黄土高原植被恢复过程土壤干层问题探析

魏佳英 冯丽 莫保儒 蔡国军

一、引言

黄土高原地区土壤干化现象最早发现于20 世纪60 年代，90 年代引起生态学、土壤学、地理学和林学领域的广泛关注，许多学者就其发生的机理、分布、危害及防治对策进行了大量研究。在黄土深厚的干旱半干旱地区，自然降雨是土壤水分唯一补给途径，也是植被生长所需水分的唯一来源，受强蒸发和降雨不足的影响，水分成为该区域生态恢复与植被重建的关键制约因素。植被群落与土壤水分的相互作用关系一直是黄土高原植被建设的核心科学问题，从土壤干层形成直接原因分析，在黄土高原严重的干旱条件下，林草植被不能从天然降水中获取足够的水分，为了维持其正常生长的需要，必然要吸收深层土壤的水分，在林草植被长期过度耗水的情况下，土壤含水量长时间处于极度亏缺状态，甚至达到或接近凋萎湿度，最终导致土壤干化形成土壤干层。土壤干层是黄土高原气候向干热方向发生演变及人工超自然植被选择结果，它对植被的更新、演替和形成稳定群落存在什么样的影响等方面，长期以来一直存在广泛争议。存在这种争议的可能原因是研究对象的复杂性所致，这种复杂性包括研究对象所处时空尺度、干扰因素及强度（自然和人为两个方面）、系统结构及组成等，加之具体研究者在研究方向、方法上的诸多差异，使得土壤干层研究进展缓慢，研究成果尚不系统。本研究从更广更深的事物发展角度，更长更宽的时空尺度去思考，综述土壤干层研究的最新进展，分析土壤干层研究的趋势，进而探讨土壤干层科学问题，促进土壤干层与植被持续健康的研究，探索干旱半干旱人工植被的生态水文过程，为黄土高原植被恢复与生态文明建设提供服务。

二、黄土高原人工植被土壤干层普遍性

世界上很多地区有土壤干层的相关研究和报道，但由于我国黄土高原堆积土层厚，干层分布面积广，生长季气候干热，加上大规模的人工植被建植，使得该区土壤干层的研究更具典型性和代表性。从黄土高原的形成与气候变迁分析，它的存在有其必然性，黄土高原几乎所有的人工乔、灌林和紫花苜蓿等多年生豆科牧草都存在不同程度的土壤干燥化，乡土树种林地也存在干层现象。杨文治等在陕西北部延河流域调查，发现发育8～9 年的人工刺槐林400 厘米土层范围土壤水分几乎低于凋萎湿度。万素梅等在陇东甘肃省农科院镇原站，测定苜蓿草地土壤干层出现深度达到600 厘米土层范围，而且随生长年限的增加，土壤干燥化程度会进一步加剧。殷淑燕等在陕西渭北监测到旱地苹果园土壤干层相当广泛，且严重影响苹果质量和产量。王力等在延安试区发现刺槐人工林地普遍存在土壤干层。赵玉娟等在延安测定油松人工林地土壤干层深度达到1000 厘米。赵景波等在西安蓝田测定12 年生杨树林和梧桐林360 厘米土层范围形成发育弱的长期性土壤干层，这说明土壤干层在黄土高原南部的关中地区也存在。李军等在黄土高原南部半湿润森林区的长武、子午岭和洛川，中部半干旱森林草原区的定西、固原和安塞，北部半干旱典型草原区的海原等7 个点实地测定，发现林地和草地土壤干燥化指数平均值为39%和42%，均属于严重干燥化强度。牛俊杰等对山西汾河上游静乐、娄烦和岚县的近30 年生杨树、杏树林调查发现，土壤剖面存在明显的土壤干化层。杨磊等在甘肃定西龙滩流域，监测到不同人工植被均存在不同程度的土壤干层，其中柠条、油松和山杏林地土壤干燥化程度最为严重；山毛桃林地和紫花苜蓿地出现轻度土壤干层；侧柏林地土壤干层主要集中在20～100 厘米土层。由此可见，人工植被土壤干层广泛分布于我国黄土高原干旱、半干旱及半湿润地区。

三、对黄土高原植被土壤干层的认知

关于土壤干层概念被广泛认可的是，在多年平均降水有效补给层以下，因植被土壤深层耗水不能被及时和有效补偿，在一定土层剖面范围土壤水分低于土壤稳定湿度甚至凋萎湿度。其湿度上限是土壤稳定持水量，土壤稳定持水量在数值上相当于田间持水量的50%～80%。黄土高原造林树草种多为抗逆性较强的乡土种，尤其是抗旱性强的树草种，一直以来都是植被建设的主要树草种，如乔木中的山杏、刺槐、柠条、侧柏和油松等，灌木中的柠条、山毛桃和红柳等，草本植物中的紫花苜蓿和红豆草等。抗旱性强的树草种在一般干旱年份能维持其群落的正常生长发育，在极端干旱年份也能生存下去。这是因为此类树草种一般都有发达的根系，根据调查，抗旱性极强的树草种是造成该区域严重土壤干层发生的主要因素，甚至可使局部范围的土壤含水量低到凋萎湿度以下。这是因为极抗旱树草种与土壤水分环境之间发生着超强水分交换作用，群落对“土壤水库”的超度吸收和利用，导致土壤剖面一定范围土壤湿度低于凋萎湿度，形成严重的干层。

事实上，土壤干层是植被-土壤-大气多界面、多尺度水分过程相互作用的结果，土壤干层会减缓土壤水分垂直方向的交换，这说明在植被的作用下，造成当年降水垂直入渗的补给能力不足，导致土壤水分环境恶化、植被退化、群落生产力降低等，从而使植被生态功能降低甚至消失。例如在半干旱区种植10 年以上的人工杨树林，土壤干层出现后逐步成为“小老头树”，其固碳、释放二氧化碳等生态效益不明显甚至丧失。黄土高原人工植被群落，若遇极端干旱，将会对植物和群落发育造成不可逆的危害。大多数研究者认为，土壤干层的存在会导致“土壤水库”功能减弱、土壤环境恶化、土壤质量降低、植被退化或大规模死亡、土地生产力降低等，进而影响植被的水土保持、水源涵养、水文调节、固碳等生态系统服务功能。但也有研究者认为，土壤干层的本质是黄土高原气候向干热变迁的必然结果，更是气候干热变迁和植被相互作用的必然结果，土壤干层的出现预示着人工植被生态系统演替为退化方向。土壤干层的存在是自然界一种普遍现象，截至当前人们对土壤干层仍缺乏科学的认知，正如任何植被生态系统都存在限制其进一步发育的环境因子。事实也证明，黄土高原人工植被建设极大缓解了该区域严重的水土流失，同时也发挥着越来越重要的生态防护功能。尤其是近二十年国家实施退耕还林还草等大面积国土绿化工程，有效改善了区域生态环境，提升了人工植被生态多功能服务能力。全国遥感数据也表明，黄土高原是我国植被覆盖增加最为明显的区域，人工植被已成为黄土高原大尺度生态系统重要的组成部分。

四、黄土高原人工植被的经营策略

（一）强化系统管理的观念：黄土高原人工植被的经营理念必须基于人工植被群落与其生态因子系统性和整体性之上，尤其是土壤水分作为区域植被群落发育的限制性因子，对人工植被的长期作用，在区域气候演变的背景下进行系统演化，直接影响人工植被的生态功能提升。人工植被生态系统水分过程要从时空多尺度去解读，并基于山水林田湖草系统治理的理念，通过科学规划和系统管理，实现区域林草植被健康维持和功能提升。

（二）强化植被群落结构调控：总结当前乔灌草耦合机制研究和实践，从长期来看，对人工植被密度的均匀调控，不会减轻群落个体之间的竞争强度，从而达到缓解群落发育与土壤水分不足之间的矛盾。有效途径应该是通过非均匀、斑块内高密度植被建植，增强群落个体和种群之间的竞争强度，以控制种群进一步发育，控制植被水分利用总量，降低植被对深层土壤水资源的超强利用，同时林窗区土壤水分能对林斑区形成有效的补给，提高“土壤水库”对植被供水的弹性和能力。

（三）植被物种多样性及选择：人工植被生态系统物种的多样性是其适应自然选择的物质基础，本文认为黄土高原人工植被建植物种过分单一，是造成植被退化和生态功能降低的最重要原因。目前，人们逐渐开始认识并强调林草植被物种的多样性和基于空间配置的耦合模式选择。选择物种除了考虑物种的适应性外，还要明确各混交林草物种对土壤水分的利用策略，分析不同林草物种间的生态位错位关系，作为选择林草物种的理论基础。采取以耐旱的乡土灌木树种、针叶乔木树种为主，引进物种为辅的植被建植途径，通过林草空间配置的非均一植被斑块内部竞争来控制群落超限发育，减缓土壤干燥化程度，提升人工植被健康水平，以应对未来气候干热化演变的趋势。

（四）尊重人工植被演化规律：黄土高原土壤干层是气候向干热化方向演变的必然现象，是导致自然植被演替的直接原因之一，人工植被激发并强化了土壤干层的形成。人类干扰和破坏因素可以危害甚至中断植被生态系统的演化进程，在黄土高原生态建设的实践中，人类因素一直是推动植被建设的主要动力。人类促进植被恢复活动，必须依据植被地带性分布的原理，选择植被建植模式时一定要满足特定区域水热条件的制约。黄土高原土壤干层的形成并不仅仅体现了植物耗水与土壤干旱间的矛盾关系，它还反映了气候变迁对植被演替的影响。黄土高原人工植被建设应加强对天然植被格局修复、提升具有系统水循环功能的植物识别、植物吸收水分策略及优化途径等方面的实践与研究。

五、未来和展望

（一）针对黄土高原土壤干燥化的研究多为空间尺度不同植被类型之间的调查和比较研究，对于深层土壤水分的动态缺乏长期的监测和模拟研究，尤其是持续丰水年份和持续欠水年份深层土壤水分的有效性和调节作用还不明确，探明深层土壤水分支撑植被稳定性及健康发育的作用，对于人们正确认知土壤干层和人工植被非常重要。

（二）经过充分发育的人工植被与其土壤水分环境已成为一个统一的整体，土壤干层是其植被生态系统的有机组成部分，黄土高原人工植被土壤干层现象具有普遍性和必然性，揭示植被群落与土壤干层之间的作用机理，制定协调他们矛盾关系的调控方案，对于实现黄土高原人工植被科学经营管理至关重要。