黄土丘陵区植被恢复的土壤碳水效应

冯 棋,杨 磊,王 晶,石学圆,汪亚峰

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 3 北京师范大学地理科学学部,北京 100875 4 中国科学院青藏高原研究所,北京 100101

土壤水分是陆地生态系统的重要组成部分,也是地表过程的重要纽带[1,2]。尤其在干旱、半干旱的黄土丘陵区,气候干旱、降水稀少且地下水埋藏深,土壤水分是维持生态系统的直接水分来源,是这一地区生态恢复的关键制约因子[3-4]。近20年来,黄土高原大规模植被恢复使得人工植被成为主要的植被类型[5-6]。大规模植被恢复虽有效促进了黄土高原的脆弱生态系统恢复,提升了土壤保持、固碳等诸多生态系统服务,但植被生长的同时也大量消耗了土壤水分,导致土壤干燥化,威胁生态系统稳定性[7]。土壤水源涵养与固碳作为重要的生态系统服务,明确其对植被恢复的响应特征是黄土高原重要的研究议题[8]。

植被类型和生长年限均能影响土壤水分消耗与土壤固碳功能[9-10],并且土壤水分利用是植被恢复与固碳的必要条件,高效的碳同化与积累又有助于水分利用效率的提高[11-12],因此干旱、半干旱区的土壤水源涵养与固碳功能存在紧密的权衡与协同关系。例如,Jia等[13]分析了陕北黄土丘陵区植被恢复后多种生态系统服务间的权衡关系,发现植被生长增加了生态系统碳固定却降低了水的可用性。Lv等[8]研究黄土高原400—650 mm降雨梯度下大规模植被恢复后多种生态系统服务的变化同样发现土壤有机碳与总氮的增加以过度消耗土壤水分为代价。明确不同植被恢复类型以及不同生长阶段中土壤水源涵养和固碳两种关键生态系统服务的响应特征,对提升植被恢复的生态系统服务具有重要的科学意义。另一方面,黄土丘陵区黄土覆盖深厚,人工植被根系较深,深层土壤的水分利用与固碳作用成为这一地区特殊的生态过程[14-15],深层土壤水分是该地区人工植被的重要水源,深层土壤有机碳也是黄土高原土壤碳库的重要组成部分。然而,目前的研究多集中于浅层土壤剖面或针对单一生态系统服务的探讨[9,16],或集中于土壤碳与氮对植被类型与生长年限响应的研究[9,17- 19],关于深层土壤有机碳与土壤水分对植被恢复的响应及二者相互关系的研究较少。系统研究不同植被恢复方式及生长年限对土壤水分和有机碳的影响,阐明深层土壤水源涵养与固碳的权衡与协同关系,有利于合理的植被恢复类型选择与配置,维持植被恢复的可持续性和稳定性。

本研究以陕北典型黄土丘陵小流域为例,选取不同生长年限(0—37a)下的典型乔木、灌木和草本植被,以农田为参照,对比分析不同植被恢复年限下土壤水分和有机碳的响应特征及二者关系,以期为黄土高原植被恢复可持续性维持和生态系统服务提升提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省安塞县大南沟小流域(36°54′—36°56′N,109°16′— 109°18′E),流域海拔1075—1350 m,面积3.46 km2。多年平均降雨量549 mm,其中75%的降雨集中在6—9月间,年际变率达74.5 %。多年平均气温9℃,1月平均气温-8℃,7月平均气温22℃,年大于10℃积温约为3170℃。流域属黄土丘陵沟壑区,地表切割破碎,冲、切沟发育,土壤类型主要为黄土母质上发育的黄绵土,粉粒占64%—73%,粘粒占17%—20%。土质疏松,抗侵蚀性差。流域经过多年的人工植被恢复,现主要土地利用有刺槐乔木林地、柠条灌木林地、撂荒地、天然荒草地、苹果园地、梯田耕地和农村居民点,其中刺槐、柠条、沙棘等为人工植被恢复恢复类型。

1.2 研究方法

1.2.1采样点布设和样品采集

于2017年8月在流域内综合考虑地形、植被类型、生长年限等因素,选取具有不同植被类型及恢复年限且地形条件较为一致的34个固定样地(表1),各样地地形、土壤等环境因子基本一致。选取1个长期耕作的农田作为对照,研究不同植被恢复类型及生长年限对土壤水分和有机碳的影响。使用罗盘测定每个样地的坡度和坡向信息,使用GPS测定各样地海拔高度,坡向原始记录以朝北为起点0°,顺时针旋转的角度表示。坡度(°)与海拔(m)以实际观测值表示。

采用轻型人力钻在每个样地钻取0—5 m深度的土壤样品,以20 cm为间隔取样。土壤样品一部分装入铝盒后封装,在105℃下烘干12 h测定其重力土壤含水量;另一部分装入自封袋带回实验室自然风干,过筛后采用重铬酸钾法测量有机碳含量。

1.2.2数据分析方法

(1)土壤水分含量采用烘干法(105℃)测定。

(2)土壤有机碳(Soil organic carbon, SOC)含量测定取土壤样品过0.15 mm筛后,采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法进行测定。

(3)土壤水分亏缺效应(Soil moisture deficit, SMD)用于评估不同植被恢复方式对土壤水源涵养的影响。

式中,SMDj,k为k层j植被恢复方式下土壤水分亏缺效应,SMCj,k为k层j植被恢复方式下土壤水分含量(%),SMC0,k为对照农田k层土壤水分含量(%)。

(4)土壤固碳效应(Soil carbon sequestration, SCS)用于评估不同植被恢复方式的土壤固碳能力。

式中,SCSj,k为k层j植被恢复方式下土壤固碳效应,SCSj,k为k层j植被恢复方式下土壤有机碳含量(g/kg),SMC0,k为对照农田k层土壤有机碳含量(g/kg)。

1.2.3统计分析方法

采用描述性统计分析不同植被恢复年限与不同恢复方式下土壤水分、有机碳分布与变化情况,并采用单因素方差分析、多重比较、回归分析,研究不同植被恢复方式在植被恢复过程中水碳变化的差异性(P<0.05)。各类分析通过Origin 9.1完成。

表1 不同植被类型与生长年限样地统计

2 结果与分析

2.1 土壤水分对植被恢复的响应

由图1可知,不同恢复年限的林地、灌木、草地土壤水分均低于未进行植被恢复的农田,草地、林地、灌木0—5 m平均土壤水分含量依次降低,分别为8.30%、6.42%、5.54%。将植被恢复年限划分为小于10a、10—20a、21—30a与大于31a四个阶段,除第1阶段外,第2、3、4阶段间土壤水分含量差异较小,且随退耕年限增加,土壤水分含量减少。由图2可知,进行植被恢复的样地在不同土壤深度内均出现土壤水分亏缺,且水分亏缺均在2—3 m土层最为严重,表层0—1 m土壤水分亏缺最小。在0—5 m土壤剖面内,林地土壤水分亏缺在恢复至21—30a时高于前一阶段(11—20a),随后亏缺状况在大于31a后得到缓解。灌木土壤水分亏缺总体呈逐渐增加趋势,并在大于31a显著增加。草地土壤水亏缺在0—5 m土层随恢复年限延长显著增加,但显著低于林地、灌木。当植被恢复至10—20a时,灌木土壤水分亏缺高于林地,SMD分别为-0.70、-0.67;在恢复至21—30a时,林地土壤水分亏缺高于灌木、草地,SMD分别为-0.73、-0.70、-0.66。在恢复年限大于31a后,灌木水分亏缺高于林地,SMD分别为-0.75与-0.59。

图1 不同植被恢复方式年限下土壤水分垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution of soil moisture content in different vegetation types and restoration ages

图2 不同植被恢复方式与恢复年限下土壤水分亏缺效应Fig.2 Soil moisture deficit in different vegetation types and restoration ages大写字母表示不同植被同一恢复年限间SMD的显著性差异,小写字母代表同一植被不同恢复年限间SMD的显著性差异,如有一个字母相同表示差异不显著(P<0.05,LSD)

2.2 土壤有机碳对植被恢复的响应

由图3可知,林地0—5 m平均土壤有机碳含量高于灌木、草地,分别为1.97、1.77、1.72 g/kg。从时间分布来看,对照农田与10a、10—20a、21—30a、31a土壤有机碳含量分别为2.11、2.07、1.81、1.88、1.82 g/kg。不同土壤剖面土壤有机碳含量随植被恢复年限增加呈不同变化趋势,在0—1 m、3—4 m土壤剖面,随植被恢复年限增加土壤有机碳含量变化不显著。在1—2 m、2—3 m土壤剖面,随植被恢复年限增加,土壤有机碳含量波动递减,在4—5 m土壤剖面,植被恢复后平均土壤有机碳含量高于对照农田。

由图4可知,三种植被恢复方式下土壤有机碳变化趋势相似,在1—3 m土壤剖面固碳量为负,林地、灌木、草地2—3 m SCS分别为-0.25、-0.22、-0.32。林地0—1 m、3—4 m土壤剖面内固碳量随植被恢复年限增加而增加,在1—3 m、4—5 m土壤剖面内呈先增加后减少趋势,但在0—5 m土壤剖面内随恢复年限增加固碳量增加,SCS分别为-0.14、0.04、0.07。灌木固碳量随植被恢复年限先增加后减少,第2、3、4恢复阶段SCS分别为-0.09、-0.05、-0.27;草地固碳量随植被恢复年限增加而减少,第1、3恢复阶段SCS分别为0.02、-0.23。植被生长11—20 a时,林地土壤固碳量低于灌木,在生长至21—30a时,林地土壤固碳量则高于灌木与草地。

图3 不同植被恢复方式与恢复年限下土壤有机碳垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution of soil organic carbon in various vegetation types and restoration ages

图4 不同植被恢复方式与恢复年限下土壤固碳效应Fig.4 Soil carbon sequestration effect in different vegetation types and restoration ages大写字母表示不同植被同一恢复年限间SCS显著性差异,小写字母代表同一植被恢复方式不同恢复年限间SCS显著性差异,如有一个字母相同表示差异不显著(P<0.05,LSD)

2.3 土壤水分/有机碳与植被恢复年限的关系

图5展示了土壤水分、有机碳同植被恢复年限的关系。在0—5 m土层内,随植被恢复年限增加,土壤水分均呈递减趋势,其中2—5 m土层显著递减。随植被恢复年限增加,土壤有机碳在0—1 m、3—4 m土壤剖面增加,而在1—3 m有所减少,但土壤有机碳变化在各层土壤中均不显著。由图6可知,土壤水分与有机碳在1—2 m与3—5 m土层存在显著的相互作用,土壤碳的增加分别为土壤水分增加的0.384、0.835、0.549倍(土壤有机碳与水分单位均为%的条件下)。

图5 不同植被恢复方式土壤水分/有机碳与恢复年限关系Fig.5 Relationship between soil moisture/SOC content and restoration ages at each soil layer

图6 不同深度土壤水分与土壤有机碳的关系Fig.6 Relationship of soil moisture and SOC content in different soil layers

3 讨论

3.1 植被恢复对深层土壤水分的影响

植被主要通过根系的吸收、利用以及冠层截留对土壤水分产生影响[20]。不同植被恢复方式与恢复年限显著影响水文过程,尤其是渗透与蒸散发,从而导致土壤水分含量的时空异质性[21-22]。黄土高原诸多研究表明农田与草地土壤水分要高于林地[6,22- 24]。本研究中,不同植被恢复方式下土壤水分依次为农田>草地>林地>灌木。耗水性乔灌木根系虽主要分布于0—2 m土层,但主根随恢复年限的增加不断下伸,成熟主根一般深达3—6 m,最大可达8 m以下土层,强烈消耗深层土壤水分[25]。农田受人为耕作活动影响,表层土壤疏松且坡度平缓有利于降水入渗,且农田内多为浅根系作物,深层根系活动较少,因而在0—5 m土壤剖面内水分含量较高。草地为退耕地,主要为自然演替的草本植物,与农田土壤理化性质相似[22],恢复前水分条件较好,且植物根系主要集中于2 m以内,对土壤水分的消耗相对较少[26]。

在干旱半干旱地区,植被生长强烈依赖土壤水分。Chen等[27]研究了土地利用与土壤水分动态的关系,发现土壤水分消耗主要在生长季,雨季降水并不能完全补充土壤水分消耗。本研究中,不同植被恢复方式均发生土壤水分亏缺,且水分亏缺在表层0—1 m最低,2—3 m最高,这是因为不同深度土壤对水分消耗的驱动力存在差异,表层土壤水分消耗主要受植被蒸腾与土壤蒸发两个水文过程影响,并且降水可补充表层水分的散失。2 m以下土壤水分受降水与土壤蒸发的影响弱而主要受植被根系的影响[28],因降水难以补充加上植物根系耗水而出现土壤干化现象。对于不同恢复方式,林地土壤水分亏缺在恢复至21—30a时显著高于前一阶段(11—20a),而在31a后土壤水分开始恢复。灌木、草地土壤水分亏缺随恢复年限延长不断增加。从心海等[29]研究表明不同林龄吸水层深度不同,恢复5—6a林地吸水层达3.5 m,8a可达5 m,即恢复时间越长,耗水越强。而马祥华等[30]、李婧等[31]人的研究表明在植被恢复后期,人工林地土壤水分开始有所恢复。

3.2 植被恢复对深层土壤有机碳的影响

本研究中不同植被恢复方式下,0—5 m土壤有机碳含量依次为林地>灌木>草地。林地根系发达,表层凋落物较多,有机碳的输入会促进团聚体形成[32-33]。此外退耕还林降低土壤侵蚀速率,减缓土壤有机碳的流失[34],并且较少的人为扰动也减少了土壤团聚体的分解,加强了对土壤碳库的保护[35]。Dungait等[36]研究表明退耕还林中土壤有机质的输入可以通过形成酶腐殖质络合物,抑制碳分解酶在土壤中的活动从而降低有机碳的分解。草地光合产物主要分配于地下部分,根系是土壤有机碳输入的主要形式,而由于草地植被稀疏,根系较浅,根生物量较低,尤其是深层土壤中根系更少,因此土壤有机碳含量较低[37]。

植被恢复可以导致土壤碳储量的变化,碳流入与流出的平衡会因土地利用类型的变化而改变,这个过程中土壤作为碳源或是碳汇依赖于碳流入与流出的比例[38]。诸多研究表明[39]植被恢复后土壤有机质含量在恢复初期有所降低,之后恢复至退耕前水平,此后出现净增长。这可能因土壤碳的激发效应导致,即新的易分解有机质的输入可刺激在土壤中存在时间较长的有机质的分解[40-41]。本研究中,林地土壤有机碳在植被恢复20年后有所增加,同样反映了土壤有机质的矿化分解与累积过程。受耕作和施肥影响,耕地表层土壤有机质含量相对较高,这也为植被恢复初期植物的生长提供了有利条件,但随着植被生长的不断消耗,土壤有机质含量出现一个降低的过程。植被的根系分泌物和残落物是土壤有机碳的主要来源,随着恢复过程中植被的生长和群落的演替,凋落物和死亡根系逐渐增多,有机质含量得以恢复和累积。Deng等[9]在黄土高原安塞县的研究表明随植被恢复年限的增加,0—1 m土壤固碳量增加,且表层10 cm固碳量最高,表明土壤表层仍是有机碳存储的关键层次。本研究中,1—3 m内土壤有机碳随植被恢复年限增加反而有所减少,表明不同深度土壤有机碳对植被恢复的响应有所不同。同时1—3 m也是土壤水分降低最为显著的层次,表明深层土壤干化也限制了土壤对有机碳的固定,这可能与活性细根在缺水层分布减少有关[29],由于植物细根对土壤碳的贡献大于植物地上部分[42],因而深层土壤水分的过度消耗也相应限制了深层土壤有机碳的固定。

本研究中,恢复大于30a灌木样地主要为柠条,灌木固碳量随恢复年限延长先增加随后降低。曲卫东等[43]和崔静等[44]研究发现柠条土壤有机碳含量在恢复至40a时开始降低,这主要与柠条老化,生长不良有关。本研究中灌木样地土壤有机碳的降低可能也与柠条林地老化有关。本研究中,草地固碳量随退耕年限增加呈下降趋势并且低于对照农田,这与党珍珍等[45]的研究结果一致。恢复早期草地群落不同物种间的竞争以及对土壤养分竞争较为激烈,使草地植被盖度下降,物种多样性减少。并且弃耕前期植被覆盖度低,土壤侵蚀严重,土壤有机质被迁移至下层或下坡位,土壤有机碳减少[45]。Potter等[46]研究表明农田恢复为草地后需大约100a土壤碳储才可恢复至弃耕前水平,表明草地的土壤碳增汇需要较长过程。

3.3 深层土壤水分/有机碳与植被恢复的关系

从本研究可以看到,表层0—1 m土壤水分因降水补给随恢复年限增加变化不显著,而深层土壤水分随恢复年限增加显著降低,表明随恢复时间延长,植物耗水量随之增加。土壤有机碳在0—1 m、3—4 m土壤剖面随恢复年限延长而增加,而在1—3 m有所减少,但土壤有机碳变化在各层土壤中均不显著。这主要是因为控制有机碳输入、积累、分解的过程较为复杂,地上枯落物、地上地下物质分配、根系深度与生物量、土壤水分与微生物活动都对土壤有机质的输入速率与质量产生影响[47]。水分不足是黄土高原植被恢复和生态系统稳定的首要限制因素[48]。在降水不足的干旱、半干旱区,土壤水分的有效利用对于植被的生长起着至关重要的作用[49],碳的同化和积累也离不开水的参与,因此土壤水分的保持与土壤碳的固定并不是彼此孤立的两个过程[11]。对于黄土高原土壤水分利用与固碳的以往研究集中于表层土壤[8],或在较大尺度上研究蒸散与初级生产力的关系[50],从而得出土壤水源涵养与固碳间的权衡关系。而本研究发现在深层土壤中,土壤水分与有机碳呈现显著的正相关性(图6),且土壤有机碳的增加速率低于土壤水分,说明深层土壤固碳与土壤水分含量关系紧密且土壤固碳需要大量土壤水分参与,因此深层土壤水分亏缺可能限制深层土壤的碳固定。这可能与水分亏缺制约深层细根生长[51],而细根是土壤有机碳的重要来源有关。表层土壤有机碳与水分间相关性不显著,这主要与本研究尺度较小且表层土壤水分受气候(降水、太阳辐射、风速)地形(坡度、坡向)植被类型等诸多因素影响[52],控制有机碳输入与输出的因素较多导致。

本研究结果表明,表层土壤是碳固定的关键层次,而深层土壤水分亏缺可能限制植被细根的发育,使深层有机碳输入减少。在干旱、半干旱的黄土高原,人工植被恢复的土壤水分利用效率往往较低,且常常不能持续提供多种、正向的生态系统服务。进行大规模植被恢复时,所选物种的生长季与降水同步可以提高水分利用效率,并且自然与人工恢复方式应并重[22]。

4 结论

(1)不同植被恢复方式土壤水分均低于农田,草地、林地、灌木土壤水分含量依次降低,分别为8.30%、6.42%、5.54%,这主要由不同植被间根系的生长、吸收、利用以及冠层截留差异导致;植被恢复后0—5 m土层均出现水分亏缺,因不同深度土壤对水分消耗的驱动力存在差异,水分亏缺在表层1 m最低,2—3 m最高;对于不同恢复方式,林地土壤水分亏缺在恢复至21—30a时显著高于前一阶段(11—20a),而在生长31a后开始恢复。灌木、草地土壤水分亏缺随恢复年限延长不断增加。

(2)林地、灌木、草地土壤有机碳含量依次降低;林地固碳量随恢复年限增加,并且在恢复20a时固碳量与对照农田相比出现净增,反映了土壤有机质的矿化分解与累积过程;灌木固碳量随恢复年限先增加随后降低,主要与柠条老化,生长不良有关;草地固碳量随退耕年限增加呈下降趋势并且低于对照农田,表明草地的土壤碳增汇需要漫长过程。

(3)表层0—1 m土壤水分因降水补给随恢复年限增加变化不显著,而深层土壤水分随恢复年限增加显著降低;但随恢复年限增加,土壤有机碳变化在各层土壤中均不显著。在深层土壤中,土壤水分与有机碳表现显著的正相关性,且土壤碳的增加速率低于土壤水分,说明深层土壤固碳与土壤水分含量关系紧密且深层土壤固碳需要水分参与。深层土壤水分亏缺可能限制植被细根的发育,使深层土壤有机碳输入减少。