3 土壤干层的形成过程与生态环境效应
世界上很多地区有土壤干层的相关研究和报道[10,11],但由于我国黄土高原分布面积广、大气蒸发力强、水资源短缺、堆积土层厚等自然条件，加上强烈的人为干扰，使得该区土壤干层的研究更具典型性和代表性[2,12].土壤干层的形成从微观角度而言属生物成因，因植被耗水量大于降水量，且地下水埋藏深（ 地下水位大都为30 ~ 80 m,几乎不参与SVATs中的水循环过程） ,土壤水分循环处于负平衡所致。侯庆春等[13]指出，人为引进非当地自然群落的外来物种，会加剧植被的过度耗水，进而打破降水与植被需水之间的动态平衡，导致土壤干层的形成。从宏观角度而言，主要受制于全球气候变化与人类活动的干扰。赵景波等[14,15]认为土壤干层的形成原因可分为自然和人为2个方面，自然原因又分为原本干旱的气候和气候的自然变干2种。近50年的数据表明，黄土高原1961-2010年的平均气温增长了1. 91 ℃，年降水量减少了29. 11 mm,暖干化趋势明显[16].气候暖干化一方面不利于增加土壤水分，另一方面加速了土壤水分的蒸发消耗，从而产生新的土壤干层并引起干层分布范围的扩大和干化程度的增强。在人为因素中，人工林密度过大、没有遵循植被演替规律造林、自然植被受到破坏而引起的大环境恶化和所选造林树种多为速生种是主要原因： 在年均降水量600 mm左右条件下，土层厚度大于6 m或地下水埋深大于6 m的中龄人工林下，一般均有干层发育。李裕元等[17]从全球气候要素周期性变化和地球构造运动导致黄土堆积的角度，研究了黄土高原植被的演替和土壤干层的形成，也指出黄土高原土壤干层的形成是气候干旱化和人工植被选择不当2个方面综合作用的结果。
土壤干层的发生以土壤水分含量小于土壤干层判定阈值为起点，随着该过程的进一步持续，土壤干层逐渐加深。事实上，土壤干层是SVATs中多界面、多尺度水分过程相互作用的结果，其形成对土壤理化性质和植被生长状况具有显着负面影响。土壤干层的存在会切断或减缓土壤水分上下层之间的交换，阻隔了降水垂直入渗补给地下水的能力，导致“土壤水库”功能减弱、土壤环境恶化、土壤质量降低、植被退化或大规模死亡、土地生产力降低等，进而影响植被的水土保持、水源涵养、水文调节、固碳等生态系统服务功能[18 ~ 21].自20世纪50年代以来，为了减少黄土高原水土流失状况，在该区进行了大规模的植被建设。然而，当时的植被建设模式在一定程度上违背了植被的生态分布规律，表现为在半干旱区种植人工乔木林，在半湿润区种植高密度、高生物量的林草树种。这些人工植被生长到6 ~ 10年后开始退化，大都成为“小老头树”（ 图2） ,其水土保持、涵养水源等生态效益不明显甚至丧失，这在很大程度上与土壤干燥化的发生有关。大量实地测定结果表明，人工植被下的土壤含水量非常低，0 ~10 m剖面土壤含水量接近凋萎湿度，存在严重的下伏土壤干化层。土壤干层的持续存在会影响灌丛群落向次生林方向的演替，若遇连续干旱，由于土壤供水能力差，很可能导致植被完全衰败甚至大规模死亡，而衰败后的林草地再造林难度更大[19,22].另一方面，土壤干层形成以后，会减少降水转化为地下水的比例，影响区域水循环的过程与路径[23,24].此外，有研究表明土壤干燥化对沙尘暴的发生也具有重要贡献，进而对环境和人类健康构成威胁[25].当前，在全球变化和人类活动影响下，黄土高原传统的地理-生态过程正发生深刻变化[26],“土壤水库”的调节功能越来越不稳定，土壤干燥化程度也在加剧[27].土壤水资源的不足，必然会影响人工植被的生长发育和生态系统的稳定性，从而限制黄土高原植被的大面积恢复，影响整个区域的生态文明建设和可持续发展。
然而，关于土壤干层不同发展阶段和不同干燥化强度的生态水文效应、土壤干层对SVATs中大气-植被、土壤-植被、土壤-大气等界面过程影响等方面的研究鲜有报道。因此，以SVATs为出发点，研究大气降水、地表水、植物水、土壤水转化与水分运动过程，植被根系分布、吸水特性及蒸腾特征，土壤、地形等不同条件下的土壤水动力学过程，阐明不同气候区土壤干层发生发展过程，是评估土壤干层对生态系统影响程度的关键，也是实现干层合理调控的基础。
4 土壤干层的影响因素与预测模型
土壤干层的空间分布具有明显的变异性和尺度依赖性[2,28,29].一些学者研究了土壤干层在区域尺度[5,6,9]、大尺度[30]、中尺度[31]、小尺度[8,13,32]上的空间分布特征及影响因素，取得了重要进展。
在区域尺度，黄土高原土壤干层具有明显的地带性分布规律。王力等[5]研究了陕北黄土高原人工刺槐林土壤干层的分布状况和分异特征，指出土壤干层在陕北高原普遍存在，并受降雨量的显着影响。土壤的干化程度具有明显的水平分异规律，从南到北随着降水量的减少，土壤干化程度逐渐加剧。Wang等[6]对整个黄土高原地区土壤干层进行了调查研究并绘制了土壤干层空间分布图，发现土壤干层厚度在西部较厚，而在延黄灌区，干层厚度较薄甚至无干层，干层内平均含水量从东南向西北方向呈递减趋势。黄土高原区域尺度土壤干层的分布规律可归因于气候和土壤地带性分布共同作用的结果。受气候和土壤质地的制约和影响，降水量和土壤水分物理性能呈现出规律的方向性变化，即从东南向西北，降水量和土壤持水性能均逐渐降低，而蒸发潜力逐渐增加，土壤稳定湿度逐渐降低，深层土壤储水逐渐降低[12].
由于土地利用方式的不同，土壤干层在局地空间分布上也表现出明显的分异规律。何福红等[33]研究探讨了黄土沟壑区王东沟小流域的土壤干层问题，发现该流域土壤干层普遍存在，土壤干燥化程度和干层厚度均表现为林地>果园>草地>农地，并指出植被类型是影响小流域土壤干层分布的主要因素。Wang等[6]对整个黄土高原土壤干层调查发现，土壤干层厚度表现为农地<草地<林地； 干层形成的起始深度为林地<草地<农地。除了气候、土壤和土地利用方式会影响土壤干层分布外，地形也不可忽略，特别是在中小尺度研究中。王力等[5]研究发现黄土高原土壤干层除了具有显着的水平分异规律外，由于受海拔、降水入渗能力和土壤持水能力等诸多因素的影响，土壤干化程度在小范围山地的局地空间上呈现明显的垂直分异规律，即海拔愈高，土壤干化程度愈严重。黄土高原地形支离破碎、沟壑纵横，坡地多，土壤水分状况空间差异显着，梁峁地在黄土区的各种土地类型中的土壤干燥化程度最为严重，这主要是因为梁峁地坡度较陡，不利于降水的保持，加之该区降雨集中，且多以暴雨形式出现，极易导致严重的水土流失，从而形成了梁峁地土壤水分较差的现状。坡度和坡向对土壤干化程度也有明显影响[28,34],一般来说，陡坡土壤水分亏缺比缓坡严重，因为陡坡接受降水补给的能力较弱； 阳坡土壤干化程度比阴坡更为严重，因为阳坡接受太阳光照射时间更长，吸收太阳辐射热量较多，蒸发潜力更强。此外，在一定空间尺度下，土壤干层的严重程度取决于导致水分负平衡的各个生态水文过程，表现出明显的时间依赖性。基于不同植被类型下土壤干层与生长年限的相互关系研究，一些学者发现，苜蓿、柠条、油松、刺槐、沙打旺等植被下的土壤干层受植物生长年限的显着影响[8,9,35,36].
土壤干层的影响因素在本质上受控于与之相关的水循环过程，而土壤干层的时空依赖性取决于各个过程的时空变异性及其叠加效应。借助模型手段，通过综合观测与数据集成，结合数学模拟，评估各个生态水文过程对土壤水分的影响，是揭示不同环境条件下土壤水分主控因子的重要手段[37,38].目前，一些学者开发或改进了适用于旱区生态系统的水文模型，例如，韩兰英等[39]利用DEM,MODIS资料和石羊河流域30年气象数据，结合土壤湿度、辐射和温度地形分布模型（Landscape Distribution ofSoil moisture,Energy and Temperature,LANDSET） 以及空气相对湿度地形分布模型（Landscape Distribu-tion of Atmospheric Moisture,LANDAM） ,建立了流域土壤水分含量模型，验证结果表明该模型适合于干旱区内陆河流域的土壤水分含量模拟研究； 傅伯杰等[28]通过野外测定黄土丘陵区坡地不同土地利用结构的表层土壤水分，依据影响该区土壤含水量的主要影响因素，建立了黄土丘陵坡地土壤水分空间分布模型，对土壤水分的空间分布进行模拟与实测值比较，发现该模型具有较好的拟合效果；Xia等[40]把与土壤水分相关的生态水文过程和生物地球化学循环过程有机结合起来，建立了土壤水分植被承载力模型（Soil Water Carrying Capacity for Vegetation,SWCCV） ,实现了对小流域土壤水分的有效模拟，取得较好结果。这些生态水文模型为定量评估土壤水分的主控因素提供了手段，在一定程度上深化了土壤干层研究，然而，已有模型大都只考虑了较浅土层的土壤水分过程（ 通常< 1 m） ,对深层土壤水分考虑较少，在应用到土壤干层模拟时需要加深尺度。更重要的是，已有模型未考虑植被根系分布特征、中低水势土壤水分过程及生长年限的影响，从而极大限制了这些模型在土壤干层模拟预报方面的应用。因此，基于对干层模拟效果较好的SWCCV模型，通过改进相关过程子模型，提高模型预测精度，将有助于 进 一 步 揭 示 土 壤 干 层 的 发 生 发 展 过 程 与 演变机制。
5 土壤干层的调控措施
在黄土高原，由于植被蒸腾所导致的土壤水分亏缺是土壤干层形成的主要原因，深入研究土壤水分与植被生长的动态关系是维系该区生态系统稳定的关键。长期定位观测实验能够提供直接的数据，用来分析土壤干层与植被的互馈关系，然而，这需要大量的人力、财力和时间积累。另一方面，基于长期观测数据的土壤干层模型模拟是土壤干层研究的需要，较为准确的模拟和预测对于科学评估土壤干层恢复的可能性、恢复措施以及恢复年限具有重要意义。
一些学者通过建立或引入模型，结合野外实地观测与模型验证，对与黄土区土壤干层相关的过程进 行 了 模 拟 和 预 估[41,42].如Huang等[3]采 用SHAW模型，模拟研究了32年苹果园0 ~ 10 m土壤干层恢复状况，发现土壤干层的恢复平均需要13. 7年。Wang等[43]运用EPIC模型模拟了土壤干层的动态演变，指出半湿润黄土区苜蓿的种植年限不宜超过10年，这与Li等[44]在陕西长武塬区的研究成果（< 9年） 基本一致。刘丙霞等[45]利用SHAW模型模拟了陕北柠条林地和苜蓿草地土壤水分演变过程，指出陕北地区柠条和苜蓿分别种植5年和3年后开始出现土壤干层。为避免2 m以下土壤干燥化，他们建议陕北高原地区柠条和苜蓿最佳生长年限分别为5年和3年，其相应的最大土壤水分植被承载力分别为4 800和1 200 kg /hm2.这些基于模型的土壤干层调控研究深化了对土壤干层动态、演变趋势的研究，但大都集中在点、小区或者坡面尺度上。事实上，小流域作为黄土区综合治理的基本单元，在小流域或者更大尺度上的土壤干层模型研究更具重要性。
黄土高原人工植被建设应加强对天然植被格局与生态水文效应、具有水力提升功能植物识别、植物吸收水分来源、生态需水量等方面的研究，从土壤学、恢复生态学和生态水文学及其交叉学科的角度，确定该区适宜人工植被的种类组成和格局。采取以耗水量小、耐旱的乡土树种为主，外来物种为辅的植被建设途径，通过控制蒸散来调控土壤干层，提升人工林的涵养水源和水土保持功能，应对未来气候暖干化对区域生态建设的威胁。
种植密度是调控土壤水分与植被生长的有效方式，确定密度的常用方法是基于水量平衡原理，计算雨水资源中补给土壤的水量所能维持植物健康生长的个体数量，进而建立密度与林冠截留、地表径流、土壤水分补给、土壤水分消耗的关系[27].基于土壤水分与植被生长动态关系的SWCCV模型的提出，为科学实现土壤干层的调控提供了有力工具。根据SVATs中影响土壤水分运动过程的关键因素，结合可能的人为扰动措施，通过模型手段，揭示土壤干层调控机制是科学制定调控措施的有效途径。通过密度调控或适当引种乡土树种来改造现有脆弱人工生态系统，提升人工生态系统的生态服务功能及其适应气候变化和抵抗外界干扰的能力。
充分考虑黄土高原的自然条件和人为活动现状，从土地利用管理、树草种类型、种植密度、降水分配、微地形改造等方面出发，结合野外观测与改进的SWCCV模型，模拟和预估不同地形地貌土壤水资源的合理植被承载力，揭示黄土高原不同气候区土壤干层的调控机制，进而科学优化不同的生态系统结构，提高土壤水资源利用效率和实现人工生态系统可持续发展，这既是当前土壤干层研究的系统深入，又是实现西部生态环境恢复和可持续发展的重要保障。
6 前沿与展望
综上所述，有关土壤干层的研究主要集中在我国黄土高原地区。很多学者针对这一问题开展了大量研究，取得了重要进展。近年来，土壤干层研究在国际上也有较大影响，大量研究被国内外同行引用和认可，成为缺水生态系统土壤物理、生态水文等研究的热点之一。在气候变化和人类活动影响下，黄土高原植被恢复是该区生态文明建设的核心内容。土壤水是植被建设与生态恢复的重要资源，土壤干层问题的研究对该区生态文明建设具有重要影响。基于此，本文在综述土壤干层概念、特征、形成过程、影响因素及调控等研究进展的基础上，提出土壤干层的未来研究方向和展望，以期为国家及黄土高原水土资源可持续利用和生态建设决策提供科学依据。前，土壤干层研究主要存在以下几个方面的挑战和机遇。
（1） 土壤干层的判别和量化指标还不够科学，且缺乏统一标准。目前土壤干层的量化指标仅考虑了土壤水力学特性，需要从土壤水能量的角度，以土壤水势为基础，结合植被生理生态响应，选择植被生理生态特征发生显着变化时的土壤水势作为干层的判定标准，确定综合土壤物理和植物生理生态学的干层动力学指标，以此反映土壤水分状况与植被系统的互馈关系，充实土壤干层研究的生态学意义。
（2） 土壤干层形成后干层内的土壤水分运动（ 低水势段） 对植物生长的有效性。土壤干层形成以后，干层内的土壤水分可供植物根系进一步吸收和利用。相对当年降水量而言，这部分土壤水分对植物生长的有效性及相对比例尚不明确，但对于非雨季植物的生长至关重要。揭示干层中土壤水分对植物生长的有效性，有助于科学评估土壤干层的生态水文效应。
（3） 土壤干层的发生发展过程及其演变规律。黄土高原不同气候区具有不同植被格局与根系特征，干层形成以后，受植被耗水驱动，在水平和垂直方向上具有不同的演变特征。从机理上揭示土壤干层的发生发展过程和演变规律，应包括不同气候区典型植被下的土壤干层发育过程、土壤干层时间变化特征与植被生长年限的关系、土壤干层在水平和垂直方向上的分布规律等方面。
