華 溢,陸彥瑋,李 敏,韋昊延,王建龍,龐薛清秋,司炳成

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100;2.長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054;3.魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 煙臺 264025)

蘋果樹作為中國北方地區(qū)退耕還林(草)工程的主要經(jīng)濟(jì)林,在黃土高原地區(qū)大量種植,已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支柱,然而黃土高原區(qū)氣候干旱和水資源短缺一直是限制當(dāng)?shù)毓麍@生產(chǎn)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(qū)降水補(bǔ)給能力有限,使得果園土壤水分長期處于虧缺狀態(tài),嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)靥O果產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。土壤蒸發(fā)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(guān)鍵指標(biāo)[4]。因此,如何準(zhǔn)確計(jì)算蘋果園土壤蒸發(fā)量并厘清其演變規(guī)律對于旱區(qū)果園水分利用的評價(jià)和管理具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前,評估土壤蒸發(fā)的方法有很多,如渦度相關(guān)法、紅外遙感法和蒸滲儀法等[5]。渦度相關(guān)法是通過風(fēng)速、氣體濃度和水分脈動(dòng)的測定來獲取水分通量,被廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)碳水通量觀測[6];紅外遙感法可通過衛(wèi)星或無人機(jī)遙感觀測的土壤反射率及地表光譜等參數(shù)進(jìn)行陸地蒸散發(fā)的計(jì)算,具有測量面積大、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn);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(fā)的實(shí)時(shí)監(jiān)測[7]。以上方法的廣泛使用極大地推動(dòng)了土壤蒸發(fā)等相關(guān)研究的進(jìn)展。然而對于林下土壤蒸發(fā)量的準(zhǔn)確估算,由于受到冠層阻力等諸多環(huán)境因素的限制,上述方法很難將土壤蒸發(fā)和植物蒸騰有效地區(qū)分開[8]。特別是對于較長時(shí)間尺度的林下土壤平均蒸發(fā)量評估,仍然是當(dāng)前陸地生態(tài)系統(tǒng)水分收支研究中亟需解決的關(guān)鍵問題。

氫氧穩(wěn)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(xù)界面中,蒸發(fā)不僅會(huì)導(dǎo)致土壤水分損失,也會(huì)使土壤水同位素發(fā)生分餾[10],改變土壤水中氫氧穩(wěn)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(fā)量進(jìn)行定量估算。與其他方法相比,氫氧穩(wěn)定同位素方法不受植物蒸騰影響,能夠準(zhǔn)確描述土壤蒸發(fā)通量的變化,同時(shí)具有穩(wěn)定可靠、少次取樣就能估算長時(shí)間尺度土壤蒸發(fā)量等優(yōu)點(diǎn)。秦雯怡等[12]和雷義珍等[13]學(xué)者已嘗試?yán)脷溲跬凰丶夹g(shù)對土壤蒸發(fā)量進(jìn)行估算,但上述研究多基于裸土或草地、農(nóng)地等淺根植被,對于蘋果等深根經(jīng)濟(jì)林少有研究。

本研究以黃土高原典型蘋果種植區(qū)陜西長武塬為例,通過對研究區(qū)農(nóng)地和5個(gè)不同林齡蘋果園土壤剖面氫氧穩(wěn)定同位素的探究,利用Craig-Gordon模型定量估算農(nóng)地和不同林齡蘋果園多年平均土壤蒸發(fā)量,并基于“空間換時(shí)間”方法分析當(dāng)?shù)毓麍@種植及生長(從農(nóng)地到蘋果園種植,再到老齡果樹)對土壤蒸發(fā)的影響。以期為黃土塬經(jīng)濟(jì)林水資源高效利用,乃至退耕還林工程的生態(tài)效應(yīng)評價(jià)提供相關(guān)理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(fēng)氣候。當(dāng)?shù)仄骄０渭s1 230 m,土層深厚,母質(zhì)多為馬蘭黃土,地下水埋深多在30～100 m之間[14]。自20世紀(jì)90年代以來,長武塬區(qū)大力發(fā)展蘋果產(chǎn)業(yè),截至2020年,全縣種植蘋果樹面積已發(fā)展到16 733.33 hm2,產(chǎn)量達(dá)到33.8萬t[15]。

注:圖1(b)采樣點(diǎn)用A表示,其后數(shù)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(qū)地理位置與各采樣點(diǎn)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(qū)農(nóng)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(gè)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(shí)利用人工土鉆每20 cm間隔連續(xù)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(nèi)冷藏,用于土壤水分提取及后期同位素測定。采樣點(diǎn)位置和果園具體信息見表1。

表1 長武塬區(qū)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(qū)域土壤水分補(bǔ)給和植物耗水的重要來源之一[16]。本研究在長武塬區(qū)設(shè)有降水同位素觀測收集點(diǎn)(35°14′N,107°41′E,海拔1 200 m),對當(dāng)?shù)?005—2020年的降水事件進(jìn)行連續(xù)收集并測定其氫氧穩(wěn)定同位素組成。為減少蒸發(fā)分餾對降水同位素組成產(chǎn)生的影響,本研究采用一種防蒸發(fā)的降水收集裝置[17]進(jìn)行大氣降水的收集。該裝置可為本研究降水同位素?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供可靠保障[18]。將收集好的水樣及時(shí)送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氫氧穩(wěn)定同位素組成的測定。此外,研究區(qū)氣溫、降水量、相對濕度等氣象數(shù)據(jù)獲取自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/)。

1.2.3 葉面積指數(shù)測定 蘋果園葉面積指數(shù)(LAI)的測定采用冠層分析儀(Li-2200C,Li-cor,USA)。在每個(gè)蘋果園隨機(jī)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(jìn)行測定,并根據(jù)轉(zhuǎn)換模型估算LAI[19]。在每一個(gè)測點(diǎn)冠層上部測一次,下部(行間及行內(nèi))重復(fù)測4次,并對光散射進(jìn)行校正[20]。為避免光環(huán)境變化對測定結(jié)果產(chǎn)生影響,故選擇在天空散射均勻的清晨或傍晚對LAI進(jìn)行測定。

1.3 氫氧穩(wěn)定同位素測定

在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院示蹤水文學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(tǒng)(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(tài)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(wěn)定同位素組成(2H、18O)。測定結(jié)果基于維也納標(biāo)準(zhǔn)海洋水標(biāo)準(zhǔn),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(fā)損失率計(jì)算

基于同位素質(zhì)量平衡原理應(yīng)用Craig-Gordon模型[21]計(jì)算開放液-汽同位素系統(tǒng)中的蒸發(fā)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(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算[21]:

(2)

(3)

式中,εk表示動(dòng)力分餾系數(shù),基于降水平衡假設(shè),修正系數(shù)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(jù)Gibson推薦計(jì)算公式得到:

(4)

對于氫和氧同位素的計(jì)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(fā)時(shí)液-氣界面的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù),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(fā)的影響,表層土壤經(jīng)常處于干-濕交替的過程當(dāng)中,因此,本文參數(shù)n取平均值0.75。T為溫度(K),選用土壤采樣點(diǎn)臨近國家基本氣象觀測站數(shù)據(jù)。ε+和α+為平衡分餾系數(shù),公式如下:

(7)

(8)

ε+=α+-1

(9)

本研究選用交點(diǎn)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(fā)趨勢線與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(LMWL)方程交點(diǎn)對應(yīng)的同位素值,計(jì)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(fā)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(jì)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(jù)實(shí)測土壤水同位素值和計(jì)算得到的SLEL斜率值擬合得到。本文采用Excel 2016和SPSS 25軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析,使用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水穩(wěn)定同位素組成與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€

如圖2所示,2005—2020年長武塬區(qū)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(quán)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(quán)平均值分別為-57.62‰和-8.54‰,低于多年雨量加權(quán)平均值;而旱季(11月—次年4月)降水δ(2H)、δ(18O)的雨量加權(quán)平均值分別為-43.13‰和-7.51‰,顯著大于多年雨量加權(quán)平均值。當(dāng)?shù)亟邓€(wěn)定同位素組成呈現(xiàn)出明顯的“雨季低、旱季高”的季節(jié)性特征。此外,當(dāng)?shù)亟邓€(wěn)定同位素組成還隨降水量呈現(xiàn)出相反的變化趨勢,具有一定的“雨量效應(yīng)”?；陂L武2005—2020年月降水δ(2H)和δ(18O)數(shù)據(jù),使用最小二乘法構(gòu)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(qū)降水同位素在降落過程中發(fā)生了一定的蒸發(fā)分餾。

2.2 土壤剖面氫氧穩(wěn)定同位素組成與土壤蒸發(fā)線

圖3展示了長武塬區(qū)不同林齡蘋果園和農(nóng)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(nèi),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(nèi)變化最大,變異系數(shù)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(shí),不同林齡蘋果園土壤水δ(2H)、δ(18O)的變異系數(shù)低至5%左右,基本不隨土層深度發(fā)生改變,且土壤水氫氧穩(wěn)定同位素組成與農(nóng)地土壤水基本相近,這表明4 m深度以下的土壤水穩(wěn)定同位素組成并未隨果樹的種植及生長而發(fā)生改變,其氫氧穩(wěn)定同位素信號更多反映了果樹種植前的土壤蒸發(fā)信號。此外,Lu等[24]通過對長武塬土壤水文信息長時(shí)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(fā)等氣候強(qiáng)迫的動(dòng)態(tài)影響,土壤水同位素信息極不穩(wěn)定,穩(wěn)定入滲區(qū)多為2 m以下。因此,本研究選取2～4 m處土壤水氫氧穩(wěn)定同位素的組成信息進(jìn)行研究區(qū)不同林齡蘋果園土壤蒸發(fā)量的計(jì)算。

不同林齡蘋果園和農(nóng)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(wěn)定同位素組成均位于LMWL右下方,表明當(dāng)?shù)亟邓谶M(jìn)入土壤后經(jīng)歷了不同程度的蒸發(fā)分餾。隨著蘋果園林齡的增大,2～4 m土壤水氫氧穩(wěn)定同位素平均值δs也逐漸增加(表2),結(jié)合瑞利分餾理論(公式12)計(jì)算得到的土壤蒸發(fā)線斜率(SLEL=3.29),土壤水穩(wěn)定同位素?cái)M合的蒸發(fā)趨勢線與LMWL形成的交點(diǎn)即為土壤水分來源的同位素信息δo。雖然研究區(qū)土壤水分均來自于當(dāng)?shù)卮髿饨邓?但結(jié)果顯示農(nóng)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(xiàn)不斷富集的變化趨勢(表2)。

圖4 長武塬區(qū)2005—2020年大氣降水線和農(nóng)地及不同林齡蘋果園2～4 m土壤水蒸發(fā)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(nóng)地和不同林齡蘋果園土壤蒸發(fā)量

根據(jù)農(nóng)地及不同林齡蘋果園的δs和δo值,使用Craig-Gordon模型計(jì)算出相應(yīng)的土壤蒸發(fā)損失率f。如表2所示,基于2H計(jì)算的f小于基于18O計(jì)算的f,差值范圍約在-16%～-38 %之間。將2H、18O計(jì)算的土壤蒸發(fā)平均損失率f與研究區(qū)平均降水量(P=573 mm)相乘即可得到農(nóng)地及不同林齡蘋果園對應(yīng)的土壤平均蒸發(fā)量。農(nóng)地及9、12、16、19 a和23 a林齡蘋果園土壤年蒸發(fā)量分別為129、104、89、119、128、136 mm,土壤蒸發(fā)量隨農(nóng)地轉(zhuǎn)化為蘋果園呈現(xiàn)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(fā)的影響

氣象條件和淺層土壤(0～2 m)屬性是決定土壤蒸發(fā)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(qū),故可認(rèn)為所處的氣象要素信息(太陽輻射、飽和水汽壓差、溫度和風(fēng)速等)基本相似,即不是造成農(nóng)地以及不同林齡果園土壤蒸發(fā)量差異的主要原因。鑒于此,將土壤蒸發(fā)量與農(nóng)地及不同林齡蘋果園的土壤平均含水量和土壤質(zhì)地(0～2 m)進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)果顯示,土壤蒸發(fā)量與土壤質(zhì)地(砂粒、粉粒、黏粒)和土壤含水量均無顯著相關(guān)關(guān)系(圖5),說明淺層土壤屬性并不是影響果園土壤蒸發(fā)量變化的主要因素。葉面積指數(shù)表征了植物冠層的發(fā)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(fā)量[26]。在本研究中,不同林齡蘋果園的葉面積指數(shù)與土壤蒸發(fā)量顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.713,P<0.10)(圖5),說明葉面積指數(shù)是蘋果園土壤蒸發(fā)變化的主要控制因子。在農(nóng)地轉(zhuǎn)變?yōu)楣麡浞N植的前中期(農(nóng)地、9 a和12 a蘋果園),由于土壤水分供給充足,冠層覆蓋會(huì)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(xù)增加,土表受蔭蔽比例增大,從而導(dǎo)致土壤蒸發(fā)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(qū)水分的虧缺使得果樹產(chǎn)生干旱脅迫,主動(dòng)減少葉面積來縮減水分需求,維持基本存活,此時(shí)果園土表裸露增加,土壤蒸發(fā)量也相應(yīng)增加,最終高于農(nóng)地蒸發(fā)量。

圖5 農(nóng)地和蘋果園的土壤平均蒸發(fā)量與葉面積指數(shù)和土壤性質(zhì)的相關(guān)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(wěn)定同位素計(jì)算土壤蒸發(fā)的不確定性分析

現(xiàn)有研究表明,基于Craig-Gordon模型計(jì)算的土壤蒸發(fā)與實(shí)測結(jié)果有較好的一致性[27],說明氫氧穩(wěn)定同位素方法在量化土壤蒸發(fā)方面具有一定的準(zhǔn)確性,但并不能保證氫氧穩(wěn)定同位素計(jì)算土壤蒸發(fā)量一定準(zhǔn)確,該方法的準(zhǔn)確性不僅取決于使用Craig-Gordon模型的限定條件,還與模型輸入?yún)?shù)——土壤水蒸發(fā)信號同位素組成的選取息息相關(guān)。本研究通過比較分析農(nóng)地及不同林齡果園土壤水氫氧穩(wěn)定同位素剖面的變化特征,剔除了易受地表氣候環(huán)境動(dòng)態(tài)影響的淺層土壤水(0～2 m)和未受到蘋果種植后土壤蒸發(fā)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(fā)變化的2～4 m土壤水同位素組成來確定δs和δo,進(jìn)而計(jì)算土壤蒸發(fā)量。在實(shí)際情況中,若土壤入滲存在優(yōu)先流,導(dǎo)致部分降水未經(jīng)歷完整的蒸發(fā)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(shí)就已經(jīng)被完全蒸發(fā)。這些情況使得部分土壤蒸發(fā)信號被丟失[23],導(dǎo)致輸入Craig-Gordon模型的土壤水同位素偏貧化,進(jìn)而計(jì)算的土壤蒸發(fā)量被低估。此外,在研究中基于2H、18O計(jì)算的土壤蒸發(fā)量并不相同,這可能是由于植物根系腐爛會(huì)產(chǎn)生氫物質(zhì),導(dǎo)致土壤水中氫同位素發(fā)生變化而變得相對貧化[29],從而造成基于2H計(jì)算出的土壤蒸發(fā)量整體小于基于18O計(jì)算的土壤蒸發(fā)量。因此,未來還需進(jìn)一步對氫氧穩(wěn)定同位素計(jì)算土壤蒸發(fā)的方法進(jìn)行研究和完善。

4 結(jié) 論

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

2)不同林齡蘋果園土壤蒸發(fā)量與葉面積呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系,農(nóng)地轉(zhuǎn)化為蘋果園后葉面積指數(shù)增加,從而使得土壤蒸發(fā)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(chǎn)生干旱脅迫并會(huì)通過減少葉面積來減小水分消耗,從而導(dǎo)致土壤蒸發(fā)量增大。