土壤水分特征理论与实证

2　土壤水分特征理论与实证

从图3可见,植被覆盖变化和降水变化关系非常密切,降水逐年减少地区的植被NDVI也在降低,并且降水减少的趋势越明显,植被NDVI降低的趋势也越显著。随着降水由减少趋势转为增加趋势,植被覆盖也随之转为增加,并且迅速达到并稳定于一个显著的水平(Rv＞0.6),这表明黄土高原地区的植被覆盖对降水有着敏感的响应。由此可见,降水可能是黄土高原地区植被覆盖时空演变的一个关键因素。^［5］

图3　植被覆盖在不同降水条件下的变化

2.1不同人工植被条件下的土壤水分特征

黄土高原地区的人工植被除农地以外，主要包括人工林地(主要有刺槐、山杨、油松等乔木林和柠条、沙棘等灌木林以及其它经济林)和人工草地(主要有沙打旺、紫花苜蓿等)。黄土高原地区由于降水少，蒸发系数高，地下水埋藏又深，致使土壤经常处于水分亏缺状态，即使在半湿润地区，裸地农田2m土层除雨季土壤水分可得到完全恢复、亏缺现象短期消失外，在全年绝大部分时间内土壤水分都有一定亏缺，林草地与农田相比，土壤水分亏缺程度更为严重。据淳化试验区研究表明，20龄人工油松林在整个生长季节(5～10月)，蒸腾耗水占同期降水的72%以上，土壤有效水经过生长季节损失41.9%，亏损部分由非生长季节和丰水年降水补充。试区内年降水量600mm，属于半湿润气候区，人工油松林地土壤水分收支基本保持平衡，而且欠水年支出大于收入。^［6］在甘肃子午岭试验区，40～50龄辽东栎—白桦混交林和20～30龄山杨林的耗水量大于降水量，3m～4m以下出现干燥层，干层的土壤湿度接近萎蔫湿度。^［7］在安塞试区，16龄刺槐林和柠条林地的土壤水分动态观测表明，随着林龄的增加，树木根系分布范围扩大，生物量增加，蒸腾耗水强度和耗水量增大，土壤水分的亏缺程度渐趋严重，土壤水分的恢复程度逐年降低，但柠条灌木林的恢复程度略好于刺槐林(见图4)。对陕西吴旗飞播沙棘灌木林与封禁荒山的土壤水分观测结果也表现出与以上实验区相同的趋势，荒山植被土壤水分的恢复程度也好于沙棘林(见图5)，从垂直分布看，沙棘林3m～5m深土层储水严重亏缺，但1m～2m土层水分可得到补偿，且持水量较荒山高，故林下草被生长较对照荒山植被为好。^［8］

图4　不同植被条件下土壤水分的年际变化

图5　沙棘林与封禁荒山植被土壤水分的年际变化

人工草地的水分状况略好于人工林地。吴旗飞播沙打旺草地的水分研究表明，随生长年限的延长，土壤湿度明显下降。沙打旺旺盛生长的3～7年间，根系不断下伸，使5m～8m深层储水降至4%～5%，加剧了深层水分的利用，但8～9年后随着沙打旺的衰败，土壤水分逐渐得到恢复，衰败3～4年，2m～3m土层水分可得到恢复。^［9］渭北旱原4～5年生紫花苜蓿草地的耗水量为降水量的1.4～1.7倍，3m土层水分的支出大于收入，但2年生新疆大叶苜蓿与红豆草的人工混播草地2m土层水量收支仍可达到平衡，^［10］这表明苜蓿草地随生长年限的延长也增强了深层土壤的干燥化作用。^［11］

2.2“土壤干层”的形成会使人工建设植被事倍功半，甚至前功尽弃

已有的研究成果表明，在黄土高原地区，农田、草地和人工林地均存在不同程度的水分亏缺，即使经过雨季，某些土层土壤水分也不能恢复到正常水平，形成所谓的“土壤干层”，限制了农作物的生产，并导致了许多人工植被因水分亏缺而衰败，甚至成片死亡，严重制约了黄土高原的生态环境建设。对于气候的暖干化，并非近期所能改变，而对于人为因素所造成的土壤干层及植被退化，只要能合理地进行改进，则可以改善此地的植被发育状况。黄土高原土壤干层主要包括两种类型，即蒸散型干层和蒸发型干层，前者由植物根系吸水、土壤水分大量丢失所形成，主要分布于半湿润半干旱地区；而后者则是由于在大气干旱与水势梯度双重作用下，通过土壤水分的强烈丢失所形成，主要分布于干旱半干旱地区。但是由于黄土高原地区自然降水是土壤水分的最主要来源，气候的变迁必然导致土壤水分收支平衡的变化，显然气候干旱会促进土壤干旱，但是这种促进作用在不同的气候区表现有所差异：在半湿润半干旱地区由于植被状况相对较好，当气候向干旱发生演化时，由于生理耗水的需求，植物必然增加对土壤水分的消耗，而土壤水分又不能得到降水的及时补充，故土壤干层的形成被进一步激发和强化，这种强化作用还与植被类型与林龄密切相关，一般地，乔木林＞灌木林＞草地，林龄越大强化作用也越大。而干旱半干旱地区由于植被稀疏，蒸散耗水的比例较小，“土壤干层”的形成与气候演化基本同步。

2.2.1“土壤干层”的含水量很难快速恢复　　由于黄土高原降水量少，林草地衰败后，“土壤干层”的含水量也很难快速恢复。据吴旗试验区结果，沙打旺草地衰败4年后，土壤水分恢复深度为3.5 m，土壤含水量只提高了2个百分点，与天然草地相比，有效水分仅是天然草地的1/7。因此，按这一速度，“土壤干层”的含水量达到天然草地含水量的水平，至少需要20年以上的时间。同时3.5m以下的“土壤干层”尚未考虑在内。因此，“土壤干层”完全恢复需要的时间是相当长的，在这个时期很难保证造林种草的成功。^［12］

2.2.2树木生长衰退,难以成材　　由于“土壤干层”形成，削弱了土壤供水能力，影响了树木生长。有“土壤干层”的小叶杨林，树高年生长量很低，只有5cm～20cm，仅相当于正常树木的1/10～1/4。20年生刺槐林树高年生长量也只有10cm左右。在黄土高原的低产林地中，除个别类型外，几乎都有“土壤干层”形成，相当多的有“土壤干层”的林地树木长成“小老树”，树高只有3m～5 m，叶片小而少，分枝少，树皮发黑而无光泽，心腐病严重，最终难以成材。^［12］

2.2.3植被提早衰退，生活周期缩短，失去“土壤水库”的功能　　由于“土壤干层”的存在，使生存环境恶化，林草植被生长衰退，提早老化。根据调查资料，有“土壤干层”的林分，其成熟龄要比没有“土壤干层”的林分普遍早2～4年。其次，由于有“土壤干层”的林分生长势弱、根系浅，在特大干旱年份里常常发生树木因缺水而枯死的现象。因为“土壤干层”形成后，失去“土壤水库”的功能，丧失了供水调节能力。“土壤干层”的影响在草地更为明显。沙打旺在吴旗可生存8年，在榆林可生存4～5年，在固原只能生存3～4年。固原县上黄试区1984年种植的沙打旺，经过1986年后半年和1987年前半年的连续大旱，急骤衰败。这些事例都说明了“土壤干层”的不良影响。

2.2.4天然下种更新不良　　天然下种更新是林草地繁衍后代、保持植被稳定的重要手段。但是,有“土壤干层”的林分普遍天然下种更新不良。例如，沟道中的小叶杨林天然下种更新良好，而分布于梁峁坡上的小叶杨林地中却很难找到天然更新的幼苗。在黄陵、富县、宜川一带，不论人工油松林还是天然油松林，林下都有天然下种的幼苗，而在定西、神木等地油松林下很难见到更新幼苗。柠条是黄土高原广泛分布的灌木，结实量大，直播造林简单易行，成活率高，但是，天然更新却不容易，柠条林下没有二代幼苗。这是由于“土壤干层”形成后，地表也比较干燥，不容易发芽，即使发芽，幼根也很难吸收水分，导致死亡。上述实例表明，有“土壤干层”的人工林地由于更新不良，现有林分只能生存一代，其衰败后林地仍有可能变成光山秃岭，除非进行人为干涉。

2.2.5衰败的林草地重新造林难度更大　　由于“土壤干层”而导致林草植被衰败的土地，再用于造林种草，其难度要比荒山大得多。神木试验区的试验资料说明了这一问题。^［12］这是由于幼苗在栽植后根系与土壤结合不紧密，受伤根处于恢复过程，吸水能力弱，故一遇干旱便会因缺水死亡。尽管浇了少量水，但很快被“土壤干层”吃掉，对苗木作用不大。

2.3应避免人工“土壤干层”

气候的变迁是一个漫长的过程，其周期短的也有数十年，长的达数万到数十万年，因此自然植被的演替也不可能是突然发生的。当气候发生变迁时，适应新气候条件的植物种类不断增加，原植物群落的成分逐渐减少，但由于植物不像动物那样可以通过种群迁徙逃离不适合的环境条件，而只能通过旧个体的不断死亡和新个体的不断增加来实现。“土壤干层”是在气候向干旱化方向发生演变时出现的生态因子的相应变化，从而成为进一步导致植被演替的直接原因。很显然，从气候变迁与土壤水分的消耗过程来讲，人工植被土壤出现干层的起因应包含两个方面的含义：一是气候向干旱发生演化，二是由于树种及乔灌草的配置方式选择不当，致使植被对土壤水分强烈消耗。黄土高原的“土壤干层”即是这两种因素综合作用的结果。显然，气候演变的总趋势我们无能为力。但是，我们可以通过选择合适的树草种和乔灌草的配置类型，以及调整林草种植密度等措施使“土壤干层”的危害得以缓解。“土壤干层”的出现，从本质上来讲是植物群落自我调节的直接原因，喜湿成分减少喜干成分增加，以维持其立地条件的水分平衡。人工沙打旺草地衰败以后天然草类繁茂、土壤水分逐步得到恢复,^［13］在森林采伐迹地上蒸散量可减少40%，雨季降水入渗显著增加，^［14］这些试验结果使上述观点得到有力证明。由前文的分析论述可知，在黄土高原地区除一年生的农作物田及半湿润区的油松人工林地的土壤水分基本保持平衡以外，多数人工林草植被甚至一些次生天然植被均不同程度地存在着“土壤干层”问题，这从一定程度上反映出黄土高原气候仍在向干旱化方向发展。从长期气候演化趋势来看，我国的气候自北宋以来一直处于干冷阶段，虽然20世纪温度有所回升,^［15］但由于降水较温度的滞后作用，干旱仍会持续相当长的时期。黄土高原“土壤干层”的普遍存在说明，在现今植被建设中“试图根据‘草—灌—林’的自然植被演替规律，通过发展人工草地使土壤水分得到逐步恢复,然后发展灌木林,最终达到发展乔木林的目标”似乎不太可能。黄土高原人工植被的“土壤干层”问题从另一方面反映出“适地适树”问题仍须妥善解决，这已成为限制黄土高原植被与环境建设的严重障碍，因而仍迫切需要进行这方面的深入研究。黄土高原“土壤干层”问题是气候干旱化与植被强烈耗水两个方面综合作用的结果，但有望通过选择合适的树草种和乔灌草配置类型，以及调整林草种植密度等措施使“土壤干层”的危害得以缓解。^［16］图6显示，近100年来，黄土高原气温总体上升。^［17］自19世纪中期至20世纪10年代,为气候偏冷期。1920～1940年是近百年的温暖期，平均温度上升了0.6℃～0.7℃。20世纪50～70年代前期气温有所下降，70年代后期，气温呈现持续上升的趋势。从1985年以来，气温急剧升高，5年中增温0.3℃左右，自1990年开始气温进一步升高。黄土高原与全球及全国相比，温度变化趋势基本一致。变暖地区主要集中于35°N以北，日增温幅度随纬度的增大而增高，愈往北，温度升高的愈多。图7（见下页）显示，1955～2000年，黄土高原年均降水量从700mm～250mm^［18］降低至600mm～150 mm,平均降水量减少了100mm左右。据预测，在未来50年内，黄土高原降水量将减少到580mm～130mm。由此可知,黄土高原气候明显变干变暖,在未来会更加暖干,这将对该区的生态环境建设和农、林业发展带来极为不利的影响。^［19］

图6　黄土高原地区近100 a来温度变化

图7　1955—2000年黄土高原地区降水量变化

由图8可知，年降水量呈明显的下降趋势，40年降水量变化曲线线性拟合斜率为-2.095，即年降水量递减率为-2.095mm/a，大于近40年来全国年降水量递减率(-1.269mm/a)。^［20］作物生长季4～10月降水量递减率为-1.939 mm/a,冬季12～2月降水量略呈上升趋势，k值为0.043mm/a。^［21］20世纪60年代平均降水量503.7mm,70年代为461.1mm，80年代为468.0mm，90年代为428.7mm，有明显递减趋势。

图8　黄土高原40 a降水量变化曲线及线性拟合斜率k值分布图