黃土高原陰/陽坡向林草土壤水分隨退耕年限的變化特征

安文明,梁海斌,王 聰,王 帥,李宗善,*,呂一河,劉國華,傅伯杰

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

黃土高原陰/陽坡向林草土壤水分隨退耕年限的變化特征

安文明1,2,梁海斌1,2,王 聰1,王 帥1,李宗善1,*,呂一河1,劉國華1,傅伯杰1

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

研究地點位于半干旱的黃土高原區，在坡向導致的土壤水分差異的基礎上,分析該區域撂荒草地和人工林地土壤水分隨退耕年限的變化特征,進而以自然草地為參照,分析不同坡向人工林地土壤水分虧缺程度。結果表明：總體上,陰坡土壤水分顯著高于陽坡,撂荒草地、自然草地和林地土壤水分在陰/陽坡之間的差異分別為：3.1%、2.6%、1.5%;可見,人工林地降低了由坡向導致的土壤水分的差異。在陰/陽坡上,撂荒草地土壤水分隨退耕年限增加皆呈顯著增加趨勢,并且,總體上,土壤水分的增加程度隨年限增加而增大,尤其在深層的土壤水分。而林地土壤水分在陰坡和陽坡皆呈顯著降低的趨勢;通過對比陰/陽坡不同土層土壤水分隨退耕年限變化趨勢,陽坡人工林地上層土壤水分(0—1m和1—2m)隨年限增加降低程度有所減少,然而,較深層(2—3m和3—4m)土壤水分在后期降低程度更大,而陰坡土壤水分隨年限增加的降低程度呈現與陽坡相反的趨勢；人工刺槐林地導致的土壤水分虧缺程度(以自然草地土壤水分為參考)隨著年限增加呈增加趨勢,且隨深度增加呈增加趨勢,總體上,陽坡人工林地除0—1m土層的土壤水分虧缺程度高于陰坡,其余土層平均土壤水分虧缺程度在前、中、后期皆低于陰坡。

土壤水分；坡向；恢復年限；土壤虧缺; 黃土高原

土壤水分是影響植被生長的關鍵因子之一,是連接土壤-植被-大氣的關鍵紐帶,對維持生態系統平衡和可持續性具有重要意義[1- 3]。尤其對于降雨稀少的干旱與半干旱區域,土壤水分是主要的限制因子之一[4]。土壤水分受多因子影響(氣候、植被、地形、土壤特性等),在較大尺度上(區域、全球等),氣候和土壤特性是其主要影響因子,而在較小尺度上(坡面、流域等),土壤水分主要受地形、植被影響[5-7]。

黃土高原屬于典型的干旱與半干旱區,土壤疏松、水土流失嚴重,區內溝壑縱橫、地形條件復雜。為控制嚴重的水土流失,退耕還林草工程的實施,使得土地利用方式有了大規模轉變,人工恢復植被已成為黃土高原主要植被類型[8-9]；而人工植被對土壤水分的過度消耗已經導致了土壤水環境的干化,甚至造成了生態系統退化,譬如在黃土高原普遍分布的土壤干層及“小老樹”現象[10-15]。因此,土壤水分對土地利用改變的響應已經成為研究熱點,許多學者已展開了相關研究[4-5,10,13-14]。地形通過對太陽輻射的影響間接影響土壤水分[16-19],研究發現,就坡向來說,土壤水分含量大小一般遵循：陰坡>半陰坡>半陽坡>陽坡,而且土壤儲水量以及土壤水分有效性同樣遵循該大小關系[20-22],即坡向在決定土壤水環境中起到重要的作用。因此,以不同坡向導致的土壤水環境差異為基礎進行土壤水分對生態恢復響應的研究有重要的生態學意義。目前,對于坡向導致的土壤水分的空間異質性雖已有較多研究,但在此基礎上進行的土壤水分隨不同退耕年限的變化趨勢及土壤水分虧缺差異的研究還比較少,因此,本文以黃土高原典型丘陵溝壑區撂荒草地和人工林地為研究對象,定量描述坡向因子(陰坡和陽坡)對土壤水分空間差異性的影響,闡明撂荒草地和人工林地土壤水分的差異性,并分析撂荒草地和人工林地土壤水分隨恢復年限梯度的動態變化規律,進而探討人工林地土壤水分的虧缺程度。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

本研究中的野外數據采集主要集中在延安地區,采樣點主要集中于延安市寶塔區(N36°33.13′; E109°26.58′)、安塞縣(N36°54.33′; E109°10.88′)、志丹縣(N36°45.23′; E108°37.22′)3個區域(圖1),屬于典型的黃土溝壑區,平均海拔高度1000—1500m,年均氣溫7.8—8.5℃,年平均降雨量500—530mm,年均蒸發量1600—1800mm,該區域屬于森林草原過渡帶,土壤類型主要為黃綿土,并且該地區屬于主要的退耕還林區域,在此背景下,人工刺槐林(Robiniapseudoacacia)分布面積大,成為主要主要植被恢復類型。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點設置

試驗于2015年5—6月份進行,采樣期間天氣晴好,沒有發生持續降雨天氣。本研究設置兩個坡向(陰坡和陽坡),陽坡定義為南偏東/西15°以內,陰坡定義為北偏東/西15°以內。于每個坡向中選3種地類(撂荒草地、自然草地、人工刺槐林地),采樣點的分布見圖1。陽坡共設置撂荒草地8個草地樣方： 5a撂荒草地、8a撂荒草地、15a撂荒草地、20a撂荒草地、30a撂荒草地、35a撂荒草地、2個自然草地,優勢物種主要是長芒草(Stipabungeana)、白羊草(Bothriochloaischcemum)、白蓮蒿(Artemisiasacrorum)、冰草(Agropyroncristatum),采樣點主要位于安塞紙坊溝、延安羊圈溝、志丹雙河鎮；林地設置8個刺槐林地樣方,包括5、8、16、20、25、30、35、40a,采樣點主要位于安塞紙坊溝、延安羊圈溝、志丹雙河鎮。陰坡共設置9個草地樣方： 5a撂荒地、10a撂荒地、15a撂荒地、16a撂荒地、20a撂荒地、30a撂荒地、33a撂荒地、35a撂荒地、兩個自然草地,優勢物種主要為冰草(Agropyroncristatum)、華北米蒿(Artemisiagiraldii)、白羊草(Bothriochloaischcemum)和長芒草(Stipabungeana),采樣點主要位于安塞紙坊溝、延安羊圈溝、延安羊圈溝；設置8個刺槐林地樣方： 5、10、15、19、25、30、33、45a,采樣點主要位于延安羊圈溝、延安燕溝、志丹雙河鎮。

1.2.2 采樣方法

于每個采樣點進行土壤樣品的采集,采樣用傳統的土鉆取樣法,采樣深度4m,采樣間隔20cm,每個樣方采兩個土壤剖面用以計算平均值,土壤采得后裝入專業鋁盒,稱量鮮重后以105℃烘干24h,用以計算土壤質量含水量；土壤樣品采樣的同時,記錄樣地的經緯度、海拔、坡度、坡向等地理信息,樣地年限的獲取主要通過詢問了解退耕情況的當地人,同時,于林地采樣時,進行年輪數據采集,用以判定林木生長年齡。

1.2.3 分析方法

土壤含水量的計算方法采用公式1：

(1)

每個樣地土壤水分平均值是兩個重復土壤剖面的平均值獲得,在進行土壤水分隨退耕年限的變化趨勢時,將年限分為三個階段：退耕初期(5—10a)、退耕中期(15—25a)、退耕后期(30a以上)；并將土層分為四層：0—1m、1—2m、2—3m、3—4m,并分別進行分析土壤水分變化特征。

2 結果與討論

圖2 陰坡與陽坡土壤水分對比 Fig.2 The comparison of soil water content between the sunny slope and shady slope

2.1 陰坡與陽坡土壤水分對比

通過計算陰坡與陽坡各地類平均土壤水分含量以對比陰/陽坡土壤水分的差異,如圖2所示。從總體水平來看,本研究調查的3種地類(撂荒草地,自然草地和林地)的陰坡土壤水分要高于陽坡的土壤水分,陰坡土壤水分整體上比陽坡高2.4%,其中撂荒草地高3.1%,自然草地高2.6%,人工林地高1.5%(圖2,表1)。坡向通過影響地表太陽輻射量而影響地溫,進而間接影響土壤蒸發和植被蒸騰[20, 23],導致陰坡的土壤儲水量相對較高,這與前人研究的結論相符[21-22],因此,對于小區/小流域等較小尺度的土壤水分研究中,不同坡向間土壤水分的差異應該作為土壤水分空間異質性的前提或背景。值得注意的是,人工林地土壤水分在陰/陽坡的差異明顯比撂荒草地和自然草地小,這在一定程度上說明人工造林活動將會降低由于地形因素導致的土壤水分含量的差異[24]。

表1 陰坡與陽坡不同土層土壤水分含量方差分析

NG: native grassland, AF: abandoned farmland,FL：forestland,std：標準差/ standard deviation

對比相同坡向中的3種地類的土壤水分可以看出,不管在陰坡還是陽坡,土壤水分含量總是遵循自然草地>撂荒草地>林地,在陽坡,撂荒草地土壤水分比自然草地少2.29%,林地比撂荒草地少4.2%,且在陰坡的數值分別為1.9%和5.7%。圖3為3種地類的土壤水分在土層1—4m的剖面變化規律圖,1m以上土層土壤水分,在陰坡和陽坡的自然草地和撂荒草地都成明顯的下降趨勢,而1m以下土層土壤水分呈現一定程度的波動式增加趨勢,陽坡自然草地土壤水分含量在11.6%—13.4%波動,撂荒草地土壤水分含量為8.2%—10.9%,在陰坡分數值分別為14.1%—17.4%和11.9%—15.7%,且在1m以下土層撂荒草地與自然草地的土壤水分含量差異更顯著(圖3, 表1)。在陰坡和陽坡,人工林地的土壤水分在整個剖面顯著低于撂荒草地和自然草地,且林地土壤水分隨著深度增加呈降低的趨勢,陽坡林地土壤水分范圍為6.0%—6.6%,陰坡土壤水分為6.4%—7.5%。土壤水分剖面分布與植被根系分布有直接關系[25],研究表明,黃土高原生態恢復中,人工刺槐林地有密集的深根系,因此對于深層土壤水分的消耗更為顯著[26],而草地根系主要集中在1m以內,因此對土壤水分的消耗主要集中于土壤表層[4, 8]。

圖3 陰坡與陽坡土壤水分剖面分布圖Fig.3 The profile distribution of soil water content of the sunny slope and shady slope

2.2 陰坡與陽坡土壤水分隨退耕年限的變化特征

圖4顯示了不同坡向上的撂荒草地和林地土壤水分隨退耕年限的變化趨勢。對于撂荒草地而言,陰/陽坡樣地土壤水分隨退耕年限增加皆呈現顯著增加趨勢(圖4a)。撂荒草地的演替過程屬于正向演替[27-29],而以降雨為主要來源的土壤水分是表征氣候特征的一個重要參數；因此在植被自然演替的過程中,土壤水分狀況也必然朝著適合于當地自然條件(即自然草地狀態)的方向發展,從此意義上講,撂荒草地是一種對土壤水分保持與恢復有積極作用的生態恢復方式。另外,陰坡撂荒草地土壤水分在調查年限范圍內(5—50a)的土壤水分的變化幅度為3.0%,陽坡土壤水分變化幅度為4.7%,這在一定程度上說明陽坡撂荒草地隨恢復年限梯度的土壤水分增加量要大于陰坡草地。對于人工林地而言,陰/陽坡土壤水分隨著退耕年限的增加皆呈現顯著的降低趨勢(圖4b),人工刺槐林屬于高耗水林型[30-31],為了滿足自身生長的需求,隨著年限的增加,對水分的消耗將逐漸增加,尤其是對深層土壤水分的消耗,甚至導致土壤水分嚴重虧缺,而形成土壤干層,王云強等研究表明,刺槐林地的土壤干層的厚度和深度隨生長年限的增加而呈增加的趨勢[32]。嚴重的土壤水分虧缺對人工林地會產生嚴重的負面影響,例如在黃土高原普遍存在的“小老樹”,以及人工林地退化后形成的稀疏林木的草地景觀[11, 14, 17]。陰坡林地土壤水分在調查的年限范圍內(5—45a),土壤水分的變化程度為2.0%,而陽坡為1.8%。本研究中為了更為詳細的展現土壤水分隨年限的變化,圖5顯示了陰/陽坡草地和林地不同土層土壤水分從退耕初期到中期,中期到后期,以及后期撂荒草地到自然草地的變化。對于撂荒草地而言,四個土層的土壤水分隨著植被演替的過程都呈正向的增加,然而,在不同的階段,每一土層的土壤水分的變化程度是不同的(圖5),對于陽坡來說草地來講,退耕初期到中期,土壤水分在2—3m增加最大,而中期到后期,土壤水分在3—4m增加最大(圖5a),對于陰坡草地來講,退耕初期到中期,土壤水分在1—2m增加最大,而中期到后期,土壤水分在2—3m增加最大(圖5b)。另外,值得注意的是,總體上,撂荒草地土壤水分在演替中期到后期的增加程度高于早期到中期(圖5a,b),這說明隨著草地演替的進行,在植被群落逐漸趨于相對穩定的演替后期,撂荒草地群落對土壤水環境的恢復和保持的作用更為積極。對于林地而言,四個土層的土壤水分隨著恢復發展都皆呈減少的趨勢。在陽坡,從退耕初期到中期,林地土壤水分降低的程度隨深入增加成減少趨勢(圖5c),而在中期到后期階段,該減少程度隨深度增加呈增加趨勢；在陰坡,從退耕初期到中期,人工林地土壤水分降低程度隨深度增加呈增加趨勢,而在退耕中期到后期,土壤水分降低程度隨深度增加呈降低的趨勢(圖5d)。

圖4 陰坡與陽坡土壤水分隨退耕年限的變化趨勢Fig.4 The dynamic characteristic of soil water content with increase in “growth years” of the sunny slope and shady slope

圖5 不同土壤層次的土壤水分在不同生態恢復階段的變化特征Fig.5 The variation characteristics of soil water content at different soil layer between the ecological restoration stagesE-M:前期到中期The Early Stage To Medium Stage,M-L：中期到后期The Medium Stage To The Later Stage,L-N: 后期到自然草地The Later Stage To Native Grassland

2.3 人工林地土壤水分虧缺的變化特征

林地土壤水分含量相對于自然草地土壤水分含量的減少比例可以反應造林引起的土壤水分虧缺程度[4,33]。圖6顯示了不同坡向人工林在不同土壤層次引起的土壤水分虧缺程度?？傮w上,人工林的土壤水分虧缺程度隨著造林年限的增加(前-中-后)呈增強的趨勢,且隨著土層深度的增加,土壤水分虧缺程度增強。對比陰坡與陽坡,在0—1m土層,陽坡土壤水分虧缺程度明顯高于陰坡,而對于所調查的其余3個土層,陽坡人工林地平均土壤水分虧缺程度在前、中、后期分別為44.66%、48.47%、54.83%,均低于陰坡人工林地的平均土壤水分虧缺,分別為50.94%、55.03%、58.77%。這說明,隨著長期的人工造林的發展,在坡向引起的土壤水分差異的基礎上,人工林對陰坡的負面影響更為強烈,造成的土壤水分虧缺更為嚴重,尤其對于深層土壤水分更為明顯。

圖6 人工林地不同土壤層土壤水分在不同生態恢復階段的土壤水分虧缺程度Fig.6 The soil water deficit of artificial forestland at different soil layer at different ecological restoration stages

3 結論

(1)陰坡土壤水分含量顯著高于陽坡,并且在所選的3種地類(自然草地、撂荒草地、林地)中皆是如此。然而,每種地類在兩坡向間的差異是不同的,人工林地縮小了坡向引起的土壤水分的差異；不管陽坡還是陰坡,林地對土壤水分的過度消耗使其整體上都低于草地(撂荒草地和自然草地),因此,人工林地對土壤水分的消極影響在土壤水分含量和空間異質性上都有體現。

(2)在以空間代時間的方法進行長時間序列的土壤水分動態分析中,人工林地土壤水分的動態趨勢與撂荒草地展現了截然相反的趨勢,人工林地土壤水分隨著林地生長年限的增加呈顯著的降低趨勢,而且在本研究中分的4個土層深度中都能發現顯著的降低趨勢,即林地對土壤水分的消耗隨時間的增加呈累加趨勢,最終導致的結果是隨著年限的增加由林地導致的土壤水分虧缺程度逐漸增強。而撂荒草地的土壤水分隨退耕年限的增加整體上呈上升的趨勢,而且在本研究中的四個土層深度土壤水分隨年限都呈上升趨勢,因此,撂荒草地作為一種主要的生態恢復方式對土壤水分的恢復有一定的積極作用。

基于以上分析,在以陰/陽坡土壤水分差異的基礎上,黃土高原人工林地對土壤水分的過度消耗導致水分含量顯著低于草地,由此導致的土壤水分虧缺程度隨著恢復年限增加而呈增強的程度,而且總體上土層越深虧缺程度越嚴重。作為黃土高原植被重建的一種方式,自然撂荒草地對土壤水分的恢復和保持作用均要優于人工林地,應該是一種比較合理的植被恢復策略。

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DynamiccharacteristicofsoilwaterwithanincreaseinrestorationyearsontheshadyandsunnyslopeaspectsoftheLoessPlateau

AN Wenming1,2, LIANG Haibin1,2, WANG Cong1, WANG Shuai1, LI Zongshan1,*, Lü Yihe1, LIU Guohua1, FU Bojie1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

This study was conducted in the semi-arid the Loess Plateau of China. On the basis of the differences in soil water content due to different slope aspects, the dynamic characteristic of soil water content in an abandoned farmland and artificial forestland with an increase in restoration years was analyzed, and on the basis of the amount of soil water in a native grassland, the soil water deficit in the artificial forestland on different slope aspects was also analyzed. Overall, the soil water content in the shady slope was significantly higher than that in the sunny slope; the difference in soil water content between the two slope aspects was 3.1% for the abandoned farmland; 2.6%, native grassland; and 1.5%, artificial forestland. Therefore, the excessive consumption of the artificial forestland with respect to soil water diminished the difference in soil water due to the different slope aspects. The soil water content of the abandoned farmland presented a significantly increasing trend with an increase in restoration years, and the degree of increase would also increase with the increase in restoration years. However, in the artificial forestland, a decreasing trend was observed; for the sunny slope, the degree of decrease in soil water content would decrease with an increase in restoration years at the layers of 0—1 m and 1—2 m; however, the degree of decrease in soil water content at the layers of 2—3 m and 3—4 m would increase with an increase in restoration years, and that was contrary at the shady slope. The soil water deficit in the artificial forestland presented an enhanced trend with the progress of ecological restoration and increase in soil depth. Overall, excepting the layers of 0—1 m, the soil water deficit in the artificial forestland on the sunny slope was lower than that on the shady slope.

soil water content; slope aspect; restoration years; soil water deficit; the Loess Plateau

國家自然科學基金項目(41571503);環保公益項目(201409055)

2016- 06- 24;

2016- 12- 01

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zsli_st@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201606241237

安文明,梁海斌,王 聰,王帥,李宗善,呂一河,劉國華,傅伯杰.黃土高原陰/陽坡向林草土壤水分隨退耕年限的變化特征.生態學報,2017,37(18):6120- 6127.

An W M, Liang H B, Wang C, Wang S, Li Z S, Lü Y H, Liu G H, Fu B J.Dynamic characteristic of soil water with an increase in restoration years on the shady and sunny slope aspects of the Loess Plateau.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):6120- 6127.