黄土高原不同气候区刺槐林恢复年限对水、碳及植物多样性的影响

王 稳 ,高晓东,赵西宁,杨孟豪

1 西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 杨凌 712100

2 西北农林科技大学水土保持研究所, 杨凌 712100

3 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨凌 712100

黄土高原水资源短缺、生态环境脆弱,为了控制严重的水土流失、改善生态环境,国家实施了植被恢复工程[1—2]。刺槐作为植被恢复的一种主要造林树种,在黄土高原大面积种植。刺槐根系生长迅速[3],具有耐干旱特性[4],对于改善黄土高原自然环境和土壤肥力、固碳、水文调节、生物多样性等方面有重要意义[5—8]。土壤水分作为供水指标,是影响干旱至半干旱地区植被动态和生态过程的首要限制因素[9]。植被恢复使得碳储存发生了明显的变化[10],增加了碳储存进而缓解了气候变化[11]。林下植物多样性为森林组成、结构和演替提供了有意义的衡量标准[12]。因此,维持和改善人工林土壤水分、固碳以及植物多样性等生态系统服务,已是黄土高原植被恢复的生态学过程研究和人工林经营管理的重点之一。

生态系统服务指的是人类从生态系统中直接或间接获得的各种惠益,包括供给服务、调节服务、文化服务,以及维持其他类型服务所必须的支持服务等4种类型[13—14]。由于各生态系统服务间权衡关系的存在,改善一种或几种生态系统服务时,可能会对其他生态系统服务产生不利影响[15]。例如,黄土高原通过实施退耕还林(草)项目,有效改善土壤保持、固碳以及植物多样性等生态系统服务[5],但大面积的植树造林消耗了更多的土壤水分,使得林分衰败从而影响了植被恢复的可持续发展[16—17]。学者们对植被恢复产生的优缺点存在分歧[18],且多数研究往往单方面考虑植被恢复带来的利益或造成的损害,将植被恢复带来的优势和劣势割裂开来,研究表明植被恢复对黄土高原固碳、多样性的提高有改善[19—21],然而植被恢复引起土壤水分的亏缺也引发了学者的广泛讨论[22—24]。将植被恢复对固碳、多样性的提升和引起土壤水分亏缺进行综合考虑的研究,仍有待丰富。在植被恢复背景下,综合考虑造林成果的优缺点,权衡利弊,才能确保生态系统服务的可持续发展。刺槐林的土壤水分、林分结构、固碳等生态系统服务随造林年限不断变化[25],而土壤水分供需平衡对黄土高原刺槐林生态系统服务的可持续性至关重要[26—28]。随着刺槐林生长,冠幅和叶生物量增加,蒸腾耗水与水分供给间出现矛盾[29],导致了不同程度的土壤干燥化[30],也影响刺槐林其他生态系统服务的供给。因此,对黄土高原不同恢复年限刺槐林的生态系统服务进行整体评价十分必要。黄土高原面积辽阔,降水、温度和辐射等气候变量随气候区变化差异显著,已有大量研究显示气候因素导致刺槐林土壤水分、固碳以及植物多样性等生态系统服务的差异[12, 31—32],然而这些研究的尺度较小,多集中在某个流域或县、市[3, 22, 29]等,在整个黄土高原不同气候区对刺槐林生态系统服务长期影响方面的研究仍有待补充。

为此,本文以整个黄土高原为研究区,运用整合分析方法,综合刺槐林土壤水分、碳和植物多样性等生态系统服务指标,在不同气候区内分析不同恢复年限的刺槐林生态系统服务变化,量化植被恢复对刺槐林土壤水分、固碳和植物多样性的影响,为黄土高原新一轮植被恢复和可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 文献来源及筛选原则

分别在中国知网(https://www.cnki.net)和Web of Science文献库(http://isiknowledge.com),搜索“黄土高原(Loess Plateau)”,“刺槐(R.pseudoacaciaorRobiniapseudoacaciaor black locust)”,“土壤水分或土壤含水量(soil water or soil moisture or soil water content)”或“固碳(carbon sequestration or carbon accumulation)”或“多样性”(biodiversity)等关键词,检索自黄土高原实施植被恢复以来关于刺槐林的文献。筛选标准如下:(1)试验地点为黄土高原地区;(2)试验处理为刺槐林,且每项处理均有耕地或裸地等无植被恢复作为对照;(3)试验重复次数不少于两次;(4)刺槐林土壤水分、固碳和多样性指标以数字或图表形式报道;(5)对不同文献报道的同一试验数据只纳入其中一次。经筛选,共有92篇文献241组配对试验(附录)。同时对于每篇文章,记录以下数据:采样时间、采样地点(经纬度、海拔)、采样方法、气候数据(年均降雨量MAP、年均温度MAT)、地形数据(坡度、坡向和位置)、刺槐林种植特性(恢复年限、种植密度、株高、胸径和覆盖度)等,最终建立关于数据的记录表。刺槐林各试验地点分布如图1所示。

图1 刺槐林试验地点分布图

1.2 数据分类

按气候区和刺槐林种植年限对数据进行分类,各分组的样本量如表1所示。根据筛选的92篇文献中记录的试验点气候特征将研究区域划分为半干旱地区和半湿润地区;根据各试验点刺槐林的恢复年限,将刺槐林划分为小于等于15年(≤15 a)、15至30年(15—30 a)和大于等于30年(≥30 a),其中恢复年限最小和最大分别是3 a、58 a。同时,土壤水分、固碳、植物多样性三个指标分别以平均每厘米土壤储水量、土壤碳储量、Shannon-Wiener指数来表示。

表1 植被恢复对刺槐林土壤水分、固碳和植物多样性效应数据库文章数/配对试验组数

1.3 数据处理

采用反应比(R)作为效应量来刻画植被恢复对刺槐林土壤水分、固碳以及植物多样性的影响[9, 33],计算公式如下:

lnR=ln(Xe/Xc)=ln(Xe)-ln(Xc)

(1)

式中,Xe和Xc分别为独立研究中试验组和对照组的平均值。将反应比再转化为百分比变化率[9],计算公式如下:

Y=(elnR-1)×100%

(2)

式中,正的Y值表示植被恢复对刺槐林生态系统服务产生了正效应,负的Y值则表示产生了负效应。如果Y值的95%置信区间与0重叠,则认为植被恢复的效应不显著,反之则效应显著[33]。在各亚组分析中,如果不同分组内各Y值的95%置信区间没有重叠,则认为组间差异显著,反之则认为组间差异不显著[9]。为进一步探究气候区和恢复年限对刺槐林水、碳及植物多样性的影响,将三个指标与试验地点年均降水量、恢复年限进行了拟合分析。相关分析及绘图在MetaWin 2.1、Spss 24.0、Excel 2016和Origin 2023等软件中进行。

2 结果与分析

2.1 不同气候区对植被恢复中刺槐林土壤水分、固碳和植物多样性的影响

由图2可知,在黄土高原地区,刺槐林与对照组土壤水分存在显著差异,平均每厘米土壤储水量下降了35.58%(n=96)(P<0.05)。对照组和刺槐林平均每厘米土壤储水量分别为2.29 mm和1.51 mm。不同气候区刺槐林对土壤水分均有明显负效应,且不同气候区的效应差异显著(P<0.05)。随着黄土高原不同地区MAP的减少,刺槐林的储水量呈降低趋势。在半湿润地区,实施植被恢复措施后平均每厘米土壤储水量的相对变化率为-22.98%(n=25),在半干旱地区平均每厘米土壤储水量的相对变化率为-33.98%(n=71),半湿润地区比半干旱地区刺槐林平均每厘米土壤储水量多0.66 mm。

图2 植被恢复对黄土高原不同气候区刺槐林土壤储水量、土壤储水量相对变化率的影响,及地区MAP与土壤储水量的关系

由图3可知,黄土高原对照组土壤碳储量为1.62 kg/m2(P<0.05),刺槐林的土壤碳储量可达2.85 kg/m2(P<0.05)。与对照相比,土地经过植被恢复种植刺槐林后碳储量显著提高,整体上相对变化率为81.3%(n=94)(P<0.05),其中半湿润地区为57.21%,半干旱地区为85.46%,半湿润地区相对变化率低于半干旱地区。而半湿润地区刺槐林土壤碳储量为3.85 kg/m2,半干旱地区为2.68 kg/m2(P<0.05),半湿润地区高于半干旱地区。同时,随着黄土高原不同地区MAP的增加,刺槐林土壤碳储量呈增加趋势。

图3 植被恢复对黄土高原不同气候区刺槐林土壤碳储量、土壤碳储量相对变化率的影响,及地区MAP与土壤碳储量的关系

由图4可知,刺槐林与对照组相比,Shannon-Wiener指数增加了32.6%(n=51)(P<0.05)。对照组的Shannon-Wiener指数为2.18,刺槐林Shannon-Wiener指数为2.57。半湿润地区和半干旱地区刺槐林Shannon-Wiener指数也存在显著差异(P<0.05),半湿润地区刺槐林Shannon-Wiener指数为2.94,与对照相比增长了149.1%(n=10);半干旱地区刺槐林Shannon-Wiener指数为2.48,相对增长率为11.88%(n=41),半湿润地区刺槐林Shannon-Wiener指数及其相对变化率均高于半干旱地区。此外,随MAP的增加,刺槐林Shannon-Wiener指数呈增加趋势。

图4 植被恢复对黄土高原不同气候区刺槐林Shannon-Wiener指数、Shannon-Wiener指数相对变化率的影响,及地区MAP与Shannon-Wiener指数的关系

2.2 不同恢复年限对刺槐林土壤水分、固碳和植物多样性的影响

不同恢复年限对刺槐林土壤储水量的影响不同(图5),在年限≤15 a地区的土壤平均每厘米储水量相对变化率为-27.57%(n=31),与其他年限间存在显著差异(P<0.05)。15—30 a地区的土壤平均每厘米储水量相对变化率为-41.80%(n=42),≥30 a地区的土壤平均每厘米储水量相对变化率为-35.92%(n=23),随着恢复年限的增加对土壤水分的影响先增强后减弱。≤15 a、15—30 a、≥30 a三个恢复年限平均每厘米土壤储水量依次为1.70 mm、1.43 mm、1.41 mm,随着恢复年限的增加土壤平均每厘米储水量出现先明显降低后保持稳定的变化趋势。

图5 不同恢复年限对黄土高原刺槐林土壤储水量、土壤储水量相对变化率的影响,及恢复年限与土壤储水量的关系

不同恢复年限对刺槐林土壤碳储量的影响不同(图6),随着恢复年限的增加土壤碳储量的相对变化率及含量均呈增加趋势,三个恢复年限土壤碳储量分别为 1.85 mm、3.03 mm、3.57 mm。不同恢复年限的刺槐林土壤碳储量相对变化率显著增加,≤15 a地区的土壤碳储量增加了16.84%(n=28),15—30 a地区的土壤碳储量增加了78.58%(n=35),≥30 a地区的土壤碳储量增加了156.27%(n=31)(P<0.05),随着恢复年限的增加土壤碳储量呈先增加后减小的趋势。

图6 不同恢复年限对黄土高原刺槐林土壤碳储量、土壤碳储量相对变化率的影响,及恢复年限与土壤碳储量的关系

不同恢复年限对刺槐林下植物多样性的影响不同(图7),≤15 a地区的刺槐林下Shannon-Wiener指数增加了51.38%(n=14)(P<0.05),15—30 a地区的Shannon-Wiener指数增加了26.37%(n=26)(P<0.05),≥30 a地区的Shannon-Wiener指数增加了27.56%(n=11),≤15 a地区的Shannon-Wiener指数相对变化率最高。三个恢复年限的Shannon-Wiener指数依次为2.41、2.67、2.57,随着恢复年限的增加植物多样性指数呈先增大后减小的趋势。

图7 不同恢复年限对黄土高原刺槐林Shannon-Wiener指数、Shannon-Wiener指数相对变化率的影响,及恢复年限与Shannon-Wiener指数的关系

3 讨论

3.1 植被恢复对土壤水分、固碳和植物多样性的整合影响分析

通过比较黄土高原不同气候区、不同恢复年限种植刺槐林对土壤水分、碳储量和植物多样性的影响,发现种植刺槐林后土壤水分显著降低,土壤固碳能力和林下植物多样性得到有效提升。同时,一些研究表明,在黄土高原开展植被恢复工程,可以有效提高森林覆盖度,改善土壤结构和孔隙度,减少地表径流和土壤侵蚀[17,34]。刺槐林生长迅速耐旱性强,根系发达且有固氮的根瘤[35],有助于改善土壤质量,调节林间小气候,使土壤碳储量和植物多样性逐渐增加[18]。但由于人工林消耗的深层土壤水分比普通农作物多,形成了土壤干燥化[34],使得部分刺槐林生长衰退,出现刺槐林个体发育不良的现象,形成“低质、低产、低效”林[35],导致黄土高原的生态系统服务得不到有效保障。

3.2 气候条件对刺槐林土壤水分、固碳和植物多样性的影响分析

结果表明,不同气候区种植刺槐林对生态系统服务的影响存在差异。黄土高原气候环境空间差异较大,从东南到西北依次经过半湿润、半干旱以及干旱地区,降水量和温度呈降低趋势,年均降水量和温度等均会影响区域尺度上的土壤水分变化[22,31],进而导致刺槐林的生长状况也明显受到土壤水分条件的影响[31]。在降水不足的半干旱和干旱地区,由于刺槐林种植密度高且蒸散量大,土壤水分和降水补给有限,造成刺槐林大面积退化和死亡[36]。例如在降水充沛的宜君县20 a生刺槐林生长良好,平均胸径为11.2 cm,而在干旱区的米脂县19 a生刺槐林胸径仅为6.1 cm,远低于宜君县[35];在半湿润地区,刺槐林的土壤水分在恢复初期普遍呈下降趋势,而在降水量小于550 mm的地区,人工林的土壤水分在不同林龄中一直处于较低水平[31]。在半湿润地区刺槐林和林下物种生长良好,群落结构和功能不断向正演替方向改善,植物多样性高于半干旱地区,并且降水更有利于凋落物分解增加土壤碳储量[32],发挥了良好的固碳效应和水土保持作用[33],使得湿润区的碳储量高于干旱区[12, 32]。越来越多研究表明重新造林对土壤碳储量的影响可能取决于当地降水量[37],降水是影响碳储存的主导因素[38]。研究结果显示,与对照相比整个黄土高原种植刺槐林后土壤水分均下降,且半干旱地区土壤水分下降的尤为强烈;半湿润地区刺槐林的固碳和植物多样性效应均高于半干旱地区。

3.3 恢复年限对刺槐林土壤水分、固碳和植物多样性的影响分析

结果表明,不同恢复年限的刺槐林对生态系统服务的影响存在差异[39—40]。随着刺槐林龄的增加,对土壤水分和植物多样性的影响先增加后减小,对土壤碳储量的影响作用随林龄增加而增强。大多研究认为,生态系统服务的变化及权衡与林龄有关[12,22],与对照组相比不同恢复年限的刺槐林土壤水分均有降低的趋势[9, 22, 30,34],林龄是刺槐林土壤水分变化的重要决定因素[31]。幼龄刺槐林生长初期覆盖度较低,林下植被光照充足长势良好[18],林内植被可以通过减少土壤蒸发、改良土壤特性、改善小气候等影响林地土壤水分特征。随着刺槐林龄的增加植被固碳效益和林下植物多样性效果显著,但植被蒸散发逐渐增强,刺槐林和灌草层发生激烈竞争[18],再加上降雨补给的不足使得土壤水分随着刺槐林龄的增加而减少,导致了剖面土壤储水量明显下降的结果[22, 30—31, 41]。而土壤水分是植被生长的重要因素,严重的土壤干燥化反过来又抑制了刺槐的生长,刺槐冠层盖度减少以降低蒸腾作用,使部分刺槐林生长缓慢甚至出现退化[31],因此植被的固碳能力减弱,林下植被类型减少。有部分研究表明退化或者死亡的刺槐林耗水量减少,疏伐也对刺槐林水分利用特征产生影响[42],使得土壤水分略有增加[31,42],刺槐林下植物生长特征受郁闭度影响较大,且在年降水量低时更敏感[43]。

4 结论

(1)黄土高原地区种植刺槐林后,平均每厘米土壤储水量为1.51 mm,相对变化率为-35.58%;土壤碳储量为2.85 kg/m2,相对增长率为81.30%;植物多样性指数为2.57,相对增长率为32.60%;表明土壤水分出现明显亏缺,而土壤碳储量和植物多样性得到较明显改善;其中,半干旱地区土壤水分和碳储量变化更为明显,半湿润地区植物多样性增加更为显著。

(2)≤15 a的刺槐林土壤水分与其它恢复年限刺槐林间有显著差别,15—30 a刺槐林土壤水分变化最明显,≥30 a刺槐林平均每厘米土壤储水量最低;与<30 a刺槐林相比,≥30 a刺槐林土壤碳储量及相对变化率更为明显;15—30 a刺槐林下植物多样性指数最高,而≤15 a刺槐林下植物多样性增加更为明显。

(3)在黄土高原进行植被恢复时应综合考虑气候区、恢复年限及植物生长状况等,刺槐林更适宜种植在半湿润地区且恢复年限不超过30—40 a最佳。随着恢复年限增加会加大对土壤水分的消耗,同时林分衰败也会影响植被固碳和植物多样性的提升,适当进行疏伐或改种消耗水分更少的植物,如草地、灌木等,更有利于黄土高原的可持续发展。