黃土丘陵區(qū)人工刺槐林生長(zhǎng)與土壤含水量的關(guān)系

黃土丘陵區(qū)人工刺槐林生長(zhǎng)與土壤含水量的關(guān)系

蝗蟲(chóng)林是洛杉磯高原半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)植被恢復(fù)和重建的主要人工林之一。作為一種典型的中生樹(shù)種，它不僅適合潮濕肥沃的土壤，而且適合干燥、不育的土壤。適應(yīng)性和抗逆性（中國(guó)樹(shù)木雜志編纂委員會(huì)，1976）。在20世紀(jì)70年代末到80年代初,陜北黃土高原從南到北進(jìn)行了大面積的栽植,對(duì)改善這一地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、防治水土流失,乃至調(diào)節(jié)黃河流域的水文狀況發(fā)揮了重要作用。但到20世紀(jì)90年代以來(lái),陜北黃土高原南北人工刺槐林群落的生長(zhǎng)出現(xiàn)了明顯的區(qū)域分異。大約以延安為界,南部的黃陵、宜君等地刺槐林群落生長(zhǎng)基本正常,不僅林木本身仍保持著較好的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì),而且林下草灌結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯的改觀,說(shuō)明群落在逐步按正向演替的規(guī)律發(fā)展,其結(jié)構(gòu)和功能正在不斷的完善,并繼續(xù)發(fā)揮著生態(tài)防護(hù)和保持水土的作用。相反,延安以北大部分地區(qū),刺槐人工林群落卻出現(xiàn)了大面積衰敗的現(xiàn)象(馬玉璽等,1990;郭小平等,1998;侯慶春等,1999)。同時(shí),這些地區(qū)相應(yīng)林地土壤也出現(xiàn)了嚴(yán)重的退化,深層土壤含水量產(chǎn)生了嚴(yán)重虧缺,在1.6～2.0m以下出現(xiàn)了持續(xù)性的干化層。調(diào)查發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)衰退現(xiàn)象的人工刺槐林地深層土壤都有程度不同的水分虧缺,有些樣地3～5m平均土壤含水量已接近萎蔫含水量,嚴(yán)重地影響到了人工刺槐林的持續(xù)生長(zhǎng)(楊維西,1996;楊文治等,1998;王克勤等,2002;李裕元等,2001;王力等,2001)。那么,陜北黃土高原南北人工刺槐林生長(zhǎng)出現(xiàn)明顯的區(qū)域分異現(xiàn)象以及產(chǎn)生相應(yīng)的干化層是該地區(qū)特定氣候條件下的必然結(jié)果,還是不合理的人工林經(jīng)營(yíng)和管理方式造成的?對(duì)此,有的學(xué)者從植被分區(qū)的角度出發(fā),認(rèn)為延安以北屬于森林草原區(qū),其降雨量條件難以滿足耗水量大的喬木林(如人工刺槐林)對(duì)水分的需求;也有學(xué)者認(rèn)為人工林衰退和土壤干化層的出現(xiàn)是林木不合理利用經(jīng)營(yíng)的結(jié)果,如栽植密度過(guò)大,對(duì)群落的生產(chǎn)力要求過(guò)高,當(dāng)植被生產(chǎn)力超出了其土地承載能力時(shí),必然要造成群落生長(zhǎng)不良甚至衰退的后果?；谝陨犀F(xiàn)象,本研究試圖通過(guò)對(duì)南北6個(gè)地區(qū)典型樣地的人工刺槐林進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查和樹(shù)干解析,分析林木在其生長(zhǎng)期內(nèi)的樹(shù)高、胸徑、材積等指標(biāo)的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì),并結(jié)合相應(yīng)的土壤含水量資料和降雨?duì)顩r,探討林木生長(zhǎng)過(guò)程和土壤含水量狀況之間的相互關(guān)系,特別是林木生長(zhǎng)耗水對(duì)土壤干化現(xiàn)象的影響,說(shuō)明土壤干化的形成原因和形成機(jī)理。1材料和方法1.1分布廣大大種類齊全刺槐在陜北黃土高原廣泛分布,是唯一南北都有生長(zhǎng)的樹(shù)種,而且面積大,種類齊全。因此,以刺槐為研究對(duì)象,便于對(duì)比分析陜北黃土高原從南到北的土壤含水量虧缺狀況,從而有利于從整體上搞清楚陜北黃土高原土壤干化問(wèn)題的嚴(yán)重程度和分布規(guī)律。1.2土壤含水量測(cè)定階段2002年7月至2001年10月從南到北選取人工林標(biāo)準(zhǔn)地,在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)用打土鉆法進(jìn)行取樣,取樣深度為5m,取樣時(shí)間為1999年6月和10月,是一年中土壤含水量變化最為活躍的時(shí)期。土壤含水量的測(cè)定用105℃烘干法,0～100cm以10cm為一個(gè)層次,100～500cm以20cm為一個(gè)層次,共30個(gè)層次。1.3面區(qū)分法面區(qū)分法對(duì)人工刺槐林進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查,按群落常規(guī)調(diào)查法進(jìn)行各株樹(shù)胸徑、樹(shù)高等指標(biāo)的記測(cè),并對(duì)平均標(biāo)準(zhǔn)木作樹(shù)干解析。采用中央斷面區(qū)分法,區(qū)分段為1m,即在高度為0、0.4、1.3、2.3、3.3、4.3m等(依次類推,直到樹(shù)梢)區(qū)分段處各取一個(gè)圓盤(pán),最后一段不足1m為梢頭,各圓盤(pán)的徑向生長(zhǎng)是量測(cè)東西向和南北向生長(zhǎng)的平均值,材積計(jì)算是由各分區(qū)段材積累加,求得總蓄積量;同時(shí),計(jì)算各指標(biāo)的連年生長(zhǎng)量、平均生長(zhǎng)量以及材積生長(zhǎng)率、胸高斷面積(用以反映林分的栽植密度)。2結(jié)果與分析2.1樣地生長(zhǎng)季含水量從圖1可知,樣地宜君人工刺槐林生長(zhǎng)明顯優(yōu)于另外5個(gè)地區(qū),這主要是因?yàn)橐司耐寥篮織l件明顯優(yōu)于其它樣地的緣故。方差分析的結(jié)果表明,人工刺槐林在整個(gè)生長(zhǎng)期的樹(shù)高生長(zhǎng)與其它地區(qū)呈極顯著差異(表4),而其它地區(qū)之間的差異則不顯著或顯著性較低。進(jìn)入中齡林以后(10a后),林分樹(shù)高生長(zhǎng)出現(xiàn)了較明顯的分異,方差分析的結(jié)果表明(表5),除富縣與安塞之間差異不顯著,綏德與米脂之間差異不顯著外,各樣地之間的差異顯著性明顯提高,都達(dá)到了極顯著的水平。說(shuō)明這幾個(gè)樣地之間在整個(gè)生長(zhǎng)期差異顯著性較低主要是由于刺槐在幼齡階段(0～6a)生長(zhǎng)差異不大造成的。從表1可知,宜君年均降雨量為710.5mm,經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季后,5m土層10月儲(chǔ)水量達(dá)到850.03mm(表10),高于其年均降水量,說(shuō)明宜君的水分條件不僅能滿足刺槐良好高生長(zhǎng)的需要,而且不會(huì)造成深層土壤含水量的嚴(yán)重虧缺。表2為6樣地6月份和10月份5m土層含水量。從表可以看出,6月份宜君樣地5m土層含水量整體接近或高于其田間穩(wěn)定持水量(126.0g·kg-1),基本沒(méi)有形成土壤干層。10月份,0～2m土層含水量得到明顯的恢復(fù),土壤含水量已達(dá)200.0g·kg-1,接近田間持水量(210.0g·kg-1)的水平;而3～5m土層土壤含水量有所下降,形成了輕度干層,主要是因?yàn)榇袒痹谏L(zhǎng)季內(nèi)向深層土壤吸收水分造成的,但由于上層土壤含水量較高,在生長(zhǎng)季過(guò)后,土壤含水量可以得到有效的恢復(fù),達(dá)到田間穩(wěn)定持水量的水平。樣地富縣年均降雨量為569.5mm,經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季后,5m土層10月儲(chǔ)水量達(dá)664.66mm,高于其年均降水量,但土壤含水量主要儲(chǔ)存于0～2m土層內(nèi),3～5m深層土壤含水量只有89.0g·kg-1左右,相比6月份的80.0g·kg-1有所恢復(fù),但仍低于其田間穩(wěn)定持水量(125.4g·kg-1),說(shuō)明深層土壤形成了干化層,并且影響到了刺槐的高生長(zhǎng),22年生平均樹(shù)高僅達(dá)7.8m。吳旗、安塞、綏德、米脂4樣地年均降雨量相差不大,約在495.3～450.7mm之間,經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季后,5m土層10月儲(chǔ)水量均低于其相應(yīng)的降水量。相比6月份,10月份土壤含水量有所增加,但不管是深層還是淺層,土壤含水量均低于其相應(yīng)的田間穩(wěn)定持水量(見(jiàn)表3),O～2m淺層土壤含水量?jī)H占田間穩(wěn)定持水量的70%左右,形成了輕度干化層;而深層土壤儲(chǔ)水則存在嚴(yán)重的虧缺,3～5m土層含水量低于田間穩(wěn)定持水量的50%,形成了嚴(yán)重的干化層。同時(shí),4樣地刺槐平均高分別僅為5.9、7.9、4.5和4.6,屬于低產(chǎn)低效林,說(shuō)明4樣地的降雨條件整體不足,不能滿足刺槐這類耗水性較強(qiáng)的植物高生長(zhǎng)的需求。因?yàn)?樣地不僅深層土壤形成了干化層,而且淺層土壤含水量在經(jīng)過(guò)雨季后仍不能得到有效的恢復(fù),屬于不適合刺槐林生長(zhǎng)區(qū)。樣地綏德和米脂之間由于降雨量接近,土壤儲(chǔ)水接近,因此沒(méi)有造成其樹(shù)高生長(zhǎng)明顯差異。樣地安塞降雨量和土壤儲(chǔ)水均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于富縣,但沒(méi)有造成樹(shù)高生長(zhǎng)的差異,其原因在下文討論。除宜君之外其它各樣地在幼齡階段差異不顯著,主要是由刺槐的生物學(xué)特性決定的。2.2不同樣地樹(shù)高生長(zhǎng)狀況圖2是不同樣地間胸徑生長(zhǎng)狀況比較。方差分析可知(表6),樣地宜君與其它樣地之間胸徑生長(zhǎng)呈極顯著差異,而其它樣地之間的關(guān)系較為復(fù)雜。在幼林階段,除宜君之外的其它樣地之間胸徑生長(zhǎng)沒(méi)有明顯的規(guī)律,安塞、富縣、吳旗3地胸徑生長(zhǎng)速度較快,但進(jìn)入中齡林以后,安塞樣地胸徑生長(zhǎng)速度趨緩,明顯低于富縣、吳旗2地。根據(jù)前文分析,安塞樣地的樹(shù)高生長(zhǎng)較好,優(yōu)于除宜君之外的其它樣地,但胸徑生長(zhǎng)卻較差,說(shuō)明安塞的整體水分條件不能同時(shí)滿足胸徑和樹(shù)高優(yōu)良生長(zhǎng)的需要,這就說(shuō)明了在水分條件明顯差于富縣的情況下兩地樹(shù)高生長(zhǎng)差異不顯著的原因。富縣、吳旗、綏德3地刺槐胸徑和樹(shù)高的生長(zhǎng)狀況都處于中等狀態(tài),平均胸徑分別僅為7.9、6.3、6.5cm,但如前所述,吳旗、綏德2地降雨量較低,不僅淺層土壤形成了干化層,而且土壤深層儲(chǔ)水在被消耗之后亦沒(méi)有得到有效恢復(fù),形成了程度嚴(yán)重的干化層;富縣樣地由于降雨量較多,淺層土壤含水量經(jīng)過(guò)雨季之后得到了有效恢復(fù),但深層土壤形成了輕度干化層。米脂樣地刺槐胸徑和樹(shù)高生長(zhǎng)都很差,平均胸徑只有5.8cm,且深層土壤形成了嚴(yán)重的干化層,說(shuō)明其水分條件不能夠滿足刺槐正常生長(zhǎng)的需要。綏德與米脂樣地樹(shù)高生長(zhǎng)差異不顯著,但胸徑生長(zhǎng)差異達(dá)顯著水平,說(shuō)明2樣地之間降雨量和土壤含水量條件的差異主要導(dǎo)致人工刺槐林胸徑生長(zhǎng)的分異;同時(shí)表明,在陜北黃土高原特殊的半干旱氣候條件下,水分對(duì)植被生長(zhǎng)的反映非常敏感,不同樣地之間土壤含水量條件的微小差異就有可能導(dǎo)致植物某些生長(zhǎng)指標(biāo)出現(xiàn)的明顯的分異。2.3單位面積材積年際變化從圖3可以看出,除樣地宜君之外,10年生以前,由于不同樣地林分間平均胸徑的差異極不顯著,加上受平均樹(shù)高差異不顯著的影響,單株材積生長(zhǎng)量并沒(méi)有因樣地土壤含水量不同而產(chǎn)生明顯的分異(表8)。從第10年開(kāi)始,各樣地平均單株材積生長(zhǎng)量隨樣地土壤含水量的變化而出現(xiàn)了較明顯的差異,方差分析表明(表9),盡管各樣地間差異不顯著,但與幼齡階段相比,差異顯著性有明顯的提高,說(shuō)明土壤含水量條件的不同是影響刺槐林材積生長(zhǎng)的重要因素。而宜君與其它樣地相比單株材積在整個(gè)生長(zhǎng)期達(dá)到了差異極顯著水平。這是因?yàn)橐司哪杲涤炅棵黠@高于其它地方,土壤含水量能夠滿足刺槐在整個(gè)生長(zhǎng)期所需要的水分。樣地宜君20年生刺槐林單株材積累積明顯高于其它樣地,達(dá)0.05782m3。而在其它樣地,特別是吳旗、安塞、綏德、米脂,單株材積累積分別為0.00812m3(20a)、0.0189m3(20a)、0.02244m3(20a)、0.009m3(19a),均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于宜君,也低于富縣的0.03316m3(20a),主要是因?yàn)槠淠昃涤炅棵黠@低于宜君,在刺槐生長(zhǎng)初期,降雨量尚能在一定程度上滿足其生長(zhǎng)所需;當(dāng)降雨量不足時(shí),還可通過(guò)吸收深層土壤含水量以緩解水分虧缺的矛盾,但這種以消耗深層土壤儲(chǔ)水為特征的生長(zhǎng)模式對(duì)林分的可持續(xù)生長(zhǎng)十分不利。由于黃土高原特殊的水文特征,其降水入滲深度一般在2m以內(nèi),且沒(méi)有深層滲漏(楊新民等,1988;聶道平,1989;楊海軍等,1993),因此深層儲(chǔ)水一旦被消耗很難在短時(shí)間內(nèi)得到恢復(fù),加之黃土高原地區(qū)干旱頻發(fā),而林木為了正常生長(zhǎng)必然要不斷的從深層土壤中吸收水分,結(jié)果最終導(dǎo)致了土壤深層儲(chǔ)水不斷減少,形成了土壤干化層;土壤干化層的出現(xiàn)反過(guò)來(lái)又嚴(yán)重的制約了人工刺槐林在干旱年份向深層土壤吸收水分,從而限制了刺槐林的正常生長(zhǎng)和發(fā)育,最終導(dǎo)致了低效低產(chǎn)人工林的形成。從圖4中可以看出,單位面積材積連年生長(zhǎng)量從南到北降低。其中由宜君到吳旗,降低的趨勢(shì)較為明顯,該值由10.7855m3減到1.6200m3,而吳旗到米脂,該值變化不是十分明顯,變化范圍為1.2204m3～1.6200m3。這同樣是因?yàn)橛梢司絽瞧?年降水量降低的趨勢(shì)非常明顯,由710.5mm到495.3mm,因之5m土層儲(chǔ)水量也明顯的減少,6月份從845.57mm減少到465.23mm,而10月降低更多,從850.03mm降低到377.29mm。而從吳旗到米脂,年降水量變化不大,基本上處于同一水平范圍內(nèi)(495.3mm～450.7mm),土壤深層儲(chǔ)水狀況亦相差不是很大,只有安塞樣地儲(chǔ)水量較其它3樣地略有明顯的提高。2.4土壤含水量條件從陜北黃土高原的水分條件來(lái)看,降雨量由南向北逐漸減少,而干燥度增加,在同一方向上隨緯度和海拔升高而降低(楊文治等,1998)。在這種氣候條件下,高原南部降水充沛,土壤持水能力強(qiáng),因而土壤水庫(kù)一經(jīng)蓄滿,土壤深層儲(chǔ)水對(duì)植物需水有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用;而在黃土丘陵區(qū),梁峁地土壤深層儲(chǔ)水均處于低濕狀態(tài),其值一般低于田間穩(wěn)定濕度,對(duì)植物的生理需水的調(diào)節(jié)明顯降低。具體表現(xiàn)為,從富縣開(kāi)始,人工刺槐林地下都存在不同程度的土壤干化現(xiàn)象,且從南到北漸趨嚴(yán)重。這一趨勢(shì)與人工刺槐林的生長(zhǎng)狀況緊密地結(jié)合在一起,即從南到北,人工刺槐林的生長(zhǎng)狀況受土壤含水量的影響也漸趨惡化。從表10分析,宜君樣地每公頃斷面積高達(dá)33.48m2,其材積連年生長(zhǎng)量仍能保持在10.7855m3·hm-2較高的水平,說(shuō)明其土壤含水量條件可以充分滿足刺槐在較高密度下保持良好的生長(zhǎng)。富縣樣地這兩項(xiàng)指標(biāo)分別達(dá)到13.16m2和3.0745m3·hm-2的水平,同時(shí)深層土壤出現(xiàn)了輕度干化現(xiàn)象,說(shuō)明其土壤含水量條件盡管可以在一定程度上滿足刺槐維持正常生長(zhǎng)的需要,但同時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)刺槐人工林的合理經(jīng)營(yíng)和提高土壤含水量的利用效率,以防止土壤干化現(xiàn)象的進(jìn)一步惡化。吳旗、綏德、米脂3地每公頃斷面積數(shù)值都約在7.0m2左右,說(shuō)明3樣地栽植密度相差不大,加之3樣地降水量也相差不大,因而其材積連年生長(zhǎng)量也相差不大;但由于吳旗的降水量略高于綏德、米脂兩地,在栽植密度相當(dāng)?shù)臈l件下,其材積生長(zhǎng)量略好于綏德、米脂,其值達(dá)1.6200m3·hm-2,分別比綏德和米脂兩地該值1.3961m3·hm-2和1.3260m3·hm-2高了0.2239m3·hm-2和0.2948m3·hm-2。安塞樣地每公頃斷面積達(dá)14.22m2,反映了其栽植密度較高,但其材積連年生長(zhǎng)量只有1.2204m3·hm-2,表明刺槐生長(zhǎng)狀況很差,說(shuō)明其土壤含水量條件不能滿足人工刺槐林在高栽植密度下保持良好生長(zhǎng)。數(shù)據(jù)說(shuō)明,盡管安塞的土壤含水量?jī)?yōu)于吳旗、綏德、米脂3地,其5月份土壤儲(chǔ)水量達(dá)到了349.93mm,比其它3地都高,但其刺槐生長(zhǎng)卻較差,連年材積生長(zhǎng)量亦低于3地,這說(shuō)明除了降雨量和土壤儲(chǔ)水外,栽植密度也是影響林木生長(zhǎng)的重要因素。因此,適當(dāng)?shù)脑灾裁芏仍陉儽秉S土高原丘陵半干旱區(qū)是保證林木合理利用有限水資源的重要因素之一,在該區(qū),只有在合理的栽植密度下,林分生長(zhǎng)才能符合水分循環(huán)與水量平衡特征的要求,既可以充分利用當(dāng)?shù)赜邢薜乃仲Y源,保證林分的正常生長(zhǎng)發(fā)育,又不至于造成土壤干化現(xiàn)象的發(fā)生。3延邊原半干旱氣候條件下人工刺槐林群落的現(xiàn)狀(1)降雨量不足,干旱缺水,是黃土高原丘陵溝壑區(qū)(包括吳旗、安塞、綏德、米脂4樣地)低效低產(chǎn)林形成的主要原因,也就是說(shuō)土壤含水量的嚴(yán)重虧缺造成了低效低產(chǎn)林。在黃土高原丘陵溝壑區(qū)人工刺槐林地,由于干旱少雨,根際區(qū)土壤含水量很低,在干旱年只有40～90g·kg-1,已接近萎蔫含水量,在淺層土壤形成季節(jié)性出現(xiàn)的干化層;在干旱年份,人工刺槐林為維持其正常生長(zhǎng),極大地消耗了土壤的深層儲(chǔ)水,而在深層儲(chǔ)水減少之后,由于根層以下包氣帶供水能力有限,形成持續(xù)性干化層,使土壤水庫(kù)調(diào)節(jié)作用大大削弱,加劇了土壤含水量的短缺,更加惡化了林木生長(zhǎng)的水分生態(tài)條件,限制了林木的生長(zhǎng),形成了低效