基于Meta分析研究中國北方干旱半干旱地區(qū)人工植被恢復(fù)對土壤容重的影響

摘要：指出了植被建設(shè)不僅是中國北方干旱半干旱地區(qū)防治風(fēng)蝕和水蝕的最為有效手段，而且對于土壤物理性質(zhì)的改良效果顯著。在收集有關(guān)中國北方干旱半干旱地區(qū)植被建設(shè)后土壤容重研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，采用Meta分析法研究了該地區(qū)植被建設(shè)（喬木和灌木）對土壤容重的影響。結(jié)果表明：北方干旱半干旱地區(qū)植被建設(shè)總體上土壤容重產(chǎn)生顯著降低作用（結(jié)合效應(yīng)值為-0.209）；喬木栽植能在一定程度上降低土壤的容重（-0.199），其影響效果不顯著；灌木栽植導(dǎo)致土壤容重大幅度降低（-0.222），并且其影響非常顯著。在干旱半干旱地區(qū)開展灌木栽植能夠有效降低土壤容重，提高土壤質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：干旱半干旱地區(qū)；植被建設(shè)；土壤容重；Meta分析法

中圖分類號：Q948

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944（2017）12014905

1引言

植被建設(shè)是生態(tài)恢復(fù)與重建最為重要的環(huán)節(jié)之一[1]。多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，以退耕還林、種樹種草和恢復(fù)植被為代表的生物工程治理是控制水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的根本措施[2]通過人工植被恢復(fù)，可以極大的改善土壤質(zhì)量；作為植被生存基礎(chǔ)的土壤，可以給植被提供生長所需的養(yǎng)分和水分[3]，植被的恢復(fù)與土壤質(zhì)量的演變相互制約，互為動力。隨著植被逐漸恢復(fù)，植被覆蓋度增加，植物生長產(chǎn)生的枯枝落葉和根系腐解物在土壤中積累、礦化，一方面把大部分無機(jī)營養(yǎng)元素歸還土壤，另一方面改善了土壤的物理性質(zhì)，土壤質(zhì)地和通氣狀況變好。植物殘?bào)w腐解過程中所產(chǎn)生的酸類物質(zhì)又促進(jìn)土壤中難溶性物質(zhì)向有效性方向轉(zhuǎn)化，供植物吸收利用。植被恢復(fù)使土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀的含量都有不同程度的增加，反過來又促進(jìn)了植物的生長。因此，退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，首先要恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的植被，通過植物與土壤相互作用，土壤肥力得到提高，土壤結(jié)構(gòu)也得到改善。

土壤容重是土壤的一個(gè)基本物理性狀，土壤容重與孔隙狀況等土壤物理指標(biāo)決定了土壤的通氣性、透水性和植物根系的穿透性，是土體構(gòu)造的重要指標(biāo)。土壤容重的大小和土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、腐殖質(zhì)含量等有關(guān)，受質(zhì)地、結(jié)構(gòu)性和松緊度等的影響而變化[4]，加之受到生物作用以及耕作等的影響，土壤容重是一個(gè)高度變異的土壤性質(zhì)。土壤容重反映土壤的松緊度，容重小，表明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好；反之，則表明土壤緊實(shí)板結(jié)而缺少團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

通過人工植被恢復(fù)可以改變土壤容重，合理的植被恢復(fù)方式能夠?qū)ν寥喇a(chǎn)生正面影響，使得土壤表層土壤容重減小，從而使土壤穩(wěn)定入滲速率得到很大提高。然而由于人工植被種類不同、植被建設(shè)區(qū)域以及林齡等因素的影響，不同地區(qū)人工植被恢復(fù)對土壤容重會產(chǎn)生不同的影響，甚至?xí)沟猛寥廊葜卦黾樱档屯寥蕾|(zhì)量。為了綜合衡量我國北方干旱半干旱地區(qū)人工植被建設(shè)對于土壤容重的影響后果，本文基于Meta分析的方法，通過對前人發(fā)表的相關(guān)獨(dú)立研究結(jié)果進(jìn)行定量合并分析，量化植被建設(shè)對土壤容重所產(chǎn)生的平均響應(yīng)程度，并通過深度的亞組分析，討論不同降水區(qū)域人工植被建設(shè)中，植被類型、建植年限等因子對土壤容重的影響特征，揭示中國北方干旱半干旱地區(qū)植被建設(shè)對土壤容重影響的普遍性規(guī)律，為該地區(qū)人工植被建設(shè)及生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)，并為土壤質(zhì)量性狀的調(diào)查及其改良利用的研究提供數(shù)據(jù)支撐。

2材料與方法

2.1文獻(xiàn)來源

在搜集文獻(xiàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，有關(guān)中國北方植被建設(shè)對土壤容重影響的文獻(xiàn)主要是以中文形式發(fā)表；部分以英文形式發(fā)表的，也可以在一些中文文獻(xiàn)中查到相關(guān)結(jié)果。因此，本文的主要文獻(xiàn)來源是中國CNKI學(xué)術(shù)總庫、維普中文科技期刊數(shù)據(jù)庫。通過建立嚴(yán)格的文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)（表1），本項(xiàng)研究共搜集到33篇涉及干旱半干旱地區(qū)植被建設(shè)對土壤容重影響的文獻(xiàn)作為再分析和研究的對象（表2）[5～36]。

表1文獻(xiàn)檢索標(biāo)準(zhǔn)

序號 文獻(xiàn)篩選標(biāo)準(zhǔn)

1文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)資料里至少包含一種植被建設(shè)（喬木建設(shè)、灌木建設(shè)）對土壤容重的影響

2文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)資料里必須具有實(shí)驗(yàn)組和對照組

3文獻(xiàn)資料的數(shù)據(jù)應(yīng)是具體的數(shù)值（包括圖表），數(shù)據(jù)包含平均值和標(biāo)準(zhǔn)差或者標(biāo)準(zhǔn)誤

4具有重復(fù)報(bào)道的數(shù)據(jù)值選用其中一種

2.2數(shù)據(jù)處理

用于Meta分析的數(shù)據(jù)變量包括人工植被恢復(fù)前后土壤容重的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。數(shù)據(jù)處理原理參考文章基于Meta分析的中國北方植被建設(shè)對土壤水分的影響[37]。通過計(jì)算，獲得ES（通過合并單個(gè)研究的效應(yīng)值所獲得的結(jié)合效應(yīng)值），SE（結(jié)合效應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)誤）。當(dāng)結(jié)合效應(yīng)值ES>0時(shí)，說明植被建設(shè)對土壤容重含量有增加效應(yīng)；當(dāng)結(jié)合效應(yīng)值ES<0時(shí)，說明植被建設(shè)對土壤容重有降低效應(yīng)。如果該分析結(jié)果的結(jié)合效應(yīng)值置信區(qū)間與0重疊，表明植被建設(shè)對土壤容重的影響未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平（P>0.05）；置信區(qū)間不包括0（均大于0或者均小于0），即說明P<0.05，表明植被建設(shè)對土壤容重的影響有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[38]。Meta分析過程在Excel 2007和Stata 11等軟件中進(jìn)行。

2.3數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

一般地，所發(fā)表的文章都存在發(fā)表偏見[39-41]，即幾乎所有的作者及編輯部都有更愿意報(bào)導(dǎo)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯著結(jié)果的趨向。一般只對已發(fā)表文獻(xiàn)進(jìn)行綜述的Meta-analysis常常會帶有系統(tǒng)性的正偏差[42-45]。因此，在進(jìn)行Meta 分析之前，采用線性回歸分析判斷所選用的33個(gè)文獻(xiàn)是否存在發(fā)表偏倚。分析結(jié)果表明，人工植被恢復(fù)后，不同植被建設(shè)后土壤容重的Meta分析無發(fā)表偏倚，表明Meta分析結(jié)果可靠。

3結(jié)果與分析

3.1人工植被恢復(fù)后土壤容重變化

如圖1、2、3所示，中國北方干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)后土壤容重變化均呈正態(tài)分布。植被建設(shè)后容重變化速率為0.0053 g/cm3·yr（95%CI=0.017），喬木和灌木栽植后土壤容重的變化速率分別為0.0023 g/cm3·yr（95%CI=0.017）和0.0079 g/cm3·yr（95%CI=0.017）。說明人工栽植灌木以后，土壤容重變化速率最快。

3.2不同類型人工植被恢復(fù)后土壤容重變化的Meta分析

由表3可知，干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)對土壤容重變化的影響顯著。所有植被恢復(fù)后土壤容重變化的效應(yīng)值為-0.209；喬木栽植后土壤容重變化的效應(yīng)值為-0.199；灌木栽植后土壤容重變化的效應(yīng)值為-0.222，說明在我國干旱半干旱地區(qū)，人工植被恢復(fù)都會降低土壤容重，并且灌木對土壤容重的影響效應(yīng)大于喬木。

3.3不同降雨區(qū)域人工植被恢復(fù)后土壤容重變化的Meta分析

由表4可知，不同降雨地區(qū)人工植被恢復(fù)對土壤容重均具有降低作用。人工喬木栽植后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨區(qū)容重的變化效應(yīng)分別為-1.205和-0.155；人工灌木恢復(fù)后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨區(qū)容重的變化效應(yīng)分別為-0.931和-0.213。說明在我國干旱半干旱地區(qū)，隨著降雨量的增加，該地區(qū)植被恢復(fù)對土壤容重的降低作用越大。其中降雨量超過400 mm地區(qū)，人工灌木栽植之后其土壤容重的降低效應(yīng)大于該地區(qū)喬木栽植對土壤容重的影響效應(yīng)。

3.4不同林齡人工植被恢復(fù)后土壤容重變化的Meta分析

由表5可知，不同林齡階段的人工喬木、灌木對土壤容重具有不同的影響效應(yīng)。除建植10～20yr的人工喬木外，0～10yr、>20yr的人工喬木以及各林齡階段的人工灌木對土壤容重均具有降低效應(yīng)。其中人工喬木栽植后，各林齡階段的喬木（0～10yr、10～20yr和>20yr）對土壤容重影響的效應(yīng)值分別為：-0.160、0.215以及-0.320；人工灌木栽植后，各林齡階段的灌木（0～10yr、10～20yr和>20yr）對土壤容重影響的效應(yīng)值分別是-0.368、-0.388和-0.363。各林齡段人工灌木栽植對土壤容重的影響效應(yīng)均大于相對應(yīng)的人工喬木恢復(fù)。

4討論

目前植被恢復(fù)對土壤質(zhì)量物理指標(biāo)的影響研究主要集中在對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性、容重、孔隙度、土壤水分、土壤滲透性等指標(biāo)的研究上， 其中水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性以及土壤容重是用于評價(jià)的重要指標(biāo)[46]。

Meta分析定量研究結(jié)果表明，干旱半干旱區(qū)不同人工植被恢復(fù)對土壤容重影響顯著，所有植被恢復(fù)后土壤容重變化的效應(yīng)值為-0.209（95%CI為：-0.415 ～ -0.004）。說明人工植被栽植后能顯著地降低土壤容重。不同區(qū)域大量的研究表明，植被恢復(fù)可以降低土壤容重，與本文研究結(jié)果一致。主要原因有：a.植被恢復(fù)通過增加地表凋落物和地下有機(jī)物（ 細(xì)根及根系分泌物） 輸入，從而顯著降低土壤容重[47，48]。b.土壤容重的大小和土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、腐殖質(zhì)含量等有關(guān)，受質(zhì)地、結(jié)構(gòu)性和松緊度等的影響而變化[4]。一方面，土壤容重對植被根系穿插產(chǎn)生影響，反過來，植物根系穿插也會對土壤容重產(chǎn)生一定的影響作用；另一方面，由于植物生長對于土壤結(jié)構(gòu)、腐殖質(zhì)含量等的影響，植物間接的影響土壤容重。容重小，表明土壤疏松多孔，結(jié)構(gòu)性良好；反之，則表明土壤緊實(shí)板結(jié)，并且缺少團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。c.在植被恢復(fù)過程中，植被能夠使土壤形成多級空隙的團(tuán)粒，而根系的穿插也使得土壤孔隙度顯著增加，從而對土壤容重產(chǎn)生影響。d.良好的植被恢復(fù)能對土壤產(chǎn)生正面影響，使表層土壤容重減小、孔隙度增加，從而使土壤穩(wěn)定入滲速率得到很大提高[49]。姜培坤等人的研究也表明了植被恢復(fù)后土壤物理性質(zhì)得到極大改善。主要表現(xiàn)在土壤容量明顯降低，土壤總孔度、通氣孔度增加和大于大團(tuán)聚體與大于水穩(wěn)性團(tuán)聚體總量的增加[50]。

其中，人工喬木栽植后土壤容重變化的效應(yīng)值為-0.199（95%CI為：-0.488 ～ 0.090）；灌木栽植后土壤容重變化的效應(yīng)值為-0.222（95%CI為：-0.514 ～ -0.070）。表明人工喬木、灌木均能在一定程度上降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)。但人工喬木栽植后土壤容重變化的效應(yīng)值的95%置信區(qū)間與0重疊，說明其影響不顯著。之所以出現(xiàn)這種情況，主要是因?yàn)楦珊蛋敫珊档貐^(qū)，喬木生長對水分的需求量遠(yuǎn)大于灌木[51]，即喬木類植物易導(dǎo)致土壤干旱，灌木次之。雖然二者在一定程度上均能夠降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，但由于不同需水量的原因，栽植灌木后的土壤改良效果會更佳。此外，由于喬木根系較深，灌木根系較淺，二者根系對于土壤容重的影響表現(xiàn)在不同的土層，一般情況下，灌木對于表層土壤容重的影響大于喬木對于土壤容重的影響。

通過對不同降雨區(qū)域人工植被恢復(fù)后土壤容重變化的Meta分析發(fā)現(xiàn)，人工喬木栽植后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨區(qū)容重的變化效應(yīng)分別為-1.205（95%CI為：-1.934～ -0.476）和-0.155（95%CI為：-0.511～ 0.201）；人工灌木恢復(fù)后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨區(qū)容重的變化效應(yīng)分別為-0.931（95%CI為：-1.422～ -0.441）和-0.213（95%CI為：-0.659～ 0.234）。研究結(jié)果表明，不同降雨地區(qū)人工植被恢復(fù)都能導(dǎo)致土壤容重降低，其中在降雨量0～400 mm地區(qū)的喬木、灌木栽植都能夠顯著地降低土壤容重，而超過400mm降雨量地區(qū)，人工植被恢復(fù)后，土壤容重有一定程度的降低，但效果不顯著。

不同林齡人工植被建設(shè)對土壤容重有一定的影響，其中0～10yr、大于20yr的人工喬木以及各林齡階段的人工灌木對土壤容重均具有降低效應(yīng)；而介于10～20yr的喬木栽植導(dǎo)致土壤容重增加。其中建植≥20yr的人工喬木以及建植≥10yr人工的灌木均對土壤容重產(chǎn)生顯著的降低作用。一方面說明了，隨著建植年限的增加，人工植被恢復(fù)對土壤容重的影響越顯著，主要原因在于隨著時(shí)間的累積，人工植被根系生長越旺盛，加之逐年累積的枯枝落葉層的作用，對于土壤容重的降低起到了十分重要的作用。另一方面，通過研究側(cè)面應(yīng)證了可人工灌木林地對土壤容重的降低效應(yīng)是優(yōu)于人工喬木林的，這與樊華等[52]的研究結(jié)果是一致的。

本文將整個(gè)中國北方不同降雨量地區(qū)以及不同林齡的人工喬木、灌木栽植對土壤容重的影響量化、客觀化，通過綜合分析，在干旱半干旱地區(qū)灌木栽植對土壤容重的降低效應(yīng)更為顯著。隨著林齡的增加，灌木對土壤容重的降低效益也好于喬木。因此在干旱半干旱地區(qū)廣泛的開展灌木植被恢復(fù)能夠有效的改善土壤環(huán)境質(zhì)量。

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