山西榆次不同植被土壤水分有效性與干燥化效應

張鵬飛, 王融融, 戴燕燕, 李 強, 馬延東, 趙景波

(1.太原師范學院 地理科學學院, 太原 030619; 2.寧夏大學 地理科學與規劃學院,銀川 750021; 3.長安大學, 西安710054; 4.中國科學院 地球環境研究所氣溶膠化學與物理重點實驗室,西安710061; 5.陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安710119)

土壤水分直接影響植被對地下養分的吸收利用，是黃土區決定植被生產力的主要因素之一[1]。土壤干層是土壤干燥化的主要表現形式，干層的發育會對植被造成不利影響[2]。土壤干層是氣候旱化和人工植被大量耗水的結果，是黃土高原半干旱半濕潤條件下形成的一種土壤干燥化現象。有研究表明黃土高原人工林下土壤干燥化現象普遍存在[3]，從東南向西北隨著降水量的減少，土壤干燥化強度也隨之加重[4]。另外，近年來全球氣溫升高，降水減少，蒸發加大，干旱程度更有所增加。俄有浩等[5]認為隨著全球氣候變化，黃土高原光熱資源將持續增加，降水量持續減少。表明該地區土壤干燥化程度將進一步發育強烈和擴大。

土壤水分受到降水、氣溫、蒸發、地形、植被等多種因素的影響，具有極強的區域性特征。前人對土壤干層進行了許多研究，但研究區域主要集中在黃土高原的西北部[6]，近年來南部地區的研究也逐漸增多[7]。但是對地處黃土高原東部的榆次區土壤水分的研究幾乎找不到。且以往關于土壤水分的研究主要集中在單一植被的土壤干燥化效應，例如檸條[8]、蘋果園[9]、苜蓿等[10]。而同時關注區域內主要植被類型的土壤干燥化的研究并不多見。

基于此本研究以山西省榆次區為例，選取該區域主要的4種植被(櫻桃林、棗樹林、楊樹林、耕地)及撂荒地。通過測定各樣地0—5 m間的土壤水分含量，揭示不同植被條件下土壤水分現狀、水分有效性及干燥化效應，進而為該區域乃至汾河流域土壤水分良性循環及植被合理建設提供科學依據。

1 研究區概況

山西省榆次區(112°34′—113°84′E，37°23′—37°54′N)，位于晉中盆地東北側，黃土高原東側，晉陜盆地帶北部，地處汾河中游。汾河為黃河流經山西的一級支流，是該地區的母親河。研究區屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。年均溫為9.8℃左右，年均降水量為400～450 mm左右。海拔為800～830 m。采樣時間為2018年11月下旬，當月上中旬共降水3次，均為小雨，采樣前11 d未降水。研究點選擇在榆次區近郊，距離汾河約14 km。樣地分別為櫻桃林地、耕地、棗樹林地、楊樹林地和撂荒地、。土壤質地為粉砂質壤土，粉粒、砂粒、黏粒含量均值分別為59.17%，34.44%，6.4%。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集與含水量測定

土壤樣品使用輕型人力鉆人工鉆孔采集，采樣深度為5 m，向下每隔10 cm采樣一次。部分剖面由于采到下層礫石面，故采樣深度不達5 m。為保證研究結果的可靠性，每種植被類型共選取3個土壤剖面來測定土壤含水量。3個剖面間水平間距大于20 m。所采樣品分別用鋁盒包裝密封，并盡快帶到實驗室。各采樣點基本情況見表1。

本研究采取烘干稱重法測定土壤含水量。利用高精度電子天平稱得新鮮土樣濕重。然后進行烘干，烘干溫度為105℃，烘干時間為24 h，以確保土壤水分全部蒸發。再稱得土壤干重。含水量計算式為:

(1)

式中:Q為土壤含水量(%);W1為濕土重量(g);W2為干土重(g)。

表1 各采樣點基本情況

2.2 土壤水分有效性計算與分級

土壤水分有效性是指田間持水量與穩定凋萎濕度之間的土壤水分對植物有效的程度。劉增文等[11]將土壤水分有效性分為3個等級：(1) 難效水，取值為穩定凋萎濕度到田間持水量的60%；(2) 中效水，取值為田間持水量的60%～80%；(3) 易效水，取值為田間持水量的80%～100%。通過測定獲知該地區土壤田間持水量為28.3%，穩定凋萎濕度為11.9%。

土壤水分有效性指數(Aw)用來表征植被利用土壤水分含量的程度。土壤水分有效性指數Aw值越大，表示土壤水分可被植被吸收利用的程度越大，Aw值小于0時，則土壤水分不能被植被吸收。計算公式為：

(2)

式中:Aw為土壤水分有效性指數(%);θ為土壤實際水分含量(%);θw為土壤穩定凋萎濕度(%);θf為田間持水量(%)。結合本研究實際將該區土壤水分有效性劃分為5個等級,見表2。

表2 土壤水分有效性分級

2.3 土壤干燥化強度評價方法

不同植被的土壤干燥化效應可使用土壤干燥化指數SDI(soil desiccation index)來進行分析和對比[12]。本研究采用王力等[13]的觀點，將土壤干層上限定為土壤穩定濕度，取值田間持水量的60%，將該值以下的水分虧缺全部看作土壤干層的范圍，其下限可達死亡濕度。土壤干燥化強度指數SDI大小表示土壤干燥化程度，計算公式為：

(3)

式中:SDI為土壤干燥化指數(%);SSM為土壤穩定濕度(%);SM為實際土壤濕度(%);SW為土壤穩定凋萎濕度(%);。根據SDI數值將土壤干燥化強度劃分為6個等級,見表3。

表3 土壤干燥化強度劃分標準

3 結果與分析

3.1 土壤水分含量

根據各樣地土壤含水量的測定結果可知，櫻桃林地(圖1)土壤含水量變化范圍在10.19%～22.11%，平均含水量為14.47%。含水量自上而下可分為3層。第1層為0—1.5 m，含水量隨深度增加先降低后上升；第2層為1.6—3 m，含水量波動降低，在3 m左右出現最低值(9.85%)；第3層為3.1—5 m，含水量隨深度增加呈迅速上升趨勢，達到最大值(22.14%)。

圖1 櫻桃林地各剖面及平均土壤含水量

撂荒地(圖2)土壤含水量變化范圍在6.86%～15.49%，平均含水量為10.70%。含水量自上而下可分為2層。

第1層為0—2 m，含水量隨深度增加波動下降，到2 m附近達到最低值(6.86%)；第2層為2.1—4 m，含水量隨深度增加波動上升。

圖2 撂荒地各剖面與平均土壤含水量曲線

耕地(圖3)土壤含水量變化范圍在8.32%～23.75%，平均含水量為14.53%。含水量自上而下可分為2層。第1層為0—2 m，含水量隨深度增加波動下降，到2 m處達到最低值(8.32%)；第2層為2—4 m，含水量隨深度增加而波動上升至最大值(23.75%)。

棗樹林地(圖4)土壤含水量變化范圍在6.09%～17.89%，平均含水量為9.94%。含水量變化自上而下可分為3層。第1層為0—1.5 m，含水量波動較大，總體先增后減；第2層為1.6—3.5 m，含水量總體較低，是該采樣點最為干旱的土層，平均含水量僅為7.36%；第3層3.6—5 m，含水量隨深度增加而波動上升至最大值(17.89%)。

楊樹林地(圖5)土壤含水量變化范圍在5.15%～11%，平均含水量為8.10%。含水量變化自上而下可分為2層。第1層為0—3 m，含水量變化趨勢不明顯，平均含水量為8.54%；第2層3—5 m，含水量隨深度增加呈下降趨勢，從4.8 m開始含水量略有回升，含水量最低僅有5.15%。

圖3 耕地各剖面與平均土壤含水量

圖4 棗樹林地各剖面與平均土壤含水量曲線

3.2 土壤水分有效性

不同植被水分有效性指數(Aw)具有明顯差異(表4)，在0—4 m內櫻桃林地(0.09%)和耕地(0.16%)土壤水分有效性指數差異不大，但明顯高于撂荒地(-0.07)、棗樹林地(-0.21)和楊樹林地(-0.20)，后三者土壤水分基本為無效水。各植被在淺層土壤0—2 m中，含水量幾乎都在土壤穩定濕度(16.98%)以下，其中楊樹和棗樹林地含水量在穩定凋萎濕度(11.9%)以下，均屬于無效水或難效水；在中層土壤2—4 m中，棗樹林、楊樹林和撂荒地土壤水分都未達到穩定凋萎濕度，均屬于無效水；耕地和櫻桃林地水分則主要在穩定凋萎濕度以上，為難效水；在深層土壤4—5 m處，除楊樹外，其余植被土壤水分均高于穩定凋萎濕度，水分有效性也不再是無效水。不同植被條件下土壤水分有效性差異表現為：除1—3 m土層不明顯外，其余土層土壤水分有效性均表現為耕地>櫻桃林地>撂荒地>棗樹林地>楊樹林地。

圖5 楊樹林地各剖面與平均土壤含水量曲線

表4 不同植被土壤水分有效性指標

3.3 土壤干燥化程度

陳洪松等[14]認為，土壤干層是指以植被過度蒸騰耗水所導致土壤水分相對持久性的“地區型干層”或“蒸發型干層”。在黃土高原區域，淺表層土壤水分虧缺容易得到降雨補給，降雨對土壤水分的補給深度一般為1—2 m[15]，結合本研究實際情況，重點關注2—5 m深層土壤干燥化情況。

干燥化指標結果顯示(表5)，不同植被土壤均出現不同程度的土壤干燥化。其中耕地(42.05%)和櫻桃林地(48.42%)干燥化強度較輕(中度干燥化)且干層厚度較薄。

其余3種植被干燥化強度均屬于極度干燥化，干層發育厚度也較深，土壤干燥化指數分別為撂荒地140.85%、棗樹林129.49%和楊樹林地181.96%。干燥化層度從小到大依次為：耕地<櫻桃林地<棗樹林地<撂荒地<楊樹林地。

表5 不同植被類型深層(2-5 m)土壤干燥化指標

本文結合王力等[13]的結論將干層劃分為3個等級：含水量低于8%為重度干層；含水量在8%～12%為中度干層；含水量在12%～16%為輕度干層(圖6)。耕地在2—2.5 m為中度干層發育，2.5—3.4 m為輕度干層，3.4—4 m無干層發育；楊樹林地2—4 m為中度干層發育，4—5 m為重度干層發育；棗樹林地主要在2—3.7 m發育了重度干層；撂荒地在2—3.7 m發育了中度干層；櫻桃林地以輕度干層發育為主。不同植被類型土壤干層發育程度從弱到強依次為：耕地<櫻桃林地<撂荒地<棗樹林地<楊樹林地。

圖6 不同植被土壤剖面2-5 m干層分級

4 討 論

4.1 土壤水分有效性差異成因

土壤水分有效性與蒸散(包括地面蒸發和植被蒸騰等)、降水、灌溉、植被類型、植被根系吸水情況等因素密切相關[11]。另外，植被吸取土壤水分空間大小由植被根系的空間分布特征決定，植被根系分布的深度可作為其消耗土壤水分深度的參考指標[16]。該研究植被類型不同，根系吸水情況、植被蒸騰情況、以及所存在的灌溉條件的不同，導致各植被下土壤水分有效性存在差異，土層出現不同程度的水分虧損。

棗樹耐旱，葉小稀疏，蒸騰量少[17]，抗旱能力強，幾乎無人工灌溉，所需水分只能吸取有限的大氣降水及土壤水分。棗樹林地土壤在垂直方向上0—0.7 m和2—3.5 m兩個深度內含水量明顯較少，其中0—0.7 m的土壤水分以地面雜草消耗及地表蒸發為主。而2—3.5 m則是棗樹根系發達深度，也是棗樹耗水深度，在這一深度土壤水分含量達到最低值(7.36%)。因此棗樹林地土壤中有根系分布的深度水分有效性整體較弱。在0—4 m均處于無效水狀態，而在4 m以下，無根系吸水，土壤水分含量逐漸恢復呈現上升趨勢。

楊樹喜光，耐干旱氣候，屬深根性樹種，根系深且發達，吸收能力和固土能力強。但楊樹為強耗水樹種，蒸騰作用極大，對土壤水分需求量大[18]。楊樹生長會抑制和排斥原生樹種，故楊樹林地雜草灌木很少。因此0—5 m幾乎全部為楊樹根系吸水深度，整體耗水量較大，也無灌溉。其土層均為無效水。

撂荒地作為對照，地表無植被蒸騰，土層中也幾乎無吸水根系。因此土層剖面整體水分也較前兩者多，同樣沒有灌溉條件，土層基本為無效水與難效水。說明該地區土層在自然條件下2 m以下已經出現固定干層。

櫻桃樹屬喜水、抗旱能力差樹種，其葉片大，蒸騰作用強，所需較多水分供應，其適合生長在600～800 mm降水地區[19]。因此，榆次區降水量明顯達不到要求，為了保證產量，櫻桃林地除了大氣降水外，還需靠人工灌溉來補充水分。且櫻桃林生長茂盛，蓋度大，灌溉水量和頻率多，因此櫻桃林地土層剖面整體含水量較高，主要為難效水和中效水。

耕地采樣時已為深秋，農作物收獲完畢，地表被人為擾動，裸露土壤表面積增大使得表層土壤蒸發加劇，因此耕地在地表0.5 m內隨深度增加水分逐漸增加。在長期澆灌的影響下，耕地土壤水分有效性最高，以難效水和中效水為主。

4.2 土壤干層發育過程

該區土壤干層的發育，一方面由黃土高原地區氣候干旱造成。近年來，黃土高原氣候總體出現暖干化趨勢。該區干層可能在未來分布范圍更廣。另一方面也與當地植被資源特性以及植被類型選擇不當、群落密度過大及生產力過高等人為因素密切相關。

人為因素對干層的形成及發育具有很大的影響。其一，在該區建設人工林時，引進不適宜的樹種會造成原生植被和降水之間的動態平衡。其二，植物群落的生產力及其對水分的消耗量與植被密度有關，高密度種植導致高水分消耗，最終造成干層。其三，由于黃土高原地區“低降水、高蒸發”的氣候特點，在退耕還林過程中選擇抗旱性強的樹種，這些樹種往往根系較深，具有較強的吸水能力尤其是對深層土壤水消耗巨大，進而加劇土壤干燥化[20]。

對照撂荒地土層，4種不同植被土壤含水量差異明顯。在黃土高原本就干旱的氣候條件下，易形成潛在土壤干層，楊樹根系兼具水平和垂直發育特征，葉片數量密集且面積大，蒸騰作用強烈，因此對深層土壤水分的吸收劇烈，導致了中度和重度的土壤干層。另外，楊樹對該區原生植被的抑制作用破壞了群落系統及土壤環境。棗樹對土壤水分的吸收雖沒有楊樹強烈，但在開花坐果期需要大量水分，土壤水分依然不夠供給。另外，該區棗樹植株間距僅為1.5—2 m，植株過密，單位土壤水分供給壓力大，使得土壤在根系深度出現重度干層。櫻桃林地和耕地在有充足的人工灌溉的條件下，土層含水量遠高于撂荒地，在2—4 m深度僅有部分土層發育輕度干層。在持續灌溉下，出現的局部干層也很容易恢復。

綜上，該地區土壤干層的發育主要是因為氣候干旱和植被選擇不當、群落密度過高等，并且沒有及時的灌溉補充造成土壤水分過度消耗，導致深層土壤水分虧缺。

4.3 水分有效性提升與土壤干層恢復

隨著黃土高原退耕還林、還草等工程逐步實施并取得顯著成效，同時土壤干層也逐漸加劇，造成現有植被水分生態條件的惡化，使耗水量高、蒸散量大的喬木植被出現了干支、黃葉、枯萎等衰退現象。

調節該區土壤水分虧缺可以采取兩方面的途徑：一是改善土壤水分條件，適時采取灌溉補給土壤水分[21]；二是降低土壤水分支出，減少植被量及植被蒸騰耗水。對于該區棗樹等經濟林：(1) 應根據土壤水分承載力適當疏減樹林植株密度，緩解土壤供水壓力，提高樹木個體對土壤水分的吸收率；(2) 可對棗樹林木根部進行滴灌。這樣可減少地表水分蒸發從而使水分得到高效利用，提高經濟果林的產量；(3) 結合區域實際對棗樹進行節水型修剪[22]，以減少樹體對水分的過度消耗，增加土壤儲水量；(4) 改良棗樹為耐旱省水高產品種，從而在保證經濟效益的同時兼顧生態效益。

楊樹等耗水巨大的樹種在該區大規模或長時間種植必然會引起土壤含水量的負平衡，因此在該區要實現可持續發展的生態建設，需充分考慮植被與土壤水分的適宜狀況。該研究點楊樹林地的土壤部分已發育重度干層，說明在該區不適宜大范圍營造楊樹林，對于耗水量巨大的林種：(1) 應注意結合當地土壤水分條件，調整并形成合理合適的土地利用結構，合理選擇節水樹種，避免或減輕土壤干化，維持較高的植被穩定性；(2) 合理設計林分結構，增大植株間距，減小造林密度，逐漸改善土壤水分條件。

5 結 論

(1) 該區各植被中除楊樹林地外，土壤水分含量均隨土層深度增加先減后增。其中櫻桃林地和棗樹林地土壤水分均在0—3 m內呈遞減趨勢，3—5 m土壤水分迅速升高。耕地和撂荒地土壤水分分布模式相近，土壤含水量先減后增，均在2—2.5 m深度土層為含水量低值拐點。楊樹林地土壤水分在0—3.5 m保持平穩，3.5—5 m水分呈下降趨勢。

(2) 該區各植被均有不同程度干層發育，棗樹林地與楊樹林地發育了中重度干層，撂荒地發育了中度干層，櫻桃林地與耕地發育了輕度干層。干層厚度從大到小依此為：楊樹林(3.1 m/5 m)>棗樹林地(2.8 m/5 m)>撂荒地(2.1 m/4 m)>櫻桃林地(2.4 m/5 m)>耕地(1.5 m/4 m)。

(3) 該區各植被土壤水分有效性較差，楊樹林地各土層均為無效水，棗樹林地以無效水為主，撂荒地以無效水與難效水為主，耕地和櫻桃林地受灌溉補給，以難效水與中效水為主。土壤水分有效性表現為耕地>櫻桃林地>撂荒地>棗樹林地>楊樹林地。

(4) 該區棗樹和楊樹林地亟需通過有效措施來改善土壤水分虧缺現狀。櫻桃林地和耕地應持續及加大灌溉量以防止土壤水分條件惡化。