黃土高原不同林齡刺槐林土壤水分虧缺程度

費洪巖， 童 倩， 萬傳宇， 潘若鵬， 韓鳳朋,2

(1.西北農林科技大學資源環境學院，黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，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工程技術研究中心，陜西 楊凌 712100)

黃土高原地區水土流失嚴重且降水稀少，土壤水分成為限制該地區植被恢復及自然生態環境重建的一個重要因子。在過去的幾十年，為了滿足人們日益增長的口糧需求，改善居民的生活質量，黃土高原坡地被大面積開墾，使得坡地具有植被覆蓋率低、水土流失嚴重的特點。進入新世紀，為響應國家號召，踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態理念，黃土高原地區開展了全面的植被恢復和退耕還林工作。在這一過程中，大部分坡地農田被轉化為相應的草地、灌木林地和喬木林地，這種轉化產生了很多積極的環境效益，如涵養水源、改善土壤和防風固沙等。其中刺槐便是黃土高原還林樹種中極為重要的一種，它原產于北美，為豆科、刺槐屬落葉喬木，現在我國西北地區被廣泛引入種植。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出明顯的不適宜性，在引進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，從而導致土壤水資源的虧缺，尤其在干旱、半干旱的黃土高原地區，大規模的高密度人工造林造成更加嚴重的土壤干燥化，反而給當地的水資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，已有學者開展研究和探討，并發現引入人工林的土壤下出現明顯的水分虧缺，甚至局部形成干層。張建軍等研究發現，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蔡家川流域5種典型林地為研究對象，結果表明，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。本研究結合刺槐生長特性，選擇10，15，25，40年刺槐林為研究對象，農地(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，為深入認識人工造林對土壤水分的消耗提供進一步參考，對未來黃土高原退耕還林和科學經營人工林有所啟示。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市寶塔區(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與高原溝壑區相連的過渡地帶，素有“塞上咽喉”“秦地要區”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，氣候為大陸性季風氣候，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分布，在各種坡面、峭壁發育有線溝、懸溝、切溝、細溝、黃土柱及緩坡等，黃土覆蓋厚度最深處可達180 m。當地土壤類型以黃綿土為主，間有黑壚土、黃褐土和風沙土。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()、側柏()、油松()、檸條()等。

1.2 樣地設置與數據獲取

通過查閱文獻和請教當地農戶確定了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。農地沒有過多的水分消耗，土壤水分含量保持在相對穩定的水平，故以農地作為對照。農地種植作物為玉米，生長期為6—9月，期間無人為灌溉，其余時間處于休耕期。試驗樣地基本概況見表1。

表1 樣地概況

每塊樣地設50 m×50 m的采樣小區，每個小區沿坡頂到坡底按相同距離設4個監測點，提前埋有PVC管，穩定半年后利用時域反射儀(TDR, TRIME-PICO-IPH, 德國)定點監測土壤含水量，監測深度為200 cm，每10 cm為1個測量層，取4次讀數的平均值作為該層的土壤體積含水量。在每個采樣小區內分別設6個1 m×1 m的草本樣方和5 m×5 m的灌木樣方，分別調查灌草的種類、數量、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。試驗時間為2021年3月下旬，監測前1周無降雨發生。

表2 不同林齡刺槐林下植被形態特征

1.3 數據處理與分析

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統計分析軟件計算各土層土壤含水量的均值、標準差(=4)和變異系數。采用最小顯著性差異法(LSD)進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—鄧肯檢驗進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記，<0.05。文中圖表均采用Origin 2018和Excel 2019軟件完成。

2 結果與分析

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減小趨勢，在垂直剖面上的變化情況大致相同，均呈現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到最大值19.14%。其余林齡刺槐在40 cm左右分別達到的最大值為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以下趨于穩定。農地土壤含水量大于不同林齡刺槐林，尤其0—20 cm土壤含水量達到25.36%，遠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數據收集處理后得出，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地對照(表3)。與農地相比，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年時達到最小值，40年時又有所恢復。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定，與林齡呈顯著的負相關，這也進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?，10年時土壤水分消耗速率最快，此時刺槐林正處于生長發育旺盛階段，密度大，根系發達，需水量大。40年時，刺槐林老化嚴重，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，后表現出一定程度的恢復(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(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?？梢钥闯?，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在整個剖面上具有相似的變化特征，土壤水分變異系數分別為9.51%，10.44%，25.06%和21.36%?？傮w來說，表層的土壤水分變異系數大于深層。其中0—10 cm的CV值最大，彼此間相差達47.10%，遠大于其他土層。在50—100 cm處各刺槐林的CV值趨于穩定，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

對于劃分垂直剖面土壤水分變化層次的方法，學者們已經進行了大量的系統研究。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 土壤水分動態變化對造林的響應

在過去幾十年，為了恢復生態和治理水土流失，我國在以黃土高原為主的干旱半干旱地區開展了大規模的植樹造林活動，經過不懈努力取得了舉世矚目的成就，但同時也給當地生態帶來了其他的負面影響。在黃土高原地區，黃土厚度一般在50～80 m，降水是土壤水分的主要補給來源，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，大規模不合理的人工造林給黃土高原地區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)發現，二者隨林齡和土層深度的增加均呈現減小的變化趨勢，這與前人的研究結果一致。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，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重，為滿足正常生長發育的需要，植被需要不斷向下扎根延伸以獲取深層水分，導致土壤深層出現土壤干燥化，這符合本試驗中造林后期深層土壤水分較低的結果。表層土壤水分受降水和蒸散發影響作用大，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生影響，如何精確區分二者的耗水情況及相互作用仍需要進一步的探究。

3.2 土壤水分虧缺程度隨造林年齡的變化

前人已經證明，人工造林會造成黃土高原地區土壤水分的嚴重虧缺。從農地轉化為各種人造林時，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，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生水分耗竭的結論一致，主要原因為刺槐根系的分布特征，雖然刺槐根系可延伸到200 cm以下，但細根在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，原因可能為造林后期林下表層有較厚的枯枝落葉層，可減少蒸散發并通過增加表面水力傳導來提高土壤的保水能力，使得表層土壤含水量相對偏高，同時證實造林后期人工林涵養水源的能力增強。然而，由于人造林本身具有強耗水性，100 cm以下的土層始終處于水分枯竭狀態，其中150—200 cm土層更加嚴重，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。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育時，水分消耗會從深層向淺層進行蔓延，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的過程，水分長期利用不平衡，在干旱半干旱地區仍然形成普遍的土壤干層。嚴重的水資源枯竭又反向制約植被生長，這樣的惡性循環嚴重影響當地生態環境的恢復與重建，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，且不同的土質和地表條件降水入滲的難易和速率有較大差別。由于農地和不同林齡刺槐林表層根系分布和蒸散發的差異，導致二者表層土壤水分變異程度較大。小規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，因此變異系數隨土層深度增加總體呈減小趨勢，這與前人得出結論一致。10，15年刺槐林在30 cm以下均為相對穩定層，土壤含水量與農地無顯著差異。隨著造林年限增加，25，40年刺槐林有著復雜的變化分層(圖6)，30—160 cm土層雖有降水補充，但由于蒸散發和刺槐根系密度大，耗水大于補充，土層水分較農地虧缺程度大，因此出現活躍層和次活躍層。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充該區域，且該土層范圍內刺槐粗、細根的根系密度均有所增加，經過刺槐長期耗水土壤水分已處于嚴重虧缺狀態。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 論

(1)各樣地平均土壤含水量大小表現為農地(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，但深層土壤水分仍虧缺嚴重。在垂直剖面上，土壤水分呈現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育旺盛而耗水速率最大。與農地相比，刺槐林的土壤水分均處于虧缺狀態(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，說明因刺槐林耗水導致嚴重的土壤水分虧空，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生態時，需要充分考慮其生長過程對土壤水分的消耗，制定合理的更新撫育策略，根據當地水分植被承載力，合理設計種植密度，同時優先考慮采用自然恢復以及引入一些淺根草本植物來進行生態環境的恢復。