晉西黃土區(qū)土壤理化特征對長期植被恢復的響應

于 航,馮天驕,衛(wèi) 偉,王 平,*

1 北京林業(yè)大學水土保持學院,北京 100083 2 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站,吉縣 042200 3 中國科學院生態(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

黃土高原是我國具有代表性的生態(tài)脆弱區(qū)之一[1],也是中國北方一個重要的生態(tài)環(huán)境區(qū)域,但隨著長期的放牧、山地開墾、礦產(chǎn)開采,水土流失問題及環(huán)境條件使植物生存和生長面臨嚴峻考驗[2],為緩解該地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題,長期以來大規(guī)模實施的植被恢復和退耕還林還草工程[3],有效地遏制了黃土高原地區(qū)嚴重的水土流失問題[4]。目前,對黃土高原的生態(tài)修復已有多種途徑。一種是改變土地利用方式,鼓勵農(nóng)民將土地利用從種植作物向種植灌木或草本植物過渡,土地利用方式的轉變使當?shù)氐乃Y源得到保護,而且能夠增加區(qū)域生態(tài)多樣性[5]。另外,植樹造林[6]也是黃土高原進行生態(tài)修復的重要策略。種植樹木能夠增加區(qū)域植被覆蓋率,減少水土流失,產(chǎn)生較大的生態(tài)效益。此外,施肥、秸稈還田、茅草條作為植物肥料、土壤微生物活性調(diào)控等各種技術手段、大面積修復水土流失的生態(tài)工程都可以被用來修復黃土高原的生態(tài)環(huán)境[7—8]。其中需要注意的是黃土高原的生態(tài)修復是一個長期過程,需要多方共同合作、長期撫育和管理來實現(xiàn)黃土高原地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

森林生態(tài)系統(tǒng)中天然林和次生林下土壤理化性質(zhì)存在明顯差異,這與林分中生物多樣性[9]、土壤養(yǎng)分特征[10]、土壤水分狀況[11]等有關。多數(shù)研究表明[10,12—13],天然林在保護和改善土壤質(zhì)量上的效果通常優(yōu)于人工林。但人工林的建立對于初始土壤質(zhì)量差、生態(tài)系統(tǒng)功能低下的地區(qū)仍然有其重要價值[12]。在森林正向演替的過程中,天然林土壤容重不斷減少,土壤孔隙度明顯改善,為土壤保存養(yǎng)分提供良好空間,魏強等[14]在對甘肅興隆山6種森林類型的演替過程研究中發(fā)現(xiàn),相比天然林演替過程中土壤變化特征,人工林土壤物理性質(zhì)出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象。天然林中由于不是與人工林類似的單一樹種生長,生物多樣性豐富,可以更好的促進養(yǎng)分循環(huán)。李裕元等[13]在對子午嶺天然林和人工林群落特征比較中表明,天然林在喬木層和灌木層具有較高的物種多樣性。不同立地類型下的林分生物多樣性直接影響土壤微生物多樣性,從而間接影響土壤全氮、銨態(tài)氮、全鉀等含量的變化[15]。人工林由于單一樹種種植,土壤微生物多樣性可能會下降,從而影響土壤肥力。在土壤水分方面,天然林由于樹木種類繁多,根系分布廣泛,更有助于水分的保留和植物的吸收[11]。Chouangthavy Bounsanong等[16]在對老撾甲蟲群落的大規(guī)模取樣研究中發(fā)現(xiàn),天然林轉變?yōu)槿斯ち謱е铝宋锓N豐富度和多度的下降。 不同林分在森林群落的恢復和演變過程中,由于森林種類和它們所在的地理環(huán)境及生物的差異,森林與土壤之間的相互影響表現(xiàn)出很大的復雜性。

20世紀90年代初期,國內(nèi)外研究[17—18]關于生態(tài)修復過程中土壤改良效益處于探索階段,當時土壤養(yǎng)分對植被恢復的響應方面研究并沒有引入多種土壤組份和物理性質(zhì)來進行分析。隨著學科技術水平和土壤檢測技術手段的發(fā)展,2000年謝寶平等[19]在華南嚴重侵蝕地植被恢復對土壤條件影響的研究中引入了對土壤質(zhì)地、容重及孔隙度的土壤物理性質(zhì)方面的討論?，F(xiàn)階段,各項研究逐步將土壤養(yǎng)分和土壤物理性質(zhì)進行相關性的研究,植被恢復對土壤養(yǎng)分和土壤物理性質(zhì)的研究集中于不同尺度、不同土壤條件、不同生境類型上,姜麗娜等[20]研究揭示了半干旱區(qū)內(nèi)不同植被恢復類型下土壤理化性質(zhì)的變化,李鵬飛等[21]在黃土高原礦區(qū)中明晰了生態(tài)脆弱地區(qū)不同植被恢復類型中土壤理化性質(zhì)等的重要性和變化趨勢。多數(shù)研究探究植被群落與土壤理化性質(zhì)間的量化關系,為植被修復及土壤理化性質(zhì)的發(fā)展提供基礎保障,綜合目前關于黃土高原殘塬溝壑區(qū)的相關研究進展,通過對脆弱生態(tài)系統(tǒng)重建任務的探索,植被恢復是實踐中重要的生態(tài)恢復手段[22—23]。當前在長期大規(guī)模植被恢復背景下,長時間視角下的植被恢復如何調(diào)控土壤生態(tài)功能,以及不同植被恢復方式條件下的土壤性質(zhì)變化需要進一步探索和明晰,土壤化學計量和土壤物理性質(zhì)間相互影響機制有待深入研究。在長期對于土壤養(yǎng)分和土壤物理性質(zhì)的不斷探索中,許多研究[24—25]一直認為土壤養(yǎng)分是在顯著增多的,但是養(yǎng)分增多的范圍和閾值問題不明確,結合以上提出的關于土壤理化性質(zhì)與植被修復相應方面的不足,本研究以黃土殘塬區(qū)4種典型植被恢復類型樣地(遼東櫟次生林樣地、側柏樣地、油松樣地、刺槐樣地)土壤為對象,以為期12年的時間長度,分別在2006年、2012年、2017年進行土壤取樣來開展土壤理化性質(zhì)監(jiān)測和分析,探討土壤理化性質(zhì)不同年份的變化趨勢及多因子間的相互作用,揭示不同植被恢復類型和不同土壤深度對土壤性質(zhì)的影響,闡明土壤養(yǎng)分與土壤物理屬性的關系,以加強理解黃土高原地區(qū)不同植被恢復類型中土壤理化性質(zhì)變化特征,并為該地區(qū)增強生態(tài)恢復效果、提升生態(tài)系統(tǒng)服務提供科學依據(jù)。

1 試驗地概況

本次試驗地位于山西省吉縣蔡家川流域的森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(110°27′ —111°07′E,35°53′ — 36°21′ N),研究站地處黃河中游黃土高原東南部半濕潤地區(qū),為典型的黃土高原殘塬溝壑區(qū)和梁狀丘陵溝壑區(qū),海拔在900—1560 m,年均氣溫10℃,日照時間年均2563.8 h,年平均降雨量為579.5 mm,普遍分布的土壤類型為褐土,黃土母質(zhì),土層深厚,土質(zhì)均勻。山西吉縣自1992年施行退耕還林還草活動以來,林草覆蓋面積顯著增加,水土流失狀況逐漸好轉,生態(tài)環(huán)境顯著改善。主要喬木類型有自然恢復的遼東櫟(QuercuswutaishanicaMayr) 、山楊 (Populusdavidiana) 等,人工的刺槐 (RobiniapseudoacaciaL.) 、油松(PinustabuliformisCarr.) 、側柏(Platycladusorientalis)等純林以及油松×刺槐、刺槐×側柏等混交林。研究區(qū)概況及樣地見圖1所示。

圖1 黃土高原研究區(qū)概況及樣地示意圖Fig.1 General situation of the Loess Plateau research area and schematic diagram of sample plot

2 研究方法

2.1 樣品采集和數(shù)據(jù)收集方法

基于2006年5月對流域調(diào)查的結果,篩選了具有代表性的遼東櫟次生林、刺槐、油松和側柏林地,作為本研究的植被恢復類型,以進行觀測樣地,不同植被恢復類型林分恢復年限及林齡相同。在每個植被恢復類型研究樣地面積內(nèi)(表1),選擇了分散的5處20 m × 20 m樣方,選擇的樣方相距較遠,坡度相近且坡向為陰坡,植被恢復年限相近的,排除坡位、坡向和恢復年限等對土壤性質(zhì)的干擾。野外土樣采樣分別于2006年5月、2012年5月、2017年5月進行,在不同年份,不同樣方內(nèi)均采用對角線法選取5個樣點進行土壤取樣。分別在0—10 cm,10—20 cm,20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm和80—100 cm的6個土層進行樣品采集和分析,共1800個土樣。將土壤樣品帶回實驗室,進行土壤有機碳、全氮、全鉀、全磷、pH值、容重、砂粒、黏粒和粉粒的分析檢驗。

表1 樣地基本概要Table 1 Basic information of the research sites

2.2 土壤理化指標的測定方法

土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定,土壤全氮采用半微量凱氏法測定,土壤全磷采用HClO4-H2SO4法測定,土壤全鉀采用氫氧化鈉熔解、火焰光度法測定,土壤pH值采用電位法測定,土壤容重采用環(huán)刀法測定,土壤機械組成采用比重計速測定[26]土壤機械組成中粒度的劃分方法采用國際制的土壤顆粒分級標準,將土壤顆粒組分劃分為砂粒(2.0—0.02 mm)、粉粒(0.02—0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)[27]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

研究采用Excel 2019 軟件對數(shù)據(jù)進行整理、IBM SPSS Statistics 26軟件采用描述性統(tǒng)計和單因素方差分析對數(shù)據(jù)進行處理,檢驗不同植被類型、相同年份間植被恢復類型土壤理化性質(zhì)的顯著性差異及相同植被類型不同年份間植被恢復類型土壤理化性質(zhì)的顯著性差異(P<0.05),單因素方差分析的事后檢驗采用LSD法。使用Canoco5進行冗余分析。相關數(shù)據(jù)采用平均值±標準差(mean±SD)來表示,利用Origin 2021軟件,R軟件繪圖。

3 結果與分析

3.1 不同植被恢復類型0—100 cm土壤性質(zhì)的年際變化

土壤有機碳含量、全氮含量在四種植被恢復類型中均表現(xiàn)為先上升后下降,2006年、2017年土壤有機碳含量在同一年份不同樣地間均具有顯著相關性(圖2),土壤有機碳含量、土壤全氮含量均為遼東櫟>油松>側柏>刺槐。土壤全磷含量、全鉀含量,兩種元素的含量都表現(xiàn)為先下降后上升,四種植被恢復類型在不同年份的含量具有顯著相關性,兩種元素在同一種年份不同樣地間不具備穩(wěn)定的相關性。四種樣地中僅刺槐樣地的鉀元素含量比2006年測定的高,2017年的土壤全磷含量在四種樣地中均高于2006年。土壤全磷含量為油松>刺槐>遼東櫟>側柏,土壤全鉀含量為刺槐>遼東櫟>油松>側柏。不同年份的植被恢復類型土壤pH值不顯著。

圖2 不同植被恢復類型0—100 cm土壤性質(zhì)的年際變化Fig.2 Interannual changes of soil properties from 0 to 100cm for different vegetation restoration types圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準差;不同大寫字母代表相同年份不同樣地間顯著差異(P<0.05);不同小寫字母代表不同年份相同樣地間顯著差異(P<0.05)

遼東櫟次生林的土壤容重在林分生長過程中總體呈現(xiàn)下降趨勢,其余三種植被恢復類型的土壤容重有所上升。土壤粉粒在所有樣地都有所上升,土壤砂粒顯著關系不明顯,土壤黏粒在遼東櫟次生林樣地、側柏樣地中先下降再上升,刺槐樣地的土壤黏粒則一直上升,油松樣地先上升再下降。遼東櫟、側柏、刺槐三種植被恢復類型,比起2006年、2012年土壤砂粒,在2017年顯著下降,本研究中的油松樣地的土壤黏粒含量并未表現(xiàn)出下降趨勢,土壤砂粒在2012年顯著增加后明顯下降,比2006年低65.62%。

3.2 不同植被恢復植被類型土壤性質(zhì)的垂直深度變化規(guī)律

不同土壤深度中土壤性質(zhì)變化規(guī)律(表2)的結果顯示,土壤全氮含量表現(xiàn)為明顯的表層聚集性,0—10 cm的全氮含量最高,隨著土層深度的增加,全氮含量逐漸降低,但在刺槐樣地和遼東櫟次生林樣地80—100 cm的土層中,全氮含量依舊較高,其含量分別為0.44 g/kg、0.86 g/kg。不同樣地下全磷含量隨土層深度的變化不明顯。側柏樣地、刺槐樣地中0—10 cm的土壤全鉀含量最低,相較0—10 cm的其他土層含量明顯升高。油松樣地、側生林樣地各土層的土壤全鉀含量變化不明顯,鉀素穩(wěn)定存在各層土壤中。土壤有機碳含量與土壤全氮含量表現(xiàn)相同,具有表層聚集特征,表層0—10 cm的有機碳含量明顯高于其他深度,并且各植被恢復類型樣地中隨土層深度的增加,土壤有機碳含量逐漸降低。

表2 四種植被恢復類型不同土壤深度中土壤性質(zhì)變化規(guī)律Table 2 Changes of soil properties in different soil depths of four Planting vegetation restoration types

土壤pH值隨土層深度的增加變化不明顯,其中油松樣地60—80 cm的土壤pH值最高(9.37),側柏樣地0—10 cm的土壤pH值最低(7.93)。側柏林地20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm的土壤容重顯著低于0—10 cm、10—20 cm土層。總體來看,刺槐樣地、油松樣地、遼東櫟次生林樣地的土壤容重隨著土層深度的增加而增加,除側柏樣地外,各樣地中不同土層土壤容重變化并不具備規(guī)律性,土壤容重僅隨土壤深度的增加逐漸增加。四種植被恢復類型的土壤機械組成中以砂粒土為主,粉粒土與黏粒土共占20%左右。土壤機械組成隨土壤深度變化的趨勢不明顯,各土層的砂粒、粉粒、黏粒占比不規(guī)則。

3.3 植被恢復過程中土壤性質(zhì)的相互關系

圖3分別為2006年、2012年、2017年土壤各因子間的相關性矩陣,2006年土壤內(nèi)各因子相互關系以正相關關系為主。通過植被修復,土壤全氮與土壤全磷、土壤全鉀、土壤容重,土壤有機碳與土壤容重均從植被恢復前期的顯著正相關關系轉變?yōu)轱@著負相關關系,土壤砂粒與土壤全鉀、土壤pH,土壤黏粒和土壤全氮、土壤有機碳均從植被恢復前期不顯著關系轉變?yōu)轱@著關系。

圖3 植被恢復過程中不同年份土壤性質(zhì)的相關性分析矩陣Fig.3 Correlation analysis of soil properties in different years during vegetation restorationTN:土壤全氮; TP:土壤全磷; TK:土壤全鉀; SOC:土壤有機碳; pH:土壤pH值; SBD:土壤容重; Sand:土壤砂粒;Silt:土壤粉粒;Clay:土壤黏粒

圖4為遼東櫟次生林樣地、側柏樣地、刺槐樣地、油松樣地2006年、2012年、2017年所測定土壤數(shù)據(jù)綜合的冗余分析和土壤物理性質(zhì)及pH對土壤養(yǎng)分的貢獻度。圖5為四種樣地的主成分分析圖,PC1和PC2的貢獻值分別為33.6%和17.0%,四組中遼東櫟次生林樣地和其他三組存在顯著差異,側柏樣地、刺槐樣地、油松樣地相互不存在顯著差異,圖中向量長短代表差異貢獻,方向為與主成分的相關性。PC2的差異主要由土壤黏粒和土壤砂粒貢獻。PC1的變異主要來自于其他成分的共同影響,土壤有機碳、土壤全氮與土壤全鉀、土壤全磷、土壤容重、土壤粉粒間存在負相關性,土壤砂粒和土壤黏粒間存在負相關性。從統(tǒng)計貢獻度來看,土壤pH值對PC1和PC2的影響并不顯著。土壤pH在PC1和PC2中的貢獻度較小,在主成分分析的前兩個維度中,土壤pH值并不是主導變量,PC1和PC2并不能充分表示土壤pH值的變動趨勢,這可能表明土壤pH值與PC1所表示的環(huán)境或生物過程相對獨立。土壤有機碳、土壤全氮、土壤pH值間存在正相關性,土壤全鉀、土壤全磷、土壤容重、土壤粉粒間存在正相關性。研究結果表明,植被恢復類型中土壤理化性質(zhì)間相互作用。由相關性分析、主成分分析、冗余分析可知,植被恢復過程中物理性質(zhì)和化學性質(zhì)相互影響,由最初不能提供植物良好生長養(yǎng)分需求及空間的土壤條件關系向利于其二者的相互關系轉變。

圖4 四種植被恢復類型土壤性質(zhì)的冗余分析Fig.4 Redundant analysis of soil properties for different vegetation restoration types

圖5 不同植被恢復類型土壤性質(zhì)的主成分分析Fig.5 Principal component analysis of soil properties of different vegetation restoration types

4 討論

4.1 長期植被恢復過程中土壤性質(zhì)的時空變化特征

2006—2012年土壤養(yǎng)分、土壤容重、土壤機械組成的變化趨勢都明顯高于2012—2017年。以遼東櫟次生林樣地的土壤全氮含量為例,2006—2012年升高1.38 g/kg,而2012—2017年下降1.33 g/kg,2006—2017年增加0.04 g/kg,土壤養(yǎng)分整體上是增加的。本研究發(fā)現(xiàn)長期植被恢復過程中土壤各性質(zhì)的變化并不是連續(xù)的,而是當某一因子的數(shù)量到達一定數(shù)值時會向相反方向變化,這可能是由于黃土高原地區(qū)水土流失[28]、水資源短缺,時空分布不均[29]、土壤侵蝕[30]、植被退化問題嚴重[31],植被恢復初期有效緩解了黃土高原地區(qū)的土地壓力,短期內(nèi)土壤性質(zhì)變化顯著,隨著演替的進行,林地內(nèi)其他灌草植物遷入,土壤養(yǎng)分供給大量植物生長,并且逐漸趨于正常范圍內(nèi),由此表明,2006年開始進行植被恢復之后,不同植被恢復類型對于土壤的改良都表現(xiàn)為良好。把握植被恢復過程中各因子變化規(guī)律至關重要,掌握土壤各因子的動態(tài)變化,及時調(diào)整植被恢復過程中所需的人為干擾,提高植被恢復效率。

植被恢復過程中,由于不同樹種所提供的根系分泌物、地表覆蓋物、地表植被群落組成均不相同,導致土壤的化學性質(zhì)經(jīng)過長期的植被恢復后,與植被恢復初期存在一定的差異。此前許多研究[32—33]證明植被恢復對土壤化學性質(zhì)的影響是顯著的,不同植被類型對土壤化學元素含量起到提升或降低的作用。本研究對比長期不同植被恢復下的土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀含量發(fā)現(xiàn),以遼東櫟次生林為例,其林下有機碳含量增長最多,相比其他林地,遼東櫟次生林樣地中不同土層下土壤有機碳含量表現(xiàn)良好,土壤有機質(zhì)的含量依次為遼東櫟次生林>油松>側柏>刺槐。遼東櫟次生林提供的落葉豐富且易分解,改善土壤有機質(zhì),促進團粒結構的生成,加之遼東櫟次生林樣地為天然恢復的喬木植被,其生物多樣性水平豐富、群落穩(wěn)定性高[34],刺槐樣地與之相比,不論是有性繁殖還是無性繁殖,在無人工輔助的近自然條件下均表現(xiàn)不良,黃土高原人工刺槐林群落穩(wěn)定性較差,具體表現(xiàn)為群落結構簡單、更新差、土壤含水率低、土壤養(yǎng)分恢復水平低[35]。不同植被在恢復過程中的土壤有機碳含量都有顯著上升,本研究區(qū)域與以往研究植被恢復過程中土壤養(yǎng)分變化的其他生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),如青藏高原東南緣高寒區(qū)[36]、喀斯特地貌[37]等區(qū)域的研究結果一致。在不同植被恢復類型中,各林地的其他土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)不同,全氮含量與有機碳含量一致,全磷含量為油松>刺槐>遼東櫟次生林>側柏,土壤全鉀含量為刺槐>遼東櫟次生林>油松>側柏,這可能是由于不同樹種對于元素的需求各異,進而對不同林分下土壤養(yǎng)分的改良不同。在不同林地的土壤中,垂直方向上的土壤全氮含量具有明顯的表聚性,各土層的養(yǎng)分含量隨土層深度的增加而減少,但這一特點在全磷、全鉀含量上并不適用,不同樣地下全磷含量隨土層深度的變化不明顯,這與馮天驕等[38]對隴東黃土區(qū)坡面整地和植被恢復類型對土壤化學性質(zhì)的影響研究結果一致,即磷元素在土壤中的移動性較弱,不易隨著雨水淋溶或者土壤水分下滲,從而使土壤中全磷含量在各土層中變化不大。黃土高原屬于半濕潤半干旱地區(qū),降水較少,氣候較為干燥,由于土壤中大部分鉀素不易被植物吸收利用,并且干旱少雨地區(qū)的鉀素不易被淋失消耗,故大量的被保存在土壤中。

由于生存地域、氣候條件、人為活動的分異,土壤各性質(zhì)有較強的時空異質(zhì)性,土壤理化性質(zhì)間的關系表現(xiàn)為多樣性和復雜性[39],在植被恢復的不同階段、植被恢復的不同類型存在差異,張恒碩等[40]在晉西黃土區(qū)退耕年限對土壤物理性質(zhì)的影響的研究表明,土壤有機質(zhì)和土壤黏粒的增加以及土壤結構的改善被認為是影響改善黃土區(qū)退耕還林后土壤物理性質(zhì)的主要原因,與本研究的結果一致,除油松樣地外,其余三種植被恢復類型中土壤有機物含量、土壤黏粒都有顯著增加。在黃土高原長期的植被恢復過程中,遼東櫟次生林顯著降低了土壤容重,植被調(diào)節(jié)土壤物理性質(zhì)良好。植被恢復的效果也可以間接通過測量土壤有機物含量、土壤容重及土壤黏粒狀況,將其綜合評價,作為一個評估因子。

4.2 長期植被恢復過程中土壤性質(zhì)間相互影響機制

相關性分析表明,土壤全氮和全磷在植被恢復過程中由顯著正相關性向顯著負相關性過渡,氮、磷含量以及氮磷比對于評價植被恢復效果、土壤養(yǎng)分富集程度、植被生長等方面是至關重要的[41]。土壤全氮與有機碳的相關性保持不變,研究認為土壤有機碳含量與土壤全氮含量一直都處于共同升高或降低的狀態(tài),協(xié)同促進植物生長[42—44],土壤中其二者含量可以反映當前土壤肥力水平[45]。土壤全氮和土壤全鉀,土壤有機碳和土壤全磷、土壤全鉀,土壤pH值和土壤有機碳、土壤全磷、土壤全鉀之間都由顯著的正相關性過渡為不顯著關系,它們之間相互的限制關系逐漸減弱。土壤化學性質(zhì)間的的正相關關系逐漸過渡為不顯著,土壤容重與土壤全氮、土壤有機碳、土壤粉粒之間由顯著的正相關性過渡到顯著的負相關性。根據(jù)2017年土壤性質(zhì)之間的相關性可知,土壤有機碳同樣影響著土壤容重的變化,當土壤容重隨著植被恢復時間逐漸降低時,土壤砂粒和土壤粉粒在土壤中的占比逐漸上升,從而導致土壤黏粒下降,這與張曉霞等[46]對晉西黃土區(qū)退耕還林22年后,林地土壤物理性質(zhì)的變化研究結果一致。植被恢復后,土壤砂粒含量升高,粘粒含量減少,容重降低。這種變化可以增加土壤孔隙度和透氣性,提高土壤生物生存環(huán)境,促進土壤肥力提升。同時,土壤養(yǎng)分升高,土壤容重降低,增加了土壤孔隙度,使養(yǎng)分在土壤孔隙中得到保存。2017年的數(shù)據(jù)表明,土壤pH值僅與土壤砂粒呈顯著正相關。當前,尚缺乏直接研究探討土壤pH值與土壤機械組成中砂粒占比之間的關系。通過對已有數(shù)據(jù)的測定和分析,我們可以推測在本次研究中,土壤pH值是會影響土壤砂粒占比的。結合主成分分析(圖5)的結果來看,即在不同植被恢復類型下,遼東櫟次生林對土壤改良的效果優(yōu)于其他三種對造林地改善效果相似的植被恢復類型。不同植被恢復類型對土壤的影響還需結合土壤微生物[47]、植被覆蓋度[48]等共同討論,孫長安等[49]在我國植被恢復對土壤性狀影響的研究綜述中表明,植被恢復對土壤多種理化性狀產(chǎn)生雙向影響,不同地點、不同措施、不同恢復時間土壤性狀的變化均不同,因此在探究不同植被恢復類型對土壤內(nèi)各因子的影響,及因子間的相互關系時,需要注意當前的耕作方式、整地方式、試驗地的立地條件、試驗地水分含量等多種因素綜合考慮。

根據(jù)不同樣地、不同年份的土壤物理性質(zhì)及pH值對土壤化學性質(zhì)的貢獻度(圖4)可知,遼東櫟次生林樣地和油松樣地中各組分貢獻度大致相同,物理性質(zhì)及pH值對土壤養(yǎng)分的影響基本一致,這一點不同于側柏樣地和刺槐樣地,土壤容重在側柏樣地的植被恢復期間占主要貢獻位置,土壤粉粒在刺槐樣地的植被恢復期間占主要貢獻位置。遼東櫟次生林樣地、油松樣地相較于側柏樣地、刺槐樣地,各組分協(xié)同影響土壤中化學性質(zhì),在栽植時確保各組分的等量增減。黃土高原地區(qū)在栽植側柏時建議側重考慮土壤容重對側柏樹種下各因子的影響,栽植刺槐時建議側重考慮土壤粉粒對側柏樹種下各因子的的影響。刺槐土壤粉粒、側柏土壤容重、遼東櫟次生林、油松各組分協(xié)同影響土壤化學性質(zhì)。在較長的時間格局上監(jiān)測土壤、植被內(nèi)部各因子變化意義極大,從各組分含量、各組分相互作用的角度評估生態(tài)修復效果對植被恢復研究更具價值。本研究僅考慮了三個時間節(jié)點來研究植被恢復下土壤理化性質(zhì)十二年間的變化,雖然僅有三個時間節(jié)點,但數(shù)據(jù)序列長度可以研究和揭示研究區(qū)域土壤理化性質(zhì)隨植被恢復進程的變化規(guī)律。大量的時間點將會給出更精確的結果,后續(xù)關于本研究區(qū)流域尺度的研究中,我們會更加注意本研究中的局限。目前土壤中元素變化研究還處于不斷探索、不斷開拓階段,土壤養(yǎng)分為植被提供能量來源,土壤物理因素為植被創(chuàng)造生長環(huán)境,通過不同角度分析二者的相互影響規(guī)律,不斷引入新的作用因子,可以為生態(tài)修復過程中的植被恢復部分提供數(shù)據(jù)支撐,為國土資源保護與建設提供新方法。

4.3 基于植被恢復對土壤理化特征影響的造林實踐啟示

不同植被恢復樹種在長期植被恢復過程中對土壤理化性質(zhì)的影響有明顯差異,這些差異主要體現(xiàn)在各樣地土壤中養(yǎng)分含量、土壤機械組成、土壤容重變化上。土壤全氮含量和土壤容重的變化被認為是植被恢復過程中,土壤肥力強弱表現(xiàn)的客觀體現(xiàn)[6,10,20]。土壤容重與土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)顯著的負相關(圖3),相關研究[10,36,40,46]也表現(xiàn)為土壤容重隨土壤有機質(zhì)含量上升而下降。不同植被恢復使土壤質(zhì)地和結構得到改善(圖2),土壤物理特性有所提升,但土壤容重方面,僅遼東櫟次生林有所下降,人工純林并不能有效降低土壤容重,在土壤養(yǎng)分方面(圖2),四種植被類型的養(yǎng)分含量變化為刺槐(3.26 g/kg;13.13%)>遼東櫟次生林(1.42 g/kg;4.49%)>側柏(-0.87 g/kg;-3.27%)>油松(-1.93 g/kg;-6.42%),造成養(yǎng)分含量下降的主要原因是土壤全鉀含量的大量流失,只有刺槐林在植被恢復過程中土壤全鉀量有所增長,說明除刺槐林外,其他植被類型在黃土高原地區(qū)造林并不能改善土壤全鉀在土壤中的保存能力。首先,本研究選取的試驗樣地,可將所研究的植被類型分為闊葉和針葉兩種林型,根據(jù)不同林型對森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的影響的研究[50—51]可知,不同林型因植物葉面積指數(shù)、葉片凋落物的可降解性、葉片凋落物厚度等的不同,進而影響森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)。其次,遼東櫟次生林及刺槐林下具有更高的生物多樣性,這與養(yǎng)分含量提升和土壤鉀素的保存存在一定關系。根據(jù)不同植被恢復類型土壤性質(zhì)的主成分分析(圖5),相比其他三種植被類型,遼東櫟次生林具有更高的多樣性,不同土壤因子對遼東櫟次生林更均衡,這一點通過不同植被恢復類型土壤性質(zhì)的冗余分析(圖4)也可以得出,遼東櫟次生林穩(wěn)定性更高。黃土高原地區(qū)植被恢復與退化生態(tài)系統(tǒng)重建工作有所不同,該地區(qū)初始土壤條件更貧瘠,應當根據(jù)初始土壤條件,造林樹種應當考慮調(diào)整土壤結構或增加土壤養(yǎng)分等的實際需求,并且人工純林的撫育工作應該遵循近自然森林經(jīng)營基本原則[52],珍惜立地潛力并尊重自然力,在不同區(qū)域?qū)嵭芯哂辛⒌靥厣慕匀簧纸?jīng)營,在考慮種間關系的基礎上,建議人工純林輔以不同林齡、不同樹種,對現(xiàn)有純林進行混交林建設。

5 結論

總體來講,相比2006年,土壤養(yǎng)分含量、砂粒占比、粉粒占比隨植被恢復時間逐漸增多,土壤容重、黏粒占比降低,為植物生長提供良好的土壤條件,也提供良好的生態(tài)效益。首先,不同植被恢復類型條件下土壤化學計量和物理性質(zhì)存在差異,遼東櫟次生林中土壤有機碳含量(2.291 g/kg)、全氮含量(0.044 g/kg)增加最多,油松樣地全磷含量(0.256 g/kg)增加最高,刺槐樣地全鉀含量(2.279 g/kg)增加最高。其次,黃土高原長期植被恢復過程中,養(yǎng)分狀況和物理性質(zhì)在造林初期表現(xiàn)為極增(土壤有機碳、土壤全氮)、極減(土壤全鉀)或者變化幅度較小(土壤pH值、土壤全磷、土壤容重、土壤機械組成),但經(jīng)過長期植被恢復進程后,理化性質(zhì)變化開始呈現(xiàn)相反趨勢。然后,本研究通過分析長期植被恢復進程中土壤理化性質(zhì)和化學計量的相互關系和互作機制,發(fā)現(xiàn)土壤有機物含量、土壤容重和土壤黏粒具有較高的相互關系。最后,本研究發(fā)現(xiàn)不同植被恢復類型條件下,土壤養(yǎng)分含量變化關系最緊密的土壤屬性存在差異,例如刺槐的土壤粉粒、側柏的土壤容重與多年土壤養(yǎng)分變化的同步關系最高。所以,進行植被恢復時,確認當前造林地土壤中,植被下土壤物理性質(zhì)影響土壤化學性質(zhì)較大組份的合理配置,遵循適地適樹原則來達到提高生態(tài)修復效率的作用。

致謝：感謝山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站的數(shù)據(jù)支持。