費(fèi)洪巖， 童 倩， 萬傳宇， 潘若鵬， 韓鳳朋,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.中科院水利部水土保持研究所，水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100)

黃土高原地區(qū)水土流失嚴(yán)重且降水稀少，土壤水分成為限制該地區(qū)植被恢復(fù)及自然生態(tài)環(huán)境重建的一個重要因子。在過去的幾十年，為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的口糧需求，改善居民的生活質(zhì)量，黃土高原坡地被大面積開墾，使得坡地具有植被覆蓋率低、水土流失嚴(yán)重的特點(diǎn)。進(jìn)入新世紀(jì)，為響應(yīng)國家號召，踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念，黃土高原地區(qū)開展了全面的植被恢復(fù)和退耕還林工作。在這一過程中，大部分坡地農(nóng)田被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的草地、灌木林地和喬木林地，這種轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了很多積極的環(huán)境效益，如涵養(yǎng)水源、改善土壤和防風(fēng)固沙等。其中刺槐便是黃土高原還林樹種中極為重要的一種，它原產(chǎn)于北美，為豆科、刺槐屬落葉喬木，現(xiàn)在我國西北地區(qū)被廣泛引入種植。然而，與原有的天然植被相比，引入的人工植被在水分利用方面表現(xiàn)出明顯的不適宜性，在引進(jìn)植物耗水特性不明確的前提下，高密度種植造成過度消耗土壤水分，從而導(dǎo)致土壤水資源的虧缺，尤其在干旱、半干旱的黃土高原地區(qū)，大規(guī)模的高密度人工造林造成更加嚴(yán)重的土壤干燥化，反而給當(dāng)?shù)氐乃Y源利用造成巨大壓力。

針對人工造林引起的黃土高原土壤水分虧缺問題，已有學(xué)者開展研究和探討，并發(fā)現(xiàn)引入人工林的土壤下出現(xiàn)明顯的水分虧缺，甚至局部形成干層。張建軍等研究發(fā)現(xiàn)，人工林地和次生林地均造成土壤水分的虧缺，且人工林地主要消耗深層的土壤水分；趙丹陽等以晉西黃土區(qū)蔡家川流域5種典型林地為研究對象，結(jié)果表明，不同植被的耗水量依次為刺槐林地>油松×刺槐混交林地>側(cè)柏林地>油松林地>次生林地；Nan等通過1次采樣，分析了黃土高原中部地區(qū)5，20，40年林齡刺槐土壤水分含量變化情況表明，隨刺槐年限的增加，土壤水分含量逐漸減少。黃土高原地區(qū)不合理的人工造林造成土壤水分虧缺，但以往研究多從不同立地條件或單一林齡等方面展開，時間跨度長短不一，不能反映刺槐林在整個生長階段中的土壤水分變化情況。本研究結(jié)合刺槐生長特性，選擇10，15，25，40年刺槐林為研究對象，農(nóng)地(0年)為對照，探究刺槐林在不同生長階段土壤水分的虧缺情況，為深入認(rèn)識人工造林對土壤水分的消耗提供進(jìn)一步參考，對未來黃土高原退耕還林和科學(xué)經(jīng)營人工林有所啟示。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市寶塔區(qū)(109°14′10″—110°50′43″E，36°11′33″—37°02′05″N)，地處陜北黃土高原中部丘陵溝壑區(qū)與高原溝壑區(qū)相連的過渡地帶，素有“塞上咽喉”“秦地要區(qū)”之稱。該地總面積約3 556 km，平均海拔為898.5 m，相對高差超過500 m，氣候?yàn)榇箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均降水量550 mm，年平均氣溫7 ℃，無霜期約150天。地勢中部隆起，西南、西北部高，大致呈向東傾斜的丘陵河谷地形。其境內(nèi)溝澗地與溝谷地交錯縱橫，支離破碎，峁基、黃土梁居多且呈連續(xù)分布，在各種坡面、峭壁發(fā)育有線溝、懸溝、切溝、細(xì)溝、黃土柱及緩坡等，黃土覆蓋厚度最深處可達(dá)180 m。當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵渣S綿土為主，間有黑壚土、黃褐土和風(fēng)沙土。植被類型主要包括天然植被和人工植被2類，天然植被主要有山楊()、杠柳()、遼東棟()等，人工植被有刺槐()、側(cè)柏()、油松()、檸條()等。

1.2 樣地設(shè)置與數(shù)據(jù)獲取

通過查閱文獻(xiàn)和請教當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶確定了10，15，25，40年(分別代表幼齡林、中齡林、成熟林以及過熟林)坡向與坡度相似的刺槐林地。農(nóng)地沒有過多的水分消耗，土壤水分含量保持在相對穩(wěn)定的水平，故以農(nóng)地作為對照。農(nóng)地種植作物為玉米，生長期為6—9月，期間無人為灌溉，其余時間處于休耕期。試驗(yàn)樣地基本概況見表1。

表1 樣地概況

每塊樣地設(shè)50 m×50 m的采樣小區(qū)，每個小區(qū)沿坡頂?shù)狡碌装聪嗤嚯x設(shè)4個監(jiān)測點(diǎn)，提前埋有PVC管，穩(wěn)定半年后利用時域反射儀(TDR, TRIME-PICO-IPH, 德國)定點(diǎn)監(jiān)測土壤含水量，監(jiān)測深度為200 cm，每10 cm為1個測量層，取4次讀數(shù)的平均值作為該層的土壤體積含水量。在每個采樣小區(qū)內(nèi)分別設(shè)6個1 m×1 m的草本樣方和5 m×5 m的灌木樣方，分別調(diào)查灌草的種類、數(shù)量、蓋度和高度，同時記錄枯落物平均厚度，林下植被情況見表2。試驗(yàn)時間為2021年3月下旬，監(jiān)測前1周無降雨發(fā)生。

表2 不同林齡刺槐林下植被形態(tài)特征

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤儲水量計算公式為：

=×××10

=∑

式中：為第層土壤儲水量(mm)；為總土壤儲水量(mm)；為第層土壤質(zhì)量含水量(%)；為土壤容重(g/cm)；為第層的土層厚度(cm)。

土壤水分虧缺程度計算公式為：

式中：SMCD為土壤水分虧缺程度(%)；為農(nóng)地第層土壤體積含水量(%)；為不同林齡刺槐林第層土壤體積含水量(%)。

采用SPSS 25.0統(tǒng)計分析軟件計算各土層土壤含水量的均值、標(biāo)準(zhǔn)差(=4)和變異系數(shù)。采用最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行不同樣地土壤平均含水量的事后多重比較，采用單因素方差分析法分析各樣地不同土層土壤含水量的差異性顯著情況，采用沃勒—鄧肯檢驗(yàn)進(jìn)行不同土層土壤水分虧缺程度的差異分析及差異顯著性水平標(biāo)記，<0.05。文中圖表均采用Origin 2018和Excel 2019軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡刺槐林土壤水分分布情況

由圖1可知，不同林齡刺槐林土壤含水量隨林齡增加呈現(xiàn)減小趨勢，在垂直剖面上的變化情況大致相同，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中0—10 cm處含水量最低，分別為9.51%，8.66%，5.05%和12.39%，20 cm處土壤含水量迅速增加，其中40年刺槐林土壤含水量達(dá)到最大值19.14%。其余林齡刺槐在40 cm左右分別達(dá)到的最大值為21.35%，20.90%和16.18%，之后含水量變化與40年刺槐林相同，緩慢減小，在150 cm以下趨于穩(wěn)定。農(nóng)地土壤含水量大于不同林齡刺槐林，尤其0—20 cm土壤含水量達(dá)到25.36%，遠(yuǎn)大于不同林齡刺槐林土壤表層含水量。

圖1 不同林齡刺槐林土壤含水量分布

對不同林齡刺槐林土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)收集處理后得出，各林齡刺槐林土壤平均含水量大小依次為農(nóng)地>10年刺槐林>15年刺槐林>40年刺槐林>25年刺槐林，不同林齡刺槐林土壤平均含水量均低于農(nóng)地對照(表3)。與農(nóng)地相比，10，15，25，40年刺槐林的含水量分別減小2.37%，3.33%，5.42%和4.93%。其中，10，15年刺槐林的土壤水分條件較好(土壤含水量分別為16.43%和15.47%)，隨刺槐林齡增加土壤含水量逐漸降低，25年時達(dá)到最小值，40年時又有所恢復(fù)。從圖2可以看出，土壤剖面的儲水量以50 cm為間隔計算得出，4個土層的土壤儲水量隨著林齡的增加先降低后趨于穩(wěn)定，與林齡呈顯著的負(fù)相關(guān)，這也進(jìn)一步印證造林對土壤水分的消耗。0—50 cm土層的土壤儲水量最高，分別為121.18，93.39，89.18，70.94，81.94 mm，之后逐漸降低，呈現(xiàn)與深度變化相反的趨勢。方差分析表明，10，15年刺槐林土壤水分含量無顯著差異，但與25，40年刺槐林存在顯著差異；農(nóng)地土壤水分含量只在0—60 cm土層與10，15年刺槐林存在顯著差異，與25，40年刺槐林在整個垂直剖面上均存在顯著差異(<0.05)。

圖2 不同林齡不同土層土壤儲水量比較

表3 不同林齡刺槐林土壤平均含水量多重比較

2.2 不同林齡刺槐林土壤水分虧缺程度

在過去40年中，刺槐林持續(xù)耗水顯著降低土壤含水量。由圖3可以看出，刺槐林土壤含水量年變化率大小依次為10年(0.24%)>25年(0.23%)>15年(0.18%)>40年(0.12%)?？梢钥闯觯?0年時土壤水分消耗速率最快，此時刺槐林正處于生長發(fā)育旺盛階段，密度大，根系發(fā)達(dá)，需水量大。40年時，刺槐林老化嚴(yán)重，土壤水分消耗速率最慢。從整個垂直剖面來看，0—60 cm土層的含水量虧缺隨林齡增加先增大，后表現(xiàn)出一定程度的恢復(fù)(0.03%～7.34%)，140—200 cm處土層含水量虧缺呈增大趨勢，其中150—200 cm土層處消耗最大，范圍為1.69%～2.70%。本次研究中4塊刺槐林的土壤水分消耗相對偏低，原因可能為采樣時間的差異，刺槐未到生長旺季，耗水量較夏季偏少。

圖3 不同林齡刺槐林土壤含水量變化和含水量年變化率的垂直分布

與農(nóng)地相比，無論在造林的早期(10年)、中期(15年)、中后期(25年)或者后期(40年)，刺槐林的土壤水分均處于虧缺狀態(tài)(SMCD分別為11.49%，12.46%，27.76%和25.80%)，在25年時土壤水分虧缺程度最大。可以看出，25年刺槐林在整個土壤剖面的水分虧缺比15年增加15.30%，而40年的土壤水分虧缺比25年減小1.96%，這說明人工造林最主要的水分虧缺期為15～25年，40年時土壤水分虧缺有所緩解。在垂直剖面上，把0—200 cm分為4組(圖4a)，組內(nèi)間隔50 cm，隨著造林年限增加，100—200 cm水分虧缺呈增加趨勢，其余2層的水分虧缺程度呈先增加后降低的趨勢。0—50 cm的水分虧缺最大，除40年刺槐林在150—200 cm處造成水分虧缺有所增加外，其余刺槐林在50—200 cm處的水分虧缺不存在顯著差異。為研究0—100 cm的具體水分虧缺情況繪制圖4b，可以看出，0—100 cm的具體土壤水分虧缺情況隨造林年限的變化趨勢與0—200 cm相同，隨土層深度的變化為先降低后趨于穩(wěn)定，其中0—30 cm的水分虧缺程度最大。

注：圖柱上方不同的大寫字母和小寫字母分別表示同一林齡不同土層深度之間和不同林齡同一土層深度之間存在顯著性差異(p<0.05)。圖4 不同林齡不同土層土壤水分虧缺程度比較

2.3 不同林齡刺槐林垂直剖面土壤水分變異程度

由圖5可知，不同林齡刺槐林的土壤水分變異系數(shù)在整個剖面上具有相似的變化特征，土壤水分變異系數(shù)分別為9.51%，10.44%，25.06%和21.36%?？傮w來說，表層的土壤水分變異系數(shù)大于深層。其中0—10 cm的CV值最大，彼此間相差達(dá)47.10%，遠(yuǎn)大于其他土層。在50—100 cm處各刺槐林的CV值趨于穩(wěn)定，在160—200 cm處CV值有緩慢增大趨勢。從造林年限來看，25，40年刺槐林的土壤水分變異程度大于10，15年，由方差分析可知，二者之間的CV值存在顯著性差異(<0.05)。

圖5 不同林齡刺槐林土壤水分變異系數(shù)

對于劃分垂直剖面土壤水分變化層次的方法，學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了大量的系統(tǒng)研究。其中賈志清利用不同灌草植被和降雨年型的土壤水分變異系數(shù)將整個土壤垂直剖面劃分為速變層(CV>30%)、活躍層(20%

圖6 不同林齡刺槐林土壤水分垂直變化層分布

3 討 論

3.1 土壤水分動態(tài)變化對造林的響應(yīng)

在過去幾十年，為了恢復(fù)生態(tài)和治理水土流失，我國在以黃土高原為主的干旱半干旱地區(qū)開展了大規(guī)模的植樹造林活動，經(jīng)過不懈努力取得了舉世矚目的成就，但同時也給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)帶來了其他的負(fù)面影響。在黃土高原地區(qū)，黃土厚度一般在50～80 m，降水是土壤水分的主要補(bǔ)給來源，其入滲深度基本不會超過1.5 m，深層土壤對降水幾乎無任何響應(yīng)，大規(guī)模不合理的人工造林給黃土高原地區(qū)土壤水分利用造成了巨大壓力，尤其加重深層土壤的水分虧缺，不同類型和林齡的人工林對土壤水分的消耗程度各有不同。本研究中，通過對比不同林齡和不同土層深度的土壤水分和儲水量變化(圖1和圖2)發(fā)現(xiàn)，二者隨林齡和土層深度的增加均呈現(xiàn)減小的變化趨勢，這與前人的研究結(jié)果一致。不同之處在于，除土壤深層外，本研究40年刺槐林較25年刺槐林土壤水分有所恢復(fù)，原因可能為40年刺槐林樹木老化，根系退化，對水分的需求量有所降低，隨生態(tài)群落演替其本身有一定的蓄水能力。但由于刺槐生長耗水是一個累積的過程，在干旱半干旱的氣候條件下，降水補(bǔ)充有限，隨著林齡增加，整個刺槐林地的土壤水分虧缺愈加嚴(yán)重，為滿足正常生長發(fā)育的需要，植被需要不斷向下扎根延伸以獲取深層水分，導(dǎo)致土壤深層出現(xiàn)土壤干燥化，這符合本試驗(yàn)中造林后期深層土壤水分較低的結(jié)果。表層土壤水分受降水和蒸散發(fā)影響作用大，變化活躍且相對劇烈。除去刺槐生長耗水，林下植被對人工林地土壤水分也產(chǎn)生影響，如何精確區(qū)分二者的耗水情況及相互作用仍需要進(jìn)一步的探究。

3.2 土壤水分虧缺程度隨造林年齡的變化

前人已經(jīng)證明，人工造林會造成黃土高原地區(qū)土壤水分的嚴(yán)重虧缺。從農(nóng)地轉(zhuǎn)化為各種人造林時，由于需水量更大，且葉片與枯落物對水分的截留作用和蒸騰作用更強(qiáng)，土壤中大部分水分被樹木的根系所吸收利用。刺槐林齡在10，15年時，0—100 cm土層處的土壤水分虧缺程度明顯偏大，這與Deng等觀察到造林初期主要在土壤表層發(fā)生水分耗竭的結(jié)論一致，主要原因?yàn)榇袒备档姆植继卣?，雖然刺槐根系可延伸到200 cm以下，但細(xì)根在0—60 cm土層分布最為集中，根系密度可占整個剖面(0—350 cm)的59.48%，并在40 cm處達(dá)到峰值。隨著造林年限增加，表層土壤水分虧缺程度顯著增加，40年刺槐林表層土壤水分又有所恢復(fù)，原因可能為造林后期林下表層有較厚的枯枝落葉層，可減少蒸散發(fā)并通過增加表面水力傳導(dǎo)來提高土壤的保水能力，使得表層土壤含水量相對偏高，同時證實(shí)造林后期人工林涵養(yǎng)水源的能力增強(qiáng)。然而，由于人造林本身具有強(qiáng)耗水性，100 cm以下的土層始終處于水分枯竭狀態(tài)，其中150—200 cm土層更加嚴(yán)重，且深層的虧缺程度隨著造林年限和土層深度的增加呈正相關(guān)。從圖4b可以看出，除土壤深層處的水分虧缺程度逐漸增大外，70—100 cm處土壤水分虧缺程度隨土層深度的增加也有所增大，這表明，如果土壤深層處的水分不能滿足植被的生長發(fā)育時，水分消耗會從深層向淺層進(jìn)行蔓延，從而加劇淺層的水分虧缺程度。由于人工林耗水是一個長期持續(xù)的過程，水分長期利用不平衡，在干旱半干旱地區(qū)仍然形成普遍的土壤干層。嚴(yán)重的水資源枯竭又反向制約植被生長，這樣的惡性循環(huán)嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的恢復(fù)與重建，如在西北廣泛存在的“小老樹”便是最好的例子，成年樹木僅能生長到正常高度的20%～30%。

3.3 土壤水分垂直剖面變異程度隨造林年齡的變化

在垂直剖面上，表層土壤直接與大氣接觸，土壤水分受外部環(huán)境影響最大，最主要的影響因素為降水，降水入滲后最先影響土壤表層含水量，且不同的土質(zhì)和地表?xiàng)l件降水入滲的難易和速率有較大差別。由于農(nóng)地和不同林齡刺槐林表層根系分布和蒸散發(fā)的差異，導(dǎo)致二者表層土壤水分變異程度較大。小規(guī)模降水影響十分有限，且外部因素對土壤水分的影響隨土層深度的增加逐漸減弱，因此變異系數(shù)隨土層深度增加總體呈減小趨勢，這與前人得出結(jié)論一致。10，15年刺槐林在30 cm以下均為相對穩(wěn)定層，土壤含水量與農(nóng)地?zé)o顯著差異。隨著造林年限增加，25，40年刺槐林有著復(fù)雜的變化分層(圖6)，30—160 cm土層雖有降水補(bǔ)充，但由于蒸散發(fā)和刺槐根系密度大，耗水大于補(bǔ)充，土層水分較農(nóng)地虧缺程度大，因此出現(xiàn)活躍層和次活躍層。40年刺槐林在160 cm土層以下為活躍層，說明降水和地下水難以補(bǔ)充該區(qū)域，且該土層范圍內(nèi)刺槐粗、細(xì)根的根系密度均有所增加，經(jīng)過刺槐長期耗水土壤水分已處于嚴(yán)重虧缺狀態(tài)。不同林齡刺槐林垂直剖面上土壤水分的變化分層恰好印證造林對土壤水分的耗竭模式。

4 結(jié) 論

(1)各樣地平均土壤含水量大小表現(xiàn)為農(nóng)地(18.80%)>10年刺槐林(16.43%)>15年刺槐林(15.47%)>40年刺槐林(13.87%)>25年刺槐林(13.38%)。隨著造林年限增加，土壤水分虧缺程度呈增大趨勢，40年時土壤水分略有恢復(fù)，但深層土壤水分仍虧缺嚴(yán)重。在垂直剖面上，土壤水分呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，160—200 cm處土壤水分含量最低。

(2)刺槐林土壤水分年消耗速率大小依次為10年刺槐林(0.24%)>25年刺槐林(0.23%)>15年刺槐林(0.18%)>40年刺槐林(0.12%)，其中，10年刺槐林因樹木生長發(fā)育旺盛而耗水速率最大。與農(nóng)地相比，刺槐林的土壤水分均處于虧缺狀態(tài)(SMCD分別為11.49%，12.46%，27.76%和25.80%)，其中25年時虧缺程度最大，15～25年土壤水分虧缺程度顯著增加(15.30%，<0.05)。

(3)刺槐林土壤水分變異程度為表層大于深層，隨林齡增加呈增大趨勢。表層土壤與外界直接接觸，水分遷移交換活躍，其中0—10 cm土層CV值的范圍為45.22%～92.32%，而深層土壤受外部條件影響十分有限。10，15年刺槐林除0—30 cm外，其余各層均為相對穩(wěn)定層，而25，40年刺槐林在30 cm以下仍有活躍層和次活躍層出現(xiàn)，說明因刺槐林耗水導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤水分虧空，這種虧空尤以深層土壤(160—200 cm)更為明顯。

綜上所述，不合理的人工造林會造成土壤水分的虧缺，且隨造林年限增加土壤水分呈下降趨勢。因此，今后在采用人工造林的方式恢復(fù)生態(tài)時，需要充分考慮其生長過程對土壤水分的消耗，制定合理的更新?lián)嵊呗?，根?jù)當(dāng)?shù)厮种脖怀休d力，合理設(shè)計種植密度，同時優(yōu)先考慮采用自然恢復(fù)以及引入一些淺根草本植物來進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。