梁海斌, 史建偉, 李宗善, 牛俊杰,4

(1.中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;3.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 太原 030006; 4.太原師范學(xué)院 汾河流域科學(xué)發(fā)展研究中心, 太原 030012)

晉西北黃土丘陵區(qū)是半濕潤區(qū)與半干旱區(qū)中非常典型的生態(tài)過渡帶與環(huán)境脆弱區(qū)，氣候干旱，大氣降水是區(qū)域土壤水分的唯一可靠來源，同時也是當(dāng)?shù)刂脖唤ㄔO(shè)的主要限制性因子之一。深層土壤干燥化，是該地區(qū)普遍存在的一種特殊土壤水文虧缺現(xiàn)象，其最直接的后果就是形成土壤干層，導(dǎo)致土壤水分環(huán)境惡化，并引起一系列的生態(tài)環(huán)境問題。因此，進(jìn)行區(qū)域土壤干燥化效應(yīng)的深入研究對植被恢復(fù)與建設(shè)有著重要的現(xiàn)實意義。

土壤干燥化是黃土高原的干旱氣候、風(fēng)成土壤和林草植被等各種生物、非生物因素共同作用下所形成的一種獨特的土壤水文現(xiàn)象，是由于自然降水、土壤貯水和林草植被耗水關(guān)系失衡所導(dǎo)致的，其直接結(jié)果就是深層土壤的貯水量明顯減少，并形成具有較低土壤含水量范圍、位于降水入滲層以下、形成后具有持久性等一系列特點的土壤干層[1]。土壤干燥化會引起土壤質(zhì)量下降、地表水與地下水聯(lián)系中斷、干層厚度的加深、林草植被衰退、局部小氣候環(huán)境趨于旱化等問題。自20世紀(jì)60年代，在陜西的蒲城、澄城地區(qū)最早發(fā)現(xiàn)以來，土壤干燥化范圍逐步擴大，干層厚度不斷增加，給整個黃土區(qū)土壤水文狀況帶來了嚴(yán)重影響[2]，并成為黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)中最棘手的問題。由于土壤干燥化現(xiàn)象所帶來的日益嚴(yán)重的危害，越來越多的學(xué)者開始重視，并研究處理這一問題。但目前，有關(guān)黃土高原地區(qū)的土壤干燥化研究仍然處于初期的現(xiàn)象揭示階段，只從宏觀方面對土壤干層的涵義、分布類型、成因危害、影響因素和減緩措施等方面進(jìn)行了初步研究[3-16]，并沒有從定量分析的角度形成統(tǒng)一的土壤干層的量化指標(biāo)和分級標(biāo)準(zhǔn)。雖然部分學(xué)者提出了土壤干燥化的判別標(biāo)準(zhǔn)和量化指標(biāo)[8,10,17]，但這些指標(biāo)有著一定的隨機性和區(qū)域性，并不能夠完全適應(yīng)整個廣袤的黃土高原地區(qū)。目前，李軍等[13]基于土壤含水量、土壤穩(wěn)定濕度和凋萎濕度建立起的土壤干燥化指數(shù)，已經(jīng)在黃土高原的南部半濕潤地區(qū)、中部半干旱地區(qū)和北部半干旱偏旱地區(qū)等不同降水類型區(qū)域內(nèi)，廣泛地研究了林草植被和農(nóng)田的土壤干燥化效應(yīng)，這個指數(shù)基本上可以當(dāng)作黃土高原地區(qū)的土壤干層的統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)。

另外，在晉西北黃土丘陵區(qū)，土層深厚，地下水埋深大，一般不參與土壤水循環(huán)的過程，對人工林地的土壤干層水分恢復(fù)的意義不大，所以人工林地土壤干層水分的恢復(fù)、補償與大氣降水和土壤水分的蒸散發(fā)密切相關(guān)。近年來，關(guān)于降水在土壤層中的入滲深度及對土壤干層水分的恢復(fù)程度研究越來越引起學(xué)者的關(guān)注[18-19]，其中李軍[13]、樊軍[15]等比較分析了紫花苜蓿草地及不同年限苜蓿翻耕地的土壤濕度恢復(fù)狀況，得出翻耕休閑和作物輪作兩種方式都可以有效地促進(jìn)苜蓿草地土壤干層水分的逐步恢復(fù)。因此，本研究通過對晉西北黃土丘陵區(qū)不同林齡檸條林(CaraganakorshinskiiKom.)及對照撂荒地深層土壤水分測定與分析，定量評價其土壤干燥化強度、土壤干層厚度，判斷土壤干層水分恢復(fù)到土壤穩(wěn)定濕度和撂荒地土壤濕度的所需時間，以揭示該區(qū)域內(nèi)不同林齡檸條林地的深層土壤干燥化特征，探索土壤干燥化防治措施，為晉西北黃土丘陵區(qū)人工檸條林的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省忻州市五寨縣張家坪林場，地理坐標(biāo)介于111.771°—111.787°E，38.962°—38.981°N，海拔1 397～1 533 m。本區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏秋雨量集中。年平均降雨量為478.5 mm，且年降雨量的50%以上集中在7—9月(圖1)，年平均氣溫4.1℃～5.5℃，最冷月(1月)平均溫度-13.2℃，最熱月(7月)平均溫度20.0℃，平均日照時數(shù)2 872 h，平均無霜期125 d。該區(qū)土壤類型主要為黃土狀淡栗褐土，林場內(nèi)為人工植被覆蓋，喬木主要有：小葉楊(PopulussimoniiCarr.)、旱柳(SalixmatsudanaKoidz.)和油松(PinustabuliformisCarr.)，灌木主要為人工檸條林(CaraganakorshinskiiKom.)，林下草本植物有白羊草[Bothriochloaischaemum(L.)Keng]、蒿類(Artemisiaspp.)、沙蓬[Agriophyllumsquarrosum(L.)Moq.]等。

圖1研究區(qū)2013年生長季降雨分配

本文主要針對五寨縣張家坪林場3種不同林齡(10 a，20 a，35 a)的檸條林地進(jìn)行研究，并以多年撂荒地作為對照，各樣地基本概況見表1。

1.2　研究方法與數(shù)據(jù)處理

1.2.1野外取樣為避免地貌部位、坡度和坡向等的不同對土壤水分的影響，采樣點均選擇在同一坡面、地形因子等立地條件相近的地方。選取試驗區(qū)中3種不同林齡(10 a，20 a，35 a)的人工檸條林地及對照撂荒地，布設(shè)典型樣地4塊，用GPS定位并作標(biāo)記。于2013年4月下旬—10月下旬定期對標(biāo)記過的10 a，20 a，35 a人工檸條林及對照撂荒地進(jìn)行土壤樣品采集，共采集7次。根據(jù)W形路線在距離檸條基部1 m左右處布設(shè)取樣點，每一樣方內(nèi)布設(shè)3個取樣點，采用人工土鉆取樣，取樣深度為600 cm，取樣間距為10 cm，每孔共計取樣60層。所取土樣裝入鋁盒內(nèi)，為避免水分散失，鋁盒用膠帶密封包裝，并遮光保存，帶回實驗室分析測定。

表1　試驗樣地基本特征

1.2.2相關(guān)土壤水分指標(biāo)計算本試驗研究采用烘干稱重法進(jìn)行土壤水分含量測定，將樣品及時用分析天平稱重后，置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，在105℃高溫條件下，連續(xù)烘干24 h，達(dá)到恒重后稱重。

土壤含水量的計算公式為：

SMC=(g1-g2)/(g2-g)×100%

(1)

式中：SMC為土壤含水量(%)；g為空鋁盒重量(g)；g1為空鋁盒與濕土重(g)；g2為空鋁盒與干土重(g)。

土壤貯水量(mm)=0.1×土壤含水量×土壤容重×土層厚度(cm)

(2)

土壤有效貯水量(mm)=土壤貯水量-凋萎濕度時土壤貯水量

(3)

土壤干燥化指數(shù)計算公式為：

SDI=(SMC-WM)/(SSM-WM)×100%

(4)

式中：SDI為土壤干燥化指數(shù)；SMC為土壤濕度；WM為凋萎濕度；SSM為土壤穩(wěn)定濕度。SDI值越小，說明土壤的干燥化強度越高；反之，SDI值越大，則土壤的干燥化強度就越低。

對于獲得的數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007，Origin 8和SPSS 17.0軟件進(jìn)行處理與繪圖。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同林齡檸條林土壤水分總量水平

在本研究區(qū)內(nèi)，對不同林齡的檸條林和撂荒地進(jìn)行0—600 cm土層土壤含水量的比較(表2)，10 a，20 a，35 a人工檸條林在0—600 cm土層的土壤平均含水量分別為12.47%，11.56%和9.21%，明顯低于試驗區(qū)的土壤穩(wěn)定濕度值13.12%，而且隨著人工檸條林林齡的增長，35 a檸條林土壤含水量(9.21%)明顯低于對照撂荒地土壤含水量值11.24%。3種林齡的人工檸條林在0—600 cm土層的土壤儲水量為713.12～974.02 mm，平均值為864.39 mm；其土壤有效儲水量的變動范圍為362.12～623.02 mm，平均值為513.39 mm，每米土層的有效儲水量為60.35～103.84 mm，平均值為85.57 mm，遠(yuǎn)低于試驗區(qū)中土壤穩(wěn)定濕度時的土壤儲水量及土壤有效儲水量，并且隨著林齡的增長，土壤儲水量和土壤有效儲水量等各項指標(biāo)都明顯降低，其中35 a檸條林地的土壤儲水量要遠(yuǎn)低于撂荒地。3種林齡人工檸條林地的土壤水分過耗量在49.34～310.24 mm變動，平均值大小為158.97 mm，并且要高于撂荒地的土壤水分過耗量值135 mm，隨著人工檸條林林齡的增長，土壤水分過耗量在明顯上升，其中尤其要以35 a檸條林最為嚴(yán)重。而撂荒地0—600 cm土層內(nèi)的土壤含水量為888.36 mm，土壤有效含水量為537.36 mm，土壤水分過耗量為135 mm，都明顯優(yōu)于35 a檸條林地的各項指標(biāo)。人工檸條林地平均土壤干燥化速度為4.934～8.864 mm/a，平均值為6.555 mm/a，35 a檸條林土壤干燥化速度最快，其次為20 a檸條林，隨著人工檸條林林齡的增加，土壤干燥化程度加劇，年均土壤干燥化速度加快。

2.2　不同林齡檸條林土壤水分虧缺分析

土壤水分虧缺表現(xiàn)為區(qū)域內(nèi)土壤水分的供需差額，它是用于判定土壤水分盈虧狀態(tài)的一種重要指標(biāo)。對不同林齡檸條林及對照撂荒地0—600 cm土層生長季始末土壤水分虧缺量進(jìn)行分析得出(表3)，2013年生長季(4—10月)降水總量為668 mm，各樣地土壤水分經(jīng)過雨季的補充，均未出現(xiàn)虧缺現(xiàn)象，其土層儲水量變化情況由大到小排序為：20 a檸條>10 a檸條>35 a檸條>撂荒地。

土壤儲水量的年變化量有效地反映了土壤水分的盈虧平衡狀態(tài)[20]，由圖2可以看出，不同林齡檸條林及對照撂荒地2013年生長季0—600 cm土層剖面土壤水分均有盈余。各樣地土壤垂直剖面表現(xiàn)出不同的水分盈虧狀態(tài)，具體為：10 a檸條林10—40 cm，260—290 cm及560 cm處的土壤水分儲量是虧缺的，20 a檸條林在10—120 cm土層范圍內(nèi)土壤水分儲量有少量的虧缺，35 a檸條林土壤水分儲量虧缺層主要位于10—50 cm及380—510 cm處，撂荒地則在10—40 cm，320—430 cm土層范圍內(nèi)土壤水分儲量處于虧缺狀態(tài)，各樣地的其余土層剖面土壤水分儲量均處于盈余狀態(tài)。

表2　不同林齡檸條林和撂荒地0-600 cm土層土壤含水量比較

注：100 cm以下由于同一試驗區(qū)內(nèi)各植被類型土壤下層的土壤質(zhì)地基本一致，土壤容重均取1.3 g/cm3。

表3　不同林齡檸條林及撂荒地0-600 cm土層土壤水分虧缺量　mm

注：土壤水分虧缺量是土壤田間儲水量與土壤實際儲水量之間的差值。

2.3　不同林齡檸條林土壤干燥化評價

據(jù)Li等[21]研究表明，將土壤干燥化強度當(dāng)作判定指標(biāo)，土壤干層是指土壤干燥化指數(shù)SDI<100%的土層，各類型土壤干燥層的劃分指標(biāo)具體為：SDI<100%的土層為輕度干燥層，SDI<75%的土層為中度干燥層，SDI<50%的土層為嚴(yán)重干燥層，SDI<25%的土層為強烈干燥層，SDI<0的土層為極度干燥層。由此對研究區(qū)不同林齡檸條林及對照撂荒地進(jìn)行土壤干燥化強度及土壤干層范圍評價(表4)。在試驗區(qū)內(nèi)，不同林齡檸條林0—600 cm土層的平均土壤干燥化指數(shù)SDI值在55%～92%，平均值為76%，并且隨著林齡的增加，不同林齡檸條林地的土壤干燥化指數(shù)呈下降趨勢。10 a，20 a檸條林均表現(xiàn)為輕度干燥化，而35 a檸條林則為中度偏嚴(yán)重干燥化，隨著林齡的增加，不同林齡檸條林地的土壤干燥化強度逐漸增強。對照撂荒地的平均土壤干燥化指數(shù)SDI值為78%，其干燥化強度為輕度偏中度范圍。

2.4　不同林齡檸條林剖面土壤干層分布

在研究區(qū)內(nèi)，分別將土壤穩(wěn)定濕度值和土壤凋萎濕度值作為判定土壤干燥化的上限和下限指標(biāo)，對不同林齡檸條林及對照撂荒地生長季始末(4月、10月)0—600 cm土層剖面的土壤濕度進(jìn)行比較，結(jié)果見圖3。從生長季初期(4月)到生長季末期(10月)，經(jīng)過一個生長季的消耗及入滲補充，10 a，20 a，35 a檸條林及對照撂荒地剖面土壤水分含量得到了不同程度地補充，其土壤干層狀況有所緩解，但隨著檸條林林齡的增加，其土壤干層分布深度及干層程度在逐漸加劇。

根據(jù)土壤干燥化指數(shù)SDI值依次對不同林齡檸條林及撂荒地0—600 cm土層進(jìn)行土壤干層劃定(表5)，結(jié)果表明，撂荒地除200—300 cm的土層為嚴(yán)重干層外，其余各土層都屬于輕度干層；10 a檸條林地除200—300 cm土層范圍內(nèi)為中度干層外，其余各土壤層剖面干化程度均為輕度干層或無干層；20 a檸條林地在0—200 cm，300—600 cm土層范圍內(nèi)為輕度干層或無干層，而在中部200—300 cm土層范圍內(nèi)則為嚴(yán)重干層，這是由于20 a檸條林正處于生長旺盛期，其根部耗水加大所致；35 a檸條林地只有上層100—200 cm范圍內(nèi)土壤層剖面干化程度為輕度干層，其余表層0—100 cm及中下層200—600 cm范圍內(nèi)土壤層剖面干化程度均為中度甚至嚴(yán)重干層，這既與35 a檸條生長需水量大有關(guān)，還與檸條達(dá)中齡后郁閉度增大，枝葉截流，基部降水入滲減少相關(guān)。35 a檸條林地中的中度干層甚至嚴(yán)重干層，對35 a檸條植被的生長造成了嚴(yán)重的影響，由于其經(jīng)常處于極度缺水狀態(tài)，導(dǎo)致部分植被已經(jīng)開始枯萎甚至死亡。

表4　不同林齡檸條林及撂荒地土壤干燥化強度和土壤干層范圍評價

圖2不同林齡檸條林及撂荒地剖面土壤水分盈虧

圖3　不同林齡檸條林及撂荒地生長季始、末土壤干層的演化

由此可推斷出，在植株密度相同的情況下，隨著人工檸條林林齡的增大，對土壤水分的消耗也在增加。同時也再次說明，在本區(qū)域由于受到特殊地理環(huán)境因素的影響，土壤水分是限制植被恢復(fù)的主要因素之一，因此除選擇合適的樹種外，采取適宜的管理措施(如合理控制造林密度，選擇適宜的植物配置模式，進(jìn)行適度間伐等)是本區(qū)域植被恢復(fù)建設(shè)中的主要任務(wù)之一。

2.5　不同林齡檸條林剖面土壤干層水分恢復(fù)估算

為探討研究區(qū)不同林齡檸條林及撂荒地剖面土壤干層水分恢復(fù)的所需年限，綜合近30 a降水?dāng)?shù)據(jù)，1984—2013年降水量值介于315.8～682.2 mm，平均降水量為470.6 mm，在2013年達(dá)到最大值682.2 mm。若按照豐水年、平水年、欠水年的平均降水量分別為682.2，484.6，315.8 mm，當(dāng)?shù)刈魑镆患竞乃?00 mm[13]計算，則可供不同林齡檸條林及對照撂荒地土壤濕度恢復(fù)的降水量分別為382.2，184.6，15.8 mm。研究結(jié)果表明，在連續(xù)豐水年和連續(xù)平水年的情況下，研究區(qū)各林齡檸條林及撂荒地土壤干層經(jīng)過降水量的入滲補充可自行恢復(fù)到土壤穩(wěn)定濕度時的含水量(表6)，但在連續(xù)欠水年情況下，10 a，20 a，35 a檸條林及撂荒地則分別需要3.12 a，7.43 a，19.64 a和8.54 a?？傊C合考慮各降水年型，隨著林齡的增加，研究區(qū)不同林齡檸條林及撂荒地土壤干層水分恢復(fù)到土壤穩(wěn)定濕度時所需年限逐漸增加，分別需要1.17 a，2.79 a，7.38 a和3.21 a，即分別需要2 a，3 a，8 a和4 a以上。

表5　不同林齡檸條林及撂荒地剖面土壤干層分布

表6　不同林齡檸條林及撂荒地土壤干層水分恢復(fù)所需水量和時間

3　討 論

不同林齡檸條林及撂荒地的土壤儲水量總體變化情況為：20 a檸條>10 a檸條>35 a檸條>撂荒地，除各樣地部分土層剖面的土壤儲水量有少量的虧缺外，其余均呈盈余狀態(tài)。究其原因主要包括兩個方面，一是研究時段內(nèi)降雨總量達(dá)668 mm，為近30年之最，有充足的降雨入滲補充深層土壤水分；二是各林齡檸條林的根系和生長狀況的作用。10 a檸條林正值生長旺盛期，植被的蒸騰量和需水量都較大，從而使土壤儲水量明顯減少；20 a檸條林生長穩(wěn)定，且根系下扎深度及根系量大于10 a檸條，降雨隨根系滲深加大，土壤儲水量也隨之加大，加之20 a檸條林植被冠層蓋度大，有利于降低近地表的風(fēng)速和太陽輻射作用，從而減少土壤水分的蒸發(fā)量；35 a檸條林可能已進(jìn)入衰敗期，植被蒸騰量及水分消耗量均加大，大量消耗深層土壤水分，導(dǎo)致土壤儲水量明顯減少。而撂荒地由于草本植被稀疏，降雨隨地表徑流流失明顯，并且土壤蒸散發(fā)強烈，其土壤儲水量明顯低于檸條灌木林。

由于研究區(qū)各林齡檸條林的生長年限不同，其根系的分布深度及分布密度有較大的差異，并且各林齡檸條林的土壤蒸發(fā)量和植被蒸騰耗水量也不同，所以導(dǎo)致了其土壤干燥化程度不盡相同。同時，由土壤干燥化效應(yīng)所產(chǎn)生的土壤干層是由于當(dāng)?shù)刂脖簧L需水量不能被降水量滿足時，為了維持自身正常的生長活動而透支深層的土壤水分所造成的。前人研究表明，雨季是土壤水分的主要補給時期，如有降雨顯著增加，土壤干層有可能出現(xiàn)不同程度的恢復(fù)。本研究根據(jù)土壤干燥化指數(shù)SDI值對不同林齡檸條林及撂荒地0—600 cm土層剖面進(jìn)行土壤干層劃定，結(jié)果表明不同林齡檸條林剖面干化程度隨著林齡的增長逐漸加劇，且干化深度隨林齡的增長呈現(xiàn)增加趨勢。李軍等[18]對黃土高原地區(qū)不同人工林地的深層土壤干燥化效應(yīng)的研究表明，隨著林齡的增長，人工林地的深層土壤濕度逐漸降低，土壤干層呈現(xiàn)出加深和加厚的趨勢，與本文研究的結(jié)果一致。

4　結(jié) 論

在晉西北黃土丘陵區(qū)，不同林齡檸條林及撂荒地均發(fā)生了不同程度的土壤水分虧缺及土壤干燥化現(xiàn)象。

(1) 研究區(qū)2013年生長季內(nèi)的降水量達(dá)到668 mm，屬于豐水年型，不同林齡檸條林及撂荒地受降雨的入滲補充影響，除各樣地的部分土層剖面土壤儲水量有少量虧缺外，其余均有不同程度的盈余，土壤儲水量的總體變化情況為：20 a檸條>10 a檸條>35 a檸條>撂荒地。

(2) 不同林齡檸條林0—600 cm土層的平均土壤干燥化指數(shù)SDI值為55%～92%，土壤干燥化強度達(dá)到輕度至中度干燥化強度，平均土壤干層厚度達(dá)447 cm，并且隨著林齡的增長，土壤干燥化的強度逐漸加強，各強度土壤干燥層厚度及總干層厚度呈增加趨勢。對照撂荒地的土壤干燥化指數(shù)SDI值為78%，干燥化強度為輕度接近中度干燥化，其土壤干層的總厚度為490 cm，并以輕度和中度干燥層居多。

(3) 對研究區(qū)各樣地0—600 cm的剖面土層進(jìn)行土壤干層劃定，不同林齡檸條林地的土壤剖面干化程度隨著林齡的增長逐漸加劇，且干化深度也隨之加深。

(4) 研究區(qū)不同林齡檸條林及撂荒地剖面土壤干層水分在連續(xù)豐水年和連續(xù)平水年的情況下，經(jīng)過降水量的補充可自行恢復(fù)到土壤穩(wěn)定濕度時的含水量狀態(tài)，綜合考慮各降水年型，其恢復(fù)所需年限隨著林齡的增加而逐漸增加，土壤濕度恢復(fù)難度呈增加趨勢。

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