王 穩(wěn) ,高曉東,趙西寧,楊孟豪

1 西北農林科技大學水利與建筑工程學院, 楊凌 712100

2 西北農林科技大學水土保持研究所, 楊凌 712100

3 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100

黃土高原水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱,為了控制嚴重的水土流失、改善生態(tài)環(huán)境,國家實施了植被恢復工程[1—2]。刺槐作為植被恢復的一種主要造林樹種,在黃土高原大面積種植。刺槐根系生長迅速[3],具有耐干旱特性[4],對于改善黃土高原自然環(huán)境和土壤肥力、固碳、水文調節(jié)、生物多樣性等方面有重要意義[5—8]。土壤水分作為供水指標,是影響干旱至半干旱地區(qū)植被動態(tài)和生態(tài)過程的首要限制因素[9]。植被恢復使得碳儲存發(fā)生了明顯的變化[10],增加了碳儲存進而緩解了氣候變化[11]。林下植物多樣性為森林組成、結構和演替提供了有意義的衡量標準[12]。因此,維持和改善人工林土壤水分、固碳以及植物多樣性等生態(tài)系統服務,已是黃土高原植被恢復的生態(tài)學過程研究和人工林經營管理的重點之一。

生態(tài)系統服務指的是人類從生態(tài)系統中直接或間接獲得的各種惠益,包括供給服務、調節(jié)服務、文化服務,以及維持其他類型服務所必須的支持服務等4種類型[13—14]。由于各生態(tài)系統服務間權衡關系的存在,改善一種或幾種生態(tài)系統服務時,可能會對其他生態(tài)系統服務產生不利影響[15]。例如,黃土高原通過實施退耕還林(草)項目,有效改善土壤保持、固碳以及植物多樣性等生態(tài)系統服務[5],但大面積的植樹造林消耗了更多的土壤水分,使得林分衰敗從而影響了植被恢復的可持續(xù)發(fā)展[16—17]。學者們對植被恢復產生的優(yōu)缺點存在分歧[18],且多數研究往往單方面考慮植被恢復帶來的利益或造成的損害,將植被恢復帶來的優(yōu)勢和劣勢割裂開來,研究表明植被恢復對黃土高原固碳、多樣性的提高有改善[19—21],然而植被恢復引起土壤水分的虧缺也引發(fā)了學者的廣泛討論[22—24]。將植被恢復對固碳、多樣性的提升和引起土壤水分虧缺進行綜合考慮的研究,仍有待豐富。在植被恢復背景下,綜合考慮造林成果的優(yōu)缺點,權衡利弊,才能確保生態(tài)系統服務的可持續(xù)發(fā)展。刺槐林的土壤水分、林分結構、固碳等生態(tài)系統服務隨造林年限不斷變化[25],而土壤水分供需平衡對黃土高原刺槐林生態(tài)系統服務的可持續(xù)性至關重要[26—28]。隨著刺槐林生長,冠幅和葉生物量增加,蒸騰耗水與水分供給間出現矛盾[29],導致了不同程度的土壤干燥化[30],也影響刺槐林其他生態(tài)系統服務的供給。因此,對黃土高原不同恢復年限刺槐林的生態(tài)系統服務進行整體評價十分必要。黃土高原面積遼闊,降水、溫度和輻射等氣候變量隨氣候區(qū)變化差異顯著,已有大量研究顯示氣候因素導致刺槐林土壤水分、固碳以及植物多樣性等生態(tài)系統服務的差異[12, 31—32],然而這些研究的尺度較小,多集中在某個流域或縣、市[3, 22, 29]等,在整個黃土高原不同氣候區(qū)對刺槐林生態(tài)系統服務長期影響方面的研究仍有待補充。

為此,本文以整個黃土高原為研究區(qū),運用整合分析方法,綜合刺槐林土壤水分、碳和植物多樣性等生態(tài)系統服務指標,在不同氣候區(qū)內分析不同恢復年限的刺槐林生態(tài)系統服務變化,量化植被恢復對刺槐林土壤水分、固碳和植物多樣性的影響,為黃土高原新一輪植被恢復和可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 文獻來源及篩選原則

分別在中國知網(https://www.cnki.net)和Web of Science文獻庫(http://isiknowledge.com),搜索“黃土高原(Loess Plateau)”,“刺槐(R.pseudoacaciaorRobiniapseudoacaciaor black locust)”,“土壤水分或土壤含水量(soil water or soil moisture or soil water content)”或“固碳(carbon sequestration or carbon accumulation)”或“多樣性”(biodiversity)等關鍵詞,檢索自黃土高原實施植被恢復以來關于刺槐林的文獻。篩選標準如下:(1)試驗地點為黃土高原地區(qū);(2)試驗處理為刺槐林,且每項處理均有耕地或裸地等無植被恢復作為對照;(3)試驗重復次數不少于兩次;(4)刺槐林土壤水分、固碳和多樣性指標以數字或圖表形式報道;(5)對不同文獻報道的同一試驗數據只納入其中一次。經篩選,共有92篇文獻241組配對試驗(附錄)。同時對于每篇文章,記錄以下數據:采樣時間、采樣地點(經緯度、海拔)、采樣方法、氣候數據(年均降雨量MAP、年均溫度MAT)、地形數據(坡度、坡向和位置)、刺槐林種植特性(恢復年限、種植密度、株高、胸徑和覆蓋度)等,最終建立關于數據的記錄表。刺槐林各試驗地點分布如圖1所示。

圖1 刺槐林試驗地點分布圖

1.2 數據分類

按氣候區(qū)和刺槐林種植年限對數據進行分類,各分組的樣本量如表1所示。根據篩選的92篇文獻中記錄的試驗點氣候特征將研究區(qū)域劃分為半干旱地區(qū)和半濕潤地區(qū);根據各試驗點刺槐林的恢復年限,將刺槐林劃分為小于等于15年(≤15 a)、15至30年(15—30 a)和大于等于30年(≥30 a),其中恢復年限最小和最大分別是3 a、58 a。同時,土壤水分、固碳、植物多樣性三個指標分別以平均每厘米土壤儲水量、土壤碳儲量、Shannon-Wiener指數來表示。

表1 植被恢復對刺槐林土壤水分、固碳和植物多樣性效應數據庫文章數/配對試驗組數

1.3 數據處理

采用反應比(R)作為效應量來刻畫植被恢復對刺槐林土壤水分、固碳以及植物多樣性的影響[9, 33],計算公式如下:

lnR=ln(Xe/Xc)=ln(Xe)-ln(Xc)

(1)

式中,Xe和Xc分別為獨立研究中試驗組和對照組的平均值。將反應比再轉化為百分比變化率[9],計算公式如下:

Y=(elnR-1)×100%

(2)

式中,正的Y值表示植被恢復對刺槐林生態(tài)系統服務產生了正效應,負的Y值則表示產生了負效應。如果Y值的95%置信區(qū)間與0重疊,則認為植被恢復的效應不顯著,反之則效應顯著[33]。在各亞組分析中,如果不同分組內各Y值的95%置信區(qū)間沒有重疊,則認為組間差異顯著,反之則認為組間差異不顯著[9]。為進一步探究氣候區(qū)和恢復年限對刺槐林水、碳及植物多樣性的影響,將三個指標與試驗地點年均降水量、恢復年限進行了擬合分析。相關分析及繪圖在MetaWin 2.1、Spss 24.0、Excel 2016和Origin 2023等軟件中進行。

2 結果與分析

2.1 不同氣候區(qū)對植被恢復中刺槐林土壤水分、固碳和植物多樣性的影響

由圖2可知,在黃土高原地區(qū),刺槐林與對照組土壤水分存在顯著差異,平均每厘米土壤儲水量下降了35.58%(n=96)(P<0.05)。對照組和刺槐林平均每厘米土壤儲水量分別為2.29 mm和1.51 mm。不同氣候區(qū)刺槐林對土壤水分均有明顯負效應,且不同氣候區(qū)的效應差異顯著(P<0.05)。隨著黃土高原不同地區(qū)MAP的減少,刺槐林的儲水量呈降低趨勢。在半濕潤地區(qū),實施植被恢復措施后平均每厘米土壤儲水量的相對變化率為-22.98%(n=25),在半干旱地區(qū)平均每厘米土壤儲水量的相對變化率為-33.98%(n=71),半濕潤地區(qū)比半干旱地區(qū)刺槐林平均每厘米土壤儲水量多0.66 mm。

圖2 植被恢復對黃土高原不同氣候區(qū)刺槐林土壤儲水量、土壤儲水量相對變化率的影響,及地區(qū)MAP與土壤儲水量的關系

由圖3可知,黃土高原對照組土壤碳儲量為1.62 kg/m2(P<0.05),刺槐林的土壤碳儲量可達2.85 kg/m2(P<0.05)。與對照相比,土地經過植被恢復種植刺槐林后碳儲量顯著提高,整體上相對變化率為81.3%(n=94)(P<0.05),其中半濕潤地區(qū)為57.21%,半干旱地區(qū)為85.46%,半濕潤地區(qū)相對變化率低于半干旱地區(qū)。而半濕潤地區(qū)刺槐林土壤碳儲量為3.85 kg/m2,半干旱地區(qū)為2.68 kg/m2(P<0.05),半濕潤地區(qū)高于半干旱地區(qū)。同時,隨著黃土高原不同地區(qū)MAP的增加,刺槐林土壤碳儲量呈增加趨勢。

圖3 植被恢復對黃土高原不同氣候區(qū)刺槐林土壤碳儲量、土壤碳儲量相對變化率的影響,及地區(qū)MAP與土壤碳儲量的關系

由圖4可知,刺槐林與對照組相比,Shannon-Wiener指數增加了32.6%(n=51)(P<0.05)。對照組的Shannon-Wiener指數為2.18,刺槐林Shannon-Wiener指數為2.57。半濕潤地區(qū)和半干旱地區(qū)刺槐林Shannon-Wiener指數也存在顯著差異(P<0.05),半濕潤地區(qū)刺槐林Shannon-Wiener指數為2.94,與對照相比增長了149.1%(n=10);半干旱地區(qū)刺槐林Shannon-Wiener指數為2.48,相對增長率為11.88%(n=41),半濕潤地區(qū)刺槐林Shannon-Wiener指數及其相對變化率均高于半干旱地區(qū)。此外,隨MAP的增加,刺槐林Shannon-Wiener指數呈增加趨勢。

圖4 植被恢復對黃土高原不同氣候區(qū)刺槐林Shannon-Wiener指數、Shannon-Wiener指數相對變化率的影響,及地區(qū)MAP與Shannon-Wiener指數的關系

2.2 不同恢復年限對刺槐林土壤水分、固碳和植物多樣性的影響

不同恢復年限對刺槐林土壤儲水量的影響不同(圖5),在年限≤15 a地區(qū)的土壤平均每厘米儲水量相對變化率為-27.57%(n=31),與其他年限間存在顯著差異(P<0.05)。15—30 a地區(qū)的土壤平均每厘米儲水量相對變化率為-41.80%(n=42),≥30 a地區(qū)的土壤平均每厘米儲水量相對變化率為-35.92%(n=23),隨著恢復年限的增加對土壤水分的影響先增強后減弱?！?5 a、15—30 a、≥30 a三個恢復年限平均每厘米土壤儲水量依次為1.70 mm、1.43 mm、1.41 mm,隨著恢復年限的增加土壤平均每厘米儲水量出現先明顯降低后保持穩(wěn)定的變化趨勢。

圖5 不同恢復年限對黃土高原刺槐林土壤儲水量、土壤儲水量相對變化率的影響,及恢復年限與土壤儲水量的關系

不同恢復年限對刺槐林土壤碳儲量的影響不同(圖6),隨著恢復年限的增加土壤碳儲量的相對變化率及含量均呈增加趨勢,三個恢復年限土壤碳儲量分別為 1.85 mm、3.03 mm、3.57 mm。不同恢復年限的刺槐林土壤碳儲量相對變化率顯著增加,≤15 a地區(qū)的土壤碳儲量增加了16.84%(n=28),15—30 a地區(qū)的土壤碳儲量增加了78.58%(n=35),≥30 a地區(qū)的土壤碳儲量增加了156.27%(n=31)(P<0.05),隨著恢復年限的增加土壤碳儲量呈先增加后減小的趨勢。

圖6 不同恢復年限對黃土高原刺槐林土壤碳儲量、土壤碳儲量相對變化率的影響,及恢復年限與土壤碳儲量的關系

不同恢復年限對刺槐林下植物多樣性的影響不同(圖7),≤15 a地區(qū)的刺槐林下Shannon-Wiener指數增加了51.38%(n=14)(P<0.05),15—30 a地區(qū)的Shannon-Wiener指數增加了26.37%(n=26)(P<0.05),≥30 a地區(qū)的Shannon-Wiener指數增加了27.56%(n=11),≤15 a地區(qū)的Shannon-Wiener指數相對變化率最高。三個恢復年限的Shannon-Wiener指數依次為2.41、2.67、2.57,隨著恢復年限的增加植物多樣性指數呈先增大后減小的趨勢。

圖7 不同恢復年限對黃土高原刺槐林Shannon-Wiener指數、Shannon-Wiener指數相對變化率的影響,及恢復年限與Shannon-Wiener指數的關系

3 討論

3.1 植被恢復對土壤水分、固碳和植物多樣性的整合影響分析

通過比較黃土高原不同氣候區(qū)、不同恢復年限種植刺槐林對土壤水分、碳儲量和植物多樣性的影響,發(fā)現種植刺槐林后土壤水分顯著降低,土壤固碳能力和林下植物多樣性得到有效提升。同時,一些研究表明,在黃土高原開展植被恢復工程,可以有效提高森林覆蓋度,改善土壤結構和孔隙度,減少地表徑流和土壤侵蝕[17,34]。刺槐林生長迅速耐旱性強,根系發(fā)達且有固氮的根瘤[35],有助于改善土壤質量,調節(jié)林間小氣候,使土壤碳儲量和植物多樣性逐漸增加[18]。但由于人工林消耗的深層土壤水分比普通農作物多,形成了土壤干燥化[34],使得部分刺槐林生長衰退,出現刺槐林個體發(fā)育不良的現象,形成“低質、低產、低效”林[35],導致黃土高原的生態(tài)系統服務得不到有效保障。

3.2 氣候條件對刺槐林土壤水分、固碳和植物多樣性的影響分析

結果表明,不同氣候區(qū)種植刺槐林對生態(tài)系統服務的影響存在差異。黃土高原氣候環(huán)境空間差異較大,從東南到西北依次經過半濕潤、半干旱以及干旱地區(qū),降水量和溫度呈降低趨勢,年均降水量和溫度等均會影響區(qū)域尺度上的土壤水分變化[22,31],進而導致刺槐林的生長狀況也明顯受到土壤水分條件的影響[31]。在降水不足的半干旱和干旱地區(qū),由于刺槐林種植密度高且蒸散量大,土壤水分和降水補給有限,造成刺槐林大面積退化和死亡[36]。例如在降水充沛的宜君縣20 a生刺槐林生長良好,平均胸徑為11.2 cm,而在干旱區(qū)的米脂縣19 a生刺槐林胸徑僅為6.1 cm,遠低于宜君縣[35];在半濕潤地區(qū),刺槐林的土壤水分在恢復初期普遍呈下降趨勢,而在降水量小于550 mm的地區(qū),人工林的土壤水分在不同林齡中一直處于較低水平[31]。在半濕潤地區(qū)刺槐林和林下物種生長良好,群落結構和功能不斷向正演替方向改善,植物多樣性高于半干旱地區(qū),并且降水更有利于凋落物分解增加土壤碳儲量[32],發(fā)揮了良好的固碳效應和水土保持作用[33],使得濕潤區(qū)的碳儲量高于干旱區(qū)[12, 32]。越來越多研究表明重新造林對土壤碳儲量的影響可能取決于當地降水量[37],降水是影響碳儲存的主導因素[38]。研究結果顯示,與對照相比整個黃土高原種植刺槐林后土壤水分均下降,且半干旱地區(qū)土壤水分下降的尤為強烈;半濕潤地區(qū)刺槐林的固碳和植物多樣性效應均高于半干旱地區(qū)。

3.3 恢復年限對刺槐林土壤水分、固碳和植物多樣性的影響分析

結果表明,不同恢復年限的刺槐林對生態(tài)系統服務的影響存在差異[39—40]。隨著刺槐林齡的增加,對土壤水分和植物多樣性的影響先增加后減小,對土壤碳儲量的影響作用隨林齡增加而增強。大多研究認為,生態(tài)系統服務的變化及權衡與林齡有關[12,22],與對照組相比不同恢復年限的刺槐林土壤水分均有降低的趨勢[9, 22, 30,34],林齡是刺槐林土壤水分變化的重要決定因素[31]。幼齡刺槐林生長初期覆蓋度較低,林下植被光照充足長勢良好[18],林內植被可以通過減少土壤蒸發(fā)、改良土壤特性、改善小氣候等影響林地土壤水分特征。隨著刺槐林齡的增加植被固碳效益和林下植物多樣性效果顯著,但植被蒸散發(fā)逐漸增強,刺槐林和灌草層發(fā)生激烈競爭[18],再加上降雨補給的不足使得土壤水分隨著刺槐林齡的增加而減少,導致了剖面土壤儲水量明顯下降的結果[22, 30—31, 41]。而土壤水分是植被生長的重要因素,嚴重的土壤干燥化反過來又抑制了刺槐的生長,刺槐冠層蓋度減少以降低蒸騰作用,使部分刺槐林生長緩慢甚至出現退化[31],因此植被的固碳能力減弱,林下植被類型減少。有部分研究表明退化或者死亡的刺槐林耗水量減少,疏伐也對刺槐林水分利用特征產生影響[42],使得土壤水分略有增加[31,42],刺槐林下植物生長特征受郁閉度影響較大,且在年降水量低時更敏感[43]。

4 結論

(1)黃土高原地區(qū)種植刺槐林后,平均每厘米土壤儲水量為1.51 mm,相對變化率為-35.58%;土壤碳儲量為2.85 kg/m2,相對增長率為81.30%;植物多樣性指數為2.57,相對增長率為32.60%;表明土壤水分出現明顯虧缺,而土壤碳儲量和植物多樣性得到較明顯改善;其中,半干旱地區(qū)土壤水分和碳儲量變化更為明顯,半濕潤地區(qū)植物多樣性增加更為顯著。

(2)≤15 a的刺槐林土壤水分與其它恢復年限刺槐林間有顯著差別,15—30 a刺槐林土壤水分變化最明顯,≥30 a刺槐林平均每厘米土壤儲水量最低;與<30 a刺槐林相比,≥30 a刺槐林土壤碳儲量及相對變化率更為明顯;15—30 a刺槐林下植物多樣性指數最高,而≤15 a刺槐林下植物多樣性增加更為明顯。

(3)在黃土高原進行植被恢復時應綜合考慮氣候區(qū)、恢復年限及植物生長狀況等,刺槐林更適宜種植在半濕潤地區(qū)且恢復年限不超過30—40 a最佳。隨著恢復年限增加會加大對土壤水分的消耗,同時林分衰敗也會影響植被固碳和植物多樣性的提升,適當進行疏伐或改種消耗水分更少的植物,如草地、灌木等,更有利于黃土高原的可持續(xù)發(fā)展。