白永紅，高志永 ，陸 靜，汪有科 ，董建國

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊陵712100;2.西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水科工程國家重點實驗室培養(yǎng)基地，陜西西安710048;3.中國科學院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西楊陵712100;4.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊陵712100)

土壤干化是黃土高原地區(qū)存在的一種特殊水文現(xiàn)象，近50 a氣候變暖和降雨減少是造成黃土高原地區(qū)土壤干化的主要原因，而植被類型選擇不當，種植密度過大，生產(chǎn)力過高，大范圍植被重建加速土壤水資源的消耗，導致土壤干化進一步加深［1］，甚至形成永久性干層［2］。如 Y.Q.Wang［3］等發(fā)現(xiàn)黃土高原林地土壤干層厚度達最大，李軍［4］等通過對23種林地土壤水分的分析發(fā)現(xiàn)土壤干層厚度達到或超過10 m。土壤干層的存在會影響土壤水分運移，阻礙降水入滲補給，弱化“土壤水庫”功能，導致土壤質(zhì)量和土壤生產(chǎn)能力降低，進而影響植被的水土保持、水文調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能［5-8］。

迄今，關(guān)于土壤干化研究主要集中在量化指標、影響因素、形成過程、模型預(yù)測和人為調(diào)控上［1-2，6，9-14］。土壤干化的形成，不僅制約已有植被生長，而且會對后續(xù)植被的選擇和生存影響巨大［10，15］。目前關(guān)于該問題的研究較為薄弱，此外，尚未見對深層土壤干化后續(xù)栽植多年生植物進行報道。在黃土高原大規(guī)模退耕還林還草的背景下，研究干化土壤水分和再植植被生長的動態(tài)及其互饋關(guān)系對于維持該區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定至關(guān)重要。

本研究模擬生長28 a的山地蘋果(Malus pumila)園伐后干化土壤，并在干旱土壤上栽植早熟禾(Poa pratensis)、檸條(Caragana korshinskii)、苜蓿(Medicago sativa)和刺槐(Robinia pseudoacacia)4種典型植物，利用CNC-503B型中子儀于2014－2016年監(jiān)測4種典型植被0～10 m土壤水分，測定其植被株高、地徑和生物量，以期對干化土壤后續(xù)植被建造及深入研究人工林耗水形成的干層治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省米脂縣境內(nèi)遠志山紅棗(Ziziphus jujuba)示范基地(37°12'N，109°28'E)，為典型黃土高原丘陵溝壑區(qū);屬中溫帶半干旱性氣候，年平均氣溫8.4℃，極端最高氣溫38.2℃，極端最低氣溫－25.5℃;2012－2015 年降雨量分別為 404.4、530.1、460.4 mm 和 334.8 mm，年均降水量 451.6 mm，主要集中在夏季，其中7、8月降雨量占全年降水量的49%;土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育的黃綿土為主，容重為1.24 g·cm－3，質(zhì)地為粉質(zhì)沙壤土。研究區(qū)1984－2007年間為旱作蘋果(Malus pumila)園地，2007年蘋果林伐后休閑至2011年栽植棗樹，同年布設(shè)試驗區(qū)。

2 研究方法

2.1 試驗土柱設(shè)置

試驗在一水平階地上布設(shè)，試驗土柱為12個直徑0.8 m、深10 m的大型土柱。土柱采用開挖后回填，開挖時按照之前測定的土壤質(zhì)地層分3層開挖，并將3層土壤分別堆放保存，以保證回填時按原來的土壤質(zhì)地層次分層回填。土壤回填前用厚約1 mm的大棚塑料膜鋪設(shè)在土柱井壁，使柱體土壤與外界土壤隔離，避免土柱內(nèi)外水分交流擴散?；靥顣r，一方面按照之前測定的土壤質(zhì)地分層回填，逐層壓實;另一方面重點控制回填土的土壤容重(1.29±0.05 g·cm－3)和含水率(7%左右)，從而最大程度地模擬旱作棗林地干化土壤。回填土經(jīng)過均勻摻混后分層回填踩實，土柱內(nèi)垂向剖面土壤含水量較均一，含水率7.5%左右。12個土柱分別設(shè)置為早熟禾、檸條、苜蓿和刺槐的4個植被處理，每種處理3個重復(fù)。栽植時間是2011年4月。其中刺槐是栽植2年生苗木，早熟禾、苜蓿和檸條均為種子直播。

2.2 觀測指標

2.2.1 土壤水分測定 在每個土柱的中間位置安置10 m長鋁管，利用CNC-503B型中子土壤水分儀觀測，試驗于2014年5月至2016年10月每月觀測3次，分別于每月3日、13日和23日測定，若遇雨雪天氣則后延。

土層儲水量(W)根據(jù)土壤體積含水率計算:

式中，ω為體積含水率(%);h為土層深度(cm)。

為了反映土壤水分的虧缺和補償狀況，采用土壤儲水虧缺度和土壤儲水虧缺補償度［16］來描述4種典型植被干化再植土壤水分狀況。

土壤儲水虧缺度(%):

式中，F(xiàn)w為凋萎含水量(mm);Wc為實際含水量(mm)。

土壤儲水虧缺補償度(%):

式中，We為年末土壤實際含水量(mm);Wb為年初土壤實際含水量(mm);Fc為田間持水量(mm)。

土壤水分在土層中運動狀況，可以用方差來描述，方差＞1的土層為活躍層，方差＜1的土層為穩(wěn)定層［17］。方差公式如下:

式中，xij為j年i層的土壤含水量(%);xi為土壤含水量在2014－2016年i土層均值(%)。

2.2.2 生物量測定 2015年開始測定全部試驗土柱內(nèi)的株高、密度(株·m－2)、地徑(檸條)，刺槐以土柱試驗處理中的3棵林木為樣本，每隔7 d測量其各個枝條的長度和基部直徑。地上生物估算，每月一次采用在試驗區(qū)附近收獲與試驗土柱內(nèi)相同的植物、相同規(guī)格和數(shù)量的枝條和草葉，室內(nèi)烘干，并用電子天平稱重。

2.2.3 耗水量 試驗區(qū)植被耗水量利用農(nóng)田水量平衡法計算。試驗區(qū)植被均為雨養(yǎng)，無灌水，不發(fā)生深層滲漏，無地下水補給，試驗期間未發(fā)生地表徑流。因此，植被耗水量(ET，m2·hm－2)公式可簡化為:

式中，Pr為降雨量(mm);ΔW為計算時段初與計算時段末土壤儲水量之差(mm)。

2.2.4 水分利用效率 水分利用效率(kg·m－3)指作物消耗單位水所制造的干物質(zhì)量，公式為:

式中:Y為干物質(zhì)量(kg·hm－2)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS18.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用origin2016繪圖軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被下土壤水分變化

圖1為早熟禾、苜蓿、檸條和刺槐在月和季尺度上土壤含水率的變化，4種植被土壤含水率在1－4月及11－12月維持相對穩(wěn)定，在5－10月受降雨及植被耗水等影響，波動較大;在季尺度上，土壤含水率變化在冬季較低，其他季節(jié)相對穩(wěn)定。4種植被種植初期及2014－2016年不同土壤深度處水分狀況表明(圖2)，早熟禾、檸條、苜蓿和刺槐在種植初期0～10 m土層土壤含水率相近，分別為7.44%、7.47%、7.31%和 7.50%。除早熟禾外，檸條、苜蓿和刺槐種植地0～10 m土層土壤含水量于2014年后低于初始含水量;與初始含水量相比，早熟禾種植地土壤含水量變化率為 0.46%、0.61%和 1.14%;檸條種植地土壤含水率變化量為 0.62%、－0.40%和－0.55%;苜蓿種植地土壤含水率變化量為0.65%、－0.29%和－0.62%;刺槐種植地土壤含水率變化量為0.28%、－2.29%和－2.30%。從作物耗水量來看(表1)，早熟禾耗水量低于同期降水量，其耗水量在2015年和2016年均顯著低于同期其他植物的耗水量(P＜0.05)，是檸條、苜蓿和刺槐的0.78～0.89、0.78～0.86 倍和 0.53～0.91 倍;檸條、苜蓿和刺槐耗水量在2015年和2016年高于同期降水量;刺槐耗水量在2014年和2015年顯著高于其他(P＜0.05)，其耗水量是同期(2014年、2015年)降水量的0.94倍和1.79倍;苜蓿耗水量在2016年顯著高于其他(P＜0.05)，是同期(2016年)降水量的1.06倍。

圖1 在月和季尺度上早熟禾、苜蓿、檸條和刺槐地土壤含水率Fig.1 Soil water content in pratensis，caragana，alfalfa and robinia on the monthly and seasonal scales

圖2 早熟禾、苜蓿、檸條和刺槐土壤含水率Fig.2 Soil water content in pratensis，caragana，alfalfa and robinia

表1 不同植被耗水量Table 1 Water consumption of Pratensis，caragana，alfalfa and robinia

圖3為4種植被種植地土壤含水率的方差分析。就活躍層而言(表2)，早熟禾、檸條、苜蓿和刺槐地土壤水分活躍層深度分別為 2.6、3.2、3.0 m 和10 m。早熟禾土壤水分不存在虧缺現(xiàn)象(DSW＜0)，得到降雨的補充(CSW＞0);早熟禾土壤水分均值顯著高于其他3種植被土壤水分(P＜0.05)，其土壤水分在2015年(枯水年)達9.53%，是其他3種植被的1.57、1.51 倍和 1.83 倍，其土壤水分在 2016 年(豐水年)達 11.54%，是其他 3 種植被的1.96、1.90 倍和2.23倍。檸條、苜蓿和刺槐土壤水分在2014年后出現(xiàn)虧缺狀態(tài)(DSW＞0)，降雨無法補償虧缺的土壤水分(CSW＜0)，使土壤水分虧缺呈現(xiàn)逐年增加趨勢，其中刺槐土壤水分虧缺顯著高于苜蓿和檸條(P＜0.05)，DSW值＞17%;刺槐土壤水分均值在2015年(枯水年)和2016 年(豐水年)分別為5.2%和5.18%，這表明刺槐在枯水年(2015)已耗盡土壤中可用的土壤水分，即使在豐水年(2016)，虧缺的土壤水分也得不到補償，只能依靠當年降雨維持生長;此外，檸條和苜蓿土壤水分虧缺程度無顯著差異(P＞0.05)。就穩(wěn)定層而言(表2)，早熟禾、苜蓿和檸條土壤水分接近初始含水量，土壤水分均值無顯著差異(P＞0.05)，其范圍為 7.04%～7.58%;早熟禾土壤水分無論在枯水年(2015)還是豐水年(2016)向下移動，出現(xiàn)顯著補償穩(wěn)定層土壤現(xiàn)象(CSW＞0，P＜0.05)，而檸條和苜蓿穩(wěn)定層土壤水分得不到補償(CSW＜0)。

3.2 模擬干化土壤中的植被生長

模擬干化土壤中早熟禾、檸條、苜蓿、刺槐各處理生育期內(nèi)株高、地徑、單株生物量見圖4和表2。圖4表明，植被株高、地徑和單株生物量均隨著時間增長，達到一定值后趨于穩(wěn)定。由表3可以看出，4種植被的株高生長量存在顯著性差異(P＜0.05)，其中早熟禾株高生長量最小，為17.6 cm和22.7 cm，刺槐株高生長量最大，為53 cm和55.5 cm;地徑的生長量也存在顯著性差異(P＜0.05)，其中苜蓿地徑變化量最小，為1 mm和1.2 mm，刺槐地徑變化量最大，為 3.6 mm 和 3.9 mm;早熟禾、檸條、苜蓿單株生物量無顯著差異(P＞0.05)，刺槐單株生物量顯著高于其他三者(P＜0.05)，是上述3種植被生物量的 22.7～33.5倍。此外，同種植被株高生長量和單株生物量在豐水年(2016)顯著高于枯水年(2015，P＜0.05)，地徑生長量在豐水年和枯水年無顯著變化(P＜0.05)。

圖3 不同植物土壤水分方差分析Fig.3 Variance of soil moisture of different vegetation types

表2 不同植物土壤水分在活躍和穩(wěn)定層虧缺和補償狀況Table 2 Soil water deficit and compensation in changeable and stable layers for different vegetation

3.3 不同植被水分利用效率

表4為2015－2016年干化土壤中不同植被生物量及水分利用效率?？梢钥闯觯缡旌痰纳锪匡@著低于其他植被(P＜0.05)，其生物量分別是檸條、苜蓿和刺槐的 0.6、0.8、0.4 倍(2015 年)和 0.6、0.9、0.6倍(2016年)倍;刺槐生物量顯著高于早熟禾，分別達 21 100 kg·hm－2和 24 100 kg·hm－2;早熟禾和苜蓿的水分利用效率無顯著差異(P＞0.05)，該值的范圍為 2.6～2.9 kg·m－3;檸條的水分利用效率顯著高于早熟禾和苜蓿(P＜0.05)，是早熟禾和苜蓿的1.2倍和1.5倍。此外，模擬干化土壤中4種植被生物量受當年降水量影響較大，豐水年(2016)生物量高于枯水年(2015)，其中檸條生物量變化最大，豐水年生物量是枯水年的1.6倍;早熟禾和苜蓿的水分利用效率在枯水年高于豐水年0.2 kg·m－3和0.3 kg·m－3，而檸條和刺槐的水分利用效率豐水年高于枯水年，刺槐在豐水年的水分利用效率是枯水年的1.7倍。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

通過在模擬干化土壤中種植植被并監(jiān)測土壤水分及各生長指標，分析各植被土壤水分動態(tài)變化、植物生長狀況及水分利用效率，得到以下結(jié)論:

圖4 2015年和2016年不同植被株高(a、b)、地徑(c、d)及生物量(e、f)Fig.4 Plant hight(a，b)，ground diameter(c，d)and individual biomass(e，f)for different vegetation in 2015 and 2016

表3 不同植被生長情況Table 3 Growth of different vegetation

注:不同大寫字母表示同一植被在不同年份同一處理存在顯著性差異(P＜0.05)。

表4 不同植被2015－2016年生物量、耗水量及水分利用效率Table 4 Biomass，ET，WUE of different vegetation in 2015 and 2016

1)干化再植早熟禾在監(jiān)測期(2014－2016年)年耗水量均＜當年降水量，土壤儲水量及水分變化深度逐年增加，使得土壤水分活躍層(0～260 cm)的水分得到恢復(fù)，該層次土壤的儲水量較初期增加115.07 mm。

2)干化再植檸條和苜蓿在2014年耗水量＜當年降水量，其 0～320 cm(檸條地)和0～300 cm(苜蓿地)土層土壤水分(活躍層)得到臨時補充，該土層儲水量較初期分別增加57.42 mm和54.28 mm，逢枯水年(2015)該土層土壤水分消耗殆盡，再次出現(xiàn)干化現(xiàn)象，遇豐水年(2016)此層土壤水分得不到補償。

3)干化再植刺槐在2014年耗水量＜當年降水量，活躍層(0～1 000 cm)土壤水分變化劇烈，2014年后干化加劇，至2016年0～1 000 cm范圍內(nèi)土壤儲水量較初期減少241.57 mm。

4)模擬干化土壤中種植早熟禾、苜蓿、檸條和刺槐，其生長受當年降水量影響較大，株高生長量和單株生物量在豐水年(2016)顯著＞枯水年(2015)。

4.2 討論

土壤水分是限制黃土高原植被生長的關(guān)鍵性因子［18］，黃土高原土壤干化日趨嚴重，干層空間分布增大［8］。植被選擇不當、種植密度過高等因素促進干層進一步惡化［19］。為分析干化條件下土壤水分及植被生長狀況，于2011年在土壤干化的基礎(chǔ)上栽植早熟禾、檸條、苜蓿和刺槐4種典型植被，研究表明，干旱土壤再植早熟禾能夠恢復(fù)0～10 m土層土壤水分;干化再植檸條和苜蓿初期在降雨量充沛條件下(2011－2014年年均降雨量為495 mm)能夠使土壤活躍層(0～3 m)土壤水分得到臨時恢復(fù)，后期遇枯水年(年降雨量342 mm)土壤活躍層再次出現(xiàn)干化。已有研究表明早熟禾水分利用層和87%的主根系分布在0～30 cm土層內(nèi)［20］，檸條和苜蓿在干旱脅迫下主根生長受限，生物量下降，減弱“大根系”冗余消耗過多的水分和養(yǎng)分，使其趨向適應(yīng)干化環(huán)境，顯著降低蒸騰耗水［21-22］，監(jiān)測期降雨量(2011－2014年)不僅能滿足植被生長而且能夠入滲至2～3 m補充土壤水分［23］，至2014年活躍層土壤水分在降雨的補給下達到9.03%～9.23%(表2)，較初期干化土壤水分增加1.8%～1.92%。在枯水年(2015年)，早熟禾僅消耗0～30 cm表層土壤水分，其耗水量低于同期降雨量，部分降雨入滲至較深土層，而檸條和苜蓿的耗水量是降雨量的1.3倍和1.2倍，降雨無法滿足檸條和苜蓿的需求，它們只能過度消耗活躍層土壤水分來滿足生長，最終造成活躍層土壤再次干化，致使活躍層土壤水分由原來的9.13%，9.23%降至 6.3%，6.07%，穩(wěn)定層(3～10 m)干化難以得到降水補給，土壤水分長期維持在初期干化狀態(tài)(7.4%)，即使遇豐水年(2016年)，活躍層和穩(wěn)定層的土壤水分并不能得到恢復(fù)。檸條林地11年后2～9 m土層全部干化［24］，苜蓿地7年后土壤干層達到10 m［25］。預(yù)計后期，檸條和苜蓿耗水深度還會增加，穩(wěn)定層土壤水分會進一步被消耗，再次出現(xiàn)通體干化現(xiàn)象。如果要實現(xiàn)干層土壤水分恢復(fù)，只能通過撂荒或種植如早熟禾等淺根系1年生植被來降低耗水強度，經(jīng)多年降雨入滲，逐步恢復(fù)活躍層土壤水分，通過較長時間恢復(fù)穩(wěn)定層土壤水分。

干化再植刺槐土壤水分活躍層0～10 m，即0～10 m土層土壤水分變化劇烈，這與已有的研究結(jié)果一致［26］，隨著林齡增加，土壤干旱化加重，2011年初始干化土壤含水率為7.50%，2016年降至5.18%，也就是說干化再植刺槐不僅達不到恢復(fù)土壤水分的目的，而且使得土壤干化進一步加重。刺槐是干旱敏感型樹種，對水分的需求量較高，林地土壤水分多寡影響蒸騰耗水大?。?7］，刺槐生長前期，在降水和土壤水分供給條件下，生長旺盛，蒸騰耗水大于降雨量，使得深層土壤水分降低，在2015年(枯水年)將前期儲存在土壤中水量消耗殆盡，在2016年(豐水年)只能依靠當年降雨維持生長，其耗水量與降雨量接近。隨著林齡的增長，其生產(chǎn)力將會明顯降低且年際波動劇烈，最終出現(xiàn)生長衰敗和死亡現(xiàn)象。此外，刺槐林地干化程度和干化發(fā)展速度與造林密度有關(guān)，密度過大，出現(xiàn)干化程度越嚴重，干化發(fā)展速度越快，生長衰敗越早［26］。

植物的水分利用效率反映了植物在消耗水分后所固定CO2(干物質(zhì)積累)的量，可反映植物生長與水分利用的關(guān)系，高的水分利用效率被認為植物在干旱半干旱地區(qū)成功生長的一個特征［28-30］。早熟禾對土壤水分消耗方式屬于迅速消耗型，土壤含水量充足時蒸騰劇烈［31］，其在2016年活躍層土壤含水率達11.54%，較 2015年高 2.01%，造成 2016年耗水是2015年的1.62倍，盡管生物量2016年高于2015年，但高耗水導致其水分利用效率在豐水年降低。苜蓿、檸條和刺槐的水分利用效率隨著干旱脅迫的加劇而升高，土壤水分的虧缺降低植物的氣孔導度，為了維持光合速率，葉片胞間CO2濃度和大氣CO2濃度比值降低，提高了水分利用效率［32］。然而植物的水分利用效率對干旱脅迫相應(yīng)的存在閾值，如果干旱脅迫進一步加劇，氣孔表皮細胞失水過快，光合系統(tǒng)受損，氣孔被動開大，降低了氣孔限制，導致光合速率降低，蒸騰速率升高，促使水分利用效率降低［33］。如苜?；钴S層土壤水分降低0.17%，水分利用效率降低了0.3 kg·m－3，刺槐活躍層土壤水分降低 0.14%，水分利用效率增加了 1.7 kg·m－3，即不同植被對干旱脅迫閾值不同，苜蓿干旱脅迫超出閾值，水分利用效率降低，而刺槐還在閾值范圍之內(nèi)。此外，干化再植植被受制于干旱脅迫，其生長量和生物量隨著降水量的年際變化發(fā)生波動性變化，豐水年份生長量＞枯水年份。