全 文 ：第 !" 卷 第 ## 期
$ % # % 年 ## 月
林 业 科 学
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黄土高原 5 个不同降水量地点油松林地水分生产力
与土壤干燥化效应模拟
李4军#!$4王学春#4邵明安$4赵玉娟54李小芳#
"#3西北农林科技大学农学院4杨凌 :#$#%%# $3中国科学院水利部水土保持研究所4杨凌 :#$#%%#
53西北农林科技大学资源环境学院4杨凌 :#$#%%$
摘4要!4应用 LDI)k(’模型模拟 #68:)$%%# 年期间黄土高原半湿润区洛川%半干旱区延安和半干旱偏旱区榆林
油松林地水分生产力演变规律和深层土壤干燥化效应& 模拟结果表明’ 洛川%延安和榆林油松林地逐年生物量模
拟值在 6 9#: 年生达到最大值"平均值分别为 !1$6!51"$ 和 $1:5 T(=;>$ $!之后随降水量年际波动呈现出明显的波
动性降低趋势# # 9$$ 年生期间油松林地平均年耗水量高于同期年降水量!导致林地 % 9#% ;土层土壤强烈干燥
化!逐月土壤有效含水量波动性降低!洛川 #! 9$% 年生%延安 6 9$% 年生和榆林 " 9#6 年生期间是油松林地土壤强
烈干燥化阶段!年均土壤干燥化速度分别为 #:"!### 和 "6 ;;!此后油松林地土壤有效含水量在 % 9#8% ;;范围内
的较低水平上随降水量变化而波动# 洛川%延安和榆林油松林地 % 9#% ;土层土壤湿度剖面分布变化剧烈!土壤湿
度逐年降低!土壤干层逐年加厚!分别从 #8!#%!" 年生开始土壤干层厚度超过 5 ;!在 #6 年生时均已超过#% ;!$%
年生以后 $ 9#% ;土层土壤湿度保持相对稳定的干燥化状态# 洛川%延安和榆林油松林地水分生产力和土壤干燥
化效应区域差异显著!林地土壤水分可持续利用年限约 5% 年&
关键词’4黄土高原# 油松林地# 水分生产力# 土壤干燥化# LDI)k(’模型
中图分类号! &:#!1$444文献标识码!,444文章编号!#%%# >:!77#$%#%$## >%%$8 >##
收稿日期’ $%%6 >%" >$6# 修回日期’ $%#% >%7 >$:&
基金项目’ 国家自然科学基金资助项目"!%5:#%::! 5#%:#5:!! 5%::#$7%$ &
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+/;5%/)&$(=4*$ S0GITGTD/IW/X-E/R=EGI! GWM;D^=E;DU VMJD/I! BGI(GI! GWM;D^GVDU VMJD/I! GIU BE0DI! GWM;D^GVDU SV/IM
UV/EJ=TVMJD/I /XT=M0/MWWS0GTMGE DI ’=DIGUEVDIJ#68: >$%%#3+=MVMWE0TWW=/YMU GWT=MX/0/YDIJ’ DI -E/R=EGI!BGI(GI
GIU BE0DI! WD;E0GTMU GIIEG0ZD/;GWW/XT=M# >!8 N^MGV^/0U ’=DIMWMSDIMS0GITGTD/IWG2MVGJMU !1$6! 51"$ GIU $1:5
T(=;>$ ! VMWSMRTD2M0N3kV/UERTD2DTNSMGdMU Y=MI S0GITGTD/IWYMVM6 >#: N^MGV^/0U GIU T=MI TMIUMU T/UMRVMGWM/Z2D/EW0NDI
GSGTMVI T=GTX/0/YMU T=MX0ERTEGTD/I /XGIIEG0VGDIXG03(I # >$$ N^MGV^/0U ’=DIMWMSDIMS0GITGTD/IW! G2MVGJMGIIEG0YGTMV
R/IWE;STD/IWYMVM=DJ=MVT=GI GIIEG0VGDIXG0W! Y=DR= VMWE0TMU DI W/D0UVNDIJDI % >#% ;UMST=3+=MXGWTMVW/D0UMWDRRGTD/I
/RREVVMU DI T=MSMVD/U /X#! >$% N^MGV^/0U S0GITGTD/IW/X-E/R=EGI! 6 >$% N^MGV^/0U S0GITGTD/IW/XBGI(GI GIU " >#6 N^MGV^
/0U S0GITGTD/IW/XBE0DI3&/D0UMWDRRGTD/I VGTMWDI -E/R=EGI! BGI(GI GIU BE0DI YMVM#:"! ### GIU "6 ;; SMVNMGV!
VMWSMRTD2M0N3,XTMVT=GTT=M;/IT=0NG2GD0GZ0MYGTMVDI % >#% ;W/D00GNMVWX0ERTEGTMU GTG0/Y0M2M0DI GVGIJM/X% >#8%
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T=M=E;DUDTNGIU T=DRdMIDIJUVNW/D00GNMVW3KVNW/D00GNMVWM_RMMUMU 5 ;T=DRd DI #8 N^MGV^/0U S0GITGTD/I /X-E/R=EGI!
#% N^MGV^/0U S0GITGTD/I /XBGI(GI! GIU 5 N^MGV^/0U S0GITGTD/I /XBE0DI3(I #6 N^MGV^/0U S0GITGTD/IW/XT=MT=VMMWDTMW! UVNW/D0
0GNMVWG0VMGUNM_RMMUMU #% ;T=DRd! GIU DI $% >!8 N^MGV^/0U S0GITGTD/IWT=MUVNW/D00GNMVWYMVMVM0GTD2M0NWTGZ0M/X0/Y
=E;DUDTNDI $ >#% ;W/D00GNMVW3+=MVMYMVMWDJIDXDRGITUDXMVMIRMWDI YGTMVSV/UERTD2DTDMWGIU W/D0UMWDRRGTD/I MXMRTWDI
T=MS0GITGTD/IWZMTYMMI T=MT=VMMWDTMW! GIU T=MW/D0YGTMVR/E0U ZMWEWTGDIGZ0NEWMU ZNT=M’=DIMWMSDIMS0GITGTD/IW/I T=M
T=VMMWDTMWX/VGZ/ET5% NMGVW3
林 业 科 学 !" 卷4
9.: ;",LDI)k(’;/UM0
44油松"?405*+/;5%/)&$(=4*$是黄土高原丘陵沟壑
区主要水土保持树种之一!具有耐旱耐瘠%速生丰产
等优良特性& 陕北是黄土高原人工油松林主要分布
区!但由于干旱少雨和土壤干燥化!形成了大面积低
产油松林 "吴钦孝等!#667# 程积民等!$%%$ $& 目
前!有关黄土高原人工林地生长衰败和土壤干燥化
研究的相关报道较多 "李玉山!#675# $%%## 杨维
西!#66"# 余新晓等!#66"# 侯庆春等!#666# 杨文治
等!$%%%# 杨文治!$%%## 王孟本等!$%%## 赵鸿雁
等!$%%## 陈云明等!$%%$# $%%!# 穆兴民等!$%%5#
王力等!$%%!# 陈洪松等!$%%8# 李军等!$%%7# 王志
强等!$%%7$!但油松林相关研究多集中在不同气候
区林地生物量比较%短期林地土壤水分平衡和养分
循环观测等方面"马钦彦!#676# 肖瑜!#66%# 吴刚
等!#66!# 魏天兴等!#667# 靳天恩等!#666# 罗天祥
等!#666# 赵鸿雁等!$%%## 张社奇等!$%%8# 张晓明
等!$%%7$!对油松林地水分生产力和土壤水分动态
变化的长周期定位观测和定量模拟研究鲜见报道&
由于油松生长周期较长%林地利用土壤水分的土层
较深%定位试验观测难度较大!本研究应用美国研制
的环境政策综合气候模型)))LDI)k(’!以陕北洛
川%延安和榆林为代表地点!定量模拟陕北不同降水
量地区人工油松林地水分生产力和深层土壤水分的
长周期变化动态!揭示和比较各降水地点较长时段
内人工油松林地水分生产力变化规律和土壤干燥化
效应!为陕北人工油松林地建设和林地土壤水分可
持续利用提供科学依据&
#4材料与方法
=C=>试验区油松林地概况
自 $% 世纪 "%):% 年代开始营造油松林以来!
黄土高原人工油松林地面积已达 815 9"1: 万 =;$!
陕北黄土丘陵区%渭北和陇东旱塬沟壑区以及晋西
黄土区是黄土高原人工油松林地集中分布区& 延安
以南地区为暖温带落叶阔叶林带!年降水量 8%% 9
"8% ;;!气候比较湿润!森林植被发育良好!较适宜
油松生长!位于黄龙山和子午岭的陕西宜川%黄龙%
宜君以及甘肃的合水和正宁等县人工油松林地面积
较大# 延安以北地区为温带草原带!年降水量仅
!%% 98%% ;;!干旱少雨和水土流失威胁严重!不利
于油松生长!只有府谷和神木等地有少量油松疏林
分布"吴钦孝等!#667$& 水分不足是黄土高原油松
林生长的主要限制因素!按照降水量高低和油松林
分布的地带性特征!本研究拟选择半湿润区的陕西
洛川"!8 年降水量 "%8 ;;$%半干旱区的陕西延安
"!8 年降水量 858 ;;$和半干旱偏旱区的陕西榆林
"!8 年降水量 567 ;;$为试点!运用 LDI)k(’模型
长周期系统定量模拟方法!分析和比较不同降水量
地点人工油松林地水分生产力演变和深层土壤干燥
化效应特征与差异!揭示降水对人工油松林生长的
长远影响!评价油松林地土壤水分可利用年限和人
工油松林地建设前景&
=CB>1()G!M*模型简介
侵蚀和生产力影响计算模型 )k(’"MV/WD/I^
SV/UERTD2DTND;SGRTRG0RE0GT/V$!现在改称为环境政策
综 合 气 候 模 型 " MI2DV/I;MITG0S/0DRN DITMJVGTMU
R0D;GTM$!是美国研制的定量评价*气候 >土壤 >作
物 >管理+综合系统的动力学模型!由气象模拟%水
文学%侵蚀泥沙%营养循环%农药残留%作物生长%土
壤温度%土壤耕作%经济效益和作物环境控制等模块
组成!其多作物通用生长模拟模块由包含多种树木
在内的 :% 余种作物类型组成!能够以天为时间步
长!定量模拟水土资源利用和作物生产力长周期动
态变化过程!可用来评价农业生态系统管理策略和
水土资源环境效应"LD0DG;W)+/%3!#676# #66%$& 本
研究采用的 LDI)k(’5%"% 版!是能够在 LDIU/YW环
境下运行的%用户界面友好的新一代 )k(’模型!适
用于作物生产系统综合性模拟分析和应用研究!模
型中土壤水分动力学过程描述比较细致!可以输出
逐日分层土壤水分模拟结果!特别适合于旱地土壤
水分生态环境效应的模拟和分析"OMVDd )+/%3!$%%5#
FGV;GI )+/%3! $%%! $& 有关 )k(’模型的数学模拟
原理%数据库组建%模型验证和应用研究!已有专文
报道"李军等!$%%!G# $%%!Z# $%%!R# $%%!U# $%%8#
$%%:# 赵玉娟等!$%%:$&
=CD>G!M*模型参数设置
以陕西洛川%延安和榆林为试点!利用当地气象
和土壤资料连续定量模拟研究了 #68:)$%%# 年期
间各地油松林地水分生产力与土壤干燥化效应& 逐
日气象数据包括逐日太阳辐射量%最高温度%最低温
度%降水量%相对湿度%风速等气象要素数据!来源于
洛川%延安和榆林当地气象台站 #68:)$%%# 年实时
观测资料& 土壤数据包括洛川的粘黑垆土%延安的
黄绵土和榆林的绵沙土等 5 种土壤剖面土壤理化性
"$
4第 ## 期 李4军等’ 黄土高原 5 个不同降水量地点油松林地水分生产力与土壤干燥化效应模拟
状数据!来源于中国土种志%陕西土壤等土壤普查资
料"全国土壤普查办公室!#668# 陕西省土壤普查办
公室!#66$$& 在油松林地立地条件设置中!忽略了
坡度%坡向和坡位等立地条件的影响!但考虑海拔的
影响& 参照 LDI)k(’模型中松树的生长参数!构建
油松的 !% 余种生长参数"李军等!$%%!Z# FGV;GV)+
/%3! $%%!$& 模拟研究中!设定油松生长寿命 :% 年!
模拟时段 !8 年!初植密度! %%%株(=;>$ "焦醒等!
$%%6# 张建军等!$%%:$!最大树高 $% ;!最大根深
#% ;!土层深度 #% ;!土壤剖面分为 % 9%3%#!
%1%# 9%18!%18 9#!# 9$!$ 95!5 9!!! 98!8 9:!
: 96!6 9#% ;等 #% 个土层& 在油松林 !8 年连续
生长条件下!分别模拟各降水量地区油松林地的水
分生产力年度变化%林地 #% ;土层逐月土壤有效含
水量变化动态!并在模型输出的逐日分层土壤湿度
模拟数据中!分别选择每月 #8 日 % 9#% ;土层土壤
有效含水量和每年 : 月 #8 日 % 9#% ;土层的分层
土壤湿度值!分析林地土壤有效含水量逐月变化动
态和土壤湿度剖面分布的年度变化动态&
=CO>G!M*模拟精度验证
由于缺乏黄土高原油松林生物量和土壤水分动
态长周期定位观测资料!本研究利用延安周边地区
不同年龄油松林累积生物量观测值与延安同龄油松
林累积生物量模拟值进行比较 "马钦彦!#676# 肖
瑜!#66%# 吴刚等!#66!$!平均模拟值与观测值分别
为 6!178 和 7%1$! T(=;>$! 二 者 相 对 误 差 为
#71$$a!相关系数为 %1677 %!达到极显著水平"图
#$& 由于模拟时忽略了坡度%坡向等立地条件对油
松生长的影响!只考虑平坦立地条件下温度和降水
等因素的影响!所获得的累积生物量模拟值是当地
气候和土壤条件下油松林地潜在水分生产力& 此
外!由于在实际生产上采用间伐等管理措施!$% 年
生以后油松林地实际密度通常低于模拟时的栽植密
度!也使得林分累积生物量观测值偏低& 因此!油松
林地累积生物量模拟值稍高于观测值应该是正常的
和合理的& 图 # 显示!油松累积生物量模拟值和观
测值变化趋势基本一致!表明 )k(’模型能够较为
真实地模拟油松生长和生物量积累&
由于缺乏油松林地深层土壤水分长周期连续定
位观测数据!采用同龄油松林地 % 9#% ;土层土壤
水分观测值和模拟值来比较林地土壤水分的模拟精
度& 子午岭 #8 9$% 年生油松林地 % 9#% ;土层土
壤有效贮水量观测值为 5##1! ;;"李军等!$%%7$!
洛川同龄油松林地 % 9#% ;土层土壤有效含水量模
拟值为 5881% ;;!模拟值和观测值之间的相对误差
图 #4延安油松人工林地累积生物量观测值
与模拟值对比
@DJ3#4’/;SGVDW/I /XWD;E0GTMU GIU /ZWMV2MU GRRE;E0GTMU
ZD/;GWW/X’=DIMWMSDIMS0GITGTD/IWDI BGI(GI
为 #$15%a& 绥德 $% 年生油松林地 % 9#% ;土层土
壤有效贮水量观测值为 #::1% ;;"王志强等!
$%%7$!延安同龄油松林地 % 9#% ;土层土壤有效含
水量模拟值为 #"% ;;!模拟值和观测值之间的相对
误差为 >61"%a& 山西吉县 #: 9$7 年生油松林地
年耗水量为 "8816 ;;"张晓明等!$%%7$!洛川同龄
段油松林地年耗水量模拟值为 :%$15 ;;!# 9!8 年
生油松林地年耗水量模拟值为 "5!17 ;;!模拟值和
观测值之间的相对误差分别为 :1%:a和 >51$$a&
这表明!LDI)k(’模型也能够较为真实地模拟油松
林地深层土壤水分效应和年耗水量&
$4结果与分析
BC=>年耗水量与干旱胁迫
在 #68:)$%%# 年模拟研究期间!陕北南部的洛
川%中部的延安和北部的榆林年降水量分别介于
5!#16 96#$1!!55%1% 97:#1$ 和 #861" 9"681! ;;
范围 内! !8 年 平 均 值 分 别 为 "%81%! 85!1" 和
5671% ;;!标准差分别为 #$81"! #$$1% 和 ##$1!
;;!变异系数分别为 $%17a!$517a和 $71$a!从
南到北年降水量逐步减少!降水波动性逐步增加& 5
个地点的年降水量均呈现明显的波动性降低趋势!
其中以延安降水量减少趋势最为显著"图 $$&
在 !8 年模拟研究期间!洛川%延安和榆林油松
林地年耗水量分别介于 5:#16 966!1%! 5!!15 9
7##1$ 和 $"!16 9"$81! ;;!平均值分别为 "5!17!
8""17 和 !$51" ;;! 标 准 差 #$"1$! #$518 和
661" ;;!变异系数 #616a!$#17a和 $518a!5 个
地点油松林地年耗水量均呈现逐年线性增高!又逐
年波动性降低的变化动态"图 $$!洛川%延安和榆林
油松林地年耗水量分别在 #6!7 和 7 年生时达到最
大值!此后开始波动性下降"图 5$& 在 !8 年期间!
:$
林 业 科 学 !" 卷4
图 $4黄土高原 5 个降水量地点实时降水量%油松林地年耗水量%干旱胁迫日数%逐年生物量
和累积生物量模拟值变化动态
@DJ3$4KNIG;DR/XVMG0^TD;MGIIEG0VGDIXG0! WD;E0GTMU GIIEG0YGTMVR/IWE;STD/I! YGTMVWTVMWWUGNW! GIIEG0ZD/;GWW
GIU GRRE;E0GTMU ZD/;GWW/I ’=DIMWMSDIMS0GITGTD/IW/XT=VMMVGDIXG0WDTMW/XT=M0/MWWS0GTMGE
洛川%延安和榆林油松林地年耗水量分别比同期年
降水量平均值高 $617!5$1$ 和 $81" ;;!!8 年共多
耗水# 5!%!# !8%和# #8% ;;&洛川 # 9$$ 年生%延
安 # 9$# 年生%榆林 # 9$% 年生期间油松林地年耗
水量值普遍高于当地同期年降水量值!此期间年均
多耗水 "%16!"71" 和 8:18 ;;!洛川 $5 9!8 年生%
延安 $$ 9!8 年生%榆林 $# 9!8 年生油松林地年耗
水量值和年降水量值接近或者相等!波动趋势完全
7$
4第 ## 期 李4军等’ 黄土高原 5 个不同降水量地点油松林地水分生产力与土壤干燥化效应模拟
吻合!表明油松林地深层土壤干燥化后!油松生长耗 水主要依靠当年雨季降水供给"图 5$&
图 54黄土高原 5 个降水量地点油松林地逐年耗水量和逐年降水量变化趋势比较
@DJ354’/;SGVDW/I /XTVMIU /XGIIEG0YGTMVR/IWE;STD/I /I ’=DIMWMSDIMS0GITGTD/IWGIU GIIEG0VGDIXG0/X
T=VMMVGDIXG0WDTMW/XT=M0/MWWS0GTMGE
44土壤干旱胁迫是指林地土壤供水量低于树木生
长需水量时对树木生物量生长产生的水分亏缺胁
迫& 干旱胁迫日数是指每年生长季节中油松生物量
生长遭受土壤干旱胁迫的日数!用以描述土壤水分
亏缺对当季油松生物量生长的胁迫程度& 在 !8 年
模拟研究期间!洛川%延安和榆林油松林地年土壤干
旱胁迫日数分别介于 % 9$##18 !% 9$!"1$ 和 % 9
$#51: 天!!8 年平均值分别为 7#1!!661! 和 #$%1:
天!标准差分别为 ::1#!7!1# 和 :"18 天!变异系数
分别为 6!17a!7!1"a和 "51!a& 洛川油松林地干
旱胁迫程度低于延安!延安又低于榆林& 洛川 # 9
#: 年生%延安 # 9#8 年生和榆林 # 97 年生油松林
地土壤干旱胁迫日数为 %!表明此期尚未出现土壤
干旱胁迫& 此后!洛川 #7 9!8 年生%延安 #" 9!8 年
生和榆林 6 9!8 年生油松林地年土壤干旱胁迫日数
呈现明显的波动性上升趋势!表明油松生长遭受土
6$
林 业 科 学 !" 卷4
壤干旱胁迫的程度日趋增加"图 $$!此期洛川%延安
和榆林油松生长干旱胁迫日数平均值分别为
#5%17!#!61# 和 #!"18 天& 在有干旱胁迫年份!洛
川的干旱胁迫程度低于延安!延安又低于榆林!但在
油松生长中期!三者差异较为明显!在生长后期差异
趋于缩小& 在模拟研究后期的 6% 年代!洛川%延安
和榆林的油松林地土壤干旱胁迫程度加剧!5 个地
点干旱胁迫日数逐渐接近或者超过 $%% 天!其中!洛
川在 #668 年达到最大值 $##18 天!延安在 $%%# 年
达到最大值 $!"1$ 天!榆林在 #66: 年达到最大值
$#51: 天&
BCB>逐年生物量与累积生物量
在 #68:)$%%# 年模拟研究期间!洛川%延安和
榆林的油松林地逐年生物量模拟值分别介于%1:8 9
71$%!%1%$ 9"1"! 和 %1!$ 981$" T(=;>$范围!!8 年
平均值分别为 !1$6!51"$ 和 $1:5 T(=;>$!标准差分
别为 $1%6!#177 和 #1$8 T(=;>$!变异系数分别为
!716a!8$1%a和 !817a& 随降水量从南向北减
少!洛川%延安和榆林油松林地逐年生物量平均值也
呈现减少趋势&
在 !8 年模拟研究期间!洛川 # 9#: 年生%延安
# 9#5 年生和榆林 # 96 年生油松林地逐年生物量
均呈现稳定的线性上升趋势!并达到最高或较高
年生长量水平后!洛川 #7 9!8 年生%延安 #! 9!8
年生和榆林 #% 9!8 年生油松林地逐年生物量呈
现剧烈的波动性降低趋势!出现了生长速度逐年
趋缓现象"图 $$ & 随各地降水量的年际波动性变
化!洛川油松林地逐年生物量在较高水平上波动
性降低!榆林在较低水平上波动性降低!延安在二
者之间波动性降低& 若按照油松林地逐年生物量
增长量高低划分!可以将 !8 年油松生长时段分为
初始生长阶段%旺盛生长阶段和缓慢生长阶段 5
个阶段!不同生长阶段油松林地生物量生长速度
差异显著"表 #$ &
表 =>黄土高原 D 个降水量地点油松林地生长阶段及其平均逐年生物量比较
2&8?=>*"F#&,(/")"0&A.,&6.&))$&%8("F&//()<(00.,.)’6,";’+#.,(""0’+,..,&()0&%/(’./"0’+.%".//#%&’.&$
地点
&DTMW
初始生长阶段
(IDTDG0JV/YT= SMVD/U
旺盛生长阶段
@GWTJV/YT= SMVD/U
缓慢生长阶段
&0/YJV/YT= SMVD/U
分布时段
"生长年限$
kMVD/U
平均逐年生物量
,2MVGJMGIIEG0
ZD/;GWWi"T(=;>$ $
分布时段
"生长年限$
kMVD/U
平均逐年生物量
,2MVGJMGIIEG0
ZD/;GWWi"T(=;>$ $
分布时段
"生长年限$
kMVD/U
平均逐年生物量
,2MVGJMGIIEG0
ZD/;GWWi"T(=;>$ $
洛川 -E/R=EGI
#68:)#6"8
"# 96 年生
# >6 N^MGV^/0U$
$1$#
#6"")#67!
"#% 9$7 年生
#% >$7 N^MGV^/0U$
"15#
#678)$%%#
"$6 9!8 年生
$6 >!8 N^MGV^/0U$
51#$
延安 BGI-GI
#68:)#6"!
"# 97 年生
# >7 N^MGV^/0U$
#16%
#6"8)#67"
"6 95% 年生
6 >5% N^MGV^/0U$
81%!
#67:)$%%#
"5# 9!8 年生
5# >!8 N^MGV^/0U$
$1!"
榆林 BE0DI
#68:)#6"$
"# 9" 年生
# >" N^MGV^/0U$
#188
#6"5)#678
": >$6 年生
: >$6 N^MGV^/0U$
51"%
#67")$%%#
"5% 9!8 年生
5% >!8 N^MGV^/0U$
#165
44在油松林地生长后期 5# 9!8 年生期间!油松林
地生物量增长量随降水量变化年度差异十分显著&
如 #677 年 5 个地点均为丰水年型!洛川%延安和榆
林的年降水量分别高达 :%81$!:!518 和 8!%1: ;;!
当年油松林地生物量增长量分别为 815"!"18" 和
!17# T(=;>$!而 #66: 年 5 个地点均为干旱年型!洛
川%延安和榆林的年降水量分别仅为 !%51#!5$:1#
和 5#"18 ;;!当年油松林地生物量增长量分别只有
%16"!%1:: 和 %18! T(=;>$& 在油松林地模拟生长
的后 #8 年期间!进入缓慢生长和衰败阶段!洛川有
$ 年 "#668 和 #66: 年$%延安有 ! 年 "#668!#66:!
#666 和 $%%% 年$%榆林有 7 年 "#676!#66#!#665!
#66"!#66:!#667!#666 和 $%%% 年$油松林地逐年增
长量低于 $1% T(=;>$!特别是榆林油松生长衰败迹
象十分明显&
洛川%延安和榆林 # 9!8 年生油松林地累积生
物量均呈现逐年增加趋势"图 $$!洛川累计生物量
增长量明显高于延安!延安又明显高于榆林& 洛川%
延安和榆林 !8 年生油松林地累计生物量分别为
#6$17!!#"$16# 和 #$51%! T(=;>$!洛川和延安分别
比榆林高 8"1:a和 5$1!a&
BCD>逐月土壤有效含水量
土壤有效含水量是指林地土壤含水量减去凋萎
湿度含水量的差值!其含义是树木能够从土壤中吸
收的水分含量& 在 #68:)$%%# 年模拟研究期间!洛
川%延安和榆林油松林地 % 9#% ;土层逐月土壤有
%5
4第 ## 期 李4军等’ 黄土高原 5 个不同降水量地点油松林地水分生产力与土壤干燥化效应模拟
效含水量值分别介于 % 9# !5%!% 9# !"%和 % 9
# #"% ;;!8!% 个月平均值分别为 !:61#!!$718 和
$8:16 ;;!标准差分别为 87%1$! 8""17 和 5:"15
;;!变异系数分别为 #$#a!#5$a和 #!"a& 在 !8
年期间!洛川%延安和榆林油松林地逐月土壤有效含
水量平均值依次降低!土壤干燥化程度以榆林最严
重!其次为延安!洛川较轻&
# 9#7 年生油松林地 % 9#% ;土层逐月土壤有
效含水量下降趋势明显"图 ! ,$!洛川%延安和榆林
油松林地 % 9#% ;土层逐月土壤有效含水量分别从
#68: 年 # 月的# 58%!# !8%和# #"% ;;!降低到 #6:!
年 #$ 月的 $8%!#:% 和 #5% ;;!#7 年间土壤有效含
水量分别减少# #%%!# $7%和# %5% ;;!平均每年减
少 "#!:# 和 8: ;;&
洛川 # 9#5 年生油松林地 % 9#% ;土层逐月土
壤有效含水量维持在较高的水平上!土壤干燥化并
不明显!从 #! 年生起土壤有效含水量剧烈下降!从
#6:% 年 # 月的# $7% ;;降低到 #6:" 年 #$ 月"$% 年
生$的 8% ;;!平均每年减少 #:" ;;!表明 #! 9$%
年生期间是洛川油松林地土壤干燥化最强烈的阶
段& 随降水量的年度和季节波动!洛川 $# 年生以上
油松林地 % 9#% ;土层逐月土壤有效含水量在 % 9
#8% ;;范围的较低水平上波动&
延安 # 97 年生油松林地 % 9#% ;土层逐月土
壤有效含水量也维持在较高水平上!从 6 年生开始
土壤有效含水量逐年急剧下降!从 #6"8 年 # 月的
# 5"% ;;降低到 #6:" 年 #$ 月"$% 年生$的 5% ;;!
平均每年减少 ### ;;!即 6 9$% 年生期间是延安油
松林地土壤干燥化最强烈的阶段& $# 年生以后!延
安油松林地 % 9#% ;土层土壤有效含水量在 % 9
#5% ;;范围内的较低水平上波动&
榆林 # 98 年生油松林地 % 9#% ;土层逐月土
壤有效含水量也维持在较高水平上!尚未发生严重
土壤干燥化!从 " 年生起土壤有效含水量逐年下降!
从 #6"$ 年 # 月的# %#% ;;降低到 #6:8 年 #$ 月"#6
年生$的 !% ;;!平均每年减少 "6 ;;!即 " 9#6 年
生期间是榆林油松林地土壤干燥化最强烈的阶段&
$% 年生以后!榆林油松林地 % 9#% ;土层土壤有效
含水量在 % 9##% ;;范围内的较低水平上波动&
榆林油松林地的土壤干燥化进程早于洛川和延安!
不仅表现为土壤有效含水量开始下降的时间较早!
而且表现为达到强烈干燥化阶段的时间也早& 榆林
在 #8 年生时土壤有效含水量就已经降低到 $%% ;;
以下!而洛川在 #7 年生%延安在 #" 年生时分别降低
到 $%% ;;以下&
虽然洛川%延安和榆林的年降水量差异明显!但
洛川和延安油松林地在发生干燥化后 % 9#% ;土层
土壤有效含水量差异并不明显!分别在 % 9#8%!% 9
#5% 和 % 9##% ;;范围内变化!当季降水基本上被
油松生长消耗!剩余的土壤有效含水量很低!表明 5
个地点油松林地 % 9#% ;土层土壤湿度已经达到强
烈干燥化状态&
若洛川%延安和榆林土壤稳定湿度值分别以
#818a!#$1%a和 615a计算!那么达到土壤稳定湿
度时土壤有效含水量分别为 78!6# 和 :8 ;;(;>#&
以 #% ;土层厚度计算!洛川%延安和榆林在土壤稳
定湿度下的有效含水量分别为 78%!6#% 和 :8% ;;&
若以油松林地 % 9#% ;土层土壤有效含水量开始稳
定低于当地土壤稳定湿度值作为判断标准!则洛川
在 #" 年生%延安在 #! 年生和榆林在 6 年生时油松
林地 % 9#% ;土层整体开始发生土壤干燥化& 若以
土壤稳定湿度值的一半作为严重干燥化的界限指
标!那么洛川%延安和榆林油松林地 % 9#% ;土层土
壤湿度分别在 #7 年生%#" 年生和 #! 年生时达到严
重干燥化强度&
BCO>土壤湿度剖面分布
洛川%延安和榆林 # 9$7 年生油松林地% 9#% ;
土层土壤湿度剖面分布模拟值逐年变化显示 "图
8$!洛川在 #! 年生%延安在 6 年生%榆林在 8 年生以
前!油松根系吸水土层均主要分布于 % 95 ;土层范
围!在深度 $ ;处形成明显的低湿层!5 9#% ;土层
土壤湿度仍在较高水平上& 洛川%延安和榆林分别
从 #8!#%!" 年生开始!油松林地吸水土层深度逐年
加深!在 5 ;以下深层逐渐形成土壤干层& 洛川 #8
年生油松林地土壤干层最大分布深度超过 5 ;!#"
年生超过 : ;!#: 年生超过了 6 ;!#6 年生超过
#% ;!$% 年生以后 $ 9#% ;土层土壤湿度维持在
%1##: ;(;>#左右的稳定干燥化状态& 延安 #% 9##
年生油松林地土壤干层最大分布深度超过 ! ;!
#$ 9#5 年生超过 8 ;!#! 年生超过 : ;!#8 年生超
过 6 ;!#6 年生超过 #% ;!$% 年生以后 $ 9#% ;深
层土壤湿度维持在 %1%"! ;(;>#左右的稳定干燥化
状态& 榆林 : 年生油松林地土壤干层最大分布深度
超过 5 ;!7 年生时超过 8 ;!6 年生时超过 : ;!#!
年生时超过 6 ;!#6 年生超过 #% ;!$% 年生以后
$ 9#% ;深层土壤湿度维持在 %1%!8 ;(;>#左右的
稳定干燥化状态& 此后!5 个地点油松林地均只有
% 9$ ;土层土壤湿度随降水量发生年度和季节变
化& 5 个地点相比!榆林油松林地土壤干燥化进程
最快!其次为延安!洛川则相对较慢!但在 $% 年生以
#5
林 业 科 学 !" 卷4
图 !4黄土高原 5 个降水量地点油松林地 % 9#% ;土层逐月土壤有效含水量模拟值变化动态比较
@DJ3!4’/;SGVDW/I /XWD;E0GTMU ;/IT=0NG2GD0GZ0MYGTMVG;/EITR=GIJMWDI % >#% ;SV/XD0M/X’=DIMWMSDIMS0GITGTD/IW
/XT=VMMVGDIXG0WDTMW/XT=M0/MWWS0GTMGE
后油松林地 $ 9#% ;土层均已达到强烈干燥化状
态!深层土壤水库贮水量的枯竭!使得油松生长完全
依靠当季降水供给!难以满足油松旺盛生长对水分
的强烈需求& 随着降水量的趋势性减少和土壤干旱
胁迫程度的加剧!最终导致油松逐年生物量生长逐
渐下降&
54讨论与结论
DC=>讨论
#$ 黄土高原油松林地水分生产力与土壤干燥
化效应4陕北和晋西黄土高原地处暖温带半湿润和
半干旱气候区!人工油松林生长主要受降水量的显
著制约& 本研究模拟结果显示!在油松生长前期!在
$5
4第 ## 期 李4军等’ 黄土高原 5 个不同降水量地点油松林地水分生产力与土壤干燥化效应模拟
图 84黄土高原 5 个降水量地点 # 9$7 年生油松林地 % 9#% ;土层土壤湿度剖面分布逐年变化
@DJ384’/;SGVDW/I /XGIIEG0W/D0;/DWTEVMUDWTVDZETD/I R=GIJMWDI % >#% ;SV/XD0M/X# >$7 N^MGV^/0U ’=DIMWMSDIMS0GITGTD/IW
/XT=VMMVGDIXG0WDTMW/XT=M0/MWWS0GTMGE
降水和土壤贮水的双重供给下!林分生长需水供给
充足!林地年耗水量远高于同期降水量!油松林分生
长健康和旺盛!几乎不受当季降水量的影响!但随着
林地深层土壤水分过耗和干燥化加剧!深层土壤供
水能力逐渐降低甚至完全丧失!油松生长只能依赖
于当季降水供给!此时林地年耗水量和年降水量基
本相当!油松生长量随降水量变化呈显波动性降低
趋势!最终在较低生长量水平上波动& 此时!油松林
地只有 % 9$ ;土层土壤湿度随降水量发生季节和
年度变化!$ 9#% ;土层土壤湿度维持在接近凋萎
55
林 业 科 学 !" 卷4
湿度的稳定干燥化状态!并不随降水量发生年度变
化!模 拟 结 果 和 绥 德 $%%#)$%%" 年 油 松 林 地
% 9#% ;土层土壤湿度年度变化测定结果完全一致
"王志强等!$%%7$& 在半湿润地区!年降水量基本
上能够维持油松生长需水要求!只是当后期土壤干
燥化发生后油松生长速率趋缓# 在半干旱地区!降
水不足且年际波动剧烈!油松生长受到严重干旱胁
迫!在极度干旱年型油松生长速率极低!甚至导致树
木因旱死亡!本研究中 $%%# 年延安油松林地逐年生
物量仅为 %1%$ T(=;>$!与 $%%# 年绥德大片 $$ 年生
油松林死亡现象相吻合"王志强等!$%%$$& 因此!
在黄土高原各降水量地区!大约在 $% 年生之后油松
林地相继出现严重干旱胁迫& 由于坡度%坡向等立
地条件对降水分配和土壤水分利用的显著影响!阳
坡和陡坡地干旱胁迫程度明显高于阴坡和缓坡地&
如果此时采取间伐抚育措施!降低油松种植密度!增
加单株树木供水面积!则有可能维持油松持续生长!
在降水量越低的地区!单株树木需水面积越大!林地
密度也应该越低& 在年降水量低于 8%% ;;的延安
以北地区!虽然 # 9$% 年生油松林分也能存活和生
长!但容易遭受严重干旱胁迫!$% 年生之后油松生
长衰败和死亡的风险很大!只能栽植油松疏林!扩大
单株树木供水面积!勉力维持树木生存&
$$ 油松林地水分生产力和土壤干燥化效应模
拟方法4由于油松生长周期较长!林地土壤水分生
态效应变化过程较长!加之林地立地条件复杂多样!
采取长期定位观测方法测定油松林地水分生产力和
土壤干燥化效应的工作难度较大& 迄今为止!尚未
见到关于油松林地生产力和深层土壤水分动态的长
周期定位试验研究报道& 因此!在较长时段内!运用
*气候 >土壤 >植物 >管理+复合系统动力学模型
LDI)k(’定量模拟研究黄土高原不同干旱类型区油
松林地水分生产力和土壤干燥化效应!不失为一种
简便和有效的方法& 在本研究中!虽然忽略了坡度%
坡向等立地条件的影响!也无法反映油松树高%胸径
和材积等林木经济性状!但模拟结果所反映的油松
林地逐年生物量演变和深层土壤水分动态!对理解
不同降水量条件下油松生长过程和土壤水分利用规
律!为确定与降水资源相适应的油松造林和抚育管
理措施提供了科学依据& 但受气象台站实时逐日气
候数据序列时段较短的限制!本研究只模拟了
#68:)$%%# 年期间的 # 9!8 年生油松林地生长和
水分利用结果!尚不能模拟 !8 年以上林龄油松林地
的水分生产力演变和土壤干燥化效应过程& 同时!
本研究中油松林地栽植密度为! %%% 株(=;>$!没有
考虑油松间伐抚育措施导致密度降低后的林地生物
量和土壤水分利用状况& 此外!)k(’模型模拟结果
是在当地气候%土壤和管理措施下对理想状态油松
林地生物量生长和土壤水分利用潜在能力的反映!
使得深层土壤湿度模拟结果较实际观测值偏低!这
应该是一种不可避免的%但尚可接受的模型误差&
上述不足之处!还有待于在今后研究工作中进一步
完善&
DCB>结论
#$ 在 #68:)$%%# 年模拟研究期间!随自然降
水量从洛川%延安%榆林依次减少!油松林地年耗水
量也依次降低!!8 年平均值分别为 "5!17!8""17 和
!$51" ;;!洛川 # 9$$ 年生%延安 # 9$# 年生和榆林
# 9$% 年生油松林地平均年耗水量比同期降水量高
"%16!"71" 和 8:18 ;;!导致油松林地深层土壤逐
渐发生干燥化!洛川%延安和榆林分别在 #7!#" 和 6
年生时出现干旱胁迫!此后干旱胁迫程度波动性上
升!干旱胁迫日数平均值分别为 #5%17 !#!61# 和
#!"18 天& $# 9$5 年生之后油松林地深层土壤水分
枯竭!油松生长耗水主要依靠当年雨季降水供给!林
地年耗水量和年降水量基本相当&
$$ 洛川%延安和榆林油松林地逐年生物量模拟
值分别在 # 9#:!# 9#5 和 # 96 年生期间线性上升!
达到最大值 "平均值分别为 !1$6!51"$ 和 $1:5 T(
=;>$$后随降水量年际波动呈现出明显的波动性降
低趋势!按照逐年生物量高低可以将 !8 年生长期划
分为初始生长阶段 "# 96 年生 $%旺盛生长阶段
"#% 95% 年生$和缓慢生长阶段"5# 9!8 年生$& 洛
川%延安和榆林 # 9!8 年生油松林地累积生物量均
呈现逐年增加趋势!!8 年生时分别达到 #6$17!!
#"$16# 和 #$51%! T(=;>$&
5$ 在 # 9#5!# 97 和 # 98 年生期间!洛川%延
安和榆林油松林地逐月土壤有效含水量均在较高水
平上缓慢降低!但分别在 #! 9$%!6 9$% 和 " 9#6 年
生期间急剧快速降低!土壤干燥化过程十分强烈!年
均土壤干燥化速度分别为 #:"!### 和 "6 ;;!此后 5
个类型区油松林地 % 9#% ;土层逐月土壤有效含水
量均在 % 9#8% ;;范围内的较低水平上随降水量
变化而波动!分别在 #7!#" 和 #! 年生时发生严重干
燥化&
!$ 洛川%延安和榆林分别在 #!!6 和 8 年生之
前!油松根系吸水土层均主要分布于 % 95 ;土层范
围!只在 $ ;处形成明显的低湿层& 从 #8!#% 和 "
年生开始!洛川%延安和榆林油松林吸水土层深度逐
年加深!在 5 ;以下深层逐渐形成土壤干层!分别在
!5
4第 ## 期 李4军等’ 黄土高原 5 个不同降水量地点油松林地水分生产力与土壤干燥化效应模拟
#"!#! 和 6 年生时超过 : ;!在 #6 年生时均超过 #%
;!$% 年生以后 $ 9#% ;土层土壤湿度保持相对稳
定的干燥化状态!只有上部 % 9$ ;土层土壤湿度随
降水量发生年度和季节变化&
8$ 洛川%延安和榆林油松林地水分生产力和土
壤干燥化效应区域差异明显& 洛川和延安降水量较
高!油松林地土壤干燥化速度较慢!逐年生物量降低
速度较慢!林地水分生产力较高且较为稳定!而榆林
降水量较低!油松林地土壤干燥化速度较快!逐年生
物量水平较低且降低速度较快!林地水分生产力稳
定性较差!5 个地点油松林地土壤水分稳定可利用
年限约 5% 年左右&
参 考 文 献
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化研究进展3林业科学!!#"!$ ’ #88 >#"#3
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征3植物生态学报!$""5$ ’ 556 >5!83
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带性特征3自然资源学报!#6"$$ ’ #68 >$%%3
程积民!万惠娥3$%%$3中国黄土高原植被建设与水土保持3北京’
中国林业出版社3
侯庆春!韩蕊莲3#6663黄土高原人工林草地*土壤干层+问题初探3
中国水土保持!"8$ ’ ## >#!3
靳天恩! 马彦红3#6663影响人工油松林生长的相关因子的研究3防
护林科技!"5$ ’ #$ >#!!863
李4军!邵明安!张兴昌3$%%!G3)k(’模型中农田水分运移与利用
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过程的数学模拟3西北农林科技大学学报’ 自然科学版! 5$
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建3西北农林科技大学学报’ 自然科学版!5$"7$ ’ $# >$"3
李4军!邵明安!张兴昌3$%%!U3黄土高原旱塬地冬小麦水分生产潜
力与土壤水分动态的模拟研究3自然资源学报! #6 "#" $ ’ :57
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李4军!邵明安!张兴昌3$%%83)k(’模型中土壤氮磷运转和作物营
养的数学模拟3植物营养与肥料学报! ##"$$ ’ #"" >#:53
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壤干燥化与产量波动趋势模拟研究3中国生态农业学报! #8
"$$ ’ 8! >873
李4军!陈4兵!李小芳!等3$%%73黄土高原不同植被类型区人工
林地深层土壤干燥化效应3生态学报!$7"!$ ’ #!$6 >#!!83
李玉山3#6753黄土区土壤水分循环特征及其对陆地水分循环的影
响3生态学报!5"$$ ’ 6# >#%#3
李玉山3$%%#3黄土高原森林植被对陆地水循环影响的研究3自然
资源学报!#""8$ ’ !$: >!5$3
焦4醒!刘广全3$%%63陕西黄土高原油松生长状况及其影响因子
分析3西北植物学报!$6"8$ ’ 7": >7:53
罗天祥!李文华!赵士洞3#6663中国油松林生产力格局与模拟3应
用生态学报!#%"5$ ’ $8: >$"#3
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王4力!邵明安!张青峰3$%%!3陕北黄土高原土壤干层的分布与分
异特征3应用生态学报!#8"5$ ’ !5" >!!$3
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含量的影响3地理学报!"5":$ ’ :%5 >:#53
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律的研究3北京林业大学学报!$%"!$ ’ 5" >!%3
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比较研究3植物生态学与地植物学学报! #!"5$ ’ $5: >$!83
杨维西3#66"3试论我国北方地区人工林植被的土壤干化问题3林业
科学!5$"#$ ’ :7 >7!3
杨文治3$%%#3黄土高原土壤水资源与植树造林3自然资源学报!#"
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余新晓!张建军!朱金兆3#66"3黄土地区防护林生态系统土壤水分
条件的分析与评价3林业科学!5$"!$ ’ $76 >$6"3
张社奇! 王国栋! 时新玲3$%%83黄土高原油松人工林地土壤水分
物理性质研究3干旱地区农业研究!$#"#$ ’ "% >"!3
张晓明!余新晓!武思宏!等3$%%73黄土高原主要造林树种需水定
额计算与分析3水土保持研究!#8"#$ ’ 5" >!%3
张建军! 贺4维! 纳4磊3$%%:3黄土区刺槐和油松水土保持林合
理密度的研究3中国水土保持科学!8"$$ ’ 88 >863
赵鸿雁!吴钦孝!陈云明3$%%#3人工油松林系统水土保持功能的叠
加效应3水土保持学报!#8 "!$ ’ !# >!53
赵玉娟!李4军!王学春!等3$%%:3延安油松人工林地水分生产力
与土壤干燥化效应模拟研究3西北农林科技大学学报’ 自然科
学版!58":$ ’ "# >"73
FGV;GI L-! OMVDd +\3$%%!3AMWMGVR=MV(WJEDUMT/LDI)k(’! 2MVWD/I
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LD0DG;W\A! \/IMW’,! lDIDVN\A! )+/%3#6763+=M)k(’RV/S
JV/YT= ;/UM03+VGIW/X,&,)! 5$"$$ ’ !:8 >8##3
LD0DG;W\A! KNdMk+! @ER=WL L! )+/%3#66%3)k(’^MV/WD/Ii
SV/UERTD2DTND;SGRTRG0RE0GT/V’ $3pWMV;GIEG03p& KMSGVT;MIT/X
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!责任编辑4郭广荣"
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