張陽陽

摘要?綜述了陜北黃土區(qū)不同土地利用方式對深層土壤水和碳分布的影響，以期為科學(xué)利用土地、改善土壤水碳環(huán)境、提高土壤水碳利用率、保證區(qū)域土地可持續(xù)利用等研究提供參考。研究發(fā)現(xiàn)：不同土地利用方式對陜北黃土區(qū)深層土壤水分布有不同程度的影響;陜北黃土區(qū)深層土壤中均存在干層，繼續(xù)不合理利用土地將對深層土壤水環(huán)境造成嚴(yán)重的影響;陜北黃土區(qū)深層土壤碳含量主要受土壤母質(zhì)、古氣候、大氣變化等客觀因素影響，但其中SIC、SOC含量更容易受人為因素影響。

關(guān)鍵詞?陜北黃土區(qū);土地利用方式;深層土壤;水碳分布

中圖分類號?S152.7文獻標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）20-0022-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.006

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Effects of Different Land Use Patterns on the Distribution of Deep Soil Water and Carbon in the Loess Area of Northern Shaanxi Province

ZHANG Yang?yang?（Yanan Branch of Shaanxi Land Engineering Construction Group， Yanan，Shaanxi 716000）

Abstract?The article reviewed the effects of different land use patterns on the distribution of soil water and carbon in the deep soil of the Loess Plateau in northern Shaanxi，in order to provide reference for scientific use of land， improvement of soil water and carbon environment， improvement of soil water and carbon utilization， and ensuring sustainable use of regional land. The study found that different land use patterns have different effects on the distribution of deep soil water in the loess area of northern Shaanxi. There are dry layers in the deep soil of the loess area in northern Shaanxi. Continued irrational use of land will have a serious impact on the deep soil water environment. The carbon content of deep soil in the loess area of northern Shaanxi is mainly affected by objective factors such as soil parent material， paleoclimate and atmospheric changes， but the SIC and SOC contents are more susceptible to human factors.

Key words?Loess area in northern Shaanxi;Land use method;Deep soil;Water and carbon distribution

陜北黃土區(qū)面積占世界黃土總面積的70%，擁有獨特的氣候特征、土地利用方式、植被資源以及土壤特性。近幾十年來，隨著陜北黃土區(qū)土地利用方式的變化，不僅受人類劇烈活動作用影響的淺層土壤中水和碳的空間分布發(fā)生了巨大變化，而且深層土壤水和碳的空間分布也開始發(fā)生顯著變化。目前已有不少學(xué)者研究了陜北黃土區(qū)不同土地利用方式對表層土壤水碳含量及空間分布變化情，但由于采樣觀察分析存在一定難度，對深層土壤開展的相關(guān)研究還顯不足，大部分研究土壤取樣深度小于10 m，且多為一次性抽樣調(diào)查，缺乏長期定位研究[1]。筆者綜述了已開展的陜北黃土區(qū)不同土地利用方式下深層土壤水碳變化的主要研究成果，以期為學(xué)者繼續(xù)深入開展相關(guān)研究提供一定的參考。

1?陜北黃土區(qū)深層水土資源現(xiàn)狀

地球上約1/3陸地處于半干旱、干旱氣候區(qū)，陸地上有40%的耕地年降水量不足500 mm，我國陜北黃土區(qū)即屬于此區(qū)域。受限于先天稟賦，陜北黃土區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏，若農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不根據(jù)土地性質(zhì)合理利用水資源，將對該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力造成重大影響[2]。陜北黃土區(qū)是我國典型水資源不足地區(qū)，氣候干旱、降水稀少、地下水埋藏深、土壤層深厚，降水是其土壤水分的主要來源，深厚的土層為植被水分利用、土壤儲水提供了良好的條件，同時深厚土層對該地區(qū)水分在土壤中的循環(huán)又有著較大的影響[3]。陜北黃土區(qū)屬于季風(fēng)氣候區(qū)，年內(nèi)降水分布不均勻，降水年際變化大，深厚黃土層對水分的調(diào)蓄作用，可緩解因降水空間分布不均、降水不足

造成的旱情。土壤水作為陜北黃土區(qū)主要水資源，雨季是其主要補給時期，補給深度在1.5～3.0 m，而3.0 m以下深度基本不受降水影響[4]。Fang等[5]研究了黃土丘陵區(qū)0～10 m黃土剖面水分含量受不同植被的影響，并通過實驗指出，不同植被類型消耗土壤水深度存在差異。

有植被覆蓋的土地因長期受植被蒸騰作用影響，會出現(xiàn)深層土壤干燥化現(xiàn)象，不僅對陸地水文循環(huán)造成影響，同時也不利于植被自身生長[6]。因此，學(xué)術(shù)界對深層土壤水分循環(huán)的關(guān)注度也越來越高。在貧水年，陜北黃土區(qū)0～2 m土層內(nèi)水分大量消耗，使土壤水分含量急劇下降，表層土壤中水分經(jīng)蒸騰、蒸發(fā)作用，幾乎能將全部降水消耗完。許多研究均顯示，黃土高原半濕潤地區(qū)對于裸地而言，0～2 m土層水分在雨季可自行恢復(fù)，消除水分虧損情況，而全年內(nèi)仍存在一定水分缺損;半干旱地區(qū)，除豐水年外，即便雨季后裸地仍存在水分虧缺。

陜北黃土區(qū)土壤干燥化的主要表現(xiàn)形式為“土壤干層”。黃土高原地區(qū)絕大部分土壤處于半濕潤、半干旱狀態(tài)，由于人工種植植被，廣泛存在土壤水分虧缺情況，逐漸形成“土壤干層”，是黃土高原生態(tài)修復(fù)需要解決的關(guān)鍵問題[7]。有學(xué)者指出，陜北黃土區(qū)受極端降水影響，部分人工林0～4 m土壤干燥化基本消失，而土壤干層依然存在于4 m以下土層中，說明人工植被對土壤干層消除作用受不同年限降水情況影響較大[8]。陜北黃土區(qū)部分年平均降水量600 mm的地區(qū)，土層中存在的土壤干層消除較為困難，成為該地區(qū)恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的主要阻礙因子。土壤干燥化是過度消耗土壤水分的一種表現(xiàn)，土壤干層阻礙了土壤上下層水分的交換，阻礙了大氣、植被、土壤間的水分循環(huán)，嚴(yán)重破壞生態(tài)系統(tǒng)水平衡。同時，土壤干燥層的存在，對土壤儲存水分也造成嚴(yán)重影響，加重植被、土壤退化現(xiàn)象。大量調(diào)查顯示，“小老頭樹”大面積存在于陜北黃土區(qū)，造成這一現(xiàn)象的主要原因就是土壤水分的虧損，與土壤干層存在顯著相關(guān)性[9-10]。

2?深層土壤水分與土地利用方式關(guān)系

陜北黃土區(qū)深層土壤中水分分布、儲存與土地利用方式存在必然聯(lián)系。研究表明，人工經(jīng)濟林（如棗樹）根系最深可蔓延至地下13 m，大多分布于0～5 m土層，在4 m深度土壤中，相比于未矮化棗樹區(qū)域，矮化棗樹土壤含水量明顯較低[11]。矮化棗樹土壤4.2～5.6 m土層內(nèi)含水量約6.7%，形成中度干層，而未矮化棗樹土層5～8 m土壤含水量僅4.79%，出現(xiàn)干燥花現(xiàn)象，加重了土壤干層[12]。即便雨季到來，也只是對0～2 m土壤水分進行補充，而深層土壤無法得到補給水，形成長期干燥化土層，不利于植被可持續(xù)生長[13]。棗樹矮化有助于緩解深層水分消耗，改善土壤水分儲存情況。

荒草地與防風(fēng)固沙樟子松林在1 m、2 m土層水分受重力勢對沙土土壤水分作用以及降雨和地下水補給聯(lián)合影響，深層土壤水分整體保持升高趨勢，局部土層中含水量波動與土壤黏粒、粉粒變化存在一定相關(guān)性[9]。有文獻指出，樟子松林土層10～40 cm內(nèi)存在大量細(xì)根生物，提示其耗水層僅0～1 m，在0～2 m土層中荒草地儲水量約64.8 mm，樟子松約40.8 mm，提示樟子松耗水能力更高[14]。雨季可補充砂土土壤水分，但受限于沙土特性，且自身持水、保水性較差。降雨可對沙土深層土壤水分快速補充，但由于重力勢作用，存在土壤水分滲漏情況。因此，在砂土區(qū)域種植適合的植被，不僅不會過度消耗土壤水分，反而有利于保持并合理利用土壤水分。

退化人工草地深層土壤含水量為4.6%，退耕檸條林深層土壤含水量5.1%，兩者在4～6 m土層耗水并無較大差異，均會加重土壤干層形成[15]。有研究指出，雨季過后檸條林土壤水分補給深度最多2 m，無法補給2 m以下土壤水分，深層土壤水分受退化人工草地、檸條林消耗，大面積形成水分連續(xù)性斷裂，而降水量不足無法補給深層土壤水分，進一步加劇土壤干化，嚴(yán)重破壞大氣、植被、土壤連續(xù)體平衡[9]。

田間持水率是反應(yīng)土壤持水能力的重要指標(biāo)之一，土壤無效水分與有效水分的分界點通過萎蔫濕度區(qū)別。一般而言，可通過實驗測定田間萎蔫濕度、持水率，但由于深層土壤取樣困難，無法通過實驗獲取。整體而言，陜北黃土區(qū)農(nóng)田土壤持水率平均13.44%，單位有效儲水134.44 mm，農(nóng)田土壤含水率相對較高，但在不同土地利用方式影響下存在一定差異[16]。相比于其他農(nóng)作物，玉米地蒸騰耗水量相對較高，但梯田玉米地、壩田玉米地深層土壤儲水量相對較高，這與坡面徑流、溝道水流補給存在相關(guān)，梯田有助于增加降水滲入量。糜子地深層土壤含水量低于其他農(nóng)作物，是因為黃土丘陵地區(qū)多出現(xiàn)暴雨，坡度越大，土壤儲水能力越小，坡面徑流損失水分越多，而糜子地普遍坡度較大[17]?？傊?，農(nóng)田土壤深層含水率，受到農(nóng)作物、地形等多種因素影響。

3?深層土壤碳分布與土地利用方式的關(guān)系

3.1?土壤有機碳與土地利用方式關(guān)系

劉夢云等[18]對黃土臺塬土壤酶活性、有機碳氧化穩(wěn)定性進行研究，指出土壤碳庫管理指數(shù)（CPMI）可作為評價土地利用方式對碳固定、土壤影響的重要因子。深層土壤剖面中有機碳（SOC）的分布受到土地管理措施、土壤理化性質(zhì)、剖面中古土壤分布、土地利用方式等因素影響[19]。陜北黃土高原干旱、半干旱地區(qū)，深層土壤中SOC垂直分布特征受到土地利用方式影響，且不同土地利用方式下其分布存在巨大差異。陜北黃土區(qū)深層土壤中SOC主要來源取決于土地利用方式，人類活動可對土壤中SOC分布造成劇烈影響。另外，降雨后隨著降水，可溶性有機碳滲入土壤以及早期土壤層形成階段也會輸入SOC。深層土壤中的SOC不僅包括下滲的可溶性SOC，也包括根系脫落物、氨基酸、有機酸等根系分泌物產(chǎn)生的SOC。此外，深層土壤中SOC含量也受植被根系下生物增加影響，生物地球化學(xué)過程也是影響深層土壤SOC含量的因素。SOC可通過植物根系生長被送至深層土壤，大量SOC的輸入，可增加土壤微生物活性，促進降解土層中原有物，進而再影響深層土壤SOC含量。深層土壤中SOC水平受不同土地利用方式影響，且隨著土層深度變化，土壤中SOC含量呈現(xiàn)下降趨勢，表層SOC含量最高，這可能與表層覆蓋枯枝落葉，降解后為土壤提供了SOC。防風(fēng)固沙區(qū)、退耕還林區(qū)、人工經(jīng)濟林區(qū)深層土壤中SOC含量水平與土壤質(zhì)地存在緊密聯(lián)系。對此，有文獻顯示，土壤中SOC含量水平隨著土壤粉粒、黏粒變化而變化，土壤黏粒越多，極大地提高了土壤水分有效性，同時，黏粒膠結(jié)、枯枝落葉分解SOC、植被根系生長分泌物等均會補充土壤SOC[20]。

陜北黃土區(qū)土壤含量與林分存在關(guān)系，在土壤系統(tǒng)、各植被類型綜合作用下，土壤SOC含量存在較大差異，且各林分土壤隨深度增加，有機碳密度、含量均不斷下降。從植被類型角度分析，闊葉落葉林土壤SOC含量約11.42 kg/m2，而針葉落葉林土壤SOC含量約10.07 kg/m2[21]。而從土壤類型分析，黃綿土土壤SOC含量約4.50 kg/m2，黑壚土土壤SOC含量約7.75 kg/m2[22-23]。因此，不同土層、不同土壤類型、不同林分、不同的人類干預(yù)活動等都是影響深層土壤SOC含量的因素。

草地土壤SOC主要源于根系分泌、微生物殘體、動物、植物、人類活動等，各因素間存在相互效應(yīng)。陜北黃土區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)在中等放牧、正常氣候條件下，0～20 cm土層土壤SOC平均密度約65.78 t/hm2，相對高于水稻土地SOC密度，提示草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤SOC經(jīng)歷過一個長期、緩慢的積累過程[23]。

荒漠土與潮土是陜北黃土區(qū)主要耕作土，在長期的耕作活動中，土壤SOC含量、土壤顆粒組成等均被改變。農(nóng)耕地多在坡下、溝底分布，土地疏于管理，連續(xù)耕作，土壤結(jié)構(gòu)較為松散，深層土SOC含量相對較低。而農(nóng)耕地又受人為因素影響，如施肥、耕作等，變異系數(shù)較高，一般而言表層土壤SOC含量也較低。

3.2?土壤無機碳與土地利用方式關(guān)系

氣候、土壤母質(zhì)、土壤理化性質(zhì)等是影響土壤中無機碳（SIC）含量水平的主要因素。有研究指出，在不同土地利用方式下，退耕還林區(qū)域與人工經(jīng)濟林區(qū)深層土壤SIC水平無差異，而與防風(fēng)固沙林區(qū)間存在明顯差異[24]。大氣降水、土壤剖面類型與土壤SIC含量也存在聯(lián)系，且土壤中SIC分布受到碳酸鹽累積、沉淀影響，導(dǎo)致黃土母質(zhì)發(fā)育土壤中SIC水平較高。在半干旱、干旱地區(qū)，土壤SIC分布還受植被根系分泌物、土壤微生物活動等影響較大。

人工經(jīng)濟林區(qū)深層土壤中SIC平均含量較高，并不受矮化、未矮化棗樹影響，主要是土壤母質(zhì)中碳酸鹽含量豐富，而降雨后空氣中CO2溶于水，促使碳酸鹽快速溶解，增加了土壤SIC含量，受植被生長、降水作用影響，0～0.4 m表層土壤中碳酸鹽淋溶，滲入下層土壤中，使其SIC含量降低，對于4 m左右的深層土壤SIC，未矮化棗樹林區(qū)存在較大波動，可能與土壤母質(zhì)、古氣候條件相關(guān)[25]。退耕還林區(qū)深層土壤SIC變化劇烈，也與古氣候變化相關(guān)。在氣候濕潤季節(jié)，土壤中碳酸鹽出現(xiàn)累積、淋溶現(xiàn)象，形成“料漿層”，使局部區(qū)域土壤SIC水平升高。在防風(fēng)固沙區(qū)域樟子松林，2 m以下土壤SIC含量是2 m以上土壤的9.75倍，可能與樟子松林土壤粉粒增加有關(guān)[11]?；牟莸赝寥缹又蠸IC含量波動較小，因荒草地土壤以沙土為主，對于SIC保存效果較差，說明土壤中SIC含量還受土壤土質(zhì)影響。

土地管理措施與耕作方式可能改變土壤微氣候及生物、化學(xué)、物理性質(zhì)等，也影響土壤SIC儲存與含量。有學(xué)者研究了4種不同施肥條件下土壤SIC分布的響應(yīng)，顯示土壤施肥可增加Mg2+、Ga2+水平，增加土壤SIC含量，但是另一方面，土壤施肥可降低土壤SIC儲量，同時可造成土壤酸化，導(dǎo)致土壤中SIC流失速度、淋溶速度加快[26]。此外，農(nóng)業(yè)灌溉可使土壤中SIC含量增加，主要是灌溉有利于促進植物有機質(zhì)降解、呼吸作用，提高CO2分壓，形成SIC[27]。

4?結(jié)語

該研究檢索了相關(guān)文獻，研究了陜北地區(qū)林地、草地、耕地等不同利用方式對深層土壤水、SOC、SIC分布的影響，發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式對陜北黃土區(qū)干旱、半干旱地區(qū)深層水分布有著不同程度的影響。林地、耕地、草地深層土壤中均存在干層，繼續(xù)不合理利用土地將對深層土壤水環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。深層土壤碳含量，雖然主要受土壤母質(zhì)、古氣候、大氣變化等客觀因素影響，但SIC、SOC受人為因素影響較大。深層土壤水碳分布仍需長期監(jiān)測，并應(yīng)采取合理措施，依據(jù)立地條件，科學(xué)利用土地，改善土壤水碳環(huán)境，提高陜北黃土區(qū)土壤水碳利用率，保證區(qū)域土地的可持續(xù)利用。

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