九峰山不同林分类型生态恢复植被-土壤系统耦合关系评价

2022-01-07王皓月郭月峰徐雅洁祁伟卜繁靖祁慧娟

生态环境学报 2021年12期

王皓月，郭月峰*，徐雅洁，祁伟, ，卜繁靖，祁慧娟

1. 内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010010；2. 内蒙古水利水电勘测设计院，内蒙古呼和浩特 010020

九峰山是阴山山脉的主体—大青山的主峰，最高峰海拔为2338 m（李利平，1993）。该地区植被类型丰富，物种多样，植被保存比较完整。近年来，随着旅游业和采矿业的兴盛，对当地生态环境造成巨大破坏，如何快速有效地进行植被恢复是促进当地生态环境建设的首要问题。

林下植被是构成人工林生态系统的重要组成部分，也是人工林生态系统中物种多样性的主要组成部分。越来越多的研究表明，林下植被对维持人工林生态系统结构和功能发挥着至关重要的作用，尤其在维持人工林生态系统稳定性、调控地上地下养分循环及能量转化、促进生物多样性发展等方面发挥着不可替代的作用（费玲等，2016；温晶等，2019）。土壤理化性质是影响土壤肥力的重要因素，也是土壤质量组成的综合反映（马国飞等，2017），决定着林地生产力的大小。植被类型差异是影响理化性质最直接的因素（刘俊廷，2020）。一方面植被重建可以改良土壤结构，提高土壤肥力；另一方面，土壤理化性质的好坏又可以直接反作用于植被的生长发育。土壤-植被两系统之间存在着天然的耦合关系，耦合度能有效地反映生态恢复过程中植被、土壤系统间的互动关系，评判两者间的耦合状态，耦合度模型分析有助于我们更深刻地认知植物-土壤反馈在全球环境变化下对生态系统影响的贡献能力（李霖，2019）。近年来学者关于九峰山生态环境的研究主要集中于景观资源评价、植被区系组成分析等（汤佳，2016），而对于土壤-植被系统耦合关系的研究较为缺乏。因此本研究利用分析九峰山不同林分类型土壤-植被耦合关系，以期为揭示九峰山生态恢复过程中植被和土壤之间存在的相互作用机制提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

九峰山地处阴山山脉中段，位于包头市土默特右旗境内，110°25′—110°48′N，40°34′—40°51′N 之间。研究区大部分是山地，且多为25—45°的陡坡，九峰山山系为东西走向，整个山地由中山与低山丘陵组成，南低北高，相对高度为800—1000 m，为明显的构造断块地形。据内蒙古气候带和气候区的划分，九峰山处于冬季温带和温带气候带，东胜气候区。该区属大陆性季风气候即冬季受西伯利亚寒流侵入夏季受东南季风的影响，年均气温5.2 ℃，年降水量380—435 mm，无霜期117 d。九峰山的土壤在内蒙古自治区土壤分区中，属于山地栗钙土带、山地淡栗钙土亚带。九峰山作为半干旱地区内，中山山体的一部分，是暖温型和中温型草原的天然屏障。九峰山植被类型丰富，其中森林植被包括针叶林和阔叶林，由油松（Pinus tabuliformis Carriere）、白扦（Picea meyeri Rehder & E. H. Wilson）、辽东栎（Quercus wutaishanica Blume）、白桦（Betula platyphylla Suk.）构成。

1.2 试验设计和测定方法

本研究于2020年8月7—18日，在内蒙古包头市九峰山选取6种不同类型人工林地，分别为：侧柏（Platycladus orientalis (L.) Franco）、柠条（Caragana korshinskii Kom.）、黄刺玫（Rosa xanthina Lindl.）、虎榛子（Ostryopsis davidiana Decaisne）、长梗扁桃（Amygdalus pedunculata Pall）、山杨（Populus davidiana Dode），在每种林分中设置1块调查样地，面积为1500 m2（表1）。为减少地形、坡度、坡向以及生态演替等因素的影响，选取样地均为相同或相似的立地条件，并在样地附近选取撂荒地作为对照。本次研究共分为两个子目标层，分别为土壤综合子系统与植物综合子系统。其中土壤综合子系统包含的下级指标为：土壤含水量、土壤容重、土壤孔隙度、土壤全氮、土壤全磷、土壤全钾以及土壤有机碳。在采样过程中考虑到结果的准确性，每种林分模式选取3块样地，并分别沿样地对角线布设3个典型样方（乔木样方20 m×20 m、灌木样方5 m×5 m、草本样方1 m×1 m）进行植被调查，并利用剖面法和环刀法采集原状土壤样品，考虑到九峰山土层较薄，且人工林栽植年限较短，土壤水分变化深度较浅，故采样深度为60 cm，分3层，每20 cm为一层，每层取样两次。土壤样品经剔除石块和动植物残体等杂质，风干，磨碎，过筛后用于测定土壤的理化性质。土壤水分采用烘干法测定、土壤容重采用环刀法测定、全氮采用半微量凯式法、全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法、全钾采用NaOH熔融，火焰光度计法、有机碳采用重铬酸钾外加热法测定。

表1 样地信息Table 1 Basic information of sampling plots

1.3 指标体系构建及权重计算

为了准确评价自然恢复过程中不同林分土壤和植被的关系，在设置评价指标体系时，借鉴相关研究成果（彭晚霞等，2011；李豪等，2019），按照目的科学性和系统完整性原则，兼顾指标体系的可操作性、易比较性、代表性和协调性，构建能够反映不同人工林分类型生态恢复植被土壤耦合协调评判的2级次指标。本研究共选取植被指标5个，土壤指标7个，共计12个指标。

为了消除指标单位不同所带来的误差，使其数据具有可比性，采用极差法对研究数据进行标准化处理，公式为（朱乾隆等，2019）：

式中：

Yij——各指标的标准化值；

xij——各指标的原始数据值；

xmax和 xmin——第 i个指标在研究时段内的最大值和最小值。公式（1）和公式（2）分别表示正向指标与负向指标。

各个评价指标权重的确定在耦合模型评判中占有非常重要的位置，权重的大小对评估结果十分重要，它反映了各指标的相对重要性。考虑到客观赋权法过于强调各项评价指标数据之间的内部变化，缺乏对实际情况的针对性分析（唐李斌等，2020），所以在各指标进行标准化处理后，采用可将多维的非线性问题简化成一维线性叠加的层次分析法（焦菊英等，2005）。最底层（要素层）是隶属于上层的各个评价指标，每一层里2个元素进行相对于上层某元素的重要性相比，建立起每层的对比矩阵，并且通过一致性检验后（陈萍等，2011），计算得出各个因子权重值（表2）。

表2 土壤-植被系统耦合协调度指标及权重Table 2 The index and weight of coupling coordination degree of soil-vegetation system

1.4 模型建立

1.4.1 耦合度模型

耦合度是度量系统或要素之间相互作用和影响程度的定量指标，它刻画了某一时点区域系统之间、系统内各要素之间交互胁迫、交互依存关系的演进态势或趋向（王明全等，2009）。假设正数x1,x2, x3……xp为描述植被子系统特征的p个指标，设正数y1, y2, y3……yq为描述土壤子系统特征的q个指标，由此构建植被与土壤的耦合度模型为：

式中：

C——不同人工林分类型生态恢复植被土壤耦合度；

k——调节系数，一般为2≤k≤5，本文k=2。耦合度C是反映P(x)与S(y)之和在一定条件下，植被-土壤协调数量的程度，其值在0—1之间，当C趋近于0时，表明系统要素之间的耦合度极小，近乎处于无关状态，当C趋近于1时，表明系统要素之间呈良性耦合状态。P(x)为植物综合评价函数，S(x)为土壤综合评价指数。

式中：

i——植被特征指标；

j——土壤特征指标的个数；

ai——第i个植物指标；

bj——第j个土壤指标的权重值；

xi——第i个植物指标；

yj——第j个土壤指标的标准化值。由综合函数计算得出的指数越高，意味着植被恢复或土壤环境越好，反之则越差。

1.4.2 耦合度协调模型

由于仅依靠耦合度很难全面反映出系统间或系统内各要素之间对植被-土壤系统的协调程度，甚至会对评价结果的准确性产生误导。为了进一步反映不同人工林分类型生态恢复植物-土壤交互耦合的协调程度，在耦合度C的基础上，构建了耦合协调度模型（徐明等，2016）：

式中：

D——不同人工林分类型生态恢复土壤-植被系统耦合协调度，D值在0—1之间，D值越趋近于1，则植被恢复与土壤环境的整体水平越高，反之则越低；

T——植被-土壤系统综合协调指数；

α、β——待定系数，考虑到系统中植被恢复与土壤环境的改善同样重要，所以α与β均为1/2，故：

1.5 植被-土壤系统协调发展类型的判断标准

由于目前耦合协调度等级尚无统一的划分标准，本文所采用的植被土壤耦合类型分类体系及评判标准是在参考前人研究结果（南国卫等，2021）的基础上，结合本研究的相关指标计算结果得出的。根据D值的大小，同时结合植物综合评价函数P(y)与土壤综合评级函数 S(x)，得出耦合协调类型及评判标准（表3）。

表3 土壤-植被系统耦合类型划分Table 3 Classification of coupling types of soil-vegetation systems

2 结果与分析

2.1 不同人工林分类型指标层的差异性

土壤指标层中，柠条与撂荒地的土壤全磷、土壤容重存在显著性差异（P＜0.05）；侧柏与撂荒地的土壤有机碳之间存在显著性差异（P＜0.05）；山杨与撂荒地的土壤全氮存在显著性差异（P＜0.05）；侧柏、柠条、长梗扁桃、虎榛子与撂荒地的土壤孔隙度之间显著性差异（P＜0.05）；土壤含水率及土壤全钾在不同林分间无显著差异（表4）。植物指标层中，虎榛子与撂荒地的Margalef指数存在显著性差异（P＜0.05）；撂荒地与其他人工林分的Simpson指数存在显著性差异（P＜0.05）；侧柏、柠条、虎榛子、黄刺玫与撂荒地的Pielou指数存在显著性差异（P＜0.05）；侧柏、山杨与其他人工林分及撂荒地的生物量之间存在显著性差异（P＜0.05），Shannonwiener指数在不同林分间无显著差异（表5）。

表4 不同人工林分类型土壤指标层的差异性Table 4 The different of soil index layer in different artifical stand types

表5 不同人工林分类型植被指标层差异性Table 5 The different vegetation index layer among different artificial stand types

2.2 不同人工林分类型生态恢复土壤-植被系统的耦合关系评价

各不同人工林分生态恢复植被综合指数P(y)、土壤综合指数S(x)、植被土壤系统耦合度C以及耦合协调度D指标的计算结果如下（表6）。总体上，柠条具有较高的植被指数P(y)、耦合度指数C以及耦合协调指数D；虎榛子具有较高的土壤指数S(x)。植被指数具体表现为：柠条＞侧柏＞虎榛子＞山杨＞长梗扁桃＞黄刺玫＞撂荒地，说明所有的人工林分的植物水平的生长水平均较高于撂荒地，特别是黄刺玫与侧柏；土壤指数具体表现为：虎榛子＞长梗扁桃＞侧柏＞山杨＞黄刺玫＞柠条＞撂荒地，说明所有的6种人工林分均能在不同程度上改良土壤质量，特别是黄刺玫与长梗扁桃。由于人工林栽植年限较短，生态恢复效果还未完全体现，以至于6种人工林分的耦合度与耦合协调度均不高，耦合度表现为：柠条＞侧柏＞山杨＞虎榛子＞长梗扁桃＞黄刺玫＞撂荒地；耦合协调度表现为：柠条＞侧柏＞黄刺玫＞山杨＞长梗扁桃＞虎榛子＞撂荒地。黄刺玫与撂荒地为严重失调衰退类植被损益型；侧柏、虎榛子、长梗扁桃以及山杨为濒临失调衰退类植被损益型；柠条表现为濒临失调衰退类植被土壤共损型。由此来看，在九峰山人工林生态恢复过程中，柠条的耦合协调度更好，除撂荒地与黄刺玫外，人工林分的土壤-植被耦合协调系统发展趋势基本处于濒临失调衰退型，这说明人工林分较撂荒地在生态恢复中起到一定的作用，但整体仍处于较低水平。

表6 不同人工林分生态恢复土壤-植被系统耦合协调关系评价Table 6 Evaluation of coupling coordination relationship between soil and vegetation systems in different artificial stands for ecological restoration

3 讨论

本文以植被-土壤系统耦合理论为基础，通过建立植被与土壤耦合模型，将植被与土壤两个系统通过各自的调节权数耦合在一起，并进一步阐释若干子系统之间的相互关系，完善评价过程（张艳等，2013；王淑佳等，2021），综合客观的评价九峰山生态恢复的效益。

植被-土壤是一个相互作用，相互影响的有机整体，植物的生长需要从土壤中吸取养分和水分，并需要土壤作为基础支撑；地上部分植物生长及其覆盖也在不断改变着土壤理化性状及土壤微生态环境（余轩等，2021）。通过耦合协调关系评价发现，不同人工林分的耦合度和耦合协调度并不一一对应，植被与土壤的综合指数在不同人工林分类型中的位置也并不完全一致。如植被综合指数表现为：柠条＞侧柏＞虎榛子＞山杨＞长梗扁桃＞黄刺玫＞撂荒地，土壤综合指数表现为：虎榛子＞长梗扁桃＞侧柏＞山杨＞黄刺玫＞柠条＞撂荒地，这可能与植被和土壤的互作机制有关，植被生长消耗土壤养分和水分的速率与植被改良土壤理化性质的速率不一致所导致的。虽然通过长时间的人工造林，对生态恢复起到了一定作用，但不同林分的植被土壤耦合协调状况并未达到理想状态。在九峰山的长期造林过程中，不合理的栽植密度以及同龄纯林育林模式，忽视了人工林的演替规律，在林地选择时仅用水分、植被类型等因子作为依据，使得部分植被出现不同程度的衰退，进而导致九峰山不同人工林分类型生态恢复植被—土壤系统基本处于濒临失调衰退型发展水平，整体水平较低。在上述人工林分类型中，植被—土壤耦合协调度较高的是柠条，除柠条外，其余林分均表现为不同程度的失调衰退类土壤损益型。这可能与当地降雨无法满足植物的正常生长有关，随着植物根系不断地生长，植物需要将根系伸进深层土壤来获得水资源（王云强等，2012），深层土壤中水分的损失，进一步加剧土壤干旱，最终形成土壤干层（Yang et al.，2011；Mazzacavallo et al.，2017）。在土壤干层形成过程中，土壤理化性质也随之下降，最终反作用于植物。但柠条具有耐旱和固氮等优良特性，并且灌丛根系深广，可以吸收和消耗周围较大面积和深层土壤中的水分（张建华等，2011），加上微环境的影响，使土壤蒸发减少，柠条灌丛土壤水分含量随着冠幅增大而增大（刘佳楠等，2019），间接增加土壤养分和减少水分的亏缺，从而使柠条较其他林分存在一定优势。在水分亏缺时，抗旱植被能以高效的水分利用方式来抵御干旱的胁迫（闫海龙等，2010），而旱生植物具有发达机械组织以及表皮有多层细胞等特征来减少水分散失，但黄刺玫相较于其他林分，它的海绵组织厚度和叶片组织结构疏松度最低（王树森等，2020），因此在养分输送功能和保水、贮水作用方面表现较差，导致较差的抗旱能力；其次，黄刺玫的根系基本上没有垂直伸展的主根，但具有较发达的水平根和大量的斜生根，集中分布在0—40 cm土层中（王芳等，2006），这就导致土壤浅层水分被消耗到一定程度时，黄刺玫无法吸收土壤深层水分，并且其保水储水能力较差，这也可能是导致黄刺玫评价为轻度失调衰退类土壤损益型的原因之一。