黃土高原植被建設與土壤干燥化：問題與展望

楊 磊,張子豪,李宗善

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

土壤水分是地球表層多個過程的重要紐帶,直接影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能[1]。土壤水分不足是干旱、半干旱地區(qū)植被恢復和生態(tài)系統(tǒng)服務維持的重要制約因素,不同時空尺度植被與土壤水分的相互作用關系一直是生態(tài)恢復領域的核心科學問題和重點研究內(nèi)容。尤其在我國黃土高原地區(qū),土壤水分是植被生長所需的直接水分來源,土壤水分不足已成為這一區(qū)域生態(tài)恢復與植被重建的關鍵制約因素[2,3]。長期以來,黃土高原人工植被恢復有效緩解了這一地區(qū)嚴重的水土流失狀況,尤其是大規(guī)模退耕還林還草工程的實施,有效提升了包括土壤保持、固碳等在內(nèi)的多種生態(tài)系統(tǒng)服務功能[4]。全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查表明,黃土高原是我國植被覆蓋增加最為明顯的區(qū)域[5],人工植被已成為這一地區(qū)主要的植被類型。然而,當前的植被恢復和布局方式也導致了土壤水分的過度消耗,人工植被對土壤水分的長期多度消耗超出了降水的補償,導致干燥化現(xiàn)象的出現(xiàn)[3, 6-7]。土壤干燥化是土壤水分含量某一段時間或長期低于自然植被的水文現(xiàn)象。土壤出現(xiàn)干燥化以后難以為地上植被提供充足的水分來源,不利于人工植被的持續(xù)穩(wěn)定生長[8],大范圍的土壤干燥化勢必影響植被恢復的可持續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對區(qū)域生態(tài)安全造成威脅。本文針對黃土高原土壤干燥化現(xiàn)象形成的氣候背景,著重從土壤干燥化的植被驅動過程、土壤干燥化時空分異的環(huán)境因素以及土壤水分的可持續(xù)利用等幾個方面,討論黃土高原大規(guī)模植被建設與土壤干燥化研究面臨的問題與挑戰(zhàn)。

1 土壤干燥化的氣候背景

土壤水分含量是水分輸入(降雨)和輸出(蒸發(fā)、蒸騰和滲漏)綜合作用的結果。黃土高原大部分地區(qū)年降水量為400—600 mm,而潛在蒸發(fā)量為800—1000 mm[9],降水量少而潛在蒸發(fā)量大的干旱、半干旱氣候是這一地區(qū)土壤水分不足的氣候背景。另一方面,黃土高原降水主要集中在夏季,且多以暴雨形式呈現(xiàn),雨強大、歷時短,不利于降水入滲,使得土壤水分有效補給不足[10]。從區(qū)域分異上來看,黃土高原從東南到西北降水逐漸減少,使得土壤水分含量沿著這一降水梯度也逐漸減少[11],和降水量與蒸散量的比值相對應[9],這也是土壤干燥化在黃土高原區(qū)域尺度空間分異的重要影響因素。近幾十年來的氣象觀測資料表明,黃土高原地區(qū)氣候存在較大的年際波動,耦合氣象和土壤水分監(jiān)測的研究也證明了這一地區(qū)生長季降水量的減少使得土壤儲水呈減少趨勢[12],這在一定程度上加劇了土壤水分的不足。

2 植被建設對土壤干燥化的影響

植被對土壤水分的作用主要表現(xiàn)在兩個方面：一是通過水分利用來影響土壤水分,尤其是植被生長階段大量蒸騰耗水對不同深度土壤水分施加影響,造成土壤持續(xù)干化,二是通過植株形態(tài)和群落結構影響降水分配從而影響土壤水分的收入過程[13-15]。植被在土壤干燥化的形成過程中起到關鍵作用,其中人工植被大量蒸騰耗水是土壤干燥化的直接原因。對于黃土高原來說,人工植被對土壤水分的消耗尤為嚴重,土壤水分含量及其季節(jié)動態(tài)均主要受植被類型的影響[16]。此外,植被的生長年限、群落結構、冠層蓋度、根系密度等都對土壤干燥化的形成和分布有重要影響[17,18]。

2.1 植被類型和生長年限對土壤干燥化的影響

人工植被建設改變了植被自然演替的方向,從而改變了土壤水分的演化過程。在黃土高原水土流失治理的初期,為了快速達到水土保持和改善生態(tài)環(huán)境的效果,植被恢復一般選擇抗逆性和抗旱性強、速生高產(chǎn)的外來種和栽植種[19]，并且種植密度較大。這類植被及其種植方式一般耗水性強,生長階段需要大量水分供給,而黃土高原天然降水不足,植被為維持生長必然要通過根系不斷下延吸收深層土壤水分,而深層土壤水分難以得到降水的有效補充,從而使得深層土壤干化難以恢復,對植被恢復的可持續(xù)性與生態(tài)功能的發(fā)揮形成了制約。黃土高原不同地區(qū)的研究報道顯示,人工林草植被可消耗5m、10m、甚至20m以下土層的水分[20,21]。植被類型是影響土壤水分的重要因素,人工植被生產(chǎn)力過高、種植密度過大是形成土壤干燥化的首要原因[3, 22-24]。研究表明,喬木、灌木、人工牧草等不同植被類型對土壤干燥化的影響差異很大,同一植被類型也因密度、生物量以及生長年限不同,對土壤干燥化的影響程度也不同[25,26]。喬木、灌木和人工牧草植被地上部分葉片數(shù)量和生物量遠高于荒草和農(nóng)田,強烈的蒸騰作用使得相同條件下其土壤水分含量明顯偏低,這種不同植被類型之間土壤水分的差異已得到廣泛的證實[27-29]。

一般而言,人工植被隨著生長年限越長,地上生物量累積越多,其對土壤水分的消耗也就越高,在降水不能有效補充土壤水分的時候,土壤干燥化隨著植被生長年限的增加而加劇。例如,李玉山[30]早在1983年就發(fā)現(xiàn)多年生人工牧草地和茂密林地所形成的土壤水分虧缺,不論在深度和干燥化程度上,都遠遠超過一年生作物地。在黃土高原不同地區(qū),分別針對刺槐、油松、山杏、檸條、苜蓿、沙打旺、蘋果等不同植被類型時間序列的土壤水分對比分析均發(fā)現(xiàn),人工喬灌草植被生長年限越長,土壤水分含量就越低[26, 31-33]。但并不是隨著植被生長年限延長,土壤水分含量呈一直減少的狀態(tài),而是在一定年限以后,土壤水分呈一個較為穩(wěn)定的波動狀態(tài),并且隨著人工植被的生長衰退,其對土壤水分的過度消耗也會相應減少,土壤水分會有一定的恢復。

2.2 植被群落特征與土壤干燥化的關系

相比自然植被,人工植被群落往往結構單一、密度過大、生物量較高,會消耗更多的土壤水分,加劇土壤干燥化程度[18]。例如,李軍等[34]模擬不同種植密度刺槐林土壤干燥化效應發(fā)現(xiàn),種植密度越高土壤干燥化速度越快。另外,黃土高原南部半濕潤區(qū)農(nóng)田在中低產(chǎn)年代未發(fā)現(xiàn)土壤干燥化現(xiàn)象,而在高產(chǎn)以后出現(xiàn)土壤水分不足也是一個很好的證明[9]。王力等[35,36]對比了子午嶺天然林地和人工林地的結構特征和耗水特性,發(fā)現(xiàn)天然林地在結構上形成了典型的“喬—灌—草”復層穩(wěn)定的空間層片結構,自我調(diào)節(jié)能力較強,只在淺層形成了輕度水分虧缺,且在雨季后能及時恢復,并未影響天然植被的發(fā)育與演替,而人工林地則形成較為嚴重的土壤干燥化?？傮w而言,當前黃土高原大規(guī)模人工植被恢復中,人工植被物種單一,群落結構簡單,容易對土壤水分過度消耗,反過來土壤水分不足又影響了人工植被的生長發(fā)育,并且單一的群落結構對自然災害、病蟲害的抵御能力也相對較弱。

土壤水分及其空間變異與葉片面積、冠層蓋度、葉面積指數(shù)的空間異質性密切相關[37,38]。群落結構、葉片形態(tài)等對不同尺度的環(huán)境變化具有極強的敏感性[39],植被系統(tǒng)在水分限制條件下可以通過調(diào)節(jié)植被密度、物種組成、葉片面積、葉片數(shù)目等來降低對水分需求的壓力[40],因而地表植被的覆蓋度、葉面積、形態(tài)結構等功能性狀及相應的水分利用過程對土壤干燥化有一個明顯的反映[41,42],這使得利用植被動態(tài)信息識別土壤干燥化過程成為可能。黃土高原淺層土壤水分時空變異方面的研究積累豐富[43],但坡面、小流域和區(qū)域尺度上植被動態(tài)對土壤干燥化的作用還比較缺乏定量和系統(tǒng)的研究,這種研究上的不足還難以形成對植被合理空間布局的科學指導。尤其是當前對土壤干燥化時空格局的研究,還主要停留在野外采樣—數(shù)據(jù)分析比較的階段,由于土壤干燥化尤其是深層土壤干燥化野外采樣費時費力,在一定程度上制約了相關研究的發(fā)展。雖然已經(jīng)有學者開展了不同土地利用/植被格局下土壤干燥化特征的研究[16, 28, 44-45],但仍多限于立地或坡面尺度?；诳臻g上的植被群落功能性狀、覆蓋度等植被動態(tài)信息對土壤干燥化時空格局進行定量識別,通過植被格局優(yōu)化來調(diào)整不同尺度土壤水分狀況,以維持土壤水分的持續(xù)利用,亟待進一步的深入。

3 土壤和地形因素對土壤干燥化空間分異的影響

黃土高原地下水埋藏深,土壤蒸發(fā)和植物蒸騰無法利用地下水,在降雨不能滿足植被消耗的情況下,植被只能消耗土壤儲水,而這部分水分難以及時補充,人工植被若過度消耗就容易造成土壤水分的持續(xù)虧缺,而深厚的黃土覆蓋是這一地區(qū)形成深層土壤干燥化的重要因素。另一方面,黃土的質地均一,毛管孔隙發(fā)達,具有極強的蒸發(fā)能力,黃土特殊的土壤屬性同樣影響了土壤干燥化的形成與分布。在黃土高原,黃土粒度組成存在由東南向西北逐漸變粗的現(xiàn)象,從而導致在這一方向上土壤持水性能逐漸降低,土壤蒸發(fā)性能逐漸增強[46]。不少學者的研究表明土壤質地、容重等的差異也是黃土高原區(qū)域尺度土壤干燥化空間分異的重要影響因素,而小流域尺度的研究也同樣發(fā)現(xiàn),土壤類型和質地的差異影響了土壤干燥化的空間分異[26, 47-48]。

干旱、半干旱地區(qū)土壤水分的時空分異與地形密切相關[49,50],尤其在地形破碎、溝壑縱橫的黃土丘陵區(qū),地形是土壤水分空間變異的重要影響因素[51,52]。地形因素中的坡度、坡向、坡位、坡形等都能通過影響水文路徑、太陽輻射等作用于不同深度土壤水分[53]。多個研究表明,植被一致的情況下,隨著坡度增大,坡面徑流的流速和流量增加,入滲減少,土壤含水量降低,土壤干燥化的程度就越嚴重[31, 54]。陽坡受太陽輻射相對較多,土壤溫度高,蒸發(fā)蒸騰作用強烈,因而土壤干燥化程度也大于陰坡[29, 31, 55]。下坡位因徑流的匯集,土壤水分含量一般高于上坡位,坡腳、溝底、川道水分條件相對較好,土壤干燥化程度小于坡頂[19, 31]。也有研究認為地形對土壤水分的作用僅限于淺層土壤[54],不一定能有效作用于深層土壤,深層土壤水分還主要受植被類型的影響[56,57]。同樣也有研究發(fā)現(xiàn),若不考慮植被因素,土壤水分主要受地形和土壤影響,其空間格局呈現(xiàn)出較強的時間穩(wěn)定性；但若考慮植被因素,土壤水分的空間格局并不穩(wěn)定[58]。比如,植被生長狀況等作為土壤干燥化時空分異的一個重要影響因素,有時甚至能改變地形條件對土壤水分的影響[27, 59]。

4 土壤水分的恢復與可持續(xù)利用

黃土高原的降水入滲深度除南部半濕潤區(qū)在大豐水年可達到5m以下外,一般都在3m以內(nèi),且沒有深層滲漏[9, 60],黃土高原深層土壤水分的恢復較為困難。王進鑫等[61]通過定位監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn),自然條件下單純依賴天然降水難以使人工林地土壤干燥化狀況得到有效改善。也有研究發(fā)現(xiàn),3年生沙打旺草地形成的土壤干燥化至少在沙打旺鏟除3年以后方能恢復到最初狀態(tài),而喬木形成的土壤干化在砍伐幾十年后才能恢復如初[62]。干旱、半干旱氣候背景下土壤水分的恢復雖然較為困難,但合理的植被配置、整地措施以及土地管理對土壤水分的恢復也有顯著作用。例如,王晗生等[23]認為撂荒休閑、間伐或加大樹木空間的人工植被管理措施,同樣可以緩和郁閉林分中的缺水狀況,恢復深層土壤水分。也有研究發(fā)現(xiàn)種植一年生農(nóng)作物,土壤水分能得到一定的恢復,且恢復的深度和程度隨年限的增加而增大。為維持植被生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和土壤水分的持續(xù)利用,當前多數(shù)研究均建議黃土高原植被建設應以自然恢復為主,遵循植被演替規(guī)律和耗水規(guī)律[46, 63],人工植被恢復需要因地制宜,依據(jù)水分承載力調(diào)控群落密度和生產(chǎn)力[22, 64],并改變單一的人工植被種植方式,豐富群落結構[17],使土壤水分得以維持和改善。梯田、水平階、水平溝、魚鱗坑等坡面整地措施在一定條件下可以有效攔蓄降水、增加入滲,具有改善土壤水分狀況、防止和削弱土壤干燥化的作用；另一方面,坡面整地措施通過對水土進行攔蓄,還有利于提高植被成活率,促進植被生長和恢復[65,66]。采取合理的措施與方法,干燥化的土壤能夠得到一定程度的恢復,維持水分的可持續(xù)利用與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。黃土高原地區(qū)大規(guī)模人工植被恢復已有幾十年的時間,而生態(tài)系統(tǒng)演化到與環(huán)境相適應的狀態(tài)往往在60年甚至百年以上。在探討人工植被恢復與土壤水分的可持續(xù)利用上,也同樣需要考慮在更長時間尺度上,人工植被生態(tài)系統(tǒng)是否最終會自我調(diào)節(jié)到與環(huán)境相適應的狀態(tài),土壤水分在更長的時間尺度上是否會同人工植被的演替達到相互適應的狀態(tài)。

5 黃土高原土壤干燥化研究的問題與展望

對黃土高原土壤干燥化形成過程的研究,從最初的不同植被類型土壤水分的比較,到土壤水分的動態(tài)監(jiān)測以揭示其形成過程,也有學者開始通過水分循環(huán)過程、蒸散發(fā)過程的觀測,以及同位素示蹤技術的應用[67],對這一過程進行分析,從降水—土壤水的轉化過程、土壤水分的消耗過程等多個方面來解析土壤干燥化過程。例如,Wang等[68]通過次降雨過程中濕潤鋒和入滲量的對比分析來研究植被類型對土壤水分收支過程的作用,Fan等[27]和Chen等[69]則結合降雨特征,通過剖面土壤水分動態(tài)揭示了土壤干燥化的形成過程。這些研究有效推動了土壤干燥化驅動機制的研究,但向坡面、流域或區(qū)域尺度的擴展還需要更多的案例探討。

對土壤干燥化動態(tài)的研究表明,淺層土壤水分受降雨、氣象條件、植被耗水等影響季節(jié)波動較大,而較深層次的土壤水分則相對較為穩(wěn)定[18, 69],當前對小流域土壤干燥化狀況及其動態(tài)的研究多以年為單位進行對比分析,還較為缺乏空間格局及其季節(jié)動態(tài)的探討。不同尺度土壤干燥化時空分異規(guī)律的解析,比較多的集中于立地和坡面尺度,側重于不同植被類型、群落結構特征、種植年限、生物量等因素影響下的土壤水分的比較。植被隨著降雨、溫度等的季節(jié)變化而存在較大的季節(jié)波動,目前還較為缺乏耦合植被群落動態(tài)特征、植被配置結構、植被空間布局對土壤干燥化時空動態(tài)影響的研究,以明確植被動態(tài)及其空間異質性對土壤干燥化時空分異的影響。此外,明確人工植被與土壤水分之間的互饋過程是黃土高原人工植被生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性維持的重要基礎,而植被與土壤水分之間的互饋機制尚需要更多長期和深入的研究。

土壤干燥化是多重因素綜合作用的結果,后續(xù)研究需要進一步揭示多重環(huán)境因素對土壤干燥化時空動態(tài)的直接和間接影響并明確其定量關系,構建植被與土壤水分相互作用的空間模型,開展變化環(huán)境下不同尺度人工植被恢復對土壤水分以及生態(tài)系統(tǒng)影響的模擬預測研究。科學的植被配置是黃土高原水土保持和生態(tài)安全的重要基礎,對于大規(guī)模人工植被恢復區(qū)域,需要基于植被與水分的相互作用關系,探討如何合理地配置植被組成和空間布局,進行科學的植被建設以維持土壤水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)系統(tǒng)服務功能的提升。小流域是黃土高原水土流失綜合治理的基本單元,小流域內(nèi)不同植被類型的比例如何影響流域整體的土壤水分狀況？植被的空間格局及其覆蓋動態(tài)是否對土壤干燥化過程產(chǎn)生影響？黃土高原小流域的植被覆蓋較為復雜,從流域整體的角度研究復雜植被覆蓋格局下土壤干燥化的時空分異規(guī)律,探討基于植被格局優(yōu)化的土壤干燥化調(diào)控機制,對于維護植被生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和土壤安全具有重要的科學意義和應用價值。