黄土高原不同植被恢复方式对土壤水分坡面变化的影响

安文明，韩晓阳，李宗善,*，王 帅, 伍 星，吕一河，刘国华，傅伯杰

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085 2 中国科学院大学，北京 100049

在干旱与半干旱地区，土壤水分是植被生长的主要限制因子之一[1- 2]。因此，在黄土高原的植被重建中，土壤水分是一个重要的参考因素。在黄土高原地区，纵观已经实施的大规模的植被重建工程，引入植被已经成为黄土高原的主要植被类型[3]，例如刺槐。一般情况下，引入植被都具有较高的水分需求，过度消耗土壤水分[4- 6]。因此，虽然一些引入植被在前期生长都较好，但是随着土壤水分的过度消耗，人工林退化的现象逐渐显现[7]，其直接的原因是土壤水分的严重亏缺，甚至永久性土壤干层的形成[8- 10]。相比之下，撂荒草地作为一种自然生态恢复方式，遵循自然演替规律，对土壤水环境有相对积极的影响[11- 12]。

事实上，在自然状态下，土壤水分在气候、土壤、地形及植被的共同作用下表现出极大的时空异质性[13- 14]，并且有很强的尺度效应，一般在较大尺度上，气候和土壤对土壤水分的异质性影响较大，而在较小尺度上(流域、坡面等)，地形和土地利用是影响土壤水分异质性的重要因素[15- 17]。因此，不同重建植被方式对土壤水分时空结构或异质性的影响也是该区域土壤水文研究的一项重要内容。黄土高原是典型的黄土沟壑区，在流域尺度，地形是影响土壤水分空间异质性的重要因素[18- 20]。除坡向、坡度和海拔的影响外，坡面土壤水分的差异性也是土壤水分异质性的重要组成部分。坡面是影响植被的一个基本单元[21]，同时，坡面尺度的土壤水分也呈现一定的变化趋势，现有研究表明，土壤水分沿坡面的变化基本呈现下坡位>中坡位>上坡位的趋势[18,22- 23]，即从坡底到坡顶呈现水分降低的趋势。因此，充分了解坡面土壤水分的分配及变化对优化植被重建配置有重要的现实意义，例如王军等通过对坡面不同土地利用土壤水分研究证明，对于水土保持比较合理的土地利用结构为撂荒地-灌木地-间作地-林地，既能有效防止水土流失，又对保持水土都相对积极的作用[24]。因此，本文在植被重建的背景下，以刺槐林地坡和撂荒草地坡为研究对象，探讨两种主要的植被重建方式(人工林和撂荒草地)对坡面土壤水分差异的影响，以期为今后的植被重建及其优化提供一定的科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于延安羊圈沟村小流域(36°42′14.873″N; 109°31′18.476″E)和长武县王东村烧盅湾(35°14′6.78″N; 107°40′40.012″E)(图1)。延安羊圈沟属于典型的黄土丘陵沟壑区，平均海拔高度1000—1500 m，年均气温8.5 ℃，年平均降雨量 500—530 mm，采样点所在区域属于森林草原过渡带，主要土壤类型为黄绵土；长武烧盅湾属于黄土塬区，平均海拔高度950—1300 m，年均气温9.2 ℃，年平均降雨量 570—600 mm，采样点所在区域属于落叶阔叶带，主要土壤类型为黑垆土和黄绵土。两个区域均是退耕还林还草的区域，其中退耕地和人工地规模较大，刺槐(Robiniapseudoacacia)是人工植被重建的主要引入植被。

图1 研究区示意图Fig.1 Location of the study areas

1.2 研究方法

1.2.1 采样点设置

为对比研究不同植被恢复方式对坡面土壤水分差异性的影响，分别于延安羊圈沟和长武县烧盅湾选择两个典型的坡面进行采样 (图1)，每个区域分别包含一个人工刺槐林地坡和一个撂荒草地坡，为了增强可对比性，所选择的每个坡面均具有相似的地形(坡度、坡向和海拔) (表 1)。于延安羊圈沟所选人工刺槐林地坡种植年限约为30 a，种植密度密度为3000株/hm2，立地密度约为2500株/hm2(平均株距约2.2 m)，撂荒草地坡越为32 a，主要植被类型有长芒草(Stipabungeana)、铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、茵陈蒿(Artemisiacapillaris)、委陵菜(Potentillachinensis)、苔草(Carexspp.)等；于长武县烧盅湾所选人工刺槐林地种植年限约为35 a，种植密度为4000株/hm2，立地密度约为3400株/hm2(平均株距约1.7 m)，撂荒草地年限约为33 a，主要植被类型为米蒿(ArtemisiadalailamaeKrasch)、狗尾草(Setariaviridis)、车前(Plantagoasiatica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)等。所有恢复年限均通过咨询当地熟悉土地情况的居民。野外采样于2016年9—10月进行。根据实验区周围气象站点及试验站实测数据，延安羊圈沟9月和10月的月均降雨量分别约为26 mm和12 mm，日均温分别为15 ℃和9 ℃长武县烧盅湾9月和10月月均降雨量分别约为31 mm和17 mm，日均温分别为18 ℃和12 ℃。事实上，采样期间，多为晴朗天气，偶有阴天或少量降雨。据前人研究知，黄土高原区在持续降雨情况下，雨水渗透深度为0—2 m以内，2 m以下影响较小[25-26]，而采样期间并无持续降雨事件发生，偶发性的少量降雨几乎对样品没有影响。于每个坡面以10 m间隔从下而上设置采样点，其中延安羊圈沟人工刺槐林地坡共设置15个采样点，撂荒草地坡共设置20个采样点；长武县烧盅湾人工刺槐林地坡共设置和撂荒草地坡均设置15个采样点。

表1 采样坡面信息

1.2.2 采样方法

采用传统的土钻取样法于每个采样点进行土壤样品的采集。每个采样点的采样深度为300 cm，采样间隔为20 cm。每个采样剖面共收集15个土壤样品。每个点设置两个采样剖面用以计算平均值。采得土壤样品后放入专业铝盒并密封，在称得样品鲜重后，以105℃烘干24 h，最终计算土壤水分含量。剖面坡度及坡向用罗盘测量，同时用GPS记录每个样点的海拔高度和经纬度。

1.2.3 分析方法

每个采样点的土壤水分含量用所采的两个剖面计算平均值。为了分析不同土层沿坡面变化趋势，将所采的300 cm深的土壤剖面分为5层(20—60，80—120，140—180，200—240，260—300 cm)。每个坡面平均土壤含水量是通过计算每个坡面所有点的平均值，每个坡面不同土层土壤水分含量是通过计算相应坡面所有点相应土层平均值。撂荒草地坡与刺槐林地坡土壤水分含量差异通过SPSS 19.0采用独立样本T检验进行统计分析；土壤水分沿坡面的变化趋势通过一元线性回归的方法进行分析。采样点示意图通过ArcGIS 10.0绘制，数据分析图皆由Origin 9.0绘制。

2 结果

2.1 两种植被恢复下的土壤水分对比

据本研究所调查的坡面平均土壤含水量，两个区域皆表现出人工刺槐林地坡低于撂荒草地坡。其中，延安羊圈沟人工刺槐林地坡平均土壤含水量比撂荒草地坡低4.90%，降低程度为43%；而长武烧盅湾人工刺槐林地坡平均土壤含水量比撂荒草地坡低7.53%，降低程度为44%(表 2)。而且，通过独立样本T检验知，撂荒草地坡土壤水分含量皆显著高于人工刺槐林地坡(表 2，P<0.01)。根据对本研究中设计的不同土层土壤水分含量分析，撂荒草地坡与人工刺槐林地坡土壤水分含量存在于所有土层中(图 2)。标准差可以反应土壤水分的空间离散性或者异质性。本研究中，两个区域的人工刺槐林地坡土壤含水量的标准差皆明显低于自然撂荒草地 (表 2)，而且，随深度的增加，人工刺槐林地坡土壤含水量的标准差更低，相比之下，撂荒草地坡标准差随深度增加变化不大(图 2)。

表2 两个区域刺槐林地坡和撂荒草地坡土壤水分统计信息

图2 两区域刺槐林地坡和撂荒草地坡土壤水分对比Fig.2 Comparison of soil water content between black locust forestland and abandoned farmland in the two zones

2.2 两种植被恢复土壤水分坡面变化趋势

本文采用一元线性回归的方式来探讨和比较土壤水分沿坡面的变化趋势，并采用线性回归的斜率表示土壤水分沿坡面变化趋势的程度。结果显示，土壤水分含量沿坡底向坡顶皆呈现降低的趋势。而且，在调查的两个区域的人工刺槐林地坡和撂荒草地坡皆可发现降低的趋势(图3，图4)。对于不同土层土壤水分而言，沿坡面的变化趋势有不同表现。对撂荒草地坡而言，土壤水分沿坡底向坡顶的变化随深度增加有增强的趋势。如延安羊圈沟撂荒草地坡土壤水分在表层(20—60 cm和80—100 cm)沿坡面的变化斜率分别为-0.054和-0.239(R2= 0.00165,P<0.05)，而较深层(260—300 cm)的为-0.301(图3)；长武县烧盅湾撂荒草地坡有相似趋势(图4)。相反，人工刺槐林地坡的土壤水分含量沿坡面的变化趋势有随深度增加而减弱的趋势。如长武县烧盅湾人工刺槐林地坡土壤水分在表层(20—60 cm和80—100 cm)沿坡面的变化斜率分别为-0.178和-0.185 (R2= 0.472，P< 0.05)，而较深层(260—300 cm)的为-0.090(R2= 0.559，P<0.01)(图4)，延安羊圈沟刺槐林地坡有相似的趋势(图3)。对比两种恢复方式，总体上，两个区域撂荒草地坡土壤水分沿坡面变化趋势皆比人工刺槐林地坡更明显(图3，图4)。对比两个区域，长武县烧盅湾撂荒草地坡土壤水分沿坡面的变化趋势强于延安羊圈沟撂荒草地坡，而对于人工刺槐林地坡来讲，土壤水分沿坡面的变化趋势并没有明显的差异(图3，图4)。

图3 延安羊圈沟刺槐林地和撂荒草地土壤水分沿坡面变化趋势(由坡底向坡顶)Fig.3 Variation trends of soil moisture in black locust forestland and abandoned farmland from the bottom slope to the top slope in Yanan Yangjuangou

图4 长武烧盅湾刺槐林地和撂荒草地土壤水分沿坡面变化趋势(由坡底向坡顶)Fig.4 Variation trends of soil moisture in black locust forestland and abandoned farmland from the bottom slope to the top slope in Changwu Shaozhongwan

3 讨论

人工引入植被是黄土高原植被恢复与重建中的一种重要方式[6- 7,27]。然而，近年来，对于引入植被过度消耗并导致严重的土壤水分亏缺的现象已有诸多报道[4,15,24]。一方面水分需求量高的人工引入植被(如刺槐)对土壤水分的过渡消耗将导致土壤干燥化，甚至永久性土壤干层的出现[9,28]。相比之下，作为一种自然生态恢复方式的撂荒草地，对土壤水分的影响更为积极。正如本研究所得结果，撂荒草地坡的土壤含水量显著高于人工刺槐林地坡(表 2， 图 2)。另一方面人工引入植被对土壤水分的过度消耗将对土壤水分的时空异质性造成要影响。有研究表明，在植被恢复中采用高耗水的人工引入植被会扰乱土壤水分的空间结构，甚至降低土壤水分的空间异质性[2,24]。这在本研究中也有一定的体现，在所调查的两个区域的坡面，人工刺槐林地坡的土壤水分的空间离散性(标准差)总是明显低于撂荒草地坡(表 2， 图 2)。事实上，土壤水分在多因子的影响下具有极大的时空异质性，气候(温度、降雨等)，地形(坡向、坡度、坡位等)，土地利用/植被等对土壤水分的时空异质性皆有重要影响[15- 16]。

其中，坡面(坡位)土壤水分的差异性是小流域尺度上土壤水分空间异质性的重要组成部分。研究表明，自然状态下，若坡面植被类型基本一致，土壤水分沿坡底到坡顶有降低的趋势[18,22- 23]。形成该趋势的原因可能是：一方面， 高坡位接受太阳辐射更多，温度更高，蒸发量越大，导致土壤水分越低，另一方面，由于重力作用，降水及土壤水分由从高处向地处汇聚的趋势[23]。然而，土地利用结构的改变势必会改变土壤水分的坡面变化趋势。研究表明，在一个坡面上的多样化的土地利用结构会扰乱坡位对土壤水分差异的影响[18,24]。基于此，本研究在保证其他地形因子(坡向、坡度等)相似的前提下，探讨不同的植被恢复方式(人工和自然)对坡面土壤水分变化趋势的影响。在所选的两个小流域的两种地类中，所得到的土壤水分沿坡面的变化趋势总体上是一致的，即从坡底到坡顶呈现降低的趋势(图3，图4)，这符合前人研究对于坡位对土壤水分影响的结论[18,22]，也说明了坡面/坡位对土壤水分影响趋势的是客观存在的。但是，在不同生态恢复的影响下，该趋势表现了一定的差异性，而这些差异性正是说明了不同生态恢复方式对坡面土壤水分结构的影响。首先，作为自然生态恢复方式的撂荒草地，符合自然的植被演替规律[11- 12]，在植被群落演替过程中，土壤水分将是气候和植被共同作用的结果[1,29]，所以，撂荒草地所表现的土壤水分差异, 更能体现土壤水分的自然差异。例如本研究中，撂荒草地坡平均土壤水分是显著高于人工刺槐林地的。而反应在土壤水分坡面变化上，撂荒草地坡土壤水分沿坡底向坡顶的变化趋势更为明显(图3，图4)，且随深度的增加，该趋势加强。这应该是与自然状态下土壤水分坡面变化趋势相一致的一种状态。因此，撂荒草地在植被恢复中对土壤水分的积极意义不仅表现在对土壤含水量的恢复和保持，在土壤水分结构的维持上也有积极的意义。相比之下，在人工刺槐林地坡土壤水分沿坡面变化趋势明显较弱(图3，图4)。对土壤水分的过度消耗不仅导致了土壤干燥化及亏缺，过低的土壤水分含量也导致其空间差异性的降低，本研究结果显示人工刺槐林地坡差异性(标准差)较撂荒草地坡低(图 2)，而这应该是人工刺槐林地坡土壤水分沿坡面变化趋势较弱的最直接的原因。从此意义上来讲，人工刺槐林地应该是削弱了地形因素对土壤水分的影响，改变土壤水分的自然状态的空间变化趋势，而这也应该作为人工引入植被对土壤水文消极影响的一个重要体现。而且，本研究结果也显示，人工刺槐林地坡土壤水分沿坡面的变化趋势随深度增加而变弱。如在260—300 cm深度，土壤水分沿坡面几乎没有太明显的变化趋势(图3，图4)。事实上，由于刺槐林地普遍具有深根系统，并通过根系提水，使得较深层土壤水分消耗量更大[2]，且难以得到雨水补充，导致较深层土壤水分下降更为明显。人工刺槐林地降低土壤含水量的同时削弱了坡面/坡位对土壤水分的影响。这应该也是人工林对土壤水分环境消极影响中不可忽略的一部分。此外，对比研究中的两个区域相应的坡面，人工刺槐林地间的差值为3.29%，而撂荒草地间的差值为5.91%(表 2)。人工刺槐林明显降低了两个区域的土壤水分差异，而且，总体上，长武县烧盅湾撂荒草地坡土壤水分在各层的的坡面离散性(标准差)(图2)皆高于延安羊圈沟撂荒草地坡；就坡面变化趋势而言，长武县烧盅湾撂荒草地坡土壤水分沿坡面变化趋势也强于延安羊圈沟刺槐林地坡(图3，图4)。相比之下，人工刺槐林地坡土壤水分的坡面标准差及变化趋势在两个区域相差皆不明显(图2—图4)。这说明土壤水分的过度消耗不仅降低了不同区域背景下的土壤含水量的差异，而且也降低了坡面/坡位对土壤水分影响的差异性。

通过以上分析，自然状态下，坡面土壤水分的变化趋势是客观存在的。高耗水的人工刺槐林地不仅过度消耗了土壤水分，导致低土壤含水量，而且对土壤水分的坡面结构或趋势的影响是非常明显的。这应该也是人工刺槐林对土壤水分负面效应的一个体现。相比之下，撂荒草地对于维持或恢复土壤水分的坡面变化趋势上有更为积极的意义。

4 结论

不同恢复方式对土壤水文的影响是多方面的。人工刺槐林地不仅通过过度消耗土壤水分而降低了土壤含水量，使其显著低于撂荒草地，而且，对土壤水分的空间结构也产生不可忽略的影响。本研究中，人工刺槐林地坡土壤水分坡面差异性总体上比撂荒草地坡低，说明人工刺槐林地坡削弱了土壤水分的差异性或降低了水分的异质性。就土壤水分的坡面变化趋势来讲，撂荒草地土壤水分沿坡底到坡顶的降低趋势更为明显，且随深度增加呈现加强的趋势，这应该是与自然条件下土壤水分的坡面变化趋势相符合的；相比之下，人工刺槐林地坡土壤水分的坡面变化趋势较弱，而且土层越深，土壤水分的坡面变化趋势越弱，人工刺槐林降低了土壤水分的坡面变化。因此，就土壤水分含量及其空间结构的保持上来讲，撂荒草地应是比人工引入植被更为合理的植被恢复方式。这说明不合理的植被重建措施不仅会影响土壤水分储量，而且会扰乱土壤水分的自然差异性。就土壤水分的坡面变化趋势而言，作为植被重建时的基本单元，应该充分考虑其水分变化及分布规律，合理选择和配置植被，以达到控制侵蚀及水土保持的最大生态效益。

致谢：感谢位于延安羊圈沟村的黄土高原生态恢复与水土保持观测研究站和位于长武县的中国科学院长武黄土高原农业生态试验站为研究提供的支持和帮助。