退耕還林(草)對黃土高原不同土地利用方式下土壤剖面水分含量的影響

史君怡, 王國梁,2, 劉國彬,2

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

生態恢復是全球面臨的一個重要的環境問題，植被恢復與重建是人類治理退化生態系統的重要手段和內容[1]，而土壤水分是干旱、半干旱地區植被建設及恢復的重要生態限制因素[2-3]。日本的宮脅昭早在20世紀70年代就在城市中進行了環境保護林重建研究[4]；美國在羅斯福當政期間便實施了“綠腰帶”工程；二戰后，蘇聯則提出了規模超過美國的“改造大自然計劃”；我國政府則自1995年起在黃土區實施了很多重要的林業生態工程，開展了黃土區生態環境改善和植被恢復工作[3]。隨著退耕還林(草)政策的實施，黃土高原地區植被總蓋度至2005年已達42.2%[5]。但受限于營造初期的林業科學認知水平和對土壤水分這一“箍桶”效應中的短板，在防護林營造和退耕還林還草工程建設過程中沒有充分考慮到黃土區水土資源的特點，在黃土區形成了較大面積的小老樹林和生產能力差的人工林，對植被修復和土壤水分環境產生了負面影響[3,6-7]。

植物生長與土壤水分關系嚴重失調，使多年生人工林草地出現了土壤旱化，甚至當土壤含水量降低到一定程度時，形成土壤干層[8]。人工林流域土壤基流減少或消失等典型現象，顯示了目前黃土區植被與土壤水分的“緊張關系”[3]。黃土高原土地資源利用方式呈現多種結構，不同土地利用類型的土壤含水量和空間變異情況有顯著差異[9-10]，充分認識各種土地利用條件下土壤的水分狀況及其變化規律是有效利用土地資源的前提[11]。

雖然針對干旱半干旱地區植被建設對土壤水分影響相關研究并不少見，然而研究結果仍不盡一致，且均為小范圍研究，由于數量限制、研究本身的偶然性等原因，很難客觀評價區域植被恢復，尤其是大面積生態恢復的水文效應，存在較大隨機性而缺少整合分析[12]。Meta分析為解決該問題提供了可靠方法。本文以黃土高原為研究對象，通過系統搜集相關文獻，研究退耕還林(草)工程下不同土地利用方式對土壤水分的影響，旨在為干旱半干旱地區土地合理利用和生態環境建設與發展提供科學依據。

1　研究區概況

黃土高原指黃河中上游主要被黃土所覆蓋的地區，位于北緯33°41′—41°16′，東經100°52′—114°33′。該區屬大陸性季風氣候，多年平均降雨量為200～700 mm，總的趨勢是從東南向西北遞減。東南部為半濕潤區，年降雨量600～800 mm，年均氣溫8～14℃，干燥指數1.0～1.5；中部為半干旱區，年降水量400～600 mm，年均溫4～12℃，干燥指數1.5～2.0；西北部為干旱區，年降水量100～300 mm，年均溫2～8℃，干燥指數2.0～6.0。植被自東南向西北依次分布著暖溫帶落葉闊葉林帶的南部亞地帶和北部亞地帶，與溫帶草原地帶的森林草原、典型草原和荒漠草原3個亞地帶[13]。黃土高原土壤在地域上呈現出地帶性分布規律由東南向西北依次出現褐色土→黑壚土、黃綿土、灰鈣土→栗鈣土→棕鈣土→棕漠土→風沙土等。

2000年，國家啟動了退耕還林(草)工程，即將坡度>25°坡耕地退耕還林(草)。部分耕地上進行了造林種草，部分退耕地進行了封育恢復。

2　文獻來源與研究方法

Meta分析是一種較高一級邏輯形式上的定量綜合研究結果的方法[14]。20世紀90年代后,Meta分析被引入生態學領域的研究,并得到高度的重視和長足的發展[15]。

本文主要采用Meta分析和SPSS分析相結合的方法，對前人發表的相關獨立研究結果進行定量合并分析。文獻主要來源有：維普中文科技期刊、中國學術期刊全文數據庫、萬方數字化期刊全文數據庫、中國優秀碩士學位論文全文數據庫、中國博士學位論文全文數據庫、SpringerLink、SDOL、SCI科學引文索引數據庫。文獻篩選條件見表1。

表1　文獻檢索標準

利用Meta分析，效應值計算公式為：

(1)

式中:Xe為試驗組值，表示退耕還林(草)后土壤水分含量；Xc為來自于同一文獻中與Xe對應的對照組值，表示農耕地土壤含水量。合并分析效應值前，采用卡方檢驗法進行異質性檢驗。經檢驗，本文選用固定模型進行結合效應值計算。計算后，若合并效應量的95%置信區間包含0，則表明效應合并量與0的差異無統計學意義，即試驗組與對照組差異無統計學意義；否則，則表明效應合并量與0的差異有統計學意義，即試驗組與對照組間差異有統計學意義。若結合效應值>0，則植被建設對土壤水分含量有增加效應；結合效應值<0，則植被建設對土壤水分有降低效應[12]。

通過嚴格篩選，本項研究共搜集到黃土高原地區62篇符合上述條件的文獻作為再分析和研究的對象。其中草原區15篇、森林草原區33篇、森林區18篇(其中有兩篇文獻此3個區都有研究)(圖1)。

圖1　黃土高原分區與研究樣點分布

3　黃土高原區劃

根據李銳等[13]的植被區劃分界線，將該區劃分為草原大區、森林草原大區和森林大區(圖1)，并將草原區劃分為典型草原亞區和荒漠草原亞區。森林—森林草原分界線：位于黃土高原東南部，東起山西省靈丘，南下紫金山，向西南過黃河，南沿清水、天水，向西北過彰縣，抵達曲界一線以南地區；森林草原—草原分界線：東起山西大同南部，經偏關、河曲至陜西北端，西至甘肅隴中止于循化；典型草原亞區和荒漠草原亞區分界線：北起內蒙古包頭市，沿西南行經庫布齊沙漠東南部和鄂托克旗，止于蘭州及以西區界。本文草原區只研究典型草原亞區，不涉及荒漠草原亞區。根據3個分區的降雨量、氣溫、蒸發量、干燥度指數等數據，3個分區分布對應于干旱、半干旱、半濕潤區。

4　結果與分析

根據植被根系分布特征和降雨對土壤含水量影響深度特征，將坡耕地退耕為草地分0—20，20—40，40 cm以下3個層次；退耕為灌木林分0—20，20—40，40—60，60 cm以下4個層次；退耕為喬木林分0—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下6個層次。

4.1　典型草原亞區退耕還林(草)對土壤水分的影響

典型草原亞區坡耕地退耕為草地，原坡耕地平均含水量為11.97%，轉變為草地后為10.82%，顯著降低9.64%。隨土層深度增加，原坡耕地和退耕草地土壤含水量均呈降低趨勢；其中0—20，20—40 cm土壤含水量無顯著變化，但40 cm以下土層土壤水分顯著降低17.23%，和原坡耕地對應土層相比，隨土層深度增加，土壤含水量降低效應增大。

坡耕地退耕為灌木地，原坡耕地平均含水量為11.97%，轉變為灌木地后為10.66%，顯著降低14.67%。隨土層深度增加，原坡耕地和退耕灌木地土壤含水量呈降低趨勢；其中0—20，20—40，40—60 cm土壤含水量無顯著變化，但60 cm以下土壤水分顯著降低31.19%，與原坡耕地對應土層相比，60 cm以下土壤含水量降低效應最大，40—60 cm降低效應最小。

坡耕地退耕為喬木地，原坡耕地平均含水量為11.10%，轉變為喬木地后為8.97%，顯著降低19.20%。隨土層深度增加，喬木地土壤含水量呈減小趨勢；其中0—20 cm土層土壤含水量無顯著變化，但20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下各層土壤水分顯著降低15.65%，18.09%，19.94%，23.09%，35.35%，與原坡耕地對應土層相比，隨土層深度增加，土壤含水量的降低效應呈增加趨勢。

由上可知，退耕還林使得該區土壤含水量總體均顯著下降，且建設為喬木林下降幅度最大，而建設為草地下降幅度最小，和胡江波[16]、馬祥華[17]等研究一致，該區年降雨量小，氣候干燥，降雨對土壤水分補充困難，因而該區植被生長適宜性為：草地>灌木>喬木，草原區不宜建設喬木、灌木林，以恢復小耗水量草本為主。同坡耕地相比，人工林、草地雖減小土壤蒸發和地表徑流,但增加了植被蒸騰和截留蒸發,總耗水量增加,土壤含水量降低，加劇土壤干燥化[18]，黃土高原土壤水分含量為降低型[19]，農地土壤含水量較高[20]，退耕后生物量變大，地表結皮增加，入滲減少，土壤含水量降低。

表2　典型草原亞區退耕還林(草)對土壤水分影響的基本特征

注：S為標準差，D是各個研究效應的加權平均，Du是95%置信區間上限，Dl是95%置信區間下限，下表同。

注：*為土壤水分變化效應顯著，ns為不顯著，下圖同。

圖2典型草原亞區坡耕地退耕為喬、灌、草土壤剖面水分變化

4.2　森林草原區退耕還林(草)對土壤水分的影響

森林草原區坡耕地退耕為草地，原坡耕地平均含水量為12.83%，轉變為草地后為9.28%，顯著降低27.69%。隨土層深度增加，退耕草地土壤含水量均呈降低趨勢；其中0—20，20—40，40 cm以下各層土壤水分分別顯著降低20.96%，26.78%，34.50%；和原坡耕地對應土層相比，隨土層深度增加，土壤含水量降低效應增大。

坡耕地退耕為灌木地，原坡耕地平均含水量為11.80%，轉變為灌木地后為8.32%，顯著降低29.45%。隨土層深度增加，退耕灌木地土壤含水量均呈降低趨勢；其中0—20，20—40，40—60，60 cm以下土壤水分分別顯著降低13.46%，25.30%，38.16%，38.72%；和原坡耕地對應土層相比，隨土層深度增加，土壤含水量降低效應增大。

坡耕地退耕為喬木地，原坡耕地平均含水量為11.80%，轉變為喬木地后為7.68%，顯著降低34.93%。其中0—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下土壤水分分別顯著降低19.98%，34.58%，35.56%，38.92%，39.04%，41.08%；和原坡耕地對應土層相比，隨土層深度增加，土壤含水量整體降低效應增大。

由上可知，退耕還林(草)使該區土壤水分總體呈降低趨勢且建設為喬木林下降幅度最大。該區不宜大面積恢復喬木林，可在溝道、陰坡下部等恢復喬木林，以營造草灌混交林為主。

表3　森林草原區退耕還林(草)對土壤水分影響的基本特征

圖3　森林草原區坡耕地退耕為喬、灌、草土壤剖面水分變化

4.3　森林區退耕還林(草)對土壤水分的影響

森林區坡耕地退耕為草地，原坡耕地平均含水量為16.12%，轉變為草地后為16.06%，土壤含水量無顯著變化。其0—20，20—40，40 cm以下土壤水分均無顯著變化；和原坡耕地對應土層相比，40 cm以下土壤含水量降低效應最大，0—20 cm土壤含水量呈增加效應。

坡耕地退耕為灌木地，原坡耕地平均含水量為15.80%，轉變為草地后為14.79%，土壤含水量無顯著變化。其中0—20，20—40，40—60，60 cm以下土壤水分均無顯著變化；和原坡耕地對應土層相比，20—40 cm土壤含水量降低效應最大，40—60 cm土壤含水量降低效應最小。

坡耕地退耕為喬木地，原坡耕地平均含水量為16.67%，轉變為草地后為17.54%，土壤含水量無顯著變化。其中0—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100 cm以下各土層土壤含水量均無顯著變化；和原坡耕地對應土層相比，0—20 cm土壤含水量呈降低效應，其余各層均增加，且80—100 cm增加效應最明顯。

由上可知，退耕還林(草)對該區土壤水分未發生顯著影響，可滿足喬灌草植被生長，因此該區可營造喬灌草復合型植被。加以考慮植被氣候分區，水分不是該區植被恢復的限制因素，森林具有更好的水源涵養和固持水土功能，因而最好恢復為森林，但鑒于黃土高原地區蒸發量遠遠高于降雨量的氣候特點，應選擇低耗水樹種且造林密度不宜過大，使得土壤水分實現良性循環利用。

表4　森林區退耕還林(草)對土壤水分影響的基本特征

圖4　森林區坡耕地退耕為喬、灌、草土壤剖面水分變化

4.4　退耕還林(草)對不同分區和不同土地利用方式下土壤水分的影響

土地的不同利用方式會改變土壤性質和植被對地表的覆蓋，從而影響土壤含水量[20]。草原區和森林草原區，草地和喬木地土壤含水量具有顯著差異，而森林區灌木地和喬木地具有顯著差異(表5)，這可能是由于草原區和森林草原區降雨量小蒸發量大，喬木大量蒸騰耗水，消耗土壤水分；森林區，降雨量足夠喬木生長且其充分發揮了截留降水、涵養水源作用，而灌木相較草本蒸騰量大，相較喬木又保持水分效應差，因而其消耗土壤水分最大。

表5　不同土地利用方式土壤水分差異比較

注：表中字母不同代表差異性顯著，字母相同代表差異性不顯著。

表6　不同分區土壤水分差異比較

注：表中字母不同代表差異性顯著，字母相同代表差異性不顯著。

5　討論與結論

5.1　討 論

(1) 在草原區和森林草原區，隨深度增加土壤含水量呈下降趨勢，這和尹光彩[21]、王孟本[22]等研究結果一致，這可能是由于隨著自然群落的演替和發育，枯枝落葉或腐殖質增多，改良了表面土壤，蓄水能力加強，表層水分得到恢復[23]；但是森林區研究結果與此相反，地表土壤含水量相對較低，后呈增加趨勢，這和宋娟麗[24]等對黃土高原南部刺槐林的研究結果一致。在不同分區，出現這種差異，可能是由于氣候條件和土壤導致的。土壤顏色越深，吸收熱量越多，溫度越高，蒸發量越大[25]，根據有關參考資料，黃土、棕土和黑土的蒸發量分別比白土大7%，19%和32%[26]。根據前文所敘述的區劃信息，森林區以褐色土和黑壚土為主，蒸發量大，導致地表土壤含水量低。

(2) 本文研究3個分區均為喬木林100 cm以下深度的土壤含水量值最低、波動范圍最小，這和余雷等[25]研究結果一致。這可能是由于隨著群落演替，植物大部分是深根系，通過吸收更深層的水分來維持生長，深層土壤水分逐漸消耗[23]，造成土壤干燥化程度加深，而該區小量降雨無法補充深層水分虧缺，長此以往，可能導致土壤干層的出現[27]。

(3) 本研究的3個分區，森林草原區土壤含水量最小且3個分區相互之間土壤含水量均有顯著差異，這和張哲等[28]的研究結果一致。植被恢復導致土壤水分變化與地域緊密相關，退耕還林(草)在不同分區恢復植被類型不同，且造成土壤水分變化不同，濕潤地區退耕還林(草)反而可能增加土壤水分。

5.2　結 論

(1) 草原區不宜建設喬木、灌木林，以恢復小耗水量草本為主。森林草原區不宜大面積恢復喬木林，可在溝道、陰坡下部等恢復喬木林，以營造草灌混交林為主。森林區可營造喬灌草復合型植被，最好恢復為森林，但應選擇低耗水樹種且造林密度不宜過大，使得土壤水分實現良性循環利用。

(2) 3個分區均為喬木林100 cm以下深度的土壤含水量值最低、波動范圍最小，森林草原區土壤含水量最小且3個分區相互之間土壤含水量均有顯著差異。

在進行植被恢復、林地建設工程時，應根據氣候和土壤因地制宜選擇適生植物，不可一味求林，做到適地適樹，合理發展；同時，注意涵養水源，實施好水土保持措施，提高水分利用效率。

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