退耕還林(草)對黃土高原不同土地利用方式下土壤剖面水分含量的影響

史君怡, 王國梁,2, 劉國彬,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

生態(tài)恢復(fù)是全球面臨的一個重要的環(huán)境問題，植被恢復(fù)與重建是人類治理退化生態(tài)系統(tǒng)的重要手段和內(nèi)容[1]，而土壤水分是干旱、半干旱地區(qū)植被建設(shè)及恢復(fù)的重要生態(tài)限制因素[2-3]。日本的宮脅昭早在20世紀(jì)70年代就在城市中進(jìn)行了環(huán)境保護(hù)林重建研究[4]；美國在羅斯福當(dāng)政期間便實施了“綠腰帶”工程；二戰(zhàn)后，蘇聯(lián)則提出了規(guī)模超過美國的“改造大自然計劃”；我國政府則自1995年起在黃土區(qū)實施了很多重要的林業(yè)生態(tài)工程，開展了黃土區(qū)生態(tài)環(huán)境改善和植被恢復(fù)工作[3]。隨著退耕還林(草)政策的實施，黃土高原地區(qū)植被總蓋度至2005年已達(dá)42.2%[5]。但受限于營造初期的林業(yè)科學(xué)認(rèn)知水平和對土壤水分這一“箍桶”效應(yīng)中的短板，在防護(hù)林營造和退耕還林還草工程建設(shè)過程中沒有充分考慮到黃土區(qū)水土資源的特點，在黃土區(qū)形成了較大面積的小老樹林和生產(chǎn)能力差的人工林，對植被修復(fù)和土壤水分環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)面影響[3,6-7]。

植物生長與土壤水分關(guān)系嚴(yán)重失調(diào)，使多年生人工林草地出現(xiàn)了土壤旱化，甚至當(dāng)土壤含水量降低到一定程度時，形成土壤干層[8]。人工林流域土壤基流減少或消失等典型現(xiàn)象，顯示了目前黃土區(qū)植被與土壤水分的“緊張關(guān)系”[3]。黃土高原土地資源利用方式呈現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)，不同土地利用類型的土壤含水量和空間變異情況有顯著差異[9-10]，充分認(rèn)識各種土地利用條件下土壤的水分狀況及其變化規(guī)律是有效利用土地資源的前提[11]。

雖然針對干旱半干旱地區(qū)植被建設(shè)對土壤水分影響相關(guān)研究并不少見，然而研究結(jié)果仍不盡一致，且均為小范圍研究，由于數(shù)量限制、研究本身的偶然性等原因，很難客觀評價區(qū)域植被恢復(fù)，尤其是大面積生態(tài)恢復(fù)的水文效應(yīng)，存在較大隨機(jī)性而缺少整合分析[12]。Meta分析為解決該問題提供了可靠方法。本文以黃土高原為研究對象，通過系統(tǒng)搜集相關(guān)文獻(xiàn)，研究退耕還林(草)工程下不同土地利用方式對土壤水分的影響，旨在為干旱半干旱地區(qū)土地合理利用和生態(tài)環(huán)境建設(shè)與發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

黃土高原指黃河中上游主要被黃土所覆蓋的地區(qū)，位于北緯33°41′—41°16′，東經(jīng)100°52′—114°33′。該區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為200～700 mm，總的趨勢是從東南向西北遞減。東南部為半濕潤區(qū)，年降雨量600～800 mm，年均氣溫8～14℃，干燥指數(shù)1.0～1.5；中部為半干旱區(qū)，年降水量400～600 mm，年均溫4～12℃，干燥指數(shù)1.5～2.0；西北部為干旱區(qū)，年降水量100～300 mm，年均溫2～8℃，干燥指數(shù)2.0～6.0。植被自東南向西北依次分布著暖溫帶落葉闊葉林帶的南部亞地帶和北部亞地帶，與溫帶草原地帶的森林草原、典型草原和荒漠草原3個亞地帶[13]。黃土高原土壤在地域上呈現(xiàn)出地帶性分布規(guī)律由東南向西北依次出現(xiàn)褐色土→黑壚土、黃綿土、灰鈣土→栗鈣土→棕鈣土→棕漠土→風(fēng)沙土等。

2000年，國家啟動了退耕還林(草)工程，即將坡度>25°坡耕地退耕還林(草)。部分耕地上進(jìn)行了造林種草，部分退耕地進(jìn)行了封育恢復(fù)。

2　文獻(xiàn)來源與研究方法

Meta分析是一種較高一級邏輯形式上的定量綜合研究結(jié)果的方法[14]。20世紀(jì)90年代后,Meta分析被引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究,并得到高度的重視和長足的發(fā)展[15]。

本文主要采用Meta分析和SPSS分析相結(jié)合的方法，對前人發(fā)表的相關(guān)獨立研究結(jié)果進(jìn)行定量合并分析。文獻(xiàn)主要來源有：維普中文科技期刊、中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫、萬方數(shù)字化期刊全文數(shù)據(jù)庫、中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫、中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫、SpringerLink、SDOL、SCI科學(xué)引文索引數(shù)據(jù)庫。文獻(xiàn)篩選條件見表1。

表1　文獻(xiàn)檢索標(biāo)準(zhǔn)

利用Meta分析，效應(yīng)值計算公式為：

(1)

式中:Xe為試驗組值，表示退耕還林(草)后土壤水分含量；Xc為來自于同一文獻(xiàn)中與Xe對應(yīng)的對照組值，表示農(nóng)耕地土壤含水量。合并分析效應(yīng)值前，采用卡方檢驗法進(jìn)行異質(zhì)性檢驗。經(jīng)檢驗，本文選用固定模型進(jìn)行結(jié)合效應(yīng)值計算。計算后，若合并效應(yīng)量的95%置信區(qū)間包含0，則表明效應(yīng)合并量與0的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，即試驗組與對照組差異無統(tǒng)計學(xué)意義；否則，則表明效應(yīng)合并量與0的差異有統(tǒng)計學(xué)意義，即試驗組與對照組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義。若結(jié)合效應(yīng)值>0，則植被建設(shè)對土壤水分含量有增加效應(yīng)；結(jié)合效應(yīng)值<0，則植被建設(shè)對土壤水分有降低效應(yīng)[12]。

通過嚴(yán)格篩選，本項研究共搜集到黃土高原地區(qū)62篇符合上述條件的文獻(xiàn)作為再分析和研究的對象。其中草原區(qū)15篇、森林草原區(qū)33篇、森林區(qū)18篇(其中有兩篇文獻(xiàn)此3個區(qū)都有研究)(圖1)。

圖1　黃土高原分區(qū)與研究樣點分布

3　黃土高原區(qū)劃

根據(jù)李銳等[13]的植被區(qū)劃分界線，將該區(qū)劃分為草原大區(qū)、森林草原大區(qū)和森林大區(qū)(圖1)，并將草原區(qū)劃分為典型草原亞區(qū)和荒漠草原亞區(qū)。森林—森林草原分界線：位于黃土高原東南部，東起山西省靈丘，南下紫金山，向西南過黃河，南沿清水、天水，向西北過彰縣，抵達(dá)曲界一線以南地區(qū)；森林草原—草原分界線：東起山西大同南部，經(jīng)偏關(guān)、河曲至陜西北端，西至甘肅隴中止于循化；典型草原亞區(qū)和荒漠草原亞區(qū)分界線：北起內(nèi)蒙古包頭市，沿西南行經(jīng)庫布齊沙漠東南部和鄂托克旗，止于蘭州及以西區(qū)界。本文草原區(qū)只研究典型草原亞區(qū)，不涉及荒漠草原亞區(qū)。根據(jù)3個分區(qū)的降雨量、氣溫、蒸發(fā)量、干燥度指數(shù)等數(shù)據(jù)，3個分區(qū)分布對應(yīng)于干旱、半干旱、半濕潤區(qū)。

4　結(jié)果與分析

根據(jù)植被根系分布特征和降雨對土壤含水量影響深度特征，將坡耕地退耕為草地分0—20，20—40，40 cm以下3個層次；退耕為灌木林分0—20，20—40，40—60，60 cm以下4個層次；退耕為喬木林分0—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下6個層次。

4.1　典型草原亞區(qū)退耕還林(草)對土壤水分的影響

典型草原亞區(qū)坡耕地退耕為草地，原坡耕地平均含水量為11.97%，轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾鬄?0.82%，顯著降低9.64%。隨土層深度增加，原坡耕地和退耕草地土壤含水量均呈降低趨勢；其中0—20，20—40 cm土壤含水量無顯著變化，但40 cm以下土層土壤水分顯著降低17.23%，和原坡耕地對應(yīng)土層相比，隨土層深度增加，土壤含水量降低效應(yīng)增大。

坡耕地退耕為灌木地，原坡耕地平均含水量為11.97%，轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄镜睾鬄?0.66%，顯著降低14.67%。隨土層深度增加，原坡耕地和退耕灌木地土壤含水量呈降低趨勢；其中0—20，20—40，40—60 cm土壤含水量無顯著變化，但60 cm以下土壤水分顯著降低31.19%，與原坡耕地對應(yīng)土層相比，60 cm以下土壤含水量降低效應(yīng)最大，40—60 cm降低效應(yīng)最小。

坡耕地退耕為喬木地，原坡耕地平均含水量為11.10%，轉(zhuǎn)變?yōu)閱棠镜睾鬄?.97%，顯著降低19.20%。隨土層深度增加，喬木地土壤含水量呈減小趨勢；其中0—20 cm土層土壤含水量無顯著變化，但20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下各層土壤水分顯著降低15.65%，18.09%，19.94%，23.09%，35.35%，與原坡耕地對應(yīng)土層相比，隨土層深度增加，土壤含水量的降低效應(yīng)呈增加趨勢。

由上可知，退耕還林使得該區(qū)土壤含水量總體均顯著下降，且建設(shè)為喬木林下降幅度最大，而建設(shè)為草地下降幅度最小，和胡江波[16]、馬祥華[17]等研究一致，該區(qū)年降雨量小，氣候干燥，降雨對土壤水分補(bǔ)充困難，因而該區(qū)植被生長適宜性為：草地>灌木>喬木，草原區(qū)不宜建設(shè)喬木、灌木林，以恢復(fù)小耗水量草本為主。同坡耕地相比，人工林、草地雖減小土壤蒸發(fā)和地表徑流,但增加了植被蒸騰和截留蒸發(fā),總耗水量增加,土壤含水量降低，加劇土壤干燥化[18]，黃土高原土壤水分含量為降低型[19]，農(nóng)地土壤含水量較高[20]，退耕后生物量變大，地表結(jié)皮增加，入滲減少，土壤含水量降低。

表2　典型草原亞區(qū)退耕還林(草)對土壤水分影響的基本特征

注：S為標(biāo)準(zhǔn)差，D是各個研究效應(yīng)的加權(quán)平均，Du是95%置信區(qū)間上限，Dl是95%置信區(qū)間下限，下表同。

注：*為土壤水分變化效應(yīng)顯著，ns為不顯著，下圖同。

圖2典型草原亞區(qū)坡耕地退耕為喬、灌、草土壤剖面水分變化

4.2　森林草原區(qū)退耕還林(草)對土壤水分的影響

森林草原區(qū)坡耕地退耕為草地，原坡耕地平均含水量為12.83%，轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾鬄?.28%，顯著降低27.69%。隨土層深度增加，退耕草地土壤含水量均呈降低趨勢；其中0—20，20—40，40 cm以下各層土壤水分分別顯著降低20.96%，26.78%，34.50%；和原坡耕地對應(yīng)土層相比，隨土層深度增加，土壤含水量降低效應(yīng)增大。

坡耕地退耕為灌木地，原坡耕地平均含水量為11.80%，轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗄镜睾鬄?.32%，顯著降低29.45%。隨土層深度增加，退耕灌木地土壤含水量均呈降低趨勢；其中0—20，20—40，40—60，60 cm以下土壤水分分別顯著降低13.46%，25.30%，38.16%，38.72%；和原坡耕地對應(yīng)土層相比，隨土層深度增加，土壤含水量降低效應(yīng)增大。

坡耕地退耕為喬木地，原坡耕地平均含水量為11.80%，轉(zhuǎn)變?yōu)閱棠镜睾鬄?.68%，顯著降低34.93%。其中0—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下土壤水分分別顯著降低19.98%，34.58%，35.56%，38.92%，39.04%，41.08%；和原坡耕地對應(yīng)土層相比，隨土層深度增加，土壤含水量整體降低效應(yīng)增大。

由上可知，退耕還林(草)使該區(qū)土壤水分總體呈降低趨勢且建設(shè)為喬木林下降幅度最大。該區(qū)不宜大面積恢復(fù)喬木林，可在溝道、陰坡下部等恢復(fù)喬木林，以營造草灌混交林為主。

表3　森林草原區(qū)退耕還林(草)對土壤水分影響的基本特征

圖3　森林草原區(qū)坡耕地退耕為喬、灌、草土壤剖面水分變化

4.3　森林區(qū)退耕還林(草)對土壤水分的影響

森林區(qū)坡耕地退耕為草地，原坡耕地平均含水量為16.12%，轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾鬄?6.06%，土壤含水量無顯著變化。其0—20，20—40，40 cm以下土壤水分均無顯著變化；和原坡耕地對應(yīng)土層相比，40 cm以下土壤含水量降低效應(yīng)最大，0—20 cm土壤含水量呈增加效應(yīng)。

坡耕地退耕為灌木地，原坡耕地平均含水量為15.80%，轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾鬄?4.79%，土壤含水量無顯著變化。其中0—20，20—40，40—60，60 cm以下土壤水分均無顯著變化；和原坡耕地對應(yīng)土層相比，20—40 cm土壤含水量降低效應(yīng)最大，40—60 cm土壤含水量降低效應(yīng)最小。

坡耕地退耕為喬木地，原坡耕地平均含水量為16.67%，轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾鬄?7.54%，土壤含水量無顯著變化。其中0—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下各土層土壤含水量均無顯著變化；和原坡耕地對應(yīng)土層相比，0—20 cm土壤含水量呈降低效應(yīng)，其余各層均增加，且80—100 cm增加效應(yīng)最明顯。

由上可知，退耕還林(草)對該區(qū)土壤水分未發(fā)生顯著影響，可滿足喬灌草植被生長，因此該區(qū)可營造喬灌草復(fù)合型植被。加以考慮植被氣候分區(qū)，水分不是該區(qū)植被恢復(fù)的限制因素，森林具有更好的水源涵養(yǎng)和固持水土功能，因而最好恢復(fù)為森林，但鑒于黃土高原地區(qū)蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于降雨量的氣候特點，應(yīng)選擇低耗水樹種且造林密度不宜過大，使得土壤水分實現(xiàn)良性循環(huán)利用。

表4　森林區(qū)退耕還林(草)對土壤水分影響的基本特征

圖4　森林區(qū)坡耕地退耕為喬、灌、草土壤剖面水分變化

4.4　退耕還林(草)對不同分區(qū)和不同土地利用方式下土壤水分的影響

土地的不同利用方式會改變土壤性質(zhì)和植被對地表的覆蓋，從而影響土壤含水量[20]。草原區(qū)和森林草原區(qū)，草地和喬木地土壤含水量具有顯著差異，而森林區(qū)灌木地和喬木地具有顯著差異(表5)，這可能是由于草原區(qū)和森林草原區(qū)降雨量小蒸發(fā)量大，喬木大量蒸騰耗水，消耗土壤水分；森林區(qū)，降雨量足夠喬木生長且其充分發(fā)揮了截留降水、涵養(yǎng)水源作用，而灌木相較草本蒸騰量大，相較喬木又保持水分效應(yīng)差，因而其消耗土壤水分最大。

表5　不同土地利用方式土壤水分差異比較

注：表中字母不同代表差異性顯著，字母相同代表差異性不顯著。

表6　不同分區(qū)土壤水分差異比較

注：表中字母不同代表差異性顯著，字母相同代表差異性不顯著。

5　討論與結(jié)論

5.1　討 論

(1) 在草原區(qū)和森林草原區(qū)，隨深度增加土壤含水量呈下降趨勢，這和尹光彩[21]、王孟本[22]等研究結(jié)果一致，這可能是由于隨著自然群落的演替和發(fā)育，枯枝落葉或腐殖質(zhì)增多，改良了表面土壤，蓄水能力加強(qiáng)，表層水分得到恢復(fù)[23]；但是森林區(qū)研究結(jié)果與此相反，地表土壤含水量相對較低，后呈增加趨勢，這和宋娟麗[24]等對黃土高原南部刺槐林的研究結(jié)果一致。在不同分區(qū)，出現(xiàn)這種差異，可能是由于氣候條件和土壤導(dǎo)致的。土壤顏色越深，吸收熱量越多，溫度越高，蒸發(fā)量越大[25]，根據(jù)有關(guān)參考資料，黃土、棕土和黑土的蒸發(fā)量分別比白土大7%，19%和32%[26]。根據(jù)前文所敘述的區(qū)劃信息，森林區(qū)以褐色土和黑壚土為主，蒸發(fā)量大，導(dǎo)致地表土壤含水量低。

(2) 本文研究3個分區(qū)均為喬木林100 cm以下深度的土壤含水量值最低、波動范圍最小，這和余雷等[25]研究結(jié)果一致。這可能是由于隨著群落演替，植物大部分是深根系，通過吸收更深層的水分來維持生長，深層土壤水分逐漸消耗[23]，造成土壤干燥化程度加深，而該區(qū)小量降雨無法補(bǔ)充深層水分虧缺，長此以往，可能導(dǎo)致土壤干層的出現(xiàn)[27]。

(3) 本研究的3個分區(qū)，森林草原區(qū)土壤含水量最小且3個分區(qū)相互之間土壤含水量均有顯著差異，這和張哲等[28]的研究結(jié)果一致。植被恢復(fù)導(dǎo)致土壤水分變化與地域緊密相關(guān)，退耕還林(草)在不同分區(qū)恢復(fù)植被類型不同，且造成土壤水分變化不同，濕潤地區(qū)退耕還林(草)反而可能增加土壤水分。

5.2　結(jié) 論

(1) 草原區(qū)不宜建設(shè)喬木、灌木林，以恢復(fù)小耗水量草本為主。森林草原區(qū)不宜大面積恢復(fù)喬木林，可在溝道、陰坡下部等恢復(fù)喬木林，以營造草灌混交林為主。森林區(qū)可營造喬灌草復(fù)合型植被，最好恢復(fù)為森林，但應(yīng)選擇低耗水樹種且造林密度不宜過大，使得土壤水分實現(xiàn)良性循環(huán)利用。

(2) 3個分區(qū)均為喬木林100 cm以下深度的土壤含水量值最低、波動范圍最小，森林草原區(qū)土壤含水量最小且3個分區(qū)相互之間土壤含水量均有顯著差異。

在進(jìn)行植被恢復(fù)、林地建設(shè)工程時，應(yīng)根據(jù)氣候和土壤因地制宜選擇適生植物，不可一味求林，做到適地適樹，合理發(fā)展；同時，注意涵養(yǎng)水源，實施好水土保持措施，提高水分利用效率。

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