茍清平,朱清科,2,*,李依璇,申明爽,劉昱言,梅雪梅,王 瑜,3

1 北京林業(yè)大學水土保持學院, 北京 100083 2 林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心, 北京 100083 3 陜西省水務集團有限公司, 西安 710075

陜北黃土區(qū)氣候干燥,降雨量少,蒸發(fā)量大,生態(tài)環(huán)境脆弱,水土流失嚴重,為了治理水土流失,改善生態(tài)環(huán)境,實施了“三北”防護林體系,退耕還林(草)等林業(yè)生態(tài)工程,雖然取得了顯著效果,然而人工林林地水分條件的穩(wěn)定性和植被恢復的可持續(xù)性是目前迫切需要解決的關鍵問題。近些年來的研究表明：在黃土高原不同地區(qū)林地普遍出現(xiàn)深層土壤干燥化現(xiàn)象[1],其直接后果就是形成土壤干層。土壤干層指降雨滲深以下(降雨入滲一般2 m左右),植被深層吸水不能被降雨入滲補給的土壤水分低濕層[2]。土壤干燥化會導致植被退化,植被更新和再次造林困難加大,阻斷地表水對地下水的補給,從而惡化當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。60年代中期在陜西蒲城首次發(fā)現(xiàn)土壤干層以來,土壤干燥化現(xiàn)象日益嚴重,已成為生態(tài)文明建設中棘手的問題,相關學者為了解決這一問題,就土壤干層的定義、成因、分類以及防治措施做了大量研究[3- 10],并取得一系列研究成果。這些研究主要是針對單一植被的土壤干燥化效應,例如檸條(Caraganakorshinskii)[11]、蘋果園(Maluspumila)[12]、苜蓿(Medicagosativa)[13]等研究較多。然而,在同一地形條件下不同植被的土壤干燥化效應研究鮮見報道。

本研究以陜西省吳起縣金佛坪流域作為研究區(qū),選取山杏(Armeniacasibirica)、油松(Pinustabuliformis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、小葉楊(Populussimonii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)林地,以多年荒草地作為對照,分析各植被類型0—10 m的土壤水分分布特征,定量評價土壤干燥化強度,旨在為提高該地區(qū)的植被穩(wěn)定性及生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)健康發(fā)展提供理論指導。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市吳起縣金佛坪流域,地處107°38′57″—108°32′49″E,36°33′33″—37°24′27″N之間。全縣地貌類型為黃土丘陵溝壑區(qū),屬暖溫帶大陸性季風氣候,海拔1233—1809 m,年均氣溫7.8℃,多年平均降水量為478.3 mm,降水季節(jié)分配不均,年際變化大,雨季集中在7—9月,多年平均年陸面實際蒸發(fā)量為400—450 mm。土壤為地帶性黑壚土剝蝕后廣泛發(fā)育在黃土母質(zhì)上的黃綿土,占全區(qū)總面積的97.6%,質(zhì)地為輕壤,田間持水量為20.9%,凋萎濕度4.7%,1 m以上土層的土壤容重平均為1.3 g/cm3。金佛坪流域自1998年實施退耕還林以來,形成了山杏、油松、刺槐、小葉楊等主要喬木樹種人工林,以及沙棘、檸條等主要樹種的灌木林,以及針茅(Stipacapillata)、早熟禾(Poaannua)等草本植物。該縣植被恢復效果較好,林草植被覆蓋率達49.6%,水土流失得到有效控制。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

本研究選取山杏、小葉楊、油松、刺槐等喬木林和沙棘灌木林以及多年荒草地作為研究對象,為了突出比較植被類型,選取的地形(坡度和坡向)相似。喬木林地采用20 m×20 m的樣地,灌木林地采用5 m×5 m的樣地,荒草地采用1 m×1 m的樣地調(diào)查植被生長狀況(表1)。

2.2 林地土壤濕度測定

在不同林地植被調(diào)查基礎上,隨機選取3個典型樣地樣點,在其大致中心位置(兩株樹的中心線與兩行距的中心線的交點)進行土壤取樣,取樣點盡量避免靠樹太近造成誤差,即取樣點離周圍最近的樹距離大致相等。用人工土鉆法取0—10 m的土壤,0—1 m土層每間隔10 cm取樣,1—10 m土層每間隔20 cm取樣,每層取3個土樣重復。采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量。每次土壤水分測定取樣時保證前7日未降雨,土壤水分測定時間集中在2017年10月25日—2017年11月10日。

表1 不同林地和荒草地的基本情況

2.3 土壤干燥化強度評價方法

黃土高原土壤干層下限含水量指標≤凋萎濕度,上限含水量指標≤土壤穩(wěn)定濕度[14]或毛管斷裂濕度。土壤穩(wěn)定濕度是指土壤能夠長期維持的一個土壤濕度值,一般是田間持水量的50%—80%[1- 2],該值反映某一土壤持水性能的中間狀態(tài)。本文的田間穩(wěn)定濕度值取田間持水量的60%,凋萎濕度取值4.7%[15]。

本文為了定量描述不同林地的土壤干燥化程度,采用土壤干燥化指數(shù)SDI(soil desiccation index)分析和對比不同林地的土壤干燥化效應[12,14,16]。

式中,SDI是土壤干燥化指數(shù)(%),SM是土壤濕度(%),SW是凋萎濕度(%),SSM是土壤穩(wěn)定濕度(%)。土壤濕度用土壤質(zhì)量含水量(%)表示。依據(jù)SDI大小,土壤干燥化強度劃分等級(表2)。

表2 土壤干燥化強度劃分標準

2.4 土壤水分相關指標計算方法

土壤儲水量(SWS)為一定厚度土層所儲存的水量,計算公式：

式中,SMS(soil moisture storage)為土壤儲水量(mm)；BD(bulk density)為土壤容重(g/cm3),取值為1.3 g/cm3,SMC(soil moisture content)為土壤質(zhì)量含水量(%),H表示土層厚度(cm),ρ表示水的密度,取值為1.0 g/cm3。

土壤有效儲水量(ASMS)表示土壤實際儲水量與凋萎濕度時土壤儲水量的差值,計算公式為：

ASMS=SMS-SMSWM

式中,ASMS(available soil moisture storage)為土壤有效儲水量(mm)；SMSWM表示土壤水分為凋萎濕度時的土壤儲水量(mm)。

土壤水分過耗量(SMO)表示土壤穩(wěn)定濕度時的儲水量與實際土壤儲水量的差值,計算公式為：

SMO=SMSSSM-SMS

式中,SMO(soil moisture overuse)為土壤水分過耗量(mm);SMSSSM表示土壤水分處于穩(wěn)定濕度的土壤儲水量(mm)。

土壤干燥化速度(SSD)表示人工造林后平均每年土壤水分過耗量,計算公式為：

SSD=SMO/TA

式中,SSD(speed of soil desiccation)為土壤干燥化速度(mm/a)；SMO(soil moisture overuse)為土壤水分過耗量(mm)；TA(tree age)表示樹齡(a)。

2.5 數(shù)據(jù)分析

用方差分析、LSD多重比較不同植被類型淺層與深層土壤水分的差異性,分析不同林地土壤干燥化效應,制表和制圖在Excel 2016中完成。

3 結果與分析

3.1 不同林地0—10 m土層土壤含水量

分別對各林地和荒草地0—2 m和2—10 m的土壤濕度進行統(tǒng)計分析(表3)?？芍?淺層(0—2 m)土壤濕度值為刺槐林地最低,平均值僅為10.67%,在4.16%—13.16%之間波動,最小值(4.16%)已低于凋萎濕度4.7%；小葉楊林地最高,平均值達17.11%。除小葉楊林地以外,山杏、沙棘、油松、刺槐林地,在0—2 m平均土壤濕度值均低于荒草地(15.03%)。深層(2—10 m)土壤濕度則有所不同,小葉楊林地土壤濕度平均值僅為6.24%,在5.30%—8.24%之間波動,是這幾種林地中最低的。深層土壤濕度最高的是荒草地,在8.68%—17.51%波動,平均值為13.25%。除荒草地外,油松林地的土壤濕度最高。

表3 不同植被類型下土壤水分含量與多重比較

同一列不同植被類型之間字母不同表示差異顯著(P<0.05,LSD),**表示差異極顯著(P<0.01)

各類林地0—10 m土壤濕度(表4)平均于7.57%—10.80%,平均值9.59%, 土壤儲水量在984.1—1404.0 mm,平均1246.4 mm；土壤有效儲水量變化在373.1—793.0 mm,平均635.4 mm,均低于荒草地的土壤濕度13.73%,也均低于土壤穩(wěn)定濕度12.50%,僅占田間穩(wěn)定濕度的60.6%—96.4%,說明各林地發(fā)生了不同程度的土壤干燥化現(xiàn)象。

各林地土壤水分過耗量介于221.0—640.9 mm,平均378.6 mm(表4),其中刺槐林最大(640.9 mm),是油松林(223.6 mm)和山杏林(221.0 mm)的近三倍,小葉楊次之(427.7 mm),山杏林(221.0 mm)最小。雖然山杏林的土壤儲水量最大(1404.0 mm),但還是小于荒草地。不同林地土壤干燥化速度介于12.3—44.7 mm/a之間,平均值27.1 mm/a,油松最大,山杏最小。

表4 不同林地和荒草地0—10 m土層土壤含水量比較

3.2 不同林地土壤濕度剖面分布特征

圖1 不同林地與荒草地土壤濕度剖面分布 Fig.1 Distribution of soil moisture profile in different forestlands and grassland

不同林地和荒草地0—10 m土壤剖面的土壤濕度隨著土層深度存在先降低后升高的整體趨勢(圖1)。除油松、沙棘、荒草地外,其他林地最大耗水深度達到或超過10 m。其中山杏林地250 cm以下均為土壤干層,刺槐林地75 cm以下均為土壤干層,油松林地土壤干層位于130—750 cm和870—1000 cm,沙棘林地、荒草地土壤干層分別位于130—850 cm,270—610 cm。刺槐林地土壤水分虧缺最嚴重,山杏林地較輕。各林地和荒草地淺層土壤濕度都大于田間穩(wěn)定濕度,甚至部分植被土層土壤濕度達到田間持水量以上。不同林地開始出現(xiàn)土壤干層的深度也不一樣,刺槐林地開始形成土壤干層最淺,為75 cm；沙棘和油松林次之,均為130 cm；油松林次深,為170 cm,山杏林最深,為250 cm。

3.3 不同植被類型土壤干燥化程度

由于土壤濕度調(diào)查的時間是雨季末期(10月下旬),淺層土壤水分得到降雨補給,相關研究表明,降雨對土壤水分的補給深度一般為1—2 m[17]。故本文只分析各植被類型土壤深層(2—10 m)土壤干燥化強度。在不同林地中,深層(2—10 m)土壤已達強烈干燥化為小葉楊林地(干燥化指數(shù)為80.19%)和刺槐林地(78.03%),說明深層土壤水分利用量較大；與其他植被類型相比,刺槐林地出現(xiàn)了極度干燥層,厚度達140 cm,位于160—300 cm土層,該層是刺槐林地主要耗水層。其他樣地的2—10 m土層的干燥化指數(shù)分別為沙棘林55.38%(嚴重干燥化)、山杏林37.94%(中度干燥化)、油松林32.34(中度干燥化)、荒草地-9.75%(無干燥化)(表5)。達到強烈以上程度的干燥層厚度從大到小依次為小葉楊林地580 cm、刺槐林地380 cm、沙棘林地360 cm、油松林地100 cm。山杏林地未出現(xiàn)強烈程度以上的干燥層,但嚴重程度以上的干燥層厚度達到240 cm。荒草地只出現(xiàn)中度以上干燥層,厚度160 cm。山杏林,刺槐林和小葉楊林地的土壤干層深度都超過了10 m以上。在這幾種植被類型中,荒草地的土壤干層厚度最小,為340 cm。

表5 不同植被類型深層(2—10 m)土壤干燥化指數(shù)、干燥化強度和剖面土壤干層厚度

4 討論

4.1 不同植被0—10 m土層土壤濕度

土壤水分是半干旱黃土區(qū)植被構建的限制因素,在植被恢復過程中,合理利用土壤水分至關重要,不同植被類型在根系分布,土壤水分需求上存在差異。各植被類型樣地淺層土壤濕度相對較高,主要是因取樣時間是雨季末期的10月下旬和11月上旬,受雨季降雨補給影響。劉剛等[15]分析吳起縣不同植被類型土壤干層表明,降雨能緩解土壤淺層土壤水分虧缺,與本文研究結果一致。在淺層土壤水分中,其中小葉楊林地的土壤濕度最高,可能由于小葉楊林地枯落物較厚,有利于減少地表徑流,增加入滲以補充土壤水分；楊磊等[18]通過分析次降雨事件對不同植被類型土壤水分的補給效率與閾值表明,相同降雨條件下,天然荒草地土壤水分容易得到補給,其次為小麥((Triticumaestivum))、沙棘、紅豆草((Onobrychisviciaefolia))和油松,與本文研究結果不一致,可能是因荒草地土壤水分物理蒸發(fā)較大,導致土壤水分低于小葉楊林地。然而小葉楊林地的深層土壤濕度卻最低,土壤干燥化指數(shù)也最大,這可能是由于小葉楊林樹木高大與密集,蒸散耗水量較大,在以往年份中利用了更多深層土壤水。除荒草地外,油松林深層土壤濕度最高,這是因為油松林林齡很小,僅為5年,土壤水分的虧缺累計還不大。刺槐林0—10 m土層的水分過耗量最大,這主要因刺槐林樹體大和林齡大,降雨補充土壤水分少,這從其淺層土壤濕度最低和土壤干層形成深度最淺都能反映；此外,相關研究表明,刺槐屬于深根系植被[19],能夠利用深層土壤水所致。

4.2 不同植被的土壤濕度剖面分布特征

土壤干層的分布受到土壤濕度剖面分布的影響,土壤水分的消耗主要是物理蒸發(fā)[20]、植被蒸騰[21]和根系吸收[22]。近年來,黃土高原干旱次數(shù)增多[23],氣候呈干旱化趨勢[24],降水量減少,植被耗水量增加,致使土壤水分處于虧缺狀態(tài),長期低于土壤穩(wěn)定濕度,林草植被為了維持自身生命活動,導致林木通過根系不斷由表層向深層吸收利用深層土壤水分,出現(xiàn)更嚴重的虧缺,最終形成土壤干層。莫保儒等[25]研究表明,由土壤表層至深層,地形影響土壤水分的作用逐漸減弱,植被影響土壤水分的作用逐漸增強；張晨成等[26]分析了坡面尺度下不同植被類型的土壤干層的空間分布,研究結果表明,植被是改變坡面深層土壤水分分布的主要影響因子,均與本文研究結果一致。由圖1,土壤干層在研究區(qū)不同植被類型下均存在,植被只是在一定空間尺度下加重土壤干層。黃土高原土壤干層會惡化當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境,土壤干層除了受到降水的影響外,還受到植被的生理生態(tài)特征、土壤理化性質(zhì)[27]、根系分布、吸水能力、氣孔導度[22]等的影響。

4.3不同植被的深層土壤干燥化強度

黃土高原土壤干層的形成是由于樹木在長期連續(xù)生長過程中過度消耗土壤水分的結果。梁海斌等[28]對黃土高原不同退耕還林植被土壤干燥化強度分析表明,隨樹齡和土層深度的增加,不同退耕還林植被土壤干燥化強度和土壤干層厚度逐漸增加；李軍等[29]分析不同植被類型區(qū)人工林地土壤干燥化強度表明,隨著林齡增加,林地土壤干燥化強度逐漸加強；盧建利等[30]研究了半干旱黃土區(qū)4,8,12,15 a沙棘林生長季土壤水分動態(tài),得出0—6 m土壤濕度明顯隨著樹齡增加而減小的規(guī)律,均與本文研究結果基本一致。其中,山杏林(8年生)和油松林(5年生)土壤干燥化強度為中度,刺槐林、沙棘林、小葉楊林土壤干燥化強度已達嚴重及以上。在同一地點的土壤性質(zhì)、降雨條件基本相同的情況下,各植被類型土壤水分虧缺的差異主要是植被特征[31]、微地形差異等[32]因素綜合作用的結果。本研究分析了各植被類型深層土壤干燥化效應,今后研究中,應考慮各因素的綜合影響機制。

5 結論

在2017年生長季末對位于黃土高原半干旱區(qū)的陜西省吳起縣的主要各植被類型0—10 m土層的土壤濕度的一次性調(diào)查表明,淺層與深層土壤濕度均存在顯著差異,其中淺層：小葉楊>山杏>沙棘>油松>刺槐,深層：油松>山杏>沙棘>刺槐>小葉楊。與荒草地相比,各類林地均出現(xiàn)了土壤水分過度消耗,其中刺槐林過耗量最大,山杏林最小。

各林地均存在土壤干層,其中刺槐林、小葉楊林和山杏林土壤干層都已達到10 m以下,植被是深層土壤水分的主要影響因素。

5類林地土壤干燥化指數(shù)平均為39.26%,都遠高于荒草地-9.57%。土壤干燥化強度為小葉楊>刺槐>沙棘>山杏>油松,這是樹種、林木大小和密度、林分生物量、樹齡等生長指標綜合作用的結果。在今后植被恢復中,應注意根據(jù)當?shù)赝寥浪謼l件,合理選擇節(jié)水樹種和合理設計林分結構,盡量避免或減輕土壤干化,維持較高的植被穩(wěn)定性。