馮 棋,楊 磊,王 晶,石學圓,汪亞峰

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049 3 北京師范大學地理科學學部,北京 100875 4 中國科學院青藏高原研究所,北京 100101

土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,也是地表過程的重要紐帶[1,2]。尤其在干旱、半干旱的黃土丘陵區(qū),氣候干旱、降水稀少且地下水埋藏深,土壤水分是維持生態(tài)系統(tǒng)的直接水分來源,是這一地區(qū)生態(tài)恢復的關(guān)鍵制約因子[3-4]。近20年來,黃土高原大規(guī)模植被恢復使得人工植被成為主要的植被類型[5-6]。大規(guī)模植被恢復雖有效促進了黃土高原的脆弱生態(tài)系統(tǒng)恢復,提升了土壤保持、固碳等諸多生態(tài)系統(tǒng)服務,但植被生長的同時也大量消耗了土壤水分,導致土壤干燥化,威脅生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[7]。土壤水源涵養(yǎng)與固碳作為重要的生態(tài)系統(tǒng)服務,明確其對植被恢復的響應特征是黃土高原重要的研究議題[8]。

植被類型和生長年限均能影響土壤水分消耗與土壤固碳功能[9-10],并且土壤水分利用是植被恢復與固碳的必要條件,高效的碳同化與積累又有助于水分利用效率的提高[11-12],因此干旱、半干旱區(qū)的土壤水源涵養(yǎng)與固碳功能存在緊密的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。例如,Jia等[13]分析了陜北黃土丘陵區(qū)植被恢復后多種生態(tài)系統(tǒng)服務間的權(quán)衡關(guān)系,發(fā)現(xiàn)植被生長增加了生態(tài)系統(tǒng)碳固定卻降低了水的可用性。Lv等[8]研究黃土高原400—650 mm降雨梯度下大規(guī)模植被恢復后多種生態(tài)系統(tǒng)服務的變化同樣發(fā)現(xiàn)土壤有機碳與總氮的增加以過度消耗土壤水分為代價。明確不同植被恢復類型以及不同生長階段中土壤水源涵養(yǎng)和固碳兩種關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務的響應特征,對提升植被恢復的生態(tài)系統(tǒng)服務具有重要的科學意義。另一方面,黃土丘陵區(qū)黃土覆蓋深厚,人工植被根系較深,深層土壤的水分利用與固碳作用成為這一地區(qū)特殊的生態(tài)過程[14-15],深層土壤水分是該地區(qū)人工植被的重要水源,深層土壤有機碳也是黃土高原土壤碳庫的重要組成部分。然而,目前的研究多集中于淺層土壤剖面或針對單一生態(tài)系統(tǒng)服務的探討[9,16],或集中于土壤碳與氮對植被類型與生長年限響應的研究[9,17- 19],關(guān)于深層土壤有機碳與土壤水分對植被恢復的響應及二者相互關(guān)系的研究較少。系統(tǒng)研究不同植被恢復方式及生長年限對土壤水分和有機碳的影響,闡明深層土壤水源涵養(yǎng)與固碳的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,有利于合理的植被恢復類型選擇與配置,維持植被恢復的可持續(xù)性和穩(wěn)定性。

本研究以陜北典型黃土丘陵小流域為例,選取不同生長年限(0—37a)下的典型喬木、灌木和草本植被,以農(nóng)田為參照,對比分析不同植被恢復年限下土壤水分和有機碳的響應特征及二者關(guān)系,以期為黃土高原植被恢復可持續(xù)性維持和生態(tài)系統(tǒng)服務提升提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省安塞縣大南溝小流域(36°54′—36°56′N,109°16′— 109°18′E),流域海拔1075—1350 m,面積3.46 km2。多年平均降雨量549 mm,其中75%的降雨集中在6—9月間,年際變率達74.5 %。多年平均氣溫9℃,1月平均氣溫-8℃,7月平均氣溫22℃,年大于10℃積溫約為3170℃。流域?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū),地表切割破碎,沖、切溝發(fā)育,土壤類型主要為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土,粉粒占64%—73%,粘粒占17%—20%。土質(zhì)疏松,抗侵蝕性差。流域經(jīng)過多年的人工植被恢復,現(xiàn)主要土地利用有刺槐喬木林地、檸條灌木林地、撂荒地、天然荒草地、蘋果園地、梯田耕地和農(nóng)村居民點,其中刺槐、檸條、沙棘等為人工植被恢復恢復類型。

1.2 研究方法

1.2.1采樣點布設(shè)和樣品采集

于2017年8月在流域內(nèi)綜合考慮地形、植被類型、生長年限等因素,選取具有不同植被類型及恢復年限且地形條件較為一致的34個固定樣地(表1),各樣地地形、土壤等環(huán)境因子基本一致。選取1個長期耕作的農(nóng)田作為對照,研究不同植被恢復類型及生長年限對土壤水分和有機碳的影響。使用羅盤測定每個樣地的坡度和坡向信息,使用GPS測定各樣地海拔高度,坡向原始記錄以朝北為起點0°,順時針旋轉(zhuǎn)的角度表示。坡度(°)與海拔(m)以實際觀測值表示。

采用輕型人力鉆在每個樣地鉆取0—5 m深度的土壤樣品,以20 cm為間隔取樣。土壤樣品一部分裝入鋁盒后封裝,在105℃下烘干12 h測定其重力土壤含水量;另一部分裝入自封袋帶回實驗室自然風干,過篩后采用重鉻酸鉀法測量有機碳含量。

1.2.2數(shù)據(jù)分析方法

(1)土壤水分含量采用烘干法(105℃)測定。

(2)土壤有機碳(Soil organic carbon, SOC)含量測定取土壤樣品過0.15 mm篩后,采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法進行測定。

(3)土壤水分虧缺效應(Soil moisture deficit, SMD)用于評估不同植被恢復方式對土壤水源涵養(yǎng)的影響。

式中,SMDj,k為k層j植被恢復方式下土壤水分虧缺效應,SMCj,k為k層j植被恢復方式下土壤水分含量(%),SMC0,k為對照農(nóng)田k層土壤水分含量(%)。

(4)土壤固碳效應(Soil carbon sequestration, SCS)用于評估不同植被恢復方式的土壤固碳能力。

式中,SCSj,k為k層j植被恢復方式下土壤固碳效應,SCSj,k為k層j植被恢復方式下土壤有機碳含量(g/kg),SMC0,k為對照農(nóng)田k層土壤有機碳含量(g/kg)。

1.2.3統(tǒng)計分析方法

采用描述性統(tǒng)計分析不同植被恢復年限與不同恢復方式下土壤水分、有機碳分布與變化情況,并采用單因素方差分析、多重比較、回歸分析,研究不同植被恢復方式在植被恢復過程中水碳變化的差異性(P<0.05)。各類分析通過Origin 9.1完成。

表1 不同植被類型與生長年限樣地統(tǒng)計

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分對植被恢復的響應

由圖1可知,不同恢復年限的林地、灌木、草地土壤水分均低于未進行植被恢復的農(nóng)田,草地、林地、灌木0—5 m平均土壤水分含量依次降低,分別為8.30%、6.42%、5.54%。將植被恢復年限劃分為小于10a、10—20a、21—30a與大于31a四個階段,除第1階段外,第2、3、4階段間土壤水分含量差異較小,且隨退耕年限增加,土壤水分含量減少。由圖2可知,進行植被恢復的樣地在不同土壤深度內(nèi)均出現(xiàn)土壤水分虧缺,且水分虧缺均在2—3 m土層最為嚴重,表層0—1 m土壤水分虧缺最小。在0—5 m土壤剖面內(nèi),林地土壤水分虧缺在恢復至21—30a時高于前一階段(11—20a),隨后虧缺狀況在大于31a后得到緩解。灌木土壤水分虧缺總體呈逐漸增加趨勢,并在大于31a顯著增加。草地土壤水虧缺在0—5 m土層隨恢復年限延長顯著增加,但顯著低于林地、灌木。當植被恢復至10—20a時,灌木土壤水分虧缺高于林地,SMD分別為-0.70、-0.67;在恢復至21—30a時,林地土壤水分虧缺高于灌木、草地,SMD分別為-0.73、-0.70、-0.66。在恢復年限大于31a后,灌木水分虧缺高于林地,SMD分別為-0.75與-0.59。

圖1 不同植被恢復方式年限下土壤水分垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution of soil moisture content in different vegetation types and restoration ages

圖2 不同植被恢復方式與恢復年限下土壤水分虧缺效應Fig.2 Soil moisture deficit in different vegetation types and restoration ages大寫字母表示不同植被同一恢復年限間SMD的顯著性差異,小寫字母代表同一植被不同恢復年限間SMD的顯著性差異,如有一個字母相同表示差異不顯著(P<0.05,LSD)

2.2 土壤有機碳對植被恢復的響應

由圖3可知,林地0—5 m平均土壤有機碳含量高于灌木、草地,分別為1.97、1.77、1.72 g/kg。從時間分布來看,對照農(nóng)田與10a、10—20a、21—30a、31a土壤有機碳含量分別為2.11、2.07、1.81、1.88、1.82 g/kg。不同土壤剖面土壤有機碳含量隨植被恢復年限增加呈不同變化趨勢,在0—1 m、3—4 m土壤剖面,隨植被恢復年限增加土壤有機碳含量變化不顯著。在1—2 m、2—3 m土壤剖面,隨植被恢復年限增加,土壤有機碳含量波動遞減,在4—5 m土壤剖面,植被恢復后平均土壤有機碳含量高于對照農(nóng)田。

由圖4可知,三種植被恢復方式下土壤有機碳變化趨勢相似,在1—3 m土壤剖面固碳量為負,林地、灌木、草地2—3 m SCS分別為-0.25、-0.22、-0.32。林地0—1 m、3—4 m土壤剖面內(nèi)固碳量隨植被恢復年限增加而增加,在1—3 m、4—5 m土壤剖面內(nèi)呈先增加后減少趨勢,但在0—5 m土壤剖面內(nèi)隨恢復年限增加固碳量增加,SCS分別為-0.14、0.04、0.07。灌木固碳量隨植被恢復年限先增加后減少,第2、3、4恢復階段SCS分別為-0.09、-0.05、-0.27;草地固碳量隨植被恢復年限增加而減少,第1、3恢復階段SCS分別為0.02、-0.23。植被生長11—20 a時,林地土壤固碳量低于灌木,在生長至21—30a時,林地土壤固碳量則高于灌木與草地。

圖3 不同植被恢復方式與恢復年限下土壤有機碳垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution of soil organic carbon in various vegetation types and restoration ages

圖4 不同植被恢復方式與恢復年限下土壤固碳效應Fig.4 Soil carbon sequestration effect in different vegetation types and restoration ages大寫字母表示不同植被同一恢復年限間SCS顯著性差異,小寫字母代表同一植被恢復方式不同恢復年限間SCS顯著性差異,如有一個字母相同表示差異不顯著(P<0.05,LSD)

2.3 土壤水分/有機碳與植被恢復年限的關(guān)系

圖5展示了土壤水分、有機碳同植被恢復年限的關(guān)系。在0—5 m土層內(nèi),隨植被恢復年限增加,土壤水分均呈遞減趨勢,其中2—5 m土層顯著遞減。隨植被恢復年限增加,土壤有機碳在0—1 m、3—4 m土壤剖面增加,而在1—3 m有所減少,但土壤有機碳變化在各層土壤中均不顯著。由圖6可知,土壤水分與有機碳在1—2 m與3—5 m土層存在顯著的相互作用,土壤碳的增加分別為土壤水分增加的0.384、0.835、0.549倍(土壤有機碳與水分單位均為%的條件下)。

圖5 不同植被恢復方式土壤水分/有機碳與恢復年限關(guān)系Fig.5 Relationship between soil moisture/SOC content and restoration ages at each soil layer

圖6 不同深度土壤水分與土壤有機碳的關(guān)系Fig.6 Relationship of soil moisture and SOC content in different soil layers

3 討論

3.1 植被恢復對深層土壤水分的影響

植被主要通過根系的吸收、利用以及冠層截留對土壤水分產(chǎn)生影響[20]。不同植被恢復方式與恢復年限顯著影響水文過程,尤其是滲透與蒸散發(fā),從而導致土壤水分含量的時空異質(zhì)性[21-22]。黃土高原諸多研究表明農(nóng)田與草地土壤水分要高于林地[6,22- 24]。本研究中,不同植被恢復方式下土壤水分依次為農(nóng)田>草地>林地>灌木。耗水性喬灌木根系雖主要分布于0—2 m土層,但主根隨恢復年限的增加不斷下伸,成熟主根一般深達3—6 m,最大可達8 m以下土層,強烈消耗深層土壤水分[25]。農(nóng)田受人為耕作活動影響,表層土壤疏松且坡度平緩有利于降水入滲,且農(nóng)田內(nèi)多為淺根系作物,深層根系活動較少,因而在0—5 m土壤剖面內(nèi)水分含量較高。草地為退耕地,主要為自然演替的草本植物,與農(nóng)田土壤理化性質(zhì)相似[22],恢復前水分條件較好,且植物根系主要集中于2 m以內(nèi),對土壤水分的消耗相對較少[26]。

在干旱半干旱地區(qū),植被生長強烈依賴土壤水分。Chen等[27]研究了土地利用與土壤水分動態(tài)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)土壤水分消耗主要在生長季,雨季降水并不能完全補充土壤水分消耗。本研究中,不同植被恢復方式均發(fā)生土壤水分虧缺,且水分虧缺在表層0—1 m最低,2—3 m最高,這是因為不同深度土壤對水分消耗的驅(qū)動力存在差異,表層土壤水分消耗主要受植被蒸騰與土壤蒸發(fā)兩個水文過程影響,并且降水可補充表層水分的散失。2 m以下土壤水分受降水與土壤蒸發(fā)的影響弱而主要受植被根系的影響[28],因降水難以補充加上植物根系耗水而出現(xiàn)土壤干化現(xiàn)象。對于不同恢復方式,林地土壤水分虧缺在恢復至21—30a時顯著高于前一階段(11—20a),而在31a后土壤水分開始恢復。灌木、草地土壤水分虧缺隨恢復年限延長不斷增加。從心海等[29]研究表明不同林齡吸水層深度不同,恢復5—6a林地吸水層達3.5 m,8a可達5 m,即恢復時間越長,耗水越強。而馬祥華等[30]、李婧等[31]人的研究表明在植被恢復后期,人工林地土壤水分開始有所恢復。

3.2 植被恢復對深層土壤有機碳的影響

本研究中不同植被恢復方式下,0—5 m土壤有機碳含量依次為林地>灌木>草地。林地根系發(fā)達,表層凋落物較多,有機碳的輸入會促進團聚體形成[32-33]。此外退耕還林降低土壤侵蝕速率,減緩土壤有機碳的流失[34],并且較少的人為擾動也減少了土壤團聚體的分解,加強了對土壤碳庫的保護[35]。Dungait等[36]研究表明退耕還林中土壤有機質(zhì)的輸入可以通過形成酶腐殖質(zhì)絡(luò)合物,抑制碳分解酶在土壤中的活動從而降低有機碳的分解。草地光合產(chǎn)物主要分配于地下部分,根系是土壤有機碳輸入的主要形式,而由于草地植被稀疏,根系較淺,根生物量較低,尤其是深層土壤中根系更少,因此土壤有機碳含量較低[37]。

植被恢復可以導致土壤碳儲量的變化,碳流入與流出的平衡會因土地利用類型的變化而改變,這個過程中土壤作為碳源或是碳匯依賴于碳流入與流出的比例[38]。諸多研究表明[39]植被恢復后土壤有機質(zhì)含量在恢復初期有所降低,之后恢復至退耕前水平,此后出現(xiàn)凈增長。這可能因土壤碳的激發(fā)效應導致,即新的易分解有機質(zhì)的輸入可刺激在土壤中存在時間較長的有機質(zhì)的分解[40-41]。本研究中,林地土壤有機碳在植被恢復20年后有所增加,同樣反映了土壤有機質(zhì)的礦化分解與累積過程。受耕作和施肥影響,耕地表層土壤有機質(zhì)含量相對較高,這也為植被恢復初期植物的生長提供了有利條件,但隨著植被生長的不斷消耗,土壤有機質(zhì)含量出現(xiàn)一個降低的過程。植被的根系分泌物和殘落物是土壤有機碳的主要來源,隨著恢復過程中植被的生長和群落的演替,凋落物和死亡根系逐漸增多,有機質(zhì)含量得以恢復和累積。Deng等[9]在黃土高原安塞縣的研究表明隨植被恢復年限的增加,0—1 m土壤固碳量增加,且表層10 cm固碳量最高,表明土壤表層仍是有機碳存儲的關(guān)鍵層次。本研究中,1—3 m內(nèi)土壤有機碳隨植被恢復年限增加反而有所減少,表明不同深度土壤有機碳對植被恢復的響應有所不同。同時1—3 m也是土壤水分降低最為顯著的層次,表明深層土壤干化也限制了土壤對有機碳的固定,這可能與活性細根在缺水層分布減少有關(guān)[29],由于植物細根對土壤碳的貢獻大于植物地上部分[42],因而深層土壤水分的過度消耗也相應限制了深層土壤有機碳的固定。

本研究中,恢復大于30a灌木樣地主要為檸條,灌木固碳量隨恢復年限延長先增加隨后降低。曲衛(wèi)東等[43]和崔靜等[44]研究發(fā)現(xiàn)檸條土壤有機碳含量在恢復至40a時開始降低,這主要與檸條老化,生長不良有關(guān)。本研究中灌木樣地土壤有機碳的降低可能也與檸條林地老化有關(guān)。本研究中,草地固碳量隨退耕年限增加呈下降趨勢并且低于對照農(nóng)田,這與黨珍珍等[45]的研究結(jié)果一致?；謴驮缙诓莸厝郝洳煌锓N間的競爭以及對土壤養(yǎng)分競爭較為激烈,使草地植被蓋度下降,物種多樣性減少。并且棄耕前期植被覆蓋度低,土壤侵蝕嚴重,土壤有機質(zhì)被遷移至下層或下坡位,土壤有機碳減少[45]。Potter等[46]研究表明農(nóng)田恢復為草地后需大約100a土壤碳儲才可恢復至棄耕前水平,表明草地的土壤碳增匯需要較長過程。

3.3 深層土壤水分/有機碳與植被恢復的關(guān)系

從本研究可以看到,表層0—1 m土壤水分因降水補給隨恢復年限增加變化不顯著,而深層土壤水分隨恢復年限增加顯著降低,表明隨恢復時間延長,植物耗水量隨之增加。土壤有機碳在0—1 m、3—4 m土壤剖面隨恢復年限延長而增加,而在1—3 m有所減少,但土壤有機碳變化在各層土壤中均不顯著。這主要是因為控制有機碳輸入、積累、分解的過程較為復雜,地上枯落物、地上地下物質(zhì)分配、根系深度與生物量、土壤水分與微生物活動都對土壤有機質(zhì)的輸入速率與質(zhì)量產(chǎn)生影響[47]。水分不足是黃土高原植被恢復和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的首要限制因素[48]。在降水不足的干旱、半干旱區(qū),土壤水分的有效利用對于植被的生長起著至關(guān)重要的作用[49],碳的同化和積累也離不開水的參與,因此土壤水分的保持與土壤碳的固定并不是彼此孤立的兩個過程[11]。對于黃土高原土壤水分利用與固碳的以往研究集中于表層土壤[8],或在較大尺度上研究蒸散與初級生產(chǎn)力的關(guān)系[50],從而得出土壤水源涵養(yǎng)與固碳間的權(quán)衡關(guān)系。而本研究發(fā)現(xiàn)在深層土壤中,土壤水分與有機碳呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性(圖6),且土壤有機碳的增加速率低于土壤水分,說明深層土壤固碳與土壤水分含量關(guān)系緊密且土壤固碳需要大量土壤水分參與,因此深層土壤水分虧缺可能限制深層土壤的碳固定。這可能與水分虧缺制約深層細根生長[51],而細根是土壤有機碳的重要來源有關(guān)。表層土壤有機碳與水分間相關(guān)性不顯著,這主要與本研究尺度較小且表層土壤水分受氣候(降水、太陽輻射、風速)地形(坡度、坡向)植被類型等諸多因素影響[52],控制有機碳輸入與輸出的因素較多導致。

本研究結(jié)果表明,表層土壤是碳固定的關(guān)鍵層次,而深層土壤水分虧缺可能限制植被細根的發(fā)育,使深層有機碳輸入減少。在干旱、半干旱的黃土高原,人工植被恢復的土壤水分利用效率往往較低,且常常不能持續(xù)提供多種、正向的生態(tài)系統(tǒng)服務。進行大規(guī)模植被恢復時,所選物種的生長季與降水同步可以提高水分利用效率,并且自然與人工恢復方式應并重[22]。

4 結(jié)論

(1)不同植被恢復方式土壤水分均低于農(nóng)田,草地、林地、灌木土壤水分含量依次降低,分別為8.30%、6.42%、5.54%,這主要由不同植被間根系的生長、吸收、利用以及冠層截留差異導致;植被恢復后0—5 m土層均出現(xiàn)水分虧缺,因不同深度土壤對水分消耗的驅(qū)動力存在差異,水分虧缺在表層1 m最低,2—3 m最高;對于不同恢復方式,林地土壤水分虧缺在恢復至21—30a時顯著高于前一階段(11—20a),而在生長31a后開始恢復。灌木、草地土壤水分虧缺隨恢復年限延長不斷增加。

(2)林地、灌木、草地土壤有機碳含量依次降低;林地固碳量隨恢復年限增加,并且在恢復20a時固碳量與對照農(nóng)田相比出現(xiàn)凈增,反映了土壤有機質(zhì)的礦化分解與累積過程;灌木固碳量隨恢復年限先增加隨后降低,主要與檸條老化,生長不良有關(guān);草地固碳量隨退耕年限增加呈下降趨勢并且低于對照農(nóng)田,表明草地的土壤碳增匯需要漫長過程。

(3)表層0—1 m土壤水分因降水補給隨恢復年限增加變化不顯著,而深層土壤水分隨恢復年限增加顯著降低;但隨恢復年限增加,土壤有機碳變化在各層土壤中均不顯著。在深層土壤中,土壤水分與有機碳表現(xiàn)顯著的正相關(guān)性,且土壤碳的增加速率低于土壤水分,說明深層土壤固碳與土壤水分含量關(guān)系緊密且深層土壤固碳需要水分參與。深層土壤水分虧缺可能限制植被細根的發(fā)育,使深層土壤有機碳輸入減少。