西安地區(qū)人工林土壤干層的分布特征

西安地區(qū)人工林土壤干層的分布特征

土壤短缺一直是洛杉磯高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要因素。近年來，大規(guī)模造林加劇了土壤干燥。前人已查明,黃土高原地區(qū)廣泛存在的土壤干層是造成人工林生長(zhǎng)不良的主要原因。降水條件相對(duì)較好的關(guān)中地區(qū)人工林下也存在土壤干層。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,探討了關(guān)中地區(qū)不同植被下土壤干層發(fā)育的強(qiáng)弱、土壤干層能否恢復(fù)以及不同植被下干層恢復(fù)的強(qiáng)度等問題。1氣候、植被條件研究地區(qū)為黃土高原南部的西安地區(qū)。西安位于陜西省關(guān)中平原中部的渭河兩岸,南倚秦嶺山脈,北靠渭北荊山黃土臺(tái)塬,東起零河和灞源山地,西到黑河以西的太白山地和青化黃土臺(tái)塬。西安氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,四季冷暖分明,年平均氣溫13℃,年均降水量為600mm左右,降水主要集中在7,8,9三個(gè)月。西安地區(qū)的植被屬于暖溫帶落葉闊葉林和針闊葉混交林,本研究所選的人工植被有楊樹、法國梧桐、雪松、麥地和草地。采樣點(diǎn)均選在開闊平坦的河流階地面上,廣泛覆蓋于其上的是發(fā)育于晚更新世晚期的馬蘭黃土。該地層土質(zhì)疏松,結(jié)構(gòu)均一,大孔隙和垂直節(jié)理發(fā)育,含許多鈣質(zhì)結(jié)核,中間夾一層發(fā)育弱的古土壤。在渭河二、三級(jí)階地上,該地層厚約10m多,采集的土壤樣品均來自于馬蘭黃土(L1)層。2土壤層含水量的檢測(cè)土壤樣品的采集使用輕型人力鉆采取,每個(gè)采樣點(diǎn)取樣深度為6m,樣品間距約為10cm,每個(gè)鉆孔共取60個(gè)樣品。中間發(fā)育弱的古土壤層在地表6m之下,因而對(duì)土壤含水量的入滲無太大影響。樣品采集后立刻用鋁盒封裝,避免日光照射,盡快帶回室內(nèi)測(cè)定。土壤含水量的測(cè)定采用烘干稱重法,烘干溫度為105℃,烘干時(shí)間為10h以上,烘干前后土重用高精度電子天平稱量。土壤含水量由下式得出:W=(W1-W2)/W2×100%,其中W為所測(cè)樣品的土壤含水量,W1為烘干前土壤樣品重量,W2為烘干后土壤樣品重量。3不同林分土壤含水量的變化西安地區(qū)多年平均降水量為600mm左右,2003年年均降水量達(dá)到883mm,是西安地區(qū)典型的豐水年。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示豐水年極端降水前后的人工林下土壤含水量存在很大差別。所選楊樹、法國梧桐和雪松喬木林下土壤采樣點(diǎn)位于西安南郊吳家墳地區(qū),麥地和草地采樣點(diǎn)位于南郊長(zhǎng)安區(qū)少陵塬上開闊平坦的塬面上。為確保土壤含水量的普遍和可靠性,每個(gè)采樣點(diǎn)均打了2~3個(gè)鉆孔,分析比較后發(fā)現(xiàn)同一樣點(diǎn)的不同鉆孔其土壤含水量與變化規(guī)律是極其相似的,文中每個(gè)樣點(diǎn)我們僅列舉一個(gè)鉆孔的土壤含水量進(jìn)行分析。3.1m土壤水分變化我們于2003年3月26日和4月16日分別在西安南郊吳家墳地區(qū)楊樹林、法國梧桐林、中國梧桐林下進(jìn)行了土壤樣品的采集。測(cè)定分析得知,3種喬木林下0~6m土壤含水量變化規(guī)律十分相似,均呈現(xiàn)從上到下土壤含水量由大變小再變大的規(guī)律。楊樹林0~6m土壤含水量變化范圍為7.8%~14.8%,平均含水量為10.7%。根據(jù)含水量變化曲線,可將整個(gè)垂直剖面分為3層(圖1a)。第1層大約在0~1.5m之間,土壤含水量較高,變化范圍為9.6%~13.6%,平均值為11.2%;第2層約在1.5~4m之間,含水量明顯減少,其值在7.8%~10.6%之間波動(dòng),平均值為9.3%;4~6m為第3層,含水量又迅速增加,其值增加到8.6%~14.8%,平均為12.1%。法國梧桐林0~6m土壤含水量變化范圍為7.7%~14.8%,平均含水量為10.5%。根據(jù)含水量變化曲線,也可將整個(gè)垂直剖面分為3層(圖1b)。第1層大約在0~1.5m之間,土壤含水量較高,變化范圍為8.5%~13.2%,平均值為10.6%;第2層約在1.5~4m之間,含水量明顯減少,其值在7.7%~10.2%之間波動(dòng),平均值為9.0%;4~6m為第3層,含水量又迅速增加,其值增加到8.9%~14.8%,平均為12.4%。中國梧桐林0~6m土壤含水量變化范圍為8.8%~15.3%,平均含水量為11.1%。根據(jù)含水量變化曲線,仍將整個(gè)垂直剖面分為3層(圖1c)。第1層大約在0~1.5m之間,土壤含水量較高,變化范圍為9.4%~13.1%,平均值為11.3%;第2層約在1.5~4m之間,含水量明顯減少,其值在9.2%~10.7%之間波動(dòng),平均值為9.7%;4~6m為第3層,含水量又迅速增加,其值增加到8.8%~15.3%,平均為12.8%。2002年3月12日至16日在少陵塬麥地和草地進(jìn)行了打鉆取樣和室內(nèi)測(cè)定。結(jié)果顯示,麥地0~6m土壤含水量為10.2%~15.8%,平均含水量約為13.3%。從表層向下部,土壤含水量逐漸升高。按照其變化的波動(dòng)曲線,垂直剖面上大致可分為兩層。但由于黃土高原地區(qū)的降水入滲深度大約在1.5~2.0m,該深度之上土壤含水量受降水和蒸發(fā)影響極為強(qiáng)烈,變化很大,因此我們?nèi)匀话?.5m之上作為第一層。0~1.5m土壤含水量變化范圍為10.2%~13.3%,平均值為11.9%;1.5~4m土壤含水量范圍為11.7%~15.2%,平均值為12.9%;4~6m土壤含水量升高,變化范圍為13.6%~15.9%,平均為14.8%。草地0~6m土壤含水量變化規(guī)律與麥地相似,由上向下含水量逐漸升高,變化范圍為10.6%~16.4%,平均值為13.6%。0~1.5m土壤含水量變化范圍為10.6%~13.1%,平均值為12.0%;1.5~4m土壤含水量為10.9%~15.4%,平均值為13.2%;同樣在4m之下含水量升高,變化范圍上升到13.8%~16.4%,平均值為15.3%。3.2不同層位的土壤含水量2004年4月22日和28日我們又對(duì)吳家墳附近楊樹林、法國梧桐林進(jìn)行了打鉆取樣,結(jié)果顯示,楊樹林0~6m土壤含水量變化范圍在12.2%~20.7%之間,平均為15.5%。據(jù)其含量變化可明顯分為3層,第1層在0~1.5m之間,含水量較低,呈逐漸升高趨勢(shì),變化范圍在12.2%~15.3%之間,平均為13.9%;第2層在1.6~4m之間,含水量急劇升高,變化范圍在15.4%~20.7%之間,平均為17.5%;第3層在4~6m之間,含水量又急劇減少,在13.8%~15.2%之間波動(dòng),平均為14.3%(圖2a)。法國梧桐林0~6m土壤含水量明顯升高,變化范圍在12.0%~19.2%之間,平均值為16.5%。為便于和極端降水之前的土壤含水量層位對(duì)比,仍將其整個(gè)剖面分為3層。第1層在0~1.5m之間,含水量變化很不穩(wěn)定,波動(dòng)較大,其變化范圍在12.0%~17.3%之間,平均值為15.7%;第2層在1.6~4m之間,含水量變化范圍在14.4%~16.8%,平均為15.6%;第3層在4~6m之間,含水量明顯升高,在16.5%~19.2%之間波動(dòng),平均值增加到18.2%(圖2b)。2003年11月8日對(duì)中國梧桐林下土壤含水量進(jìn)行了打鉆取樣,0~6m整個(gè)剖面含水量變化范圍在17.9%~27.9%之間,平均為22.4%,可以看出,中國梧桐林下土壤含水量明顯高于楊樹林和法國梧桐林,這是由于經(jīng)過夏秋季充沛的雨水補(bǔ)給,土壤含水量迅速升高,而再經(jīng)過較為干旱的冬季,人工林下土壤含水量又有明顯減少的趨勢(shì)。據(jù)其含量變化也可將其分為3層,第1層在0~1.5m之間,含水量較低,呈逐漸升高趨勢(shì),變化范圍在18.1%~20.7%之間,平均為19.7%;第2層在1.6~4m之間,含水量急劇升高,變化范圍在18.1%~27.9%之間,平均為25.3%;第3層在4~6m之間,含水量又急劇減少,在17.9%~25.3%之間波動(dòng),平均為20.8%(圖2c)。2004年4月15日和24日又在少陵塬上原地點(diǎn)的草地和麥地進(jìn)行了打鉆取樣和室內(nèi)測(cè)定。結(jié)果顯示,麥地和草地豐水年后土壤含水量也明顯升高,尤其在4m之上表現(xiàn)極為突出。麥地0~6m土壤含水量變化為14.1%~25.3%,平均含水量約為20.2%。從表層向下部,土壤含水量先逐漸升高后降低。按照其變化的波動(dòng)曲線,仍將它分為3層,0~1.5m土壤含水量較低,其平均值為17.7%;1.5~4m土壤含水量升高,平均值為22.7%;4~6m土壤含水量降低,平均為19.0%。草地0~6m土壤含水量變化規(guī)律與麥地相似,由上向下含水量先升高后降低,變化范圍為14.3%~26.2%,平均值為20.4%。0~1.5m土壤含水量低,其平均值為17.9%;1.5~4m土壤含水量平均值迅速增加到23.0%;4~6m土壤含水量降低,平均值為18.9%。4討論4.1土壤干層的分布自20世紀(jì)60年代在陜西東部旱塬首次發(fā)現(xiàn)了土壤干層以來,許多專家學(xué)者已證實(shí)我國北方地區(qū)尤其是黃土高原地區(qū)廣泛存在土壤干層現(xiàn)象。土壤干層是土壤干旱化的結(jié)果,人們往往把田間穩(wěn)定持水量作為土壤干層的判定依據(jù)。黃土高原各地區(qū)田間穩(wěn)定持水量約在10%~14%之間,而在黃土高原東南部的西安地區(qū),黃土中粘粒含量多,田間穩(wěn)定持水量相對(duì)較高,因此將土壤含水量低于12%的土層可以視為土壤干層。由于黃土高原降水入滲深度一般在1.5~2m之上,幾乎沒有深層滲漏,因此我們將1.5m之上作為垂直剖面上土壤水分變化的第一層,該層土壤水分常常由于大氣連續(xù)干旱和植被過度耗水,含量會(huì)降到很低的水平,有時(shí)甚至處于凋萎濕度以下,但經(jīng)過雨季又會(huì)很快升高,因此這層水分虧缺往往是暫時(shí)的,即使含水量低于12%的標(biāo)準(zhǔn),我們也不認(rèn)為是土壤干層。入滲深度1.5m之下土壤水分受降水和蒸發(fā)影響較小,含量相對(duì)穩(wěn)定,這才是土壤干層分布的真正層位。由土壤含水量資料分析得知,西安南郊吳家墳地區(qū)楊樹、法國梧桐、中國梧桐3種喬木林下1.5~4m土壤含水量均較低,其平均值分別為9.3%,9.0%和9.7%,均低于12%,這說明該地區(qū)人工喬木林下土壤干層也是存在的。而在4m之下,土壤含水量明顯升高,3種人工林下4~6m土壤平均含水量分別為12.1%,12.4%和12.8%。由此可以看出,人工喬木林下土壤干層大約分布在1.5~4m之間,干層厚度為2.5m左右。麥地和草地1.5~4m土壤含水量值幾乎均在12%以上,平均值分別為12.9%和13.2%,沒有土壤干層存在,4m之下含水量繼續(xù)升高,其平均值分別為14.8%和15.3%。4.2不同層位土壤水分的恢復(fù)黃土高原地區(qū)受降水入滲深度的限制,土壤干層一旦形成,當(dāng)年正常降水條件下是很難恢復(fù)的。但經(jīng)過2003年夏秋季豐富的降水補(bǔ)給,各人工植被下4m之上,甚至5~6m的土壤含水量都得到了很好的恢復(fù)(圖3,4)。楊樹、法國梧桐、中國梧桐3種喬木林下1.5~4m土壤含水量已恢復(fù)到17.5%,15.6%和25.3%,分別比極端降水之前增加了8.2%,6.6%和15.6%(圖3);4~6m土壤平均含水量分別恢復(fù)到14.3%,18.2%和20.3%,比補(bǔ)給之前增加了2.2%,5.8%和7.5%(圖4)。可以看出,土壤水分的恢復(fù)已經(jīng)達(dá)到6m的深度范圍,并且原來極度水分虧缺的中部1.5~4m層位土壤水分的補(bǔ)給明顯高于下部4~6m層位,原先的土壤干層所在層位水分顯著高于其上部和下部層位,已經(jīng)達(dá)到了近飽和狀態(tài)。麥地和草地土壤水分的恢復(fù)也表現(xiàn)出以上規(guī)律,6m之上深度范圍內(nèi)的土壤水分都得到了補(bǔ)充,中部水分極度虧缺帶恢復(fù)量很高,恢復(fù)后的土壤含水量顯著高于其上部和下部,1.5~4m土壤含水量分別增加到22.7%和23.0%,比以前均升高了9.8%(圖3),而4~6m土壤平均含水量分別恢復(fù)到19.0%和18.9%,比補(bǔ)給之前分別增加了4.2%和3.6%(圖4)。中國梧桐林的土壤水分恢復(fù)量明顯高于其他各人工植被,這是由于中國梧桐林的樣品采集和測(cè)定是在2003年11月雨季剛剛結(jié)束,充足的雨水補(bǔ)給使得人工林下土壤水分已經(jīng)過飽和。而其他人工植被的樣品采集和測(cè)定是在2004年的4月,雨季結(jié)束后又經(jīng)歷了較為干旱的冬季,土壤水分又被消耗所致。由此可以推測(cè),如果再?zèng)]有像2003年那樣豐富的降水補(bǔ)給,正常降水條件下人工喬木林下的土壤干層會(huì)再一次出現(xiàn)。4.3不同類型人工林的生長(zhǎng)狀況土壤干層的發(fā)育嚴(yán)重影響整個(gè)西部的生態(tài)環(huán)境建設(shè),發(fā)育嚴(yán)重的地區(qū),樹木生長(zhǎng)到10年左右便出現(xiàn)干梢、彎曲,甚至死亡。資料顯示,極端降水之前西安各人工喬木林下已經(jīng)有土壤干層發(fā)育,但從人工林生長(zhǎng)狀況良好來看,發(fā)育較弱的土壤干層并未影響到人工林的正常生長(zhǎng),在西安地區(qū)或和西安地區(qū)近似降水量的黃土高原其他地區(qū)種植像楊樹林、梧桐林等人工喬木林是可行的。盡管如此,發(fā)展人工林也應(yīng)考慮植株間距和造林密度等因素,避免嚴(yán)重的土壤干層出現(xiàn)。農(nóng)作物和草地下0~6m整個(gè)剖面均未出現(xiàn)土壤干化現(xiàn)象,說明農(nóng)作物和草地有很好的保水作用,在生態(tài)環(huán)境較差的地區(qū)可優(yōu)先發(fā)展草灌類植被,待水分恢復(fù)后再發(fā)展人工林。5土壤干層水分恢復(fù)(1)西安地區(qū)正常降水條件下楊樹林、法國梧桐林和中國梧桐林下大約1.5~4m土層土壤含水