黃土高原植被恢復(fù)過(guò)程土壤干層問(wèn)題探析

魏佳英 馮麗 莫保儒 蔡國(guó)軍

一、引言

黃土高原地區(qū)土壤干化現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于20 世紀(jì)60 年代，90 年代引起生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)、地理學(xué)和林學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，許多學(xué)者就其發(fā)生的機(jī)理、分布、危害及防治對(duì)策進(jìn)行了大量研究。在黃土深厚的干旱半干旱地區(qū)，自然降雨是土壤水分唯一補(bǔ)給途徑，也是植被生長(zhǎng)所需水分的唯一來(lái)源，受強(qiáng)蒸發(fā)和降雨不足的影響，水分成為該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)與植被重建的關(guān)鍵制約因素。植被群落與土壤水分的相互作用關(guān)系一直是黃土高原植被建設(shè)的核心科學(xué)問(wèn)題，從土壤干層形成直接原因分析，在黃土高原嚴(yán)重的干旱條件下，林草植被不能從天然降水中獲取足夠的水分，為了維持其正常生長(zhǎng)的需要，必然要吸收深層土壤的水分，在林草植被長(zhǎng)期過(guò)度耗水的情況下，土壤含水量長(zhǎng)時(shí)間處于極度虧缺狀態(tài)，甚至達(dá)到或接近凋萎濕度，最終導(dǎo)致土壤干化形成土壤干層。土壤干層是黃土高原氣候向干熱方向發(fā)生演變及人工超自然植被選擇結(jié)果，它對(duì)植被的更新、演替和形成穩(wěn)定群落存在什么樣的影響等方面，長(zhǎng)期以來(lái)一直存在廣泛爭(zhēng)議。存在這種爭(zhēng)議的可能原因是研究對(duì)象的復(fù)雜性所致，這種復(fù)雜性包括研究對(duì)象所處時(shí)空尺度、干擾因素及強(qiáng)度（自然和人為兩個(gè)方面）、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成等，加之具體研究者在研究方向、方法上的諸多差異，使得土壤干層研究進(jìn)展緩慢，研究成果尚不系統(tǒng)。本研究從更廣更深的事物發(fā)展角度，更長(zhǎng)更寬的時(shí)空尺度去思考，綜述土壤干層研究的最新進(jìn)展，分析土壤干層研究的趨勢(shì)，進(jìn)而探討土壤干層科學(xué)問(wèn)題，促進(jìn)土壤干層與植被持續(xù)健康的研究，探索干旱半干旱人工植被的生態(tài)水文過(guò)程，為黃土高原植被恢復(fù)與生態(tài)文明建設(shè)提供服務(wù)。

二、黃土高原人工植被土壤干層普遍性

世界上很多地區(qū)有土壤干層的相關(guān)研究和報(bào)道，但由于我國(guó)黃土高原堆積土層厚，干層分布面積廣，生長(zhǎng)季氣候干熱，加上大規(guī)模的人工植被建植，使得該區(qū)土壤干層的研究更具典型性和代表性。從黃土高原的形成與氣候變遷分析，它的存在有其必然性，黃土高原幾乎所有的人工喬、灌林和紫花苜蓿等多年生豆科牧草都存在不同程度的土壤干燥化，鄉(xiāng)土樹(shù)種林地也存在干層現(xiàn)象。楊文治等在陜西北部延河流域調(diào)查，發(fā)現(xiàn)發(fā)育8～9 年的人工刺槐林400 厘米土層范圍土壤水分幾乎低于凋萎濕度。萬(wàn)素梅等在隴東甘肅省農(nóng)科院鎮(zhèn)原站，測(cè)定苜蓿草地土壤干層出現(xiàn)深度達(dá)到600 厘米土層范圍，而且隨生長(zhǎng)年限的增加，土壤干燥化程度會(huì)進(jìn)一步加劇。殷淑燕等在陜西渭北監(jiān)測(cè)到旱地蘋(píng)果園土壤干層相當(dāng)廣泛，且嚴(yán)重影響蘋(píng)果質(zhì)量和產(chǎn)量。王力等在延安試區(qū)發(fā)現(xiàn)刺槐人工林地普遍存在土壤干層。趙玉娟等在延安測(cè)定油松人工林地土壤干層深度達(dá)到1000 厘米。趙景波等在西安藍(lán)田測(cè)定12 年生楊樹(shù)林和梧桐林360 厘米土層范圍形成發(fā)育弱的長(zhǎng)期性土壤干層，這說(shuō)明土壤干層在黃土高原南部的關(guān)中地區(qū)也存在。李軍等在黃土高原南部半濕潤(rùn)森林區(qū)的長(zhǎng)武、子午嶺和洛川，中部半干旱森林草原區(qū)的定西、固原和安塞，北部半干旱典型草原區(qū)的海原等7 個(gè)點(diǎn)實(shí)地測(cè)定，發(fā)現(xiàn)林地和草地土壤干燥化指數(shù)平均值為39%和42%，均屬于嚴(yán)重干燥化強(qiáng)度。牛俊杰等對(duì)山西汾河上游靜樂(lè)、婁煩和嵐縣的近30 年生楊樹(shù)、杏樹(shù)林調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤剖面存在明顯的土壤干化層。楊磊等在甘肅定西龍灘流域，監(jiān)測(cè)到不同人工植被均存在不同程度的土壤干層，其中檸條、油松和山杏林地土壤干燥化程度最為嚴(yán)重；山毛桃林地和紫花苜蓿地出現(xiàn)輕度土壤干層；側(cè)柏林地土壤干層主要集中在20～100 厘米土層。由此可見(jiàn)，人工植被土壤干層廣泛分布于我國(guó)黃土高原干旱、半干旱及半濕潤(rùn)地區(qū)。

三、對(duì)黃土高原植被土壤干層的認(rèn)知

關(guān)于土壤干層概念被廣泛認(rèn)可的是，在多年平均降水有效補(bǔ)給層以下，因植被土壤深層耗水不能被及時(shí)和有效補(bǔ)償，在一定土層剖面范圍土壤水分低于土壤穩(wěn)定濕度甚至凋萎濕度。其濕度上限是土壤穩(wěn)定持水量，土壤穩(wěn)定持水量在數(shù)值上相當(dāng)于田間持水量的50%～80%。黃土高原造林樹(shù)草種多為抗逆性較強(qiáng)的鄉(xiāng)土種，尤其是抗旱性強(qiáng)的樹(shù)草種，一直以來(lái)都是植被建設(shè)的主要樹(shù)草種，如喬木中的山杏、刺槐、檸條、側(cè)柏和油松等，灌木中的檸條、山毛桃和紅柳等，草本植物中的紫花苜蓿和紅豆草等。抗旱性強(qiáng)的樹(shù)草種在一般干旱年份能維持其群落的正常生長(zhǎng)發(fā)育，在極端干旱年份也能生存下去。這是因?yàn)榇祟悩?shù)草種一般都有發(fā)達(dá)的根系，根據(jù)調(diào)查，抗旱性極強(qiáng)的樹(shù)草種是造成該區(qū)域嚴(yán)重土壤干層發(fā)生的主要因素，甚至可使局部范圍的土壤含水量低到凋萎濕度以下。這是因?yàn)闃O抗旱樹(shù)草種與土壤水分環(huán)境之間發(fā)生著超強(qiáng)水分交換作用，群落對(duì)“土壤水庫(kù)”的超度吸收和利用，導(dǎo)致土壤剖面一定范圍土壤濕度低于凋萎濕度，形成嚴(yán)重的干層。

事實(shí)上，土壤干層是植被-土壤-大氣多界面、多尺度水分過(guò)程相互作用的結(jié)果，土壤干層會(huì)減緩?fù)寥浪执怪狈较虻慕粨Q，這說(shuō)明在植被的作用下，造成當(dāng)年降水垂直入滲的補(bǔ)給能力不足，導(dǎo)致土壤水分環(huán)境惡化、植被退化、群落生產(chǎn)力降低等，從而使植被生態(tài)功能降低甚至消失。例如在半干旱區(qū)種植10 年以上的人工楊樹(shù)林，土壤干層出現(xiàn)后逐步成為“小老頭樹(shù)”，其固碳、釋放二氧化碳等生態(tài)效益不明顯甚至喪失。黃土高原人工植被群落，若遇極端干旱，將會(huì)對(duì)植物和群落發(fā)育造成不可逆的危害。大多數(shù)研究者認(rèn)為，土壤干層的存在會(huì)導(dǎo)致“土壤水庫(kù)”功能減弱、土壤環(huán)境惡化、土壤質(zhì)量降低、植被退化或大規(guī)模死亡、土地生產(chǎn)力降低等，進(jìn)而影響植被的水土保持、水源涵養(yǎng)、水文調(diào)節(jié)、固碳等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。但也有研究者認(rèn)為，土壤干層的本質(zhì)是黃土高原氣候向干熱變遷的必然結(jié)果，更是氣候干熱變遷和植被相互作用的必然結(jié)果，土壤干層的出現(xiàn)預(yù)示著人工植被生態(tài)系統(tǒng)演替為退化方向。土壤干層的存在是自然界一種普遍現(xiàn)象，截至當(dāng)前人們對(duì)土壤干層仍缺乏科學(xué)的認(rèn)知，正如任何植被生態(tài)系統(tǒng)都存在限制其進(jìn)一步發(fā)育的環(huán)境因子。事實(shí)也證明，黃土高原人工植被建設(shè)極大緩解了該區(qū)域嚴(yán)重的水土流失，同時(shí)也發(fā)揮著越來(lái)越重要的生態(tài)防護(hù)功能。尤其是近二十年國(guó)家實(shí)施退耕還林還草等大面積國(guó)土綠化工程，有效改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，提升了人工植被生態(tài)多功能服務(wù)能力。全國(guó)遙感數(shù)據(jù)也表明，黃土高原是我國(guó)植被覆蓋增加最為明顯的區(qū)域，人工植被已成為黃土高原大尺度生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分。

四、黃土高原人工植被的經(jīng)營(yíng)策略

（一）強(qiáng)化系統(tǒng)管理的觀念：黃土高原人工植被的經(jīng)營(yíng)理念必須基于人工植被群落與其生態(tài)因子系統(tǒng)性和整體性之上，尤其是土壤水分作為區(qū)域植被群落發(fā)育的限制性因子，對(duì)人工植被的長(zhǎng)期作用，在區(qū)域氣候演變的背景下進(jìn)行系統(tǒng)演化，直接影響人工植被的生態(tài)功能提升。人工植被生態(tài)系統(tǒng)水分過(guò)程要從時(shí)空多尺度去解讀，并基于山水林田湖草系統(tǒng)治理的理念，通過(guò)科學(xué)規(guī)劃和系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)區(qū)域林草植被健康維持和功能提升。

（二）強(qiáng)化植被群落結(jié)構(gòu)調(diào)控：總結(jié)當(dāng)前喬灌草耦合機(jī)制研究和實(shí)踐，從長(zhǎng)期來(lái)看，對(duì)人工植被密度的均勻調(diào)控，不會(huì)減輕群落個(gè)體之間的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，從而達(dá)到緩解群落發(fā)育與土壤水分不足之間的矛盾。有效途徑應(yīng)該是通過(guò)非均勻、斑塊內(nèi)高密度植被建植，增強(qiáng)群落個(gè)體和種群之間的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，以控制種群進(jìn)一步發(fā)育，控制植被水分利用總量，降低植被對(duì)深層土壤水資源的超強(qiáng)利用，同時(shí)林窗區(qū)土壤水分能對(duì)林斑區(qū)形成有效的補(bǔ)給，提高“土壤水庫(kù)”對(duì)植被供水的彈性和能力。

（三）植被物種多樣性及選擇：人工植被生態(tài)系統(tǒng)物種的多樣性是其適應(yīng)自然選擇的物質(zhì)基礎(chǔ)，本文認(rèn)為黃土高原人工植被建植物種過(guò)分單一，是造成植被退化和生態(tài)功能降低的最重要原因。目前，人們逐漸開(kāi)始認(rèn)識(shí)并強(qiáng)調(diào)林草植被物種的多樣性和基于空間配置的耦合模式選擇。選擇物種除了考慮物種的適應(yīng)性外，還要明確各混交林草物種對(duì)土壤水分的利用策略，分析不同林草物種間的生態(tài)位錯(cuò)位關(guān)系，作為選擇林草物種的理論基礎(chǔ)。采取以耐旱的鄉(xiāng)土灌木樹(shù)種、針葉喬木樹(shù)種為主，引進(jìn)物種為輔的植被建植途徑，通過(guò)林草空間配置的非均一植被斑塊內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)來(lái)控制群落超限發(fā)育，減緩?fù)寥栏稍锘潭龋嵘斯ぶ脖唤】邓剑詰?yīng)對(duì)未來(lái)氣候干熱化演變的趨勢(shì)。

（四）尊重人工植被演化規(guī)律：黃土高原土壤干層是氣候向干熱化方向演變的必然現(xiàn)象，是導(dǎo)致自然植被演替的直接原因之一，人工植被激發(fā)并強(qiáng)化了土壤干層的形成。人類干擾和破壞因素可以危害甚至中斷植被生態(tài)系統(tǒng)的演化進(jìn)程，在黃土高原生態(tài)建設(shè)的實(shí)踐中，人類因素一直是推動(dòng)植被建設(shè)的主要?jiǎng)恿ΑＨ祟惔龠M(jìn)植被恢復(fù)活動(dòng)，必須依據(jù)植被地帶性分布的原理，選擇植被建植模式時(shí)一定要滿足特定區(qū)域水熱條件的制約。黃土高原土壤干層的形成并不僅僅體現(xiàn)了植物耗水與土壤干旱間的矛盾關(guān)系，它還反映了氣候變遷對(duì)植被演替的影響。黃土高原人工植被建設(shè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)天然植被格局修復(fù)、提升具有系統(tǒng)水循環(huán)功能的植物識(shí)別、植物吸收水分策略及優(yōu)化途徑等方面的實(shí)踐與研究。

五、未來(lái)和展望

（一）針對(duì)黃土高原土壤干燥化的研究多為空間尺度不同植被類型之間的調(diào)查和比較研究，對(duì)于深層土壤水分的動(dòng)態(tài)缺乏長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和模擬研究，尤其是持續(xù)豐水年份和持續(xù)欠水年份深層土壤水分的有效性和調(diào)節(jié)作用還不明確，探明深層土壤水分支撐植被穩(wěn)定性及健康發(fā)育的作用，對(duì)于人們正確認(rèn)知土壤干層和人工植被非常重要。

（二）經(jīng)過(guò)充分發(fā)育的人工植被與其土壤水分環(huán)境已成為一個(gè)統(tǒng)一的整體，土壤干層是其植被生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，黃土高原人工植被土壤干層現(xiàn)象具有普遍性和必然性，揭示植被群落與土壤干層之間的作用機(jī)理，制定協(xié)調(diào)他們矛盾關(guān)系的調(diào)控方案，對(duì)于實(shí)現(xiàn)黃土高原人工植被科學(xué)經(jīng)營(yíng)管理至關(guān)重要。