河西干旱地區(qū)退耕還林的土壤水分效應(yīng)分析

石水霞，胡 霞，趙子蘭，王雪蓉

（甘肅省古浪縣林業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，甘肅古浪733199）

河西地區(qū)干旱缺水，風(fēng)沙侵蝕非常嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。近年來大規(guī)模的退耕還林切實提高了山區(qū)森林覆蓋率，局部地區(qū)對水土流失起到的很好的控制作用。但個別地區(qū)不合理、不科學(xué)的還林建設(shè)導(dǎo)致土壤水分供給能力與植被生長之間出現(xiàn)了負(fù)反饋現(xiàn)象，使土壤中出現(xiàn)了干層，人工林區(qū)出現(xiàn)了退化[1]。隨著環(huán)境氣候暖干化趨勢的加重，森林水分需求與土壤水分供給之間的矛盾直接影響著土壤水資源的安全。

在干旱半干旱的河西地區(qū)，降雨是退耕還林區(qū)域土壤水分補給的主要途徑，但大規(guī)模的人工造林對該區(qū)域的水分蒸發(fā)耗散、土壤水分和地表徑流都產(chǎn)生了顯著影響，直接改變了水資源的分布和貯存狀況。如何有效提高有限水分資源的利用效率，持續(xù)推進(jìn)河西地區(qū)退耕還林生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展成為了健康生態(tài)建設(shè)的重大目標(biāo)。農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)的核心是土壤水分效應(yīng)，可通過理論研究揭示人工林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的水分涵養(yǎng)機(jī)理，指導(dǎo)實際建設(shè)中有限水分資源的合理利用。

土壤水分在土壤—植物—大氣（SPAC）系統(tǒng)中參與各個環(huán)節(jié)的循環(huán)，受降雨、蒸騰和蒸發(fā)、地表徑流和地下水分布情況的影響，并處于不斷循環(huán)變化的過程中，這個過程也受環(huán)境氣候、植被狀況、土壤理化性質(zhì)和水分利用的影響。降雨是人工林區(qū)水分的主要來源，一部分降雨被植被冠層截留或在地表形成徑流，另一部分通過滲透進(jìn)入土壤根系分布區(qū)域，經(jīng)根系吸收并運輸至植株樹冠，通過植物蒸騰和土壤蒸發(fā)進(jìn)入大氣環(huán)境[2]；土壤中的降水可以進(jìn)入地下補充地下水，但在河西干旱地區(qū)地下水較深，降水很難通過深層滲透對地下水進(jìn)行補充[3]。為了進(jìn)一步認(rèn)識退耕還林區(qū)域的土壤水分效應(yīng)，本文從土壤水分補充和消耗平衡、林木耗水和土壤干燥化等方面進(jìn)行了動態(tài)分析。

1 土壤水分補充和消耗平衡

退耕還林樹種結(jié)構(gòu)相對單一，對生態(tài)環(huán)境的服務(wù)功能不高，了解人工林區(qū)對土壤水分補充和消耗平衡間的影響，揭示林木與土壤水分之間的互相作用機(jī)制，對于通過促進(jìn)林木生長發(fā)育來維持人工林生態(tài)系統(tǒng)和土壤水分的平衡、進(jìn)一步了解退耕還林的土壤水文效益、實現(xiàn)退耕還林健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，也是優(yōu)化林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)布局的新思路。

1.1 土壤水分補充

河西地區(qū)退耕還林區(qū)域的土壤水分補充主要來自于降雨，而降雨的利用方式和去路直接影響土壤水分平衡中的水分補充[4]。影響土壤水分補充途徑的因素主要有3個方面，即林木對降雨分配的影響、林區(qū)地表狀態(tài)對降雨分配的影響、土壤結(jié)構(gòu)對入滲水分分配的影響。

1.1.1 林木對降雨分配的影響 降雨在落入林區(qū)前最先接觸林木冠層，部分降雨被植株冠層截留形成莖干水流，部分降雨穿過樹冠直接到達(dá)地面。林木的郁閉度、降雨量和降雨強度等多種因素都可以影響冠層對降雨的截留。直接到達(dá)地面的降雨也要經(jīng)過土壤再分配，其中一部分通過徑流流失或流到其他區(qū)域，一部分入滲到土壤中補充土壤儲存水分。

1.1.2 林區(qū)地表狀態(tài)對降雨入滲的影響 林區(qū)地表土壤物理結(jié)構(gòu)和表層枯落物層都會影響地表水分的流失和入滲。林區(qū)地表枯落物是人工林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，對降雨截留、水土流失和侵蝕及抑制土壤水分蒸發(fā)等具有重要作用[5]。林區(qū)土壤表層枯枝落葉對降雨具有較強的截持能力，枯落物層對土壤水分補充具有直接影響。因此，該層物質(zhì)形態(tài)可以作為反映林區(qū)水土保持和水分涵養(yǎng)作用的重要水文指標(biāo)?？葜β淙~還可以降低地表徑流、降低土壤水分蒸發(fā)耗散、改善土壤理化性質(zhì)，從而提高降雨入滲系數(shù)，增加降雨累計入滲量[6]。反之，枯枝落葉層減少會增加裸露地表，導(dǎo)致土壤地表徑流增加，土壤孔隙度和團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，致使土壤更容易受到降雨徑流的沖蝕，抑制降雨向土壤中入滲并轉(zhuǎn)化成土壤水[7]。

1.1.3 土壤結(jié)構(gòu)對入滲水分分配的影響 土壤結(jié)構(gòu)如同水庫一樣對水分儲存狀態(tài)具有直接調(diào)節(jié)作用，其水分儲存能力受土壤厚度、土壤持水量和導(dǎo)水率等土壤結(jié)構(gòu)因子的影響[8]。降雨要進(jìn)入土壤首先要通過土壤表層，而土壤表層是實現(xiàn)土壤儲存水分功能最前沿的部分，適宜的土壤固相和氣相結(jié)構(gòu)更有助于土壤空隙中水分儲存和氣體交換。因此，要從改善土壤物理結(jié)構(gòu)、孔隙度及有機(jī)物質(zhì)含量等方面提高土壤儲水能力[9]。

1.2 土壤水分消耗

土壤水分消耗是與土壤水分補充相對應(yīng)的影響土壤水分平衡的主要因素，土壤水分平衡體系中土壤水分蒸發(fā)耗散起主導(dǎo)作用。在河西土壤荒漠化比較嚴(yán)重的林區(qū)，土壤表面徑流和滲漏發(fā)生的概率很小，在整個土壤水分循環(huán)周期中蒸發(fā)耗散是影響土壤水分消耗情況的唯一方式。在沒有植被覆蓋的區(qū)域，土壤水分不會通過植物蒸騰作用耗散，因此土壤水分總消耗量等于土壤蒸發(fā)耗水；在林區(qū)存在植被的區(qū)域土壤耗水還包括植物體蒸騰散失的部分，這部分包括林木冠層蒸騰耗散和冠層截留蒸發(fā)。綜上所述，林區(qū)水分利用系統(tǒng)中土壤消耗水分主要有林木樹冠蒸騰和截留蒸發(fā)、林下植被蒸騰耗散、土壤表層蒸發(fā)4種方式[10]。

1.3 土壤水分平衡調(diào)整

河西地區(qū)的高蒸發(fā)量致使土壤水分儲量表現(xiàn)出了顯著的空間分布格局和水分含量變化范圍。河西地區(qū)土壤水分消耗的恢復(fù)和補償主要在雨季，通過降雨入滲土壤后補償虧缺水分，雖然土壤水分儲量可以得到一定的補給，但土壤虧缺水分恢復(fù)水平和入滲土壤深度還受降雨量和降雨時間的明顯影響。河西干旱地區(qū)土壤水分補充狀況基本為周期性淋溶型，對深層地下水的影響很小，深層地下水一般不會參與土壤—植物—大氣系統(tǒng)水分循環(huán)的過程。從對一個相對較長的周期性變化和宏觀系統(tǒng)的分析可以發(fā)現(xiàn)，河西地區(qū)土壤水分平衡處于相對不穩(wěn)定的動態(tài)平衡中，人工造林區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水分平衡還需考慮林木冠層對降雨的截留作用和地表降雨徑流量，以實現(xiàn)土壤水分平衡和人工林可持續(xù)發(fā)展[11]。

2 林木耗水和土壤干燥化

退耕還林中對土壤水分的可持續(xù)利用經(jīng)常被忽視，為實現(xiàn)人工林的快速生長，盲目定植耗水量高的植物物種，導(dǎo)致在干旱區(qū)域的土壤中出現(xiàn)了干層。國內(nèi)有研究認(rèn)為黃土高原土壤干層主要是由氣候暖干化和人工造林樹種選擇不適宜造成的[12]。土壤干層主要是在大氣環(huán)境干旱和土壤水分梯度雙重作用下，以土壤水分蒸發(fā)耗散為主要特征的土壤干燥化現(xiàn)象。土壤水分蒸發(fā)活躍程度很高，降雨對土壤中水分的補充作用由于高強度的蒸發(fā)作用在短時間內(nèi)就耗盡，而且林區(qū)耐旱植物具有深根系特性，消耗了深層降雨無法有效補充深度的水分，導(dǎo)致土壤更加干燥，出現(xiàn)土壤水分負(fù)補充作用的干旱狀態(tài)，進(jìn)而形成土壤干層。

植物生長過程中大量耗水，加之降雨量不足和高土壤蒸發(fā)耗水的長期相互作用導(dǎo)致土壤干層形成。土壤干層形成后導(dǎo)致土壤水分循環(huán)從大氣—土壤—地下水轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿狻寥?，使降雨無法垂直入滲補充地下水，只能濕潤土壤表層，導(dǎo)致深層土壤水分不斷虧缺，人工林不能起到有效涵養(yǎng)水源的作用。各造林區(qū)域土壤干層的含水量、厚度及起始深度各有不同，河西地區(qū)土壤干層的平均厚度為160 cm，土壤干層起始深度可達(dá)270 cm。當(dāng)?shù)乇碇脖簧L狀況良好時土壤干層的水分含量也相對穩(wěn)定，反之當(dāng)環(huán)境氣候干燥、土壤淺層持水能力降低時土壤干層的穩(wěn)定性越強，甚至可以形成永久性土壤干層[13]。人工林區(qū)由于水分補給和耗水之間不能形成適宜的相對平衡，致使該區(qū)域林木生長的土壤水分條件不斷惡化，植物生長速率緩慢，在個別嚴(yán)重區(qū)域甚至出現(xiàn)人工林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，加劇了生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

土壤干層的形成和存在狀態(tài)對人工造林區(qū)域的建設(shè)產(chǎn)生了嚴(yán)重的不利影響，只能通過合理調(diào)整退耕還林建設(shè)思路來降低土壤干層產(chǎn)生的影響。調(diào)整人工造林密度，可降低林間土壤水分的蒸發(fā)耗散，增加降雨入滲量，使土壤水分含量得到恢復(fù)，從而緩解土壤干層抑制水分供給給林木生長發(fā)育造成的負(fù)面影響[14]。在河西干旱半干旱地區(qū)，蒸發(fā)量大于降雨量，土壤干層在自然條件下很難得到根本改善，可通過喬灌結(jié)合、合理調(diào)整各樹種的比例，有效調(diào)控土壤水分的利用和恢復(fù)[15]。河西地區(qū)大規(guī)模的退耕還林過度消耗了土壤深層水分，深層土壤水分虧缺導(dǎo)致形成了土壤干層，對人工林區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了非常不利的影響，可通過合理選擇樹種、科學(xué)確定定植密度有效改善土壤水分循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)土壤水分科學(xué)健康可持續(xù)利用。