丁文斌,王 飛

1 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所, 楊陵 712100

2 西北師范大學化學化工學院生態(tài)功能高分子材料教育部重點實驗室, 蘭州 730070

3 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊陵 712100

4 中國科學院大學, 北京 100049

土壤水是聯(lián)系地表水與地下水的紐帶,是水資源的形成、轉化與消耗過程中不可缺少的成分[1]。在干旱地區(qū),土壤水分是制約植物生長的主要生態(tài)因子,水文過程決定土壤-植被系統(tǒng)的演化方向和生態(tài)功能[2]。黃土高原由于受到大陸性季風氣候影響,降水量少而季節(jié)性強。土壤水分是保證黃土高原地區(qū)植被正常生長、農(nóng)林草業(yè)可持續(xù)發(fā)展及改善生態(tài)環(huán)境的關鍵[3—4]；其作為生態(tài)水文循環(huán)過程中不可缺少的部分,土壤水分動態(tài)變化過程受到氣候[5—6]、土壤[7—8]、地形[9]、植被[10—11]和土地利用/土地覆蓋[12—13]等多方面的影響。具體而言,在干旱半干旱地區(qū),土壤水分受到植被類型和土地利用的影響更加明顯[14]。到目前為止,土壤水分缺乏限制著黃土高原植被的進一步恢復[15—16]。因此,對土壤水分的深入研究是該地區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

自1999年退耕還林還草工程(Grain for Green Program, GGP)啟動以來[17],目前該工程被認為是中國最大的生態(tài)恢復工程[18]。截至2015年,該工程種植面積達到1.6×104km2,投資約87億美元,且黃土高原地區(qū)植被覆蓋率與十年前相比增加了25%[19]。大面積的植被建設使黃土高原生態(tài)環(huán)境得到明顯改善,具體表現(xiàn)為土壤固碳量增加[18, 20]、水土流失量減小[19,21]、土地荒漠化得到控制及生物多樣性增加[22]。然而,大面積的植被建設使得植被生長與水分需求的矛盾逐漸增加,土壤干燥化日益嚴重[23—25]。

基于以上綜述,大面積的植被建設改變了黃土高原土壤水分狀況,但對該地區(qū)土壤水分研究缺少整體性,且對水分消耗程度缺少量化。因此,為了全面具體的了解黃土高原地區(qū)植被建設對土壤水分的影響,本文基于前人研究的結果,采用CiteSpace文獻聚類分析和Meta效應分析,對黃土高原地區(qū)土壤水分研究的主要內(nèi)容進行總結,同時對不同降雨、地形、植被年限條件下土壤水分的變化特征進行了探討,旨在為黃土高原土壤水分可持續(xù)利用提供基本的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃土高原位于中國中部偏北部,經(jīng)緯度為101°00′E—114°33′E、34°00′N—45°05′N,面積為64×104km2,地跨山西、陜西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、青海、河北7省。黃土高原地勢由西北向東南傾斜,海拔在200—3000 m之間。年降雨量為150—800 mm,多年平均降雨量為466 mm,降雨量多集中于6—9月,占全年降水量的55%—78%,屬典型大陸季風氣候。黃土高原氣候呈現(xiàn)地帶性分布,降雨量由東南向西北方向遞減,平均氣溫由東南向西北方向遞減,干燥度由東南向西北方向遞減。

圖1 黃土高原植被建設對土壤水分相關研究的樣點分布Fig.1 Distribution of sampling sites of selected previous studies over Loess Plateau

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

CiteSpace分析文獻收集：本文以 Web of Science(WoS)數(shù)據(jù)庫核心合集作為數(shù)據(jù)源,檢索了2000—2020 年黃土高原植被與土壤水分的研究文獻232篇,其中使用檢索式為 TS=("soil moisture*" or "soil water")and("Loess Plateau")。

Meta分析文獻收集：設置標準為(1)研究區(qū)域為中國黃土高原,且研究年限為1999—2018年；(2)文章中至少包括一種植被建設(如喬木、灌木、草本)；(3)文章中至少包含試驗組和對照組,并包含有數(shù)值統(tǒng)計分析；(4)文章中對研究土層深度有明確的說明。根據(jù)以上標準,本文共篩選出文獻103篇,其中包括中文文獻60篇(58.3%)和英文文獻43篇(41.7%)。中文文獻來源為中國CNKI學術總庫(www.cnki.net)、維普中文期刊科技期刊數(shù)據(jù)庫(qikan.cqvip.com)和萬方中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(www.wanfangdata.com.cn)；英文文獻來源為Elsevier ScienceDirect (SDOL)(www.sciencedirect.com)、Springer電子期刊(https://link.springer.com)、Wiley-blackwell數(shù)據(jù)庫(https://onlinelibrary.wiley.com)、Google Scholar(https://scholar.google.com)、Web of Science (apps.webofknowledge.com)等。

在不同的研究中,對土壤水分含量出現(xiàn)不同的表現(xiàn)形式,如采用體積含水量[26]和質量含水量[27]。為了便于比較,本文統(tǒng)一采用質量含水量表征土壤含水量,將一些文中出現(xiàn)的體積含水量轉換為質量含水量。轉換公式[28]如下：

質量含水量(θm)=體積含水量(θv)/土壤容重(ρ)

(1)

2.2 數(shù)據(jù)分類

探討植被對黃土高原土壤水分的影響,對篩選的數(shù)據(jù)進行分類和范圍劃分。根據(jù)文獻中的植被類型,將數(shù)據(jù)分為3類：喬木植被、灌木植被、草本植被,其中對照組為具有相同地形條件的裸地或農(nóng)地。具體分析統(tǒng)計分類見表1。

表1 分析統(tǒng)計分類信息

本文研究區(qū)域限定于黃土高原,各條件劃分根據(jù)收集數(shù)據(jù)均勻性及黃土高原地區(qū)條件基本特征。劃分如下：以降雨量為分界線,劃分為<400 mm、400—500 mm、>500 mm；以海拔數(shù)據(jù)劃分為800—1500 m和1500—2500 m；以植被生長年限劃分為<10 a、10—20 a、>20 a三個層次；根據(jù)黃土高原地區(qū)坡面流水面狀侵蝕的臨界下限坡值(15°)和臨界上限坡值(25°),將坡度大小劃分為<15°、15—25°、>25°三個等級。

2.3 Meta分析

Meta分析作為一種定量綜合研究結果的統(tǒng)計方法,能夠將若干獨立研究的結果進行綜合分析,適合于大尺度生態(tài)現(xiàn)象的研究[29]。

效應值是定量Meta 分析中的結合統(tǒng)計量,效應值的計算宗旨是得出實驗組和對照組的差值, 最常見的是標準化的平均值差[30]。Hedges在 1999 年提出的反應比(lnR),是適用性更強的效應值,本文選用lnR來計算作為效應值(ES),使得文中不同獨立試驗中的數(shù)據(jù)具有可比性[31]。反應比的計算公式為：

(2)

式中：Xe為實驗組數(shù)值,表示植被建設區(qū)林下土壤水分含量(%)；Xc為來自于同一文獻中與Xe對應的對照組值,表示荒地或裸地的土壤含水量(%)。

為了使效應量更準確,采用隨機模型計算結合效應值。隨機效應模型(Random(I-V heterogeneity)),假設各個研究的效應指標由于一些隨機因素的影響而圍繞著綜合效應指標的總體均數(shù)上下隨機波動。隨機模型考慮了各研究間的變異,以研究內(nèi)和研究間方差和的倒數(shù)為權重計算結合效應值[32]。

其計算公式為：

(3)

(4)

(5)

結合效應值的95%置信區(qū)間計算公式為：

95%CI=ES+t0.05SE

(6)

(7)

式中,ES為通過合并單個研究的效應值所獲得的結合效應值；SE為結合效應值的標準誤。當結合效應值ES>0時,說明植被對土壤水分有增加效應；當結合效應值ES<0時,說明植被對土壤水分有降低效應。如果分析結果的結合效應值置信區(qū)間與0重疊,表明植被對土壤水分的影響未達到統(tǒng)計學顯著水平(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,表明植被對土壤水分的影響有統(tǒng)計學差異。數(shù)據(jù)處理采用stata15和Excel 2010等軟件進行。

3 結果與分析

歷史上,黃土高原到處有茂密的森林和綠色的草原,植被覆蓋度較高。然而,近代以來由于人口增加,人類經(jīng)濟活動過度,開發(fā)利用不合理,不注意保護與整治,使原有自然生態(tài)系統(tǒng)遭到大面積破壞[33]。為恢復該地區(qū)生態(tài)環(huán)境,我國政府于20世紀70年代和90年代分別啟動了“三北防護林”和“退耕還林還草”等植被建設工程。自植被建設工程實施以來,該地區(qū)植被覆蓋顯著提升,生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。具體而言,1982—2015年期間,黃土高原地區(qū)NDVI整體上呈極顯著增加趨勢,趨勢率為1.3×10-3/a[34]。其中2000—2015年植被呈現(xiàn)顯著恢復態(tài)勢的區(qū)域比例為62%,未發(fā)生顯著變化的區(qū)域比例為35.8%,植被顯著退化區(qū)域為2.2%[35]。然而,大面積的植被建設對地表水分效應產(chǎn)生了明顯的影響[36]。

3.1 近20年黃土高原土壤水分的主要研究內(nèi)容

根據(jù)黃土高原土壤水分關鍵詞共現(xiàn)結果(圖2),近20 a研究人員對土壤水分研究的主要內(nèi)容集中在以下四個方面。

1) 植被建設引起的土壤水分下降問題。土壤干燥化是黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境進一步建設中遇到的主要問題[37],且人工植被的過度種植是導致土壤干燥的主要原因[25]。隨著退耕還林還草工程的開展,植被建設對土壤水分的影響研究成為該地區(qū)土壤水分研究的重要內(nèi)容。研究指出,人工林的種植比自然植被和農(nóng)作物種植消耗更多深層次土壤水分[38—39],導致土壤干燥化向更深層次延伸[24]。同時,區(qū)域尺度研究指出,黃土高原大面積的植被建設已接近該地區(qū)可持續(xù)性水資源的上限[19]。

2)土壤水分時空變異特征。土壤水分時空變異研究是國內(nèi)外研究熱點之一,也是黃土高原區(qū)域研究[40]和站點研究的重要組成部分[41]。小尺度范圍,土壤水分在空間上具有穩(wěn)定性特征[42]。不同土層深度土壤水分空間變異性存在明顯的差異,且在水平方向上變異特征因植被類型不同出現(xiàn)差異,如人工植被差異性高于自然植被[43]。黃土高原景觀尺度不同深度土壤水分變異性在時空上的差異主要表現(xiàn)為,0—1.0 m范圍以時間變化為主,2.0—3.0 m范圍空間變化為主[43]。

3)土壤水分時空變異的影響因素。不同區(qū)域土壤水分時空變異的主要因素不同[40]。如在黃土高原過渡帶研究指出,土壤水分空間變異特征的主要影響因素是土地利用類型[45]。小流域尺度上,表層(0—10 cm)土壤水分的主要因素是地形,而深層(10—80 cm)是土地利用類型[46]。同一區(qū)域,坡向、坡度和海拔對土壤水分空間變異影響以坡向最顯著[47]。同時,不同區(qū)域土壤水分(0—100 cm)在空間范圍因降雨梯度不同而呈現(xiàn)較大的差異[48]。

4)遙感和水文模型模擬土壤水分。在目前土壤水分研究中,大面積土壤水分的收集往往借助于遙感工具[49]。在黃土高原地區(qū),土壤水分時空變化規(guī)律可通過SWI(遙感反演土壤水分數(shù)據(jù))較好反映[50]。同時,土壤水分的空間分布可采用相關水文模型來評估[51]。具體而言,Laio土壤水分動態(tài)隨機模型(Laio模型)對干旱半干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和馬尾松林地土壤水分動態(tài)模擬具有較好的適用性[52, 53]。采用SHAW模型評估了該地區(qū)小麥地轉化為蘋果園后對土壤水分含量的影響[54]和采用經(jīng)驗模型預測了溝壑區(qū)植物根系土壤水分動態(tài)特征[15],同時在土壤水分空間分布影響因素的基礎上,建立了土壤水分空間分布模型[55]。

圖2 植被建設對黃土高原土壤水分相關研究論文關鍵詞共現(xiàn)圖Fig.2 The network map of vegetation construction on soil moisture in the Loess Plateau

利用CiteSpace時區(qū)視圖(圖3),可以觀察研究內(nèi)容的變遷及不同時段內(nèi)的研究重點及熱點。通過觀察黃土高原土壤水分研究主題的變遷發(fā)現(xiàn),隨著時間的推移,研究內(nèi)容逐漸豐富、細化、系統(tǒng),研究手段從野外定點監(jiān)測向模型模擬、遙感監(jiān)測方向發(fā)展,研究尺度從小流域向整個黃土高原擴展。對軟件分析得到的關鍵詞節(jié)點和其組成的連線進行適當聚類,繪制出可視化的時間線圖譜(圖4)。黃土高原土壤水分研究的不同主題持續(xù)時間各不相同,如規(guī)模最大的#0聚類從2003年開始,現(xiàn)在仍有研究持續(xù)進行；然而一些主題持續(xù)時間較短,例如#10,這可能是研究過程中找到了更加深入研究本質的主題。

圖3 黃土高原植被建設對土壤水分研究的主題演變圖譜Fig.3 Evolution map of vegetation construction on soil moisture in the Loess Plateau

圖4 關鍵詞聚類的時間軸可視圖Fig.4 The visibility graph of time line in keywords cluster

3.2 植被建設對土壤水分影響的總體特征

表2表明,不同植被建設對黃土高原土壤水分具有顯著影響?？傮w樣本效應值為-1.613,這說明植被建設消耗大量的土壤水分,導致黃土高原土壤水分含量顯著降低。不同植被類型的效應值為-1.893(喬木)、-1.661(灌木)、-1.239(草本),表明不同類型植被對土壤水分的消耗以喬木最大,灌木次之,草本最小。

表2 不同植被類型對土壤水分的影響

3.3 不同降雨條件下植被對土壤水分的影響

圖5 不同降雨條件下植被對土壤水分影響的基本特征 Fig.5 Basic characteristics of the effect of vegetation construction on soil moisture under different precipitation conditions

不同降雨條件下植被對土壤水分的影響存在明顯差異(圖5)。具體而言,在不同降雨條件下,喬木對土壤水分影響的結合效應值為-1.684(≥500 mm)、-2.525(400—500 mm)、-2.312(<400 mm)；灌木對土壤水分影響的結合效應值由小到大順序為 -1.435(≥500 mm)、-1.668(400—500 mm)、-2.068(<400 mm)；草本植被對土壤水分影響的結合效應值在不同降雨條件下與灌木一致,其由小到大的順序為-0.864(≥500 mm)、-1.423(400—500 mm)、-1.534(<400 mm)。3種不同植被類型,在≥500 mm降雨條件下植被對土壤水分影響的結合效應值最??；而結合效應最大值出現(xiàn)差異,喬木以400—500 mm的降雨條件最大,灌木和草本植被以<400 mm的降雨條件最大。這說明降雨量越大的地區(qū)植被建設對土壤水分的影響越小,降雨量越小的地區(qū)植被建設對土壤水分的影響越大。

3.4 不同海拔和坡度條件下植被對土壤水分的影響

在不同海拔條件下,植被對土壤水分的影響表現(xiàn)為海拔越高,植被對土壤水分的消耗越大(圖6)。其中喬木對土壤水分的結合效應量在1501—2500 m海拔范圍為-2.063,800—1500 m范圍為-1.837；灌木效應值在1501—2500 m和800—1500 m分別為-1.866、-1.582,而草本植物所對應的效應值為-1.480、-1.049。

圖6 不同海拔和坡度條件下植被對土壤水分影響的基本特征Fig.6 Basic characteristics of vegetation construction on soil moisture under different altitude and slope conditions

根據(jù)圖6,3個不同的植被類型在各個坡度范圍效應值的大小存在相同規(guī)律,為<15°效應值最大,>25°次之,15—25°最小；數(shù)值由大到小的順序依次為喬木(-3.230、-2.876、-1.667),灌木(-2.725、-2.130、-1.280),草本(-1.597、-1.260、-1.209)。表明在3個坡度范圍,<15°的區(qū)域植被對土壤水分消耗最大,15—25°區(qū)域植被對土壤水分的消耗量最小,>25°區(qū)域居中。

3.5 樹齡對土壤水分的影響

本文選擇具體樹種研究了樹齡對土壤水分的影響,以刺槐 (RobiniapseudoacaciaLinn.)、油松(PinustabulaeformisCarr.)為喬木樹種,沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)、檸條(Caraganaarborescenslam.)為灌木樹種,草本選擇紫花苜蓿(MedicagosativaLinn.)。根據(jù)研究樣本量,刺槐劃分為<15 a和≥15 a；側柏分為<25 a、≥25 a。由表3可知,刺槐<15 a效應值為-1.905,95%置信區(qū)間為(-2.989,-0.820)；≥15 a效應值為-2.040,置信區(qū)間為(-3.313,-0.767)；表明樹齡≥15 a的刺槐林對黃土高原土壤水分的消耗量高于<15 a的刺槐林地。側柏<25 a、≥25 a的效應值分別為-1.414、-2.273,對應95%的置信區(qū)間為(-2.036,-0.793)、(-3.527,-1.019)；表明≥25 a的側柏林地對土壤水分的影響遠大于<25 a的側柏林地。

表3 不同坡度范圍植被對土壤水分影響的基本特征

將沙棘劃分為<10 a、≥10 a兩個組別,檸條劃分為<20 a、20—30 a、>30 a三個組別。<10 a和≥10 a沙棘林地的效應值分別為-0.812和-0.843,95%置信區(qū)間為(-1.623,-0.001)、(-1.515,-0.152),表明沙棘隨著生長年限的增加對土壤水分的消耗增加。不同年限檸條效應值最大出現(xiàn)在>30 a(-1.983),<20 a次之(-1.642),20—30 a最小(-1.107),表明檸條對土壤水分的消耗以>30 a的最大,而20—30 a樹齡的檸條對土壤水分的消耗最小。本文將草本植物紫花苜蓿劃分為<10 a、≥10 a進行分析,表現(xiàn)為生長年限≥10 a的紫花苜蓿對土壤水分的消耗明顯高于<10 a的紫花苜蓿,結合效應值<10 a為-2.867,≥10 a為-3.845,對應95%置信區(qū)間為(-4.072,-1.663)、(-5.933,-1.756)。

3.6 黃土高原土壤水分植被承載力研究現(xiàn)狀

土壤水分植被承載力是指在較長一段時間(一年以上)內(nèi),根層土壤水分消耗量等于或小于降雨補充量時,所能維持特定植物群落健康生長的最大密度,為土壤水分緊缺地區(qū)補充到土壤的部分雨水所能承載植物的最大負荷[56]。土壤水分植被承載力的影響因素較多,即凡是影響林草地土壤水分補給與消耗、植物生長發(fā)育和水分利用效率的因素,如地理位置、地形因素、氣候因素、降雨特征、植被類型及發(fā)育階段、撫育管理措施等[57]；且對黃土高原刺槐人工林地的研究指出,降水量和土壤儲水量是決定土壤水分承載力的主要環(huán)境因子[58]。土壤水分植被承載力的計算和評價方法相對較多,但主要概括為以數(shù)學模型模擬的粗略計算和以水分平衡的精確計算兩類[59]。在目前的研究中,土壤水分承載力的大小用植株密度、生物量和葉面積指數(shù)三種方式表示[60]。

黃土高原土壤水分承載力的研究主要基于小流域開展,如王寧等[58]在山西吉縣蔡家川小流域的研究指出,該地區(qū)0—150 cm土層對19 a生刺槐人工林的土壤水分承載力為1224株/hm2；王延平等[59—60]在陜西米脂遠志山試驗基地的研究表明,該區(qū)域土壤水分可承載的杏樹生物量為3728 kg/hm2(臺地)和2423 kg/hm2(坡地),用 FAO 法估算土壤水分可承載的苜蓿最大產(chǎn)量為 3992.2—4173.7 kg/hm2,水量平衡原理計算可承載的地上部生物量為 2600—3500 kg/hm2。郭忠升等[61]研究指出黃土丘陵半干旱區(qū)人工檸條林地(16—17 a生)土壤水分植被承載力為8115叢/hm2。Liu等[62]在陜西六道溝流域的研究指出,該地區(qū)檸條和紫花苜蓿的最佳生長年限為5 a和3 a,其最大承載力為4800 kg/hm2和1200 kg/hm2。整個黃土高原地區(qū),在有效的自然降水條件下,各植被類型理論覆蓋率分別為：闊葉14%—65%,針葉13%—60%,草地7%—51%,經(jīng)濟林16%—64%；且植被理論覆蓋率由西北部向東部、東南部逐漸增加[63]。目前,黃土高原地區(qū)平均覆蓋度為60.22%,而植被恢復潛力為69.75%,植被覆蓋度還有10%左右的提升空間,主要集中在北方風沙區(qū)及西部的丘陵溝壑區(qū)[64]。

4 討論

4.1 環(huán)境因素對土壤水分的影響探討

土壤水分的變異是由多重尺度上的土地利用(植被)、氣象(降雨)、地形、土壤、人為活動等多因子綜合作用的結果[40]。本文分析表明,植被建設對土壤水分有明顯的降低效應,主要原因是植被建設以后,植被生長對水分的需求量增加,這與李剛等[65]的研究結果相一致。不同植被類型,喬木對土壤水分的消耗大于灌木和草本,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要為喬木根系發(fā)達,自身需水量大于灌木和草本植物,這與Wang等[66]的研究相一致；同時,植被類型對土壤水分的影響與植被生長狀況、生長年限、造林地區(qū)降雨量等條件相關[67—68]。

本文研究顯示,降雨量越大,植被對土壤水分的影響作用越?。唤涤炅吭叫?植被對土壤水分的影響作用越大。相關研究表明,不同土地利用類型土壤水分與年平均降雨量呈顯著正相關,不同層次土壤水分與年平均降雨量的相關系數(shù)在0.56—0.78之間變化[48]。然而,年平均降雨量是草地土壤水分空間變異的主要因素,對其它植被類型土壤水分空間變異影響較小[43]。

通過不同海拔下植被對土壤水分的影響分析表明,海拔越高,植被對土壤水分消耗越大。然而,不同坡度條件植被對土壤水分的影響沒有明顯的規(guī)律,本文研究結果顯示<15°的區(qū)域范圍植被對土壤水分的影響最大,15°—25°的區(qū)域范圍植被對土壤水分的影響最小。在黃土高原地區(qū),與海拔和坡度相比,坡向對土壤水分的影響遠高于海拔和坡度[46]。地形特征對土壤水分呈副作用的影響,其中坡位貢獻率為19.24%,坡度貢獻率為18.37%[68]。同時,地形特征對土壤水分的影響隨土壤深度的增加而出現(xiàn)差異,表現(xiàn)為相對海拔、坡度與土壤水分的相關系數(shù)隨著土壤深度的增加而增加[69]。

植被類型、植被生長狀況、植被生長年限等對土壤水分都具有明顯的影響。通過不同生長年限植被對土壤水分的影響研究表明,對喬木林地、草地而言,植被生長時間越長,對土壤水分的消耗越大；而安文明等[70]研究指出,撂荒草地土壤水分隨退耕年限的增加呈顯著增加趨勢,而人工林地隨退耕年限的增加呈下降趨勢,這與本文的研究存在差異。我們認為這一差異可能是由于研究尺度不同所導致的。本文研究發(fā)現(xiàn)灌木林地植被生長年限對土壤水分的影響不明顯,而相關研究指出[65],由于灌木對地下水的提升作用,灌木栽植會增加土壤水分含量。黃土高原植被建設區(qū)域土壤水分損失主要是由根系吸水造成的,土壤水分與細根根長密度呈顯著負相關關系[71]。同時,土壤水分與植被覆蓋度呈負相關關系,相關性隨著土壤深度的增加而增加[69]。

除以上因素的影響外,土壤質地、有機質含量、土壤容重及飽和導水率能夠顯著影響各層次的土壤水分時間穩(wěn)定性[44]。同時,土壤顆粒組成是本地植被土壤水分變異的主要因素[43]；表層土壤水分更容易受到降雨量的影響,而深層土壤水分受到黏粒含量和土壤有機質的影響更加明顯[72]。人類管理措施通過改變土壤容重使深層土壤水分得到改善[45]。

4.2 黃土高原生態(tài)環(huán)境對植被建設的響應

植被建設是黃土高原生態(tài)環(huán)境恢復與建設的主要手段,其不僅改變土壤物理、化學和生物學性質,同時改變了植被與土壤水分的關系[41]。具體而言,退耕還林工程很大程度的增加了土壤有機碳,在0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm層分別增加了48.1%,25.4%,25.5%[18]；隨著植被恢復后作物自然演替,土壤有機碳在23 a時間內(nèi)增加一倍,同時土壤微生物指標如土壤酶活性、微生物生物量和呼吸作用也快速增長[73]。研究顯示,黃土高原禁牧和造林植被恢復等措施是提高該地區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性和降低土壤可蝕性的有效措施[74]。

由于植被建設的大量增加,土壤水分承載力與植物生產(chǎn)力矛盾增加[24]；Feng等[19]研究表明植被建設增加了黃土高原地區(qū)凈初級生產(chǎn)力(NPP)和蒸散發(fā)(ET)；同時從植被恢復和人類水資源需求評估得出,凈初級生產(chǎn)力(NPP)超過(400 ± 5)g cm-2a-1的人口將遭受水資源短缺。黃土高原流域的年徑流率(即年徑流量與降水量之比)從1980—1999年的8%下降到2000—2010年的5%[75]。人工植被恢復顯著降低了土壤水分含量[23],這與本文研究結果相一致；由于植被建設消耗了植被種植前累計的深層土壤水分,從而進一步導致土壤干層的形成[76]。目前黃土高原許多地區(qū)(特別是中東部地區(qū))的植被覆蓋度(平均0.48)已經(jīng)超過氣候定義的平衡植被覆蓋度(平均0.43)[25]。因此,必須依據(jù)該地區(qū)的降水量及土壤水分承載力,選擇具有一定生產(chǎn)力的植物類型或者人為進行調(diào)控干預,以保證土壤水分和降水能夠滿足植物正常生長。

5 結論

本文通過CiteSpace分析文獻中的關鍵詞并繪制關鍵詞聚類圖譜,分析植被建設對黃土高原水分的研究熱點及前沿；同時采用Meta分析量化了黃土高原植被建設對土壤水分的影響程度。主要結論如下：近20 a黃土高原土壤水分研究內(nèi)容主要包括植被建設引起的土壤水分下降問題、土壤水分時空變異特征、土壤水分時空變異的影響因素以及遙感和水文模型模擬土壤水分四個方面。同時,研究主題隨著時間的推移發(fā)生明顯變化,研究內(nèi)容更加豐富并且系統(tǒng)化。然而,植被建設導致黃土高原土壤水分含量顯著降低,總體效應值為-1.613,且不同植被類型對土壤水分的消耗由大到小為喬木、灌木、草本。植被建設對土壤水分的影響程度隨著年均降雨量的增大而減小,效應值由小到大的順序為≥500 mm(-0.864)、400—500 mm(-1.423)、<400 mm(-1.534)。植被對土壤水分影響程度為海拔較高區(qū)域(1501—2500 m海拔范圍為-2.063)明顯大于海拔較低區(qū)域(800—1500 m范圍為-1.837)。不同坡度條件下植被建設對土壤水分的影響以<15°的區(qū)域植被對土壤水分消耗最大,15—25°區(qū)域植被對土壤水分的消耗量最小,>25°區(qū)域居中。植被生長年限不同,植被建設對土壤水分的作用在不同類型出現(xiàn)差異；總體而言,植被建設對土壤水分的消耗隨著生長年限的增長而加劇。