黄土高原植被恢复过程中土壤水分有效性评价

张永旺 ，王 俊 ，屈亚潭 ，刘世鹏 ，王 妍 ，上官周平

（1.延安大学 生命科学学院，陕西 延安，716000； 2.中国科学院 教育部水土保持与生态环境研究中心，陕西 杨凌，712100）

0 引 言

土壤是维持地球表面生态系统的重要物质基础，能为人类提供生活和生产原材料[1]。但是，全球范围内的土壤侵蚀，尤其是在中国黄土高原，已经成为重要的生态环境问题，制约着人类的生存和发展，严重制约全球经济和社会的发展[2]。控制土壤侵蚀能够改善生态环境，保护生态安全，实现可持续发展和人与自然平衡和谐[3]。植被恢复是控制土壤侵蚀的一个较好措施。近年来，随着国家退耕还林还草政策的实施，黄土高原水土流失已显著减少[4]。【研究进展】土壤水分是制约植物生长发育的物质基础[5]，其作为调控植被群落演替的主要因子，在长期的植被恢复和重建的过程中影响着植被群落的结构和丰富度。随着植被恢复，土地利用类型的变化能够改变根系固氮，从而影响土壤表层物种的丰富度和组分，改善土壤物理性质，最终改变表层特征。植被恢复同时也引起了土壤水分特征的变化。土壤水分特征曲线能够表征土壤的基本特性，是进行土壤水分运动及溶质运移定量分析时必不可少的重要参数[6]，土壤水分特征曲线能够表示质量含水率与土壤吸力之间的关系[7]。与传统方法相比，利用土壤水分特征曲线测量土壤水分状况省时省工且真实可靠[8]。代表土壤水分特征的2 个重要参数土壤水分有效性和持水性可以用土壤水分特征曲线来进行测定。土壤水文条件与植被的光合速率、土壤碳分配、营养循环等密切相关[9]。土壤持水性（SWHC）可表示土壤对植物生长发育的供水能力，可以通过土壤水分特征曲线的测定来确定田间持水量与凋萎系数间的含水率的差值来计算[10]，不仅可以估测土壤有效水，还可以判断围绕在胶体微粒表面附近的低于永久萎蔫点的吸湿水[11]。【拟解决的关键问题】目前，黄土高原随着植被恢复土壤持水性的变化及影响因子的研究尚缺乏研究。除土壤持水性，土壤水分有效性（SWA）是另一个非常重要的土壤水分特征，它是指土壤水分被有效利用的程度，在各因子综合作用下的动态特性，能够影响植物生长发育和微生物呼吸等功能[12]。土壤水分有效性与土壤温度、植物生长发育、根和土壤微生物呼吸、碳分配、叶片气孔导度和蒸腾作用的关系密切。但是，长期的自然植被恢复过程中的不同恢复阶段的土壤水分有效性及其影响因子的研究存在不足。【切入点】子午岭林区面积约23 000 km2，其是黄土高原独有的具备完整自然植被恢复序列的次生林区，本研究选择子午岭林区作为研究区来评价植被恢复过程中的土壤水分特征。假设土壤持水性和水分有效性在不同的恢复植被下的差异显著，旨在明确不同植被恢复阶段的土壤水分特征的变化并揭示其主要影响因子。【研究意义】该研究可为黄土高原植被恢复过程中的水资源合理有效地管理和植被恢复的可持续发展提供科学依据和理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

连家砭林场（35°03′—36°37N′，108°10′—109°18′E）位于子午岭林区的中心位置的甘肃省东部，海拔1 211～1 453 m，土壤为50～100 m 厚的次生黄土[13-14]。年均降雨量587 mm，且季节性变化大。本研究区的天然次生林是从18 世纪中期从弃耕地上发展起来的，先锋树种是山杨和白桦，辽东栎是顶级群落树种，沙棘是主要的灌木树种，白羊草、苔草和长芒草是主要的草本植物，主要土地利用类型是草地、灌木林地和乔木林地。草地、灌木林地和乔木林地的自然恢复年限分别为15、60 和150 a。自然植被恢复也是从草地到灌木林地再到乔木林地，恢复年限是通过年轮计数和查阅文献材料获得[15]。不同植被恢复阶段的主要树种见表1。

表1 研究区不同植被恢复样地信息 Table 1 Information about plots of different vegetation types in study area

1.2 土壤采样与分析

本研究选择了3 种样地（草地、灌木林地和乔木林地）作为研究对象。草地样方为2 m×2 m，灌木林地样方为5 m×5 m，乔木林地样方为20 m×20 m。土壤样品从每个样地的表层分5 个土层（10、20、30、40 和50 cm）进行采样。原状土样需要先浸水24 h，使土样充分饱和并称质量，再使用HITACHI CR21G离心机在20 ℃温度下，在吸力为0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、4.0、6.0、10.0×105Pa 的条件下测定土壤水分特征曲线[16]，由土壤水分特征曲线获得的土壤饱和含水率、田间持水率和萎蔫含水率可计算总孔隙度、无效孔隙、通气孔隙和毛管孔隙，土壤体积质量采用烘干法测定。

1.3 土壤水分特征参数测定

本研究的土壤持水性和水分有效性通过土壤水分特征曲线计算，由拟合曲线得出的A值可表示土壤持水性，获得的土壤孔隙可计算出水分有效性[17]。土壤水分特征参数A值由以下公式获得：

式中：W为质量含水率（%）；A和M为幂函数当中上的参数，A值决定了曲线的高低，表示土壤持水性，即持水能力大小；M为常数，决定了土壤含水率随土壤水势降低而递减的快慢；N为土壤吸力（Pa）。

田间持水率为吸力在-0.3×105Pa 时的土壤含水率（SWC），萎蔫含水率在吸力为-15×105Pa 时的SWC，速效水（RAW）和缓效水（SAW）的临界点为-10×105Pa 时的SWC。RAW为-0.3×105～-10×105Pa时SWC，SAW为-10×105～15×105Pa 的SWC，总有效水（TAW）为RAW和SAW的总和，无效水（UAW）为低于-15×105Pa 时的SWC[18]。

1.4 数据分析

采用单因素方差分析来测定不同植被恢复阶段的土壤水分特征的差异性，使用SPSS 16.0 进行统计分析，使用Sigmaplot11.0 来制作回归曲线，使用Excel 2003 进行数据处理。

图1 不同恢复植被下的土壤水分特征拟合曲线 Fig.1 Soil water characteristic curves in different vegetation types

2 结果与分析

2.1 土壤水分有效性与持水性

不同植被恢复下不同土层的土壤水分特征曲线明显不同（图1）。从图1 可以看出，SWC随着压力的升高而降低，2×105Pa 作为一个临界点，临界点过后，SWC的降低趋势在所有的植被恢复阶段中都趋于平稳。在20～50 cm 土层中，土壤水分特征曲线在乔木林地最高，在灌木林地最低，在草地阶段居中，而在0～20 cm 土层中，在草地恢复阶段低。不同植被恢复阶段下不同土层的土壤水分特征参数A同样呈差异显著（图2）。参数A值能够表示SWHC的强弱。由图中可以看出，在乔木林地阶段，SWHC最高且与灌木林地和草地恢复阶段相比，差异显著（P<0.05），而SWHC的差异在草地和灌木林地阶段无显著性。

图2 不同恢复阶段的土壤持水性 Fig.2 Soil water holding capacity in different vegetation types

不同植被恢复下，不同土层的总有效水（TAW）、速效水（RAW）、缓效水（SAW）和无效水（UAW）量差异显著（图3）。0～10 cm 土层，草地中的TAW显著低于灌木林地和乔木林地（P<0.05），灌木林地和乔木林地之间差异不显著；10～20 cm 土层，灌木林地的TAW显著高于草地和乔木林地（P<0.05），草地和乔木林地之间差异不显著；20～30 cm 土层，3 种覆被条件无显著差异；30～40 cm 土层，TAW从草地到灌木林地再到乔木林地呈显著增加趋势；40～50 cm土层，TAW在草地和灌木林地中显著低于乔木林地。RAW和SAW在0～50 cm 土层中的变化与TAW相似。UAW在3 种覆被条件下的0～50 cm 土层与TAW、RAW和SAW相比是最高的，并且在乔木林地中最高，灌木林地和草地之间无显著差异。

图3 不同恢复植被下的土壤水分有效性 Fig.3 Soil water availability in different vegetation types

2.2 土壤体积质量、颗粒组成和孔隙度

不同植被恢复阶段的土壤体积质量（BD）在不同土层中存在显著差异（图4）。0～20 cm 土层，草地阶段的BD最高且差异显著，20～50 cm 土层，草地、灌木林地和乔木林地间的BD无显著差异。图5 描述了不同恢复植被下的土壤颗粒组成差异。砂粒量（0.02～2 mm）随着植被恢复，在0～10 cm 土层显著增加，而黏粒（<0.002 mm）和粉粒（0.002～0.02 mm）量却相反；10～40 cm 土层中的黏粒量灌木林地<乔木林地<草地；不同植被恢复阶段下的砂粒、粉粒和黏粒在40～50 cm 土层中的差异不显著。

图4 不同恢复植被下的土壤体积质量 Fig.4 Soil bulk densities in different vegetation types

表2 土壤持水性和有效性与其他因子间的相关性 Table 2 Correlation among soil water holding capacity, water availability and other factors

图5 不同恢复植被下的土壤黏粒、粉粒和砂粒量 Fig.5 Soil clay, silt and sand content in different vegetation types

2.3 土壤水分有效性、持水性与土壤特性间的关系

土壤水分特征曲线参数A值所代表的土壤持水性与土壤水分有效性、土壤孔隙度、土壤颗粒组成和土壤体积质量间呈显著相关性（表2）。从表2 可以看出，0～50 cm 土层，不同植被恢复阶段中的SWHC与SWA呈极显著正相关关系（P<0.01）。代表土壤水分有效性的各个参数间显著正相关（P<0.05）。无效孔隙与无效水显著正相关，体积质量与黏粒和粉粒呈极显著正相关（P<0.01），而与砂粒呈极显著负相关（P<0.01），黏粒量和BD与速效水和总有效水呈极显著负相关（P<0.01），而速效水和总有效水和通气孔隙与毛管孔隙极显著正相关（P<0.01），SWHC与IP显著正相关（P<0.05），黏粒和体积质量与速效水显著负相关，砂粒、总孔隙度、通气孔隙和毛管孔隙却与速效水显著正相关。

不同恢复植被下的土壤孔隙度见图6。不同土层土壤孔隙度（总孔隙度（TP）、通气孔隙（AP）、毛管孔隙（CP）和无效孔隙（IP））在不同植被恢复阶段下差异显著。草地阶段，0～30 cm 土层中的TP、IP和CP处于中等，在30～40 cm 土层中，TP、IP、AP和CP最低；灌木林地阶段，TP、AP和CP在0～10 cm土层中最高，而IP在0～20 cm 土层中最低，在30～40 cm 土层中，TP、IP、AP和CP居中，而在40 ～ 50 cm土层中，TP和CP最高；乔木林地阶段，在10 ～20 cm土层中，TP和CP最低，而在在20～40 cm 土层中，TP、IP和CP最高，在40～50 cm 土层中，IP最高，AP最低。

图6 不同恢复植被下的土壤孔隙度 Fig. 6 Soil porosity in different vegetation types

3 讨 论

土壤水的基质势（或土壤水吸力）随土壤含水率而变化，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。该曲线反映了土壤水分能量和数量之间的关系，是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数，它可反映不同恢复植被下土壤的持水性和土壤水分有效性，在生产实践中具有重要意义。本研究中，灌木林地和乔木林地的土壤水分特征曲线低于草地，这可能与不同植被恢复阶段的土壤颗粒组成有关，与草地阶段相比，灌木林地和乔木林地阶段的黏粒量较低，那么所能固持的土壤含水率较低，即便是二者具备较高的砂粒量，由于砂粒量比黏粒吸收的水分较少水分。从而导致土壤含水率在草地阶段较高，这与Yang 等[19]的研究结果一致。

土壤持水性能是指土壤吸收水和滞留水的能力，饱和含水率包括了吸收水和滞留水[20]。土壤持水性受土壤颗粒组成的影响较大，而土壤体积质量和孔隙度是土壤颗粒组成的重要表征[21]，三者能够改变土壤水分状况，尤其是土壤持水性[22]。本研究中，不同植被恢复阶段的土壤持水性由土壤水分特征曲线参数A值来表示，A值在植被恢复过程中的乔木林地阶段中最高，表明在此阶段的土壤持水性最强，这可能是由于乔木林地阶段的无效孔隙较高，土壤体积质量较小，从而增加无效孔隙贮存的水分。此外，也与乔木林地阶段具有能够吸收较多水分的强大根系[15]有关。土壤水分入渗过程和渗透能力决定了降雨过程中的水分再分配，从而影响了土壤水分状况、地表径流和流域产流[23]，在植被恢复的草地阶段的土壤持水性最弱，可能与草地阶段的植被较少有关，降水后表面径流较多，大大降低了入渗[20]。因此，孔隙度和体积质量是影响土壤持水性的重要因子。

在土壤含水率较高或较低的情况下，土壤水分有效性会制约根系和微生物活性[24-25]，还会影响地下碳分配和底物有效性。本研究中，土壤水分有效性在植被恢复过程中的乔木林地阶段中最高，草地最低，灌木林地居中，随着植被恢复，土壤水分有效性逐渐提高。这可能是由于随着植被恢复，土壤颗粒中的砂粒量提高了，黏粒量减少了，土壤质地明显得到了改善[26-27]。另外，可能也与随着植被恢复逐渐增加的土壤孔隙度有关。土壤贮存和保持水分的能力随着孔隙度的升高而增强。进而提高了土壤水分有效性[28]。本研究中的土壤水分有效性与砂粒量和孔隙度正相关，与黏粒量负相关，这与Udawatta 等[29]的研究结果一致。可见，土壤水分有效性的关键影响因素为土壤孔隙度、颗粒组成和体积质量。

土壤即碳库又是碳源，随着植被恢复，土地利用类型发生变化，进而引起了土壤功能的变化[30]。在早期的研究中，随着从草地到灌木林地再到乔木林地的植被演替，SOC逐渐提高，土壤储水量与土壤碳储量呈负相关[31]。Zhao等[28]指出有机质在土壤团聚体的形成中作用很大，进而促成了不同孔隙的土壤固形物的形成，由于随着植被恢复土壤有机质积累的增加，不可避免地影响到土壤孔隙，这与Deng 等[30]的研究结果一致，Zhao 等[28]也证实土壤孔隙度是影响黄土高原自然植被恢复过程中的土壤水库的最重要的因子之一。在我们早期的研究中，土壤N 和P 与土壤储水量呈负相关[32]，这可能是由于随着植被恢复，叶片N 和P 的增加导致土壤中N 和P 的增加。此外，Luo 等[33]还提出N 动态是调节土壤固碳的主要因子，限制作物生产的最常见的因子之一就是N。因此，土壤C、N 和P 可能是除土壤物理特性外影响植被恢复过程中的土壤水分特征的重要化学因素。

4 结 论

黄土高原植被恢复过程中，不同恢复阶段的土壤水分特征显著不同。随着植被恢复，土壤持水性和土壤水分有效性从草地到灌木林地再到乔木林地呈上升趋势。土壤特性在恢复过程中也得到了改善，土壤颗粒组成、土壤孔隙度、体积质量和土壤N、P、K是影响土壤持水性和有效性关键因子。