应用生态学报 2004年3月 第15卷 第3期
CHINESEJOURNALOFAPPLIEDECOLOGY,Mar.2004,15(3)∶436～442
陕北黄土高原土壤干层的分布和分异特征
王 力
2
1,333
3
邵明安 张青峰
1,23
(1中国科学院水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌712100;
中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;3西北农林科技大学资源与环境学院,杨凌712100)
【摘要】 以人工刺槐林为研究对象,经大量野外调查和数据分析,研究了陕北黄土高原土壤干层的分布状
况和分异特征.结果表明,土壤干层在陕北黄土高原从南到北大范围内普遍分布,根据干化程度可分为4个类型区:1)以宜君为代表的高原沟壑区南部;2)以富县、黄陵为代表的高原沟壑区北部;3)范围较广的丘陵沟壑区,该区又可分为南、西、北3个小区,南区以延安、延长为代表;西区以吴旗、安塞为代表;北区以绥德、米脂为代表;4)以神木为代表的风沙区.受降雨量的影响,土壤干化程度具有明显的水平分异规律,即随着降雨量从南到北的减少,干化程度亦随之加重;受海拔高度、降雨入渗能力的影响,土壤干化程度在小范围的山地呈现明显的垂直分异规律,海拔愈高,干化程度愈严重;因土地类型的不同,土壤干化程度在局地空间上呈现明显的分异规律.
关键词 土壤干层 土壤水分 陕北黄土高原 刺槐 分布文章编号 1001-9332(2004)03-0436-07 中图分类号 S154.1 文献标识码 A
DistributionandcharactersofsoildrylayerinnorthShaanxiLoessPlateau.WANGLi1,3,SHAOMing’an1,2,ZHANGQingfeng3(1StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,Insti2tuteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling712100,China;2InstituteofGeo2graphicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China;3
CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestSci2TechUniversityofAgricultureandForestry,Yangling712100,China).2Chin.J.Appl.Ecol.,2004,15(3):436～442.
BasedonawholesurveyanddetailedanalysisinartificialRobinniapseudoscaciaforestland,distributionandchar2actersofdrylayerinsoilwerestudiedinnorthShaanxiLoessPlatea.TheresultsshowedthatsoildrylayerwasdistributeduniversallyfromsouthtonorthinLoessPlateau,whichcanbeclassifiedintofourzonesaccordingtothedryness:1)InsoutherngullyzonerepresentedbyZiwuRidgeandHuanglongMoutaininYijunCounty,thesoildrylayerwasgentle,soiftheappropriatemeasuresweretakenandwater2savingfacilitywereavailableorinwater2abundantyear,theshortageofsoilwatercoullbealleviated;2)InnortherngullyzonerepresentedbyFuxi2anandHuanglingCounty,lightsoildrylayeroccursandwasgettingworseandweshouldpaycloseattentiontothis;3)Inthelargehillandgullyzone,seriousdrylayerappears,itcoullbesubdividedintosouth,westandnorthplots.InsouthplotrepresentedbyYananandYanchangCountythedrylayerwasmoderate;inwestrepresentedbyWuqiandAnsaiCountythedrylayerwassevere;innorthrepresentedbySuideandMizhiCountythedrylay2erwasdisastrous;4)InthewindysandzonerepresentedbyShenmuCounty,sincetheprecipitationdecreaseddrasticallyandseriouslysandy,verygravesoildesiccationappeared.Also,soildrynessshowedapparenthorizontaldifferenceswithrainfallandtheapparentverticalgradientinsmallhillarea.
Keywords Soildrylayer,Soilmoisture,NorthShaanxiLoessPlateau,Robinniapseudoscacia,Distribution.
1 引 言
土壤干化现象最早发现于20世纪60年代[8],至80年代,黄土高原人工林草地普遍出现土壤干化
现象,而且越来越严重,干层厚度不断加深,从最初的2m发展到10m深左右.陕北半干旱区飞播沙打旺草地6～7年生沙打旺的强烈耗水层达8～10m左右,土壤水分出现极度负补偿状况[3].林草植被和土壤的退化伴随着干层厚度的加深,形成大面积的低效低产林,由此引起了人们的关注.许多学者先后调查研究了黄土高原典型林草植被下因土壤水分
亏缺而形成的干化层[1,2,4,7,9～11,13～15],提出了初步的防治对策.但总的来说,土壤干层的研究尚不深入,许多关键的问题远没有得到研究和解决,研究尺度也仅限于某些局部小范围地区,对黄土高原地区范围内土壤干层的分布和严重程度等没有一个清晰的图象,因而不能对干层的研究进行系统化.刺槐在陕北黄土高原广泛分布,是唯一南北都有生长的树
3国家重点基础研究发展规划项目(G2000018605)、国家自然科学基金重点项目(30230290)和博士后基金资助项目.33通讯联系人.
2003-03-24收稿,2003-11-15接受.
3期 王 力等:陕北黄土高原土壤干层的分布和分异特征 437
种,面积大,种类齐全.为此,在大量野外调查基础上,以刺槐(Robinniapseudoscacia)为研究对象,对比分析陕北黄土高原从南到北的土壤水分亏缺状况,以从整体上查明陕北黄土高原土壤干化问题的严重程度和分布规律,为今后干层的深入研究提供科学依据.
2 研究地区与研究方法
211 研究地区概况
以合理和适当的节水整地措施或遇丰水年,干化现
象可以得到缓解.继续往北的黄陵、富县为高原沟壑区北部,亦为渭北旱原的一部分,位于宜君的北部,地貌和生态特征上以高原沟壑为主兼有部分破碎塬地.由于降雨量减少,与宜君相比,黄陵和富县的土壤水分亏缺较为严重,相应也出现了较为严重的干化层.此外,还包括旬邑、宜川、韩城等12个县,作为陕北黄土高原的南缘,降雨量相对较高,森林覆盖率也较高,在植被类型划分上属于森林带,土壤水分条件相对较好,但也出现一定程度的土壤干化现象,且表现为愈往西北愈严重的特点.延安、安塞、吴旗、绥德、米脂属于丘陵沟壑区,区内沟壑纵横,林草的覆盖稀少,土壤抗侵蚀力差,加之暴雨频繁,形成了极为严重的水土流失,是入黄泥沙的主要来源区.为此,该区土壤水分亏缺十分严重,有些地方林草地土壤含水量经常性的处于低水平状态,甚至达到凋萎湿度以下,形成了极为严重的干化层.根据侵蚀程度,陕北丘陵沟壑区可分为南、西、北三区,其土壤水分亏缺状况有一定差异.南部土地受侵蚀程度相对较轻,以梁峁状丘陵为主,间有宽平谷地和残塬的地区,包括延川、延长全部,延安的大部和宜川、安塞的一部分,土地面积占全区的2212%,年均降雨量约500mm,土壤水分亏缺较西、北二区程度要略轻.西区大致为1400m海拔高程与其它两区分界,是地势高、气候冷凉的地区,为梁状丘陵,梁大沟深,包括吴旗全部和志丹、安塞、定边、靖边大部或一部分,土地面积占全区3715%,年均降雨量约480mm,土壤水分亏缺程度高于南区,低于北区.北区是水蚀最为严重、地形最为破碎的地区,包括绥德、米脂、吴堡、子洲、清涧、子长的全部和佳县、神木、府谷、榆林、横山的大部或一部分,土地面积占全区的4013%,土壤水分亏缺最为严重,形成的土壤干化层也最为历害,严重地影响了当地林草植被的生存和发展.继续往北为风沙区,主要为长城以北的大部分地区,毛乌素沙地的东南缘,包括靖边、横山、榆林、神木的大部或一部分.该区为水蚀和风蚀的交错带,土地沙化严重,水分亏缺极为严重,土壤干化极大地限制了林草植被的生存,是陕北黄土高原生态环境最为恶劣的地区.312 土壤干层的分布特征及地带性规律31211水平分布状况 黄土高原地处我国湿润向西北干旱区的过渡地带,属于半干旱半湿润区.该区降雨量偏少,地表水资源贫乏,大部分地区以雨养农业为主,因此降雨量成为影响本区农林牧业发展最为
研究范围为陕北黄土高原,位于我国黄土高原的中部
(34°45′～39°40′N,107°28′～111°15′E),总面积约1010×104km.本区地处中纬度内陆,具有大陆季风气候特点.区内的
2
北部和西北部属半干旱季风气候类型,中南部属暖温带半干旱季风气候类型.地势西北高,东南低,北部为风沙、滩地,中部为陕北黄土丘陵沟壑区,南部为渭北高原沟壑区,海拔
800～1500m.温度和降雨量从东南到西北递减,具有明显
的地域性差异.东南部年均气温815～12℃,≥10℃年积温
3000～4000℃,无霜期150～210d,年平均降雨量500～650mm.西北部气温干燥,年平均气温7～9℃,≥10℃年积
温1800～3400℃,无霜期110～170d,年平均降雨量350～500mm.
212 研究方法
21211标准地调查 调查人工刺槐林标准地位置、地形、地
貌、植被组成、群落类型等;按群落常规调查法进行各株树胸径、树高等指标的记测,并对平均标准木作树干解析.
21212土壤水分测定 在标准地内用打土钻法进行取样,测
定人工刺槐林地的土壤水分含量,取样深度为5m,取样时间为1999年6月和10月,是一年中土壤水分变化最为活跃的时期.土壤水分含量的测定用105℃烘干法,0～100cm以10cm为一个层次,100～500cm以20cm为一个层次,共
30个层次.
3 结果与分析
311 土壤干层的分布范围
调查研究表明,陕北黄土高原的土壤水分生态环境整体处于亏缺状态,从南部的森林带到北部的草原带,都有严重程度不一的水分亏缺现象,土壤干层的存在比较普遍.本次调查的南端宜君(表1、2)属于高原沟壑区南部,位于渭北旱原北部,大部分是黄土覆盖的土石山地,林草资源丰富,梢林密布,林地覆盖率达59%,对涵养水源有重要作用.受地形和森林覆盖的影响,年降雨量较多,年均达71015mm.在降雨量较充分条件下,宜君土壤水分维持在
较高水平,基本没有形成亏缺;仅在一些立地条件较差的梁峁坡地形成了轻微的水分不足现象,且大多出现在浅层土壤,形成了临时性轻度干化层,如果辅
438
表1 部分典型样地不同层次土壤平均含水量(%)
应 用 生 态 学 报 15卷
Table1Averagesoilmoistureofdifferentlayersinsometypicalsamplesites
含水量Soilmoisture(%)PlacesSlope[***********][***********]000500宜君县城边Yijun东南坡Southeast[***********][***********]2191
西北坡Northwest[***********][***********]4158
黄陵桥山Huangling东坡East[***********][**************]
西坡West[***********][**************]1
富县任家台Fucounty南坡South[***********][1**********]158
北坡North[***********][**************]0
[***********][***********]9西坡West3
[***********][***********]南坡South3
延安小崂山Yan′an东坡East[***********][1**********]105
西坡West[***********][***********]169
安塞寺腰险Ansai南坡South[***********][1**********]134
北坡North[***********][1**********]181
吴旗铁边城Wuqi南坡South[***********][1**********]171
北坡North[***********][1**********]174
绥德辛店沟Suide南坡South[***********][1**********]181
北坡North[***********][1**********]134
米脂高西沟Mizhi南坡South[***********][1**********]169
北坡North[***********][1**********]187
33
靖边万亩林Jingbian[***********][1**********]135南坡South
33
[***********][**************]98北坡North
神木六道沟Shenmu南坡South[***********][1**********]143
3天然辽东栎林地TheforestlandofnaturalQuercusliaotungensis;33人工柠条林地TheforestlandofmanmadeCaraganaFabr.;其余为人工刺槐林地TherestaretheforestlandofmanmadeRobinniapseudoscacia.地名
坡向
表2 陕北黄土高原各区域概况及土壤干化程度
Table2DegreeofsoildesiccationandconditionsoftheallareasinLoessPlateauofnorthShaanxi
区类
Typesofarea
范围
Scope
地貌特征
Charactersof
physiognomy
海拔
Elevation
极端最低>10℃积温年均降雨量
Average温度(℃)AccumulatedAveragetemperatureLowesttemperatureprecipitation(℃)(mm)temperature
710～917-(2110～2613)2500～2922
606～730
年均气温年日照
Annual
sunshine(h)2383～2473
无霜期
Freeoffrost(d)140～197
沟壑密度
Gullydenisity(km・km-2)
-
侵蚀模数
Erosionindex
(t・km-2・-1-
高原沟壑区
Gullyarea
宜君Yijun
丘陵沟壑区
Gullyandhillyarea
风沙区
Sandyarea
宜君、韩城的大部分地属梢林覆盖的土石区,及富县、黄陵、铜川、山地白水、旬邑、淳化、耀县的部分地区
富县、黄陵黄陵、富县、洛川、甘泉的除有部分梢林覆盖Fuxian,Huangling大部,宜川、宜君的一部的土石山地外,主要
分为高原沟壑区,兼有
部分破碎塬地
南区South延川、延长全部,延安的为梁峁状丘陵,南部
大部和宜川、安塞县的部有破碎的残塬,延河分,土地面积占全区的入黄处地势低下2212%
西区West吴旗全部和志丹、安塞、区内梁峁状丘陵为
定边、靖边大部或部分,主,坡缓谷宽,北部土地面积占全区3715%梁高沟深,梁间地多
为涧地
北区North绥德、米脂、吴堡、子洲、西北高,东南低,峁
清涧、子长的全部和佳状丘陵为主,峁多梁县、神木、府谷、榆林、横窄,至黄河沿岸为狭山的大部或部分,土地面谷丘陵积占全区的4013%
长城以北的大部分地区,以沙地、沙丘为主,为毛乌素沙地的东南缘,间有草滩地包括靖边、横山、榆林、神木的大部或部分
990～1800
840～1500818～912-(2210～2517)2960～3007623～6452487～2521169～183--
500～1400913～1010-25143207～3405572～5962445～2465143～1952～55000～10000
800～1800718～810-28112837～2950514～5572342～2821145～1643～510000～15000
570～1400910～916-32172855～3458493～5032608～3424151～1825～710000～30000
--------
500～15000(风蚀Winderosion)
主要的气候因子.受降雨量分布的影响,土壤水分状况具有明显的水平分布[12]和垂直分布特征.土壤干层在本区随经纬度变化其干化程度呈现较明显的水平地带性规律.黄土区土壤水分含量受气候、土壤、植被、地形及时间等因素的强烈影响,其土壤干化程度的分布规律与上述因素密切相关.需要特别指出的是,黄土高原土壤水分的分布在地带性尺度上,只有水平地带性,而没有垂直地带性,其海拔高程不足以形成垂直方向上的地带性差异.
此外,由于黄土高原水土流失严重,地形被切割的支离破碎,沟壑纵横(沟长≥250mm的沟壑密度高达215～413km・km-2),坡地多(坡度≥5°的坡蒂占80%)[5,6],土地类型复杂多样,土壤水分状况局地差异明显,因而土壤干化程度也有明显差异,即存在局地空间上的分异.
陕北黄土高原的降雨量随纬度具有明显的变化
规律,一般来说,从南到北随纬度的增加,降雨量渐趋减少.受此影响,土壤水分状况渐趋恶化,表现出明显的地带性变化规律.对陕北黄土高原从南到北9个代表性样点的实地调查表明,不论是农地、草地或是林地,土壤水分状况的表层或深层储水都表现为渐次减少的趋势,即土壤的干化程度逐渐严重,干层厚度逐渐加深
.
出以下特征:1)年均降水的绝对量值较小.黄土高原属典型的大陆性季风气候,由于极地大陆气团非常干燥且稳定,造成黄土高原冬季寒冷干燥,降水稀少.春季由于冬季风衰退,而较弱的太平洋暖湿气流难以影响黄土高原,加之因冬季极地大陆气团长期控制的影响,造成大气和土壤干旱明显,春旱现象严重.夏季黄土高原近地面处于大陆热低压槽的前部,而高空则在副热带高压的影响和控制下,盛行太平洋热带海洋气团,湿度较大,成为黄土高原降水的主要来源,因而暖湿空气经冷空气的激发作用形成大面积降水.秋季暖湿的海洋气团南退,冷空气推进到黄土高原,但因南退的暖湿海洋性气团受秦岭阻隔,而变性大陆性气团侵入很快,结果形成较多的锋面降水.总的来说,黄土高原的年均降水量较低.按照以年降水400mm划分干旱与半干旱区的标准,黄土高原属于典型的从干旱区向半干旱区、半湿润区的过渡区域(表3).
2)年均降水量按照西南2东北走向自东南向西北逐渐递减.由于小气候的影响,降水的趋势线与地形、植被等下垫面条件表现一致.在土石山区,南部子午岭、黄龙山等地,由于森林山地的水文效应,局部降水较多.
3)年内分配极不均一.黄土高原一年之中的降水通常始于3月,至6月下旬得到加强,主要集中在7～9月,降水总量约占全年降水量的60%～80%(表4).而冬季降水一般只占全年降水的5%左右.同时,南北部各季节的降水量在全年降水中的所占的比重也有所不同. 4)年际变化较大.由于季风的影响,黄土高原的降水变率较大,年相对变率平均在20～30%,季节降水的相对变率则多达50～90%.4～6月降水的不稳定程度一般都大于4～9月.丰水年的降水量往往是枯水年的几倍,甚至十几倍(表5).总的来说,降
图1 陕北黄土高原(从南到北)人工刺槐林地(a)和农田(b)的土壤水分状况(平均)
Fig.1SoilmoistureofartificialRobinniapseudoscaciaforestland(a)andfarmland(b)inthetypicalsamplesitesofnorthShaanxiLoessPlateau(average)1
A:宜君Yijun;B:黄陵Huangling;C:富县Fuxian;D:延安南SouthYanan;E:延安北NorthYanan;F:寺腰险Shiyaoxian;G:安塞Ansai;H:吴旗Wuqi;I:绥德Suide;J:米脂Mizhi11)0～100cm;2)100～200cm;3)200～500cm.
由图1可以看出,人工刺槐林地土壤含水量从南到北呈明显降低,土壤水分状况渐趋恶化.以延安为界,延安以北土壤水分状况极度恶化,土壤表层贮水接近甚至低于凋萎湿度;而深层贮水也不容乐观,严重危胁到植物的生存和生长.这一规律与降雨量从南到北的变化规律一致,从宜君到米脂,降雨量依次从71015mm减少到48712mm(表3).
通常,黄土高原年均降水量在时空分布上呈现
表3 陕北黄土高原部分地区的年均降水量
宜君
Yijun
黄陵
Huangling58016
富县
Fuxian57617
延安南
54919
延安北
54919
安塞
Ansai49214
吴旗
Wuqi49513
绥德
Suide48712
米脂
Mizhi45017
SouthYananNorthYanan
年均降雨量(mm)
71015
表4 绥德等三县年降雨量分配
地点
Places
年降雨量
5～9月May～Sptember5～6月May～June
Precipitation(mm)Percentage(%)
[***********]8
7～8月July～August
Precipitation(mm)Percentage(%)
[***********]233134514
绥德Suide
延安Yanan吴旗Wuqi
Annualprecipitation降雨量占全年
(mm)Precipitation(mm)Percentage(%)[***********][1**********]1
降雨量占全年降雨量占全年
水的年变幅为西北部大于东南部,而且降水越少的
地区其降水量的年际变化也越大.
表5 绥德等三县年降雨量极差
Table5Maximumdifferenceofannualprecipitationaboutthreecounties
地点
Place
年最大降雨量(mm)年最小降雨量(mm)相差倍数
HighestprecipitationLowestprecipitationDifference
27916
[***********]113绥德Suide延安Yanan直接影响到土壤水分的高低;降雨特征也直接决定了土壤水分的利用程度.因此,陕北黄土高原降水的时空特点对土壤水分的亏缺程度有明显的决定作用.主要表现为:1)在年降雨量绝对值低的前提下,土壤水分生态条件整体处于亏缺状态,土壤干层的出现就是这一问题的直接反映;2)降雨的不规则性导致水土流失加剧,干旱问题趋于严重,植被耗水得不到有效补偿,土壤储水恶化,最终形成了土壤水分较难恢复的干化层;3)降雨量的地带性变化规律明显影响了土壤水分状况的变化.不论是林地、农地(图2和表7)或是草地(表8),土壤水分状况不管是表层还是深层储水,都表现为随降雨量减少渐次减少的趋势,即从东南到西北,降雨量渐次降低,土壤的干化程度逐渐严重,干层厚度逐渐加深.31212坡面的垂直分异状况 陕北黄土高原大区范围内的降雨量随海拔高度变化的关系较为复杂.但对于小范围内的山地而言,由于受入渗能力、土壤持水性能等多种因素的影响,土壤水分状况基本表现为随着高度的增加而逐渐恶化趋势.由表9可以看出,在其它条件相似情况下,一个坡面上土壤水分从上到下依次减少,特别是0～100cm内的浅层贮水,坡下部的土壤含水量比坡上部的含水量多出近4%,0～500cm内的贮水也多出了近112%,说明坡下部的土壤水分状况整体好于坡上部.这主要是因
5)降水集中,多暴雨,强度大.黄土高原的降水在总量较小、时间分配不均的状况下,多以高强度暴雨的形式出现(表6).据记载,榆林、兰州等地最大月降水量超过200mm,占年均降水量的70%以上.至于短时期最大降水问题更加突出.特大暴雨的出现,无论是出现的时间还是出现的地点,均纯属一种偶然现象,极难预测.降水强度还反映在降水日数和连续无降水日数上.黄土高原多数地方的降水日数均不足100d,而连续无降水日数各地则均较长.
表6 绥德等三县一日最大降雨量及出现日期
Table6Maximumprecipitationofadayanditsdateaboutthreecoun2地点
Place
一日最大降雨量(mm)
Highestprecipitationofaday
[1**********]10
出现日期
Date[***********]95818111
绥德Suide延安Yanan吴旗Wuqi
由于黄土高原特殊的气候条件,降雨量的多少
表7 陕北黄土高原几个代表性样点农田的土壤含水量
Table7SoilmoistureoffarmlandinsomesamplessitesofnorthShaanxiLoessPlateau
土层深度
0～100100～200200～500Soildepth(cm)
宜君
Yijun[**************]黄陵
Huangling[**************]富县
Fuxian[**************]延安南
[1**********]155延安北
[1**********]8安塞
Ansai[1**********]4吴旗
Wuqi[1**********]3绥德
Suide[1**********]4米脂
Mizhi[1**********]5SouthofYananNorthofYanan
表8 黄土高原各样地荒草坡土壤水分状况
Table8SoilmoistureofundisturbedgrasslandinsomesamplessitesofnorthShaanxiLoessPlateau
较之中部和上部要轻得多.
表9 延安试区一个剖面的土壤含水量
Table9SoilmoistureofaslopelandinYanan
地点
Place
)经度(°Longitude3516
[***********][1**********]718
)纬度(°Latitude[***********][***********]101410817
土壤含水量(%)
Soilmoisture
[***********][1**********]5
坡位
Locationofslope
0～100cm100～200cm200～500cm0～500cm[1**********]129
[1**********]2
[1**********]0
[1**********]6
宜君城北Yijun黄陵城南Huangling富县子午岭Fuxian延安小崂山Yanan吴旗铁边城Wuqi安塞实验站Ansai绥德辛店沟Suide米脂高西沟Mizhi靖边新农村Jingbian
坡上部Up坡中部Middle坡下部Down
31213土壤干层在局地空间上的分异 土壤干层在
局地空间上的分异主要是指土壤干化程度在同一地区因土地类型不同而产生变化的现象.黄土高原因其严重的水土流失,地形被切割的支离破碎,在同一地区往往呈现复杂多样的土地类型,土壤水分状况也因之而发生了明显的差异.
陕北黄土高原的土地类型主要有梁峁地(坡
为在其它条件相似的情况下,坡下部的入渗要好于坡中部和坡上部1一般而言,下部汇集了更多的径流,形成了相对较好的土壤贮水,因而土壤干化程度
地)、梯田、塌地、沟掌地、坝地、沟阶地、川滩地以及涧地等,不同的土地类型,土壤水分状况有较大差异.
1)梁峁地(坡地):梁峁地是黄土高原最为普遍的一种土地类型,特别是在黄土高原丘陵沟壑区约50%～60%的土地属于该类型.梁峁地位于沟缘线
1115×105hm2,占全县总面积的23%.海拔1300～1600m,相对切割深度100～200m,地表为厚层黄
之上,是坡耕地的集中分布地.一般来说,梁峁地土
壤水分条件较差,是水分亏缺较为严重的土地类型,也是形成土壤干化层集中的地类.黄土高原的梁峁地坡度较陡,加之该区降雨集中,且多以暴雨的形式出现,导致了极为严重的水土流失,从而形成了梁峁地土壤水分生态条件较差的现状.在目前黄土高原的生态环境治理中,最为重要的就是梁峁地;梁峁地植被能否改善,生态环境能否恢复,是成败的关键.多年的经验表明,梁峁地不适宜农业耕作和种植耗水性较强的乔灌木,在植被恢复过程中不应过分地追求经济效益,而应以发展生态效益明显的永久性草地或灌木能源林.根据杨文治[13]研究,峁顶的土壤水分条件差于峁坡,原因是峁顶处于地形的最高部位,风力较强,土壤蒸发强烈,造成了水分的大量蒸散.但本研究则相反,特别是有一定植被覆盖的条件下,峁顶水分条件有时优于峁坡,可能是顶部汇集了更多径流,而峁坡(特别是坡上部)降雨入渗较少,从而导致水分含量较低.
2)梯田:梯田是黄土高原水土流失治理中广泛采用的一项主要工程措施,主要是通过降低地面坡度,改变小地形,达到蓄积雨水、增加入渗、提高土壤水分储量和利用效率,进而提高植物生产力的目的.在一般情况下,梯田的水分状况要比梁峁地优越得多,作物产量也有明显的提高.据调查,梯田地土壤水分亦有一定程度的亏缺,并形成了土壤干化层,与梁峁地相比程度较轻,但仍应引起足够的重视.
3)涧地:涧地是陕北黄土高原靖边县的一种土地类型,也是当地的主要农业用地.靖边县地貌类型较为特殊,其南部属于丘陵沟壑区,北部属于风沙滩地区,中间部分即为较平坦的梁峁涧地区.梁峁涧地区主要分布在白于山以北、榆定公路以南一带,约为
表10 柠条林地土壤水分状况对比
土及更新世洪积、坡积、冲积物覆盖,基底为白垩系
砂页岩,出露较少.地表形态以黄土梁峁为主,梁缓涧宽,梁涧相当.在较为平缓的梁峁之间,发育有平坦的封闭或半封闭的开阔谷地,即称为涧地.一般宽300～1000m,长约2000～20000m,地面比降仅有1%～5%,多沿谷地向下缓倾.其中最大的为三岔乡至王渠子乡的20km长涧,面积达1411km2.目前,涧地多被现代河谷分割,形成20～30m宽的冲沟,成为破涧.一般涧地的沟壑密度为115～5km・km-2.由于涧地地势平缓,土质较好,土壤水分条件亦优于梁峁地以及南部的丘陵沟壑区和北部的风沙滩地区,因此人为活动强烈.据记载,涧地在历史上曾有较好的植被分布,但在近代因过量垦植,植被遭到严重的破坏,到20世纪60～70年代,出现了土地沙化现象,目前已较为严重.在植被类型划分上,靖边属干草原地带的南界,一般来说,其水分状况较差,土壤水分含量的绝对水平较低,不适宜乔灌木生长;但涧地土壤水分生态条件有明显不同于草原带的特征,近年来在靖边县城周边营造了大面积的乔灌林(如万亩林),取得了一定的成就,说明涧地的水分条件优于其它类型区.本次调查发现,靖边涧地柠条(Caraganakorshinskii)林地土壤水分含量甚至高于米脂、安塞等地柠条林梁峁坡地的水分含量(表10),原因可能就在于此.
4)沟阶地:沟阶地是黄土丘陵区沟底一种窄梯田,其土壤水分的收入和支出受降雨和侧渗的影响明显.其收入项除就地降雨之外还有坡面径流入渗和土壤内侧流量补充,但由于侧面蒸发强烈,其土壤含水量比坡地和梁地仅高1%～2%,仍有程度不轻的亏缺量,50cm以下形成了严重程度不一的干化层[13].因此提出的改造办法是加大梯田宽度,以减小侧面蒸发. 5)塌地、沟掌地、坝地、川滩地:土壤水分条件都较好,大都处田间持水量的75%以上,有的甚至常维持在田间持水量左右的水平[13].如果以田间稳定
Table10ComparisonofCaraganakorshinskiiforestlandsinthreesamplesites
地名
Name
坡向
Slope
坡度
Gradient25°23°4°地类
Type
米脂Mizhi安塞Annsai靖边Jingbian
西坡West南坡South南坡South梁峁地Slopeland梁峁地Slopeland涧 地Gullland0～50
[1**********]5土层深度Soildepth(cm)/含水量Soilmoisture(%)
50～100100～150150～200200～300300～400400～5000～[***********][***********][***********][***********][**************]
Theinitialresearchon“soildriedlayer”ofartificialforestlandand
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持水量(一般相当于田间持水量的60%)作为参考标准,土壤水分基本没有亏缺,因此没有土壤干化层存在.例如,分布于沟头的沟掌地,1m土层的土壤自然湿度约相当于田间持水量的75%～80%,高于田间稳定持水量,土壤水分没有亏缺,亦没有形成土壤干化层.4 结 论
411 土壤干层在黄土高原从南到北大范围内普遍分布,根据干化程度可分为4个类型区:1)以宜君为
代表的高原沟壑区南部,土壤干化程度轻微,如遇丰水年或辅以适当的整地节水措施,土壤水分亏缺可以得到有效缓解;2)以富县、黄陵为代表的高原沟壑区北部,出现轻度干化层,有的地方较为严重,并有继续恶化的趋势;3)范围较广的丘陵沟壑区,出现程度严重的土壤干化层,该区又可分为南、西、北3个小区域,南区以延安、延长为代表,土壤干化程度为中度;西区以吴旗、安塞为代表,土壤干化程度严重;北区以绥德、米脂为代表,土壤干化程度极为严重;4)以神木为代表的风沙区,由于降雨量的急剧减少,沙化严重,土壤水分亏缺十分历害,出现了极为严重的土壤干化现象.412 受降雨量的影响,土壤干化程度呈现明显的水平分异规律;受海拔高度、降雨入渗能力的影响.土壤干化程度在小范围的山地呈现明显的垂直分异规律,一般来说,海拔愈高,干化程度愈严重.413 因土地类型不同,土壤干化程度在局地空间上呈现明显的分异规律.在黄土高原的各种土地类型中,梁峁地的土壤干化程度最为严重,是黄土高原生态环境治理和恢复的重点.
参考文献
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作者简介 王 力,男,1973年生,博士,助理研究员,主要从事土壤水分和植被生长方面的研究,发表论文10余篇.E2mail:wangli5208@sina.com
应用生态学报 2004年3月 第15卷 第3期
CHINESEJOURNALOFAPPLIEDECOLOGY,Mar.2004,15(3)∶436～442
陕北黄土高原土壤干层的分布和分异特征
王 力
2
1,333
3
邵明安 张青峰
1,23
(1中国科学院水土保持研究所,黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌712100;
中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;3西北农林科技大学资源与环境学院,杨凌712100)
【摘要】 以人工刺槐林为研究对象,经大量野外调查和数据分析,研究了陕北黄土高原土壤干层的分布状
况和分异特征.结果表明,土壤干层在陕北黄土高原从南到北大范围内普遍分布,根据干化程度可分为4个类型区:1)以宜君为代表的高原沟壑区南部;2)以富县、黄陵为代表的高原沟壑区北部;3)范围较广的丘陵沟壑区,该区又可分为南、西、北3个小区,南区以延安、延长为代表;西区以吴旗、安塞为代表;北区以绥德、米脂为代表;4)以神木为代表的风沙区.受降雨量的影响,土壤干化程度具有明显的水平分异规律,即随着降雨量从南到北的减少,干化程度亦随之加重;受海拔高度、降雨入渗能力的影响,土壤干化程度在小范围的山地呈现明显的垂直分异规律,海拔愈高,干化程度愈严重;因土地类型的不同,土壤干化程度在局地空间上呈现明显的分异规律.
关键词 土壤干层 土壤水分 陕北黄土高原 刺槐 分布文章编号 1001-9332(2004)03-0436-07 中图分类号 S154.1 文献标识码 A
DistributionandcharactersofsoildrylayerinnorthShaanxiLoessPlateau.WANGLi1,3,SHAOMing’an1,2,ZHANGQingfeng3(1StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,Insti2tuteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciences,Yangling712100,China;2InstituteofGeo2graphicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China;3
CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestSci2TechUniversityofAgricultureandForestry,Yangling712100,China).2Chin.J.Appl.Ecol.,2004,15(3):436～442.
BasedonawholesurveyanddetailedanalysisinartificialRobinniapseudoscaciaforestland,distributionandchar2actersofdrylayerinsoilwerestudiedinnorthShaanxiLoessPlatea.TheresultsshowedthatsoildrylayerwasdistributeduniversallyfromsouthtonorthinLoessPlateau,whichcanbeclassifiedintofourzonesaccordingtothedryness:1)InsoutherngullyzonerepresentedbyZiwuRidgeandHuanglongMoutaininYijunCounty,thesoildrylayerwasgentle,soiftheappropriatemeasuresweretakenandwater2savingfacilitywereavailableorinwater2abundantyear,theshortageofsoilwatercoullbealleviated;2)InnortherngullyzonerepresentedbyFuxi2anandHuanglingCounty,lightsoildrylayeroccursandwasgettingworseandweshouldpaycloseattentiontothis;3)Inthelargehillandgullyzone,seriousdrylayerappears,itcoullbesubdividedintosouth,westandnorthplots.InsouthplotrepresentedbyYananandYanchangCountythedrylayerwasmoderate;inwestrepresentedbyWuqiandAnsaiCountythedrylayerwassevere;innorthrepresentedbySuideandMizhiCountythedrylay2erwasdisastrous;4)InthewindysandzonerepresentedbyShenmuCounty,sincetheprecipitationdecreaseddrasticallyandseriouslysandy,verygravesoildesiccationappeared.Also,soildrynessshowedapparenthorizontaldifferenceswithrainfallandtheapparentverticalgradientinsmallhillarea.
Keywords Soildrylayer,Soilmoisture,NorthShaanxiLoessPlateau,Robinniapseudoscacia,Distribution.
1 引 言
土壤干化现象最早发现于20世纪60年代[8],至80年代,黄土高原人工林草地普遍出现土壤干化
现象,而且越来越严重,干层厚度不断加深,从最初的2m发展到10m深左右.陕北半干旱区飞播沙打旺草地6～7年生沙打旺的强烈耗水层达8～10m左右,土壤水分出现极度负补偿状况[3].林草植被和土壤的退化伴随着干层厚度的加深,形成大面积的低效低产林,由此引起了人们的关注.许多学者先后调查研究了黄土高原典型林草植被下因土壤水分
亏缺而形成的干化层[1,2,4,7,9～11,13～15],提出了初步的防治对策.但总的来说,土壤干层的研究尚不深入,许多关键的问题远没有得到研究和解决,研究尺度也仅限于某些局部小范围地区,对黄土高原地区范围内土壤干层的分布和严重程度等没有一个清晰的图象,因而不能对干层的研究进行系统化.刺槐在陕北黄土高原广泛分布,是唯一南北都有生长的树
3国家重点基础研究发展规划项目(G2000018605)、国家自然科学基金重点项目(30230290)和博士后基金资助项目.33通讯联系人.
2003-03-24收稿,2003-11-15接受.
3期 王 力等:陕北黄土高原土壤干层的分布和分异特征 437
种,面积大,种类齐全.为此,在大量野外调查基础上,以刺槐(Robinniapseudoscacia)为研究对象,对比分析陕北黄土高原从南到北的土壤水分亏缺状况,以从整体上查明陕北黄土高原土壤干化问题的严重程度和分布规律,为今后干层的深入研究提供科学依据.
2 研究地区与研究方法
211 研究地区概况
以合理和适当的节水整地措施或遇丰水年,干化现
象可以得到缓解.继续往北的黄陵、富县为高原沟壑区北部,亦为渭北旱原的一部分,位于宜君的北部,地貌和生态特征上以高原沟壑为主兼有部分破碎塬地.由于降雨量减少,与宜君相比,黄陵和富县的土壤水分亏缺较为严重,相应也出现了较为严重的干化层.此外,还包括旬邑、宜川、韩城等12个县,作为陕北黄土高原的南缘,降雨量相对较高,森林覆盖率也较高,在植被类型划分上属于森林带,土壤水分条件相对较好,但也出现一定程度的土壤干化现象,且表现为愈往西北愈严重的特点.延安、安塞、吴旗、绥德、米脂属于丘陵沟壑区,区内沟壑纵横,林草的覆盖稀少,土壤抗侵蚀力差,加之暴雨频繁,形成了极为严重的水土流失,是入黄泥沙的主要来源区.为此,该区土壤水分亏缺十分严重,有些地方林草地土壤含水量经常性的处于低水平状态,甚至达到凋萎湿度以下,形成了极为严重的干化层.根据侵蚀程度,陕北丘陵沟壑区可分为南、西、北三区,其土壤水分亏缺状况有一定差异.南部土地受侵蚀程度相对较轻,以梁峁状丘陵为主,间有宽平谷地和残塬的地区,包括延川、延长全部,延安的大部和宜川、安塞的一部分,土地面积占全区的2212%,年均降雨量约500mm,土壤水分亏缺较西、北二区程度要略轻.西区大致为1400m海拔高程与其它两区分界,是地势高、气候冷凉的地区,为梁状丘陵,梁大沟深,包括吴旗全部和志丹、安塞、定边、靖边大部或一部分,土地面积占全区3715%,年均降雨量约480mm,土壤水分亏缺程度高于南区,低于北区.北区是水蚀最为严重、地形最为破碎的地区,包括绥德、米脂、吴堡、子洲、清涧、子长的全部和佳县、神木、府谷、榆林、横山的大部或一部分,土地面积占全区的4013%,土壤水分亏缺最为严重,形成的土壤干化层也最为历害,严重地影响了当地林草植被的生存和发展.继续往北为风沙区,主要为长城以北的大部分地区,毛乌素沙地的东南缘,包括靖边、横山、榆林、神木的大部或一部分.该区为水蚀和风蚀的交错带,土地沙化严重,水分亏缺极为严重,土壤干化极大地限制了林草植被的生存,是陕北黄土高原生态环境最为恶劣的地区.312 土壤干层的分布特征及地带性规律31211水平分布状况 黄土高原地处我国湿润向西北干旱区的过渡地带,属于半干旱半湿润区.该区降雨量偏少,地表水资源贫乏,大部分地区以雨养农业为主,因此降雨量成为影响本区农林牧业发展最为
研究范围为陕北黄土高原,位于我国黄土高原的中部
(34°45′～39°40′N,107°28′～111°15′E),总面积约1010×104km.本区地处中纬度内陆,具有大陆季风气候特点.区内的
2
北部和西北部属半干旱季风气候类型,中南部属暖温带半干旱季风气候类型.地势西北高,东南低,北部为风沙、滩地,中部为陕北黄土丘陵沟壑区,南部为渭北高原沟壑区,海拔
800～1500m.温度和降雨量从东南到西北递减,具有明显
的地域性差异.东南部年均气温815～12℃,≥10℃年积温
3000～4000℃,无霜期150～210d,年平均降雨量500～650mm.西北部气温干燥,年平均气温7～9℃,≥10℃年积
温1800～3400℃,无霜期110～170d,年平均降雨量350～500mm.
212 研究方法
21211标准地调查 调查人工刺槐林标准地位置、地形、地
貌、植被组成、群落类型等;按群落常规调查法进行各株树胸径、树高等指标的记测,并对平均标准木作树干解析.
21212土壤水分测定 在标准地内用打土钻法进行取样,测
定人工刺槐林地的土壤水分含量,取样深度为5m,取样时间为1999年6月和10月,是一年中土壤水分变化最为活跃的时期.土壤水分含量的测定用105℃烘干法,0～100cm以10cm为一个层次,100～500cm以20cm为一个层次,共
30个层次.
3 结果与分析
311 土壤干层的分布范围
调查研究表明,陕北黄土高原的土壤水分生态环境整体处于亏缺状态,从南部的森林带到北部的草原带,都有严重程度不一的水分亏缺现象,土壤干层的存在比较普遍.本次调查的南端宜君(表1、2)属于高原沟壑区南部,位于渭北旱原北部,大部分是黄土覆盖的土石山地,林草资源丰富,梢林密布,林地覆盖率达59%,对涵养水源有重要作用.受地形和森林覆盖的影响,年降雨量较多,年均达71015mm.在降雨量较充分条件下,宜君土壤水分维持在
较高水平,基本没有形成亏缺;仅在一些立地条件较差的梁峁坡地形成了轻微的水分不足现象,且大多出现在浅层土壤,形成了临时性轻度干化层,如果辅
438
表1 部分典型样地不同层次土壤平均含水量(%)
应 用 生 态 学 报 15卷
Table1Averagesoilmoistureofdifferentlayersinsometypicalsamplesites
含水量Soilmoisture(%)PlacesSlope[***********][***********]000500宜君县城边Yijun东南坡Southeast[***********][***********]2191
西北坡Northwest[***********][***********]4158
黄陵桥山Huangling东坡East[***********][**************]
西坡West[***********][**************]1
富县任家台Fucounty南坡South[***********][1**********]158
北坡North[***********][**************]0
[***********][***********]9西坡West3
[***********][***********]南坡South3
延安小崂山Yan′an东坡East[***********][1**********]105
西坡West[***********][***********]169
安塞寺腰险Ansai南坡South[***********][1**********]134
北坡North[***********][1**********]181
吴旗铁边城Wuqi南坡South[***********][1**********]171
北坡North[***********][1**********]174
绥德辛店沟Suide南坡South[***********][1**********]181
北坡North[***********][1**********]134
米脂高西沟Mizhi南坡South[***********][1**********]169
北坡North[***********][1**********]187
33
靖边万亩林Jingbian[***********][1**********]135南坡South
33
[***********][**************]98北坡North
神木六道沟Shenmu南坡South[***********][1**********]143
3天然辽东栎林地TheforestlandofnaturalQuercusliaotungensis;33人工柠条林地TheforestlandofmanmadeCaraganaFabr.;其余为人工刺槐林地TherestaretheforestlandofmanmadeRobinniapseudoscacia.地名
坡向
表2 陕北黄土高原各区域概况及土壤干化程度
Table2DegreeofsoildesiccationandconditionsoftheallareasinLoessPlateauofnorthShaanxi
区类
Typesofarea
范围
Scope
地貌特征
Charactersof
physiognomy
海拔
Elevation
极端最低>10℃积温年均降雨量
Average温度(℃)AccumulatedAveragetemperatureLowesttemperatureprecipitation(℃)(mm)temperature
710～917-(2110～2613)2500～2922
606～730
年均气温年日照
Annual
sunshine(h)2383～2473
无霜期
Freeoffrost(d)140～197
沟壑密度
Gullydenisity(km・km-2)
-
侵蚀模数
Erosionindex
(t・km-2・-1-
高原沟壑区
Gullyarea
宜君Yijun
丘陵沟壑区
Gullyandhillyarea
风沙区
Sandyarea
宜君、韩城的大部分地属梢林覆盖的土石区,及富县、黄陵、铜川、山地白水、旬邑、淳化、耀县的部分地区
富县、黄陵黄陵、富县、洛川、甘泉的除有部分梢林覆盖Fuxian,Huangling大部,宜川、宜君的一部的土石山地外,主要
分为高原沟壑区,兼有
部分破碎塬地
南区South延川、延长全部,延安的为梁峁状丘陵,南部
大部和宜川、安塞县的部有破碎的残塬,延河分,土地面积占全区的入黄处地势低下2212%
西区West吴旗全部和志丹、安塞、区内梁峁状丘陵为
定边、靖边大部或部分,主,坡缓谷宽,北部土地面积占全区3715%梁高沟深,梁间地多
为涧地
北区North绥德、米脂、吴堡、子洲、西北高,东南低,峁
清涧、子长的全部和佳状丘陵为主,峁多梁县、神木、府谷、榆林、横窄,至黄河沿岸为狭山的大部或部分,土地面谷丘陵积占全区的4013%
长城以北的大部分地区,以沙地、沙丘为主,为毛乌素沙地的东南缘,间有草滩地包括靖边、横山、榆林、神木的大部或部分
990～1800
840～1500818～912-(2210～2517)2960～3007623～6452487～2521169～183--
500～1400913～1010-25143207～3405572～5962445～2465143～1952～55000～10000
800～1800718～810-28112837～2950514～5572342～2821145～1643～510000～15000
570～1400910～916-32172855～3458493～5032608～3424151～1825～710000～30000
--------
500～15000(风蚀Winderosion)
主要的气候因子.受降雨量分布的影响,土壤水分状况具有明显的水平分布[12]和垂直分布特征.土壤干层在本区随经纬度变化其干化程度呈现较明显的水平地带性规律.黄土区土壤水分含量受气候、土壤、植被、地形及时间等因素的强烈影响,其土壤干化程度的分布规律与上述因素密切相关.需要特别指出的是,黄土高原土壤水分的分布在地带性尺度上,只有水平地带性,而没有垂直地带性,其海拔高程不足以形成垂直方向上的地带性差异.
此外,由于黄土高原水土流失严重,地形被切割的支离破碎,沟壑纵横(沟长≥250mm的沟壑密度高达215～413km・km-2),坡地多(坡度≥5°的坡蒂占80%)[5,6],土地类型复杂多样,土壤水分状况局地差异明显,因而土壤干化程度也有明显差异,即存在局地空间上的分异.
陕北黄土高原的降雨量随纬度具有明显的变化
规律,一般来说,从南到北随纬度的增加,降雨量渐趋减少.受此影响,土壤水分状况渐趋恶化,表现出明显的地带性变化规律.对陕北黄土高原从南到北9个代表性样点的实地调查表明,不论是农地、草地或是林地,土壤水分状况的表层或深层储水都表现为渐次减少的趋势,即土壤的干化程度逐渐严重,干层厚度逐渐加深
.
出以下特征:1)年均降水的绝对量值较小.黄土高原属典型的大陆性季风气候,由于极地大陆气团非常干燥且稳定,造成黄土高原冬季寒冷干燥,降水稀少.春季由于冬季风衰退,而较弱的太平洋暖湿气流难以影响黄土高原,加之因冬季极地大陆气团长期控制的影响,造成大气和土壤干旱明显,春旱现象严重.夏季黄土高原近地面处于大陆热低压槽的前部,而高空则在副热带高压的影响和控制下,盛行太平洋热带海洋气团,湿度较大,成为黄土高原降水的主要来源,因而暖湿空气经冷空气的激发作用形成大面积降水.秋季暖湿的海洋气团南退,冷空气推进到黄土高原,但因南退的暖湿海洋性气团受秦岭阻隔,而变性大陆性气团侵入很快,结果形成较多的锋面降水.总的来说,黄土高原的年均降水量较低.按照以年降水400mm划分干旱与半干旱区的标准,黄土高原属于典型的从干旱区向半干旱区、半湿润区的过渡区域(表3).
2)年均降水量按照西南2东北走向自东南向西北逐渐递减.由于小气候的影响,降水的趋势线与地形、植被等下垫面条件表现一致.在土石山区,南部子午岭、黄龙山等地,由于森林山地的水文效应,局部降水较多.
3)年内分配极不均一.黄土高原一年之中的降水通常始于3月,至6月下旬得到加强,主要集中在7～9月,降水总量约占全年降水量的60%～80%(表4).而冬季降水一般只占全年降水的5%左右.同时,南北部各季节的降水量在全年降水中的所占的比重也有所不同. 4)年际变化较大.由于季风的影响,黄土高原的降水变率较大,年相对变率平均在20～30%,季节降水的相对变率则多达50～90%.4～6月降水的不稳定程度一般都大于4～9月.丰水年的降水量往往是枯水年的几倍,甚至十几倍(表5).总的来说,降
图1 陕北黄土高原(从南到北)人工刺槐林地(a)和农田(b)的土壤水分状况(平均)
Fig.1SoilmoistureofartificialRobinniapseudoscaciaforestland(a)andfarmland(b)inthetypicalsamplesitesofnorthShaanxiLoessPlateau(average)1
A:宜君Yijun;B:黄陵Huangling;C:富县Fuxian;D:延安南SouthYanan;E:延安北NorthYanan;F:寺腰险Shiyaoxian;G:安塞Ansai;H:吴旗Wuqi;I:绥德Suide;J:米脂Mizhi11)0～100cm;2)100～200cm;3)200～500cm.
由图1可以看出,人工刺槐林地土壤含水量从南到北呈明显降低,土壤水分状况渐趋恶化.以延安为界,延安以北土壤水分状况极度恶化,土壤表层贮水接近甚至低于凋萎湿度;而深层贮水也不容乐观,严重危胁到植物的生存和生长.这一规律与降雨量从南到北的变化规律一致,从宜君到米脂,降雨量依次从71015mm减少到48712mm(表3).
通常,黄土高原年均降水量在时空分布上呈现
表3 陕北黄土高原部分地区的年均降水量
宜君
Yijun
黄陵
Huangling58016
富县
Fuxian57617
延安南
54919
延安北
54919
安塞
Ansai49214
吴旗
Wuqi49513
绥德
Suide48712
米脂
Mizhi45017
SouthYananNorthYanan
年均降雨量(mm)
71015
表4 绥德等三县年降雨量分配
地点
Places
年降雨量
5～9月May～Sptember5～6月May～June
Precipitation(mm)Percentage(%)
[***********]8
7～8月July～August
Precipitation(mm)Percentage(%)
[***********]233134514
绥德Suide
延安Yanan吴旗Wuqi
Annualprecipitation降雨量占全年
(mm)Precipitation(mm)Percentage(%)[***********][1**********]1
降雨量占全年降雨量占全年
水的年变幅为西北部大于东南部,而且降水越少的
地区其降水量的年际变化也越大.
表5 绥德等三县年降雨量极差
Table5Maximumdifferenceofannualprecipitationaboutthreecounties
地点
Place
年最大降雨量(mm)年最小降雨量(mm)相差倍数
HighestprecipitationLowestprecipitationDifference
27916
[***********]113绥德Suide延安Yanan直接影响到土壤水分的高低;降雨特征也直接决定了土壤水分的利用程度.因此,陕北黄土高原降水的时空特点对土壤水分的亏缺程度有明显的决定作用.主要表现为:1)在年降雨量绝对值低的前提下,土壤水分生态条件整体处于亏缺状态,土壤干层的出现就是这一问题的直接反映;2)降雨的不规则性导致水土流失加剧,干旱问题趋于严重,植被耗水得不到有效补偿,土壤储水恶化,最终形成了土壤水分较难恢复的干化层;3)降雨量的地带性变化规律明显影响了土壤水分状况的变化.不论是林地、农地(图2和表7)或是草地(表8),土壤水分状况不管是表层还是深层储水,都表现为随降雨量减少渐次减少的趋势,即从东南到西北,降雨量渐次降低,土壤的干化程度逐渐严重,干层厚度逐渐加深.31212坡面的垂直分异状况 陕北黄土高原大区范围内的降雨量随海拔高度变化的关系较为复杂.但对于小范围内的山地而言,由于受入渗能力、土壤持水性能等多种因素的影响,土壤水分状况基本表现为随着高度的增加而逐渐恶化趋势.由表9可以看出,在其它条件相似情况下,一个坡面上土壤水分从上到下依次减少,特别是0～100cm内的浅层贮水,坡下部的土壤含水量比坡上部的含水量多出近4%,0～500cm内的贮水也多出了近112%,说明坡下部的土壤水分状况整体好于坡上部.这主要是因
5)降水集中,多暴雨,强度大.黄土高原的降水在总量较小、时间分配不均的状况下,多以高强度暴雨的形式出现(表6).据记载,榆林、兰州等地最大月降水量超过200mm,占年均降水量的70%以上.至于短时期最大降水问题更加突出.特大暴雨的出现,无论是出现的时间还是出现的地点,均纯属一种偶然现象,极难预测.降水强度还反映在降水日数和连续无降水日数上.黄土高原多数地方的降水日数均不足100d,而连续无降水日数各地则均较长.
表6 绥德等三县一日最大降雨量及出现日期
Table6Maximumprecipitationofadayanditsdateaboutthreecoun2地点
Place
一日最大降雨量(mm)
Highestprecipitationofaday
[1**********]10
出现日期
Date[***********]95818111
绥德Suide延安Yanan吴旗Wuqi
由于黄土高原特殊的气候条件,降雨量的多少
表7 陕北黄土高原几个代表性样点农田的土壤含水量
Table7SoilmoistureoffarmlandinsomesamplessitesofnorthShaanxiLoessPlateau
土层深度
0～100100～200200～500Soildepth(cm)
宜君
Yijun[**************]黄陵
Huangling[**************]富县
Fuxian[**************]延安南
[1**********]155延安北
[1**********]8安塞
Ansai[1**********]4吴旗
Wuqi[1**********]3绥德
Suide[1**********]4米脂
Mizhi[1**********]5SouthofYananNorthofYanan
表8 黄土高原各样地荒草坡土壤水分状况
Table8SoilmoistureofundisturbedgrasslandinsomesamplessitesofnorthShaanxiLoessPlateau
较之中部和上部要轻得多.
表9 延安试区一个剖面的土壤含水量
Table9SoilmoistureofaslopelandinYanan
地点
Place
)经度(°Longitude3516
[***********][1**********]718
)纬度(°Latitude[***********][***********]101410817
土壤含水量(%)
Soilmoisture
[***********][1**********]5
坡位
Locationofslope
0～100cm100～200cm200～500cm0～500cm[1**********]129
[1**********]2
[1**********]0
[1**********]6
宜君城北Yijun黄陵城南Huangling富县子午岭Fuxian延安小崂山Yanan吴旗铁边城Wuqi安塞实验站Ansai绥德辛店沟Suide米脂高西沟Mizhi靖边新农村Jingbian
坡上部Up坡中部Middle坡下部Down
31213土壤干层在局地空间上的分异 土壤干层在
局地空间上的分异主要是指土壤干化程度在同一地区因土地类型不同而产生变化的现象.黄土高原因其严重的水土流失,地形被切割的支离破碎,在同一地区往往呈现复杂多样的土地类型,土壤水分状况也因之而发生了明显的差异.
陕北黄土高原的土地类型主要有梁峁地(坡
为在其它条件相似的情况下,坡下部的入渗要好于坡中部和坡上部1一般而言,下部汇集了更多的径流,形成了相对较好的土壤贮水,因而土壤干化程度
地)、梯田、塌地、沟掌地、坝地、沟阶地、川滩地以及涧地等,不同的土地类型,土壤水分状况有较大差异.
1)梁峁地(坡地):梁峁地是黄土高原最为普遍的一种土地类型,特别是在黄土高原丘陵沟壑区约50%～60%的土地属于该类型.梁峁地位于沟缘线
1115×105hm2,占全县总面积的23%.海拔1300～1600m,相对切割深度100～200m,地表为厚层黄
之上,是坡耕地的集中分布地.一般来说,梁峁地土
壤水分条件较差,是水分亏缺较为严重的土地类型,也是形成土壤干化层集中的地类.黄土高原的梁峁地坡度较陡,加之该区降雨集中,且多以暴雨的形式出现,导致了极为严重的水土流失,从而形成了梁峁地土壤水分生态条件较差的现状.在目前黄土高原的生态环境治理中,最为重要的就是梁峁地;梁峁地植被能否改善,生态环境能否恢复,是成败的关键.多年的经验表明,梁峁地不适宜农业耕作和种植耗水性较强的乔灌木,在植被恢复过程中不应过分地追求经济效益,而应以发展生态效益明显的永久性草地或灌木能源林.根据杨文治[13]研究,峁顶的土壤水分条件差于峁坡,原因是峁顶处于地形的最高部位,风力较强,土壤蒸发强烈,造成了水分的大量蒸散.但本研究则相反,特别是有一定植被覆盖的条件下,峁顶水分条件有时优于峁坡,可能是顶部汇集了更多径流,而峁坡(特别是坡上部)降雨入渗较少,从而导致水分含量较低.
2)梯田:梯田是黄土高原水土流失治理中广泛采用的一项主要工程措施,主要是通过降低地面坡度,改变小地形,达到蓄积雨水、增加入渗、提高土壤水分储量和利用效率,进而提高植物生产力的目的.在一般情况下,梯田的水分状况要比梁峁地优越得多,作物产量也有明显的提高.据调查,梯田地土壤水分亦有一定程度的亏缺,并形成了土壤干化层,与梁峁地相比程度较轻,但仍应引起足够的重视.
3)涧地:涧地是陕北黄土高原靖边县的一种土地类型,也是当地的主要农业用地.靖边县地貌类型较为特殊,其南部属于丘陵沟壑区,北部属于风沙滩地区,中间部分即为较平坦的梁峁涧地区.梁峁涧地区主要分布在白于山以北、榆定公路以南一带,约为
表10 柠条林地土壤水分状况对比
土及更新世洪积、坡积、冲积物覆盖,基底为白垩系
砂页岩,出露较少.地表形态以黄土梁峁为主,梁缓涧宽,梁涧相当.在较为平缓的梁峁之间,发育有平坦的封闭或半封闭的开阔谷地,即称为涧地.一般宽300～1000m,长约2000～20000m,地面比降仅有1%～5%,多沿谷地向下缓倾.其中最大的为三岔乡至王渠子乡的20km长涧,面积达1411km2.目前,涧地多被现代河谷分割,形成20～30m宽的冲沟,成为破涧.一般涧地的沟壑密度为115～5km・km-2.由于涧地地势平缓,土质较好,土壤水分条件亦优于梁峁地以及南部的丘陵沟壑区和北部的风沙滩地区,因此人为活动强烈.据记载,涧地在历史上曾有较好的植被分布,但在近代因过量垦植,植被遭到严重的破坏,到20世纪60～70年代,出现了土地沙化现象,目前已较为严重.在植被类型划分上,靖边属干草原地带的南界,一般来说,其水分状况较差,土壤水分含量的绝对水平较低,不适宜乔灌木生长;但涧地土壤水分生态条件有明显不同于草原带的特征,近年来在靖边县城周边营造了大面积的乔灌林(如万亩林),取得了一定的成就,说明涧地的水分条件优于其它类型区.本次调查发现,靖边涧地柠条(Caraganakorshinskii)林地土壤水分含量甚至高于米脂、安塞等地柠条林梁峁坡地的水分含量(表10),原因可能就在于此.
4)沟阶地:沟阶地是黄土丘陵区沟底一种窄梯田,其土壤水分的收入和支出受降雨和侧渗的影响明显.其收入项除就地降雨之外还有坡面径流入渗和土壤内侧流量补充,但由于侧面蒸发强烈,其土壤含水量比坡地和梁地仅高1%～2%,仍有程度不轻的亏缺量,50cm以下形成了严重程度不一的干化层[13].因此提出的改造办法是加大梯田宽度,以减小侧面蒸发. 5)塌地、沟掌地、坝地、川滩地:土壤水分条件都较好,大都处田间持水量的75%以上,有的甚至常维持在田间持水量左右的水平[13].如果以田间稳定
Table10ComparisonofCaraganakorshinskiiforestlandsinthreesamplesites
地名
Name
坡向
Slope
坡度
Gradient25°23°4°地类
Type
米脂Mizhi安塞Annsai靖边Jingbian
西坡West南坡South南坡South梁峁地Slopeland梁峁地Slopeland涧 地Gullland0～50
[1**********]5土层深度Soildepth(cm)/含水量Soilmoisture(%)
50～100100～150150～200200～300300～400400～5000～[***********][***********][***********][***********][**************]
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持水量(一般相当于田间持水量的60%)作为参考标准,土壤水分基本没有亏缺,因此没有土壤干化层存在.例如,分布于沟头的沟掌地,1m土层的土壤自然湿度约相当于田间持水量的75%～80%,高于田间稳定持水量,土壤水分没有亏缺,亦没有形成土壤干化层.4 结 论
411 土壤干层在黄土高原从南到北大范围内普遍分布,根据干化程度可分为4个类型区:1)以宜君为
代表的高原沟壑区南部,土壤干化程度轻微,如遇丰水年或辅以适当的整地节水措施,土壤水分亏缺可以得到有效缓解;2)以富县、黄陵为代表的高原沟壑区北部,出现轻度干化层,有的地方较为严重,并有继续恶化的趋势;3)范围较广的丘陵沟壑区,出现程度严重的土壤干化层,该区又可分为南、西、北3个小区域,南区以延安、延长为代表,土壤干化程度为中度;西区以吴旗、安塞为代表,土壤干化程度严重;北区以绥德、米脂为代表,土壤干化程度极为严重;4)以神木为代表的风沙区,由于降雨量的急剧减少,沙化严重,土壤水分亏缺十分历害,出现了极为严重的土壤干化现象.412 受降雨量的影响,土壤干化程度呈现明显的水平分异规律;受海拔高度、降雨入渗能力的影响.土壤干化程度在小范围的山地呈现明显的垂直分异规律,一般来说,海拔愈高,干化程度愈严重.413 因土地类型不同,土壤干化程度在局地空间上呈现明显的分异规律.在黄土高原的各种土地类型中,梁峁地的土壤干化程度最为严重,是黄土高原生态环境治理和恢复的重点.
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作者简介 王 力,男,1973年生,博士,助理研究员,主要从事土壤水分和植被生长方面的研究,发表论文10余篇.E2mail:wangli5208@sina.com