黄土塬区苹果树吸水策略特征及其对水量平衡的影响
黄土高原大规模退耕还林还草工程导致土地利用类型发生显著变化，改变了生态水文过程，进而影响区域水资源的可持续性。因此，明确环境变化下水文过程的演变机制，对植被和水资源的可持续管理具有重要意义。目前，植被变化对土壤水和地表径流等单个水文变量的影响研究比较充分，但对水循环各组分影响的量化及机理研究较少。特别是在黄土区大量的浅根植物被转变为深根植物，因此，亟需明确此种植被变化对土壤水平衡各组分的影响，并进一步阐述其变化机理。 作为经济树种，苹果树有较高的生态和经济效益，在退耕还林工程中被大规模种植。因此，本研究选取陕西长武和山西大宁地区农地和不同林龄的苹果园作为研究对象，通过样点配对试验、动态监测试验，利用氢氧稳定和放射性同位素并结合水量平衡法分解量化土壤水平衡各组分。分析土地利用变化对土壤水补给机制及土壤水平衡的影响，进一步量化苹果树水分利用策略揭示植被变化影响土壤水平衡组分变化的机理，最后分析苹果园耗水对区域水量平衡及地下水资源可持续性的影响。本研究得出的主要结果和结论如下： （1）黄土塬区农地转变为果园导致土壤含水量明显减少，随苹果树龄加剧深层土壤水分亏缺量，并影响深层土壤水补给。大宁和长武地区农地转变为果园后0~20m剖面土壤含水量减少9%~40%和4%~14%，而在4m以下土层土壤含水量减少20%~42%和10%左右。两个研究区土壤水主要来源于降水以活塞流的形式补给，浅层(0~2m)土壤水容易得到降水的补给，但6m以下土层土壤水仅可能在降水强度大于40mmday-1时得到补给。农地转变为苹果园后导致土壤水补给量减少，农地下土壤水在降水强度大于10mmday-1时可得到补给。然而，苹果园下土壤水仅可能在降水强度大于30mmday-1时得到补给，且深层土壤水补给不仅受季节性降水分布的影响，而且受土壤水滞留时间的影响。 （2）农地转化为苹果园后显著改变了土壤水平衡，苹果园显著增加蒸腾而降低其他水分通量。大宁地区农地转变为果园导致0~15m剖面土壤水储量减少14%~41%，长武地区0~20m剖面土壤水储量减少5%~14%；特别是在6m以下土层土壤水储量严重亏缺，大宁和长武两个地区土壤水储量分别减少22%~45%和6%~20%。长武地区深层渗漏量从27.9mmyear-1减少至1.5~14.3mmyear-1，大宁地区深层渗漏量从25.8mmyear-1减少至零，完全阻碍了潜在地下水的补给。相比农地，两个研究区苹果园蒸腾量增加15%~40%，而蒸发量减少12%~32%。大宁地区不同土地利用下蒸发量占蒸发蒸腾量的31%~41%，蒸腾量占蒸发蒸腾量的59%~69%。长武地区不同土地利用下蒸发量占蒸发蒸腾量的20%~32%，蒸腾量占蒸发蒸腾量的68%~80%。两个研究区苹果园下蒸发蒸腾量占年降水量的100%~114%，年降水已无法满足果树耗水需求，进而导致土壤水储量减少，土壤水平衡各组分发生变化。 （3）土壤水平衡的变化主要受苹果树水分利用策略的变化特征影响。生长季内苹果树根系吸水水源从浅层土壤转向深层土壤，生长季初期主要利用浅层土壤水(0~2m)，根系吸水的比例为64%，而在生长季后期主要吸收利用深层土壤水(＞2m)，土壤水分的贡献率为60%。即使在平水年或丰水年，苹果树从深层土壤中吸收约40%的水分；特别是在平水年，生长季后期根系吸收约66%的深层土壤水，其中，约20%的水可能来自50年前的降水。不同林龄苹果树有相似的水分利用策略，但从不同土层中获取的水分存在差异，成龄果树主要吸收利用浅层土壤水分，而老龄果树吸收利用更多的深层土壤水分。生长季内不同土层土壤水对苹果树根系吸水贡献率与土壤含水量无显著相关性，但水分利用策略受降水、树龄和生理特性的影响。 （4）苹果园耗水改变了黄土中包气带和饱和带之间的水力连通性及区域水量平衡。长武塬地下水位显著下降，主要受地下水开采量增加和苹果园种植减少地下水补给的共同影响。从1995年到2020年，长武塬苹果种植面积和产量不断增加，苹果园耗水量从7.56?106m3增加至84.5?106m3。苹果园耗水量已超过年降水量，降水已无法满足苹果生产耗水需求。从2005年到2020年，苹果园种植导致土壤水储量平均每年亏缺2.46?106m3；截止2020年，苹果园耗水导致区域土壤水储量总亏缺量为36.9?106m3。苹果园耗水导致土壤水储量严重亏缺，潜在地下水补给量减少，进而使得区域水量平衡发生变化，影响区域地下水资源的可持续性。未来在植被恢复中应当权衡植被生长耗水与区域水资源可持续性之间的平衡，特别是在水资源短缺地区的植被恢复。 本研究结果表明，黄土塬区农地转变为苹果园后深层土壤水储量和深层渗漏量显著减少，但蒸发蒸腾量显著增加。这些水平衡组分的变化与苹果树根系吸水策略密切相关，其通过深根系不断从深层土壤中吸收水分以满足耗水需求，导致深层土壤水储量严重亏缺。随苹果园种植面积的不断增加，其耗水量显著增加使得降水无法满足耗水需求，进而减少区域土壤水储量，从而改变区域水量平衡及地下水资源的可持续性。通过分析土地利用变化对土壤水平衡的影响，进一步阐释深根果树水分利用策略变化特征影响土壤水平衡组分变化的机理，有助于加强环境变化下区域水循环演变规律的理解；通过分析苹果园耗水对区域水量平衡及地下水资源可持续性的影响，可为黄土塬区水资源和植被的可持续管理及生态建设提供理论依据。
苹果;根系吸水;土壤水文过程;水量平衡;氢氧稳定同位素
西北农林科技大学
博士
环境科学
李志
2023
中文
S661.1
2023-12-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）