陕北黄土区不同林地土壤干燥化效应

苟清平,朱清科,2,*,李依璇,申明爽,刘昱言,梅雪梅,王 瑜,3

1 北京林业大学水土保持学院, 北京 100083 2 林业生态工程教育部工程研究中心, 北京 100083 3 陕西省水务集团有限公司, 西安 710075

陕北黄土区气候干燥,降雨量少,蒸发量大,生态环境脆弱,水土流失严重,为了治理水土流失,改善生态环境,实施了“三北”防护林体系,退耕还林(草)等林业生态工程,虽然取得了显著效果,然而人工林林地水分条件的稳定性和植被恢复的可持续性是目前迫切需要解决的关键问题。近些年来的研究表明：在黄土高原不同地区林地普遍出现深层土壤干燥化现象[1],其直接后果就是形成土壤干层。土壤干层指降雨渗深以下(降雨入渗一般2 m左右),植被深层吸水不能被降雨入渗补给的土壤水分低湿层[2]。土壤干燥化会导致植被退化,植被更新和再次造林困难加大,阻断地表水对地下水的补给,从而恶化当地的生态环境。60年代中期在陕西蒲城首次发现土壤干层以来,土壤干燥化现象日益严重,已成为生态文明建设中棘手的问题,相关学者为了解决这一问题,就土壤干层的定义、成因、分类以及防治措施做了大量研究[3- 10],并取得一系列研究成果。这些研究主要是针对单一植被的土壤干燥化效应,例如柠条(Caraganakorshinskii)[11]、苹果园(Maluspumila)[12]、苜蓿(Medicagosativa)[13]等研究较多。然而,在同一地形条件下不同植被的土壤干燥化效应研究鲜见报道。

本研究以陕西省吴起县金佛坪流域作为研究区,选取山杏(Armeniacasibirica)、油松(Pinustabuliformis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、小叶杨(Populussimonii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)林地,以多年荒草地作为对照,分析各植被类型0—10 m的土壤水分分布特征,定量评价土壤干燥化强度,旨在为提高该地区的植被稳定性及生态系统的可持续健康发展提供理论指导。

1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市吴起县金佛坪流域,地处107°38′57″—108°32′49″E,36°33′33″—37°24′27″N之间。全县地貌类型为黄土丘陵沟壑区,属暖温带大陆性季风气候,海拔1233—1809 m,年均气温7.8℃,多年平均降水量为478.3 mm,降水季节分配不均,年际变化大,雨季集中在7—9月,多年平均年陆面实际蒸发量为400—450 mm。土壤为地带性黑垆土剥蚀后广泛发育在黄土母质上的黄绵土,占全区总面积的97.6%,质地为轻壤,田间持水量为20.9%,凋萎湿度4.7%,1 m以上土层的土壤容重平均为1.3 g/cm3。金佛坪流域自1998年实施退耕还林以来,形成了山杏、油松、刺槐、小叶杨等主要乔木树种人工林,以及沙棘、柠条等主要树种的灌木林,以及针茅(Stipacapillata)、早熟禾(Poaannua)等草本植物。该县植被恢复效果较好,林草植被覆盖率达49.6%,水土流失得到有效控制。

2 研究方法

2.1 样地选择

本研究选取山杏、小叶杨、油松、刺槐等乔木林和沙棘灌木林以及多年荒草地作为研究对象,为了突出比较植被类型,选取的地形(坡度和坡向)相似。乔木林地采用20 m×20 m的样地,灌木林地采用5 m×5 m的样地,荒草地采用1 m×1 m的样地调查植被生长状况(表1)。

2.2 林地土壤湿度测定

在不同林地植被调查基础上,随机选取3个典型样地样点,在其大致中心位置(两株树的中心线与两行距的中心线的交点)进行土壤取样,取样点尽量避免靠树太近造成误差,即取样点离周围最近的树距离大致相等。用人工土钻法取0—10 m的土壤,0—1 m土层每间隔10 cm取样,1—10 m土层每间隔20 cm取样,每层取3个土样重复。采用烘干法测定土壤质量含水量。每次土壤水分测定取样时保证前7日未降雨,土壤水分测定时间集中在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况

2.3 土壤干燥化强度评价方法

黄土高原土壤干层下限含水量指标≤凋萎湿度,上限含水量指标≤土壤稳定湿度[14]或毛管断裂湿度。土壤稳定湿度是指土壤能够长期维持的一个土壤湿度值,一般是田间持水量的50%—80%[1- 2],该值反映某一土壤持水性能的中间状态。本文的田间稳定湿度值取田间持水量的60%,凋萎湿度取值4.7%[15]。

本文为了定量描述不同林地的土壤干燥化程度,采用土壤干燥化指数SDI(soil desiccation index)分析和对比不同林地的土壤干燥化效应[12,14,16]。

式中,SDI是土壤干燥化指数(%),SM是土壤湿度(%),SW是凋萎湿度(%),SSM是土壤稳定湿度(%)。土壤湿度用土壤质量含水量(%)表示。依据SDI大小,土壤干燥化强度划分等级(表2)。

表2 土壤干燥化强度划分标准

2.4 土壤水分相关指标计算方法

土壤储水量(SWS)为一定厚度土层所储存的水量,计算公式：

式中,SMS(soil moisture storage)为土壤储水量(mm)；BD(bulk density)为土壤容重(g/cm3),取值为1.3 g/cm3,SMC(soil moisture content)为土壤质量含水量(%),H表示土层厚度(cm),ρ表示水的密度,取值为1.0 g/cm3。

土壤有效储水量(ASMS)表示土壤实际储水量与凋萎湿度时土壤储水量的差值,计算公式为：

ASMS=SMS-SMSWM

式中,ASMS(available soil moisture storage)为土壤有效储水量(mm)；SMSWM表示土壤水分为凋萎湿度时的土壤储水量(mm)。

土壤水分过耗量(SMO)表示土壤稳定湿度时的储水量与实际土壤储水量的差值,计算公式为：

SMO=SMSSSM-SMS

式中,SMO(soil moisture overuse)为土壤水分过耗量(mm);SMSSSM表示土壤水分处于稳定湿度的土壤储水量(mm)。

土壤干燥化速度(SSD)表示人工造林后平均每年土壤水分过耗量,计算公式为：

SSD=SMO/TA

式中,SSD(speed of soil desiccation)为土壤干燥化速度(mm/a)；SMO(soil moisture overuse)为土壤水分过耗量(mm)；TA(tree age)表示树龄(a)。

2.5 数据分析

用方差分析、LSD多重比较不同植被类型浅层与深层土壤水分的差异性,分析不同林地土壤干燥化效应,制表和制图在Excel 2016中完成。

3 结果与分析

3.1 不同林地0—10 m土层土壤含水量

分别对各林地和荒草地0—2 m和2—10 m的土壤湿度进行统计分析(表3)。可知,浅层(0—2 m)土壤湿度值为刺槐林地最低,平均值仅为10.67%,在4.16%—13.16%之间波动,最小值(4.16%)已低于凋萎湿度4.7%；小叶杨林地最高,平均值达17.11%。除小叶杨林地以外,山杏、沙棘、油松、刺槐林地,在0—2 m平均土壤湿度值均低于荒草地(15.03%)。深层(2—10 m)土壤湿度则有所不同,小叶杨林地土壤湿度平均值仅为6.24%,在5.30%—8.24%之间波动,是这几种林地中最低的。深层土壤湿度最高的是荒草地,在8.68%—17.51%波动,平均值为13.25%。除荒草地外,油松林地的土壤湿度最高。

表3 不同植被类型下土壤水分含量与多重比较

同一列不同植被类型之间字母不同表示差异显著(P<0.05,LSD),**表示差异极显著(P<0.01)

各类林地0—10 m土壤湿度(表4)平均于7.57%—10.80%,平均值9.59%, 土壤储水量在984.1—1404.0 mm,平均1246.4 mm；土壤有效储水量变化在373.1—793.0 mm,平均635.4 mm,均低于荒草地的土壤湿度13.73%,也均低于土壤稳定湿度12.50%,仅占田间稳定湿度的60.6%—96.4%,说明各林地发生了不同程度的土壤干燥化现象。

各林地土壤水分过耗量介于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,小叶杨次之(427.7 mm),山杏林(221.0 mm)最小。虽然山杏林的土壤储水量最大(1404.0 mm),但还是小于荒草地。不同林地土壤干燥化速度介于12.3—44.7 mm/a之间,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土层土壤含水量比较

3.2 不同林地土壤湿度剖面分布特征

图1 不同林地与荒草地土壤湿度剖面分布 Fig.1 Distribution of soil moisture profile in different forestlands and grassland

不同林地和荒草地0—10 m土壤剖面的土壤湿度随着土层深度存在先降低后升高的整体趋势(图1)。除油松、沙棘、荒草地外,其他林地最大耗水深度达到或超过10 m。其中山杏林地250 cm以下均为土壤干层,刺槐林地75 cm以下均为土壤干层,油松林地土壤干层位于130—750 cm和870—1000 cm,沙棘林地、荒草地土壤干层分别位于130—850 cm,270—610 cm。刺槐林地土壤水分亏缺最严重,山杏林地较轻。各林地和荒草地浅层土壤湿度都大于田间稳定湿度,甚至部分植被土层土壤湿度达到田间持水量以上。不同林地开始出现土壤干层的深度也不一样,刺槐林地开始形成土壤干层最浅,为75 cm；沙棘和油松林次之,均为130 cm；油松林次深,为170 cm,山杏林最深,为250 cm。

3.3 不同植被类型土壤干燥化程度

由于土壤湿度调查的时间是雨季末期(10月下旬),浅层土壤水分得到降雨补给,相关研究表明,降雨对土壤水分的补给深度一般为1—2 m[17]。故本文只分析各植被类型土壤深层(2—10 m)土壤干燥化强度。在不同林地中,深层(2—10 m)土壤已达强烈干燥化为小叶杨林地(干燥化指数为80.19%)和刺槐林地(78.03%),说明深层土壤水分利用量较大；与其他植被类型相比,刺槐林地出现了极度干燥层,厚度达140 cm,位于160—300 cm土层,该层是刺槐林地主要耗水层。其他样地的2—10 m土层的干燥化指数分别为沙棘林55.38%(严重干燥化)、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%(无干燥化)(表5)。达到强烈以上程度的干燥层厚度从大到小依次为小叶杨林地580 cm、刺槐林地380 cm、沙棘林地360 cm、油松林地100 cm。山杏林地未出现强烈程度以上的干燥层,但严重程度以上的干燥层厚度达到240 cm。荒草地只出现中度以上干燥层,厚度160 cm。山杏林,刺槐林和小叶杨林地的土壤干层深度都超过了10 m以上。在这几种植被类型中,荒草地的土壤干层厚度最小,为340 cm。

表5 不同植被类型深层(2—10 m)土壤干燥化指数、干燥化强度和剖面土壤干层厚度

4 讨论

4.1 不同植被0—10 m土层土壤湿度

土壤水分是半干旱黄土区植被构建的限制因素,在植被恢复过程中,合理利用土壤水分至关重要,不同植被类型在根系分布,土壤水分需求上存在差异。各植被类型样地浅层土壤湿度相对较高,主要是因取样时间是雨季末期的10月下旬和11月上旬,受雨季降雨补给影响。刘刚等[15]分析吴起县不同植被类型土壤干层表明,降雨能缓解土壤浅层土壤水分亏缺,与本文研究结果一致。在浅层土壤水分中,其中小叶杨林地的土壤湿度最高,可能由于小叶杨林地枯落物较厚,有利于减少地表径流,增加入渗以补充土壤水分；杨磊等[18]通过分析次降雨事件对不同植被类型土壤水分的补给效率与阈值表明,相同降雨条件下,天然荒草地土壤水分容易得到补给,其次为小麦((Triticumaestivum))、沙棘、红豆草((Onobrychisviciaefolia))和油松,与本文研究结果不一致,可能是因荒草地土壤水分物理蒸发较大,导致土壤水分低于小叶杨林地。然而小叶杨林地的深层土壤湿度却最低,土壤干燥化指数也最大,这可能是由于小叶杨林树木高大与密集,蒸散耗水量较大,在以往年份中利用了更多深层土壤水。除荒草地外,油松林深层土壤湿度最高,这是因为油松林林龄很小,仅为5年,土壤水分的亏缺累计还不大。刺槐林0—10 m土层的水分过耗量最大,这主要因刺槐林树体大和林龄大,降雨补充土壤水分少,这从其浅层土壤湿度最低和土壤干层形成深度最浅都能反映；此外,相关研究表明,刺槐属于深根系植被[19],能够利用深层土壤水所致。

4.2 不同植被的土壤湿度剖面分布特征

土壤干层的分布受到土壤湿度剖面分布的影响,土壤水分的消耗主要是物理蒸发[20]、植被蒸腾[21]和根系吸收[22]。近年来,黄土高原干旱次数增多[23],气候呈干旱化趋势[24],降水量减少,植被耗水量增加,致使土壤水分处于亏缺状态,长期低于土壤稳定湿度,林草植被为了维持自身生命活动,导致林木通过根系不断由表层向深层吸收利用深层土壤水分,出现更严重的亏缺,最终形成土壤干层。莫保儒等[25]研究表明,由土壤表层至深层,地形影响土壤水分的作用逐渐减弱,植被影响土壤水分的作用逐渐增强；张晨成等[26]分析了坡面尺度下不同植被类型的土壤干层的空间分布,研究结果表明,植被是改变坡面深层土壤水分分布的主要影响因子,均与本文研究结果一致。由图1,土壤干层在研究区不同植被类型下均存在,植被只是在一定空间尺度下加重土壤干层。黄土高原土壤干层会恶化当地的生态环境,土壤干层除了受到降水的影响外,还受到植被的生理生态特征、土壤理化性质[27]、根系分布、吸水能力、气孔导度[22]等的影响。

4.3不同植被的深层土壤干燥化强度

黄土高原土壤干层的形成是由于树木在长期连续生长过程中过度消耗土壤水分的结果。梁海斌等[28]对黄土高原不同退耕还林植被土壤干燥化强度分析表明,随树龄和土层深度的增加,不同退耕还林植被土壤干燥化强度和土壤干层厚度逐渐增加；李军等[29]分析不同植被类型区人工林地土壤干燥化强度表明,随着林龄增加,林地土壤干燥化强度逐渐加强；卢建利等[30]研究了半干旱黄土区4,8,12,15 a沙棘林生长季土壤水分动态,得出0—6 m土壤湿度明显随着树龄增加而减小的规律,均与本文研究结果基本一致。其中,山杏林(8年生)和油松林(5年生)土壤干燥化强度为中度,刺槐林、沙棘林、小叶杨林土壤干燥化强度已达严重及以上。在同一地点的土壤性质、降雨条件基本相同的情况下,各植被类型土壤水分亏缺的差异主要是植被特征[31]、微地形差异等[32]因素综合作用的结果。本研究分析了各植被类型深层土壤干燥化效应,今后研究中,应考虑各因素的综合影响机制。

5 结论

在2017年生长季末对位于黄土高原半干旱区的陕西省吴起县的主要各植被类型0—10 m土层的土壤湿度的一次性调查表明,浅层与深层土壤湿度均存在显著差异,其中浅层：小叶杨>山杏>沙棘>油松>刺槐,深层：油松>山杏>沙棘>刺槐>小叶杨。与荒草地相比,各类林地均出现了土壤水分过度消耗,其中刺槐林过耗量最大,山杏林最小。

各林地均存在土壤干层,其中刺槐林、小叶杨林和山杏林土壤干层都已达到10 m以下,植被是深层土壤水分的主要影响因素。

5类林地土壤干燥化指数平均为39.26%,都远高于荒草地-9.57%。土壤干燥化强度为小叶杨>刺槐>沙棘>山杏>油松,这是树种、林木大小和密度、林分生物量、树龄等生长指标综合作用的结果。在今后植被恢复中,应注意根据当地土壤水分条件,合理选择节水树种和合理设计林分结构,尽量避免或减轻土壤干化,维持较高的植被稳定性。