濮陽(yáng)雪華 ，王月玲 ，趙志杰 ，黃娟 ，楊宇

（1. 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100871；2. 深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司，深圳 518040）

陜北黃土區(qū)干旱少雨，降水集中，蒸發(fā)量大，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重。隨著黃土高原退耕還林還草工程的實(shí)施，人工植被已成為該地區(qū)最主要的植被類(lèi)型，植被覆蓋度明顯增加，水土流失有效緩解，土壤保持、固碳能力等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得到顯著提升［1?2］。黃土高原退耕植被的演替在一定程度上改善了土壤理化性質(zhì)，但由于植被種類(lèi)、配置模式及栽植密度等方面的差異，影響著植被蒸騰耗水、根系更替分布、凋落物積累分解以及微生物種類(lèi)活性等一系列生理生化過(guò)程，進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分含量及養(yǎng)分積累變化特征明顯不同［3?7］。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)黃土高原不同植被類(lèi)型土壤水分和養(yǎng)分的大量研究結(jié)果表明，由于地上部分葉片數(shù)量和生物量的差異，導(dǎo)致相同條件下喬灌木的蒸騰作用遠(yuǎn)高于農(nóng)田和荒草地，使得農(nóng)田和草地土壤含水量較高，灌叢次之，林地土壤含水量最低，其土壤干燥化程度及干層厚度均為最大［4，8?10］，但林地較好的微生態(tài)環(huán)境、較強(qiáng)的抗蝕性能和分解再利用能力，使其總體上呈現(xiàn)出更好的改土效果和更高的養(yǎng)分水平［3，11?13］。黃土高原生態(tài)恢復(fù)如果忽略自然環(huán)境本底特征，盲目進(jìn)行植被恢復(fù)重建，可能引起土壤水分過(guò)耗和養(yǎng)分失調(diào)，甚至導(dǎo)致人工植被退化衰敗，嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，針對(duì)不同植被恢復(fù)模式植被與土壤耦合關(guān)系的綜合評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

植被和土壤作為一個(gè)有機(jī)整體，兩者相輔相成、相互作用、相互影響。土壤作為植被生長(zhǎng)發(fā)育的載體，為其生長(zhǎng)提供必需的水分和養(yǎng)分，在不同程度上影響著植被的生長(zhǎng)發(fā)育和分布格局，進(jìn)而影響植被群落的生產(chǎn)力及生態(tài)服務(wù)功能，而植被生長(zhǎng)又可改善土壤結(jié)構(gòu)、保持土壤肥力、利于涵養(yǎng)水源［14?15］。耦合度是定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)或要素之間相互影響程度的重要指標(biāo)，體現(xiàn)了相互作用程度的強(qiáng)弱，但并不能區(qū)分利弊［16］。耦合協(xié)調(diào)度則是以耦合度為基礎(chǔ)，通過(guò)加入表示總體發(fā)展水平的成分，能夠更加全面準(zhǔn)確地反映兩個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中的功能與協(xié)同效應(yīng)［17］。耦合協(xié)調(diào)度模型當(dāng)前已被廣泛用于分析城市化、經(jīng)濟(jì)、旅游與生態(tài)環(huán)境之間的內(nèi)在關(guān)系［16，s18?19］。該模型也能夠?qū)⒅脖慌c土壤統(tǒng)一到同一系統(tǒng)進(jìn)行研究，不同學(xué)者分別針對(duì)喀斯特峰叢洼地［17］、黃土高原溝谷地［20］、干旱沙區(qū)固沙林地［21］和黃土高原微地形［22］構(gòu)建了植被土壤系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度模型，更加全面準(zhǔn)確地揭示了植被與土壤恢復(fù)過(guò)程的相互作用機(jī)制。同黃土高原不同植被類(lèi)型土壤水分和養(yǎng)分的大量研究實(shí)踐相比，利用耦合協(xié)調(diào)度模型進(jìn)行植被恢復(fù)評(píng)價(jià)的研究報(bào)道甚少。本研究以不同恢復(fù)模式的植被群落為研究對(duì)象，分析植被特征與土壤性狀的變化規(guī)律，揭示植被群落與土壤環(huán)境的動(dòng)態(tài)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，以期為陜北黃土區(qū)退耕還林還草工程的高效實(shí)施與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吳起縣位于陜西省延安市西北部（36°33′33″?37°24′27″N，107°38′57″?108°32′49″E），地貌類(lèi)型為黃土高原丘陵溝壑區(qū)，海拔1233～1809 m，屬半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7.8 ℃，年平均無(wú)霜期146 d，年平均降水量478.3 mm，年平均蒸發(fā)量891.2 mm。研究區(qū)位于吳起縣中部的吳起鎮(zhèn)流域，土壤類(lèi)型主要為黃土母質(zhì)發(fā)育而來(lái)的黃綿土，質(zhì)地為輕壤。該流域自1998 年實(shí)施退耕還林還草工程以來(lái)，水土流失得到了有效控制，形成了以油松（Pinus tabuliformis）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、山杏（Armeniaca sibiri?ca）、小葉楊（Populus simonii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、檸條（Caragana korshinskii）等樹(shù)種為主的喬灌木人工林。本研究選取地形條件相似、種植年份相近的6 種植被恢復(fù)模式（12 種植被類(lèi)型）作為研究對(duì)象，分別為針葉純林（油松純林、側(cè)柏純林）、闊葉純林（刺槐純林、山杏純林、小葉楊純林）、針闊混交林（山杏油松混交林、小葉楊油松混交林）、喬灌復(fù)層林（側(cè)柏沙棘復(fù)層林、山杏沙棘復(fù)層林）、灌木林（沙棘林、檸條林）和天然草地。每種植被類(lèi)型設(shè)置3 個(gè)面積為20 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)樣地，其中灌木樣方面積為5 m×5 m，草本樣方面積為1 m×1 m，樣地基本概況見(jiàn)表1。

表1 研究樣地基本概況Table 1 Information of the study area

1.2 植被調(diào)查與分析

植被群落調(diào)查于2020 年7?8 月進(jìn)行，每種植被類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)樣地即為1 個(gè)喬木樣方（20 m×20 m），然后在每個(gè)喬木樣方2 條對(duì)角線1/4 處設(shè)置4 個(gè)灌木樣方（5 m×5 m），同時(shí)在每個(gè)灌木樣方按同樣方法設(shè)置4 個(gè)草本樣方（1 m×1 m）。調(diào)查內(nèi)容包括植被的種類(lèi)、數(shù)量、高度、蓋度、郁閉度、胸徑、冠幅等，同時(shí)采集植物葉片用于測(cè)定營(yíng)養(yǎng)元素含量。采用烘干稱(chēng)量法測(cè)定草本生物量，采用模型法測(cè)算喬灌木生物量。植物葉片營(yíng)養(yǎng)元素含量測(cè)定指標(biāo)包括全氮、全磷和全鉀，測(cè)定方法參照土壤農(nóng)化分析（第三版）［23］進(jìn)行，具體方法為：采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量；采用H2SO4?H2O2消煮?鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量；采用H2SO4?H2O2消煮?火焰光度法測(cè)定全鉀含量。植被群落生物多樣性測(cè)算指標(biāo)包括物種豐富度、Shannon?Wiener 指數(shù)、Pielou 指數(shù)和Simpson 指數(shù)，計(jì)算方法參照文獻(xiàn)［24］進(jìn)行。

1.3 土壤采集與分析

土壤樣品采集于2020 年7?8 月，每次采集時(shí)確保前3 d 無(wú)有效降水。土壤容重分析樣品在每種植被類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)樣地中挖掘土壤剖面，采用環(huán)刀法每間隔20 cm 取0～100 cm 土層的原狀土，烘干后用于測(cè)定土壤容重。土壤含水量分析樣品在每種植被類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)樣地中心位置采用人工土鉆法每間隔20 cm 采集0～800 cm 土層的土壤樣品，采用烘干法測(cè)定土壤含水量。土壤養(yǎng)分分析樣品在每種植被類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)樣地中按照S 型路線采用人工土鉆法每間隔20 cm 采集0～100 cm 土層的土壤樣品，每個(gè)土樣采集約500 g，置于通風(fēng)處自然風(fēng)干，研磨、過(guò)篩后備用。土壤養(yǎng)分測(cè)定指標(biāo)包括pH 值、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀，測(cè)定方法參照土壤農(nóng)化分析（第三版）［23］進(jìn)行，具體方法為：采用酸度計(jì)法測(cè)定pH 值；采用重鉻酸鉀容量法?外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量；采用半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮含量；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮含量；采用碳酸氫鈉浸提?分光光度法測(cè)定有效磷含量；采用乙酸銨浸提?火焰光度法測(cè)定速效鉀含量。

1.4 耦合關(guān)系分析

1.4.1 指標(biāo)體系構(gòu)建及權(quán)重計(jì)算 在遵循科學(xué)性、代表性、綜合性、可操作性、簡(jiǎn)練性等評(píng)價(jià)指標(biāo)體系選取構(gòu)建原則的基礎(chǔ)上，借鑒前人研究成果［17，20?22］，依據(jù)植被與土壤之間的內(nèi)在關(guān)系，構(gòu)建陜北黃土區(qū)不同植被恢復(fù)模式植被與土壤耦合關(guān)系評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其中植被群落準(zhǔn)則層包括生長(zhǎng)特性、養(yǎng)分效應(yīng)和物種多樣性，表征指標(biāo)包括郁閉度、生物量、全氮、全磷、全鉀、物種豐富度、Shannon?Wiener 指數(shù)、Pielou 指數(shù)和Simpson 指數(shù)；土壤環(huán)境準(zhǔn)則層包括物理性狀和養(yǎng)分水平，表征指標(biāo)包括容重、含水量、pH 值、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀（表2）。同時(shí)，采用主客觀相結(jié)合的方法，即采用層次分析法和熵權(quán)法分別計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，然后利用最小信息熵原理將兩者權(quán)重相結(jié)合，最終確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重值。

表2 植被與土壤耦合關(guān)系評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重值Table 2 Evaluation index system and weight value of coupling relationship between vegetation and soil

1.4.2 綜合評(píng)價(jià)函數(shù)構(gòu)建 在對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理的基礎(chǔ)上，以x1、x2……xm表示植被群落的m個(gè)指標(biāo)，以y1、y2……yn表示土壤環(huán)境的n個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建不同植被恢復(fù)模式植被群落綜合評(píng)價(jià)函數(shù)及土壤環(huán)境綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)越高，表示植被群落或土壤環(huán)境發(fā)展水平越好，反之則越差，其計(jì)算公式如下：

式中：P（x）為植被群落綜合評(píng)價(jià)函數(shù)；xi為第i個(gè)植被指標(biāo)的無(wú)量綱值；pi為第i個(gè)植被指標(biāo)的綜合權(quán)重值；S（y）為土壤環(huán)境綜合評(píng)價(jià)函數(shù)；yj為第j個(gè)土壤指標(biāo)的無(wú)量綱值；sj為第j個(gè)土壤指標(biāo)的綜合權(quán)重值。

1.4.3 耦合關(guān)系模型構(gòu)建 1）耦合度模型：耦合度是定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)或要素之間相互影響程度的重要指標(biāo)［18］，根據(jù)植被群落及土壤環(huán)境綜合評(píng)價(jià)函數(shù)構(gòu)建植被與土壤耦合度模型，其計(jì)算公式如下：

式中：C為不同植被恢復(fù)模式植被與土壤耦合度；k為調(diào)節(jié)系數(shù)，k取值為 5［17］。耦合度C表示當(dāng)P（x）與S（y）之和在一定條件下，植被與土壤相互作用的影響程度。當(dāng)C趨向于1 時(shí)，表示植被與土壤之間呈現(xiàn)共振耦合狀態(tài)；當(dāng)C趨向于0 時(shí)，表示植被與土壤之間處于無(wú)關(guān)狀態(tài)。

2）耦合協(xié)調(diào)度模型：耦合度難以全面準(zhǔn)確地反映植被與土壤在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際水平和狀態(tài)，單純依靠耦合度評(píng)價(jià)可能會(huì)出現(xiàn)誤導(dǎo)結(jié)果，為了進(jìn)一步反映不同植被恢復(fù)模式植被群落與土壤環(huán)境耦合協(xié)調(diào)程度，以耦合度為基礎(chǔ)，加入表示總體發(fā)展水平的成分，構(gòu)建植被與土壤耦合協(xié)調(diào)度模型，其計(jì)算公式如下：

式中：D表示不同植被恢復(fù)模式植被與土壤耦合協(xié)調(diào)度，D值越高，表示植被群落與土壤環(huán)境的總體發(fā)展水平越好，兩者之間的耦合關(guān)系越協(xié)調(diào)；T表示植被與土壤的綜合調(diào)和指數(shù)，反映植被與土壤在系統(tǒng)中的貢獻(xiàn)程度，參考前人研究［17，20］，α和β均取值 0.5。

3）耦合協(xié)調(diào)類(lèi)型劃分：耦合協(xié)調(diào)等級(jí)及類(lèi)型劃分目前尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，參考前人研究［17］，依據(jù)耦合協(xié)調(diào)度D值，將不同植被恢復(fù)模式植被與土壤耦合協(xié)調(diào)度劃分為10 個(gè)等級(jí)，再依據(jù)P（x）與S（y）的比值，確定每一個(gè)耦合協(xié)調(diào)等級(jí)的耦合協(xié)調(diào)特征（表3）。

表3 植被與土壤耦合協(xié)調(diào)類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard of coupling coordination type between vegetation and soil

1.5 統(tǒng)計(jì)與分析

釆用Excel 2013 和SPSS 18.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析和LSD 多重比較分析不同植被恢復(fù)模式之間的差異，采用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析不同因子之間的相關(guān)性，運(yùn)用yaahp 6.0 統(tǒng)計(jì)軟件確定層次分析法權(quán)重值，使用Excel 2013 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)模式土壤物理性狀分析

不同植被恢復(fù)模式0～100 cm 土層土壤平均容重為1.25～1.28 g·cm?3，且彼此間未呈現(xiàn)顯著差異（圖1）。不同植被恢復(fù)模式0～800 cm 土層土壤平均含水量由高到低依次為天然草地（9.17%）＞灌木林（7.53%）＞針葉純林（7.11%）＞針闊混交林（6.50%）＞闊葉純林（6.30%）＞喬灌復(fù)層林（5.79%），除針闊混交林和闊葉純林土壤含水量無(wú)顯著差異外，其他各植被恢復(fù)模式彼此間均存在顯著差異（P＜0.05）。

圖1 不同植被恢復(fù)模式土壤物理指標(biāo)含量比較Fig.1 Comparison of soil physical index contents in different vegetation restoration models

2.2 不同植被恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分指標(biāo)分析

不同植被恢復(fù)模式0～100 cm 土層土壤pH 值具有顯著差異（P＜0.05），均呈現(xiàn)出弱堿性，其中喬灌復(fù)層林土壤pH 值最高，針闊混交林則最低（表4）。不同植被恢復(fù)模式土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量范圍分別為0.41%～0.61%和0.26～0.39 g·kg?1，且針闊混交林均顯著高于喬灌復(fù)層林。天然草地土壤堿解氮含量顯著高于其他植被恢復(fù)模式，且其他植被恢復(fù)模式彼此間無(wú)顯著差異。在有效磷含量方面，針闊混交林和闊葉純林土壤有效磷含量較高，分別為2.93 和2.90 mg·kg?1，灌木林、針葉純林和天然草地則相對(duì)較低且彼此間差異不顯著。不同植被恢復(fù)模式土壤速效鉀含量為66.32～112.70 mg·kg?1，由高到低依次為喬灌復(fù)層林＞闊葉純林＞針闊混交林＞灌木林＞針葉純林＞天然草地，其中喬灌復(fù)層林和闊葉純林顯著高于灌木林、針葉純林和天然草地。由此可見(jiàn)，不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響存在較大差異，針闊混交林和闊葉純林的土壤養(yǎng)分總體相對(duì)較好。

表4 不同植被恢復(fù)模式土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量比較Table 4 Comparison of soil nutrient index contents in different vegetation restoration models

2.3 不同植被恢復(fù)模式植被生長(zhǎng)指標(biāo)分析

不同植被恢復(fù)模式植被郁閉度和生物量差異均顯著（P＜0.05）。喬灌復(fù)層林、灌木林和天然草地郁閉度相對(duì)較高，針闊混交林和闊葉純林次之，針葉純林郁閉度則最低。不同植被恢復(fù)模式植被生物量由高到低依次為闊葉純林＞喬灌復(fù)層林＞針葉純林＞針闊混交林＞灌木林＞天然草地，但闊葉純林、喬灌復(fù)層林、針葉純林以及針闊混交林間差異不顯著（圖2）。

圖2 不同植被恢復(fù)模式植被生長(zhǎng)指標(biāo)比較Fig.2 Comparison of vegetation growth indexes in different vegetation restoration models

2.4 不同植被恢復(fù)模式植被營(yíng)養(yǎng)元素含量分析

不同植被恢復(fù)模式植被葉片全氮、全磷和全鉀含量均存在顯著差異（P＜0.05），其中灌木林葉片的全氮和全磷含量均最高，闊葉純林和喬灌復(fù)層林次之，針闊混交林、針葉純林和天然草地含量相對(duì)較低（表5）。在全鉀含量方面，闊葉純林葉片全鉀含量最高，是針葉純林的5 倍。綜合來(lái)看，天然草地和針葉純林葉片營(yíng)養(yǎng)元素含量總體較低。

表5 不同植被恢復(fù)模式植被營(yíng)養(yǎng)元素含量比較Table 5 Comparison of vegetation nutrient contents in different vegetation restoration models

2.5 不同植被恢復(fù)模式植被生物多樣性分析

天然草地的物種豐富度顯著高于其他植被恢復(fù)模式（P＜0.05），且針葉純林、闊葉純林、針闊混交林、喬灌復(fù)層林和灌木林彼此間差異不顯著。在Shannon?Wiener 指數(shù)方面，針葉純林和天然草地顯著高于闊葉純林，針闊混交林、喬灌復(fù)層林和灌木林間則無(wú)顯著差異。不同植被恢復(fù)模式植被Pielou 指數(shù)由高到低依次為針闊混交林＞針葉純林＞喬灌復(fù)層林＞灌木林＞闊葉純林＞天然草地。在Simpson 指數(shù)方面，針葉純林顯著高于闊葉純林，針闊混交林、天然草地、喬灌復(fù)層林和灌木林間則未呈現(xiàn)顯著差異。這表明不同植被恢復(fù)模式對(duì)植被生物多樣性具有顯著影響，針葉純林生物多樣性總體較高，而闊葉純林則相對(duì)較低（表6）。

表6 不同植被恢復(fù)模式植被生物多樣性比較Table 6 Comparison of vegetation biodiversity in different vegetation restoration models

2.6 植被與土壤表征指標(biāo)相關(guān)性分析

土壤含水量與植被生物量和全鉀含量具有極顯著的負(fù)相關(guān)性（P＜0.01），且與植被全磷含量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性（P＜0.05）。土壤有效磷含量與植被生物量和全鉀含量分別具有顯著和極顯著的正相關(guān)性。土壤速效鉀含量則與植被生物量及營(yíng)養(yǎng)元素含量均具有極顯著的正相關(guān)性。在土壤環(huán)境與植被生物多樣性關(guān)系方面，土壤容重和pH 值增加會(huì)顯著降低植被物種豐富度和Shannon?Wiener 指數(shù)，且土壤容重與Simpson 指數(shù)也呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)性，而土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量的增加則會(huì)顯著提高植被物種豐富度和Shannon?Wiener 指數(shù)，且土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量與Simpson 指數(shù)分別具有極顯著和顯著的正相關(guān)性，但土壤有效磷和速效鉀含量則對(duì)植被生物多樣性無(wú)顯著影響（表7）。

表7 植被群落與土壤環(huán)境表征指標(biāo)相關(guān)性分析Table 7 Correlation analysis of indexes between vegetation community and soil environment

2.7 不同植被恢復(fù)模式植被與土壤耦合關(guān)系分析

植被群落綜合評(píng)價(jià)指數(shù)由高到低依次為針闊混交林＞喬灌復(fù)層林＞針葉純林＞灌木林＞闊葉純林＞天然草地，土壤環(huán)境綜合評(píng)價(jià)指數(shù)則依次為針闊混交林＞天然草地＞闊葉純林＞灌木林＞針葉純林＞喬灌復(fù)層林，其中針葉純林、喬灌復(fù)層林和灌木林的植被效應(yīng)優(yōu)于土壤效應(yīng)，而闊葉純林、針闊混交林和天然草地則是土壤效應(yīng)好于植被效應(yīng)（表8）。研究區(qū)植被與土壤系統(tǒng)的平均耦合協(xié)調(diào)度為0.678，屬于初級(jí)協(xié)調(diào)同步發(fā)展型。不同植被恢復(fù)模式耦合協(xié)調(diào)度從大到小依次為針闊混交林＞闊葉純林＞天然草地＞灌木林＞針葉純林＞喬灌復(fù)層林，其中針闊混交林植被與土壤系統(tǒng)屬于中級(jí)協(xié)調(diào)同步發(fā)展型，闊葉純林屬于初級(jí)協(xié)調(diào)同步發(fā)展型，天然草地屬于初級(jí)協(xié)調(diào)植被滯后型，灌木林和針葉純林均屬于初級(jí)協(xié)調(diào)土壤滯后型，喬灌復(fù)層林則屬于中度失調(diào)土壤損益型。這表明該流域退耕還林經(jīng)過(guò)多年演替發(fā)展，植被與土壤系統(tǒng)總體達(dá)到初級(jí)協(xié)調(diào)同步發(fā)展的水平，但喬灌復(fù)層林植被與土壤耦合協(xié)調(diào)度遠(yuǎn)低于其他植被恢復(fù)模式，而針闊混交林則是該地區(qū)較為適合的植被恢復(fù)模式。

表8 不同植被恢復(fù)模式植被與土壤耦合關(guān)系比較Table 8 Comparison of coupling relationship between vegetation and soil in different vegetation restoration models

3 討論

黃土高原黃綿土因土壤剖面質(zhì)地較為均一，且植被根系分布錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致不同植被恢復(fù)模式下土壤容重差異不顯著。本研究表明天然草地土壤含水量最高，灌木林次之，林地最低，且不同類(lèi)型的林地土壤含水量也呈現(xiàn)顯著差異，Wang 等［9］和楊磊等［25］的研究結(jié)果也同樣證實(shí)了這一觀點(diǎn)，這主要是由于黃土高原人工植被群落結(jié)構(gòu)、葉片特征及生物量等方面的差異，導(dǎo)致其蒸騰耗水量明顯不同，使得相同條件下土壤水分含量存在較大差異［2］。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，枯枝落葉和細(xì)根周轉(zhuǎn)是土壤有機(jī)質(zhì)輸入的主要途徑，且有機(jī)質(zhì)的含量能夠影響氮素的轉(zhuǎn)化和積累過(guò)程［11?12］，因此不同植被恢復(fù)模式土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈現(xiàn)相似的規(guī)律。針闊混交林相對(duì)較高的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，可能與其枯枝落葉等凋落物含量較高、根系更替作用較強(qiáng)等因素有關(guān)。在本研究中，除針葉純林對(duì)土壤有效磷和速效鉀的改善作用相對(duì)較小外，林地土壤有效磷和速效鉀含量總體較高，天然草地含量最低，這與Jiao 等［3］和張宏等［11］的研究結(jié)果基本一致?？傮w來(lái)看，不同植被恢復(fù)模式中針闊混交林和闊葉純林的土壤養(yǎng)分相對(duì)較好，陸曉宇等［26］的研究同樣表明黃土丘陵區(qū)針闊混交林土壤養(yǎng)分綜合得分最高，闊葉林和針葉林次之，灌木林最低。

在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中，植被的生長(zhǎng)和分布在前期會(huì)對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，而土壤環(huán)境的改變又會(huì)引起植物的特異性改變，進(jìn)而影響植被的分布和結(jié)構(gòu)［27］。不同植被恢復(fù)模式植物營(yíng)養(yǎng)元素含量的差異不僅與其自身的生物學(xué)特性密切相關(guān)，還可能與土壤水分和磷、鉀含量有關(guān)。針對(duì)黃土高原土壤與植被的相互關(guān)系，眾多學(xué)者研究均表明土壤水分、有機(jī)質(zhì)和氮素含量與植被生物量及生物多樣性具有顯著的相關(guān)性［15，22，28?29］。本研究表明植被生物量的增加會(huì)顯著降低土壤含水量，而土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量的增加則會(huì)顯著提高植被生物多樣性。一方面這是由于土壤水分是黃土高原地區(qū)植物所需水分的主要來(lái)源，且有機(jī)質(zhì)不僅影響土壤潛在肥力，還會(huì)對(duì)土壤的水、肥、氣、熱等因素起著重要的調(diào)節(jié)作用，另一方面，植被覆蓋在一定程度上降低了土壤物理蒸發(fā)，而且植被也會(huì)通過(guò)凋落物分解等途徑改善土壤有機(jī)質(zhì)。此外，在本研究中，土壤有效磷和速效鉀含量與植被生物量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，但與植被生物多樣性則無(wú)顯著的相關(guān)性。目前關(guān)于土壤磷、鉀含量與植被群落特征相關(guān)性的研究結(jié)果并不統(tǒng)一，相互關(guān)系較為復(fù)雜［15，22，29?31］，其具體原因還有待于進(jìn)一步深入研究。

陜北黃土區(qū)植被與土壤總體處于初級(jí)協(xié)調(diào)同步發(fā)展的水平，但不同植被恢復(fù)模式植被與土壤的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系存在較大差異。針闊混交林耗水量雖相對(duì)較高，但對(duì)土壤養(yǎng)分的綜合改良作用明顯優(yōu)于其他植被恢復(fù)模式，使其植被群落發(fā)展較為均衡，因而耦合協(xié)調(diào)度最高，是該地區(qū)較為適合的植被恢復(fù)模式。喬灌復(fù)層林較高的栽植密度和生物量加速了土壤水分的消耗，削弱了土壤養(yǎng)分的更新能力，導(dǎo)致土壤環(huán)境綜合得分最低，植被與土壤系統(tǒng)處于中度失調(diào)土壤損益的狀態(tài)，土壤水分和養(yǎng)分已無(wú)法滿(mǎn)足其長(zhǎng)期穩(wěn)定生長(zhǎng)的需求。本研究表明人工植被的建植雖然在一定程度上改善了土壤養(yǎng)分，但也顯著降低了深層土壤含水量，且參照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，人工植被土壤養(yǎng)分依然較為貧瘠。因此，針對(duì)退耕還林區(qū)人工植被需采取集水施肥、間伐撫育等人為管理措施，促進(jìn)人工植被的演替更新，增強(qiáng)植被與土壤的耦合協(xié)調(diào)程度，提升人工植被水土保持和生態(tài)服務(wù)功能。在未來(lái)的生態(tài)恢復(fù)中，應(yīng)選擇耐旱節(jié)水樹(shù)種，采取針闊混交林的營(yíng)建方式，科學(xué)調(diào)控管理植被和土壤，以此促進(jìn)植被與土壤的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié)論

不同植被恢復(fù)模式土壤含水量和養(yǎng)分含量以及植被郁閉度、生物量、營(yíng)養(yǎng)元素含量和生物多樣性指數(shù)均存在顯著差異。針闊混交林的土壤環(huán)境和植被群落綜合評(píng)價(jià)均為最好，喬灌復(fù)層林的土壤環(huán)境和天然草地的植被群落綜合評(píng)分最低。

不同植被恢復(fù)模式植被因子與土壤因子密切相關(guān)，植被生物量和營(yíng)養(yǎng)元素含量與土壤含水量、有效磷和速效鉀含量具有顯著的相關(guān)性，植被物種豐富度、Shannon?Wiener 指數(shù)和Simpson 指數(shù)與土壤容重、pH 值、含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量亦呈顯著相關(guān)關(guān)系。

不同植被恢復(fù)模式植被與土壤耦合關(guān)系差異較大，針闊混交林耦合協(xié)調(diào)度最高，屬于中級(jí)協(xié)調(diào)同步發(fā)展型，闊葉純林（同步發(fā)展型）、天然草地（植被滯后型）、灌木林（土壤滯后型）和針葉純林（土壤滯后型）均處于初級(jí)協(xié)調(diào)水平，喬灌復(fù)層林耦合協(xié)調(diào)度最差，為中度失調(diào)土壤損益型。