刺槐(Robinia pseudoacacia)林是黄土高原半干旱半湿润地区植被恢复和重建的主要人工林类型之一，作为一种典型的中生树种，既喜湿润肥沃的土壤又耐干旱瘠薄，有较强的适应性和抗逆性(中国树木志编纂委员会，1976)。在20世纪70年代末到80年代初，陕北黄土高原从南到北进行了大面积的栽植，对改善这一地区的生态环境、防治水土流失，乃至调节黄河流域的水文状况发挥了重要作用。但到20世纪90年代以来，陕北黄土高原南北人工刺槐林群落的生长出现了明显的区域分异。大约以延安为界，南部的黄陵、宜君等地刺槐林群落生长基本正常，不仅林木本身仍保持着较好的生长态势，而且林下草灌结构也发生了明显的改观，说明群落在逐步按正向演替的规律发展，其结构和功能正在不断的完善，并继续发挥着生态防护和保持水土的作用。相反，延安以北大部分地区，刺槐人工林群落却出现了大面积衰败的现象(马玉玺等，1990；郭小平等，1998；侯庆春等，1999)。同时，这些地区相应林地土壤也出现了严重的退化，深层土壤含水量产生了严重亏缺，在1.6~2.0 m以下出现了持续性的干化层。调查发现，出现衰退现象的人工刺槐林地深层土壤都有程度不同的水分亏缺，有些样地3~5 m平均土壤含水量已接近萎蔫含水量，严重地影响到了人工刺槐林的持续生长(杨维西，1996；杨文治等，1998；王克勤等，2002；李裕元等，2001；王力等，2001)。那么，陕北黄土高原南北人工刺槐林生长出现明显的区域分异现象以及产生相应的干化层是该地区特定气候条件下的必然结果，还是不合理的人工林经营和管理方式造成的?对此，有的学者从植被分区的角度出发，认为延安以北属于森林草原区，其降雨量条件难以满足耗水量大的乔木林(如人工刺槐林)对水分的需求；也有学者认为人工林衰退和土壤干化层的出现是林木不合理利用经营的结果，如栽植密度过大，对群落的生产力要求过高，当植被生产力超出了其土地承载能力时，必然要造成群落生长不良甚至衰退的后果。

基于以上现象，本研究试图通过对南北6个地区典型样地的人工刺槐林进行标准地调查和树干解析，分析林木在其生长期内的树高、胸径、材积等指标的生长态势，并结合相应的土壤含水量资料和降雨状况，探讨林木生长过程和土壤含水量状况之间的相互关系，特别是林木生长耗水对土壤干化现象的影响，说明土壤干化的形成原因和形成机理。

1 材料与方法 1.1 选取刺槐为研究对象

刺槐在陕北黄土高原广泛分布，是唯一南北都有生长的树种，而且面积大，种类齐全。因此，以刺槐为研究对象，便于对比分析陕北黄土高原从南到北的土壤含水量亏缺状况，从而有利于从整体上搞清楚陕北黄土高原土壤干化问题的严重程度和分布规律。

1.2 土壤含水量测定

从南到北选取人工林标准地，在标准地内用打土钻法进行取样，取样深度为5 m，取样时间为1999年6月和10月，是一年中土壤含水量变化最为活跃的时期。土壤含水量的测定用105℃烘干法，0~100 cm以10 cm为一个层次，100~500 cm以20 cm为一个层次，共30个层次。

1.3 标准地调查和树干解析

对人工刺槐林进行标准地调查，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。采用中央断面区分法，区分段为1 m，即在高度为0、0.4、1.3、2.3、3.3、4.3 m等(依次类推，直到树梢)区分段处各取一个圆盘，最后一段不足1 m为梢头，各圆盘的径向生长是量测东西向和南北向生长的平均值，材积计算是由各分区段材积累加，求得总蓄积量；同时，计算各指标的连年生长量、平均生长量以及材积生长率、胸高断面积(用以反映林分的栽植密度)。

2 结果与分析 2.1 土壤含水量与树高生长的关系

从图 1可知，样地宜君人工刺槐林生长明显优于另外5个地区，这主要是因为宜君的土壤含水量条件明显优于其它样地的缘故。方差分析的结果表明，人工刺槐林在整个生长期的树高生长与其它地区呈极显著差异(表 4)，而其它地区之间的差异则不显著或显著性较低。进入中龄林以后(10 a后)，林分树高生长出现了较明显的分异，方差分析的结果表明(表 5)，除富县与安塞之间差异不显著，绥德与米脂之间差异不显著外，各样地之间的差异显著性明显提高，都达到了极显著的水平。说明这几个样地之间在整个生长期差异显著性较低主要是由于刺槐在幼龄阶段(0~6 a)生长差异不大造成的。

从表 1可知，宜君年均降雨量为710.5 mm，经过一个生长季后，5 m土层10月储水量达到850.03 mm(表 10)，高于其年均降水量，说明宜君的水分条件不仅能满足刺槐良好高生长的需要，而且不会造成深层土壤含水量的严重亏缺。表 2为6样地6月份和10月份5 m土层含水量。从表可以看出，6月份宜君样地5 m土层含水量整体接近或高于其田间稳定持水量(126.0 g·kg^-1)，基本没有形成土壤干层。10月份，0~2 m土层含水量得到明显的恢复，土壤含水量已达200.0g·kg^-1，接近田间持水量(210.0g·kg^-1)的水平；而3~5 m土层土壤含水量有所下降，形成了轻度干层，主要是因为刺槐在生长季内向深层土壤吸收水分造成的，但由于上层土壤含水量较高，在生长季过后，土壤含水量可以得到有效的恢复，达到田间稳定持水量的水平。样地富县年均降雨量为569.5 mm，经过一个生长季后，5 m土层10月储水量达664.66 mm，高于其年均降水量，但土壤含水量主要储存于0~2 m土层内, 3~5 m深层土壤含水量只有89.0g·kg^-1左右，相比6月份的80.0g·kg^-1有所恢复，但仍低于其田间稳定持水量(125.4g·kg^-1), 说明深层土壤形成了干化层，并且影响到了刺槐的高生长，22年生平均树高仅达7.8 m。吴旗、安塞、绥德、米脂4样地年均降雨量相差不大，约在495.3~450.7 mm之间，经过一个生长季后，5 m土层10月储水量均低于其相应的降水量。相比6月份，10月份土壤含水量有所增加，但不管是深层还是浅层，土壤含水量均低于其相应的田间稳定持水量(见表 3)，0~2 m浅层土壤含水量仅占田间稳定持水量的70%左右，形成了轻度干化层；而深层土壤储水则存在严重的亏缺，3~5 m土层含水量低于田间稳定持水量的50%，形成了严重的干化层。同时，4样地刺槐平均高分别仅为5.9、7.9、4.5和4.6，属于低产低效林，说明4样地的降雨条件整体不足，不能满足刺槐这类耗水性较强的植物高生长的需求。因为4样地不仅深层土壤形成了干化层，而且浅层土壤含水量在经过雨季后仍不能得到有效的恢复，属于不适合刺槐林生长区。样地绥德和米脂之间由于降雨量接近，土壤储水接近，因此没有造成其树高生长明显差异。样地安塞降雨量和土壤储水均远远低于富县，但没有造成树高生长的差异，其原因在下文讨论。除宜君之外其它各样地在幼龄阶段差异不显著，主要是由刺槐的生物学特性决定的。

2.2 土壤含水量与胸径生长的关系

图 2是不同样地间胸径生长状况比较。方差分析可知(表 6)，样地宜君与其它样地之间胸径生长呈极显著差异，而其它样地之间的关系较为复杂。在幼林阶段，除宜君之外的其它样地之间胸径生长没有明显的规律，安塞、富县、吴旗3地胸径生长速度较快，但进入中龄林以后，安塞样地胸径生长速度趋缓，明显低于富县、吴旗2地。根据前文分析，安塞样地的树高生长较好，优于除宜君之外的其它样地，但胸径生长却较差，说明安塞的整体水分条件不能同时满足胸径和树高优良生长的需要，这就说明了在水分条件明显差于富县的情况下两地树高生长差异不显著的原因。富县、吴旗、绥德3地刺槐胸径和树高的生长状况都处于中等状态，平均胸径分别仅为7.9、6.3、6.5 cm，但如前所述，吴旗、绥德2地降雨量较低，不仅浅层土壤形成了干化层，而且土壤深层储水在被消耗之后亦没有得到有效恢复，形成了程度严重的干化层；富县样地由于降雨量较多，浅层土壤含水量经过雨季之后得到了有效恢复，但深层土壤形成了轻度干化层。米脂样地刺槐胸径和树高生长都很差，平均胸径只有5.8 cm，且深层土壤形成了严重的干化层，说明其水分条件不能够满足刺槐正常生长的需要。绥德与米脂样地树高生长差异不显著，但胸径生长差异达显著水平，说明2样地之间降雨量和土壤含水量条件的差异主要导致人工刺槐林胸径生长的分异；同时表明，在陕北黄土高原特殊的半干旱气候条件下，水分对植被生长的反映非常敏感，不同样地之间土壤含水量条件的微小差异就有可能导致植物某些生长指标出现的明显的分异。

2.3 土壤含水量与材积生长的关系

从图 3可以看出，除样地宜君之外，10年生以前，由于不同样地林分间平均胸径的差异极不显著，加上受平均树高差异不显著的影响，单株材积生长量并没有因样地土壤含水量不同而产生明显的分异(表 8)。从第10年开始，各样地平均单株材积生长量随样地土壤含水量的变化而出现了较明显的差异，方差分析表明(表 9)，尽管各样地间差异不显著，但与幼龄阶段相比，差异显著性有明显的提高，说明土壤含水量条件的不同是影响刺槐林材积生长的重要因素。而宜君与其它样地相比单株材积在整个生长期达到了差异极显著水平。这是因为宜君的年降雨量明显高于其它地方，土壤含水量能够满足刺槐在整个生长期所需要的水分。样地宜君20年生刺槐林单株材积累积明显高于其它样地，达0.057 82 m³。而在其它样地，特别是吴旗、安塞、绥德、米脂，单株材积累积分别为0.008 12 m³(20 a)、0.018 9 m³(20 a)、0.022 44 m³(20 a)、0.009 m³(19 a)，均远远低于宜君，也低于富县的0.033 16 m³(20 a)，主要是因为其年均降雨量明显低于宜君，在刺槐生长初期，降雨量尚能在一定程度上满足其生长所需；当降雨量不足时，还可通过吸收深层土壤含水量以缓解水分亏缺的矛盾，但这种以消耗深层土壤储水为特征的生长模式对林分的可持续生长十分不利。由于黄土高原特殊的水文特征，其降水入渗深度一般在2 m以内，且没有深层渗漏(杨新民等，1988；聂道平，1989；杨海军等，1993)，因此深层储水一旦被消耗很难在短时间内得到恢复，加之黄土高原地区干旱频发，而林木为了正常生长必然要不断的从深层土壤中吸收水分，结果最终导致了土壤深层储水不断减少，形成了土壤干化层；土壤干化层的出现反过来又严重的制约了人工刺槐林在干旱年份向深层土壤吸收水分，从而限制了刺槐林的正常生长和发育，最终导致了低效低产人工林的形成。

从图 4中可以看出，单位面积材积连年生长量从南到北降低。其中由宜君到吴旗，降低的趋势较为明显，该值由10.785 5 m³减到1.620 0 m³，而吴旗到米脂，该值变化不是十分明显，变化范围为1.220 4 m³~1.620 0 m³。这同样是因为由宜君到吴旗，年降水量降低的趋势非常明显，由710.5 mm到495.3 mm，因之5 m土层储水量也明显的减少，6月份从845.57 mm减少到465.23 mm，而10月降低更多，从850.03 mm降低到377.29 mm。而从吴旗到米脂，年降水量变化不大，基本上处于同一水平范围内(495.3 mm~450.7 mm)，土壤深层储水状况亦相差不是很大，只有安塞样地储水量较其它3样地略有明显的提高。

2.4 分析

从陕北黄土高原的水分条件来看，降雨量由南向北逐渐减少，而干燥度增加，在同一方向上随纬度和海拔升高而降低(杨文治等，1998)。在这种气候条件下，高原南部降水充沛，土壤持水能力强，因而土壤水库一经蓄满，土壤深层储水对植物需水有较强的调节作用；而在黄土丘陵区，梁峁地土壤深层储水均处于低湿状态，其值一般低于田间稳定湿度，对植物的生理需水的调节明显降低。具体表现为，从富县开始，人工刺槐林地下都存在不同程度的土壤干化现象，且从南到北渐趋严重。这一趋势与人工刺槐林的生长状况紧密地结合在一起，即从南到北，人工刺槐林的生长状况受土壤含水量的影响也渐趋恶化。从表 10分析，宜君样地每公顷断面积高达33.48 m²，其材积连年生长量仍能保持在10.785 5 m³·hm^-2较高的水平，说明其土壤含水量条件可以充分满足刺槐在较高密度下保持良好的生长。富县样地这两项指标分别达到13.16 m²和3.074 5 m³·hm^-2的水平，同时深层土壤出现了轻度干化现象，说明其土壤含水量条件尽管可以在一定程度上满足刺槐维持正常生长的需要，但同时需要加强对刺槐人工林的合理经营和提高土壤含水量的利用效率，以防止土壤干化现象的进一步恶化。吴旗、绥德、米脂3地每公顷断面积数值都约在7.0 m²左右，说明3样地栽植密度相差不大，加之3样地降水量也相差不大，因而其材积连年生长量也相差不大；但由于吴旗的降水量略高于绥德、米脂两地，在栽植密度相当的条件下，其材积生长量略好于绥德、米脂，其值达1.620 0m³·hm^-2，分别比绥德和米脂两地该值1.396 1 m³·hm^-2和1.326 0 m³·hm^-2高了0.223 9 m³·hm^-2和0.294 8 m³·hm^-2。安塞样地每公顷断面积达14.22 m²，反映了其栽植密度较高，但其材积连年生长量只有1.220 4 m³·hm^-2，表明刺槐生长状况很差，说明其土壤含水量条件不能满足人工刺槐林在高栽植密度下保持良好生长。数据说明，尽管安塞的土壤含水量优于吴旗、绥德、米脂3地，其5月份土壤储水量达到了349.93 mm，比其它3地都高，但其刺槐生长却较差，连年材积生长量亦低于3地，这说明除了降雨量和土壤储水外，栽植密度也是影响林木生长的重要因素。因此，适当的栽植密度在陕北黄土高原丘陵半干旱区是保证林木合理利用有限水资源的重要因素之一，在该区，只有在合理的栽植密度下，林分生长才能符合水分循环与水量平衡特征的要求，既可以充分利用当地有限的水分资源，保证林分的正常生长发育，又不至于造成土壤干化现象的发生。

3 结论

(1) 降雨量不足，干旱缺水，是黄土高原丘陵沟壑区(包括吴旗、安塞、绥德、米脂4样地)低效低产林形成的主要原因，也就是说土壤含水量的严重亏缺造成了低效低产林。在黄土高原丘陵沟壑区人工刺槐林地，由于干旱少雨，根际区土壤含水量很低，在干旱年只有40~90 g·kg^-1，已接近萎蔫含水量，在浅层土壤形成季节性出现的干化层；在干旱年份，人工刺槐林为维持其正常生长，极大地消耗了土壤的深层储水，而在深层储水减少之后，由于根层以下包气带供水能力有限，形成持续性干化层，使土壤水库调节作用大大削弱，加剧了土壤含水量的短缺，更加恶化了林木生长的水分生态条件，限制了林木的生长，形成了低效低产林。

(2) 在陕北黄土高原半干旱大陆性气候¹⁾条件下(延安以北，包括吴旗、安塞、绥德、米脂4样地)，现有的人工乔灌林地，水分供需关系失衡，土壤含水量经雨季补充之后，在浅层土壤含水量亏缺(2.0 m以上)可得到部分补偿，但在2.0 m左右以下土壤中，水分亏缺的补偿和恢复极为有限，普遍存在较其上层含水量为低的持续性干化层。其含水量多在田间稳定持水量的70%以下，最低达到了萎蔫含水量，形成了严重的土壤干化层。

1)《陕西省林业区划》编写组.陕西林业区划(初稿)，1980，50

(3) 土壤干化层的形成，是林木生长和气候干旱双重作用的结果，而人为高密度粗放经营，不合理的种植方式亦加剧了土壤的干化，造成了水分长期亏损的累积，且随着亏损程度的加剧，干化层逐渐上移。同时，干化层的存在，严重地阻碍了植物对深层土壤含水量的利用，使现有植被仅能利用当年的降雨而生存，从而使林分完全处于干旱气候的胁迫之下。研究表明，在陕北黄土高原半干旱大陆性特殊的气候条件下，人工刺槐林群落的衰败和干化层的出现互为因果，在这种恶性循环中，土壤含水量亏缺越来越严重，林木生长条件越来越恶化，最终形成低效低产林而大面积衰退。

(4) 在陕北黄土高原，除南部的宜君和富县之外，北部的吴旗、安塞、绥德、米脂等地人工刺槐林生长极为缓慢，经济效益甚微，在改善生态环境和保持水土方面所起的作用也很低，严重地影响了该区的植被建设和可持续发展，并损害了群众造林的积极性。同时表明，这些地方不适合选择刺槐这类耗水性较强的树种恢复植被，而应选用其它耗水性较弱的乔木或灌木树种进行植被的恢复和重建。