陕北黄土区是我国黄土高原的重要组成部分, 生态环境极度脆弱, 水土流失最严重(土壤侵蚀模数1.6万t·hm^-2a^-1以上, 入黄沙量占黄河总输沙量的56%), 农村经济贫困(朱象三, 1990)。发展林业生产是改善生态环境、振兴农村经济的重要途径。但林业生产中一方面由于降水资源短缺, 土壤水分补给量有限, 蒸发量和林木蒸腾耗水量较大, 在林地土壤深层常出现干化现象, 使水分成为林业生产的首要限制因子(胡良军等, 2002；傅伯杰等, 1999)；另一方面林地生物量、覆被率与水资源的承载力不相适应, 常常由于过载使植被的水量平衡失调, 而造成植被生长衰退(侯庆春等, 1999；杨维西, 1996), 生态经济效益降低。但是, 要获得较好的生态经济效益, 就必须具有持续稳定的生产力, 也就必须遵循环境的气候生产力限制(主要是水分的限制), 追求过高的生产力, 短期内可以获得较高的经济效益, 但必然导致土壤水分的超限度耗损。林地土壤水分的承载能力已经成为当今科研的热门课题(孙长忠等, 1998)。杏树(Armeniaca vulgaris)抗寒抗旱、耐瘠薄、适应性强, 生态、经济效益高, 是该区近年来退耕还林和农村产业结构调整中大力推广的优良树种之一, 栽种面积已超过10万km²。研究分析自然降水及其转化的特点, 土壤水分补给、消耗与杏树生长的关系, 找出所能维持的适宜的生物量范围, 合理利用宝贵的雨水资源, 建立生物量、覆被率与土壤水分承载力和谐关系, 是实现该区杏产业持续发展的关键。这不仅可为黄土高原退耕还林还草和植被恢复提供重要的科学依据, 而且对促进区域生态、经济、社会的可持续发展, 防治林草地大面积土壤旱化, 具有重要的现实意义。

1987年可持续发展的概念提出后，承载力作为可持续发展的核心问题已逐渐得到国内外研究者的普遍认可与重视(Philip, 1966；David, 1999)。近年来, 由于我国干旱半干旱地区多年生人工林草地土壤旱化问题日益突出，严重影响了生态环境和植被建设的持续健康发展，人们提出了土壤水分植被承载力的概念(郭忠升等, 2003a; 2003b)。它是指某一区域的某种植物在生命期的1至多年内，在现有的条件下，以维护水分生态良性循环和可持续发展为前提, 当地土壤水分中雨水的补给量可支撑的植物群落健康生产或生长的最大数量，是用来限制植物生长的重要指标。

土壤水分植被承载力的内涵包括4个方面：1)它具有明显的空间性和时间性。不同地理分布区域如干旱区和湿润区雨水的分布不同, 不同地形、坡度、坡位、坡向雨水资源对土壤水分的补给量有明显差异, 故它只有针对某一特定的区域或生态系统才有实际意义；它仅代表某个特定时间段土壤水分补给量所能支撑的植被生产或生长的最大数量, 在未来, 随环境的治理、自然生态的逐步恢复, 气候发生变化, 土壤水分植被承载力会有所改变。2)它的大小与人类开发利用雨水资源的经济技术能力密切相关, 可以通过经济技术手段来提高植被承载力, 可以反映某种植被在单位面积上所能产生的经济价值。3)它是以维护水分生态良性循环和可持续发展为前提, 即植被对土壤水分的利用是可持续健康利用, 充分体现了可持续内涵。为维持生态系统良性循环, 满足人类对植物生产的需求标准, 植物群落对土壤水分的影响不能超出其承受能力。4)它反映的是土壤水分补给量所能支撑的植被生产或生长数量的阈值, 当植物生产或生长的最大数量超过承载力后, 土壤水分平衡被打破, 植物群落的生态经济效益下降。反之, 不能发挥该植被应有的生态经济效益。

土壤水分植被承载力的计算和评价方法较多, 可概括为数学模型模拟的粗略计算和根据土壤水分平衡原理的精确计算2类。前者如FAO1981年提出因水分限制所能实现的产量的估算办法¹⁾, 徐学选(2001)、孙中峰(2004)、田有亮等(2008)用植被生产力的水资源模型和Penman-Monteith方程模拟计算土壤水分植被承载力, 可节省时间、人力和经费, 但仅可笼统反映一定区域内某种植被类型的土壤水分承载力, 不能分别反映出黄土高原丘陵沟壑区各类复杂地形条件下某种植被类型的土壤水分承载力, 且精确度不高, 因而指导性不强；后者如郭忠升等(2003a; 2003b; 2004)根据水量平衡原理计算雨水资源中补给土壤的部分水量所能维持植物健康生长的植物个体最大数量, 马焕成等(2001)以土壤有效水分总量与树木单株水分消耗量的比值计算土壤水分最大承载力, 费时费力, 花费大, 但能够精确反映各类特定地形条件下某种植被类型的土壤水分承载力, 因而指导性较强。现实中, 必须将两者有机结合, 才能从宏观和微观2个层面上指导有限雨水资源的合理利用, 实现植被建设的可持续发展。考虑到陕北黄土丘陵沟壑区的地貌特殊性, 本文采用水量平衡原理法估算。土壤水分植被承载力的大小多用植株密度、生物量(产量)和叶面积指数表示。对于易用密度控制的乔灌木林(用材林、生态林)常用植株密度表示(David, 1999; 郭忠升等, 2003a; 2003b;马焕成等, 200 1), 更易于指导生产；对于复合植被, 则难以用密度表示, 宜采用叶面积指数表示(Xia et al.，2008) (田有亮等, 2008), 而对苜蓿(Medicago)等单一草地来说, 因其生物产量是当地草食畜牧业发展的基础, 用生物量表示则更加切合实际, 也便于生产上直观应用。对经济林而言, 枝稍生长和果实产量易通过农艺措施控制, 直观, 且对产业发展具有非常明显的指导作用, 故本文采用生物量(产量)表示。

1)山东农业大学农学院. 2005.农业生态学实验指导，10-15.

1 研究方法

试验在西北农林科技大学米脂县远志山试验基地进行。该基地位于米脂县东沟流域, 37°40 ′—38°06′N, 100°15′—110°16′E, 面积4.1 km², 土壤为黄绵土, 肥力很低, 有机质含量2.29 g·kg^-1, pH 8.91；年平均温度8.9 ℃, 年平均降雨量420.2 mm, ≥10 ℃积温3 470 ℃, 日照时数2 716 h, 无霜期160~170天；坡度25~40°, 海拔951~1 029 m。杏树定植于1999年春季, 株行距3 m×4 m, 品种有梅杏、华县大接杏、凯特杏和胭脂红杏等。

在试验基地的半山腰选定台地和缓陡坡地2种代表性立地杏树(表 1), 即：Ⅰ.台地杏树，Ⅱ.坡地杏树。各修建长12 m、宽8 m的小区7个, 每小区8株, 挑选3株作为测定样株, 树下各安置标准雨量器1个, 测定树下降雨量, 小区边缘空旷地安置雨量器4个, 测定林外降雨量, 在坡地每小区修建1个简易径流场, 用于收集地表径流。于干旱严重的5月中旬和6月中旬进行不同数量的浇水处理, 2种坡度各小区的浇水量均为0，30，60，90，120，150，180 mm, 研究土壤水分补给、消耗与杏树生物量的关系, 计算出土壤水分的植被承载力。土壤水分采用CNC 503B(DR)型智能中子水分仪测定。在径流场中心和样点安置2个相距10 m的6.3 m和4.3 m中子仪套管, 测定前对中子仪进行了标定, 标定方程为y=52.887x-0.302 7(R²=0.934 4，n=30)。测定深度为0~600 cm, 每月测定1~2次, 每20 cm记录1次。多年气象资料来源于米脂县气象局。冠幅取东西－南北量, 求算平均树冠面积；郁闭度=平均树冠面积×株数/土地面积；冠层截留量=(林外降雨量-树下降雨量)×郁闭度；林冠截留率=林冠截留量/林外降水量×100%；自然降水的土壤水分补给量=Σ林外降水量-Σ林冠截留量-Σ地表径流量-Σ深层渗漏；土壤水分消耗量(蒸发散)=Σ前期土壤储水量-Σ末期土壤储水量+Σ期间降雨的土壤水分补给量。生长季总生物量=叶生物量+新生枝生物量+茎杆生物量+果实产量。叶生物量=样株叶片总数×单叶均重；新生枝生物量=新生枝总数×单枝均重；茎杆生物量采用(王维枫等，2008)提出的相对生长法求得。

2 结果与分析 2.1 天然降水与土壤水分补给 2.1.1 天然降水的分布特点

对米脂县1976—2007年降雨量和产流次数的统计结果表明, 降水的年际变化较大, 最大降雨出现在1978年, 降水量为692.6 mm, 最小年为1 993年的239.4 mm, 平均为420.2 mm, 降水年际变率为17.3%(图 1), 丰水年占30.0%, 平水年占40.0%, 欠水年占30.0%(郝明德等, 2003)。2005年降水量为312.9 m m, 低于多年平均值, 为欠水年, 2006年降水量为500.9 mm, 高于多年平均值, 为丰水年, 2007年降水量为401.2 m m, 为平水年。次降雨最大值为2001年8月18日的103 mm。多年平均产流3.5次, 最多为19 78年的10次, 最少为1999年的1次。2005年为2次, 低于多年平均值, 2006年为5次, 多于平均值, 20 07年3次, 与平均值接近。

降水的季节分配如图 2。降水季节性分布不均匀, 相对利用率低。一是降水多以暴雨形式出现, 强度大, 几场大雨占全年降雨量的绝大部分, 如2006年8月30日1次降雨77.7 mm, 占全年降水量的15.5%, 但大部分形成超渗产流。在这样少的降水条件下每年有相当一部分降水形成径流流失。二是无效降水次数多(连续24 h降水低于10 mm), 1976— 2007年平均无效降水次数62次, 平均每年有143 mm是无效降水量。多年平均1 —3月降水量稀少, 占年降水的4.8%, 4月和5月降水量分别占5.0%和7.8%, 干旱严重。降水主要集中于6—9月, 占降水量的74.3%。10—12月占年降水量的8.1%。不同降水年份1—4月的降水量相近, 杏树萌发至初始生长的水分条件相似；5—7月3个月, 杏树枝稍生长和果实膨大的水分条件差异较大；8—10月和11—12月, 杏树生长后期的水分条件差异较小。

2.1.2 降水量与土壤水分补给

自然降水是陕北黄土区林地土壤水分的唯一补给项。降水到达林地时, 部分被冠层截留, 部分被直接蒸发, 部分渗入土壤, 部分沿坡面流失。降雨时空气湿度大、温度低, 直接蒸发量很小, 忽略不计；而黄土区土层深厚, 地下水埋深超过60 m(李玉山, 2002；刘贤赵等, 2002), 难以上移补给, 在有植被参与的情况下, 多雨年份降水入渗不超过2 m, 深层渗漏可以忽略不计。观测结果表明：林冠截留量受降雨量和生育期的影响，次变化在0.3~11.6 mm, 林冠截留率变化在2.5%~68.0%, 平均27.2%。观测期内实验地共产流8次(台地忽略不计)。2005年欠水年, 杏林地产流3次, 地表径流量28.1 mm, 占降雨量的9.24%；2006年丰水年, 产流5次, 地表径流量61.5 mm, 占降雨量的13.59%；2007年平水年, 产流4次, 地表径流量45.2 mm, 占降雨量的11.41%。2007年4月1日—11月15日台地杏林和坡地杏林的土壤水分补给量分别为279.2和251.4 mm, 比2006年分别低6 1.0和72.6 mm, 比2005年分别高63.2和52.2 mm。

从表 1可以看出：影响土壤水分补给的主要因素是天然降水, 其次是林冠截留损耗, 坡地杏林的地表径流量也有较大影响。将试验地(浇水量为0)2005—2007年的阶段土壤水分补给量与降水量进行回归分析, 结果表明：自然降水条件下，台地杏林地降雨量(P)与根层土壤水分补给量(SWS)的关系为：SWS=1.241 3P+18.325, 相关系数为0.977 4；坡地杏林地降雨量(P)与根层土壤水分补给量(SWS)的关系为：SWS=1.411 4P+ 9.882 2, 相关系数为0.768 2。

2.2 土壤水分补给与生物量的关系

杏树生物量的大小，不仅能够直观地反映杏树当年的果实产量高低，而且能够反映次年生产潜力。在陕北黄土区，水分是限制杏树生长发育和结实的主要因子，水分供应(补给)充足，杏树枝稍生长量大，果实个大，产量高，花芽量大，芽饱满，次年生产潜力大；反之，枝稍生长量小，树势弱，产量低，生长衰退。晚霜冻害是影响杏树生物量(产量)1个非常重要的因子。因此，研究土壤水分补给与杏树生物量的关系，必须要有多年的试验资料，才能减小不同降水年份和晚霜造成的误差。杏树在1个生长季的地上部总生物量包括叶生物量、新生枝生物量、茎杆生物量、果实产量等。在立地条件和降雨量相同条件下, 调整土壤水分补给量则必然引起生物量的改变, 而生物量的变化则会引起林地的冠层截留量、地表径流量的变化, 造成自然降水补给量的改变(刘增文等, 1995；孙长忠等, 1998；王彦辉等, 1998；王克勤等, 2002a; 2002b)。试验结果表明：在陕北黄土区自然生态条件和适度灌水条件下, 杏树生物量的提高与灌水量的增大线性正相关, 台地杏树灌水量与生物量的关系式为：W= 8.558 7x+4 396.2，R²=0.989 1；坡地为：W=6.078 2 x+3 132.2，R²=0.993 5。本试验是在杏树生长发育缺水的环境下进行的，在杏树地土壤水分供应量能够满足杏树生长需求的条件下灌水量的增加未必会引起生物量的线性增大。在干旱缺水条件下，灌水量的增加能够促进植株的生长，改善植株的土壤水分环境，从而对冠层截留量、地表径流量、降水入渗速率等产生影响，因此灌水量并不就是土壤水分补给量的增加量。将试验地2005—2007年不同处理的土壤水分补给量与对应的生物量进行回归分析，结果表明：台地杏林地土壤水分补给量(Y补)与生物量(W)的关系为W=9.891 9Y_补+1 540.3，R²=0.937 6(表 3)，坡地杏林地土壤水分补给量(Y_补)与生物量(W)的关系为W=7.641 9 Y_补+1 024.1，R²=0.936 9(表 3)。杏树生物量的大小除了与生长季土壤水分补给总量密切相关外, 还与杏树不同生育期土壤水分补给分配量有关。初夏果实膨大期、新稍旺长期土壤水分供应增大, 生物量增加幅度大, 而萌芽期、开花期、花芽分化期和采收期土壤水分补给量增大, 生物量增加幅度较小, 新稍2次生长停止后土壤水分补给量的大小对当年生物量大小影响不大，但对来年的杏树生长发育有较大影响。

2.3 土壤水分消耗与生物量的关系

杏林地的土壤水分一方面不断得到自然降雨入渗的水分补给, 另一方面又被植物蒸腾利用和蒸发消耗。若生物产量过高, 土壤水分则过度消耗, 土壤的水分平衡破坏, 造成土壤干燥化, 但如果生物量过低, 水分的利用率降低, 生态经济效益差。因此，只有正常生长发育的耗水量和水分供应量的相互协调, 土壤水分收支平衡, 杏树才能得到持续发展。生物产量大则耗水量大。不同灌水处理后杏树地的蒸腾蒸发量也必然发生改变，灌水量增大，杏树生物量增大，蒸腾蒸发耗水量也会相应地增大。将试验地2005—2007年0~500 cm土层土壤水分消耗量与对应的生物量进行回归分析，可得到台地杏林地土壤水分消耗量与生物量的关系为：Y 耗=0.000 01W²-0.06W+315.04，R²=0.935 9，坡地杏林地土壤水分消耗量与生物量的关系为：Y_耗=0.000 01W²-0.025 1 W+195.61，R²=0.928 2(表 4)。

2.4 土壤水分植被承载力

根据土壤水分植被承载力的定义, 如果获得一定条件下某种植被土壤水分补给量与植物生长之间的定量关系和土壤水分消耗量与植物生长之间的定量关系，满足土壤水分消耗量等于补给量时，植物的群落密度即为该条件下土壤水分植被承载力。将土壤水分补给量和生物量的关系式与生物量和土壤水分消耗量的关系式联立方程组，即可求得本研究中台地杏林地和坡地杏林地的土壤水分可承载的生物量。

台地：

(1)

坡地：

(2)

解方程组(1)可求得, W₁=3 728, W₂=11 751 (远超出试验条件下所能达到的上限值舍去), 即台地土壤水分可承载的杏树地上部生物量为3 728 kg·hm^-2 ；解方程组(2)可求得, W₁=2 423, W₂=12 346 (远超出试验条件下所能达到的上限值舍去)，即坡地土壤水分可承载的杏树地上部生物量为2 423 kg·hm ^-2。

对2种立地条件下杏树地上部生物量的各项内容进行计算分析, 结果表明:叶、新生枝和茎杆共计占年总生物量的80.4%, 果实产量占年总生物量的19.6%, 果实含水率为84.5%。台地杏林地适宜的果实产量为4 714 kg·hm^-2, 坡地杏林地适宜的产量为3 064 kg· hm^-2。

土壤水分植被承载力由土壤水分补给量和土壤水分消耗量共同决定的。凡是影响土壤水分补给和消耗的因素都会影响土壤水分植被承载力的数值大小。其包括客观因素和主观因素2个方面：客观因素主要是气候条件(降水分布、降雨量及其强度)、土壤条件、地形条件(坡形、坡度、坡位、坡向等)和植被类型等, 主观因素主要是抚育管理水平。在本研究中, 试验小区在同一位置, 气候条件和土壤条件的影响可以不考虑, 植被均为杏树, 且各个试验小区的管理水平相同, 所以植被的影响也可不考虑, 试验小区选择的地形为台地和26°坡地, 可以代表陕北黄土区杏树栽培的一般情形。土壤水分条件是植物生长发育的基础, 在一定条件下, 土壤水分补给量增加, 利于承载较大的植物群落生产和生长数量；整修水保工程等措施可以抑制径流、促进下渗, 增加雨水对土壤水分的补给量, 有助于土壤水分承载力的提高。而植物群落生产和生长数量的提高由必然要消耗更多的土壤水分, 所以针对植物生长发育特点, 提高水分利用效率是提高土壤水分承载力的重要环节，杏树生产中可以通过修剪、保墒、花果控制、生长激素等措施合理利用雨水资源, 实现杏产业的可持续发展。

3 结论

在降雨量少、水土流失严重的陕北黄土丘陵沟壑区, 杏林地土壤水分补给量与降水量呈正相关关系, 台地杏林地关系式为：SWS=1.241 3P+18.325, 坡地杏林地关系为为：SWS =1.411 4P+9.882 2, 杏树林冠平均截留率27.2%, 坡地杏林地表径流量平均占降雨量的11.4%。

在立地条件和降雨量相同条件下, 增加土壤水分补给量，能够引起杏树生物量的提高。试验地结果表明：台地杏林地土壤水分补给量(Y_补)与生物量(W)的关系为W= 9.891 9Y_补+1 540.3, 坡地杏林地土壤水分补给量(Y_补)与生物量(W )的关系为W=7.641 9Y_补+1 024.1。

不同灌水处理后杏树地生物量增大, 蒸腾蒸发耗水量也会相应地增大。试验结果表明：台地杏林地土壤水分消耗量(Y_耗)与生物量(W)的关系为：Y_耗=0.000 01 W²-0.06W+315.04；坡地杏林地土壤水分消耗量与生物量的关系为：Y_耗= 0.000 01W²-0.025 1W+195.61。

土壤水分补给量(Y_补)、消耗量(Y_耗)与杏树生物量(W)大小密切相关, 台地杏林地土壤水分补给量与杏树生物量(W)的关系为：Y_补=0.096 6W -130.85；坡地杏林地关系为：Y_补=0.123 6W-106.53。台地杏林地土壤水分消耗量与生物量的关系为：Y_耗=0.000 01W²-0.06W+315.0 4, 坡地杏林地的关系为：Y_耗=0.000 01W²-0.025 1W+195.61。

土壤水分承载力是指某一区域的某种植物在生命期的1至多年内，在现有的条件下，以维护水分生态良性循环和可持续发展为前提, 当地土壤水分中雨水的补给量可支撑的植物群落健康生产或生长的最大数量。陕北黄土区台地土壤水分可承载的杏树生物量为3 728 kg ·hm^-2, 坡地为2 423 kg·hm^-2；台地杏林地适宜的果实产量为4 714 kg·hm^-2, 坡地杏林地适宜的产量为3 064 kg·hm^-2。建议杏树生产中综合应用水保工程、修剪、保墒、花果控制、生长激素等措施，平衡利用雨水资源, 实现杏产业的可持续发展。