安文明，韓曉陽，李宗善,*，王 帥, 伍 星，呂一河，劉國華，傅伯杰

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

在干旱與半干旱地區(qū)，土壤水分是植被生長的主要限制因子之一[1- 2]。因此，在黃土高原的植被重建中，土壤水分是一個重要的參考因素。在黃土高原地區(qū)，縱觀已經(jīng)實施的大規(guī)模的植被重建工程，引入植被已經(jīng)成為黃土高原的主要植被類型[3]，例如刺槐。一般情況下，引入植被都具有較高的水分需求，過度消耗土壤水分[4- 6]。因此，雖然一些引入植被在前期生長都較好，但是隨著土壤水分的過度消耗，人工林退化的現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)[7]，其直接的原因是土壤水分的嚴(yán)重虧缺，甚至永久性土壤干層的形成[8- 10]。相比之下，撂荒草地作為一種自然生態(tài)恢復(fù)方式，遵循自然演替規(guī)律，對土壤水環(huán)境有相對積極的影響[11- 12]。

事實上，在自然狀態(tài)下，土壤水分在氣候、土壤、地形及植被的共同作用下表現(xiàn)出極大的時空異質(zhì)性[13- 14]，并且有很強(qiáng)的尺度效應(yīng)，一般在較大尺度上，氣候和土壤對土壤水分的異質(zhì)性影響較大，而在較小尺度上(流域、坡面等)，地形和土地利用是影響土壤水分異質(zhì)性的重要因素[15- 17]。因此，不同重建植被方式對土壤水分時空結(jié)構(gòu)或異質(zhì)性的影響也是該區(qū)域土壤水文研究的一項重要內(nèi)容。黃土高原是典型的黃土溝壑區(qū)，在流域尺度，地形是影響土壤水分空間異質(zhì)性的重要因素[18- 20]。除坡向、坡度和海拔的影響外，坡面土壤水分的差異性也是土壤水分異質(zhì)性的重要組成部分。坡面是影響植被的一個基本單元[21]，同時，坡面尺度的土壤水分也呈現(xiàn)一定的變化趨勢，現(xiàn)有研究表明，土壤水分沿坡面的變化基本呈現(xiàn)下坡位>中坡位>上坡位的趨勢[18,22- 23]，即從坡底到坡頂呈現(xiàn)水分降低的趨勢。因此，充分了解坡面土壤水分的分配及變化對優(yōu)化植被重建配置有重要的現(xiàn)實意義，例如王軍等通過對坡面不同土地利用土壤水分研究證明，對于水土保持比較合理的土地利用結(jié)構(gòu)為撂荒地-灌木地-間作地-林地，既能有效防止水土流失，又對保持水土都相對積極的作用[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為研究對象，探討兩種主要的植被重建方式(人工林和撂荒草地)對坡面土壤水分差異的影響，以期為今后的植被重建及其優(yōu)化提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于延安羊圈溝村小流域(36°42′14.873″N; 109°31′18.476″E)和長武縣王東村燒盅灣(35°14′6.78″N; 107°40′40.012″E)(圖1)。延安羊圈溝屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，平均海拔高度1000—1500 m，年均氣溫8.5 ℃，年平均降雨量 500—530 mm，采樣點所在區(qū)域?qū)儆谏植菰^渡帶，主要土壤類型為黃綿土；長武燒盅灣屬于黃土塬區(qū)，平均海拔高度950—1300 m，年均氣溫9.2 ℃，年平均降雨量 570—600 mm，采樣點所在區(qū)域?qū)儆诼淙~闊葉帶，主要土壤類型為黑壚土和黃綿土。兩個區(qū)域均是退耕還林還草的區(qū)域，其中退耕地和人工地規(guī)模較大，刺槐(Robiniapseudoacacia)是人工植被重建的主要引入植被。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of the study areas

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點設(shè)置

為對比研究不同植被恢復(fù)方式對坡面土壤水分差異性的影響，分別于延安羊圈溝和長武縣燒盅灣選擇兩個典型的坡面進(jìn)行采樣 (圖1)，每個區(qū)域分別包含一個人工刺槐林地坡和一個撂荒草地坡，為了增強(qiáng)可對比性，所選擇的每個坡面均具有相似的地形(坡度、坡向和海拔) (表 1)。于延安羊圈溝所選人工刺槐林地坡種植年限約為30 a，種植密度密度為3000株/hm2，立地密度約為2500株/hm2(平均株距約2.2 m)，撂荒草地坡越為32 a，主要植被類型有長芒草(Stipabungeana)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、茵陳蒿(Artemisiacapillaris)、委陵菜(Potentillachinensis)、苔草(Carexspp.)等；于長武縣燒盅灣所選人工刺槐林地種植年限約為35 a，種植密度為4000株/hm2，立地密度約為3400株/hm2(平均株距約1.7 m)，撂荒草地年限約為33 a，主要植被類型為米蒿(ArtemisiadalailamaeKrasch)、狗尾草(Setariaviridis)、車前(Plantagoasiatica)、蒲公英(Taraxacummongolicum)等。所有恢復(fù)年限均通過咨詢當(dāng)?shù)厥煜ね恋厍闆r的居民。野外采樣于2016年9—10月進(jìn)行。根據(jù)實驗區(qū)周圍氣象站點及試驗站實測數(shù)據(jù)，延安羊圈溝9月和10月的月均降雨量分別約為26 mm和12 mm，日均溫分別為15 ℃和9 ℃長武縣燒盅灣9月和10月月均降雨量分別約為31 mm和17 mm，日均溫分別為18 ℃和12 ℃。事實上，采樣期間，多為晴朗天氣，偶有陰天或少量降雨。據(jù)前人研究知，黃土高原區(qū)在持續(xù)降雨情況下，雨水滲透深度為0—2 m以內(nèi)，2 m以下影響較小[25-26]，而采樣期間并無持續(xù)降雨事件發(fā)生，偶發(fā)性的少量降雨幾乎對樣品沒有影響。于每個坡面以10 m間隔從下而上設(shè)置采樣點，其中延安羊圈溝人工刺槐林地坡共設(shè)置15個采樣點，撂荒草地坡共設(shè)置20個采樣點；長武縣燒盅灣人工刺槐林地坡共設(shè)置和撂荒草地坡均設(shè)置15個采樣點。

表1 采樣坡面信息

1.2.2 采樣方法

采用傳統(tǒng)的土鉆取樣法于每個采樣點進(jìn)行土壤樣品的采集。每個采樣點的采樣深度為300 cm，采樣間隔為20 cm。每個采樣剖面共收集15個土壤樣品。每個點設(shè)置兩個采樣剖面用以計算平均值。采得土壤樣品后放入專業(yè)鋁盒并密封，在稱得樣品鮮重后，以105℃烘干24 h，最終計算土壤水分含量。剖面坡度及坡向用羅盤測量，同時用GPS記錄每個樣點的海拔高度和經(jīng)緯度。

1.2.3 分析方法

每個采樣點的土壤水分含量用所采的兩個剖面計算平均值。為了分析不同土層沿坡面變化趨勢，將所采的300 cm深的土壤剖面分為5層(20—60，80—120，140—180，200—240，260—300 cm)。每個坡面平均土壤含水量是通過計算每個坡面所有點的平均值，每個坡面不同土層土壤水分含量是通過計算相應(yīng)坡面所有點相應(yīng)土層平均值。撂荒草地坡與刺槐林地坡土壤水分含量差異通過SPSS 19.0采用獨立樣本T檢驗進(jìn)行統(tǒng)計分析；土壤水分沿坡面的變化趨勢通過一元線性回歸的方法進(jìn)行分析。采樣點示意圖通過ArcGIS 10.0繪制，數(shù)據(jù)分析圖皆由Origin 9.0繪制。

2 結(jié)果

2.1 兩種植被恢復(fù)下的土壤水分對比

據(jù)本研究所調(diào)查的坡面平均土壤含水量，兩個區(qū)域皆表現(xiàn)出人工刺槐林地坡低于撂荒草地坡。其中，延安羊圈溝人工刺槐林地坡平均土壤含水量比撂荒草地坡低4.90%，降低程度為43%；而長武燒盅灣人工刺槐林地坡平均土壤含水量比撂荒草地坡低7.53%，降低程度為44%(表 2)。而且，通過獨立樣本T檢驗知，撂荒草地坡土壤水分含量皆顯著高于人工刺槐林地坡(表 2，P<0.01)。根據(jù)對本研究中設(shè)計的不同土層土壤水分含量分析，撂荒草地坡與人工刺槐林地坡土壤水分含量存在于所有土層中(圖 2)。標(biāo)準(zhǔn)差可以反應(yīng)土壤水分的空間離散性或者異質(zhì)性。本研究中，兩個區(qū)域的人工刺槐林地坡土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)差皆明顯低于自然撂荒草地 (表 2)，而且，隨深度的增加，人工刺槐林地坡土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)差更低，相比之下，撂荒草地坡標(biāo)準(zhǔn)差隨深度增加變化不大(圖 2)。

表2 兩個區(qū)域刺槐林地坡和撂荒草地坡土壤水分統(tǒng)計信息

圖2 兩區(qū)域刺槐林地坡和撂荒草地坡土壤水分對比Fig.2 Comparison of soil water content between black locust forestland and abandoned farmland in the two zones

2.2 兩種植被恢復(fù)土壤水分坡面變化趨勢

本文采用一元線性回歸的方式來探討和比較土壤水分沿坡面的變化趨勢，并采用線性回歸的斜率表示土壤水分沿坡面變化趨勢的程度。結(jié)果顯示，土壤水分含量沿坡底向坡頂皆呈現(xiàn)降低的趨勢。而且，在調(diào)查的兩個區(qū)域的人工刺槐林地坡和撂荒草地坡皆可發(fā)現(xiàn)降低的趨勢(圖3，圖4)。對于不同土層土壤水分而言，沿坡面的變化趨勢有不同表現(xiàn)。對撂荒草地坡而言，土壤水分沿坡底向坡頂?shù)淖兓S深度增加有增強(qiáng)的趨勢。如延安羊圈溝撂荒草地坡土壤水分在表層(20—60 cm和80—100 cm)沿坡面的變化斜率分別為-0.054和-0.239(R2= 0.00165,P<0.05)，而較深層(260—300 cm)的為-0.301(圖3)；長武縣燒盅灣撂荒草地坡有相似趨勢(圖4)。相反，人工刺槐林地坡的土壤水分含量沿坡面的變化趨勢有隨深度增加而減弱的趨勢。如長武縣燒盅灣人工刺槐林地坡土壤水分在表層(20—60 cm和80—100 cm)沿坡面的變化斜率分別為-0.178和-0.185 (R2= 0.472，P< 0.05)，而較深層(260—300 cm)的為-0.090(R2= 0.559，P<0.01)(圖4)，延安羊圈溝刺槐林地坡有相似的趨勢(圖3)。對比兩種恢復(fù)方式，總體上，兩個區(qū)域撂荒草地坡土壤水分沿坡面變化趨勢皆比人工刺槐林地坡更明顯(圖3，圖4)。對比兩個區(qū)域，長武縣燒盅灣撂荒草地坡土壤水分沿坡面的變化趨勢強(qiáng)于延安羊圈溝撂荒草地坡，而對于人工刺槐林地坡來講，土壤水分沿坡面的變化趨勢并沒有明顯的差異(圖3，圖4)。

圖3 延安羊圈溝刺槐林地和撂荒草地土壤水分沿坡面變化趨勢(由坡底向坡頂)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

圖4 長武燒盅灣刺槐林地和撂荒草地土壤水分沿坡面變化趨勢(由坡底向坡頂)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 討論

人工引入植被是黃土高原植被恢復(fù)與重建中的一種重要方式[6- 7,27]。然而，近年來，對于引入植被過度消耗并導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤水分虧缺的現(xiàn)象已有諸多報道[4,15,24]。一方面水分需求量高的人工引入植被(如刺槐)對土壤水分的過渡消耗將導(dǎo)致土壤干燥化，甚至永久性土壤干層的出現(xiàn)[9,28]。相比之下，作為一種自然生態(tài)恢復(fù)方式的撂荒草地，對土壤水分的影響更為積極。正如本研究所得結(jié)果，撂荒草地坡的土壤含水量顯著高于人工刺槐林地坡(表 2， 圖 2)。另一方面人工引入植被對土壤水分的過度消耗將對土壤水分的時空異質(zhì)性造成要影響。有研究表明，在植被恢復(fù)中采用高耗水的人工引入植被會擾亂土壤水分的空間結(jié)構(gòu)，甚至降低土壤水分的空間異質(zhì)性[2,24]。這在本研究中也有一定的體現(xiàn)，在所調(diào)查的兩個區(qū)域的坡面，人工刺槐林地坡的土壤水分的空間離散性(標(biāo)準(zhǔn)差)總是明顯低于撂荒草地坡(表 2， 圖 2)。事實上，土壤水分在多因子的影響下具有極大的時空異質(zhì)性，氣候(溫度、降雨等)，地形(坡向、坡度、坡位等)，土地利用/植被等對土壤水分的時空異質(zhì)性皆有重要影響[15- 16]。

其中，坡面(坡位)土壤水分的差異性是小流域尺度上土壤水分空間異質(zhì)性的重要組成部分。研究表明，自然狀態(tài)下，若坡面植被類型基本一致，土壤水分沿坡底到坡頂有降低的趨勢[18,22- 23]。形成該趨勢的原因可能是：一方面， 高坡位接受太陽輻射更多，溫度更高，蒸發(fā)量越大，導(dǎo)致土壤水分越低，另一方面，由于重力作用，降水及土壤水分由從高處向地處匯聚的趨勢[23]。然而，土地利用結(jié)構(gòu)的改變勢必會改變土壤水分的坡面變化趨勢。研究表明，在一個坡面上的多樣化的土地利用結(jié)構(gòu)會擾亂坡位對土壤水分差異的影響[18,24]?；诖耍狙芯吭诒ＷC其他地形因子(坡向、坡度等)相似的前提下，探討不同的植被恢復(fù)方式(人工和自然)對坡面土壤水分變化趨勢的影響。在所選的兩個小流域的兩種地類中，所得到的土壤水分沿坡面的變化趨勢總體上是一致的，即從坡底到坡頂呈現(xiàn)降低的趨勢(圖3，圖4)，這符合前人研究對于坡位對土壤水分影響的結(jié)論[18,22]，也說明了坡面/坡位對土壤水分影響趨勢的是客觀存在的。但是，在不同生態(tài)恢復(fù)的影響下，該趨勢表現(xiàn)了一定的差異性，而這些差異性正是說明了不同生態(tài)恢復(fù)方式對坡面土壤水分結(jié)構(gòu)的影響。首先，作為自然生態(tài)恢復(fù)方式的撂荒草地，符合自然的植被演替規(guī)律[11- 12]，在植被群落演替過程中，土壤水分將是氣候和植被共同作用的結(jié)果[1,29]，所以，撂荒草地所表現(xiàn)的土壤水分差異, 更能體現(xiàn)土壤水分的自然差異。例如本研究中，撂荒草地坡平均土壤水分是顯著高于人工刺槐林地的。而反應(yīng)在土壤水分坡面變化上，撂荒草地坡土壤水分沿坡底向坡頂?shù)淖兓厔莞鼮槊黠@(圖3，圖4)，且隨深度的增加，該趨勢加強(qiáng)。這應(yīng)該是與自然狀態(tài)下土壤水分坡面變化趨勢相一致的一種狀態(tài)。因此，撂荒草地在植被恢復(fù)中對土壤水分的積極意義不僅表現(xiàn)在對土壤含水量的恢復(fù)和保持，在土壤水分結(jié)構(gòu)的維持上也有積極的意義。相比之下，在人工刺槐林地坡土壤水分沿坡面變化趨勢明顯較弱(圖3，圖4)。對土壤水分的過度消耗不僅導(dǎo)致了土壤干燥化及虧缺，過低的土壤水分含量也導(dǎo)致其空間差異性的降低，本研究結(jié)果顯示人工刺槐林地坡差異性(標(biāo)準(zhǔn)差)較撂荒草地坡低(圖 2)，而這應(yīng)該是人工刺槐林地坡土壤水分沿坡面變化趨勢較弱的最直接的原因。從此意義上來講，人工刺槐林地應(yīng)該是削弱了地形因素對土壤水分的影響，改變土壤水分的自然狀態(tài)的空間變化趨勢，而這也應(yīng)該作為人工引入植被對土壤水文消極影響的一個重要體現(xiàn)。而且，本研究結(jié)果也顯示，人工刺槐林地坡土壤水分沿坡面的變化趨勢隨深度增加而變?nèi)?。如?60—300 cm深度，土壤水分沿坡面幾乎沒有太明顯的變化趨勢(圖3，圖4)。事實上，由于刺槐林地普遍具有深根系統(tǒng)，并通過根系提水，使得較深層土壤水分消耗量更大[2]，且難以得到雨水補(bǔ)充，導(dǎo)致較深層土壤水分下降更為明顯。人工刺槐林地降低土壤含水量的同時削弱了坡面/坡位對土壤水分的影響。這應(yīng)該也是人工林對土壤水分環(huán)境消極影響中不可忽略的一部分。此外，對比研究中的兩個區(qū)域相應(yīng)的坡面，人工刺槐林地間的差值為3.29%，而撂荒草地間的差值為5.91%(表 2)。人工刺槐林明顯降低了兩個區(qū)域的土壤水分差異，而且，總體上，長武縣燒盅灣撂荒草地坡土壤水分在各層的的坡面離散性(標(biāo)準(zhǔn)差)(圖2)皆高于延安羊圈溝撂荒草地坡；就坡面變化趨勢而言，長武縣燒盅灣撂荒草地坡土壤水分沿坡面變化趨勢也強(qiáng)于延安羊圈溝刺槐林地坡(圖3，圖4)。相比之下，人工刺槐林地坡土壤水分的坡面標(biāo)準(zhǔn)差及變化趨勢在兩個區(qū)域相差皆不明顯(圖2—圖4)。這說明土壤水分的過度消耗不僅降低了不同區(qū)域背景下的土壤含水量的差異，而且也降低了坡面/坡位對土壤水分影響的差異性。

通過以上分析，自然狀態(tài)下，坡面土壤水分的變化趨勢是客觀存在的。高耗水的人工刺槐林地不僅過度消耗了土壤水分，導(dǎo)致低土壤含水量，而且對土壤水分的坡面結(jié)構(gòu)或趨勢的影響是非常明顯的。這應(yīng)該也是人工刺槐林對土壤水分負(fù)面效應(yīng)的一個體現(xiàn)。相比之下，撂荒草地對于維持或恢復(fù)土壤水分的坡面變化趨勢上有更為積極的意義。

4 結(jié)論

不同恢復(fù)方式對土壤水文的影響是多方面的。人工刺槐林地不僅通過過度消耗土壤水分而降低了土壤含水量，使其顯著低于撂荒草地，而且，對土壤水分的空間結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生不可忽略的影響。本研究中，人工刺槐林地坡土壤水分坡面差異性總體上比撂荒草地坡低，說明人工刺槐林地坡削弱了土壤水分的差異性或降低了水分的異質(zhì)性。就土壤水分的坡面變化趨勢來講，撂荒草地土壤水分沿坡底到坡頂?shù)慕档挖厔莞鼮槊黠@，且隨深度增加呈現(xiàn)加強(qiáng)的趨勢，這應(yīng)該是與自然條件下土壤水分的坡面變化趨勢相符合的；相比之下，人工刺槐林地坡土壤水分的坡面變化趨勢較弱，而且土層越深，土壤水分的坡面變化趨勢越弱，人工刺槐林降低了土壤水分的坡面變化。因此，就土壤水分含量及其空間結(jié)構(gòu)的保持上來講，撂荒草地應(yīng)是比人工引入植被更為合理的植被恢復(fù)方式。這說明不合理的植被重建措施不僅會影響土壤水分儲量，而且會擾亂土壤水分的自然差異性。就土壤水分的坡面變化趨勢而言，作為植被重建時的基本單元，應(yīng)該充分考慮其水分變化及分布規(guī)律，合理選擇和配置植被，以達(dá)到控制侵蝕及水土保持的最大生態(tài)效益。

致謝：感謝位于延安羊圈溝村的黃土高原生態(tài)恢復(fù)與水土保持觀測研究站和位于長武縣的中國科學(xué)院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站為研究提供的支持和幫助。