退耕还林(草)对黄土高原不同土地利用方式下土壤剖面水分含量的影响

2018-04-11史君怡王国梁刘国彬

水土保持研究 2018年2期

史君怡, 王国梁,2, 刘国彬,2

(1.西北农林科技大学水土保持研究所, 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)

生态恢复是全球面临的一个重要的环境问题，植被恢复与重建是人类治理退化生态系统的重要手段和内容[1]，而土壤水分是干旱、半干旱地区植被建设及恢复的重要生态限制因素[2-3]。日本的宫胁昭早在20世纪70年代就在城市中进行了环境保护林重建研究[4]；美国在罗斯福当政期间便实施了“绿腰带”工程；二战后，苏联则提出了规模超过美国的“改造大自然计划”；我国政府则自1995年起在黄土区实施了很多重要的林业生态工程，开展了黄土区生态环境改善和植被恢复工作[3]。随着退耕还林(草)政策的实施，黄土高原地区植被总盖度至2005年已达42.2%[5]。但受限于营造初期的林业科学认知水平和对土壤水分这一“箍桶”效应中的短板，在防护林营造和退耕还林还草工程建设过程中没有充分考虑到黄土区水土资源的特点，在黄土区形成了较大面积的小老树林和生产能力差的人工林，对植被修复和土壤水分环境产生了负面影响[3,6-7]。

植物生长与土壤水分关系严重失调，使多年生人工林草地出现了土壤旱化，甚至当土壤含水量降低到一定程度时，形成土壤干层[8]。人工林流域土壤基流减少或消失等典型现象，显示了目前黄土区植被与土壤水分的“紧张关系”[3]。黄土高原土地资源利用方式呈现多种结构，不同土地利用类型的土壤含水量和空间变异情况有显著差异[9-10]，充分认识各种土地利用条件下土壤的水分状况及其变化规律是有效利用土地资源的前提[11]。

虽然针对干旱半干旱地区植被建设对土壤水分影响相关研究并不少见，然而研究结果仍不尽一致，且均为小范围研究，由于数量限制、研究本身的偶然性等原因，很难客观评价区域植被恢复，尤其是大面积生态恢复的水文效应，存在较大随机性而缺少整合分析[12]。Meta分析为解决该问题提供了可靠方法。本文以黄土高原为研究对象，通过系统搜集相关文献，研究退耕还林(草)工程下不同土地利用方式对土壤水分的影响，旨在为干旱半干旱地区土地合理利用和生态环境建设与发展提供科学依据。

1　研究区概况

黄土高原指黄河中上游主要被黄土所覆盖的地区，位于北纬33°41′—41°16′，东经100°52′—114°33′。该区属大陆性季风气候，多年平均降雨量为200～700 mm，总的趋势是从东南向西北递减。东南部为半湿润区，年降雨量600～800 mm，年均气温8～14℃，干燥指数1.0～1.5；中部为半干旱区，年降水量400～600 mm，年均温4～12℃，干燥指数1.5～2.0；西北部为干旱区，年降水量100～300 mm，年均温2～8℃，干燥指数2.0～6.0。植被自东南向西北依次分布着暖温带落叶阔叶林带的南部亚地带和北部亚地带，与温带草原地带的森林草原、典型草原和荒漠草原3个亚地带[13]。黄土高原土壤在地域上呈现出地带性分布规律由东南向西北依次出现褐色土→黑垆土、黄绵土、灰钙土→栗钙土→棕钙土→棕漠土→风沙土等。

2000年，国家启动了退耕还林(草)工程，即将坡度>25°坡耕地退耕还林(草)。部分耕地上进行了造林种草，部分退耕地进行了封育恢复。

2　文献来源与研究方法

Meta分析是一种较高一级逻辑形式上的定量综合研究结果的方法[14]。20世纪90年代后,Meta分析被引入生态学领域的研究,并得到高度的重视和长足的发展[15]。

本文主要采用Meta分析和SPSS分析相结合的方法，对前人发表的相关独立研究结果进行定量合并分析。文献主要来源有：维普中文科技期刊、中国学术期刊全文数据库、万方数字化期刊全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国博士学位论文全文数据库、SpringerLink、SDOL、SCI科学引文索引数据库。文献筛选条件见表1。

表1　文献检索标准

利用Meta分析，效应值计算公式为：

(1)

式中:Xe为试验组值，表示退耕还林(草)后土壤水分含量；Xc为来自于同一文献中与Xe对应的对照组值，表示农耕地土壤含水量。合并分析效应值前，采用卡方检验法进行异质性检验。经检验，本文选用固定模型进行结合效应值计算。计算后，若合并效应量的95%置信区间包含0，则表明效应合并量与0的差异无统计学意义，即试验组与对照组差异无统计学意义；否则，则表明效应合并量与0的差异有统计学意义，即试验组与对照组间差异有统计学意义。若结合效应值>0，则植被建设对土壤水分含量有增加效应；结合效应值<0，则植被建设对土壤水分有降低效应[12]。

通过严格筛选，本项研究共搜集到黄土高原地区62篇符合上述条件的文献作为再分析和研究的对象。其中草原区15篇、森林草原区33篇、森林区18篇(其中有两篇文献此3个区都有研究)(图1)。

图1　黄土高原分区与研究样点分布

3　黄土高原区划

根据李锐等[13]的植被区划分界线，将该区划分为草原大区、森林草原大区和森林大区(图1)，并将草原区划分为典型草原亚区和荒漠草原亚区。森林—森林草原分界线：位于黄土高原东南部，东起山西省灵丘，南下紫金山，向西南过黄河，南沿清水、天水，向西北过彰县，抵达曲界一线以南地区；森林草原—草原分界线：东起山西大同南部，经偏关、河曲至陕西北端，西至甘肃陇中止于循化；典型草原亚区和荒漠草原亚区分界线：北起内蒙古包头市，沿西南行经库布齐沙漠东南部和鄂托克旗，止于兰州及以西区界。本文草原区只研究典型草原亚区，不涉及荒漠草原亚区。根据3个分区的降雨量、气温、蒸发量、干燥度指数等数据，3个分区分布对应于干旱、半干旱、半湿润区。

4　结果与分析

根据植被根系分布特征和降雨对土壤含水量影响深度特征，将坡耕地退耕为草地分0—20，20—40，40 cm以下3个层次；退耕为灌木林分0—20，20—40，40—60，60 cm以下4个层次；退耕为乔木林分0—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下6个层次。

4.1　典型草原亚区退耕还林(草)对土壤水分的影响

典型草原亚区坡耕地退耕为草地，原坡耕地平均含水量为11.97%，转变为草地后为10.82%，显著降低9.64%。随土层深度增加，原坡耕地和退耕草地土壤含水量均呈降低趋势；其中0—20，20—40 cm土壤含水量无显著变化，但40 cm以下土层土壤水分显著降低17.23%，和原坡耕地对应土层相比，随土层深度增加，土壤含水量降低效应增大。

坡耕地退耕为灌木地，原坡耕地平均含水量为11.97%，转变为灌木地后为10.66%，显著降低14.67%。随土层深度增加，原坡耕地和退耕灌木地土壤含水量呈降低趋势；其中0—20，20—40，40—60 cm土壤含水量无显著变化，但60 cm以下土壤水分显著降低31.19%，与原坡耕地对应土层相比，60 cm以下土壤含水量降低效应最大，40—60 cm降低效应最小。

坡耕地退耕为乔木地，原坡耕地平均含水量为11.10%，转变为乔木地后为8.97%，显著降低19.20%。随土层深度增加，乔木地土壤含水量呈减小趋势；其中0—20 cm土层土壤含水量无显著变化，但20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下各层土壤水分显著降低15.65%，18.09%，19.94%，23.09%，35.35%，与原坡耕地对应土层相比，随土层深度增加，土壤含水量的降低效应呈增加趋势。

由上可知，退耕还林使得该区土壤含水量总体均显著下降，且建设为乔木林下降幅度最大，而建设为草地下降幅度最小，和胡江波[16]、马祥华[17]等研究一致，该区年降雨量小，气候干燥，降雨对土壤水分补充困难，因而该区植被生长适宜性为：草地>灌木>乔木，草原区不宜建设乔木、灌木林，以恢复小耗水量草本为主。同坡耕地相比，人工林、草地虽减小土壤蒸发和地表径流,但增加了植被蒸腾和截留蒸发,总耗水量增加,土壤含水量降低，加剧土壤干燥化[18]，黄土高原土壤水分含量为降低型[19]，农地土壤含水量较高[20]，退耕后生物量变大，地表结皮增加，入渗减少，土壤含水量降低。

表2　典型草原亚区退耕还林(草)对土壤水分影响的基本特征

注：S为标准差，D是各个研究效应的加权平均，Du是95%置信区间上限，Dl是95%置信区间下限，下表同。

注：*为土壤水分变化效应显著，ns为不显著，下图同。

图2典型草原亚区坡耕地退耕为乔、灌、草土壤剖面水分变化

4.2　森林草原区退耕还林(草)对土壤水分的影响

森林草原区坡耕地退耕为草地，原坡耕地平均含水量为12.83%，转变为草地后为9.28%，显著降低27.69%。随土层深度增加，退耕草地土壤含水量均呈降低趋势；其中0—20，20—40，40 cm以下各层土壤水分分别显著降低20.96%，26.78%，34.50%；和原坡耕地对应土层相比，随土层深度增加，土壤含水量降低效应增大。

坡耕地退耕为灌木地，原坡耕地平均含水量为11.80%，转变为灌木地后为8.32%，显著降低29.45%。随土层深度增加，退耕灌木地土壤含水量均呈降低趋势；其中0—20，20—40，40—60，60 cm以下土壤水分分别显著降低13.46%，25.30%，38.16%，38.72%；和原坡耕地对应土层相比，随土层深度增加，土壤含水量降低效应增大。

坡耕地退耕为乔木地，原坡耕地平均含水量为11.80%，转变为乔木地后为7.68%，显著降低34.93%。其中0—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下土壤水分分别显著降低19.98%，34.58%，35.56%，38.92%，39.04%，41.08%；和原坡耕地对应土层相比，随土层深度增加，土壤含水量整体降低效应增大。

由上可知，退耕还林(草)使该区土壤水分总体呈降低趋势且建设为乔木林下降幅度最大。该区不宜大面积恢复乔木林，可在沟道、阴坡下部等恢复乔木林，以营造草灌混交林为主。

表3　森林草原区退耕还林(草)对土壤水分影响的基本特征

图3　森林草原区坡耕地退耕为乔、灌、草土壤剖面水分变化

4.3　森林区退耕还林(草)对土壤水分的影响

森林区坡耕地退耕为草地，原坡耕地平均含水量为16.12%，转变为草地后为16.06%，土壤含水量无显著变化。其0—20，20—40，40 cm以下土壤水分均无显著变化；和原坡耕地对应土层相比，40 cm以下土壤含水量降低效应最大，0—20 cm土壤含水量呈增加效应。

坡耕地退耕为灌木地，原坡耕地平均含水量为15.80%，转变为草地后为14.79%，土壤含水量无显著变化。其中0—20，20—40，40—60，60 cm以下土壤水分均无显著变化；和原坡耕地对应土层相比，20—40 cm土壤含水量降低效应最大，40—60 cm土壤含水量降低效应最小。

坡耕地退耕为乔木地，原坡耕地平均含水量为16.67%，转变为草地后为17.54%，土壤含水量无显著变化。其中0—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下各土层土壤含水量均无显著变化；和原坡耕地对应土层相比，0—20 cm土壤含水量呈降低效应，其余各层均增加，且80—100 cm增加效应最明显。

由上可知，退耕还林(草)对该区土壤水分未发生显著影响，可满足乔灌草植被生长，因此该区可营造乔灌草复合型植被。加以考虑植被气候分区，水分不是该区植被恢复的限制因素，森林具有更好的水源涵养和固持水土功能，因而最好恢复为森林，但鉴于黄土高原地区蒸发量远远高于降雨量的气候特点，应选择低耗水树种且造林密度不宜过大，使得土壤水分实现良性循环利用。

表4　森林区退耕还林(草)对土壤水分影响的基本特征

图4　森林区坡耕地退耕为乔、灌、草土壤剖面水分变化

4.4　退耕还林(草)对不同分区和不同土地利用方式下土壤水分的影响

土地的不同利用方式会改变土壤性质和植被对地表的覆盖，从而影响土壤含水量[20]。草原区和森林草原区，草地和乔木地土壤含水量具有显著差异，而森林区灌木地和乔木地具有显著差异(表5)，这可能是由于草原区和森林草原区降雨量小蒸发量大，乔木大量蒸腾耗水，消耗土壤水分；森林区，降雨量足够乔木生长且其充分发挥了截留降水、涵养水源作用，而灌木相较草本蒸腾量大，相较乔木又保持水分效应差，因而其消耗土壤水分最大。

表5　不同土地利用方式土壤水分差异比较

注：表中字母不同代表差异性显著，字母相同代表差异性不显著。

表6　不同分区土壤水分差异比较

注：表中字母不同代表差异性显著，字母相同代表差异性不显著。

5　讨论与结论

5.1　讨论

(1) 在草原区和森林草原区，随深度增加土壤含水量呈下降趋势，这和尹光彩[21]、王孟本[22]等研究结果一致，这可能是由于随着自然群落的演替和发育，枯枝落叶或腐殖质增多，改良了表面土壤，蓄水能力加强，表层水分得到恢复[23]；但是森林区研究结果与此相反，地表土壤含水量相对较低，后呈增加趋势，这和宋娟丽[24]等对黄土高原南部刺槐林的研究结果一致。在不同分区，出现这种差异，可能是由于气候条件和土壤导致的。土壤颜色越深，吸收热量越多，温度越高，蒸发量越大[25]，根据有关参考资料，黄土、棕土和黑土的蒸发量分别比白土大7%，19%和32%[26]。根据前文所叙述的区划信息，森林区以褐色土和黑垆土为主，蒸发量大，导致地表土壤含水量低。

(2) 本文研究3个分区均为乔木林100 cm以下深度的土壤含水量值最低、波动范围最小，这和余雷等[25]研究结果一致。这可能是由于随着群落演替，植物大部分是深根系，通过吸收更深层的水分来维持生长，深层土壤水分逐渐消耗[23]，造成土壤干燥化程度加深，而该区小量降雨无法补充深层水分亏缺，长此以往，可能导致土壤干层的出现[27]。

(3) 本研究的3个分区，森林草原区土壤含水量最小且3个分区相互之间土壤含水量均有显著差异，这和张哲等[28]的研究结果一致。植被恢复导致土壤水分变化与地域紧密相关，退耕还林(草)在不同分区恢复植被类型不同，且造成土壤水分变化不同，湿润地区退耕还林(草)反而可能增加土壤水分。

5.2　结论

(1) 草原区不宜建设乔木、灌木林，以恢复小耗水量草本为主。森林草原区不宜大面积恢复乔木林，可在沟道、阴坡下部等恢复乔木林，以营造草灌混交林为主。森林区可营造乔灌草复合型植被，最好恢复为森林，但应选择低耗水树种且造林密度不宜过大，使得土壤水分实现良性循环利用。

(2) 3个分区均为乔木林100 cm以下深度的土壤含水量值最低、波动范围最小，森林草原区土壤含水量最小且3个分区相互之间土壤含水量均有显著差异。

在进行植被恢复、林地建设工程时，应根据气候和土壤因地制宜选择适生植物，不可一味求林，做到适地适树，合理发展；同时，注意涵养水源，实施好水土保持措施，提高水分利用效率。

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