李琪 李志萍 馬雅靜

摘要 為深入了解土壤干層研究現(xiàn)狀，為下一步研究土壤干層對植被生態(tài)與土壤水分的影響奠定基礎(chǔ)，運用文獻調(diào)研法對土壤干層基本特征、影響因素與危害等方面進行總結(jié)剖析，明確當前恢復(fù)土壤水分及修復(fù)土壤干層主要措施，在人工植被恢復(fù)建設(shè)中，因地制宜，選擇合理的植被配置和土地利用方式，通過人工集流等技術(shù)措施，有效地利用水資源，減少土壤干層發(fā)育。并提出如何高效率恢復(fù)土壤水分，防止土壤干層進一步發(fā)育仍是未來的研究重點。

關(guān)鍵詞 土壤干層;形成因素;黃土高原;改善措施

Abstract In order to deeply understand the research status of dried soil layer and lay the foundation for the next step of studying the influence of dried soil layer on vegetation ecology and soil moisture，we used the literature research method to summarize and analyze the basic characteristics，influencing factors and hazards of dried soil layer，and clarified the current main measures to restore soil moisture and repair dry soil layers.In the restoration of artificial vegetation，measures should be taken to suit local conditions，and reasonable vegetation configuration and land use methods should be selected，and technical measures such as artificial flow collection can effectively use water resources and reduce the development of dry soil layers.It was pointed out that how to efficiently restore soil moisture and prevent the further development of dry soil layers is still the focus of future research.

Key words Soil dry layer;Formation facter;The Loess Plateau;Improvement measure

土壤水分是植物生長和生存的關(guān)鍵因素，直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能[1]。尤其在我國黃土高原地區(qū)，土壤水分是植被生長最直接的來源。黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴重，為改善該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題，近年來開展了大規(guī)模退耕還林還草工程，增加植被覆蓋率[2-3]，一方面有效增加了徑流攔截效益，增加了降雨入滲率，提高了土壤含水量[4-5]，有效提升了土壤保持、固碳等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[6];另一方面，在植被建設(shè)過程中，由于氣候干旱和不合理的人工植被配置模式，如植被選擇不當、群落密度過高等，造成土壤水分過度消耗，導(dǎo)致深層土壤水分虧缺[7-8]，形成長期穩(wěn)定的干燥化土層，即土壤干層[9-12]。土壤干燥化是土壤水分含量虧缺到一定程度的結(jié)果，而土壤干層是土壤干燥化的最終表現(xiàn)形式。土壤干層是指由于蒸發(fā)和植物蒸騰的共同作用，土壤水分不斷向大氣擴散，導(dǎo)致深層儲水長期得不到降水入滲補給，經(jīng)過較長時間，在某一深度以下形成一定厚度的低濕度土層[13-14]。土壤干層的存在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)，降低了土壤供水能力，破壞了生態(tài)系統(tǒng)水平衡，加重了土壤退化[15-16]。另外，土壤干層的存在導(dǎo)致植物出現(xiàn)生長緩慢、枝干彎曲、樹冠分枝少等現(xiàn)象，影響后續(xù)植被的生長，典型實例為黃土高原的“小老樹”[17]。筆者依據(jù)有關(guān)資料，針對土壤干層基本特征及形成因素，從植被生長年限和植被類型兩方面綜述了植被建設(shè)對土壤干燥化及土壤干層的影響，總結(jié)了已有土壤干層改善方法，以期為進一步研究土壤干層對植被生態(tài)與土壤水分的影響提供科學(xué)支持。

1 土壤干層的基本特征

最早在1893年，俄國科學(xué)家Γ.H.Bысоцкий通過研究人工林地土壤水分變化，發(fā)現(xiàn)在草原環(huán)境下人工林地存在“干燥死層”現(xiàn)象，國內(nèi)最早是在陜西東部旱塬，經(jīng)實測發(fā)現(xiàn)在3 m 以下存在著“低濕度層”[13]，干層主要廣泛分布在我國黃土高原地區(qū)[18-19]、亞馬遜東部[20]和澳大利亞南部地區(qū)[21]。在亞馬遜盆地東部地區(qū)，深層土壤水分過度消耗，造成土壤干層的形成。Richards等[22]在澳大利亞發(fā)現(xiàn)桉樹對土壤干燥有顯著的影響，而松樹對干燥的影響很小。研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原地區(qū)土壤干層分布范圍廣泛[23-24]，從東南向西北，氣候逐漸干燥，降雨減小，蒸發(fā)增大，土壤持水性能逐漸降低，土壤干燥化程度越嚴重，土壤干層厚度也逐漸加深[25-27]。侯慶春等[25]將土層含水量長期處于較穩(wěn)定的低水平狀態(tài)稱為土壤干層，并將30%的土壤田間持水量定義為土壤干層的上限;李玉山[11]在研究中對黃土高原地區(qū)下伏干層進行了定義，認為干層長期因植物蒸散導(dǎo)致土壤水分負平衡，逐漸形成了干燥化土層，該層土壤濕度介于萎蔫濕度到75%田間持水量之間。楊文治等[28]研究指出，土壤穩(wěn)定持水量與土壤質(zhì)地有關(guān)，相當于田間持水量的70%～80%。一般來說，土壤干層具備以下3個特征：①處于土層某一深度區(qū)間內(nèi);②具有相對長期性;③具有一定上下浮動的濕度范圍，田間穩(wěn)定持水量為上限濕度，土壤凋萎濕度為下限濕度。受到降水和蒸發(fā)影響，土壤淺表層以及水分頻繁交換的干燥土層均不屬于土壤干層的范疇。根據(jù)不同的形成原因及土壤剖面水分情況可將干層分為不同的類型。從形成原因來看，根據(jù)土壤水分散失途徑將其劃分為2種類型：一種是由于植物根系強烈耗水形成的蒸散型干層，另一種是氣候干旱造成土壤水分強烈蒸發(fā)丟失形成的蒸發(fā)型干層[28]?？紤]氣候、降水及植被的作用和不同的土地利用方式，可將土壤干層分為利用型干層和地區(qū)型干層[14]，前者是在不同的土地利用方式下形成的不同程度的土壤干層主要分布于半濕潤地區(qū)，該地區(qū)土壤水分在得到降水補給后可能恢復(fù);后者主要處于半干旱區(qū)，由降水和作物需水負平衡造成，一旦形成，很難得到降水補充而恢復(fù)。根據(jù)降水入滲的補充深度和干層的持久性，可分為臨時性干層（0～200 cm）和永久性干層（200 cm 深度以下）。永久性干層通常發(fā)生在干旱和半干旱地區(qū)，降水量少，蒸發(fā)蒸騰量大，干層厚度大，難以恢復(fù);臨時性干層主要發(fā)生在干燥季節(jié)或半濕潤地區(qū)的低降水年份，該類型的干層可以通過降水等恢復(fù)[17，29-30]。

土壤干層的量化標準常見有3種：土壤干層厚度、土壤含水量和土壤干層形成的起始深度。土壤干層厚度和起始深度共同決定了土壤干層在土壤中的下邊界，同時也可依據(jù)干層的起始深度來計算水分入滲到達干層的時間，進而規(guī)劃改善土壤干層需要的補水時間及用量。土壤干層厚度是指土壤剖面含水量小于田間穩(wěn)定持水量的土層厚度，厚度越大，干層發(fā)育越嚴重。該指標被許多學(xué)者廣泛使用[17，29]。在此基礎(chǔ)上，段建軍等[31]提出將土壤有效水飽和度作為土壤干層的判斷標準，這一指標包含了土壤水分的2個常數(shù)，即土壤田間持水量和凋萎系數(shù)，這相比土壤含水量更可靠。白凱國等[32]提出將土壤干層的加權(quán)平均有效水飽和度、剖面有效水飽和度的差異、干層厚度及干層深度4個方面作為土壤干層的綜合評判標準。

2 影響土壤干層形成的因素

土壤干層的影響因素可根據(jù)空間尺度分為大、中、小3種類型。大尺度包括氣象因素（降雨量、太陽輻射等）、土壤質(zhì)地及植被類型等，中尺度包括地形地貌、地下水位及土地利用方式等，小尺度包括微地形、梯田等集流措施[33-38]。

2.1 氣候

黃土高原大部分地區(qū)屬于干旱、半干旱地區(qū)[39]，降水稀少，主要集中在7、8月，氣候干旱，“低降水、高蒸發(fā)”的干旱半干旱氣候特點是這一地區(qū)土壤水分不足的主要因子。一方面由于氣候干旱，氣溫不斷升高，植物蒸騰和土壤水分蒸發(fā)速率加快，導(dǎo)致土壤干燥化加重;另一方面，由于干旱半干旱地區(qū)降水較少，處于土壤水分缺失的土層長期得不到補償，促進了土壤干層的形成及進一步的擴大和增強。陳寶群等[40]通過研究不同植被土壤水分的季節(jié)性變化和水量平衡，認為季節(jié)性干旱是土壤干層形成的直接驅(qū)動力。李裕元等[41]研究認為，造成土壤干層出現(xiàn)的原因主要是氣候干旱，但人為因素是加速干層形成的原因。付明勝等[42]研究認為，由于氣候變暖造成空氣干燥，加快了土壤水分蒸發(fā)和植物蒸騰，造成了干層的形成和加深。氣候因素有兩個方面，一是原本干旱的氣候，二是人為因素導(dǎo)致的氣候干旱化。研究顯示[43-44]，人類活動的增加引起了全球氣候變化，造成溫度持續(xù)升高，使原本干旱的地區(qū)更加干旱。近年來，黃土高原地區(qū)年平均氣溫增長了1.91 ℃，年降水量下降了29.11 mm，氣候總體出現(xiàn)暖干化趨勢。在這種氣候變化背景下，黃土高原地區(qū)干層可能在未來分布范圍更廣。

2.2 地勢

對于同一植被類型，不同的坡度、坡向和坡位，其土壤干燥化程度和干層厚度也有所差異。

增加坡度將減少土壤剖面中相應(yīng)層次的含水量，增加土壤干層的干燥化程度和厚度，往往陡坡土壤水分虧缺比緩坡嚴重。坡度越大，降水就地入滲率越小，徑流量越大，在相同條件的蒸發(fā)蒸騰作用下，土壤含水量減少，土壤干燥化程度加重，干層厚度增加。

坡向分為陰坡和陽坡2種，不同的坡向接受太陽光照射的時間長短不同，蒸發(fā)蒸騰強度也不同。相比較下，陽坡接受太陽光照射時間更長，吸收太陽輻射熱量較多，蒸發(fā)蒸騰強度更高，陽坡土壤干化程度比陰坡更為嚴重，干層厚度較大。

一般來說，隨著坡位降低，上方來水增多，降水入滲量大，坡底土壤的平均含水量相比坡頂較高。另一方面，因風(fēng)速、溫度、土壤特性等因素會影響坡頂土壤水分，導(dǎo)致土壤水分大量蒸散，使局部干層厚度達到最大。從而使得在一個坡面上，土壤干層的干燥化程度呈現(xiàn)出由坡底向坡頂逐漸增加的趨勢[33-35]。

除了植被因素與降水因素外，地形地貌、土壤質(zhì)地等因子均會對土壤干層產(chǎn)生影響[34]。趙景波等[45]對砂地土層和黃土層土壤含水量的研究顯示，靖邊縣砂地土層的含水量遠低于黃土層的含水量，且砂地有明顯的土壤干層發(fā)育，砂土持水性能比黃土差，導(dǎo)致砂土層含水量低，該地區(qū)的地表沉積物主要為細砂，黏土含量很小，因此該地區(qū)的土壤持水性能差。

2.3 植被

2.3.1 植被類型。

在黃土高原地區(qū)，絕大部分土壤處于半濕潤半干旱狀態(tài)，由于降水難以滿足植被需求，人工種植植被存在土壤水分虧缺情況，形成土壤干層[46]。黃土高原形成土壤干層的人工林草植被主要有刺槐、小葉楊（包括各種楊樹）、油松、檸條、沙棘、沙打旺、苜蓿、棗樹等，共同特征如下：①抗逆性強，抗旱性更強，這類植被根系吸水能力極強，可使土壤含水量低至凋萎濕度以下;②速生、生物產(chǎn)量高，這類植被不僅產(chǎn)量高，水分生產(chǎn)力也高;③大多為引進的外來種和人工種，不是當?shù)刈匀恢脖坏慕ㄈ悍N和優(yōu)勢種，這些植被打破了原有的自然演替規(guī)律，導(dǎo)致植被與降水之間不平衡，導(dǎo)致土壤干層形成[25，41，47]。

首先，不同植被類型生長速度不同，會導(dǎo)致其根系分布深度和密度不同[48-49]，又因植被生長所需的土壤水分及產(chǎn)生的蒸騰量差異，導(dǎo)致干層深度以及土壤干燥化程度的差異。通常土壤干燥化程度的高低和干層厚度的大小均表現(xiàn)為林地>灌木林地>果園>草地>農(nóng)地、高產(chǎn)田>低產(chǎn)田、有植物地>裸露地[11，33，50]。付明勝等[42]根據(jù)不同植物根系分布的不同來測定土壤水分深度，結(jié)果表明在農(nóng)作物、幼林地及成林地3種不同植被下，油松林地干層最深，埋深為0～130 cm的土壤含水量接近凋萎濕度4.2%，140～160 cm的土壤含水量僅4.3%，160～180 cm的土壤含水量僅5.0%。曾辰等[51]研究發(fā)現(xiàn)苜蓿地對降雨節(jié)流作用最強，土壤水分消耗最大，檸條地次之。佘冬立[52]對黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯帶內(nèi)水土環(huán)境效應(yīng)進行研究，結(jié)果表明退化人工草地和退耕檸條林在4～6 m土壤耗水無較大差異，深層土壤水分受到退化人工草地/檸條林消耗，大面積形成水分連續(xù)性斷裂，當降雨量不足，難以補給深層土壤水分時，土壤干燥化加劇。劉丙霞[53]通過研究不同土地利用類型（檸條林地、苜蓿草地、撂荒地和農(nóng)地）土壤水分在不同降水年型（豐水年、平水年、枯水年）下的土壤水分水量平衡特征，發(fā)現(xiàn)在不同降水年型下，檸條地、苜蓿地和撂荒地中的水分消耗深度超過4 m，撂荒地和農(nóng)地深層土壤剖面始終無干層產(chǎn)生，而檸條地和苜蓿地土壤剖面產(chǎn)生嚴重干化。

2.3.2 植被生長年限。

人工植被隨著植被年限的增加，根系加深，不斷消耗深層土壤水分，土壤干層厚度也在增大。研究發(fā)現(xiàn)，在黃土高原不同地區(qū)，對比分析不同植被類型土壤水分發(fā)現(xiàn)，植被生長年限越長，土壤水分含量越低[33，54-56]。多年連續(xù)種植苜蓿會導(dǎo)致土壤干燥化，生長年限時間越長，干燥化越嚴重。如苜蓿草地生長3年之后土壤干層厚度達100～760 cm，生長15～28年后0～10 m土層內(nèi)土壤濕度平均為10.20%，接近凋萎系數(shù)，土壤干層最大深度在14 m以上[57-58]。楊文治[59]通過研究半干旱地區(qū)檸條植被生長年限與土壤水分之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)檸條生長前幾年未形成干層，在6～14年土壤干層厚度為240～260 cm，生長14年的土壤干層厚度達700 cm。王艷萍等[60]對黃土塬區(qū)內(nèi)不同土地利用方式下的土壤水分狀況進行分析，結(jié)果表明，在農(nóng)田和7齡果園中不存在土壤干燥化現(xiàn)象，在17齡果園土壤剖面存在分布深度為320～600 cm的干燥化土層。梁海斌等[61]對不同林齡的人工檸條林進行研究并對各樣地的剖面土層進行土壤干層劃定，在200～300 cm土層10年和20年檸條林地為中度干層和嚴重干層，35年人工檸條林在200～600 cm內(nèi)土壤剖面干化程度均為中度甚至嚴重干層，結(jié)果表明，隨著人工檸條林林齡的增長，平均土壤含水量逐漸減小，土壤剖面干燥程度也逐漸加劇，土壤干層深度也加深。

2.3.3 人為因素。

人為因素對干層的形成及發(fā)展具有很大的影響。一方面，在引進樹種時，未考慮立地條件和樹草種特性，大量引進不適宜的樹種會造成原生植被和降水之間的動態(tài)平衡，易產(chǎn)生諸多問題。例如，干旱少雨地區(qū)由于天然降水補充不足，植被必須通過根系吸收土壤中的水分來維持正常生長，若在該地區(qū)大面積種植喜水植被，在持續(xù)干旱情況下，土壤中水分被吸收而得不到補償，逐漸引起土壤干燥化，最終形成干層。林地種植密度不當也是產(chǎn)生干層的原因之一。植物群落的生產(chǎn)力以及其對水分的消耗量均與植被密度有關(guān)，高密度種植必然導(dǎo)致高水分消耗，最終造成干層。另一方面，由于黃土高原地區(qū)“低降水、高蒸發(fā)”的氣候特點，在退耕還林過程中選擇抗旱性強的樹種，如檸條、刺槐等，這些抗旱性的樹種根系較深，對土壤水分具有較強的吸水能力，長期情況下消耗深層土壤水分，進而加劇土壤干燥化[62]。此外，施肥和耕作方式等農(nóng)業(yè)措施也會通過影響植被生長、根系吸水進而影響干層的發(fā)展[63-65]。

3 土壤干層的改善與修復(fù)

土壤干層的發(fā)展及其干燥化程度與植被根系深度、植被類型、植被生長年限、土壤質(zhì)地及地勢條件等有關(guān)?？傮w來說，土壤干層是自然因素和人為因素雙重作用的結(jié)果。土壤干層阻礙了土壤上下層水分的交換，造成現(xiàn)有植被水分生態(tài)條件的惡化，不僅影響當前植被，還對后續(xù)人工植被的生長產(chǎn)生嚴重影響[17]。因此，對土壤干層進行減弱和消除，恢復(fù)深層土壤水分是必要的。

根據(jù)不同地區(qū)不同情況選擇種植不同的植被類型和適宜密度[45]，在選擇樹種時應(yīng)遵循植被的自然演替規(guī)律，適地適樹，依據(jù)植被地帶性分布規(guī)律、樹種的生物生態(tài)學(xué)及群落學(xué)特性，選擇適宜的喬、灌、草種及種植密度。例如在砂土區(qū)應(yīng)以耗水量較小的耐旱草灌為主;在黃土區(qū)應(yīng)種植耐旱的喬、灌、草相結(jié)合的植被;在黃土高原干旱少雨的地區(qū)，應(yīng)多種植耗水少和固沙能力強的灌木樹種，不應(yīng)廣泛種植蒸騰作用旺盛的喬木樹種。在半干旱區(qū)，沙打旺草地密度以4 500株/hm2 為宜，而灌木適宜密度一般為4 950～6 600株/hm2，喬木在中齡的密度以2 250株/hm2為宜[66]。

選擇合適的土地利用結(jié)構(gòu)，通過增加地區(qū)植被的灌木和種草所占比例，調(diào)整并形成合理合適的土地利用結(jié)構(gòu)。有研究認為，對于利用型干層，如果改變利用方式，干層可能會消失，恢復(fù)過程由該地區(qū)降水和蒸發(fā)蒸騰平衡情況決定[13]。另外，研究發(fā)現(xiàn)封育措施對土壤干層的消除有積極作用，隨著封育年限的增加，土壤內(nèi)含水量會明顯增加，且土壤干層也會逐漸減輕變薄[67-68]。王猛等[69]研究表明，連續(xù)封育4年后，0～10 cm土壤容重明顯降低，0～10 cm土壤含水量明顯增加，10～40 cm土壤有機質(zhì)含量明顯增加。王志強等[70]研究發(fā)現(xiàn)，隨著翻耕年限的增加，干層內(nèi)土壤水分恢復(fù)的深度和程度會逐漸增大，當重新再種植一年生農(nóng)作物之后，土壤水分不會繼續(xù)惡化，甚至干層水分還會恢復(fù)。

在干旱半干旱地區(qū)水資源較為有限，采取一些技術(shù)措施，以便有效地利用水資源，減少土壤干層發(fā)育。例如通過人工集流措施[25]，在坡地上特別是坡度較大的坡地上挖魚鱗坑，收集雨水，可把坡地改造成梯田，并把梯田的邊緣抬高，增強雨水的入滲，防止和削弱土壤干層發(fā)生的作用。另外，采取灌溉、地表覆蓋及其他工程水保措施可緩解土壤干燥化程度[71]。研究表明，適度對植被增加修剪強度可明顯減少植被耗水[72-73]，全年地膜覆蓋更有利于生育期土壤水分儲存并可有效降低林地休眠期的土壤水分損失[74-76]。

4 結(jié)論及建議

在干旱半干旱地區(qū)，降水是主要的補給來源，但在土壤某一深度存在厚度不同的土壤干層，若降水強度較小，在入滲過程中一部分蒸散到大氣中，另一部分被植被根系所吸收;若降水強度較大，在垂直入滲過程中，這些具有水分缺失的干層會成為水分傳遞的隔水層，阻隔重力水下滲，減少降水轉(zhuǎn)化為地下水的比例，影響區(qū)域水循環(huán)的過程與路徑[66]。針對土壤干燥化所產(chǎn)生的土壤干層問題，已有學(xué)者在土壤干層的定義類型、量化指標、形成原因及影響因素等方面取得了一些研究，然而仍有許多問題需要進一步深入研究，具體表現(xiàn)在以下方面：

（1）當前對土壤干燥化及土壤干層研究多局限于黃土高原某個流域或地區(qū)，多以年為單位進行對比分析，缺乏在空間尺度上及季節(jié)動態(tài)下的探討。

（2）常見的干層評價指標有3種：干層厚度、土壤含水量和干層形成的起始深度。這3種指標量化簡單，意義清楚，應(yīng)用廣泛，但目前的量化指標不夠全面，應(yīng)從土壤水能量方面，基于土壤水勢，結(jié)合植被生理生態(tài)特征，綜合確定干層判斷指標。

（3）土壤干層的發(fā)展及其干燥化程度與植被根系深度、植被類型、植被生長年限等有關(guān)。當前對植被作用下土壤干層的發(fā)育過程及不同類型人工植被土壤干燥化程度研究較多，但對土壤干燥化及土壤干層下后續(xù)植被的種植及生長狀況研究較少。因此，深入開展不同植被的生態(tài)吸水研究，開展土壤干燥化狀況下植被生長情況研究，有助于在干旱半干旱地區(qū)制訂合理的生態(tài)工程措施，避免土壤干燥化的形成。

（4）土壤水分在植物生長過程中起著重要作用，土壤干燥化是土壤水分虧缺的結(jié)果，土壤干層是土壤干燥化的最終表現(xiàn)形式，對土壤干層進行減弱和消除，恢復(fù)深層土壤水分是必要的。適地適樹，合理地配置植被組成和空間布局，根據(jù)當?shù)丨h(huán)境的水分承載力選擇造林種草的適宜密度;在水資源較為有限的地區(qū)，采取一些技術(shù)措施，如采用人工集流措施及灌溉、地表覆蓋等方式緩解土壤干燥化程度。另外，土壤干層的恢復(fù)速率較慢，因此如何高效率恢復(fù)土壤水分，防止干層進一步發(fā)育，仍是未來的研究重點。

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