林业科学  2005, Vol. 41 Issue (2): 37-41   PDF    
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程积民, 万惠娥, 王静, 雍绍萍.
Cheng Jimin, Wan Hui'e, Wang Jing, Yong Shaoping.
半干旱区柠条生长与土壤水分消耗过程研究
Growth of Caragana korshinskii and Depletion Process of Soil Water in Semi-Arid Region
林业科学, 2005, 41(2): 37-41.
Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(2): 37-41.

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收稿日期:2003-07-24

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程积民
万惠娥
王静
雍绍萍

半干旱区柠条生长与土壤水分消耗过程研究
程积民, 万惠娥, 王静, 雍绍萍     
中国科学院 水利部水土保持研究所 杨凌 712100
摘要: 在黄土高原半干旱区采用工程整地与生物措施相结合的方法,进行柠条灌木林建设与土壤水分消耗及调控恢复研究。结果表明:在半干旱区柠条生长前6年为幼龄期,6~14年为中龄期,14年后进入老龄期。幼龄期0~800 cm土壤中未形成干层,中龄期土壤干层厚度为240~260 cm,老龄期干层为700 cm。水平阶整地丰水年土壤水分盈余44.82 mm,对照亏缺51.5~79.6 mm;平水年亏缺53.91 mm,对照亏缺103.64 mm; 干旱年亏缺102.87 mm,对照亏缺153.32 mm。不同降水年份土壤水分的补偿深度为80~180 cm,对照为21~45 cm。根据柠条主根、侧根和毛根的根量分布比例得出,土壤水分要恢复正常,丰水年需要13年,平水年需要16年以上,干旱年约需20年以上,而对照无论是丰水年、平水年还是干旱年均需20年以上。
关键词: 柠条    生长    土壤水分    消耗过程    土壤干层    半干旱区    
Growth of Caragana korshinskii and Depletion Process of Soil Water in Semi-Arid Region
Cheng Jimin, Wan Hui'e, Wang Jing, Yong Shaoping     
Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resources Yangling 712100
Abstract: Combining with engineering and biological measures, the construction of Caragana korshinskii vegetation and excessive depletion and resumption of soil water were studied. The results showed that the whole growing stages could be divided into three phases—young-age period for the first six years, middle-age period from the seventh year to the fourteenth year and old-age period after fourteen years. In young-age period, dry layer of 0~800 cm soils did not formed, while in middle-age and old-age period, dry layer reached 240~260 cm and 700 cm, respectively. By level-step measures, soil water had a surplus of 44.82 mm in abundant precipitation year, deficiency of 53.91 mm in equal precipitation year and 102.87 mm in dry year, and its compensated depth of soil water in different precipitation year was 80~180 cm, while that of CK was deficiency of 51.5~79.6 mm, 103.64 mm and 153.32 mm respectively in different kinds of years and the compensated depth was 21~45 cm. According to the distributed proportion of the main root, the lateral roots and hair roots, it took 13 years for soil water of C. korshinskii vegetation by measures to resume natural situation in abundant precipitation year and over 16 years in equal precipitation year and over 20 years in dry year, while it took over 20 years for that of CK in any kinds of years.
Key words: Caragana korshinskii    growth    soil water    depletion process    soil dry layer    semi-arid region    

柠条(Caragana korshinskii)是耐旱、耐寒、耐瘠薄的多年生灌木树种,在中国的东北、华北、西北均有大面积的分布,并适宜于森林、草原、荒漠地带及高山、丘陵、平原、沟谷等不同地貌类型土地上生长,尤其在黄土高原半干旱区,是最适宜于人工造林的优良灌木树种(程积民等, 2000)。柠条在该区的生长一般可分为幼龄期、中龄期和老龄期,在适宜的生态条件下可长期生长,但持久干旱缺水易引起柠条的早期退化和衰败。水分是促进植物生长和调节体内外生理生态变化的关键因素,尤其是在黄土高原半干旱区土壤水分是植物生长的两大基本水源(生长期天然降水和土壤水)之一,土壤水分状况是决定区域林草植被布局与配置的关键因素。所以,土壤水分的研究历来受到重视(王孟本等, 2001; 李玉山, 1983; 杨文治等,1985)。但对柠条灌木林地土壤水分的长期定位研究尚属空白,目前看到的文献报道多为短期或阶段性研究结果。本文以18年的野外试验资料为基础,对人工柠条灌木林的土壤水分时空分布特点及其与降水等因子的关系进行研究,为区域植被恢复和生态环境建设提供科学依据。

1 自然概况

试验区位于黄土高原半干旱区的宁夏固原河川乡上黄村东山, 海拔1 600~1 850 m,植被属森林草原向典型草原的过渡区。年均气温6~7 ℃, 年均降雨量406 mm(1983—2002年),丰水年占25.0%,平水年占37.5%,干旱年占37.5%,6—9月份降雨占全年的65%~75%,年蒸发量为1 400~2 065 mm,干燥度1.5~2.0。该区草地植被退化严重,覆盖度不足30%,生物量仅1 050 kg·hm-2, 且有毒有害和旱生植物生长蔓延,优良中生植物分布少,生长缓慢。坡度20~25°,坡面土壤坚硬,降水入渗率低,水土流失严重。

2 材料与方法 2.1 整地与播种

于1985年开始在东山半阳坡采用水平阶整地。阶面宽100 cm,反坡3~5°,形成外高内低,水平阶沿山体水平延伸,平均长560 m,间距300 cm;在水平阶面穴播柠条,每行水平阶在阶中穴播一行,行间距300 cm,穴距150 cm,密度为2 200穴·hm-2。试验区总面积400 hm2,其中水平阶穴播300 hm2,荒山穴播100 hm2

2.2 柠条生长测定

从柠条幼苗木质化开始,选取代表样地10 hm2(包括四周保护区在内),设长期固定样方3组,每组固定小样方3块,每块面积4 m×4 m,每年在植物生长的3月中旬、7月上旬、10月上旬定期进行分枝、株高、生物量测定和周围野生植物的记名样方调查,记名样方每次调查时间和柠条生长调查同步进行,调查样方数为10个,样方面积为1 m×1 m。

2.3 柠条根系生长测定

每2年在地上部分生长停止时(10月上旬)进行根系测定,测定方法采用剖面切割法,测定根系的生长深度和地下不同层次主根、侧根和毛根的数量与生物量,并每2年绘制1次剖面根系分布图。

2.4 土壤含水量测定

在每年3月中旬、7月上旬、10月上旬,采用土钻法定期测定土壤含水量,测定土壤深度为0~800 cm,其中0~500 cm以内,每20 cm取土1层,分为31个土层;500~800 cm每50 cm取土1层,分为6个土层,并重复2次取平均值,放在105 ℃下烘至恒重,称其质量,计算土壤含水量。

2.5 局地降雨量测定

在柠条灌木林内和林外布设雨量筒2组,每组重复2次,每次降雨后测定,计算降雨量。

2.6 对照

荒山(对照)设在相同立地条件下,不修筑水平阶,直接在坡面上进行柠条穴播种植,行距300 cm,穴距150 cm,密度为2 200穴·hm-2,并同时进行以上各指标的测定。

3 结果与分析 3.1 柠条生长发育阶段与土壤水分变化

在水平阶上种植的柠条,从生长的幼龄期,即前6年,(1985—1990年),中龄期6~14年(1991—1997年)和老龄期,即14年以后(1998—2002年)土壤水分的变化过程可以看出,随着柠条生长年限的延长,土壤含水量逐年减少,土壤水分不断亏缺,柠条林开始衰退,其主要原因是土壤干旱程度已达到了极限,目前柠条的生长主要依靠天然降水调节和维持。关于土壤干层的量化指标问题,自20世纪60年代至今我国许多学者作了大量的研究工作,但多数集中在土壤干层的类型及危害上,而对土壤干层的量化指标一直没有形成统一的认识(王力等,2000),本研究以土壤含水量低于田间稳定持水量为标准界定土壤干层。

图 1a看出,柠条灌木林在幼龄期,0~800 cm深的土壤含水量,在每年的生长初期(3月中旬)为80~113 g·kg-1,中期(7月上旬)为85~123 g·kg-1,末期(10月上旬)为88~120 g·kg-1,而且分布较均匀,未形成明显的土壤干层。由此得知柠条在幼龄期的生长主要消耗天然降雨,土壤水库中的水分利用得较少。

图 1 柠条生长幼龄期(a)中龄期(b)老龄期(c)土壤水分动态消长过程 Fig. 1 Soil water dynamics of C.korshinskii in young-age period(a), middle-age period(b) and old-age period(c)

图 1b看出,在柠条灌木林生长的中龄期,7年间0~800 cm深的土壤含水量,每年的生长初期(3月中旬)为35~100 g·kg-1,土壤干层的分布范围在160~420 cm,平均厚度为260 cm,土壤的蓄水调节功能极大地削弱;生长中期(7月上旬)土壤含水量为36~110 g·kg-1,土壤干层的分布范围在220~460 cm,厚度为240 cm;生长末期(10月上旬)土壤含水量为39~110 g·kg-1,土壤干层的分布范围在220~470 cm,厚度为250 cm。由于中龄期柠条生长加快,株高平均为153 cm,最高可达213 cm,每丛分枝数平均为15个,最高可达31个,生物量平均为1.88 kg,群落生长旺盛,水分消耗量较大,加之天然降水补充不足,造成土壤水分严重亏缺。此时应进行合理的抚育管理和复壮更新,否则,土壤干层不断加深,柠条灌木林常因土壤水分的严重亏缺而退化衰败,致使成片干枯死亡。

从1998—2002年柠条生长进入老龄期,从图 1c看出,在这5年间0~800 cm深的土壤含水量,在生长初期(3月中旬)为35~83 g·kg-1,土壤干层的分布范围在100~750 cm,厚度为650 cm;生长中期(7月上旬)土壤含水量为34~100 g·kg-1,土壤干层的分布范围在80~760 cm,厚度为680 cm;生长末期(10月上旬)土壤含水量为35~102 g·kg-1,土壤干层的分布范围在80~780 cm,厚度为700 cm,土壤水库已失去调节功能,干层厚度不断加深,致使柠条灌木林的生长均受不同程度的抑制。5年间植株的分枝、株高、生物量与中龄期相比分别下降了33%、24%和53%,尤其是在生长季节,遇到干旱时,植株干枯死亡严重(陈云明等,2002),此时柠条的生长主要靠天然降水来调节,在丰水年可获得一定的生物产量,而在干旱年将有75.8%的植株干枯死亡。另外,对照进入老龄期后植株生长缓慢,已有85%的植株老化衰退,因受长期形成的深厚土壤干层影响,天然降水入渗深度一直徘徊在50~110 cm,在短时间内靠有限降水的调节是难以恢复的。

3.2 不同年降水量下柠条生长与土壤水分平衡

柠条灌木林水平阶种植,在生长的前10年大量利用土壤水分和天然降雨,10年以后(中龄后期老龄前期)由于土壤水分亏缺严重,植株的生长主要依靠天然降水。在丰水年的1996年,降雨量为514.9 mm,植物的生长季节(5—9月)降雨量为416.6 mm,占年降雨量的80.91%;在平水年的1998年,年降雨量为433.7 mm,植物的生长季节(5—9月)降雨量为334.9 mm,占全年降雨量的77.22%;在干旱年的1999年,年降雨量为319.1 mm,植物的生长季节(5—9月)降雨量为264.3 mm,占全年降雨量的82.83%。

图 2可以看出,柠条灌木林在丰水年土壤水分循环基本平衡,在根系主要分布层0~200 cm内受降雨量的影响,土壤水分除供地上部生长外,还盈余4.13~14.6 mm;而在200~400 cm土壤水分亏缺严重,致使天然降雨的入渗深度和地下水位的上升难以接合,形成了深厚的土壤干层,土壤储水量亏缺6.51~9.08 mm;在400~800 cm土层由于受地下水调节的影响,土壤储水量的盈余范围为6.93~13.34 mm。总之柠条灌木林在丰水年年生长始末,0~800 cm土壤储水量盈余44.82 mm。平水年土壤水分循环常处于亏缺状态,在0~100 cm,受天然降水的影响,土壤储水量略有盈余,为2.87~4.83 mm,而在年生长始末,0~800 cm土壤储水量总亏缺量为53.91 mm。在干旱年土壤水分处于严重亏缺状态,一般在柠条生长季始末,土壤储水总亏缺量为102.87 mm。

图 2 丰水年、平水年、干旱年柠条灌木林生长始末土壤储水量变化 Fig. 2 Variations of soil water storage amount of C.korshinskii in abundant, equal precipitation and dry year a.丰水年生长初期Early stage in abundant precipitation; b.丰水年生长末期Last stage in abundant precipitation;c.平水年生长初期Early stage in equal precipitation year;d.平水年生长末期Last stage in equal precipitation year;e.干旱年生长初期Early stage in dry year;f.干旱年生长末期Last stage in dry year.

以上结果表明水平阶整地种植的柠条生长进入老龄期(14 a以上),林地的土壤水分平衡状况常常受不同年份降雨量的影响,尤其是在干旱年土壤水分亏缺极为严重,每株的年均分枝数为15个,株高生长仅为0.100 cm·d-1,干物质生产为0.168 kg·m-2a-1,单靠有限的天然降雨来补充土壤水分的不足,满足不了植物生长的需要;在平水年土壤水分亏缺量较小,可基本维持平衡,每株年均分枝数为21个,株高生长为0.198 cm·d-1,干物质生产为0.262 kg·m-2a-1,在降雨量450 mm左右的年份,植物的生长基本维持正常,要想获得较快的生长和较高的生物产量,如果没有充足的水分补充是难以实现的,所以采用工程整地发展集流林业,是补充土壤水分不足的主要措施;在丰水年土壤水分在维持平衡的同时还略有盈余,每株年均分枝数为36个,株高生长为0.318 cm·d-1,干物质生产为0.485 kg·m-2a-1,这表明柠条灌木林的生长关键是水分,林地水分的平衡状况与年降雨量和季节的分配特点有一定关系(王孟本等,1996程积民等,2002)。研究表明18年生柠条灌木林地,在丰水年土壤水分的补偿深度达180 cm;平水年土壤水分的补偿深度仅为80 cm左右;干旱年不仅得不到补偿反而大量消耗土壤深层的储水,使200~400 cm内土层的含水量比平水年下降23~45 g·kg-1。尤其是在半干旱地区,土壤干化这一严重的土壤退化形式已成为人工植被建设的严重隐患,而在植被根际区水分季节性亏缺差异显著,造成植被根际区土壤水分长时间持续严重亏缺(余新晓,1993),土壤表层板结,土壤紧实度增大,导致了人工植被的严重退化以至大面积干枯死亡(杨维西,1996)。

3.3 柠条根系分布与土壤干层形成

土壤干层是黄土高原特殊的环境气候条件下形成的一种水文现象(杨文治等,1998),也是加速环境旱化和土壤干化的一种表现。由于土壤干层主要存在于人工植被类型中,故形成土壤干层的树(灌、草)种与土壤干化的关系已引起人们的普遍重视。许多研究认为,在黄土高原半干旱区严重的干旱条件下,林草植被不能从天然降水中获取足够的水分,维持其正常生长的需要,必须要吸收深层土壤水分,为此,柠条根系常受天然降水不足的影响,生长到中龄期根系分布深度一般达1 000 cm左右,大量吸收和利用深层土壤水分,最终导致土壤干化形成土壤干层。土壤干层形成后,失去“土壤水库”(李玉山,1983朱显谟,1989)的功能,丧失了供水调节能力。从图 3可以看出,18年生的柠条灌木林,不同生长年限0~800 cm深根系的质量比例结构受土壤水分的影响变化较大。一般在1~6年间为柠条生长幼龄期,地上部分的生长主要靠天然降水,而土壤水消耗较少,主根和毛根生长缓慢,分别占总根量的29.5%和25.5%,侧根发达占总根量的45.0%,这进一步说明在柠条生长的幼龄期一方面靠天然降水,另一方面遇到干旱年主要靠浅层土壤水分来调节;在柠条生长的中龄期7~12年,地上部分的生长主要利用土壤中层水分,而天然降水仅仅是补充,故土壤水分消耗较大,主根和侧根发达, 分别占总根量的40.0%和41.0%,毛根生长缓慢仅占总根量的18.9%;在柠条生长的老龄期13~18年,土壤浅层和中层的水分基本耗尽,地上部分的生长主要利用发达的主根吸收土壤水分,致使土壤水分亏缺严重,土壤干层厚度达750~800 cm,此时,主根深度达1 000 cm以上,质量占总根量的51.9%,侧根和毛根因土壤水分不足而老化衰退,生长发育缓慢,分别占总根量的25.2%和22.9%。显然,人工植被的土壤干化通过植被本身生长环境中水分条件的不断恶化而引起土壤物理和化学性质的恶化,最终导致了天然植被的退化和土地的沙化。目前,在18年生的柠条灌木林下,天然草本植物的种群数量组成比柠条生长的幼龄期下降了75%,每m2仅有5种,而且因土壤水分亏缺严重,现存植物的生长常常处于半营养阶段,82%的植物不能开花结实。少数开花结实形成种子掉落地面后,因土壤紧实、地面裸露常常被风刮走,很难形成幼苗进一步繁殖更新。因此,在该区通过工程整地措施种植试验,在丰水年土壤水分恢复正常大约需要10年;平水年土壤水分恢复正常大约需要15年;而干旱年土壤水分恢复正常大约需要20年以上。

图 3 柠条不同生长年限根系质量比例结构 Fig. 3 The proportion structure of root system weight of different ages of C.korshinskii 1.毛根质量Hair root weight; 2.侧根质量Lateral root weight;3.主根质量Main root weight.
4 结论

在黄土高原半干旱区柠条灌木的生长幼龄期为6年(从种植的1985—1990年),中龄期为7年(从生长的1991—1997年),14年以后(从种植的1985—1998年)柠条的生长已进入老龄期。凡采用工程整地种植的柠条从进入老龄期4年(1999—2002年)的生长过程看,由于积蓄了有限的天然降雨,丰水年生长良好,平水年生长一般,干旱年生长较差,有15.3%的植株干枯死亡;而对照区柠条进入老龄期生长缓慢,85%的植株老化衰退,尤其是在干旱年因土壤水分不足,已有75.8%的植株干枯死亡。从柠条灌木生长的不同时期0~800 cm土壤水分的变化可知,在幼龄期植株生长缓慢,主要利用天然降雨,而土壤水分仅作为补充利用;在中龄期因天然降雨补充不足,主要利用土壤深层水分,造成土壤深层水分严重亏缺,土壤干层不断加厚。在生长初期(3月中旬)土壤干层厚度为260 cm,生长中期(7月上旬)土壤干层厚度为240 cm,生长末期(10月上旬)土壤干层厚度为250 cm;在老龄期土壤干层不断加厚,随着生长季节的变化,在柠条年生长初期土壤干层厚度为100~750 cm,生长中期为80~760 cm,生长末期为80~780 cm。柠条灌木林水平阶种植生长前10 a主要利用土壤水分,10 a以后(中龄后期老龄前期)由于土壤水分亏缺严重,植株的生长主要靠天然降水。在丰水年生长季始末土壤0~800 cm储水量盈余44.82 mm,对照亏缺51.5~79.6 mm;在平水年土壤水分亏缺量为53.91 mm,对照亏缺量为103.64 mm;在干旱年土壤水分亏缺量为102.87 mm,对照亏缺量为153.32 mm。柠条灌木林在丰水年土壤水分的补偿深度为180 cm,对照为45 cm;平水年土壤水分的补偿深度仅为80 cm左右,对照为21 cm;干旱年土壤水分不仅得不到补偿反而大量消耗土壤深层的储水,使200~400 cm内土层的含水量比丰水年下降43~61 g·kg-1,比平水年下降23~45 g·kg-1,比对照下降66~74 g·kg-1。根据水平阶柠条主根、侧根和毛根的生长分配比例得出,在丰水年土壤水分恢复正常需要13年,平水年需要15年以上,而干旱年大约需要20年以上。而对照无论是丰水年、平水年还是干旱年都需要在20年以上。

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