張紅峰，薦圣淇

（1.河南省嵩縣水土保持科學研究所，河南 嵩縣 471400；2.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

植被恢復的效果直接受控于土壤水分的有效性。植被通過獲取、運輸和蒸騰水分對生態(tài)系統(tǒng)的水量平衡產生影響。理論上，植被恢復可以提高植被覆蓋度，增加冠層截留以及保持水土，從而減少土壤侵蝕和養(yǎng)分流失，改善生態(tài)環(huán)境。然而，不適當的植被恢復也會引起不必要的環(huán)境問題[1]。例如，在我國半干旱的黃土高原地區(qū)，人工林由于蒸散發(fā)的增加消耗了過多的水分，從而破壞了自然水循環(huán)和水量平衡[2]。近40 年來，我國政府實施了一系列大規(guī)模的植樹造林活動，例如1999 年實施的“退耕還林”工程，植被恢復通常以速生喬木和灌木為主[3]。在恢復初期植被可以較好地生長，但隨著土壤水分的消耗，部分植株出現死亡的情況[4]。Huang 等[5]發(fā)現，與種植普通小麥Triticum aestivum相比，種植蘋果Malus pumila有增加蒸散發(fā)和減少土壤水分的趨勢。其他研究也表明，植被恢復降低了表層土壤含水量，而深層土壤水分不能通過自然降水得到補給[6]。植被對土壤水分的過度消耗，導致土壤干層的出現[7]。

土壤水分下降影響植被蒸騰，破壞深根植被的抗旱能力，從而影響植被的生長和自然演替。土壤水分降低還可能改變降水與地下水之間的聯系，導致區(qū)域性干旱和土地生產力下降[8]。以往研究表明，植物蒸騰量隨著土壤水分的降低而下降[9]，進一步導致了人工林地的退化，形成“小老樹”（一種生長后樹干非常低的喬木）[10]。Wang 等[11]對黃土高原北部紙坊溝流域的研究表明，本地物種比外來物種具有更高的實際蒸散發(fā)（ET）與潛在蒸散發(fā)（ETP）比值和更高的土壤水分，如果引入外來物種，植被恢復可能導致土壤水分下降。

2019 年9 月，黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，土壤水分和水土流失相關研究是生態(tài)保護的重要內容。伊洛河流域位于黃河中下游，為我國的糧食主產區(qū)，但部分地區(qū)的氣候、地形等因素錯綜復雜，極易發(fā)生水土流失，對耕地產生破壞[12]。當地政府多年來為保持水土實施了大面積的植被恢復工程，如何評估植被恢復工程的有效性是實現區(qū)域高質量發(fā)展的重要組成部分。

本研究的總體目標是量化伊洛河胡溝小流域植被恢復實踐中典型植被類型水量平衡過程。具體目標為：（1）研究不同植被類型土壤水分儲量隨時間的變化規(guī)律；（2）量化不同植被類型實際蒸散發(fā)/潛在蒸散發(fā)（ET/ETP）比值和蒸散發(fā)/降水量（ET/P）比值隨時間的變化規(guī)律。研究成果可為該區(qū)指導植被恢復工作提供有力的科學支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省嵩縣胡溝小流域，屬黃河流域伊洛河水系二級支流（34°12′～ 34°16′ N，112°06′～ 112°08′ E），總面積為13.34 km2，海拔在332～ 737 m（圖1）；屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候，歷年平均氣溫為13.4 ℃，全年平均日照時數為1 797.2 h，年平均蒸發(fā)量為1 518.8 mm，無霜期為209 d。胡溝小流域上游為土石山區(qū)，主要由山脊、山坡、溝底三種地貌；下游為黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，由梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底四種地貌組成，有明顯的溝緣線。土石山區(qū)有大量的巖漿巖和少量的沉積巖，黃土丘陵區(qū)均為黃土狀母質所覆蓋，流域土壤絕大部分為褐土。

圖1 研究區(qū)相對位置圖Fig.1 Location of the study area

胡溝小流域主要造林喬木樹種為大葉楊Populus lasiocarpa、刺槐Robinia pseudoacacia和側柏Platycladusorientalis；灌木主要有沙棘Hippophae rhamnoides、紫穗槐Amorpha fruticosa和酸棗Ziziphus jujubavar.spinosa等；草本陽坡以長芒草Stipa bungeana、胡枝子Lespedeza bicolor為主，陰坡以艾Artemisia argyi群叢為主，紫苜蓿Medicago sativa、斜莖黃耆Astragalus adsurgens等在此也可生長。

1.2 試驗設計

1980 年，在胡溝小流域的坡地上設置了15 個徑流小區(qū)，面積均為10 m×10 m，坡度均為10°。自徑流小區(qū)建立伊始，在徑流小區(qū)內分別種植灌木（沙棘）、草地（長芒草）、農作物（普通小麥）、經濟林（皂莢Gleditsia sinensis）和喬木林（大葉楊）5 種植被類型，每種植被類型3 次重復（表1）。

表1 徑流小區(qū)基本信息Tab 1 Information of runoff plot

假設所有徑流小區(qū)的土壤性質、地形和微氣象等環(huán)境要素是相似的，對觀測蒸散發(fā)、徑流和土壤水分值的差異沒有貢獻。2007—2020 年每年5—9 月，進行每個徑流小區(qū)土壤水分的觀測。土壤水分觀測土層范圍為0～ 100 cm，每20 cm一層，于5—9 月的每月1 日和15 日進行觀測。每次觀測時，利用土鉆在每個徑流小區(qū)內隨機選擇4 個采樣點，利用烘干法測定土壤含水量，計算土壤水分平均值，取土之后回填并平整地面。

2007—2020 年每年的5—9 月，進行每個徑流小區(qū)的徑流量觀測。每次觀測結束后，對徑流池進行清理，并計算地表徑流量。在徑流小區(qū)附近安裝1 臺自動氣象站（Onset Computer Corporation,Pocasset,MA,USA）對降水、溫度和其他氣象參數進行觀測。同時，利用人工觀測結果對自動氣象站數據進行校正。

1.3 水量平衡過程

5—9 月土壤水分的變化利用下式進行計算[13]：?S=SME?，式中，ΔS為0～ 100 cm 土壤水分的變化量，SME為每年生長季末期（9 月）的土壤含水量，SMB為每年生長季初期（5 月）的土壤含水量。

各植被類型的年地表徑流總量（R），利用下式進行計算：

式中，Rik為第k個徑流小區(qū)每次觀測到的地表徑流量，m為地表徑流的觀測次數。

由于該區(qū)土層深厚，深層滲漏很難發(fā)生，并且林冠截留占降水的比例較小[10]，因此，不同植被類型的蒸散發(fā)可以利用以下簡化的水量平衡公式計算[14]：ET=P??S?R，式中，ET為蒸散發(fā)，P為降水量。

生態(tài)系統(tǒng)的水分壓力可以用實際蒸散發(fā)（ET）和潛在蒸散發(fā)（ETP）的比值，以及真實蒸散發(fā)與降水量的比值來反映。大體上，如果ET/ETP偏小，則證明植被生長面臨著水分壓力。如果ET/P偏小，則說明植被對水分利用率較低。植被潛在蒸散發(fā)利用蒸發(fā)皿數據進行計算。

1.4 數據分析

利用逐步回歸分析比較SME、SMB、R、P和ETP對ET/ETP的影響。以ET/ETP為因變量，SME、SMB、R、P和ETP為自變量。通過該模型可以確定SME、SMB、R、P和ETP對ET/ETP比值的貢獻。F檢驗用于檢驗假設，即個體變量在95%的水平上具有統(tǒng)計學意義。每個自變量的偏系數表明了它對因變量影響的重要性。

2 結果與分析

2.1 土壤水分動態(tài)變化

由圖2 可知，2007—2020 年胡溝小流域內土壤水分變化劇烈。2008 年、2013 年、2015 年、2016 年、2020年土壤水分存在補給現象，2007 年、2009 年、2011 年、2012 年、2014 年、2017 年和2019 年土壤水分出現虧缺現象（表2）。2010 年農作物土壤水分增加，2018 年喬木林土壤水分增加，而其他植被類型的土壤水分沒有出現增加現象?？傮w上，各植被類型在2007—2020 年的土壤含水量呈下降的趨勢。其中，灌木林的土壤含水量下降趨勢明顯小于其他植被類型的；喬木林與草地的土壤含水量具有較大的下降趨勢，并且喬木林的土壤含水量比草地的土壤含水量具有較大的下降趨勢，這說明喬木林比草地和灌木林消耗了更多的土壤水分。

表2 2007—2020 年不同植被類型的土壤水分變化量（ΔS）、地表徑流（R）與實際蒸散發(fā)（ET）Tab.2 Soil moisture content,surface runoff and actual evapotranspiration of different vegetation types from 2007 to 2020

圖2 2007—2020 年不同植被類型在生長季初期（A）和生長季末期（B）的土壤水分變化Fig.2 Soil water content of different types of vegetation from 2007 to 2020 in the beginning and by the end of growing season

2.2 地表徑流

在5 種植被類型中，喬木林比灌木林和草地能夠產生更多的地表徑流（表2）。然而，在研究區(qū)內，人們普遍認為喬木林可以通過減少地表徑流來減少水土流失。這可能是由于喬木林內林下植被稀疏，并且具有較高的土壤容重所導致的。灌木林和草地產生較少的地表徑流，這可能是由于其植被覆蓋度好，土壤容重小，土壤入滲量高造成的。

2.3 實際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值（ET/ETP）變化

由表3 可知，5 種植被類型都具有相對較低的ET/ETP比值。從年變化率發(fā)現，2011 年具有最大的ET/ETP比值，最小值出現在2018 年。在所有的植被類型中，ET/ETP比值的排列順序依次為：灌木林 >草地 >農作物 >經濟林 >喬木林，這說明種植喬木林將導致嚴重的土壤水分壓力。2007—2020 年，研究區(qū)ET/ETP比值整體呈下降趨勢。雖然下降幅度較小，但仍表明隨著時間的推移，水分脅迫壓力越來越大。這種情況可能會導致土壤干化，植被死亡。5 種植被類型中，草地的ET/ETP比值下降幅度最大，其次為喬木林和灌木林。

表3 2007—2020 年不同植被類型的ET/ETP比值變化Tab.3 ET/ETP ratios of different vegetation types from 2007 to 2020

2.4 實際蒸散發(fā)與降水量比值（ET/P）變化

由表4 可知，ET/P比值呈現波動變化。2007 年、2011 年、2012 年、2014 年、2017 年和2019 年的ET/P>1，其他年份的ET/P＜1。5 種植被類型的ET/P比值從大到小依次為：灌木林 >草地 >農作物 >經濟林 >喬木林。喬木林在5 種植被類型中具有最低的ET/P比值，可能是由于喬木林徑流量大，造成水分流失，未能充分利用降水。大體上，隨著時間的推移，5 種植被類型的ET/P比值均呈下降趨勢。

表4 2007—2020 年不同植被類型的ET/P 比值變化Tab.4 ET/P ratios of different vegetation types from 2007 to 2020

2.5 土壤含水量、地表徑流、年降水量、潛在蒸散發(fā)和ET/ ETP 的關系

由表5 回歸分析結果表明，SMB為影響ET/ETP最顯著的因素。如果不考慮SMB，SME、R、P、ETP對ET/ETP的影響在各植被類型中存在差異（表6）。除經濟外，降水量成為影響其他植被類型ET/ETP比值的決定性因素。降水量、地表徑流和潛在蒸散發(fā)對經濟作物ET/ETP比值的影響順序為P>R>ETP。總體而言，降水量對ET/ETP比值有正向影響，地表徑流和潛在蒸散發(fā)對ET/ETP比值均有負向影響。生長季開始時土壤含水量是影響ET/ETP比值最顯著的因子，其次是降水量。ET/ETP比值低意味著降水量低于植物生長所需的水分，導致大量土壤水分的消耗。生長季開始時的土壤含水量可能決定植物生長的水分有效性，進而決定ET/ETP比值。

表5 各要素逐步多元回歸結果Tab.5 Stepwise multiple regression

表6 不考慮生長季初期的土壤含水量各要素逐步多元回歸結果Tab.6 Stepwise multiple regression

3 結論與討論

土壤水分通常在雨季進行補給。本研究表明，2007—2020 年研究區(qū)內土壤水分的補給不充分。土壤水分補給不足嚴重限制了植物的蒸騰和生長。本研究中各植被類型的土壤含水量均存在不同程度的下降趨勢。其他研究也顯示出不同的結果，Kosmas 等[15]發(fā)現0～ 10 m 深度的土壤有效水分隨著蘋果樹的生長而降低。Gao 等[16]發(fā)現本地物種的土壤含水量通常要高于外來物種的土壤含水量，如果利用外來物種進行植被恢復，可能會導致土壤含水量下降。本研究中，植物生長季的年降水很少用于土壤水分補給，這可能是由于不同地區(qū)蒸散發(fā)的差異所導致的[17]。

在植被恢復方面，與灌木林和草地相比，大葉楊喬木林中產生了較大的地表徑流，雖然種植大葉楊可能有利于水土保持，但也導致土壤壓實和干化，從而導致植被退化。沙棘灌木林和長芒草草地產生較少的地表徑流，這可能是由于植被覆蓋度好，土壤容重小，土壤入滲量高所致。其他研究結果也證實了這一點，Vanclay[8]描述了桉Eucalyptus robusta林下徑流和侵蝕的有利條件與林下植被減少導致裸露土壤的條件有關。Gutierrez 等[18]和Calvo-Cass 等[19]指出土壤容重與地表徑流呈正相關關系。高土壤容重通常對應于土壤密度大、結構致密，從而降低下滲容量以及提高徑流量[20-22]。然而，沙棘和長芒草比大葉楊更能保持土壤水分，很大程度上是由于土壤容重較低，林下植被較好所導致的[23-24]。與其他在濕潤地區(qū)進行的研究不同的是，植被恢復后土壤容重顯著降低，而土壤孔隙度、持水能力、團聚體穩(wěn)定性和飽和導水率增加[25-26]。而在半干旱半濕潤地區(qū)，很少的雨水滲透到土壤中來供給深層土壤水，因此產生了更多的徑流。一些關于人工林對于土壤水分影響的研究也證實了植被恢復存在地表徑流增加的現象[27-30]。

各植被類型生長季的ET/ETP比值均較低，ET/ETP比值和ET/P比值均隨植被生長呈下降趨勢。這表明植物沒有獲得足夠的水分來進行生長，所有植被類型都經歷了水分脅迫。ET/P比值低，表明降水利用效率低。降水作為植物生長的唯一水源是植被恢復成功的關鍵因素[31-32]。如果降水的季節(jié)性和潛在蒸散發(fā)不同步，將極大地限制植被恢復。然而，由于植被類型選擇的原因，降水資源利用較差，導致實際蒸散發(fā)與降水量比值較小[33]。綜上，沙棘較大葉楊可能更適合于該區(qū)的植被恢復。

生長季開始時的土壤含水量和年降水在很大程度上決定了ET/ETP比值，說明水分的有效利用對植被的生長至關重要。長時間的野外觀測揭示的ET/ETP比值變化可能與降水量和土壤水分含量之間的生態(tài)水循環(huán)有關。此外，ET/P的時間變化表明植物生長不穩(wěn)定，不利于水資源的可持續(xù)利用和植被健康發(fā)展。對于經濟作物，土壤含水量、地表徑流、年降水量和潛在蒸散發(fā)對ET/ETP比值的復雜影響可能是由于人類活動的頻繁干擾所導致的[34]。