河西干旱地区退耕还林的土壤水分效应分析

石水霞，胡 霞，赵子兰，王雪蓉

（甘肃省古浪县林业技术服务中心，甘肃古浪733199）

河西地区干旱缺水，风沙侵蚀非常严重，生态环境脆弱。近年来大规模的退耕还林切实提高了山区森林覆盖率，局部地区对水土流失起到的很好的控制作用。但个别地区不合理、不科学的还林建设导致土壤水分供给能力与植被生长之间出现了负反馈现象，使土壤中出现了干层，人工林区出现了退化[1]。随着环境气候暖干化趋势的加重，森林水分需求与土壤水分供给之间的矛盾直接影响着土壤水资源的安全。

在干旱半干旱的河西地区，降雨是退耕还林区域土壤水分补给的主要途径，但大规模的人工造林对该区域的水分蒸发耗散、土壤水分和地表径流都产生了显著影响，直接改变了水资源的分布和贮存状况。如何有效提高有限水分资源的利用效率，持续推进河西地区退耕还林生态系统健康发展成为了健康生态建设的重大目标。农林生态系统的核心是土壤水分效应，可通过理论研究揭示人工林区生态系统内部的水分涵养机理，指导实际建设中有限水分资源的合理利用。

土壤水分在土壤—植物—大气（SPAC）系统中参与各个环节的循环，受降雨、蒸腾和蒸发、地表径流和地下水分布情况的影响，并处于不断循环变化的过程中，这个过程也受环境气候、植被状况、土壤理化性质和水分利用的影响。降雨是人工林区水分的主要来源，一部分降雨被植被冠层截留或在地表形成径流，另一部分通过渗透进入土壤根系分布区域，经根系吸收并运输至植株树冠，通过植物蒸腾和土壤蒸发进入大气环境[2]；土壤中的降水可以进入地下补充地下水，但在河西干旱地区地下水较深，降水很难通过深层渗透对地下水进行补充[3]。为了进一步认识退耕还林区域的土壤水分效应，本文从土壤水分补充和消耗平衡、林木耗水和土壤干燥化等方面进行了动态分析。

1 土壤水分补充和消耗平衡

退耕还林树种结构相对单一，对生态环境的服务功能不高，了解人工林区对土壤水分补充和消耗平衡间的影响，揭示林木与土壤水分之间的互相作用机制，对于通过促进林木生长发育来维持人工林生态系统和土壤水分的平衡、进一步了解退耕还林的土壤水文效益、实现退耕还林健康可持续发展具有重要意义，也是优化林区生态系统布局的新思路。

1.1 土壤水分补充

河西地区退耕还林区域的土壤水分补充主要来自于降雨，而降雨的利用方式和去路直接影响土壤水分平衡中的水分补充[4]。影响土壤水分补充途径的因素主要有3个方面，即林木对降雨分配的影响、林区地表状态对降雨分配的影响、土壤结构对入渗水分分配的影响。

1.1.1 林木对降雨分配的影响 降雨在落入林区前最先接触林木冠层，部分降雨被植株冠层截留形成茎干水流，部分降雨穿过树冠直接到达地面。林木的郁闭度、降雨量和降雨强度等多种因素都可以影响冠层对降雨的截留。直接到达地面的降雨也要经过土壤再分配，其中一部分通过径流流失或流到其他区域，一部分入渗到土壤中补充土壤储存水分。

1.1.2 林区地表状态对降雨入渗的影响 林区地表土壤物理结构和表层枯落物层都会影响地表水分的流失和入渗。林区地表枯落物是人工林区生态系统的主要组成部分，对降雨截留、水土流失和侵蚀及抑制土壤水分蒸发等具有重要作用[5]。林区土壤表层枯枝落叶对降雨具有较强的截持能力，枯落物层对土壤水分补充具有直接影响。因此，该层物质形态可以作为反映林区水土保持和水分涵养作用的重要水文指标。枯枝落叶还可以降低地表径流、降低土壤水分蒸发耗散、改善土壤理化性质，从而提高降雨入渗系数，增加降雨累计入渗量[6]。反之，枯枝落叶层减少会增加裸露地表，导致土壤地表径流增加，土壤孔隙度和团聚体稳定性降低，致使土壤更容易受到降雨径流的冲蚀，抑制降雨向土壤中入渗并转化成土壤水[7]。

1.1.3 土壤结构对入渗水分分配的影响 土壤结构如同水库一样对水分储存状态具有直接调节作用，其水分储存能力受土壤厚度、土壤持水量和导水率等土壤结构因子的影响[8]。降雨要进入土壤首先要通过土壤表层，而土壤表层是实现土壤储存水分功能最前沿的部分，适宜的土壤固相和气相结构更有助于土壤空隙中水分储存和气体交换。因此，要从改善土壤物理结构、孔隙度及有机物质含量等方面提高土壤储水能力[9]。

1.2 土壤水分消耗

土壤水分消耗是与土壤水分补充相对应的影响土壤水分平衡的主要因素，土壤水分平衡体系中土壤水分蒸发耗散起主导作用。在河西土壤荒漠化比较严重的林区，土壤表面径流和渗漏发生的概率很小，在整个土壤水分循环周期中蒸发耗散是影响土壤水分消耗情况的唯一方式。在没有植被覆盖的区域，土壤水分不会通过植物蒸腾作用耗散，因此土壤水分总消耗量等于土壤蒸发耗水；在林区存在植被的区域土壤耗水还包括植物体蒸腾散失的部分，这部分包括林木冠层蒸腾耗散和冠层截留蒸发。综上所述，林区水分利用系统中土壤消耗水分主要有林木树冠蒸腾和截留蒸发、林下植被蒸腾耗散、土壤表层蒸发4种方式[10]。

1.3 土壤水分平衡调整

河西地区的高蒸发量致使土壤水分储量表现出了显著的空间分布格局和水分含量变化范围。河西地区土壤水分消耗的恢复和补偿主要在雨季，通过降雨入渗土壤后补偿亏缺水分，虽然土壤水分储量可以得到一定的补给，但土壤亏缺水分恢复水平和入渗土壤深度还受降雨量和降雨时间的明显影响。河西干旱地区土壤水分补充状况基本为周期性淋溶型，对深层地下水的影响很小，深层地下水一般不会参与土壤—植物—大气系统水分循环的过程。从对一个相对较长的周期性变化和宏观系统的分析可以发现，河西地区土壤水分平衡处于相对不稳定的动态平衡中，人工造林区域生态系统的水分平衡还需考虑林木冠层对降雨的截留作用和地表降雨径流量，以实现土壤水分平衡和人工林可持续发展[11]。

2 林木耗水和土壤干燥化

退耕还林中对土壤水分的可持续利用经常被忽视，为实现人工林的快速生长，盲目定植耗水量高的植物物种，导致在干旱区域的土壤中出现了干层。国内有研究认为黄土高原土壤干层主要是由气候暖干化和人工造林树种选择不适宜造成的[12]。土壤干层主要是在大气环境干旱和土壤水分梯度双重作用下，以土壤水分蒸发耗散为主要特征的土壤干燥化现象。土壤水分蒸发活跃程度很高，降雨对土壤中水分的补充作用由于高强度的蒸发作用在短时间内就耗尽，而且林区耐旱植物具有深根系特性，消耗了深层降雨无法有效补充深度的水分，导致土壤更加干燥，出现土壤水分负补充作用的干旱状态，进而形成土壤干层。

植物生长过程中大量耗水，加之降雨量不足和高土壤蒸发耗水的长期相互作用导致土壤干层形成。土壤干层形成后导致土壤水分循环从大气—土壤—地下水转变为大气—土壤，使降雨无法垂直入渗补充地下水，只能湿润土壤表层，导致深层土壤水分不断亏缺，人工林不能起到有效涵养水源的作用。各造林区域土壤干层的含水量、厚度及起始深度各有不同，河西地区土壤干层的平均厚度为160 cm，土壤干层起始深度可达270 cm。当地表植被生长状况良好时土壤干层的水分含量也相对稳定，反之当环境气候干燥、土壤浅层持水能力降低时土壤干层的稳定性越强，甚至可以形成永久性土壤干层[13]。人工林区由于水分补给和耗水之间不能形成适宜的相对平衡，致使该区域林木生长的土壤水分条件不断恶化，植物生长速率缓慢，在个别严重区域甚至出现人工林区生态系统严重退化的现象，加剧了生态系统的不稳定性。

3 结论

土壤干层的形成和存在状态对人工造林区域的建设产生了严重的不利影响，只能通过合理调整退耕还林建设思路来降低土壤干层产生的影响。调整人工造林密度，可降低林间土壤水分的蒸发耗散，增加降雨入渗量，使土壤水分含量得到恢复，从而缓解土壤干层抑制水分供给给林木生长发育造成的负面影响[14]。在河西干旱半干旱地区，蒸发量大于降雨量，土壤干层在自然条件下很难得到根本改善，可通过乔灌结合、合理调整各树种的比例，有效调控土壤水分的利用和恢复[15]。河西地区大规模的退耕还林过度消耗了土壤深层水分，深层土壤水分亏缺导致形成了土壤干层，对人工林区的生态系统产生了非常不利的影响，可通过合理选择树种、科学确定定植密度有效改善土壤水分循环系统，实现土壤水分科学健康可持续利用。