黃土地區(qū)土壤持水能力的初步研究

黃河上游黃土通常指黃土覆蓋的地區(qū)，即厚黃土覆蓋的長城以南、秦嶺以北、太行山以西、西寧以東。包括整個黃土高原及南部海拔低于800米的黃土臺塬及高階地區(qū)。由于這一地區(qū)土壤均發(fā)育于黃土母質(zhì)之上,又同屬季風(fēng)區(qū),所以在土壤水分的性質(zhì)與循環(huán)特征上存在很多相似規(guī)律性。過去把土壤水分作為一個肥力因素,研究它的狀況、移動及其和作物生長的關(guān)系,曾有過不少報道(李玉山,1962、1965、1980;楊文治等,1981;西北水保所土壤水分組,1977)。但土壤作為一個自然體,它的水分特征與循環(huán)、入滲與蒸發(fā)、虧缺與補給對陸地水分生態(tài)環(huán)境的影響,則歷來注意較少。本文試圖在這方面,做一初步探討。本文所采用的資料多取自陜西省黃土區(qū)。因為陜西黃土區(qū)縱貫黃土地區(qū)南北全境,有充分的代表性。一、土壤持水能力土壤持水能力是影響土壤水分循環(huán),進而影響陸地水分循環(huán)的重要因素。這一能力通常用田間最大持水量表示。田間最大持水量指土壤被充分濕潤后,在無蒸發(fā)和無地下水影響下,重力水排走后,土壤保持懸著水的最大數(shù)量。一般情況下,土壤持水能力隨土壤質(zhì)地變細而升高。黃土地區(qū)由北向南存在有明顯的質(zhì)地地帶性(劉東生,1964)。但在廣泛地研究了黃土區(qū)多點土壤持水性能之后發(fā)現(xiàn),在相當(dāng)廣闊范圍內(nèi),包括由北向南的輕壤土帶、中壤土帶和重壤土帶,土壤的田間最大持水量非常相近。其值變動在18.6—22%(占干土重%)范圍內(nèi),多數(shù)為200%±0.5。容重大部變動在1.25—1.35。每米土層持水能力為240—286毫米(表1)。盡管從全國土壤的田間最大持水量范圍由5—40%來看,其持水能力尚屬中等。但由于黃土區(qū)土壤具有深厚的土層,其所保持的水分總量是巨大的。如武功壤土剖面各層持水能力分別為268—305毫米/米,5米土層持水總量高達1,448毫米(表2)。表1所列各類土壤與此類似。就整個黃土區(qū)講,土壤持水能力達到這個水平的面積約占80%。土壤持水能力相近的面積如此之大,而且包括了不同質(zhì)地,其原因和黃土顆粒組成及其孔隙特征有關(guān)。黃土性土壤以含粉粒(0.05—0.001毫米)為主,大部地區(qū)粉粒含量占69.7—81.7%(表1)。而且大于0.05毫米的砂粒主要是細砂。中、粗砂含量不足1%。根據(jù)這種顆粒組成,可以認為,黃土性土壤具有類似的孔隙組成。在有機質(zhì)含量普遍小于1%,礦物組成以伊利石為主的黃土中,孔隙持水看來是影響土壤持水能力的主要因素。深厚的黃土性土壤,可看作是一個蓄水庫容很大的土壤水庫,它具有地面水庫類似的功能:蓄積降水,長期保存,調(diào)節(jié)洪枯,持續(xù)供應(yīng)植物。這種調(diào)節(jié)作用對季風(fēng)區(qū)降水分布不勻所造成的旱情,起到有益的緩和作用(南京土壤研究所,1978)。黃土區(qū)南部,包括山西晉南、陜西渭北、甘肅隴東塬區(qū),成為我國北方著名產(chǎn)麥區(qū),即和黃土性土壤的土壤水庫功能,即伏雨春用效應(yīng)密切相關(guān)。研究表明(東官莊早地小麥編寫組,1978;李玉山,1962),盡管這一地帶小麥生長期降水量只相當(dāng)于需水量的二分之一左右,但仍具有較好的穩(wěn)產(chǎn)性和較大的豐產(chǎn)潛力,原因在于土壤水庫以底墑水形式提供了另外一半水量。這部分底墑水于小麥播種年份蓄積在土壤中,一直保存到翌年3、4月供小麥需水盛期利用。這即所謂傳統(tǒng)農(nóng)諺所說的“麥收隔年墑”。深厚疏松黃土層的巨大容水能力對陸地水分循環(huán)也發(fā)生重要影響。它能夠截流并保持大部乃至全部入滲水量,減弱了轉(zhuǎn)化為地下逕流的可能性,從而削弱了水分的大循環(huán)過程,加強了水分小循環(huán)過程。這一點在下面還將討論到。二、蒸發(fā)蒸騰和東南角材料黃土區(qū)大部土地辟為農(nóng)田,小部為林地和自然草地。在土壤水分平衡支出諸項目中,蒸發(fā)蒸騰占主導(dǎo)地位。特別在南部塬區(qū)(海拔500—1000米的高平原),逕流和滲漏的發(fā)生機率很小。多數(shù)年份中,蒸發(fā)蒸騰幾乎是土壤水分支出的唯一途徑。1.土壤水分循環(huán)層深度特征與降水量的關(guān)系在無植被條件下,土壤總蒸發(fā)量等于土壤蒸發(fā)量;在有植被條件下,還包括植物蒸騰量。根據(jù)黃土源區(qū)多點觀測資料,裸地和一年生作物地年土壤總蒸發(fā)量和年降水量非常接近。表3列出了洛川塬區(qū)農(nóng)田1977—1981年的土壤總蒸發(fā)量資料。這幾年降水入滲最大深度小于250厘米,沒有滲漏發(fā)生。資料計算土層采用2米。在觀測年份內(nèi),裸地年土壤蒸發(fā)量為488.6—640.1毫米,同期降水量為417.4—696.1毫米,二者比值為0.92—1.17,五年平均為0.98。小麥田年土壤總蒸發(fā)量為436.8—583.6毫米,和降水量的比值五年平均為0.94。雖然各年土壤總蒸發(fā)量和降水量都有一定差別,但從一個較長周期看,二者幾乎相等。這種相近現(xiàn)象是由該區(qū)的氣候干濕狀況和土壤性質(zhì)決定的,也和土壤水分循環(huán)層深度特征有關(guān)。洛川塬區(qū)年平均降水量620毫米,以Penman法計算,年平均蒸發(fā)力為824毫米,干燥度1.36。土壤實際總蒸發(fā)量受到降雨水分給源的限制一般不會高于降水量;同時由于本區(qū)土壤有較大的持水能力和較厚的蓄水層,常年降水量多被攔蓄在土壤水分物理蒸發(fā)作用層內(nèi)(裸地)或蒸發(fā)蒸騰作用層內(nèi)(作物地),在較長的旱季之中,水分有足夠時間又通過物理蒸發(fā)或蒸發(fā)蒸騰重新消耗,所以也不致明顯低于降水量。如果在土層薄和地下水位高的條件下,情況將與此不同。盡管洛川塬區(qū)麥田年土壤總蒸發(fā)量和裸地相近,但年內(nèi)土壤中水分循環(huán)強度不同。由于麥田多一項蒸騰耗水,旱季中土壤干燥強度加劇,土壤儲水量遠低于裸地。值得注意的是,通過雨季降水補充,在兩米深土層內(nèi),兩類田塊恢復(fù)到相似的儲水量水平(表4)。這種循環(huán)特征對于增強生長于旱季的冬小麥的供水保證性是有利的。多年生牧草地蒸發(fā)蒸騰量大于一年生作物地,也大于年降水量。武功苜蓿地年總蒸發(fā)量為636—754毫米(表5),降水不足部分由土壤儲水中吸取補充。如1962年降水525.1毫米,蒸發(fā)蒸騰量為731毫米,從5米土層內(nèi)共吸取補充了205.9毫米儲水,底土內(nèi)開始出現(xiàn)干層。1963年2米以下土層供水26.5毫米。1964年降水量雖高達887.6毫米,為12年一遇,3米土層內(nèi)儲水有所恢復(fù),但仍從3—5米深度土層內(nèi)吸取了30.9毫米儲水,以補充旱季供水量之不足。畜牧種植后蒸發(fā)蒸騰量大于降水量的結(jié)果,使深層土壤水分虧缺量不斷增大,導(dǎo)致了干層的形成。2.蒸發(fā)蒸騰作用的干燥強度土壤物理蒸發(fā)及蒸發(fā)蒸騰作用層深度是決定黃土區(qū)土壤水分循環(huán)層深度的主要因子,并影響水的循環(huán)方式。降水入滲只有超過作用層深度才能形成滲漏,即不再上移蒸發(fā)或被根系吸收,重又直接返回大氣層中。否則,降水被截留在蒸發(fā)蒸騰作用層內(nèi),轉(zhuǎn)化為土壤水,不參予地下水循環(huán),形成土壤大氣的水分循環(huán)方式。圖1中曲線2表明了裸地土壤物理蒸發(fā)影響深度。武功達到230厘米,洛川較武功深得多。而且蒸發(fā)所引起的土壤剖面干燥強度,也較武功大得多。武功土在地表60厘米以下,長期蒸發(fā)后失水量不超過田間最大持水量的10%,而洛川可達25%。由氯離子標記的實驗表明,這些水分都是以液態(tài)形式上移至蒸發(fā)面氣化蒸發(fā)的。蒸發(fā)面的深度一般位于地表7厘米以內(nèi)1)。一年生作物如小麥、玉米、棉花等的蒸發(fā)蒸騰作用層則較裸地為深,如武功可達350厘米。特別是,蒸騰作用可引起土壤剖面相當(dāng)深度內(nèi)強烈干燥。洛川情況類似(圖1)。地處晉西的離石,各種作物具有相似的利用土壤深層儲水的較大能力(圖1)。多點資料表明,在黃土區(qū),一年生作物能夠利用土壤深層,包括土質(zhì)層的儲水是一普遍性特征。主要用水層一般達到2米或更深。其中1—1.5米土層可利用到萎蔫濕度。這意味著,與無作物地相比較,將形成更大的土壤水分虧缺。同樣的降水量,下滲深度將顯著變淺。與一年生作物相比較,多年生牧草和林木具有更深的用水層。圖2給出了武功、吳旗和子午嶺三地的苜蓿(4年生)、沙打旺(7年生)和40年生茂密遼東櫟和白樺混交林的資料?？梢耘袛喑?蒸發(fā)蒸騰作用層均達到8米上下。特別是沙打旺和混交林地,作用層內(nèi)土壤濕度幾乎干到萎蔫濕度的程度。研究表明,主要作用層深度和根系分布深度相應(yīng),常可根據(jù)蒸發(fā)蒸騰作用層深度來判斷根系生長深度。三、農(nóng)田地土壤水分虧缺量的變化在半干旱至半濕潤的黃土地區(qū),由于地下水深埋,蒸發(fā)力大于降水量,致使土壤經(jīng)常處于水分虧缺狀態(tài)。圖3表明,洛川塬區(qū)裸地農(nóng)田甚至單純在物理蒸發(fā)影響下,除雨季期間土壤儲水得到完全恢復(fù),虧缺現(xiàn)象短期消失外,在全年絕大部分時期(1978、1979),甚至所有時期(1977),土壤水分都有一定虧缺,虧缺量在100毫米上下。武功情況與此類似。這可能是半濕潤黃土區(qū)土壤水分循環(huán)的一個特征。農(nóng)田種植作物之后,土壤水分虧缺量增加?，F(xiàn)以黃土區(qū)南部播種面積占耕地50%的小麥田為例。表6列出了3個地區(qū)共16個年份中,麥田土壤水分虧缺量和降水年滲深資料?？梢钥闯?兩米深土層虧缺量大于200毫米的年份占50%,100—200毫米的年份占35%,小于100毫米的年份占15%。在被統(tǒng)計年份中,降水最大滲深一般小于3米,早年只有1米。唯有武功在豐水年可滲至5米以下。黃土區(qū)降水年滲深D決定于(1)雨季降水量Pr(毫米),(2)同期土壤總蒸發(fā)量Er(毫米),(3)雨季前土壤水分虧缺度d(容積%)。其關(guān)系可用下式表示:。陜西延安以南雨季降水量一般300—400毫米,同期Fr約占降水量60%以上,夏閑麥田d為0.07—0.12,降水年滲深多在120—250厘米深。大秋作物由于Fr增大,盡管d偏小,但滲深一般較夏閑地為淺。多年生人工牧草地和茂密林地所形成的土壤水分虧缺,不論在影響深度和虧缺程度上,都遠遠超過一年生作物地。苜蓿、沙打旺和混交林三種植被下,蒸發(fā)蒸騰作用層內(nèi)水分虧缺量,在全生長年限內(nèi)累積高達1,000毫米以上(表7)。如此巨大的虧缺量是由于逐年吸取土層儲水以補充地上植被需水缺額的結(jié)果?？梢韵胂?即使在豐水年,此種虧缺也不可能得到完全恢復(fù)。這樣就會在入滲層之下形成一個干層。干層的存在是黃土區(qū)研究工作中還未充分注意到的問題。四、黃土區(qū)土壤干層在黃土地區(qū),包括半干旱和半濕潤區(qū),一定深度土層下是否存在干層,干層形成的條件、分布范圍,以及干層內(nèi)土壤干燥程度等,無疑是環(huán)境生態(tài)學(xué)中的一個重要問題。自60年代中期在陜西東部旱塬(蒲城)發(fā)現(xiàn)干層以來(西北水保所土壤水分組,1975),這個問題至今還缺乏必要的研究。根據(jù)目前掌握的資料,黃土區(qū)土壤干層有兩類,一類是利用型干層,或稱暫時性干層;一類是地區(qū)型干層,或稱持久性干層。1.最大濕水分分布剖面其形成原因是由于某種土地利用方式所致。一旦利用方式改變,干層可以消失。消失過程的長短視該地區(qū)降水和蒸發(fā)蒸騰平衡情況而定。半濕潤地區(qū)的多年生牧草地和林地屬于此類。武功地區(qū)屬半濕潤區(qū),種植多年生苜蓿后,將在底土內(nèi)形成干層。其形成過程可從圖4中看到。圖4是苜蓿的前作地和1—4年生苜蓿地(1960—1964)各年雨季后土壤的最濕水分分布剖面(圖4)。苜蓿于1960年10月播種,前作是一年生作物地,具有一連續(xù)濕潤剖面。1961年秋末苜蓿生長一年后,210厘米土層以下開始出現(xiàn)干層,降水當(dāng)年滲深為210厘米。1962年降水量較蒸發(fā)蒸騰量少205.9毫米,繼續(xù)吸取土壤儲水,干層延伸到480厘米深。1963年延伸到5米以下。1964年雖遇豐水年,一年生作物地滲深超過5米,但苜蓿地最大滲深為340厘米,干層未能消除。此類干層將持續(xù)存在到苜蓿翻耕以后。苜蓿產(chǎn)草量三年之后下降,看來也和土壤水分循環(huán)特征,即干層的出現(xiàn)有關(guān)。干層的土壤濕度可降低到田間最大持水量的60%。甘肅子午嶺郁密度為0.9的混交林,干層存在于3—8米深度。干層的土壤濕度降低到田間最大持水量的40%,即接近萎蔫濕度。利用型干層分布在半濕潤地區(qū)。一年生作物農(nóng)田因年降水量和蒸發(fā)蒸騰量基本平衡,豐水年尚有余,一般不存在干層(圖5)。但牧草和林地,由于總蒸發(fā)量持續(xù)大于年降水量,導(dǎo)致干層形成。但當(dāng)牧草翻耕或林木疏伐、采伐后,土層濕潤將能夠逐年恢復(fù)。2.牧草地干層的分布這是由于地區(qū)性水量負平衡所形成的干層。一旦形成后,不因土地利用方式的改變而消失。這可能是半干旱地區(qū)土壤水分循環(huán)的一個特征。陜西省東部旱塬即屬此類。該地區(qū)年降水量540毫米,年蒸發(fā)920毫米,干燥度1.74,屬半干旱區(qū)。據(jù)測定各種一年生作物和牧草地,在3米土層以下均有干層存在。干層的土壤濕度相當(dāng)于田間最大持水量的65—80%,即14一17%(表8)。干層的普遍存在證明它具有地區(qū)性質(zhì)。從根系研究和土壤水分的傳導(dǎo)性質(zhì)可以判斷,苜蓿、沙打旺、遼東櫟白樺混交林下干層的形成,主要是根系直接吸收造成的。7年生沙打旺根系最大深度為9米。沙打旺干層向下延伸和根系的延伸是一致的(曹淑定等,1982)。至于一年生作物下干層的形成,看來不是由于根系直接吸收所造成。據(jù)我們研究,小麥根深最大為320厘米,玉米、高粱、谷子、棉花根深都不超過3米。那么,表8所列一年生作物下干層是如何形成的?這可能是由于根層和下層土壤水勢梯度差所引起的水分向根層逐年上移的結(jié)果。根本原因仍然是降水和作物需水負平衡所造成。土壤干層的存在,說明土壤中液態(tài)水分的循環(huán)方式是土壤大氣,而不是大氣土壤地下水。五、蒸發(fā)蒸騰作用層深度低，蒸騰水分虧缺黃土區(qū)土壤水分循環(huán)的前述基本特征,即巨大的蓄水庫容卻又經(jīng)常處于水分虧缺狀態(tài);降水可滲入深層卻很少能超過蒸發(fā)蒸騰作用層深度;土壤水分收支的負平衡導(dǎo)致底土內(nèi)干層的形成等等對陸地水分循環(huán)和生態(tài)環(huán)境必然產(chǎn)生不可忽視的影響。1.土壤入滲形態(tài)變化黃土區(qū)地下水埋深大部為50—100米,降水幾乎是唯一的補給源。特別在周圍受深溝割切缺乏地下水水平補給的黃土塬面上,降水的垂直入滲成為地下水補給的主要形式。降水怎樣通過厚達數(shù)十米、甚至百米的包氣帶,即水分不飽和層,傳遞到地下水,是當(dāng)前水文地質(zhì)界普遍關(guān)心的問題。因為在地下水儲量計算中,降水補給系數(shù)是必要的參數(shù)。本文僅就降水以液態(tài)形式垂直入滲補給地下水問題,根據(jù)土壤水分循環(huán)特征,做一初步分析。黃土區(qū)水分下滲就其主導(dǎo)作用講,可區(qū)分為兩種機制,一是重力下滲為主導(dǎo),一是吸力下滲為主導(dǎo)。前者出現(xiàn)在土壤含水量超過田間最大持水量之后,后者出現(xiàn)在低于田間最大持水量,且具有上濕下干(在均質(zhì)土壤剖面中)水分分布剖面情況下。輕質(zhì)壤土中,吸力下滲移動可達到很大距離,但對于地下水補給并無意義。因為這種形態(tài)的水分,給水度等于零。只有重力下滲才對地下水有意義。而重力下滲必須滿足下述條件才能補給地下水:(1)降水入滲量超過土壤水分虧缺量;(2)入滲深度超過作用層深度。如前所述,黃土區(qū)土壤有巨大的庫容,有很深的蒸發(fā)蒸騰作用層,有很大的虧缺水量。年降水量穿過全部水分虧缺層是難達到的。半干旱地區(qū)內(nèi)地區(qū)型干層的存在,說明重力水入滲深度有限。由此可見,塬區(qū)農(nóng)田就地垂直入滲補給地下水幾乎是不可能的。半濕潤地區(qū)利用型干層的存在說明補給是周期性的。據(jù)武功資料,從1957—1966年十年中,年降水滲深穿過一年生作物地蒸發(fā)蒸騰層的有二次。宏觀地看,年降水量大于700毫米,一年生作物農(nóng)田才能滲至5米以下。武功有氣象記錄45年中,降水量大于700毫米的年份占22%,和1957—1966年間實測資料相吻合。在半干旱的蒲城地區(qū),土壤水分虧缺量高出武功約100毫米,入滲5米需850毫米降水量。有氣象記錄的33年中,最高年降水量為836毫米?？磥須v年降水未能穿透蒸發(fā)蒸騰作用層。這也和存在地區(qū)型干層的情況相吻合。七十年代以來黃土源面純井灌區(qū)地下水位大幅度下降(10—16米)的事實值得引起我們嚴密的注意。當(dāng)然,在黃土區(qū)還有大量溝谷地形,構(gòu)造洼地和局部洼地。逕流匯集于其上,當(dāng)會形成深層滲漏,轉(zhuǎn)化為地下水。某些作者尚認為氣態(tài)凝結(jié)補給其量不少,每年可達100毫米(柯夫達,1981)。本文討論只限于有植被的塬面或坡地,地下水平衡中的其它成分不在本文討論范圍之內(nèi)。2.地下水的產(chǎn)生和土壤保水性的變化森林的水源涵養(yǎng)作用通常被認為是,可以攔蓄暴雨,把地表逕流轉(zhuǎn)化為地下逕流,促進水流均勻地進入江河水庫(東北林學(xué)院,1981)。關(guān)于森林由于樹冠截流,落葉腐殖層保水和高滲透率等作用減弱暴雨逕流的作用已較明確。但使地面逕流轉(zhuǎn)化為地下逕流的過程卻缺乏明確定量的描述,而多少帶有推論性質(zhì)。有者把林地上壤蓄水能力高,看成轉(zhuǎn)化為地下水的原因(陜西省水