鄭 郁，張 霞，辛向文，劉國(guó)彬，胡永紅

（1.陜西省環(huán)境科學(xué)研究院，西安710061；2.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安710001；3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；4.陜西安塞縣農(nóng)技推廣站，陜西 延安717400）

陜北地區(qū)屬于典型的黃土高原溝壑區(qū)，水土流失嚴(yán)重，根據(jù)1979年水土保持統(tǒng)計(jì)資料，陜北地區(qū)劇烈侵蝕區(qū)和極強(qiáng)侵蝕區(qū)分別占20%和29%［1］，水土流失不僅破壞了當(dāng)?shù)氐耐恋刭Y源和生態(tài)環(huán)境，也是黃河泥沙含量較高的原因之一。從20世紀(jì)60年代起，針對(duì)陜北地區(qū)水土流失的特點(diǎn)及當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，已多次實(shí)施了水土保持治理措施，而刺槐（Robinia pseudoacacia L.）［2］以其適應(yīng)性強(qiáng)、抗逆［3］、耐酸堿、速生耐瘠?。?］等特點(diǎn)成為水土保持生態(tài)治理的先鋒樹種［5］，以刺槐為優(yōu)勢(shì)樹種的防護(hù)林在持續(xù)發(fā)揮水土保持作用的同時(shí)也帶來(lái)了一定的生態(tài)效益。近年來(lái)，隨著研究的深入，有學(xué)者指出由于刺槐與其他人工林對(duì)土壤水分的利用方式存在著顯著的差異［6］，尤其在干旱半干旱地區(qū)，刺槐林對(duì)土壤儲(chǔ)水的過(guò)度利用導(dǎo)致林下土壤層中存在著水分極低的土壤干層［7］（個(gè)別地區(qū)甚至低于凋萎濕度），且難以恢復(fù)。而針對(duì)黃土高原植被恢復(fù)的研究也已證明，土壤理化性質(zhì)對(duì)黃土高原脆弱生態(tài)系統(tǒng)的演替、發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響［8］，而影響土壤理化性質(zhì)的生物化學(xué)反應(yīng)大多需要在水環(huán)境中進(jìn)行［9－12］，因此土壤水分特征研究則成了黃土高原地區(qū)刺槐林生態(tài)環(huán)境研究的基礎(chǔ)［13－15］。本文以神木、榆林、綏德、安塞、宜川、淳化地區(qū)28～30 a刺槐林林下0—500 c m深度土壤為研究對(duì)象，分析不同深度土壤含水率和儲(chǔ)水量，探討不同區(qū)域刺槐林土壤水分與土層深度之間的關(guān)系，以期為進(jìn)一步研究干旱半干旱地區(qū)刺槐林水分利用及生態(tài)功能提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文以陜北地區(qū)不同緯度帶刺槐林林下土壤為研究對(duì)象，研究區(qū)域包括神木、榆林、綏德、安塞、宜川、淳化6個(gè)地區(qū)，位于北緯34°47′57.41″—38°50′32.71″；東經(jīng)108°34′35.03″—110°29′29.35″的區(qū)域，從北向南依次是神木、榆林、綏德、安塞、宜川、淳化，分別為草原區(qū)、草原森林區(qū)、森林區(qū)［4］，所有天然植被已遭到嚴(yán)重破壞。

6個(gè)樣地均處在黃土高原溝壑區(qū)地帶，屬于溫帶大陸性半干旱氣候，除淳化縣外，其余5個(gè)地區(qū)年蒸發(fā)量均大于降水量，干燥度最小0.9，最大4.2，屬于典型的干旱缺水地區(qū)。人工林以刺槐、小葉楊、檸條錦雞兒和沙棘為主，土壤帶組成南北差異明顯：神木、榆林為風(fēng)沙土；綏德為砂壤土、安塞為輕壤土、宜川為中壤土、淳化為重壤土和黏土，普遍存在抗沖抗侵蝕性較差的情況，水土流失嚴(yán)重［16］。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

為了解陜北黃土高原刺槐林的林下水分狀況，通過(guò)查閱歷史資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、詢問等方式，根據(jù)黃土高原降水分布特征，從南到北選擇了6個(gè)樣點(diǎn)：淳化—宜川—安塞—綏德—榆林—神木，每個(gè)地點(diǎn)均選擇生長(zhǎng)年限在30 a（神木為28 a）左右的刺槐林半陰坡上坡位為樣地，各樣地刺槐林生長(zhǎng)狀況良好，選擇兩塊20 m×20 m樣方，樣方間距為150～200 m，坡度基本相同，每塊樣方選擇兩株刺槐，以刺槐主干為中心，徑向距離1 m處選擇兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，每20 c m取樣，選在2008年8月下旬至9月上旬集中調(diào)查測(cè)定，為保證土壤條件的一致性，選擇采樣前連續(xù)7 d無(wú)降雨事件發(fā)生的時(shí)段進(jìn)行采樣，樣地基本情況見表1。

表1 研究區(qū)域基本氣象條件

2.2 樣地土壤水分測(cè)定

土壤水分采用土鉆法測(cè)定，測(cè)深500 c m（榆林為400 c m），每隔20 c m取樣，每樣地兩個(gè)重復(fù)。在有條件的地方，及時(shí)將土樣置于烘箱內(nèi)，105℃下烘干12 h，測(cè)得土壤含水量。在野外不具備烘箱的條件下，采用燃燒法測(cè)定土壤含水量。在實(shí)驗(yàn)室用烘干法和燃燒法對(duì)同一樣品土壤含水量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示，這兩種方法測(cè)定的土壤含水量差別很小。

2.3 計(jì)算公式

（1）土壤水分虧缺度

式中：k——水分虧缺度；θa——阻滯含水量；θ——土壤測(cè)定含水量。

（2）土壤儲(chǔ)水量

式中：Q——土層儲(chǔ)水量（mm）；d——土壤容重（g／c m3）；h——土層厚度（mm）；c——土層含水百分比。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水分的剖面特征

通過(guò)對(duì)不同區(qū)域土壤含水量進(jìn)行測(cè)定和分析，發(fā)現(xiàn)榆林、神木地區(qū)土壤水分隨土層深度的變化不明顯，最高含水量1.51%、最低0.4%，這兩個(gè)地區(qū)土壤含水量分別穩(wěn)定在0.52%和1.1%；而綏德地區(qū)土壤水分變化規(guī)律卻呈現(xiàn)出隨土層深度增加的趨勢(shì)，且變化梯度十分均勻，以加深20 c m深度土壤水分下降0.2%的規(guī)律遞減；安塞、淳化兩個(gè)地區(qū)土壤水分含量剖面特征較為明顯，從上至下呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，且具有3個(gè)代表性的分層，以淳化樣地最為典型，0—50 c m土壤水分呈現(xiàn)迅速減少的趨勢(shì)，土壤含水率從24.66%降至21.33%，平均含水率22.63%，該層屬于土壤剖面水分循環(huán)活躍層［9］；50—250 c m土壤水分含水率維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平，但相比0—50 c m層已有明顯下降，其最高含水率22.42%，最低21.59%，平均含水率22.02%；250—500 c m 層與50—250 c m層土壤含水率有相似的特征，也維持在一個(gè)穩(wěn)定水平，最高含水率21.26%，最低19.61%，平均20.4%，但明顯低于50—250 c m層含水量（圖1）。造成這一分布特征的原因主要有以下幾個(gè)方面，0—50 c m層土壤水分受降水和蒸發(fā)影響顯著，含水量較高，但隨土層深度下降的趨勢(shì)也快［17］。由于刺槐林根系主要分布在深度為50—250 c m的土層中［18］，刺槐的高耗水特性［19］使得蒸騰作用十分強(qiáng)烈［20］，導(dǎo)致該層土壤水分含量明顯低于0—50 c m，而刺槐林根系對(duì)土壤水分的作用又使該層水分含量相對(duì)穩(wěn)定，沒有大的波動(dòng)，具有強(qiáng)烈耗水層［9］的特性。黃土高原降雨集中在7—9月，占全年降水量的60%～80%，250—500 c m深層土壤水分除在這一時(shí)段內(nèi)可以得到降水補(bǔ)給外，全年其他月份由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)和植物蒸騰作用，降水很難入滲到達(dá)，水分難以得到補(bǔ)給，所以該層土壤水分含量受到的擾動(dòng)很小，且在該層較深范圍內(nèi)植物根系分布較少，由植物蒸騰作用帶來(lái)的水分損失也較小，造成該區(qū)域土壤水分含量較低且相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。淳化樣地位于（34°53′43.7″N；108°35′21.5″E）與馬娟霞［21］等人在銅川市耀州小丘鎮(zhèn)（34°54′20.9″N；108°47′58.5″E ）樣地的研究結(jié)果有較強(qiáng)的吻合性，這說(shuō)明相同緯度刺槐林地土壤水分垂向分布具有普遍的規(guī)律性。

圖1 不同區(qū)域30 a人工刺槐林土壤水分剖面特征

易亮［9］的研究表明，不同植被地帶人工林地水分虧缺度表現(xiàn)為森林帶＜森林草原帶＜典型草原帶，虧缺度由森林帶的不虧缺逐漸增大到典型草原帶的61.52%，與本文的分析結(jié)果具有一致性。各樣地土壤水分虧缺度［9，22］分別為淳化－70.02%（不虧缺），宜川28.55%，安塞42.03%，綏德58.65%，神木87.26%，榆林93.81%（表2）。除淳化外其他5縣刺槐林土壤水分含量均低于生長(zhǎng)阻滯 含水量［9，22－23］，存在中度和重度水分虧缺，刺槐林生長(zhǎng)受到水分脅迫，刺槐屬于高耗水樹種［2］，其生長(zhǎng)期對(duì)土壤水分過(guò)度利用是導(dǎo)致林下土壤水分含量遠(yuǎn)低于田間持水量的主要原因。

表2 不同區(qū)域人工刺槐林土壤水分虧缺度

神木和榆林位于毛烏素沙地邊緣，流域地貌為片沙覆蓋的梁峁?fàn)钋鹆陞^(qū)，按照黃土高原刺槐生長(zhǎng)區(qū)劃屬于刺槐生長(zhǎng)次適應(yīng)區(qū)和非適應(yīng)區(qū)的交錯(cuò)地帶；綏德屬于黃土高原草原區(qū)，安塞樣地位于森林草原區(qū)［4］南部，宜川代表森林區(qū)北部，淳化位于森林區(qū)南部。6地均屬黃土高原水土流失區(qū)，成熟刺槐林地土壤水分更具代表性，如表2所示，6地30 a生刺槐林0—500 c m土層剖面土壤含水量表現(xiàn)為：淳化＞宜川＞安塞＞綏德＞神木＞榆林，與地理位置由南向北排列順序一致，降雨量由南向北也依次減少。神木、榆林及綏德樣地刺槐土壤水分呈現(xiàn)重度虧缺，水分脅迫作用明顯，易出現(xiàn)“小老樹［2］”現(xiàn)象。淳化人工刺槐林地土壤含水量遠(yuǎn)大于其他5地，剖面平均含水量為21%，與田間持水量相當(dāng)，均為有效水，屬于刺槐適宜生長(zhǎng)區(qū)。安塞、宜川屬于森林草原交錯(cuò)帶，土壤水分呈現(xiàn)中度虧缺，因此該區(qū)域?yàn)榇袒钡碾[域生境，較難發(fā)現(xiàn)成片生長(zhǎng)的刺槐林。造成這一現(xiàn)象的主要原因是降水量長(zhǎng)期不能滿足植物生長(zhǎng)需求，整個(gè)研究區(qū)域平均降雨量?jī)H為498 mm，而平均蒸發(fā)量達(dá)到了1 475 mm，遠(yuǎn)大于降雨量，因此土壤水分長(zhǎng)期處于不飽和狀態(tài)，這一地區(qū)的地下水深埋，導(dǎo)致土壤水分得不到及時(shí)補(bǔ)充。在黃土地區(qū)發(fā)生徑流和滲漏的幾率很小，所以土壤水分平衡支出的諸項(xiàng)中，蒸發(fā)和蒸騰占主導(dǎo)地位［24］，是影響土壤水分含量的主要因素。6個(gè)研究樣地中，只有淳化降雨量和蒸發(fā)量持平，其他5地蒸發(fā)量均遠(yuǎn)大于降雨量，在有植被覆蓋的條件下土壤總蒸發(fā)量等于土壤蒸發(fā)量與植物蒸騰量之和，降水量不足蒸發(fā)時(shí)由土壤儲(chǔ)水中吸取補(bǔ)充，刺槐林的高耗水習(xí)性加快了土壤水分散失的速度，使深層土壤水分虧缺量不斷增大，導(dǎo)致了干層的形成。

3.2 土壤水分的緯度特征

對(duì)比不同區(qū)域刺槐林土壤剖面儲(chǔ)水量和累積儲(chǔ)水量（圖2—3）可見，0—500 c m土層剖面土壤儲(chǔ)水量表現(xiàn)為：淳化＞宜川＞安塞＞綏德＞神木＞榆林，剖面平均儲(chǔ)水量分別為：53.31，21.66，15.99，9.79，2.78 mm和1.26 mm；0—500 c m的累積儲(chǔ)水量6地分別為1 344，549，402，248，72 mm 和26 mm（0—400 c m）。從累積儲(chǔ)水量與土壤深度關(guān)系圖（圖3）可以看出，各樣地土壤累計(jì)儲(chǔ)水量呈線性增加，說(shuō)明不同深度土層儲(chǔ)水量變化不大，無(wú)顯著性差異，但不同地區(qū)累積儲(chǔ)水總量差異顯著。

圖2 不同區(qū)域30 a刺槐林地土壤儲(chǔ)水量

為了研究累積儲(chǔ)水量與緯度及凈降雨量之間的關(guān)系，采用最小二乘法對(duì)兩者的散點(diǎn)關(guān)系圖進(jìn)行線性擬合（圖4—5），累計(jì)儲(chǔ)水量與緯度關(guān)系擬合R2值達(dá)到0.921 6；累積儲(chǔ)水量與凈降雨量關(guān)系擬合R2值為0.754，均為顯著性相關(guān)。說(shuō)明緯度帶特征是造成不同區(qū)域刺槐林下土壤儲(chǔ)水量差異的主要原因。隨著緯度的增加，降雨量逐漸減少，土壤水分含量及儲(chǔ)水量顯著降低。

圖3 不同區(qū)域30 a刺槐林地土壤累積儲(chǔ)水量

圖4 土壤累積儲(chǔ)水量與研究地區(qū)緯度關(guān)系

圖5 土壤累積儲(chǔ)水量與凈降雨量關(guān)系

4 結(jié)論

（1）對(duì)不同樣地刺槐林水分進(jìn)行測(cè)定，并結(jié)合田間持水量進(jìn)行土壤水分虧缺度的計(jì)算，結(jié)果顯示，除淳化外其余5地均存在水分虧缺，且呈現(xiàn)出較為顯著的供需矛盾。

（2）土壤水分含量幾乎在所有土層深度都呈現(xiàn)為淳化＞宜川＞安塞＞綏德＞神木＞榆林的特征，這與6地所處的緯度變化一致，充分說(shuō)明土壤水分含量與緯度密切相關(guān)。

（3）通過(guò)對(duì)不同緯度帶降水曲線和刺槐林土壤水分曲線的擬合，發(fā)現(xiàn)刺槐林土壤累積儲(chǔ)水量與該地區(qū)凈降雨量呈顯著相關(guān)性，降水量與土壤水分含量均呈現(xiàn)由南至北減少的趨勢(shì)，說(shuō)明緯度是造成土壤水分含量差異顯著的主導(dǎo)因素。

［1］ 王鳴遠(yuǎn)，崔云鵬.陜北地區(qū)水土流失防治效果［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，6（4）：59-64.

［2］ 楊建偉，梁宗鎖，韓蕊蓮，等.不同土壤水分下刺槐和油松的生理特征［J］.植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，13（3）：12-17.

［3］ 王力，邵明安，侯慶春，等.延安試區(qū)人工刺槐林地的土壤干層分析［J］.西北植物學(xué)報(bào)，2001，21（1）：101-106.

［4］ 單長(zhǎng)卷，梁宗鎖，郝文芳，等.黃土高原不同立地條件下刺槐生長(zhǎng)與水分關(guān)系［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，9（2）：9-14.

［5］ 蔡詠生.生態(tài)綠化的先鋒樹種刺槐［J］.內(nèi)蒙古林業(yè)，2010（8）：20-21.

［6］ 呂海波，梁宗鎖.刺槐林和檸條林土壤剖面理化性質(zhì)對(duì)比及相關(guān)性分析［J］.中國(guó)水土保持，2012（4）：28-31.

［7］ 孟秦倩，蔡煥杰，王健，等.黃土高原坡面刺槐林土壤水分生態(tài)位特征分析［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（6）：89-92.

［8］ 周正朝，上官周平.黃土高原人工刺槐林土壤呼吸及其與土壤因子的關(guān)系［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，18（1）：280-285.

［9］ 易亮，李凱榮，張冠華，等.黃土高原人工林地土壤水分虧缺研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24（5）：5-9.

［10］ 徐炳成，山侖，陳云明.黃土高原半干旱區(qū)植被建設(shè)的土壤水分效應(yīng)及其影響因素［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2003，1（4）：32-35.

［11］ 中國(guó)科學(xué)院黃土高原綜合科學(xué)考察隊(duì).黃土高原地區(qū)綜合治理與開發(fā)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［12］ 孫長(zhǎng)忠，黃寶龍，陳海濱，等.黃土高原人工植被與其水分環(huán)境相互作用關(guān)系的研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，20（3）：7-14.

［13］ 劉晨峰，尹婧，賀康寧.林下植被對(duì)半干旱區(qū)不同密度刺槐林地土壤水分環(huán)境的指示作用［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2004，2（2）：62-67.

［14］ 李世榮，張衛(wèi)強(qiáng)，賀康寧.黃土半干旱區(qū)不同密度刺槐林地的土壤水分動(dòng)態(tài)［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2003，1（2）：28-32.

［15］ 王孟本，柴寶峰，李洪建，等.黃土區(qū)人工林的土壤持水力與有效水狀況［J］.林業(yè)科學(xué)，1999，35（2）：7-14.

［16］ 劉華江，劉國(guó)斌，侯禧祿，等.刺槐林地土壤水分與林下植物群落生物量的關(guān)系［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2008，22（3）：43-46.

［17］ 陜西森林編委會(huì).陜西森林［M］.北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1989.

［18］ 王芳，高甲榮，朱繼鵬，等.晉西黃土高原三種灌木的根構(gòu)型研究［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2006，24（5）：148-150.

［19］ 單長(zhǎng)卷，梁宗鎖.黃土高原刺槐人工林根系分布于土壤水分的關(guān)系［J］.中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（1）：19-21.

［20］ 張華，王百田，鄭培龍.黃土半干旱區(qū)不同土壤水分條件下刺槐蒸騰速率的研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2006，20（2）：123-125.

［21］ 馬娟霞，肖玲，關(guān)帥朋，等.黃土高原刺槐林地土壤水分與立地因子關(guān)系研究［J］.土壤通報(bào)，2010，41（6）：1311-1315.

［22］ 孟秦倩，王健.黃土高原坡面刺槐林土壤水分有效性分析［J］.灌溉排水學(xué)報(bào)，2008，27（4）：74-76.

［23］ 余新曉，張建軍，朱金兆.黃土地區(qū)防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分條件的分析與評(píng)價(jià)［J］.林業(yè)科學(xué)，1996，32（4）：289-296.

［24］ 李玉山.黃土區(qū)土壤水分循環(huán)特征及其對(duì)陸地水分的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，1983，3（2）：97-100.

［25］ 吳欽孝，楊文治.黃土高原植被建設(shè)與持續(xù)發(fā)展［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

［26］ 韓仕峰，黃旭.黃土高原的土壤水分利用與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系［J］.生態(tài)學(xué)雜志，1993，12（1）：25-28.