陕北黄土区不同植被恢复模式植被与土壤耦合关系研究

2021-05-21濮阳雪华王月玲赵志杰黄娟杨宇

草业学报 2021年5期

濮阳雪华，王月玲，赵志杰，黄娟，杨宇

（1. 北京大学环境科学与工程学院，北京 100871；2. 深圳市铁汉生态环境股份有限公司，深圳 518040）

陕北黄土区干旱少雨，降水集中，蒸发量大，生态环境脆弱，水土流失严重。随着黄土高原退耕还林还草工程的实施，人工植被已成为该地区最主要的植被类型，植被覆盖度明显增加，水土流失有效缓解，土壤保持、固碳能力等生态系统服务功能得到显著提升［1−2］。黄土高原退耕植被的演替在一定程度上改善了土壤理化性质，但由于植被种类、配置模式及栽植密度等方面的差异，影响着植被蒸腾耗水、根系更替分布、凋落物积累分解以及微生物种类活性等一系列生理生化过程，进而导致土壤水分含量及养分积累变化特征明显不同［3−7］。国内学者针对黄土高原不同植被类型土壤水分和养分的大量研究结果表明，由于地上部分叶片数量和生物量的差异，导致相同条件下乔灌木的蒸腾作用远高于农田和荒草地，使得农田和草地土壤含水量较高，灌丛次之，林地土壤含水量最低，其土壤干燥化程度及干层厚度均为最大［4，8−10］，但林地较好的微生态环境、较强的抗蚀性能和分解再利用能力，使其总体上呈现出更好的改土效果和更高的养分水平［3，11−13］。黄土高原生态恢复如果忽略自然环境本底特征，盲目进行植被恢复重建，可能引起土壤水分过耗和养分失调，甚至导致人工植被退化衰败，严重影响生态系统的稳定性。因此，针对不同植被恢复模式植被与土壤耦合关系的综合评价具有重要的现实意义。

植被和土壤作为一个有机整体，两者相辅相成、相互作用、相互影响。土壤作为植被生长发育的载体，为其生长提供必需的水分和养分，在不同程度上影响着植被的生长发育和分布格局，进而影响植被群落的生产力及生态服务功能，而植被生长又可改善土壤结构、保持土壤肥力、利于涵养水源［14−15］。耦合度是定量评价系统或要素之间相互影响程度的重要指标，体现了相互作用程度的强弱，但并不能区分利弊［16］。耦合协调度则是以耦合度为基础，通过加入表示总体发展水平的成分，能够更加全面准确地反映两个或多个子系统在整个系统中的功能与协同效应［17］。耦合协调度模型当前已被广泛用于分析城市化、经济、旅游与生态环境之间的内在关系［16，s18−19］。该模型也能够将植被与土壤统一到同一系统进行研究，不同学者分别针对喀斯特峰丛洼地［17］、黄土高原沟谷地［20］、干旱沙区固沙林地［21］和黄土高原微地形［22］构建了植被土壤系统耦合协调度模型，更加全面准确地揭示了植被与土壤恢复过程的相互作用机制。同黄土高原不同植被类型土壤水分和养分的大量研究实践相比，利用耦合协调度模型进行植被恢复评价的研究报道甚少。本研究以不同恢复模式的植被群落为研究对象，分析植被特征与土壤性状的变化规律，揭示植被群落与土壤环境的动态耦合协调关系，以期为陕北黄土区退耕还林还草工程的高效实施与可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吴起县位于陕西省延安市西北部（36°33′33″−37°24′27″N，107°38′57″−108°32′49″E），地貌类型为黄土高原丘陵沟壑区，海拔1233～1809 m，属半干旱温带大陆性季风气候，年平均气温7.8 ℃，年平均无霜期146 d，年平均降水量478.3 mm，年平均蒸发量891.2 mm。研究区位于吴起县中部的吴起镇流域，土壤类型主要为黄土母质发育而来的黄绵土，质地为轻壤。该流域自1998 年实施退耕还林还草工程以来，水土流失得到了有效控制，形成了以油松（Pinus tabuliformis）、侧柏（Platycladus orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、山杏（Armeniaca sibiri⁃ca）、小叶杨（Populus simonii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、柠条（Caragana korshinskii）等树种为主的乔灌木人工林。本研究选取地形条件相似、种植年份相近的6 种植被恢复模式（12 种植被类型）作为研究对象，分别为针叶纯林（油松纯林、侧柏纯林）、阔叶纯林（刺槐纯林、山杏纯林、小叶杨纯林）、针阔混交林（山杏油松混交林、小叶杨油松混交林）、乔灌复层林（侧柏沙棘复层林、山杏沙棘复层林）、灌木林（沙棘林、柠条林）和天然草地。每种植被类型设置3 个面积为20 m×20 m 的标准样地，其中灌木样方面积为5 m×5 m，草本样方面积为1 m×1 m，样地基本概况见表1。

表1 研究样地基本概况Table 1 Information of the study area

1.2 植被调查与分析

植被群落调查于2020 年7−8 月进行，每种植被类型标准样地即为1 个乔木样方（20 m×20 m），然后在每个乔木样方2 条对角线1/4 处设置4 个灌木样方（5 m×5 m），同时在每个灌木样方按同样方法设置4 个草本样方（1 m×1 m）。调查内容包括植被的种类、数量、高度、盖度、郁闭度、胸径、冠幅等，同时采集植物叶片用于测定营养元素含量。采用烘干称量法测定草本生物量，采用模型法测算乔灌木生物量。植物叶片营养元素含量测定指标包括全氮、全磷和全钾，测定方法参照土壤农化分析（第三版）［23］进行，具体方法为：采用凯氏定氮法测定全氮含量；采用H2SO4−H2O2消煮−钼锑抗比色法测定全磷含量；采用H2SO4−H2O2消煮−火焰光度法测定全钾含量。植被群落生物多样性测算指标包括物种丰富度、Shannon−Wiener 指数、Pielou 指数和Simpson 指数，计算方法参照文献［24］进行。

1.3 土壤采集与分析

土壤样品采集于2020 年7−8 月，每次采集时确保前3 d 无有效降水。土壤容重分析样品在每种植被类型标准样地中挖掘土壤剖面，采用环刀法每间隔20 cm 取0～100 cm 土层的原状土，烘干后用于测定土壤容重。土壤含水量分析样品在每种植被类型标准样地中心位置采用人工土钻法每间隔20 cm 采集0～800 cm 土层的土壤样品，采用烘干法测定土壤含水量。土壤养分分析样品在每种植被类型标准样地中按照S 型路线采用人工土钻法每间隔20 cm 采集0～100 cm 土层的土壤样品，每个土样采集约500 g，置于通风处自然风干，研磨、过筛后备用。土壤养分测定指标包括pH 值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾，测定方法参照土壤农化分析（第三版）［23］进行，具体方法为：采用酸度计法测定pH 值；采用重铬酸钾容量法−外加热法测定有机质含量；采用半微量凯氏定氮法测定全氮含量；采用碱解扩散法测定碱解氮含量；采用碳酸氢钠浸提−分光光度法测定有效磷含量；采用乙酸铵浸提−火焰光度法测定速效钾含量。

1.4 耦合关系分析

1.4.1 指标体系构建及权重计算在遵循科学性、代表性、综合性、可操作性、简练性等评价指标体系选取构建原则的基础上，借鉴前人研究成果［17，20−22］，依据植被与土壤之间的内在关系，构建陕北黄土区不同植被恢复模式植被与土壤耦合关系评价指标体系，其中植被群落准则层包括生长特性、养分效应和物种多样性，表征指标包括郁闭度、生物量、全氮、全磷、全钾、物种丰富度、Shannon−Wiener 指数、Pielou 指数和Simpson 指数；土壤环境准则层包括物理性状和养分水平，表征指标包括容重、含水量、pH 值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾（表2）。同时，采用主客观相结合的方法，即采用层次分析法和熵权法分别计算各评价指标的权重，然后利用最小信息熵原理将两者权重相结合，最终确定各评价指标的综合权重值。

表2 植被与土壤耦合关系评价指标体系及权重值Table 2 Evaluation index system and weight value of coupling relationship between vegetation and soil

1.4.2 综合评价函数构建在对各评价指标实测值进行无量纲化处理的基础上，以x1、x2……xm表示植被群落的m个指标，以y1、y2……yn表示土壤环境的n个指标，构建不同植被恢复模式植被群落综合评价函数及土壤环境综合评价函数，综合评价指数越高，表示植被群落或土壤环境发展水平越好，反之则越差，其计算公式如下：

式中：P（x）为植被群落综合评价函数；xi为第i个植被指标的无量纲值；pi为第i个植被指标的综合权重值；S（y）为土壤环境综合评价函数；yj为第j个土壤指标的无量纲值；sj为第j个土壤指标的综合权重值。

1.4.3 耦合关系模型构建 1）耦合度模型：耦合度是定量评价系统或要素之间相互影响程度的重要指标［18］，根据植被群落及土壤环境综合评价函数构建植被与土壤耦合度模型，其计算公式如下：

式中：C为不同植被恢复模式植被与土壤耦合度；k为调节系数，k取值为 5［17］。耦合度C表示当P（x）与S（y）之和在一定条件下，植被与土壤相互作用的影响程度。当C趋向于1 时，表示植被与土壤之间呈现共振耦合状态；当C趋向于0 时，表示植被与土壤之间处于无关状态。

2）耦合协调度模型：耦合度难以全面准确地反映植被与土壤在整个系统中的实际水平和状态，单纯依靠耦合度评价可能会出现误导结果，为了进一步反映不同植被恢复模式植被群落与土壤环境耦合协调程度，以耦合度为基础，加入表示总体发展水平的成分，构建植被与土壤耦合协调度模型，其计算公式如下：

式中：D表示不同植被恢复模式植被与土壤耦合协调度，D值越高，表示植被群落与土壤环境的总体发展水平越好，两者之间的耦合关系越协调；T表示植被与土壤的综合调和指数，反映植被与土壤在系统中的贡献程度，参考前人研究［17，20］，α和β均取值 0.5。

3）耦合协调类型划分：耦合协调等级及类型划分目前尚未形成统一标准，参考前人研究［17］，依据耦合协调度D值，将不同植被恢复模式植被与土壤耦合协调度划分为10 个等级，再依据P（x）与S（y）的比值，确定每一个耦合协调等级的耦合协调特征（表3）。

表3 植被与土壤耦合协调类型划分标准Table 3 Classification standard of coupling coordination type between vegetation and soil

1.5 统计与分析

釆用Excel 2013 和SPSS 18.0 进行数据统计分析，采用单因素方差分析和LSD 多重比较分析不同植被恢复模式之间的差异，采用Pearson 相关系数分析不同因子之间的相关性，运用yaahp 6.0 统计软件确定层次分析法权重值，使用Excel 2013 作图。

2 结果与分析

2.1 不同植被恢复模式土壤物理性状分析

不同植被恢复模式0～100 cm 土层土壤平均容重为1.25～1.28 g·cm−3，且彼此间未呈现显著差异（图1）。不同植被恢复模式0～800 cm 土层土壤平均含水量由高到低依次为天然草地（9.17%）＞灌木林（7.53%）＞针叶纯林（7.11%）＞针阔混交林（6.50%）＞阔叶纯林（6.30%）＞乔灌复层林（5.79%），除针阔混交林和阔叶纯林土壤含水量无显著差异外，其他各植被恢复模式彼此间均存在显著差异（P＜0.05）。

图1 不同植被恢复模式土壤物理指标含量比较Fig.1 Comparison of soil physical index contents in different vegetation restoration models

2.2 不同植被恢复模式土壤养分指标分析

不同植被恢复模式0～100 cm 土层土壤pH 值具有显著差异（P＜0.05），均呈现出弱碱性，其中乔灌复层林土壤pH 值最高，针阔混交林则最低（表4）。不同植被恢复模式土壤有机质和全氮含量范围分别为0.41%～0.61%和0.26～0.39 g·kg−1，且针阔混交林均显著高于乔灌复层林。天然草地土壤碱解氮含量显著高于其他植被恢复模式，且其他植被恢复模式彼此间无显著差异。在有效磷含量方面，针阔混交林和阔叶纯林土壤有效磷含量较高，分别为2.93 和2.90 mg·kg−1，灌木林、针叶纯林和天然草地则相对较低且彼此间差异不显著。不同植被恢复模式土壤速效钾含量为66.32～112.70 mg·kg−1，由高到低依次为乔灌复层林＞阔叶纯林＞针阔混交林＞灌木林＞针叶纯林＞天然草地，其中乔灌复层林和阔叶纯林显著高于灌木林、针叶纯林和天然草地。由此可见，不同植被恢复模式对土壤养分的影响存在较大差异，针阔混交林和阔叶纯林的土壤养分总体相对较好。

表4 不同植被恢复模式土壤养分指标含量比较Table 4 Comparison of soil nutrient index contents in different vegetation restoration models

2.3 不同植被恢复模式植被生长指标分析

不同植被恢复模式植被郁闭度和生物量差异均显著（P＜0.05）。乔灌复层林、灌木林和天然草地郁闭度相对较高，针阔混交林和阔叶纯林次之，针叶纯林郁闭度则最低。不同植被恢复模式植被生物量由高到低依次为阔叶纯林＞乔灌复层林＞针叶纯林＞针阔混交林＞灌木林＞天然草地，但阔叶纯林、乔灌复层林、针叶纯林以及针阔混交林间差异不显著（图2）。

图2 不同植被恢复模式植被生长指标比较Fig.2 Comparison of vegetation growth indexes in different vegetation restoration models

2.4 不同植被恢复模式植被营养元素含量分析

不同植被恢复模式植被叶片全氮、全磷和全钾含量均存在显著差异（P＜0.05），其中灌木林叶片的全氮和全磷含量均最高，阔叶纯林和乔灌复层林次之，针阔混交林、针叶纯林和天然草地含量相对较低（表5）。在全钾含量方面，阔叶纯林叶片全钾含量最高，是针叶纯林的5 倍。综合来看，天然草地和针叶纯林叶片营养元素含量总体较低。

表5 不同植被恢复模式植被营养元素含量比较Table 5 Comparison of vegetation nutrient contents in different vegetation restoration models

2.5 不同植被恢复模式植被生物多样性分析

天然草地的物种丰富度显著高于其他植被恢复模式（P＜0.05），且针叶纯林、阔叶纯林、针阔混交林、乔灌复层林和灌木林彼此间差异不显著。在Shannon−Wiener 指数方面，针叶纯林和天然草地显著高于阔叶纯林，针阔混交林、乔灌复层林和灌木林间则无显著差异。不同植被恢复模式植被Pielou 指数由高到低依次为针阔混交林＞针叶纯林＞乔灌复层林＞灌木林＞阔叶纯林＞天然草地。在Simpson 指数方面，针叶纯林显著高于阔叶纯林，针阔混交林、天然草地、乔灌复层林和灌木林间则未呈现显著差异。这表明不同植被恢复模式对植被生物多样性具有显著影响，针叶纯林生物多样性总体较高，而阔叶纯林则相对较低（表6）。

表6 不同植被恢复模式植被生物多样性比较Table 6 Comparison of vegetation biodiversity in different vegetation restoration models

2.6 植被与土壤表征指标相关性分析

土壤含水量与植被生物量和全钾含量具有极显著的负相关性（P＜0.01），且与植被全磷含量呈现显著的负相关性（P＜0.05）。土壤有效磷含量与植被生物量和全钾含量分别具有显著和极显著的正相关性。土壤速效钾含量则与植被生物量及营养元素含量均具有极显著的正相关性。在土壤环境与植被生物多样性关系方面，土壤容重和pH 值增加会显著降低植被物种丰富度和Shannon−Wiener 指数，且土壤容重与Simpson 指数也呈现极显著的负相关性，而土壤含水量、有机质、全氮和碱解氮含量的增加则会显著提高植被物种丰富度和Shannon−Wiener 指数，且土壤有机质和全氮含量与Simpson 指数分别具有极显著和显著的正相关性，但土壤有效磷和速效钾含量则对植被生物多样性无显著影响（表7）。

表7 植被群落与土壤环境表征指标相关性分析Table 7 Correlation analysis of indexes between vegetation community and soil environment

2.7 不同植被恢复模式植被与土壤耦合关系分析

植被群落综合评价指数由高到低依次为针阔混交林＞乔灌复层林＞针叶纯林＞灌木林＞阔叶纯林＞天然草地，土壤环境综合评价指数则依次为针阔混交林＞天然草地＞阔叶纯林＞灌木林＞针叶纯林＞乔灌复层林，其中针叶纯林、乔灌复层林和灌木林的植被效应优于土壤效应，而阔叶纯林、针阔混交林和天然草地则是土壤效应好于植被效应（表8）。研究区植被与土壤系统的平均耦合协调度为0.678，属于初级协调同步发展型。不同植被恢复模式耦合协调度从大到小依次为针阔混交林＞阔叶纯林＞天然草地＞灌木林＞针叶纯林＞乔灌复层林，其中针阔混交林植被与土壤系统属于中级协调同步发展型，阔叶纯林属于初级协调同步发展型，天然草地属于初级协调植被滞后型，灌木林和针叶纯林均属于初级协调土壤滞后型，乔灌复层林则属于中度失调土壤损益型。这表明该流域退耕还林经过多年演替发展，植被与土壤系统总体达到初级协调同步发展的水平，但乔灌复层林植被与土壤耦合协调度远低于其他植被恢复模式，而针阔混交林则是该地区较为适合的植被恢复模式。

表8 不同植被恢复模式植被与土壤耦合关系比较Table 8 Comparison of coupling relationship between vegetation and soil in different vegetation restoration models

3 讨论

黄土高原黄绵土因土壤剖面质地较为均一，且植被根系分布错综复杂，导致不同植被恢复模式下土壤容重差异不显著。本研究表明天然草地土壤含水量最高，灌木林次之，林地最低，且不同类型的林地土壤含水量也呈现显著差异，Wang 等［9］和杨磊等［25］的研究结果也同样证实了这一观点，这主要是由于黄土高原人工植被群落结构、叶片特征及生物量等方面的差异，导致其蒸腾耗水量明显不同，使得相同条件下土壤水分含量存在较大差异［2］。在自然生态系统中，枯枝落叶和细根周转是土壤有机质输入的主要途径，且有机质的含量能够影响氮素的转化和积累过程［11−12］，因此不同植被恢复模式土壤有机质和全氮含量呈现相似的规律。针阔混交林相对较高的土壤有机质和全氮含量，可能与其枯枝落叶等凋落物含量较高、根系更替作用较强等因素有关。在本研究中，除针叶纯林对土壤有效磷和速效钾的改善作用相对较小外，林地土壤有效磷和速效钾含量总体较高，天然草地含量最低，这与Jiao 等［3］和张宏等［11］的研究结果基本一致。总体来看，不同植被恢复模式中针阔混交林和阔叶纯林的土壤养分相对较好，陆晓宇等［26］的研究同样表明黄土丘陵区针阔混交林土壤养分综合得分最高，阔叶林和针叶林次之，灌木林最低。

在生态系统恢复过程中，植被的生长和分布在前期会对土壤环境产生显著影响，而土壤环境的改变又会引起植物的特异性改变，进而影响植被的分布和结构［27］。不同植被恢复模式植物营养元素含量的差异不仅与其自身的生物学特性密切相关，还可能与土壤水分和磷、钾含量有关。针对黄土高原土壤与植被的相互关系，众多学者研究均表明土壤水分、有机质和氮素含量与植被生物量及生物多样性具有显著的相关性［15，22，28−29］。本研究表明植被生物量的增加会显著降低土壤含水量，而土壤含水量、有机质、全氮和碱解氮含量的增加则会显著提高植被生物多样性。一方面这是由于土壤水分是黄土高原地区植物所需水分的主要来源，且有机质不仅影响土壤潜在肥力，还会对土壤的水、肥、气、热等因素起着重要的调节作用，另一方面，植被覆盖在一定程度上降低了土壤物理蒸发，而且植被也会通过凋落物分解等途径改善土壤有机质。此外，在本研究中，土壤有效磷和速效钾含量与植被生物量呈现显著的正相关性，但与植被生物多样性则无显著的相关性。目前关于土壤磷、钾含量与植被群落特征相关性的研究结果并不统一，相互关系较为复杂［15，22，29−31］，其具体原因还有待于进一步深入研究。

陕北黄土区植被与土壤总体处于初级协调同步发展的水平，但不同植被恢复模式植被与土壤的耦合协调关系存在较大差异。针阔混交林耗水量虽相对较高，但对土壤养分的综合改良作用明显优于其他植被恢复模式，使其植被群落发展较为均衡，因而耦合协调度最高，是该地区较为适合的植被恢复模式。乔灌复层林较高的栽植密度和生物量加速了土壤水分的消耗，削弱了土壤养分的更新能力，导致土壤环境综合得分最低，植被与土壤系统处于中度失调土壤损益的状态，土壤水分和养分已无法满足其长期稳定生长的需求。本研究表明人工植被的建植虽然在一定程度上改善了土壤养分，但也显著降低了深层土壤含水量，且参照全国第二次土壤普查养分分级标准，人工植被土壤养分依然较为贫瘠。因此，针对退耕还林区人工植被需采取集水施肥、间伐抚育等人为管理措施，促进人工植被的演替更新，增强植被与土壤的耦合协调程度，提升人工植被水土保持和生态服务功能。在未来的生态恢复中，应选择耐旱节水树种，采取针阔混交林的营建方式，科学调控管理植被和土壤，以此促进植被与土壤的协调发展。