張永旺 ，王 俊 ，屈亞潭 ，劉世鵬 ，王 妍 ，上官周平

（1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安，716000； 2.中國(guó)科學(xué)院 教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西 楊凌，712100）

0 引 言

土壤是維持地球表面生態(tài)系統(tǒng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能為人類提供生活和生產(chǎn)原材料[1]。但是，全球范圍內(nèi)的土壤侵蝕，尤其是在中國(guó)黃土高原，已經(jīng)成為重要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，制約著人類的生存和發(fā)展，嚴(yán)重制約全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展[2]?？刂仆寥狼治g能夠改善生態(tài)環(huán)境，保護(hù)生態(tài)安全，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和人與自然平衡和諧[3]。植被恢復(fù)是控制土壤侵蝕的一個(gè)較好措施。近年來(lái)，隨著國(guó)家退耕還林還草政策的實(shí)施，黃土高原水土流失已顯著減少[4]?！狙芯窟M(jìn)展】土壤水分是制約植物生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)[5]，其作為調(diào)控植被群落演替的主要因子，在長(zhǎng)期的植被恢復(fù)和重建的過(guò)程中影響著植被群落的結(jié)構(gòu)和豐富度。隨著植被恢復(fù)，土地利用類型的變化能夠改變根系固氮，從而影響土壤表層物種的豐富度和組分，改善土壤物理性質(zhì)，最終改變表層特征。植被恢復(fù)同時(shí)也引起了土壤水分特征的變化。土壤水分特征曲線能夠表征土壤的基本特性，是進(jìn)行土壤水分運(yùn)動(dòng)及溶質(zhì)運(yùn)移定量分析時(shí)必不可少的重要參數(shù)[6]，土壤水分特征曲線能夠表示質(zhì)量含水率與土壤吸力之間的關(guān)系[7]。與傳統(tǒng)方法相比，利用土壤水分特征曲線測(cè)量土壤水分狀況省時(shí)省工且真實(shí)可靠[8]。代表土壤水分特征的2 個(gè)重要參數(shù)土壤水分有效性和持水性可以用土壤水分特征曲線來(lái)進(jìn)行測(cè)定。土壤水文條件與植被的光合速率、土壤碳分配、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)等密切相關(guān)[9]。土壤持水性（SWHC）可表示土壤對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的供水能力，可以通過(guò)土壤水分特征曲線的測(cè)定來(lái)確定田間持水量與凋萎系數(shù)間的含水率的差值來(lái)計(jì)算[10]，不僅可以估測(cè)土壤有效水，還可以判斷圍繞在膠體微粒表面附近的低于永久萎蔫點(diǎn)的吸濕水[11]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】目前，黃土高原隨著植被恢復(fù)土壤持水性的變化及影響因子的研究尚缺乏研究。除土壤持水性，土壤水分有效性（SWA）是另一個(gè)非常重要的土壤水分特征，它是指土壤水分被有效利用的程度，在各因子綜合作用下的動(dòng)態(tài)特性，能夠影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和微生物呼吸等功能[12]。土壤水分有效性與土壤溫度、植物生長(zhǎng)發(fā)育、根和土壤微生物呼吸、碳分配、葉片氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用的關(guān)系密切。但是，長(zhǎng)期的自然植被恢復(fù)過(guò)程中的不同恢復(fù)階段的土壤水分有效性及其影響因子的研究存在不足。【切入點(diǎn)】子午嶺林區(qū)面積約23 000 km2，其是黃土高原獨(dú)有的具備完整自然植被恢復(fù)序列的次生林區(qū)，本研究選擇子午嶺林區(qū)作為研究區(qū)來(lái)評(píng)價(jià)植被恢復(fù)過(guò)程中的土壤水分特征。假設(shè)土壤持水性和水分有效性在不同的恢復(fù)植被下的差異顯著，旨在明確不同植被恢復(fù)階段的土壤水分特征的變化并揭示其主要影響因子?！狙芯恳饬x】該研究可為黃土高原植被恢復(fù)過(guò)程中的水資源合理有效地管理和植被恢復(fù)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

連家砭林場(chǎng)（35°03′—36°37N′，108°10′—109°18′E）位于子午嶺林區(qū)的中心位置的甘肅省東部，海拔1 211～1 453 m，土壤為50～100 m 厚的次生黃土[13-14]。年均降雨量587 mm，且季節(jié)性變化大。本研究區(qū)的天然次生林是從18 世紀(jì)中期從棄耕地上發(fā)展起來(lái)的，先鋒樹(shù)種是山楊和白樺，遼東櫟是頂級(jí)群落樹(shù)種，沙棘是主要的灌木樹(shù)種，白羊草、苔草和長(zhǎng)芒草是主要的草本植物，主要土地利用類型是草地、灌木林地和喬木林地。草地、灌木林地和喬木林地的自然恢復(fù)年限分別為15、60 和150 a。自然植被恢復(fù)也是從草地到灌木林地再到喬木林地，恢復(fù)年限是通過(guò)年輪計(jì)數(shù)和查閱文獻(xiàn)材料獲得[15]。不同植被恢復(fù)階段的主要樹(shù)種見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)不同植被恢復(fù)樣地信息 Table 1 Information about plots of different vegetation types in study area

1.2 土壤采樣與分析

本研究選擇了3 種樣地（草地、灌木林地和喬木林地）作為研究對(duì)象。草地樣方為2 m×2 m，灌木林地樣方為5 m×5 m，喬木林地樣方為20 m×20 m。土壤樣品從每個(gè)樣地的表層分5 個(gè)土層（10、20、30、40 和50 cm）進(jìn)行采樣。原狀土樣需要先浸水24 h，使土樣充分飽和并稱質(zhì)量，再使用HITACHI CR21G離心機(jī)在20 ℃溫度下，在吸力為0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0、4.0、6.0、10.0×105Pa 的條件下測(cè)定土壤水分特征曲線[16]，由土壤水分特征曲線獲得的土壤飽和含水率、田間持水率和萎蔫含水率可計(jì)算總孔隙度、無(wú)效孔隙、通氣孔隙和毛管孔隙，土壤體積質(zhì)量采用烘干法測(cè)定。

1.3 土壤水分特征參數(shù)測(cè)定

本研究的土壤持水性和水分有效性通過(guò)土壤水分特征曲線計(jì)算，由擬合曲線得出的A值可表示土壤持水性，獲得的土壤孔隙可計(jì)算出水分有效性[17]。土壤水分特征參數(shù)A值由以下公式獲得：

式中：W為質(zhì)量含水率（%）；A和M為冪函數(shù)當(dāng)中上的參數(shù)，A值決定了曲線的高低，表示土壤持水性，即持水能力大小；M為常數(shù)，決定了土壤含水率隨土壤水勢(shì)降低而遞減的快慢；N為土壤吸力（Pa）。

田間持水率為吸力在-0.3×105Pa 時(shí)的土壤含水率（SWC），萎蔫含水率在吸力為-15×105Pa 時(shí)的SWC，速效水（RAW）和緩效水（SAW）的臨界點(diǎn)為-10×105Pa 時(shí)的SWC。RAW為-0.3×105～-10×105Pa時(shí)SWC，SAW為-10×105～15×105Pa 的SWC，總有效水（TAW）為RAW和SAW的總和，無(wú)效水（UAW）為低于-15×105Pa 時(shí)的SWC[18]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析來(lái)測(cè)定不同植被恢復(fù)階段的土壤水分特征的差異性，使用SPSS 16.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用Sigmaplot11.0 來(lái)制作回歸曲線，使用Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 不同恢復(fù)植被下的土壤水分特征擬合曲線 Fig.1 Soil water characteristic curves in different vegetation types

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分有效性與持水性

不同植被恢復(fù)下不同土層的土壤水分特征曲線明顯不同（圖1）。從圖1 可以看出，SWC隨著壓力的升高而降低，2×105Pa 作為一個(gè)臨界點(diǎn)，臨界點(diǎn)過(guò)后，SWC的降低趨勢(shì)在所有的植被恢復(fù)階段中都趨于平穩(wěn)。在20～50 cm 土層中，土壤水分特征曲線在喬木林地最高，在灌木林地最低，在草地階段居中，而在0～20 cm 土層中，在草地恢復(fù)階段低。不同植被恢復(fù)階段下不同土層的土壤水分特征參數(shù)A同樣呈差異顯著（圖2）。參數(shù)A值能夠表示SWHC的強(qiáng)弱。由圖中可以看出，在喬木林地階段，SWHC最高且與灌木林地和草地恢復(fù)階段相比，差異顯著（P<0.05），而SWHC的差異在草地和灌木林地階段無(wú)顯著性。

圖2 不同恢復(fù)階段的土壤持水性 Fig.2 Soil water holding capacity in different vegetation types

不同植被恢復(fù)下，不同土層的總有效水（TAW）、速效水（RAW）、緩效水（SAW）和無(wú)效水（UAW）量差異顯著（圖3）。0～10 cm 土層，草地中的TAW顯著低于灌木林地和喬木林地（P<0.05），灌木林地和喬木林地之間差異不顯著；10～20 cm 土層，灌木林地的TAW顯著高于草地和喬木林地（P<0.05），草地和喬木林地之間差異不顯著；20～30 cm 土層，3 種覆被條件無(wú)顯著差異；30～40 cm 土層，TAW從草地到灌木林地再到喬木林地呈顯著增加趨勢(shì)；40～50 cm土層，TAW在草地和灌木林地中顯著低于喬木林地。RAW和SAW在0～50 cm 土層中的變化與TAW相似。UAW在3 種覆被條件下的0～50 cm 土層與TAW、RAW和SAW相比是最高的，并且在喬木林地中最高，灌木林地和草地之間無(wú)顯著差異。

圖3 不同恢復(fù)植被下的土壤水分有效性 Fig.3 Soil water availability in different vegetation types

2.2 土壤體積質(zhì)量、顆粒組成和孔隙度

不同植被恢復(fù)階段的土壤體積質(zhì)量（BD）在不同土層中存在顯著差異（圖4）。0～20 cm 土層，草地階段的BD最高且差異顯著，20～50 cm 土層，草地、灌木林地和喬木林地間的BD無(wú)顯著差異。圖5 描述了不同恢復(fù)植被下的土壤顆粒組成差異。砂粒量（0.02～2 mm）隨著植被恢復(fù)，在0～10 cm 土層顯著增加，而黏粒（<0.002 mm）和粉粒（0.002～0.02 mm）量卻相反；10～40 cm 土層中的黏粒量灌木林地<喬木林地<草地；不同植被恢復(fù)階段下的砂粒、粉粒和黏粒在40～50 cm 土層中的差異不顯著。

圖4 不同恢復(fù)植被下的土壤體積質(zhì)量 Fig.4 Soil bulk densities in different vegetation types

表2 土壤持水性和有效性與其他因子間的相關(guān)性 Table 2 Correlation among soil water holding capacity, water availability and other factors

圖5 不同恢復(fù)植被下的土壤黏粒、粉粒和砂粒量 Fig.5 Soil clay, silt and sand content in different vegetation types

2.3 土壤水分有效性、持水性與土壤特性間的關(guān)系

土壤水分特征曲線參數(shù)A值所代表的土壤持水性與土壤水分有效性、土壤孔隙度、土壤顆粒組成和土壤體積質(zhì)量間呈顯著相關(guān)性（表2）。從表2 可以看出，0～50 cm 土層，不同植被恢復(fù)階段中的SWHC與SWA呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。代表土壤水分有效性的各個(gè)參數(shù)間顯著正相關(guān)（P<0.05）。無(wú)效孔隙與無(wú)效水顯著正相關(guān)，體積質(zhì)量與黏粒和粉粒呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），而與砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），黏粒量和BD與速效水和總有效水呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），而速效水和總有效水和通氣孔隙與毛管孔隙極顯著正相關(guān)（P<0.01），SWHC與IP顯著正相關(guān)（P<0.05），黏粒和體積質(zhì)量與速效水顯著負(fù)相關(guān)，砂粒、總孔隙度、通氣孔隙和毛管孔隙卻與速效水顯著正相關(guān)。

不同恢復(fù)植被下的土壤孔隙度見(jiàn)圖6。不同土層土壤孔隙度（總孔隙度（TP）、通氣孔隙（AP）、毛管孔隙（CP）和無(wú)效孔隙（IP））在不同植被恢復(fù)階段下差異顯著。草地階段，0～30 cm 土層中的TP、IP和CP處于中等，在30～40 cm 土層中，TP、IP、AP和CP最低；灌木林地階段，TP、AP和CP在0～10 cm土層中最高，而IP在0～20 cm 土層中最低，在30～40 cm 土層中，TP、IP、AP和CP居中，而在40 ～ 50 cm土層中，TP和CP最高；喬木林地階段，在10 ～20 cm土層中，TP和CP最低，而在在20～40 cm 土層中，TP、IP和CP最高，在40～50 cm 土層中，IP最高，AP最低。

圖6 不同恢復(fù)植被下的土壤孔隙度 Fig. 6 Soil porosity in different vegetation types

3 討 論

土壤水的基質(zhì)勢(shì)（或土壤水吸力）隨土壤含水率而變化，其關(guān)系曲線稱為土壤水分特征曲線。該曲線反映了土壤水分能量和數(shù)量之間的關(guān)系，是研究土壤水動(dòng)力學(xué)性質(zhì)必不可少的重要參數(shù)，它可反映不同恢復(fù)植被下土壤的持水性和土壤水分有效性，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有重要意義。本研究中，灌木林地和喬木林地的土壤水分特征曲線低于草地，這可能與不同植被恢復(fù)階段的土壤顆粒組成有關(guān)，與草地階段相比，灌木林地和喬木林地階段的黏粒量較低，那么所能固持的土壤含水率較低，即便是二者具備較高的砂粒量，由于砂粒量比黏粒吸收的水分較少水分。從而導(dǎo)致土壤含水率在草地階段較高，這與Yang 等[19]的研究結(jié)果一致。

土壤持水性能是指土壤吸收水和滯留水的能力，飽和含水率包括了吸收水和滯留水[20]。土壤持水性受土壤顆粒組成的影響較大，而土壤體積質(zhì)量和孔隙度是土壤顆粒組成的重要表征[21]，三者能夠改變土壤水分狀況，尤其是土壤持水性[22]。本研究中，不同植被恢復(fù)階段的土壤持水性由土壤水分特征曲線參數(shù)A值來(lái)表示，A值在植被恢復(fù)過(guò)程中的喬木林地階段中最高，表明在此階段的土壤持水性最強(qiáng)，這可能是由于喬木林地階段的無(wú)效孔隙較高，土壤體積質(zhì)量較小，從而增加無(wú)效孔隙貯存的水分。此外，也與喬木林地階段具有能夠吸收較多水分的強(qiáng)大根系[15]有關(guān)。土壤水分入滲過(guò)程和滲透能力決定了降雨過(guò)程中的水分再分配，從而影響了土壤水分狀況、地表徑流和流域產(chǎn)流[23]，在植被恢復(fù)的草地階段的土壤持水性最弱，可能與草地階段的植被較少有關(guān)，降水后表面徑流較多，大大降低了入滲[20]。因此，孔隙度和體積質(zhì)量是影響土壤持水性的重要因子。

在土壤含水率較高或較低的情況下，土壤水分有效性會(huì)制約根系和微生物活性[24-25]，還會(huì)影響地下碳分配和底物有效性。本研究中，土壤水分有效性在植被恢復(fù)過(guò)程中的喬木林地階段中最高，草地最低，灌木林地居中，隨著植被恢復(fù)，土壤水分有效性逐漸提高。這可能是由于隨著植被恢復(fù)，土壤顆粒中的砂粒量提高了，黏粒量減少了，土壤質(zhì)地明顯得到了改善[26-27]。另外，可能也與隨著植被恢復(fù)逐漸增加的土壤孔隙度有關(guān)。土壤貯存和保持水分的能力隨著孔隙度的升高而增強(qiáng)。進(jìn)而提高了土壤水分有效性[28]。本研究中的土壤水分有效性與砂粒量和孔隙度正相關(guān)，與黏粒量負(fù)相關(guān)，這與Udawatta 等[29]的研究結(jié)果一致?？梢?jiàn)，土壤水分有效性的關(guān)鍵影響因素為土壤孔隙度、顆粒組成和體積質(zhì)量。

土壤即碳庫(kù)又是碳源，隨著植被恢復(fù)，土地利用類型發(fā)生變化，進(jìn)而引起了土壤功能的變化[30]。在早期的研究中，隨著從草地到灌木林地再到喬木林地的植被演替，SOC逐漸提高，土壤儲(chǔ)水量與土壤碳儲(chǔ)量呈負(fù)相關(guān)[31]。Zhao等[28]指出有機(jī)質(zhì)在土壤團(tuán)聚體的形成中作用很大，進(jìn)而促成了不同孔隙的土壤固形物的形成，由于隨著植被恢復(fù)土壤有機(jī)質(zhì)積累的增加，不可避免地影響到土壤孔隙，這與Deng 等[30]的研究結(jié)果一致，Zhao 等[28]也證實(shí)土壤孔隙度是影響黃土高原自然植被恢復(fù)過(guò)程中的土壤水庫(kù)的最重要的因子之一。在我們?cè)缙诘难芯恐?，土壤N 和P 與土壤儲(chǔ)水量呈負(fù)相關(guān)[32]，這可能是由于隨著植被恢復(fù)，葉片N 和P 的增加導(dǎo)致土壤中N 和P 的增加。此外，Luo 等[33]還提出N 動(dòng)態(tài)是調(diào)節(jié)土壤固碳的主要因子，限制作物生產(chǎn)的最常見(jiàn)的因子之一就是N。因此，土壤C、N 和P 可能是除土壤物理特性外影響植被恢復(fù)過(guò)程中的土壤水分特征的重要化學(xué)因素。

4 結(jié) 論

黃土高原植被恢復(fù)過(guò)程中，不同恢復(fù)階段的土壤水分特征顯著不同。隨著植被恢復(fù)，土壤持水性和土壤水分有效性從草地到灌木林地再到喬木林地呈上升趨勢(shì)。土壤特性在恢復(fù)過(guò)程中也得到了改善，土壤顆粒組成、土壤孔隙度、體積質(zhì)量和土壤N、P、K是影響土壤持水性和有效性關(guān)鍵因子。