黄土区深层土壤干燥化程度的评价标准

摘要: 黄土高原地区深层土壤干燥化是人工林草植被过度耗水导致土壤水分负平衡的结果。如何定量评价深层 土壤的干燥化程度, 有助于确定适宜的植被类型和密度, 保证人工植被建设的顺利进行。将土壤水分的几个主要 指标与水分特征曲线相结合, 从能量的角度初步建立了黄土高原地区深层土壤干燥化程度的评价标准, 并利用该 标准评价了黄土高原沟壑区刺槐林地深层土壤水分的干燥化程度。 关键词: 黄土高原; 土壤干燥化; 植被恢复重建; 评价标准 中图分类号: S157. 1; S152. 7 文献标识码: A 文章编号: 100922242 (2004) 0320164203
深层土壤干燥化 (土壤干层) 是黄土高原地区半干旱和半湿润环境条件下, 人工林草植被过度耗水导致土 壤水分负平衡而形成的一种特殊的水文现象[1]。土壤干层由于削弱了“土壤水库”的调节作用, 因此反过来影响 植被的生长、生存和天然更新, 并对后续树草种的选择和造林种草的实施构成一种潜在的威胁[2], 同时也对区 域的水循环[3, 4]和气候[5]造成一定的影响, 带来一系列的生态和环境问题。随着大范围退耕还林还草的实施, 如 何定量评价深层土壤的干燥化程度, 有助于采取合理措施调控植被的类型和密度, 保证人工植被建设的顺利进 行, 并充分发挥其生态和经济效益。深层土壤干燥化的评价标准, 多以其湿度介于土壤稳定湿度和稳定凋萎湿 度之间为依据[1]。也有研究者以农田、荒草地为土壤水分背景, 判断人工林草植被深层土壤的干燥化程度[6, 7]; 或通过长期定位试验, 以造林种草初期土壤水分为背景, 揭示深层土壤的干燥化进程[8～ 10]。但是, 目前有关划 分深层土壤干燥化程度的量化指标和评价标准[1, 11, 12], 都具有较大的随意性和局限性, 不便于广泛应用。本文 试图将土壤水分的几个主要指标与水分特征曲线相结合, 从能量的角度初步建立黄土高原地区深层土壤干燥 化程度的评价标准, 以期促进该区人工植被建设的顺利进行。
14%～ 16% , 轻壤带为9%～ 11% , 砂壤带为8%～ 9% , 紧砂土为2. 6%～ 4. 4% [1]。对于重壤土和中壤土, 土壤稳
定湿度约相当于田间持水量的70%～ 80% [4], 而对于轻壤土或砂壤土, 只有49%～ 54% [14]。在田间条件下, 土
壤稳定湿度可根据无雨或少雨的干旱季节测得的土壤湿度系列加以判断, 其值为呈现出稳定趋势的深层土壤
Ξ 收稿日期: 2003208201 基金项目: 中国科学院知识创新工程领域前沿项目 (01200220055413) 和国家自然科学基金重大研究计划 (90102012) 资助 作者简介: 陈洪松, 男, 生于1973年, 博士, 副研究员。主要从事土壤物理和水土保持方面的研究工作。
第3期
陈洪松等: 黄土区深层土壤干燥化程度的评价标准
土层
土壤稳定湿度 初始凋萎湿度 稳定凋萎湿度
(cm )
(% )
(% )
(% )
0～ 100
15. 4
11. 0
9. 3
100～ 200
15. 6
Standards for A ssessing D esicca tion of D eep So il Layer on L oess Pla teau
CH EN Hong2song1, 3, SHAO M ing2an2, 3
(1. Institu te of S ubtrop ical A g ricu ltu re, CA S , C hang sha, H unan 410125; 2. Institu te of Geog rap h ical S cience and N atu ral R esou rces R esearch, CA S , B eij ing 100101; 3. S tate K ey L aboratory of S oil E rosion and D ry land F arm ing on the L oess P lateau, Institu te of S oil and W ater C onservation, CA S and M W R , Y ang ling , S haanx i 712100)
水分指标, 结合文中提供的水分特征曲线 (离心机法测定的脱水曲线) , 求得重壤土、轻壤土土壤稳定湿度所对
应的水吸力分别为1. 8×105～ 2. 4×105 Pa 和2. 6×105～ 3. 7×105 Pa (平均值分别为2. 1×105 Pa 和3. 2×105
Pa) , 初始凋萎湿度对应的水吸力分别为11. 5×105 Pa 和12. 5×105 Pa, 稳定凋萎湿度对应的水吸力分别为27. 4
滞, 甚至死亡。当然, 土壤干层对植物生长的影响, 与干层的厚度、植物群落密度、植物根系的分布范围等有关,
并不排除某层土壤湿度较低而植物仍然生长良好的情况。采用上述指标及其对应的水吸力, 根据李玉山等[13]
提供的水分特征曲线, 得到黄土高原地区深层土壤干燥化程度的评价标准如表1所示。在没有具体的土壤稳定
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湿度, 上限为毛管断裂湿度或土壤稳定湿度; ④干燥化深度与根系分布深度相应, 植物根系愈深, 干燥深度愈
大; ⑤干燥强度因植物种类和生长年限而定, 并与降水量和蒸散量的比值相应, 即密度大的乔灌林地, 干燥强度
大于密度小的乔灌林地, 乔灌林地和人工草地大于农作物地, 高产农田大于低产农田, 有植物地大于裸露地。
湿度、初始凋萎湿度及稳定凋萎湿度指标时, 可以根据表1中的评价标准对深层土壤干燥化程度进行划分。如果
有土壤水分特征曲线, 则可以根据水吸力求取相应的土壤干层量化指标, 进而评价当地深层土壤的干燥化程
度。当然, 上述数值的具体确定还应该根据更多的实测资料来加以验证, 而且对应于黄土高原不同区域、不同植
湿度, 此时悬浮水在蒸发过程中失去了连续性并停止向蒸发面运移[15]。当然, 土壤稳定湿度是一个相对稳定
值, 并非固定不变[1]。一般认为, 土壤稳定湿度、初始凋萎湿度、稳定凋萎湿度对应的水吸力分别为1×105, 6×
105, 15×105 Pa[15 ], 但在很多情况下并非如此, 尤其是稳定凋萎湿度[16 ]。根据李玉山等[13 ] 测定的上述几个土壤
1 土壤干层的特征
土壤干层一般是指土壤水在土壤物理蒸发和植物蒸腾作用下, 不断地逸入大气之中, 经过较长时间序列, 因土壤水分负补偿效应而在土体某一深度范围内形成一层厚度不等的低湿层[1], 是植被蒸散过度消耗深层储 水而长期得不到降水入渗补给, 导致土壤水分循环出现负平衡的结果[3, 4]。根据杨文治和余存祖[1] 及李玉 山[3, 4]等研究, 土壤干层应具有如下特征: ①位于土体的某一深度范围内, 一般在降水入渗深度以下; ②具有相 对持久性, 不因土地利用类型的改变和年度降水入渗的补给而消失; ③具有一定的湿度范围, 下限为稳定凋萎
2 土壤干层的量化指标
根据土壤水分对植物的有效性, 将土壤稳定湿度、初始凋萎湿度和稳定凋萎湿度作为评价深层土壤干燥化
程度的几个量化指标。黄土高原地区重壤带稳定凋萎湿度为8%～ 13% , 中壤 I 带为5%～ 7% , 中壤 II 带为7%
～ 8% , 轻壤带为4%～ 5% , 砂壤带为3%～ 4% , 紧砂土为2. 5%～ 3% ; [13] 而重壤带、中壤带土壤稳定湿度为
Abstract: T he desiccation of deep so il layer on the L oess P lateau resu lts from the gradual dep letion of sto ring w a2 ter du ring the p rocess of vegetation rehab ilitation. How to assess quan titatively the desiccation of deep so il layer is of great im po rtance to determ ine the reasonab le vegetation type and den sity and guaran tee vegetation rehab ilita2 tion. Com b ined so il w ater characteristic cu rve w ith specific so il w ater con ten ts, the standard s w ere p relim inarily estab lished fo r assessing the desiccation of deep so il layer on the L oess P lateau. M o reover, the standard s w ere ap2 p lied to assess the desiccation of deep so il layer on h illsides w ith locu st on the loess tab leland gu lly region. Key words: L oess P lateau; desiccation of deep so il layer; vegetation rehab ilitation; assessing standard s
第18卷第3期 2004年6月
水土保持学报 Jou rnal of So il and W ater Con servation
黄土区深层土壤干燥化程度的评价标准Ξ
V o l. 18 N o. 3 J un. , 2004
陈洪松1, 3, 邵明安2, 3
(1. 中国科学院亚热带农业生态研究所, 长沙 410125; 2. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101; 3. 中国科学院水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨陵 712100)
物, 其结果可能还有较大的差异。
表1 黄土高原地区深层土壤干燥化程度的评价标准
土壤湿度 (% ) 范围 初始凋萎湿度～ 土壤稳定湿度 稳定凋萎湿度～ 初始凋萎湿度
< 稳定凋萎湿度
紧砂土 3. 5～ 5. 1 2. 7～ 3. 5
< 2. 7
沙壤带 4. 5～ 7. 3 3. 3～ 4. 5
< 3. 3
×105 Pa 和29. 5×105 Pa。考虑到黄土高原地区土壤颗粒组成的一致性和分布的地带性, 将重壤土、中壤土土壤
稳定湿度、初始凋萎湿度、稳定凋萎湿度对应的水吸力分别定为2. 1×105, 11. 5×105, 27. 4×105 Pa, 而轻壤土、
砂壤土、紧砂土土壤稳定湿度、初始凋萎湿度、稳定凋萎湿度对应的水吸力分别定为3. 2×105, 12. 5×105, 29. 5
×105 Pa。
3 土壤干层的评价标准
根据上述划分土壤干层的几个主要指标, 结合土壤水分对植物的有效性, 初步将土壤干层划分为3个等级:
① 土壤稳定湿度～ 初始凋萎湿度为较严重干燥化, 植物生长基本正常, 部分生长不良; ② 初始凋萎湿度～ 稳
定凋萎湿度为严重干燥化, 植物生长严重受阻, 出现衰败ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ③ 低于稳定凋萎湿度为极严重干燥化, 植物生长停
轻壤带 7. 2～ 10. 4 5. 7～ 7. 2
< 5. 7
中壤 I 带 8. 4～ 13. 4 6. 7～ 8. 4
< 6. 7
中壤 II 带 9. 2～ 13. 9 7. 5～ 9. 2
< 7. 5
重壤带 10. 5～ 15. 5 8. 6～ 10. 5
< 8. 6
干燥程度 较严重 严重 极严重
4 土壤干层评价标准的应用
根据上述分级指标, 结合土壤水分特征曲线 (离心机 法测定的原状土脱水曲线) , 得到长武王东沟小流域沟坡 地深层土壤干燥化程度的评价标准 (表2) : ① 深层土壤水 分为11. 2%～ 15. 5% 时, 土壤干燥化较严重, 但植物仍然
表2 王东沟小流域沟坡地土壤水分的主要指标