1、2.广西壮族自治区南宁市勘察测绘地理信息院 广西南宁 530022；
3、4．陕西师范大学旅游与环境学院 陕西西安 710062
摘要：通过对咸阳市庞西村不同人工植被0～6m深度范围土壤含水量的实验测定，研究了该地区2008年0-6m深度范围内农田和苹果林土壤含水量的垂向变化和苹果林土壤水分的消耗过程等问题。利用轻型人力钻采取6m深度范围的土层样品，利用可靠的烘干称重法测定土层含水量。所选咸阳人工植被包括10龄和15龄苹果林，麦地和玉米地。研究结果表明，咸阳庞西村麦地和玉米地0－6m平均含水量为16.95％，10龄苹果林地平均含水量为14.61％，比农田低2.34％。6m深度范围内不同树龄苹果林地土壤水分随深度变化特点相似，呈波动减小趋势。由于受丰水年降水的影响，农田秋季土壤含水量最低，春夏冬三季基本持平。庞西村15龄苹果林土壤含水量较低，4m以下土壤含水量普遍小于12％，表明咸阳15龄苹果林地普遍存在土壤干层。本区农田土壤含水量都很高，无土壤干层发育，正常降水年能够满足农作物生长的需求。咸阳地区年降水量为700mm的丰水年之后经过1年的水分消耗就会再次出现土壤干层。利用最小二乘法对研究地区不同人工植被0～6m土壤含水量变化趋势进行模拟，发现5次多项式 对土壤含水量模拟结果最好。
关键词：农田；苹果林；土壤分动垂向变化；土壤水分季节变化；土壤水消耗；咸阳庞西村
很多学者对我国黄土高原土壤水分开展了实验研究[1-3]，现在已经认识到, 黄土高原幼龄期人工林生长很正常, 但在经过约10年之后就出现了退化或生长不良的状况[1,2]。现已经弄清楚其生长不良的原因是中龄的生态林、苹果林、天然林、灌木林地普遍存在不同深度的土壤干层[1,3]，而且延安以北干层发育比延安以南强很多。事实告诉我们，黄土高原“小老树”的出现就是由土壤干层发育造成的[4,5]。王瑜等[6]研究认为，黄土高原油松林地土壤水分随深度增加而减少态势，土壤水分垂直剖面变化一般可分为速变层、活跃层和次活跃层3个层段。前人对陕北农田土壤水分也开展了一系列研究。樊军等[7]研究得出，渭北旱塬地区高产农田的发展加快了土壤深层水分吸收与消耗，影响了区域水循环的自然特性。杨婕等[8]的研究显示，不同供水条件下农田土壤水分变化的主要层次均为80cm之上，120cm以下土层水分含量处于相对稳定状态。过去对陕北农田土壤水所做研究工作很多，而对咸阳所在的关中地区农田土壤含水量开展的研究少。李瑜琴等[9]对2003年丰水年西安地区农田深层土壤含水量进行了观测与实验测定，结果表明在丰水年西安地区400cm以上土层含水量充足。
国际上对土壤水分所做研究[10-13]较多的是土壤水的入渗特性、土壤水运移过程变化、植物蒸腾对土壤水的消耗量变化[14]等，并特别强调数学模型的应用。Yuin[11]等在1998年研究了土层水分的入渗规律化，建立了一定条件下土壤水分的入渗模型。Patricio等通过实验研究，提出了预测土层含水量变化的数学模型[15]。Pariva等研究认为，探地雷达是研究土壤水含量的较理想的便于野外操作利用的先进方法[14]。Manik[16]研究认为，在印度有5%~7%的夏季风降水量来自土壤水和物候因素。Rapp[12]等研究得出，蒸发和地表结壳会使种子发芽受到威胁。此外，还有许多气候变干对土壤水影响的研究[17]。虽然国际上对土壤水开展的实验研究工作很多，但研究的主要是土壤表层0.5m深度范围的土壤水，对2m 以下土层含水量研究确实较少，结合我国深厚黄土层特点和植被建设的研究更是缺少。深部土壤水的研究能够揭示土壤水分运移规律和深部水土壤水资源富集特点，所以研究咸阳地区较大深度范围的土壤含水量变化非常必要。
1研究地区概况与方法
研究的样地在咸阳市西北约10km的庞西村附近，样地人工植被为10龄苹果林和15龄苹果林以及玉米地和麦地。10龄苹果林树高3.5～4.0m，冠径3.0～3.2m，植株间距为2.5m，行距为3.2m，杆径10cm。15龄苹果林树高3.0～3.4m，冠径3.5～4.5m，植株间距为3m，行距为3.5m，杆径18cm。该区地下水位埋深普遍大于20m，植物生长一般不能利用该地的地下水。在夏、秋、冬季对10龄和15龄苹果林地分别进行了2~4个6m深的钻孔采样，在夏季和秋季、冬季和春季对玉米地和麦地分别进行了4个6m深的钻孔采样与土层含水量测定。土层含水量由下述公式计算获得，W=[(W1-W2)/W2]*100%。公式中的W为土层含水量，W1为烘干之前的湿土重，W2烘干之后的干土重。
2结果与分析
2.1咸阳农田土层含水量测定结果
2.1.1春季麦地土壤含水量
2008年3月9日在咸阳庞西村麦地进行了a剖面0～600cm深度范围的取样。2008年4月24日在庞西村麦地进行了b剖面0～600cm深度范围的取样。
由测定结果（图1a）可以得知，a、b剖面土壤含水量变化范围为11.65％～19.89％和17.17％～27.76％，平均为16.65％和22.50％。根据土层水分含量在剖面中的纵向变化，可将其分为3层。第1层位于0～200cm深度范围之间，含水量的变化范围为14.42％～19.51％和17.17％～22.74％，平均为17.50％和18.94％。第2层位于200～400cm深度范围之间，含水量的变化范围为16.40％～19.25％和18.93％～27.76％，平均为17.67％和24.75％。第3层位于400～600cm深度范围之间，含水量的变化范围为11.65％～19.89％和22.59％～26.53％，平均为14.79％和23.81％。由图1可看出，a剖面和b剖面土壤含水量变化特点基本一致，但a剖面土壤含水量比b剖面偏低。
2.1.2夏季玉米地土壤含水量及其变化
2008年6月29日我们在庞西村附近选择了2个玉米地样点进行打钻采样，2个样点相距4m，编号分别为c和d。
由土层含水量实验测定结果（图1c、1d）可知，c、d剖面土壤含水量总的变化范围为11.14％～19.96％和13.58％～21.35％，平均为16.35％和17.55％，根据含水量在剖面纵向上的变化，可将垂向剖面中含水量变化分为3层段。第1层段位于0～200cm深度范围之间，含水量的变化范围为11.14％～19.46％和13.58％～18.92％，平均为13.71％和15.56％。第2层段位于200～400cm深度范围之间，含水量的变化范围为12.65％～19.96％和13.60％～21.23％，平均为16.48％和17.72％。第3层段位于400～600cm深度范围之间，含水量的变化范围为17.97％～19.90％和18.07％～21.35％，平均为18.86％和19.39％。各层段含水量的从高到低的变化顺序依次为第3层段>第2层段>第1层段。由图1可知，c剖面和d剖面土壤含水量变化特点基本相同。
2.1.3秋季玉米地土壤含水量
2008年9月11日我们在庞西村研究区选择了一块玉米地进行采样。共采集2个钻孔剖面的样品，分别编号为a和b。
由土层含水量实验测定结果（图2a、2b）可知，a、b剖面土壤含水量变化范围为9.92％～24.08％和10.25％～25.42％，平均为13.61％和15.00％。据土层含水量在剖面纵向上的变化，可分为3个层段。第1层段位于0～200cm深度范围之间，含水量的变化范围为10.27％～24.08％和10.99％～25.42％，平均为15.34％和15.45％。第2层段位于200～400cm深度范围之间，含水量的变化范围为10.35％～17.65％和16.15％～18.62％，平均为15.00％和17.25％。第3层段位于400～600cm深度范围之间，含水量的变化范围为9.92％～11.04％和10.25％～16.22％，平均值分别为10.50％和12.30％。由图2可看出，a剖面和b剖面土壤含水量变化特点差异不大。
2.1.4冬季麦地土壤含水量
2008年11月18日我们在庞西村研究区选了一块麦地进行采样，共采集2个钻孔剖面，分别编号为c和d。
由土层含水量实际测定结果（图2c）可知，c剖面土壤含水量变化范围为16.90％～26.61％和12.87％～24.25％，平均含水量为20.83％和18.83％。根据土层含水量在剖面纵向上的变化，可分为3个层段。第1层段位于0～200cm深度范围之间，含水量的变化范围为16.90％～26.61％和13.97％～20.73％，平均为21.57％和17.12％。第2层段位于200～400cm深度范围之间，含水量的变化范围为17.36％～23.88％和12.87％～24.25％，平均为20.68％和19.63％。第3层段位于400～600cm深度范围之间，含水量的变化范围为19.62％～21.17％和18.17％～20.91％，平均为20.23％和19.74％。
2.2苹果林地土壤含水量
2.2.1庞西村10龄苹果林地土壤含水量
(1)夏季10龄苹果林土壤含水量: 2008年6月29日在庞西村10龄苹果林地进行了a、b两个0～600cm深度范围的剖面取样。由实验测定数据（图3a、b）可知，a剖面的含水量变化范围为11.33％～15.28％，平均为14.08％。据土层含水量在土壤剖面纵向上的变化，a、b可分为3个层段。0～200cm、200～400cm、400～600cm深度土壤含水量分别在11.33％～15.21％和10.31％～14.69％、13.18％～15.07％和13.63％～17.26％、13.23％～15.28％和15.73％～17.51％之间，3个层段土壤平均含水量分别为13.76％和13.50％、14.40％和15.63％、14.10％和16.80％。由图3可看出，a剖面和b剖面土壤含水量变化特点有一定差别。
(3) 冬季10龄苹果林土壤含水量: 2008年12月2日在庞西村10龄苹果林地进行了c和d两个0～600cm深度范围的剖面取样。由实验测定数据（图4c、d）可知，c剖面的土壤含水量总的变化范围为12.91％～19.45％，平均为15.64％。据纵向上的含水量变化，可分为3个层段：0～200cm、200～400cm、400～600cm深度土层含水量分别为13.18％～19.45％和16.50％～20.30％，平均为16.26％和18.29％；12.91％～17.69％和15.56％～19.57％，平均为15.49％和17.93％；13.62％～18.12％和14.87％～18.77％，平均为15.16％和16.52％。各层段土壤含水量从高到低的变化顺序依次为第1层段>第2层段>第3层段。
3讨论
3.1不同人工植被土壤含水量差异
不同植被生长特点不同，其耗水强度也各不相同，所以土壤含水量差异较为明显[2,6]。对庞西村玉米地和10龄苹果林地土壤含水量数据最小二乘法意义下的五次多项式拟合，结果（图7a）表明，同一地点相同季节和降水量条件下，不同人工植被土壤含水量有很大差别。玉米地平均土壤含水量为16.95％，而10龄苹果林地平均土壤含水量为14.61％，比玉米地少了2.34％。在0～200cm、200～400cm和400～600cm深度范围玉米地的平均土壤含水量分别为14.63％、17.10％和19.12％，10龄苹果林地各层平均土壤含水量分别为13.63％、15.01％和14.76％，比玉米地减少了1％、2.09％和4.36％。从整个剖面来看，农田植被对水分的消耗比苹果林少，且苹果林的耗水深度远大于农田，苹果林根系耗水达到了6m以下，而农田植被耗水和蒸发影响深度为2m或小于2m。造成土壤水分含量垂向差异的主要原因一是人工植被根系分布深度不同，二是与蒸发影响深度有关。包括关中平原在内的黄土高原蒸发影响深度为2m左右，这是麦地和玉米地水分消耗深度可达2m左右的原因。苹果树的根系可达4m以下，造成了4~6m含水量较低。
3.2人工植被土壤含水量的季节变化
降水、气温、光照强度和蒸发量等气候因子的季节性变化，会引起土壤水分发生相应变化[19]。植物的生长具有季节性，随着季节的变化植物对土壤水分的利用和植被覆盖地表的情况随之变化，对土壤含水量也有一定的影响。
由于植物及地面的蒸发与蒸腾作用，使土壤水分不断地向大气逸散，同时每年又有一定的降水补充到土体内，引起土壤水分在剖面上的动态变化[20]，主要表现为土壤剖面上的垂直分布特征、土壤剖面水分分布的季节变化。土壤水分的季节动态在降雨量大或分布不均的年份中差异明显，而在降雨少且分布均匀的年份，土壤水分的季节变化不大 [21]。
我们通过对咸阳庞西村农田春、夏、秋、冬四季土壤含水量数据的最小二乘法意义下五次多项式（），的拟合，结果(图7 b, 表1)显示，农田土壤含水量变化在垂向上可以明显地分为3层。第1层位于地表0～2m深度范围之间，第2层位于地表以下2～4m深度范围，第3层位于地表4～6m深度范围，虽然这3个分层的具体情况在不同样点稍有变化，但是规律性仍然非常明显。
通过对咸阳庞西村10龄苹果林地2008年夏、秋、冬三季土壤含水量数据的最小二乘法意义下五次多项式（）的拟合，结果(图7c) 显示，同一研究区的同一种植被在不同季节，土壤含水量虽然有一定的规律性变化，但也有差别。根据土层含水量从上到下的变化，10龄苹果林土壤含水量变化在垂向上可以明显地分为3个层段。第1层位于地表以下0～200cm深度范围，第2层位于地表以下200～400cm深度范围，第3层位于地表400～600cm深度范围。
10龄苹果林地夏秋冬3个季节土壤含水分别为14.47％、14.61％和15.00％。根据含水量从上到下的变化，各层土壤含水量的变化规律为第2层﹥第3层﹥第1层。可以看出，10龄苹果林地土壤含水量季节变化不大。这是由于在2008年之前的丰水年为2m以下储存了较多的土壤水，在经过2007年苹果林的消耗之后，使得2-6m深度之间的含水量，减少，导致剖面含水量差异较小。
4结论
综上所述，可以得出以下结论：
（1）咸阳庞西村不同人工植被土壤含水量存在差别，农田土壤平均含水量为16.95％，10龄苹果林地平均土壤含水量为14.61％，比农田低2.34％，表明果树经济林比农田耗水多。苹果林的耗水深度远大于农田，苹果林耗水深度达到了6m以下，而农田的蒸发与蒸腾消耗水分的深度为2m左右。
（2）本区农田土层含水量很高，农田没有土壤干层发育，降水正常年农田土壤含水量能够满足农作物生长的需求。
（5）利用最小二乘法对咸阳地区不同人工植被0～6m深度范围土层含水量变化趋势进行模拟，发现5次多项式 对土壤含水量模拟结果最好。
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基金项目：国家自然科学重点基金项目（41210002）。中国科学院黄土与第四纪地质国家重点实验室项目（SKLLQG1428）
作者简介：陈成全，（1976-），男，高级工程师，主要从环境与工程研究。E-mail：ccqyfz@163.com。
Study on the dynamic change of soil moisture of artificial vegetation near Xianyang
Cheney Chengquan1 Li Yanfang2 Zhao Jingbo2
(1.Nanning Exploration﹠Survey Institute, Nanning 530000 Guangxi China; 2. College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062 Shaanxi China)
Abstract: In this paper, we research on the soil water content of the farmland and the apple orchards from 0 to 6m deep and the consuming process of water consumption in apple orchards in 2008 by measuring the soil water content at the depth of 0~6m in different artificial vegetation in Pangxi village, Xianyang. The sample at the depth of 0~6m we drill by lightweight manpower, the soil water content we measure by reliable oven drying method. The artificial vegetation include 10-aged and 15-aged apple orchards, corn and wheat fields. The research result shows that, in this area, the average soil water content at the depth of 0~6m in corn, wheat fields and 10-aged apple orchards are 16.95% and 14.61% respectively. The Variation characteristics with the change of the depth of the soil water content at the depth of 0~6m in different ages of the apple orchards are familiar with each other, which both show a fluctuated decreasing trend. Because of the impact of rainy year, the soil water content vary with s easons, being the minimum in autumn, and almost equal in spring, summer and winter. In Pangxi village, the soil water content of the 15-aged apple orchards is lower than the farmland and the 10-aged apple orchards, which are generally less than 12% at the depth of 4meters, the results indicate that the soil-drying layer is widely distributed in the 15-aged apple orchards in this area. The soil water content of the farmland is relatively high and this high level can meet the demands of the crop growth, at the same time, we have not yet found soil-drying layer in this fields. The rainy year of precipitation of Xianyang is 700mm, after a period of 1 years consumption, the soil-drying layer will return appear. Finally, we find that this quintic polynomial are in general agreement with the experimental result by simulating the trends of the soil water content at the depth of 0~6m in different artificial vegetation in this research area based on the least square method.
Keyword: Farmland; Apple orchards; Seasonal change of soil moisture content; Consumption processes of soil moisture content; Pangxi village in Xianyang
论文作者:陈成全1,叶凤珍2,李艳芳3,赵景波4
论文发表刊物:《基层建设》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/14
标签：含水量论文; 剖面论文; 土壤论文; 深度论文; 水分论文; 土层论文; 土壤含水量论文; 《基层建设》2017年第8期论文;