基于Meta分析研究中国北方干旱半干旱地区人工植被恢复对土壤容重的影响

摘要：指出了植被建设不仅是中国北方干旱半干旱地区防治风蚀和水蚀的最为有效手段，而且对于土壤物理性质的改良效果显著。在收集有关中国北方干旱半干旱地区植被建设后土壤容重研究文献的基础上，采用Meta分析法研究了该地区植被建设（乔木和灌木）对土壤容重的影响。结果表明：北方干旱半干旱地区植被建设总体上土壤容重产生显著降低作用（结合效应值为-0.209）；乔木栽植能在一定程度上降低土壤的容重（-0.199），其影响效果不显著；灌木栽植导致土壤容重大幅度降低（-0.222），并且其影响非常显著。在干旱半干旱地区开展灌木栽植能够有效降低土壤容重，提高土壤质量。

关键词：干旱半干旱地区；植被建设；土壤容重；Meta分析法

中图分类号：Q948

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12014905

1引言

植被建设是生态恢复与重建最为重要的环节之一[1]。多年的生产实践证明，以退耕还林、种树种草和恢复植被为代表的生物工程治理是控制水土流失、改善生态环境的根本措施[2]通过人工植被恢复，可以极大的改善土壤质量；作为植被生存基础的土壤，可以给植被提供生长所需的养分和水分[3]，植被的恢复与土壤质量的演变相互制約，互为动力。随着植被逐渐恢复，植被覆盖度增加，植物生长产生的枯枝落叶和根系腐解物在土壤中积累、矿化，一方面把大部分无机营养元素归还土壤，另一方面改善了土壤的物理性质，土壤质地和通气状况变好。植物残体腐解过程中所产生的酸类物质又促进土壤中难溶性物质向有效性方向转化，供植物吸收利用。植被恢复使土壤中有机质、氮、磷、钾的含量都有不同程度的增加，反过来又促进了植物的生长。因此，退化生态系统的恢复，首先要恢复生态系统的植被，通过植物与土壤相互作用，土壤肥力得到提高，土壤结构也得到改善。

土壤容重是土壤的一个基本物理性状，土壤容重与孔隙状况等土壤物理指标决定了土壤的通气性、透水性和植物根系的穿透性，是土体构造的重要指标。土壤容重的大小和土壤质地、结构、腐殖质含量等有关，受质地、结构性和松紧度等的影响而变化[4]，加之受到生物作用以及耕作等的影响，土壤容重是一个高度变异的土壤性质。土壤容重反映土壤的松紧度，容重小，表明土壤疏松多孔，结构性良好；反之，则表明土壤紧实板结而缺少团粒结构。

通过人工植被恢复可以改变土壤容重，合理的植被恢复方式能够对土壤产生正面影响，使得土壤表层土壤容重减小，从而使土壤稳定入渗速率得到很大提高。然而由于人工植被种类不同、植被建设区域以及林龄等因素的影响，不同地区人工植被恢复对土壤容重会产生不同的影响，甚至会使得土壤容重增加，降低土壤质量。为了综合衡量我国北方干旱半干旱地区人工植被建设对于土壤容重的影响后果，本文基于Meta分析的方法，通过对前人发表的相关独立研究结果进行定量合并分析，量化植被建设对土壤容重所产生的平均响应程度，并通过深度的亚组分析，讨论不同降水区域人工植被建设中，植被类型、建植年限等因子对土壤容重的影响特征，揭示中国北方干旱半干旱地区植被建设对土壤容重影响的普遍性规律，为该地区人工植被建设及生态恢复提供理论依据，并为土壤质量性状的调查及其改良利用的研究提供数据支撑。

2材料与方法

2.1文献来源

在搜集文献的过程中发现，有关中国北方植被建设对土壤容重影响的文献主要是以中文形式发表；部分以英文形式发表的，也可以在一些中文文献中查到相关结果。因此，本文的主要文献来源是中国CNKI学术总库、维普中文科技期刊数据库。通过建立严格的文献筛选标准（表1），本项研究共搜集到33篇涉及干旱半干旱地区植被建设对土壤容重影响的文献作为再分析和研究的对象（表2）[5～36]。

表1文献检索标准

序号 文献筛选标准

1文献的数据资料里至少包含一种植被建设（乔木建设、灌木建设）对土壤容重的影响

2文献的数据资料里必须具有实验组和对照组

3文献资料的数据应是具体的数值（包括图表），数据包含平均值和标准差或者标准误

4具有重复报道的数据值选用其中一种

2.2数据处理

用于Meta分析的数据变量包括人工植被恢复前后土壤容重的平均值和标准差。数据处理原理参考文章基于Meta分析的中国北方植被建设对土壤水分的影响[37]。通过计算，获得ES（通过合并单个研究的效应值所获得的结合效应值），SE（结合效应值的标准误）。当结合效应值ES>0时，说明植被建设对土壤容重含量有增加效应；当结合效应值ES<0时，说明植被建设对土壤容重有降低效应。如果该分析结果的结合效应值置信区间与0重叠，表明植被建设对土壤容重的影响未达到统计学显著水平（P>0.05）；置信区间不包括0（均大于0或者均小于0），即说明P<0.05，表明植被建设对土壤容重的影响有统计学差异[38]。Meta分析过程在Excel 2007和Stata 11等软件中进行。

2.3数据检验

一般地，所发表的文章都存在发表偏见[39-41]，即几乎所有的作者及编辑部都有更愿意报导统计检验显著结果的趋向。一般只对已发表文献进行综述的Meta-analysis常常会带有系统性的正偏差[42-45]。因此，在进行Meta 分析之前，采用线性回归分析判断所选用的33个文献是否存在发表偏倚。分析结果表明，人工植被恢复后，不同植被建设后土壤容重的Meta分析无发表偏倚，表明Meta分析结果可靠。

3结果与分析

3.1人工植被恢复后土壤容重变化

如图1、2、3所示，中国北方干旱半干旱地区植被恢复后土壤容重变化均呈正态分布。植被建设后容重变化速率为0.0053 g/cm3·yr（95%CI=0.017），乔木和灌木栽植后土壤容重的变化速率分别为0.0023 g/cm3·yr（95%CI=0.017）和0.0079 g/cm3·yr（95%CI=0.017）。说明人工栽植灌木以后，土壤容重变化速率最快。

3.2不同类型人工植被恢复后土壤容重变化的Meta分析

由表3可知，干旱半干旱地区植被恢复对土壤容重变化的影响显著。所有植被恢复后土壤容重变化的效应值为-0.209；乔木栽植后土壤容重变化的效应值为-0.199；灌木栽植后土壤容重变化的效应值为-0.222，说明在我国干旱半干旱地区，人工植被恢复都会降低土壤容重，并且灌木对土壤容重的影响效应大于乔木。

3.3不同降雨区域人工植被恢复后土壤容重变化的Meta分析

由表4可知，不同降雨地区人工植被恢复对土壤容重均具有降低作用。人工乔木栽植后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨区容重的变化效应分别为-1.205和-0.155；人工灌木恢复后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨区容重的变化效应分别为-0.931和-0.213。说明在我国干旱半干旱地区，随着降雨量的增加，该地区植被恢复对土壤容重的降低作用越大。其中降雨量超过400 mm地区，人工灌木栽植之后其土壤容重的降低效应大于该地区乔木栽植对土壤容重的影响效应。

3.4不同林龄人工植被恢复后土壤容重变化的Meta分析

由表5可知，不同林龄阶段的人工乔木、灌木对土壤容重具有不同的影响效应。除建植10～20yr的人工乔木外，0～10yr、>20yr的人工乔木以及各林龄阶段的人工灌木对土壤容重均具有降低效应。其中人工乔木栽植后，各林龄阶段的乔木（0～10yr、10～20yr和>20yr）对土壤容重影响的效应值分别为：-0.160、0.215以及-0.320；人工灌木栽植后，各林龄阶段的灌木（0～10yr、10～20yr和>20yr）对土壤容重影响的效应值分别是-0.368、-0.388和-0.363。各林龄段人工灌木栽植对土壤容重的影响效应均大于相对应的人工乔木恢复。

4讨论

目前植被恢复对土壤质量物理指标的影响研究主要集中在对土壤水稳性团聚体含量及其稳定性、容重、孔隙度、土壤水分、土壤渗透性等指标的研究上， 其中水稳性团聚体含量及其稳定性以及土壤容重是用于评价的重要指标[46]。

Meta分析定量研究结果表明，干旱半干旱区不同人工植被恢复对土壤容重影响显著，所有植被恢复后土壤容重变化的效应值为-0.209（95%CI为：-0.415 ～ -0.004）。说明人工植被栽植后能显著地降低土壤容重。不同区域大量的研究表明，植被恢复可以降低土壤容重，与本文研究结果一致。主要原因有：a.植被恢复通过增加地表凋落物和地下有机物（ 细根及根系分泌物） 输入，从而显著降低土壤容重[47，48]。b.土壤容重的大小和土壤质地、结构、腐殖质含量等有关，受质地、结构性和松紧度等的影响而变化[4]。一方面，土壤容重对植被根系穿插产生影响，反过来，植物根系穿插也会对土壤容重产生一定的影响作用；另一方面，由于植物生长对于土壤结构、腐殖质含量等的影响，植物间接的影响土壤容重。容重小，表明土壤疏松多孔，结构性良好；反之，则表明土壤紧实板结，并且缺少团粒结构。c.在植被恢复过程中，植被能够使土壤形成多级空隙的团粒，而根系的穿插也使得土壤孔隙度显著增加，从而对土壤容重产生影响。d.良好的植被恢复能对土壤产生正面影响，使表层土壤容重减小、孔隙度增加，从而使土壤稳定入渗速率得到很大提高[49]。姜培坤等人的研究也表明了植被恢复后土壤物理性质得到极大改善。主要表现在土壤容量明显降低，土壤总孔度、通气孔度增加和大于大团聚体与大于水稳性团聚体总量的增加[50]。

其中，人工乔木栽植后土壤容重变化的效应值为-0.199（95%CI为：-0.488 ～ 0.090）；灌木栽植后土壤容重变化的效应值为-0.222（95%CI为：-0.514 ～ -0.070）。表明人工乔木、灌木均能在一定程度上降低土壤容重，改善土壤结构。但人工乔木栽植后土壤容重变化的效应值的95%置信区间与0重叠，说明其影响不显著。之所以出现这种情况，主要是因为干旱半干旱地区，乔木生长对水分的需求量远大于灌木[51]，即乔木类植物易导致土壤干旱，灌木次之。虽然二者在一定程度上均能够降低土壤容重，改善土壤结构，但由于不同需水量的原因，栽植灌木后的土壤改良效果会更佳。此外，由于乔木根系较深，灌木根系较浅，二者根系对于土壤容重的影响表现在不同的土层，一般情况下，灌木对于表层土壤容重的影響大于乔木对于土壤容重的影响。

通过对不同降雨区域人工植被恢复后土壤容重变化的Meta分析发现，人工乔木栽植后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨区容重的变化效应分别为-1.205（95%CI为：-1.934～ -0.476）和-0.155（95%CI为：-0.511～ 0.201）；人工灌木恢复后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨区容重的变化效应分别为-0.931（95%CI为：-1.422～ -0.441）和-0.213（95%CI为：-0.659～ 0.234）。研究结果表明，不同降雨地区人工植被恢复都能导致土壤容重降低，其中在降雨量0～400 mm地区的乔木、灌木栽植都能够显著地降低土壤容重，而超过400mm降雨量地区，人工植被恢复后，土壤容重有一定程度的降低，但效果不显著。

不同林龄人工植被建设对土壤容重有一定的影响，其中0～10yr、大于20yr的人工乔木以及各林龄阶段的人工灌木对土壤容重均具有降低效应；而介于10～20yr的乔木栽植导致土壤容重增加。其中建植≥20yr的人工乔木以及建植≥10yr人工的灌木均对土壤容重产生显著的降低作用。一方面说明了，随着建植年限的增加，人工植被恢复对土壤容重的影响越显著，主要原因在于随着时间的累积，人工植被根系生长越旺盛，加之逐年累积的枯枝落叶层的作用，对于土壤容重的降低起到了十分重要的作用。另一方面，通过研究侧面应证了可人工灌木林地对土壤容重的降低效应是优于人工乔木林的，这与樊华等[52]的研究结果是一致的。

本文将整个中国北方不同降雨量地区以及不同林龄的人工乔木、灌木栽植对土壤容重的影响量化、客观化，通过综合分析，在干旱半干旱地区灌木栽植对土壤容重的降低效应更为显著。随着林龄的增加，灌木对土壤容重的降低效益也好于乔木。因此在干旱半干旱地区广泛的开展灌木植被恢复能够有效的改善土壤环境质量。

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