23.2 m，其16年内耗水总量分别为304 mm、664 mm和1763 mm。刺槐的深层土壤耗水速率最大，为110 mm a−1；其次为沙棘，为42 mm a−1；最小为侧柏，为19 mm a−1。在2 ~ 10 m土层刺槐的耗水量仅占总耗水量的44%。结论 探究黄土高原生态林的耗水量需要根据生态林物种的耗水特性选择合适取样土层深度。Abstract:Objective It is important to clarify the water consumption pattern of ecological forests in Loess Plateau for water resources management. However, it is limited to the sampling depth, and there is a lack of research on the depth and amount of maximum water consumption for ecological forests.Method Three common ecological forest species of Loess Plateau, namely, 16-year-old Platycladus orientalis, Hippophae rhamnoides, and Robinia pseudoacacia in Yan'an, were selected. Soil water contents under different ecological forests and natural grassland were obtained by hand-made auger. Firstly, the active soil water layer of the ecological forests was determined based on the annual seasonal soil water content change. Secondly, the water consumption depth and amount of the three ecological forests were determined based on the soil water contents in the soil depth profile( >25 m) compared with grassland. Finally, the rate of water consumption of ecological forests from different soil layers was analyzed.Result The active soil water layer was considered in 2 m depth through seasonal soil water changes in Yan’an area. The more water consumption depths were 12.0 m, 12.2 m and 23.2 m with the water consumption amounts of 269 mm, 664 mm and 1727 mm for Platycladus orientalis, Hippophae rhamnoides, and Robinia pseudoacacia, respectively. The deep soil water consumption rate of Robinia pseudoacacia was the highest, which was 108 mm yr−1, followed by Hippophae rhamnoides (42 mm a−1) and Platycladus orientalis (17 mm a−1). The water consumption amount from the 2-10 m soil layer of Robinia pseudoacacia only accounted for 45% of the total water consumption.Conclusion We need to select the appropriate sampling depth of soil layer according to the water consumption characteristics of ecological forest species.
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Keywords:
- Deep soil water /
- Deep-rooted forest /
- Dried soil layer /
- The Loess Plateau
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【研究意义】深层土壤水分是干旱、半干旱地区维系植物生长和生存重要的水资源[1]，在植物应对气候变化和极端天气中起到了重要的作用[2]。因此，准确认识深层土壤水分对植被的响应对于土壤水资源的保护具有重要的意义。黄土高原作为全球最大最为深厚的黄土区[3]，为探究深层土壤水的动态提供了良好的研究场所。【前人研究进展】自从1999年退耕还林还草工程开展以来，黄土高原生态修复取得了显著的成效[4]。但由于黄土高原地区水资源的限制，大面积植被恢复加剧了土壤水分的过度消耗[5]。研究表明深层土壤水分的消耗受树龄[6]、气候[7]、种植密度[8]、树种[9]等因素的影响。深层土壤水分的过度消耗往往形成土壤干层[10]，从而阻碍了地下水的补给，危及水资源安全[11]。当深层土壤水分过度消耗也将抑制植物的蒸腾[12]，影响植物生长的可持续性。所以，探究深层土壤水分的耗水具有重要意义。耗水深度和深层耗水量作为深层土壤水分消耗的重要指标，表征深根系林地对深层水资源的有效利用能力。耗水深度涵盖了林地根系能够到达的最大深度范围，反映了在有限水资源环境下林地对水分获取的适应能力和对环境变化的响应。深层耗水量是指植物根系从土壤深层吸收水分的数量，反映了林地水分获取和生态适应的潜力。现有研究发现，延安地区16年的刺槐根系深度超过21 m[13]。长武地区26年的苹果树的最大根深达18 m[14]。【本研究切入点】但目前对黄土高原深层土壤水分消耗的研究大多局限于5 m土层[15-16]或者10 m土层[17-18]，鲜有报道生态林的最大耗水量和耗水深度。同时，未有探究不同土层的耗水占总耗水量的比例。【拟解决的问题】本文通过选取黄土高原半干旱地区三种不同类型的生态林（侧柏、沙棘和刺槐），通过野外获取 > 25 m深剖面土壤水分数据，定量研究深层土壤水分消耗深度和耗水量，并分析不同土层的耗水量占深层土壤总耗水量的比例，为理解黄土高原深层土壤水分消耗特征和规律提供一定的借鉴意义。
1. 材料与方法
1.1 试验区概况
研究区位于黄土高原半干旱地区的延安市天河流域（36°39′ ~ 36°40′ N, 109°22′ ~ 109°23′ E）（图1a）。该地区属于温带大陆性气候，多年平均气温为9.4 ℃。长期（1961 ~ 2018年）年降水量和潜在蒸散发量分别为543 ± 131 mm和991 ± 81 mm，60%以上的降水集中在7 ~ 9月份。该地区属于典型的丘陵沟壑区，海拔在988 ~ 1344 m之间，地下水位在40 ~ 100 m[19]。土壤质地以粉壤土为主（粉粒含量 > 60%），深层土壤剖面由黄土与古土壤交替出现。自从退耕还林工程实施以来，该流域经历了剧烈的土地利用类型变化。流域主要的生态林类型有沙棘，柠条，火炬树，侧柏，油松，刺槐等。
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图 1 研究区地理位置及试验区样点图Figure 1. The geographical location of the study area and the distribution of sampling sites1.2 采样及测定方法
选取黄土高原典型生态林物种为研究对象，且具有不同的生物学特性分类（常绿针叶林、灌木、落叶阔叶林）：侧柏（Platycladus orientalis （L.） Franco）、沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）和刺槐（Robinia pseudoacacia L.）（图1b）。采用“空间换时间”的方法，草地的深层土壤水分作为深根植物的初始含水量。于2018年8月记录了野外试验地的基本信息（表1）。采用土钻法采集土壤样品，钻头直径为60 mm。采样位置位于中坡段且周围生态林长势良好的地点。为获取生态林的最大耗水深度，在2018年8月1日至8月25日获取三种生态林和草地的土壤样品，取样深度为25 ~ 30 m，取样间隔为20 cm。为确定因季节性降水和蒸发影响的土壤活跃层，在2018年8月 ~ 2019年10月份别获取了三种生态林各7次土壤深剖面含水量，取样深度为10 m。每层鲜土混合均匀后，将30 ~ 50 g土样装入铝盒，并带回实验室采用烘干法（105 ℃，8 h）测定土壤含水量，并用吸管法以40 cm剖面深度间隔测定土壤机械组成。
表 1 采样试验区样地基本信息Table 1. The basic information of sampling sites in the study area植被类型
Land use type海拔
Altitude
（m）树高
Height of tree
（m）胸径
Diameter at breast height
（cm）种植密度
（棵 hm−2）
Planting density坡向
Slope aspect坡度
Slope gradient
（°）侧柏 1234 4.7 ± 0.17 10.8 ± 0.42 1550 北坡 25 沙棘 1251 2.4 ± 0.42 3.5 ± 0.42 − 北坡 25 刺槐 1244 15.6 ± 0.81 10.3 ± 0.85 2500 北坡 29 草地 1244 − − − 北坡 27 1.3 数据分析
通过获取林地与草地的不同深度土层土壤体积含水量来判定土壤耗水深度，依照季节内多次测定的同一深度土层土壤含水量的变异系数来判定土壤水分活跃层。同时，通过林地和草地的储水量差值确定深层耗水量。通过多年深层总耗水量除以生态林的林龄以获取生态林树种每年平均的深层土壤耗水速率[20]。
土壤体积含水量按公式（1）计算：
$$ {\theta _v} = \frac{{{m_w} - {m_d}}}{{{m_d} - {m_a}}} \times \rho $$ (1) 式中：
$ {\theta }_{v} $ 为土壤体积含水量（cm3 cm–3）；$ {m}_{w} $ 为土壤湿土和铝盒的总重量（g）；$ {m}_{d} $ 为土壤干土和铝盒的总重量（g）；$ {m}_{a} $ 为铝盒的重量（g）；$ \rho $ 为土壤容重（g cm–3），取当地土壤剖面容重数据平均值，$ \rho = $ 1.3。土壤储水量按公式（2）计算：
$$ S = 10 \times \sum\limits_{i{\text{ = 1}}}^{\text{n}} {{h_i}{\theta _i}} $$ (2) 式中：
$ S $ 为土壤储水量（mm）；θi为土壤体积含水量（cm3 cm–3）；hi为土层厚度（cm）；i土层序号；n 土层数。深层土壤耗水量按公式（3）计算：
$$ D{\text{ = }}{S_{\text{g}}} - {S_f} $$ (3) 式中：
$ D $ 为深层土壤水分消耗量（mm）；$ {S}_{g} $ 为林地所对应的草地土壤储水量（mm）；$ {S}_{f} $ 为林地的土壤储水量（mm）。深层土壤耗水速率指的是单位时间内消耗的土壤水量，可按公式（4）计算：
$$ R{\text{ = }}\frac{D}{T} $$ (4) 式中：
$ R $ 为土壤耗水速率（mm a–1）；$ T $ 为生态林树龄（a），本研究中，三种植被的树龄为16年。土壤体积含水量的变异系数按公式（5）计算：
$$ C{V_i} = \frac{{S{D_i}}}{{\overline {{\theta _i}} }} \times 100\% $$ (5) $$ S{D_i} = \sqrt {\frac{1}{{n - 1}}\sum\limits_{k = 1}^n {{{({\theta _{i,k}} - {{\overline \theta }_i})}^2}} } $$ (6) 式中：
$ i $ 为测定土层深度序号（i=1，2，…，50）；$ k $ 为取样的次数序列（k=1，2，…，7）；$ n $ 为取样的总次数；$ {SD}_{i} $ 和$ {\stackrel{-}{\theta }}_{i} $ 为i土层深度的土壤体积含水量的标准差和平均值；$ {\theta }_{i,k} $ 为k次测量i土层深度的土壤体积含水量（cm3 cm–3）。当变异系数大于20%时，该土层被确定为土壤水分活跃层[20]。2. 结果与分析
2.1 土壤水分动态
三种生态林季节性剖面土壤水分动态如图2所示。受降水和蒸散发的影响，土壤水分在0 ~ 2 m土层变化剧烈。其中，在0 ~ 2 m土层上侧柏平均含水量为0.14 ± 0.04 cm3 cm–3；沙棘为0.13 ± 0.02 cm3 cm–3；刺槐为 0.12 ± 0.02 cm3 cm–3。而在2 m以下，三种生态林土壤水分趋于稳定。三种生态林2 ~ 10 m土层的土壤含水量存在显著性差异（P < 0.05），表现为侧柏 > 沙棘 > 刺槐；其中，侧柏为 0.17 ± 0.005 cm3 cm–3，沙棘为 0.14 ± 0.003 cm3 cm–3，刺槐为 0.11 ± 0.003 cm3 cm–3。
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图 2 不同生态林土壤体积含水量季节性剖面分布特征及其变异系数Figure 2. The seasonal distribution characteristics and coefficient of variation of soil water content in soil profile for ecological forests三种生态林的土壤体积含水量的变异系数随土层深度增加呈现出相似的变化趋势。即在0 ~ 2 m土层随着剖面深度的增加，变异系数逐渐减小；土层深度增至2 m及其以下，变异系数趋于稳定。从三种生态林深剖面的土壤水分变异系数发现，土壤水分活跃层可以定义为0 ~ 2 m土层。
2.2 生态林最大耗水土层深度和深层耗水量
草地土壤体积含水量由于古土壤层的存在，在深度上出现明显的两个峰值，分别位于深度13.0 m和23.2 m（图3）。在0 ~ 30 m深剖面草地的土壤机械组成平均为13 ± 3%（粘粒）、68 ± 5%（粉粒）、19 ± 5%（砂粒）；2 ~ 30 m土层上平均含水量为0.20 ± 0.03 cm3 cm–3。而侧柏、沙棘和刺槐各深剖面的平均土壤黏粒含量均为14 ± 4%；平均土壤粉粒含量分别为63 ± 4%、64 ± 7%和64 ± 8%；平均土壤砂粒含量分别为24 ± 9%、22 ± 8%和23 ± 9%。由于不同深度的剖面存在土层错位，我们依照古土壤层深度将草地土壤水分向上平移以此为生态林的初始含水量参考值。基于草地为林地含水量的初始值，确定的侧柏、沙棘和刺槐的最大耗水深度分别为12.0 m，12.2 m和23.2 m，其16年内深层（>2 m）土壤总耗水量分别为304 mm、664 mm和1763 mm。
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图 3 草地和生态林的土壤体积含水量剖面分布Figure 3. The vertical distribution of volumetric soil water content in grassland and ecological forests2.3 深层耗水速率垂向分布特征
三种不同生态林的深层耗水速率存在显著性差异（图4）。刺槐的深层耗水速率最大，其次为沙棘，侧柏最小。侧柏的深层耗水速率在2 ~ 5 m的单位深度上较为接近，平均为2.96 ± 0.02 mm a–1；在5 ~ 12 m深度上也较为稳定，平均为1.44 ± 0.27 mm a–1。沙棘的深层耗水速率在深度上表现出先减小后增加再减少的趋势。最低值出现在4 ~ 5 m土层，为2.60 ± 0.33 mm a–1（12 ~ 13 m除外）。最高值出现2 ~ 3 m和9 ~ 10 m，分别为5.72 ± 0.56 mm a–1和 5.72 ± 0.46 mm a–1。刺槐的深层耗水速率在2 ~ 9 m的单位深度上较为相近，单位深度上平均深层耗水速率为6.40 ± 0.44 mm a–1。在9 ~ 10 m以下，整体上体现出逐渐减少的趋势，单位深度上平均深层耗水速率为4.30 ± 1.18 mm a–1。
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图 4 不同生态林深层耗水速率剖面分布特征Figure 4. The distribution characteristics in rate of deep-water consumption in ecological forests of different soil layers为了探究取样深度对于深层耗水量所带来的误差，我们基于三种深度来分析深层耗水量及其所占比例（表2）。在2 ~ 5 m土层深度上，侧柏耗水量占到总耗水量的47%，沙棘为30%，刺槐为17%。而在2 ~ 10 m土层深度上，侧柏耗水量占总耗水量的86%，沙棘占82%，刺槐占44%。三种生态林2 ~ 10 m土层深层耗水量均较2 ~ 23.2 m土层有所低估，但以刺槐低估的幅度最大；刺槐2 ~ 10 m土层耗水775 mm，较2 ~ 23.2 m土层总耗水量低估了56%（表2）。
表 2 不同土层耗水量及其占总深层土壤耗水量的比例Table 2. Water consumption and proportion to the total deep soil water consumption of different soil layers土层深度
Soil depth
（m）侧柏 P. orientalis 沙棘 H. rhamnoides 刺槐 R. pseudoacacia 深层耗水量
Deep water consumption
（mm）所占比例
Proportion
（%）深层耗水量
Deep water consumption
（mm）所占比例
Proportion
（%）深层耗水量
Deep water consumption
（mm）所占比例
Proportion
（%）2 ~ 5 142 ± 21 47 ± 8 199 ± 20 30 ± 3 304 ± 38 17 ± 2 2 ~ 10 260 ± 38 86 ± 14 548 ± 20 82 ± 3 775 ± 31 44 ± 2 >2 304 100 664 100 1763 100 3. 讨论
本研究中，土壤水分活跃层被定义为0 ~ 2 m土层，这由于浅层0 ~ 2 m土层土壤含水量季节性波动较大，是降水入渗和蒸散发的主要土层。该结果与模型模拟的结果相一致[21-22]；而深层土壤含水量在年内并无显著性差异（P < 0.05），这表明虽然生态林消耗深层土壤水分，但在短期内每层土壤水分的消耗量很小，这与Li等[22-23]的结果一致。结合前人基于同位素的研究发现季节内深层土壤水分变化较小的结果[23-24]，表明了林地土壤水分补给方式主要以活塞流为主，受优势流影响的几率不大[24-25]。林地的不同时间土壤含水量变异系数随土层深度增加而减弱，但也出现异常点，例如刺槐的8.8 m土层，这是由于深层土壤的空间异质性导致的。
由于黄土高原地下水位深，降水就成为了维系植物生长和生存的唯一来源。研究表明林地的蒸散发大于降水，特别是在干旱半干旱地区[12]。当补给到浅层的土壤水资源无法满足植物蒸散发时，植物还消耗深层土壤水分。本研究表明，16年的侧柏、沙棘和刺槐分别以19 mm a–1，42 mm a–1和110 mm a–1的速率消耗深层土壤水分，占年平均降水量的3%、8%和20%。这表明年内降水所补给的浅层土壤水分仍然是植物主要的耗水来源，水量平衡的方法研究结果也表明浅层土壤水分对植物蒸散发保持着较高的比例[25-26]。然而，在黄土高原深层土壤水分具有难以补给和恢复的特性，深层土壤水分的消耗极易形成生态水文负效应。所以，探究深层水消耗具有重要的意义。
研究表明，三种生态林的耗水深度均超过10 m，此结果在黄土高原地区得到普遍的认识。例如：7年苜蓿、23年柠条和23年油松的最大耗水深度达到15.5 m，22.4 m和21.5 m[26-27]。虽然侧柏和沙棘的耗水深度相似，但沙棘的深层土壤耗水量明显大于侧柏，这说明深层土壤水分消耗不仅与根系深度和土壤的物理特性有关[20,27]，还受物种特性的影响。刺槐较侧柏和沙棘不仅具有更深的耗水深度，同时平均每层耗水速率也最大。这主要有两个原因，首先，刺槐的蒸腾量远远大于侧柏和沙棘[28]；再者，本研究中刺槐的种植密度大于侧柏（表1）。若按照前人常采用的5 m或10 m取样深度，则刺槐的深层水消耗将得到极大的低估，这将导致生态水文过程中的水量平衡无法闭合。同时，若采用水量平衡法来计算地下水补给[29]，其补给量也将被高估。本研究结果将进一步加剧了我们对黄土高原生态恢复是否可持续性的担忧。
4. 结论
在延安地区，三种生态林的土壤水分活跃层为0 ~ 2 m。侧柏、沙棘和刺槐的最大耗水深度分别为12.0 m，12.2 m和23.2 m，16年内深层土壤总耗水量分别为304 mm、664 mm和1763 mm。在仅考虑2 ~ 10 m土层水分的情况下，侧柏、沙棘和刺槐深层土壤耗水量将低估14%、18%和56%。在探究黄土区深层土壤耗水量时应选择合适的土层深度以达到正确地认识深层土壤耗水量的目的。
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图 1 研究区地理位置及试验区样点图
Figure 1. The geographical location of the study area and the distribution of sampling sites
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图 2 不同生态林土壤体积含水量季节性剖面分布特征及其变异系数
Figure 2. The seasonal distribution characteristics and coefficient of variation of soil water content in soil profile for ecological forests
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图 3 草地和生态林的土壤体积含水量剖面分布
Figure 3. The vertical distribution of volumetric soil water content in grassland and ecological forests
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图 4 不同生态林深层耗水速率剖面分布特征
Figure 4. The distribution characteristics in rate of deep-water consumption in ecological forests of different soil layers
表 1 采样试验区样地基本信息
Table 1 The basic information of sampling sites in the study area
植被类型
Land use type海拔
Altitude
（m）树高
Height of tree
（m）胸径
Diameter at breast height
（cm）种植密度
（棵 hm−2）
Planting density坡向
Slope aspect坡度
Slope gradient
（°）侧柏 1234 4.7 ± 0.17 10.8 ± 0.42 1550 北坡 25 沙棘 1251 2.4 ± 0.42 3.5 ± 0.42 − 北坡 25 刺槐 1244 15.6 ± 0.81 10.3 ± 0.85 2500 北坡 29 草地 1244 − − − 北坡 27 
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表 2 不同土层耗水量及其占总深层土壤耗水量的比例
Table 2 Water consumption and proportion to the total deep soil water consumption of different soil layers
土层深度
Soil depth
（m）侧柏 P. orientalis 沙棘 H. rhamnoides 刺槐 R. pseudoacacia 深层耗水量
Deep water consumption
（mm）所占比例
Proportion
（%）深层耗水量
Deep water consumption
（mm）所占比例
Proportion
（%）深层耗水量
Deep water consumption
（mm）所占比例
Proportion
（%）2 ~ 5 142 ± 21 47 ± 8 199 ± 20 30 ± 3 304 ± 38 17 ± 2 2 ~ 10 260 ± 38 86 ± 14 548 ± 20 82 ± 3 775 ± 31 44 ± 2 >2 304 100 664 100 1763 100
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