土壤水资源利用限度评价

张小萍１a，郭忠升1b，2，郭满才１a

（１．西北农林科技大学， a.理学院； b.水土保持研究所，陕西 杨凌 ７１２１００；2．中国科学院/水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 ７１２１００）

摘要：在水资源紧缺地区，大部分地区的土壤水分主要来源于天然降雨，随着人工林生长，林地土壤水资源下降，当人工林发展到超过植物对土壤水资源的利用限度时，在林地最大土壤水分补给深度以下出现的土壤层将会成为不可逆转的土壤干层。这种现象不利于土壤水资源的可持续利用和森林植被的恢复、更新。土壤水资源利用限度理论的提出将使不可逆转的土壤退化防治变为积极的土壤水资源的可持续利用。在生产中应充分认识并掌握这个规律，设法避免人工林草植被对土壤水资源的过度利用。

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关键词 ：土壤水资源；可持续利用；土壤干层；土壤水资源利用限度

中图分类号：Ｓ１５２．７＋５ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）04－0769-04

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.04.001

收稿日期：２０１４－０６－１６

基金项目：国家自然科学基金项目（４１２７１５３９）

作者简介：张小萍（１９８７-），女，甘肃通渭人，在读硕士研究生，研究方向为数学生态学，（电话）１５２０２４０３０８５（电子信箱）ｚｘｐ８５３４１８３２７＠１６３．ｃｏｍ；

通信作者，郭忠升（１９６３-），男，陕西富平人，博士，主要从事土壤水分与植物生长、森林生态、森林水文与水土保持等方面研究，（电子信箱）ｇｕｏｚｓ＠ｍｓ．ｉｓｗｃ．ａｃ．ｃｎ。

１ 土壤水资源

土壤水是干旱、半干旱地区重要的农业水资源，“只有考虑了土壤水才能对干旱地区及中国东西部地区的区域水资源总量做出较为合理的分析”［１］。 在干旱、半干旱的黄土区，黄土层深厚（一般厚度为５０～２００ ｍ，已知最厚达３３９ ｍ），蓄积大量的水分形成了“土壤水库”，“库”中水对该区第一性生产力的形成具有重要作用。它是土地资源质量评价的主导因素之一［２］；目前国内外在流域或区域水资源评价时，只把径流性的地表水、地下水作为评价对象，土壤水往往因无法被人类调配，难以直接开发利用而被忽略。实际上，土壤水作为水资源的重要组成部分，是生态系统中重要的影响因素之一，也是一切陆生植物赖以生存的基础［３］。相关的研究认为［４－７］，降水到地面后有７０％以上水量首先转化为土壤水。任何水（不管是天然降水还是人工灌溉水） 都必须转化为土壤水之后才能被植物吸收利用，被植物吸收利用的土壤水，大部分是由植物的根系系统吸收的［８］。植物有了足够的水分，才得以生存、发育、形成果实而产生经济价值［９］。

目前，绝大多数的研究者对土壤水资源的研究从农业角度出发，认为土壤水资源是指可被作物根系吸收利用的浅层土壤孔隙中的水。由于广义水资源［１０］是指在可预见的条件下，能被人类直接或间接利用的水量，土壤水资源作为广义水资源的重要组成部分，因而可定义为：赋存于土壤包气带中，具有更新能力，并能被人类生产和生活直接和间接利用（包括人类对生态环境的维持）的土壤水量和对维持天然生态环境良性循环具有一定作用的土壤水量。根据以上定义，土壤水资源可包括以下四大指标，即从土壤水资源的作用范围出发的可被植被直接吸收利用的土壤水资源量、最大可能被植被利用的土壤水资源量、从其作用的目标出发用于国民经济的土壤水资源量及用于维持和恢复生态环境的土壤水资源量［１１］。

２ 土壤水资源利用限度

许多资源在数量上是有限的，资源的有限性在不可更新性资源中尤其明显。土壤水资源由于受自身（遗传）因素和外界客观条件的限制，其再生能力也是有限的。如果过度利用这些资源，使其稳定的结构破坏后就会丧失其再生能力，成为非再生性资源，因此掌握这个限度是非常重要的。土壤水资源作为水循环的重要组成部分，是植物赖以生存的基础。黄土高原大部分地区土层深厚，地下水埋藏较深，土壤水主要来自降水的地表下渗，多蓄存在包气带中，超过土层持水能力的土壤水则转化成为地下水［９］。近年来，在黄土高原大部分地区的人工植被恢复过程中，由于土壤水分的补给和存储量有限，在多年生人工林地中出现了土壤旱化，实为超载的、不可逆转的土壤退化现象，甚至出现土壤干层［１０，１２］。由于降水为黄土高原大部分地区土壤水分的惟一来源，土壤一旦形成干层，就会隔断地下水补给路径［１３］，植物只能依靠当年雨水生长，处于大气干旱的胁迫之中。如果不及时采取措施进行人为干预和调控，随着林龄的增加，则林草地土壤旱化和土壤退化会进一步加剧［１４］，从而影响森林植被生态系统的功能，并最终导致森林植被系统的毁灭，甚至出现荒漠化。

在黄土高原地区多年生高产、高效人工林草地出现的以土壤旱化为主要形式的土壤退化，就是植物过分利用土壤水资源的结果。因此，为了可持续利用水资源紧缺地区的土壤水资源，首先必须深入研究植物对土壤水资源的利用限度，简称土壤水资源利用限度［１５］。植物对土壤水分亏缺的响应有一个阈值［１６］。当根系吸收利用土层的土壤水分含量低于萎蔫系数时，根系吸水困难，土壤水分将严重抑制植物生长，但是不会死亡。由于黄土高原大部分地区土层深厚，多年生植物（例如柠条Ｃａｒａｇａｎａ ｋｏｒｓｈｉｎｓｋｉｉ）根系庞大，能迅速伸展到较深土层获取水分。如果干旱年出现的土壤干层在丰水年可以得到恢复，人工林地不会出现永久性土壤干层。因此在水资源不足的干旱、半干旱地区，人工林草植被对土壤水资源的利用应该有一个界限［１７］。

土壤干层划分标准是认识和确定植物利用土壤水资源限度的一个重要指标。当土壤干层出现的深度小于或等于降水最大入渗深度时，该干层内损失的土壤水分在丰水年可能会得到恢复；当干层出现的深度超过降水最大入渗深度时，最大入渗深度以下出现的土壤干层无法补偿，成为永久性土壤干层。消除或避免最大入渗深度以下出现永久性土壤干层，应成为控制植物利用土壤水分程度的重要依据。因此，当土壤干层出现深度等于最大降水入渗深度应该成为确定植物利用土壤水资源限度的标准之一［１８］。土壤水资源利用限度是在一个人工林草地土壤剖面内，当地表面以下至降水最大入渗深度范围内，所有土层的土壤含水量等于萎蔫系数时，最大入渗深度范围内土壤残留储水量之和即为土壤水资源利用限度［１５］。例如在黄土丘陵半干旱区，人工柠条林地雨水最大入渗深度为２９０ ｃｍ，当最大入渗深度范围内全部为干层时，土壤水分储量为土壤水资源利用限度。

以黄土丘陵半干旱区（上黄试验区）为例，２０１３年３年生柠条土壤水资源利用状况见图１。３年生柠条幼林地土壤水资源比１２年生柠条地充足，没有达到土壤水资源利用限度的警戒线，但由于植物强烈的抽吸作用，４月１６日至６月１５日，林地土壤水分补给量小于土壤水分消耗量，土壤储水量下降。２０１３年为丰水年，７月份以后有大量的降水，０～２９０ ｃｍ土层范围内土壤储水量远高于土壤水资源利用限度，可以为柠条的生长提供充足的水分。黄土丘陵半干旱区（上黄试验区）２０１３年１２年生柠条土壤水资源利用状况见图２。２００３年１月初，土壤储水量低于土壤水资源利用限度，１~４月该地区几乎没有降雨，林地土壤水分补给量小于土壤水分消耗量，植物生长需要的水分没有及时降水补充，无法满足植物生长所需的水分，柠条的高生长量很小，土壤旱化趋势在继续发展。７月１～１４日这几天降雨比较多，土壤水分得到补充。７月１５日，０～２９０ ｃｍ 土层范围内土壤储水量高于土壤水资源利用限度，土层内植物生长所需水分得到正常供应，７月１５日至８月３１日，随着植物的生长和强烈的抽吸作用，土壤储水量慢慢减少，９月初有少量的降雨，土壤储水量少量回升后又下降，１０月１日０～２９０ ｃｍ土层范围内土壤水分储量低于土壤水资源利用限度。

人工柠条林地最大入渗深度范围土壤储水量等于土壤水资源利用限度时，该深度的土壤水分下行运动停止，在土壤剖面最大入渗深度峰面以下土壤水分可能上移，虽然指示植物可以吸收利用最大入渗深度以下土层的土壤水分，但是由于植物根系主要分布在０～２００ ｃｍ土层，植物吸收利用最大入渗深度以下土层的土壤水分较少，也只能满足指示植物提前落叶过程中植物对水分的需要。由于土壤水分穿过该峰面的下行运动难以进行，最大入渗深度以下出现的土壤干层难以恢复，成为永久干层，此时土壤水分状况严重影响指示植物的生长，因此在水资源紧缺地区的植被恢复过程中，应尽量避免此类事情的发生。

３ 影响土壤水资源利用限度的因素

1）指示植物。不同的指示植物形成不同的植被类型。不同的指示植物是影响土壤水资源利用限度的主要因素。一方面，不同的指示植物形成不同的植物群落，其树冠结构、地上部分生物量、叶面积指数等各不相同，根系分布深度、密度及生物量都有很大的差异；另一方面，不同的指示植物对土壤水分反应的敏感性不同，植物萎蔫时的土水势可能不同，该植物群落影响土壤水分的补给或消耗能力也不同，因此在相同的地理位置和立地条件下，不同的指示植物形成不同的植被类型，其土壤水资源利用限度可能不同。

2）气象条件。降雨、光照和温度是影响水资源紧缺地区土壤水分的主要因素。土壤水分变化与气象因素之间的关系密切而复杂，具体表现在土壤水分补给和消耗（蒸散）两个过程上。在水资源紧缺地区，影响土壤水资源利用限度的气象因素主要包括降雨量、光照和温度。此外，空气湿度、风等也会通过影响蒸散强度进而影响土壤水分利用限度的变化。

3）地理位置、地形地貌。不同地区的降雨、光照和温度不同，适宜生长的指示植物不同，这些都影响土壤水资源利用限度；相同地区的坡度、坡位、坡向的不同，也会通过影响降雨、光照和温度再分配等，进而影响土壤水分入渗、土壤水分蒸发过程及总量，最终影响土壤水资源利用限度。

４ 土壤水资源利用限度应用

４．１ 土壤水资源利用限度是判断植物是否过度利用土壤水资源的重要标准

植物是否过度利用土壤水资源应该有一个明确的、客观的标准，这就是土壤水资源利用限度。不论是丰水年还是干旱年，多年撂荒地土壤水分状况较好，土壤水资源处于较高状态。如果不利用土壤水资源，不仅会造成土壤水资源浪费，而且加剧水土流失，因此必须进行人工植被恢复。在植被恢复过程中，采用高密度可以迅速形成高盖度的林草植被，满足保持水土、防治沙尘暴和减少雾霾天气，改善生态环境的需要。但是当生长季土壤水资源下降到土壤水资源利用限度时，应及时依据土壤水分植被承载力进行调控，这样不仅可以生产部分薪柴或饲料等，而且可以促进保留木生长。当然这个指标只能适应于森林植被恢复初期的幼林，对于产生严重土壤旱化的成林，应该用土壤水分植被承载力表示土壤水资源过度利用程度。当土壤水分消耗量大于土壤水分补给量，林分密度大于土壤水分植被承载力时，说明植被过度利用土壤水资源，应及时进行疏伐，以调控植物与水的关系。

４．２ 土壤水资源利用限度是确定植物水关系调控起始期的依据

植物生长和土壤水分相互关系调控的一个重要概念就是植物水关系调控起始期［１４］。在水资源紧缺地区的人工林草植被种植和恢复过程中，人工林草地经常发生不同程度的土壤旱化。人们不能在一发生土壤旱化时就调控植物生长和土壤水分的关系，而是要随着植物生长，植物利用土壤水资源程度逐渐增强，土壤水资源存储水平逐渐下降。当林草地土壤水资源下降到一定限度时，就需要采取有效措施，采用平茬或疏伐，依据土壤水分植被承载力，进行植物水关系的调控。土壤水资源利用限度是确定植物水关系调控起始期的理论依据［１４］。

５ 结语

由于水资源紧缺地区范围广，立地条件和植被类型各异，为了确保森林生态系统的稳定，实现森林生态、经济和社会效益的可持续发展，人们必须研究多年生人工林草地土壤水资源，掌握多年生人工林草地土壤水资源动态变化规律和土壤水资源利用限度，及时采取有效措施调控土壤水分和植物生长的相互关系，以避免多年生人工林草地出现土壤旱化和土壤退化，甚至出现荒漠化等极端现象。在生产实践中，应充分认识并掌握这个规律，设法避免人工林草植被对土壤水资源的过度利用。今后应加强不同植被类型土壤水资源利用限度研究，为水资源紧缺地区土壤水资源可持续利用提供依据。

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