西安地区人工林土壤干层的分布特征

西安地区人工林土壤干层的分布特征

土壤短缺一直是洛杉矶高原生态环境建设的主要因素。近年来，大规模造林加剧了土壤干燥。前人已查明,黄土高原地区广泛存在的土壤干层是造成人工林生长不良的主要原因。降水条件相对较好的关中地区人工林下也存在土壤干层。本文在前人研究的基础上,探讨了关中地区不同植被下土壤干层发育的强弱、土壤干层能否恢复以及不同植被下干层恢复的强度等问题。1气候、植被条件研究地区为黄土高原南部的西安地区。西安位于陕西省关中平原中部的渭河两岸,南倚秦岭山脉,北靠渭北荆山黄土台塬,东起零河和灞源山地,西到黑河以西的太白山地和青化黄土台塬。西安气候属于暖温带大陆性季风气候,四季冷暖分明,年平均气温13℃,年均降水量为600mm左右,降水主要集中在7,8,9三个月。西安地区的植被属于暖温带落叶阔叶林和针阔叶混交林,本研究所选的人工植被有杨树、法国梧桐、雪松、麦地和草地。采样点均选在开阔平坦的河流阶地面上,广泛覆盖于其上的是发育于晚更新世晚期的马兰黄土。该地层土质疏松,结构均一,大孔隙和垂直节理发育,含许多钙质结核,中间夹一层发育弱的古土壤。在渭河二、三级阶地上,该地层厚约10m多,采集的土壤样品均来自于马兰黄土(L1)层。2土壤层含水量的检测土壤样品的采集使用轻型人力钻采取,每个采样点取样深度为6m,样品间距约为10cm,每个钻孔共取60个样品。中间发育弱的古土壤层在地表6m之下,因而对土壤含水量的入渗无太大影响。样品采集后立刻用铝盒封装,避免日光照射,尽快带回室内测定。土壤含水量的测定采用烘干称重法,烘干温度为105℃,烘干时间为10h以上,烘干前后土重用高精度电子天平称量。土壤含水量由下式得出:W=(W1-W2)/W2×100%,其中W为所测样品的土壤含水量,W1为烘干前土壤样品重量,W2为烘干后土壤样品重量。3不同林分土壤含水量的变化西安地区多年平均降水量为600mm左右,2003年年均降水量达到883mm,是西安地区典型的丰水年。实验数据显示丰水年极端降水前后的人工林下土壤含水量存在很大差别。所选杨树、法国梧桐和雪松乔木林下土壤采样点位于西安南郊吴家坟地区,麦地和草地采样点位于南郊长安区少陵塬上开阔平坦的塬面上。为确保土壤含水量的普遍和可靠性,每个采样点均打了2~3个钻孔,分析比较后发现同一样点的不同钻孔其土壤含水量与变化规律是极其相似的,文中每个样点我们仅列举一个钻孔的土壤含水量进行分析。3.1m土壤水分变化我们于2003年3月26日和4月16日分别在西安南郊吴家坟地区杨树林、法国梧桐林、中国梧桐林下进行了土壤样品的采集。测定分析得知,3种乔木林下0~6m土壤含水量变化规律十分相似,均呈现从上到下土壤含水量由大变小再变大的规律。杨树林0~6m土壤含水量变化范围为7.8%~14.8%,平均含水量为10.7%。根据含水量变化曲线,可将整个垂直剖面分为3层(图1a)。第1层大约在0~1.5m之间,土壤含水量较高,变化范围为9.6%~13.6%,平均值为11.2%;第2层约在1.5~4m之间,含水量明显减少,其值在7.8%~10.6%之间波动,平均值为9.3%;4~6m为第3层,含水量又迅速增加,其值增加到8.6%~14.8%,平均为12.1%。法国梧桐林0~6m土壤含水量变化范围为7.7%~14.8%,平均含水量为10.5%。根据含水量变化曲线,也可将整个垂直剖面分为3层(图1b)。第1层大约在0~1.5m之间,土壤含水量较高,变化范围为8.5%~13.2%,平均值为10.6%;第2层约在1.5~4m之间,含水量明显减少,其值在7.7%~10.2%之间波动,平均值为9.0%;4~6m为第3层,含水量又迅速增加,其值增加到8.9%~14.8%,平均为12.4%。中国梧桐林0~6m土壤含水量变化范围为8.8%~15.3%,平均含水量为11.1%。根据含水量变化曲线,仍将整个垂直剖面分为3层(图1c)。第1层大约在0~1.5m之间,土壤含水量较高,变化范围为9.4%~13.1%,平均值为11.3%;第2层约在1.5~4m之间,含水量明显减少,其值在9.2%~10.7%之间波动,平均值为9.7%;4~6m为第3层,含水量又迅速增加,其值增加到8.8%~15.3%,平均为12.8%。2002年3月12日至16日在少陵塬麦地和草地进行了打钻取样和室内测定。结果显示,麦地0~6m土壤含水量为10.2%~15.8%,平均含水量约为13.3%。从表层向下部,土壤含水量逐渐升高。按照其变化的波动曲线,垂直剖面上大致可分为两层。但由于黄土高原地区的降水入渗深度大约在1.5~2.0m,该深度之上土壤含水量受降水和蒸发影响极为强烈,变化很大,因此我们仍然把1.5m之上作为第一层。0~1.5m土壤含水量变化范围为10.2%~13.3%,平均值为11.9%;1.5~4m土壤含水量范围为11.7%~15.2%,平均值为12.9%;4~6m土壤含水量升高,变化范围为13.6%~15.9%,平均为14.8%。草地0~6m土壤含水量变化规律与麦地相似,由上向下含水量逐渐升高,变化范围为10.6%~16.4%,平均值为13.6%。0~1.5m土壤含水量变化范围为10.6%~13.1%,平均值为12.0%;1.5~4m土壤含水量为10.9%~15.4%,平均值为13.2%;同样在4m之下含水量升高,变化范围上升到13.8%~16.4%,平均值为15.3%。3.2不同层位的土壤含水量2004年4月22日和28日我们又对吴家坟附近杨树林、法国梧桐林进行了打钻取样,结果显示,杨树林0~6m土壤含水量变化范围在12.2%~20.7%之间,平均为15.5%。据其含量变化可明显分为3层,第1层在0~1.5m之间,含水量较低,呈逐渐升高趋势,变化范围在12.2%~15.3%之间,平均为13.9%;第2层在1.6~4m之间,含水量急剧升高,变化范围在15.4%~20.7%之间,平均为17.5%;第3层在4~6m之间,含水量又急剧减少,在13.8%~15.2%之间波动,平均为14.3%(图2a)。法国梧桐林0~6m土壤含水量明显升高,变化范围在12.0%~19.2%之间,平均值为16.5%。为便于和极端降水之前的土壤含水量层位对比,仍将其整个剖面分为3层。第1层在0~1.5m之间,含水量变化很不稳定,波动较大,其变化范围在12.0%~17.3%之间,平均值为15.7%;第2层在1.6~4m之间,含水量变化范围在14.4%~16.8%,平均为15.6%;第3层在4~6m之间,含水量明显升高,在16.5%~19.2%之间波动,平均值增加到18.2%(图2b)。2003年11月8日对中国梧桐林下土壤含水量进行了打钻取样,0~6m整个剖面含水量变化范围在17.9%~27.9%之间,平均为22.4%,可以看出,中国梧桐林下土壤含水量明显高于杨树林和法国梧桐林,这是由于经过夏秋季充沛的雨水补给,土壤含水量迅速升高,而再经过较为干旱的冬季,人工林下土壤含水量又有明显减少的趋势。据其含量变化也可将其分为3层,第1层在0~1.5m之间,含水量较低,呈逐渐升高趋势,变化范围在18.1%~20.7%之间,平均为19.7%;第2层在1.6~4m之间,含水量急剧升高,变化范围在18.1%~27.9%之间,平均为25.3%;第3层在4~6m之间,含水量又急剧减少,在17.9%~25.3%之间波动,平均为20.8%(图2c)。2004年4月15日和24日又在少陵塬上原地点的草地和麦地进行了打钻取样和室内测定。结果显示,麦地和草地丰水年后土壤含水量也明显升高,尤其在4m之上表现极为突出。麦地0~6m土壤含水量变化为14.1%~25.3%,平均含水量约为20.2%。从表层向下部,土壤含水量先逐渐升高后降低。按照其变化的波动曲线,仍将它分为3层,0~1.5m土壤含水量较低,其平均值为17.7%;1.5~4m土壤含水量升高,平均值为22.7%;4~6m土壤含水量降低,平均为19.0%。草地0~6m土壤含水量变化规律与麦地相似,由上向下含水量先升高后降低,变化范围为14.3%~26.2%,平均值为20.4%。0~1.5m土壤含水量低,其平均值为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,平均值为18.9%。4讨论4.1土壤干层的分布自20世纪60年代在陕西东部旱塬首次发现了土壤干层以来,许多专家学者已证实我国北方地区尤其是黄土高原地区广泛存在土壤干层现象。土壤干层是土壤干旱化的结果,人们往往把田间稳定持水量作为土壤干层的判定依据。黄土高原各地区田间稳定持水量约在10%~14%之间,而在黄土高原东南部的西安地区,黄土中粘粒含量多,田间稳定持水量相对较高,因此将土壤含水量低于12%的土层可以视为土壤干层。由于黄土高原降水入渗深度一般在1.5~2m之上,几乎没有深层渗漏,因此我们将1.5m之上作为垂直剖面上土壤水分变化的第一层,该层土壤水分常常由于大气连续干旱和植被过度耗水,含量会降到很低的水平,有时甚至处于凋萎湿度以下,但经过雨季又会很快升高,因此这层水分亏缺往往是暂时的,即使含水量低于12%的标准,我们也不认为是土壤干层。入渗深度1.5m之下土壤水分受降水和蒸发影响较小,含量相对稳定,这才是土壤干层分布的真正层位。由土壤含水量资料分析得知,西安南郊吴家坟地区杨树、法国梧桐、中国梧桐3种乔木林下1.5~4m土壤含水量均较低,其平均值分别为9.3%,9.0%和9.7%,均低于12%,这说明该地区人工乔木林下土壤干层也是存在的。而在4m之下,土壤含水量明显升高,3种人工林下4~6m土壤平均含水量分别为12.1%,12.4%和12.8%。由此可以看出,人工乔木林下土壤干层大约分布在1.5~4m之间,干层厚度为2.5m左右。麦地和草地1.5~4m土壤含水量值几乎均在12%以上,平均值分别为12.9%和13.2%,没有土壤干层存在,4m之下含水量继续升高,其平均值分别为14.8%和15.3%。4.2不同层位土壤水分的恢复黄土高原地区受降水入渗深度的限制,土壤干层一旦形成,当年正常降水条件下是很难恢复的。但经过2003年夏秋季丰富的降水补给,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复(图3,4)。杨树、法国梧桐、中国梧桐3种乔木林下1.5~4m土壤含水量已恢复到17.5%,15.6%和25.3%,分别比极端降水之前增加了8.2%,6.6%和15.6%(图3);4~6m土壤平均含水量分别恢复到14.3%,18.2%和20.3%,比补给之前增加了2.2%,5.8%和7.5%(图4)。可以看出,土壤水分的恢复已经达到6m的深度范围,并且原来极度水分亏缺的中部1.5~4m层位土壤水分的补给明显高于下部4~6m层位,原先的土壤干层所在层位水分显著高于其上部和下部层位,已经达到了近饱和状态。麦地和草地土壤水分的恢复也表现出以上规律,6m之上深度范围内的土壤水分都得到了补充,中部水分极度亏缺带恢复量很高,恢复后的土壤含水量显著高于其上部和下部,1.5~4m土壤含水量分别增加到22.7%和23.0%,比以前均升高了9.8%(图3),而4~6m土壤平均含水量分别恢复到19.0%和18.9%,比补给之前分别增加了4.2%和3.6%(图4)。中国梧桐林的土壤水分恢复量明显高于其他各人工植被,这是由于中国梧桐林的样品采集和测定是在2003年11月雨季刚刚结束,充足的雨水补给使得人工林下土壤水分已经过饱和。而其他人工植被的样品采集和测定是在2004年的4月,雨季结束后又经历了较为干旱的冬季,土壤水分又被消耗所致。由此可以推测,如果再没有像2003年那样丰富的降水补给,正常降水条件下人工乔木林下的土壤干层会再一次出现。4.3不同类型人工林的生长状况土壤干层的发育严重影响整个西部的生态环境建设,发育严重的地区,树木生长到10年左右便出现干梢、弯曲,甚至死亡。资料显示,极端降水之前西安各人工乔木林下已经有土壤干层发育,但从人工林生长状况良好来看,发育较弱的土壤干层并未影响到人工林的正常生长,在西安地区或和西安地区近似降水量的黄土高原其他地区种植像杨树林、梧桐林等人工乔木林是可行的。尽管如此,发展人工林也应考虑植株间距和造林密度等因素,避免严重的土壤干层出现。农作物和草地下0~6m整个剖面均未出现土壤干化现象,说明农作物和草地有很好的保水作用,在生态环境较差的地区可优先发展草灌类植被,待水分恢复后再发展人工林。5土壤干层水分恢复(1)西安地区正常降水条件下杨树林、法国梧桐林和中国梧桐林下大约1.5~4m土层土壤含水