九峰山不同林分類型生態(tài)恢復(fù)植被-土壤系統(tǒng)耦合關(guān)系評價

王皓月，郭月峰*，徐雅潔，祁偉, ，卜繁靖，祁慧娟

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2. 內(nèi)蒙古水利水電勘測設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020

九峰山是陰山山脈的主體—大青山的主峰，最高峰海拔為2338 m（李利平，1993）。該地區(qū)植被類型豐富，物種多樣，植被保存比較完整。近年來，隨著旅游業(yè)和采礦業(yè)的興盛，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成巨大破壞，如何快速有效地進行植被恢復(fù)是促進當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)的首要問題。

林下植被是構(gòu)成人工林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是人工林生態(tài)系統(tǒng)中物種多樣性的主要組成部分。越來越多的研究表明，林下植被對維持人工林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其在維持人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、調(diào)控地上地下養(yǎng)分循環(huán)及能量轉(zhuǎn)化、促進生物多樣性發(fā)展等方面發(fā)揮著不可替代的作用（費玲等，2016；溫晶等，2019）。土壤理化性質(zhì)是影響土壤肥力的重要因素，也是土壤質(zhì)量組成的綜合反映（馬國飛等，2017），決定著林地生產(chǎn)力的大小。植被類型差異是影響理化性質(zhì)最直接的因素（劉俊廷，2020）。一方面植被重建可以改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力；另一方面，土壤理化性質(zhì)的好壞又可以直接反作用于植被的生長發(fā)育。土壤-植被兩系統(tǒng)之間存在著天然的耦合關(guān)系，耦合度能有效地反映生態(tài)恢復(fù)過程中植被、土壤系統(tǒng)間的互動關(guān)系，評判兩者間的耦合狀態(tài)，耦合度模型分析有助于我們更深刻地認(rèn)知植物-土壤反饋在全球環(huán)境變化下對生態(tài)系統(tǒng)影響的貢獻能力（李霖，2019）。近年來學(xué)者關(guān)于九峰山生態(tài)環(huán)境的研究主要集中于景觀資源評價、植被區(qū)系組成分析等（湯佳，2016），而對于土壤-植被系統(tǒng)耦合關(guān)系的研究較為缺乏。因此本研究利用分析九峰山不同林分類型土壤-植被耦合關(guān)系，以期為揭示九峰山生態(tài)恢復(fù)過程中植被和土壤之間存在的相互作用機制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

九峰山地處陰山山脈中段，位于包頭市土默特右旗境內(nèi)，110°25′—110°48′N，40°34′—40°51′N 之間。研究區(qū)大部分是山地，且多為25—45°的陡坡，九峰山山系為東西走向，整個山地由中山與低山丘陵組成，南低北高，相對高度為800—1000 m，為明顯的構(gòu)造斷塊地形。據(jù)內(nèi)蒙古氣候帶和氣候區(qū)的劃分，九峰山處于冬季溫帶和溫帶氣候帶，東勝氣候區(qū)。該區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候即冬季受西伯利亞寒流侵入夏季受東南季風(fēng)的影響，年均氣溫5.2 ℃，年降水量380—435 mm，無霜期117 d。九峰山的土壤在內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤分區(qū)中，屬于山地栗鈣土帶、山地淡栗鈣土亞帶。九峰山作為半干旱地區(qū)內(nèi)，中山山體的一部分，是暖溫型和中溫型草原的天然屏障。九峰山植被類型豐富，其中森林植被包括針葉林和闊葉林，由油松（Pinus tabuliformis Carriere）、白扦（Picea meyeri Rehder & E. H. Wilson）、遼東櫟（Quercus wutaishanica Blume）、白樺（Betula platyphylla Suk.）構(gòu)成。

1.2 試驗設(shè)計和測定方法

本研究于2020年8月7—18日，在內(nèi)蒙古包頭市九峰山選取6種不同類型人工林地，分別為：側(cè)柏（Platycladus orientalis (L.) Franco）、檸條（Caragana korshinskii Kom.）、黃刺玫（Rosa xanthina Lindl.）、虎榛子（Ostryopsis davidiana Decaisne）、長梗扁桃（Amygdalus pedunculata Pall）、山楊（Populus davidiana Dode），在每種林分中設(shè)置1塊調(diào)查樣地，面積為1500 m2（表1）。為減少地形、坡度、坡向以及生態(tài)演替等因素的影響，選取樣地均為相同或相似的立地條件，并在樣地附近選取撂荒地作為對照。本次研究共分為兩個子目標(biāo)層，分別為土壤綜合子系統(tǒng)與植物綜合子系統(tǒng)。其中土壤綜合子系統(tǒng)包含的下級指標(biāo)為：土壤含水量、土壤容重、土壤孔隙度、土壤全氮、土壤全磷、土壤全鉀以及土壤有機碳。在采樣過程中考慮到結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種林分模式選取3塊樣地，并分別沿樣地對角線布設(shè)3個典型樣方（喬木樣方20 m×20 m、灌木樣方5 m×5 m、草本樣方1 m×1 m）進行植被調(diào)查，并利用剖面法和環(huán)刀法采集原狀土壤樣品，考慮到九峰山土層較薄，且人工林栽植年限較短，土壤水分變化深度較淺，故采樣深度為60 cm，分3層，每20 cm為一層，每層取樣兩次。土壤樣品經(jīng)剔除石塊和動植物殘體等雜質(zhì)，風(fēng)干，磨碎，過篩后用于測定土壤的理化性質(zhì)。土壤水分采用烘干法測定、土壤容重采用環(huán)刀法測定、全氮采用半微量凱式法、全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法、全鉀采用NaOH熔融，火焰光度計法、有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定。

表1 樣地信息Table 1 Basic information of sampling plots

1.3 指標(biāo)體系構(gòu)建及權(quán)重計算

為了準(zhǔn)確評價自然恢復(fù)過程中不同林分土壤和植被的關(guān)系，在設(shè)置評價指標(biāo)體系時，借鑒相關(guān)研究成果（彭晚霞等，2011；李豪等，2019），按照目的科學(xué)性和系統(tǒng)完整性原則，兼顧指標(biāo)體系的可操作性、易比較性、代表性和協(xié)調(diào)性，構(gòu)建能夠反映不同人工林分類型生態(tài)恢復(fù)植被土壤耦合協(xié)調(diào)評判的2級次指標(biāo)。本研究共選取植被指標(biāo)5個，土壤指標(biāo)7個，共計12個指標(biāo)。

為了消除指標(biāo)單位不同所帶來的誤差，使其數(shù)據(jù)具有可比性，采用極差法對研究數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式為（朱乾隆等，2019）：

式中：

Yij——各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；

xij——各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)值；

xmax和 xmin——第 i個指標(biāo)在研究時段內(nèi)的最大值和最小值。公式（1）和公式（2）分別表示正向指標(biāo)與負(fù)向指標(biāo)。

各個評價指標(biāo)權(quán)重的確定在耦合模型評判中占有非常重要的位置，權(quán)重的大小對評估結(jié)果十分重要，它反映了各指標(biāo)的相對重要性?？紤]到客觀賦權(quán)法過于強調(diào)各項評價指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)部變化，缺乏對實際情況的針對性分析（唐李斌等，2020），所以在各指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用可將多維的非線性問題簡化成一維線性疊加的層次分析法（焦菊英等，2005）。最底層（要素層）是隸屬于上層的各個評價指標(biāo)，每一層里2個元素進行相對于上層某元素的重要性相比，建立起每層的對比矩陣，并且通過一致性檢驗后（陳萍等，2011），計算得出各個因子權(quán)重值（表2）。

表2 土壤-植被系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度指標(biāo)及權(quán)重Table 2 The index and weight of coupling coordination degree of soil-vegetation system

1.4 模型建立

1.4.1 耦合度模型

耦合度是度量系統(tǒng)或要素之間相互作用和影響程度的定量指標(biāo)，它刻畫了某一時點區(qū)域系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)各要素之間交互脅迫、交互依存關(guān)系的演進態(tài)勢或趨向（王明全等，2009）。假設(shè)正數(shù)x1,x2, x3……xp為描述植被子系統(tǒng)特征的p個指標(biāo)，設(shè)正數(shù)y1, y2, y3……yq為描述土壤子系統(tǒng)特征的q個指標(biāo)，由此構(gòu)建植被與土壤的耦合度模型為：

式中：

C——不同人工林分類型生態(tài)恢復(fù)植被土壤耦合度；

k——調(diào)節(jié)系數(shù)，一般為2≤k≤5，本文k=2。耦合度C是反映P(x)與S(y)之和在一定條件下，植被-土壤協(xié)調(diào)數(shù)量的程度，其值在0—1之間，當(dāng)C趨近于0時，表明系統(tǒng)要素之間的耦合度極小，近乎處于無關(guān)狀態(tài)，當(dāng)C趨近于1時，表明系統(tǒng)要素之間呈良性耦合狀態(tài)。P(x)為植物綜合評價函數(shù)，S(x)為土壤綜合評價指數(shù)。

式中：

i——植被特征指標(biāo)；

j——土壤特征指標(biāo)的個數(shù)；

ai——第i個植物指標(biāo)；

bj——第j個土壤指標(biāo)的權(quán)重值；

xi——第i個植物指標(biāo)；

yj——第j個土壤指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。由綜合函數(shù)計算得出的指數(shù)越高，意味著植被恢復(fù)或土壤環(huán)境越好，反之則越差。

1.4.2 耦合度協(xié)調(diào)模型

由于僅依靠耦合度很難全面反映出系統(tǒng)間或系統(tǒng)內(nèi)各要素之間對植被-土壤系統(tǒng)的協(xié)調(diào)程度，甚至?xí)υu價結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生誤導(dǎo)。為了進一步反映不同人工林分類型生態(tài)恢復(fù)植物-土壤交互耦合的協(xié)調(diào)程度，在耦合度C的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了耦合協(xié)調(diào)度模型（徐明等，2016）：

式中：

D——不同人工林分類型生態(tài)恢復(fù)土壤-植被系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度，D值在0—1之間，D值越趨近于1，則植被恢復(fù)與土壤環(huán)境的整體水平越高，反之則越低；

T——植被-土壤系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)指數(shù)；

α、β——待定系數(shù)，考慮到系統(tǒng)中植被恢復(fù)與土壤環(huán)境的改善同樣重要，所以α與β均為1/2，故：

1.5 植被-土壤系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展類型的判斷標(biāo)準(zhǔn)

由于目前耦合協(xié)調(diào)度等級尚無統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)，本文所采用的植被土壤耦合類型分類體系及評判標(biāo)準(zhǔn)是在參考前人研究結(jié)果（南國衛(wèi)等，2021）的基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究的相關(guān)指標(biāo)計算結(jié)果得出的。根據(jù)D值的大小，同時結(jié)合植物綜合評價函數(shù)P(y)與土壤綜合評級函數(shù) S(x)，得出耦合協(xié)調(diào)類型及評判標(biāo)準(zhǔn)（表3）。

表3 土壤-植被系統(tǒng)耦合類型劃分Table 3 Classification of coupling types of soil-vegetation systems

2 結(jié)果與分析

2.1 不同人工林分類型指標(biāo)層的差異性

土壤指標(biāo)層中，檸條與撂荒地的土壤全磷、土壤容重存在顯著性差異（P＜0.05）；側(cè)柏與撂荒地的土壤有機碳之間存在顯著性差異（P＜0.05）；山楊與撂荒地的土壤全氮存在顯著性差異（P＜0.05）；側(cè)柏、檸條、長梗扁桃、虎榛子與撂荒地的土壤孔隙度之間顯著性差異（P＜0.05）；土壤含水率及土壤全鉀在不同林分間無顯著差異（表4）。植物指標(biāo)層中，虎榛子與撂荒地的Margalef指數(shù)存在顯著性差異（P＜0.05）；撂荒地與其他人工林分的Simpson指數(shù)存在顯著性差異（P＜0.05）；側(cè)柏、檸條、虎榛子、黃刺玫與撂荒地的Pielou指數(shù)存在顯著性差異（P＜0.05）；側(cè)柏、山楊與其他人工林分及撂荒地的生物量之間存在顯著性差異（P＜0.05），Shannonwiener指數(shù)在不同林分間無顯著差異（表5）。

表4 不同人工林分類型土壤指標(biāo)層的差異性Table 4 The different of soil index layer in different artifical stand types

表5 不同人工林分類型植被指標(biāo)層差異性Table 5 The different vegetation index layer among different artificial stand types

2.2 不同人工林分類型生態(tài)恢復(fù)土壤-植被系統(tǒng)的耦合關(guān)系評價

各不同人工林分生態(tài)恢復(fù)植被綜合指數(shù)P(y)、土壤綜合指數(shù)S(x)、植被土壤系統(tǒng)耦合度C以及耦合協(xié)調(diào)度D指標(biāo)的計算結(jié)果如下（表6）。總體上，檸條具有較高的植被指數(shù)P(y)、耦合度指數(shù)C以及耦合協(xié)調(diào)指數(shù)D；虎榛子具有較高的土壤指數(shù)S(x)。植被指數(shù)具體表現(xiàn)為：檸條＞側(cè)柏＞虎榛子＞山楊＞長梗扁桃＞黃刺玫＞撂荒地，說明所有的人工林分的植物水平的生長水平均較高于撂荒地，特別是黃刺玫與側(cè)柏；土壤指數(shù)具體表現(xiàn)為：虎榛子＞長梗扁桃＞側(cè)柏＞山楊＞黃刺玫＞檸條＞撂荒地，說明所有的6種人工林分均能在不同程度上改良土壤質(zhì)量，特別是黃刺玫與長梗扁桃。由于人工林栽植年限較短，生態(tài)恢復(fù)效果還未完全體現(xiàn)，以至于6種人工林分的耦合度與耦合協(xié)調(diào)度均不高，耦合度表現(xiàn)為：檸條＞側(cè)柏＞山楊＞虎榛子＞長梗扁桃＞黃刺玫＞撂荒地；耦合協(xié)調(diào)度表現(xiàn)為：檸條＞側(cè)柏＞黃刺玫＞山楊＞長梗扁桃＞虎榛子＞撂荒地。黃刺玫與撂荒地為嚴(yán)重失調(diào)衰退類植被損益型；側(cè)柏、虎榛子、長梗扁桃以及山楊為瀕臨失調(diào)衰退類植被損益型；檸條表現(xiàn)為瀕臨失調(diào)衰退類植被土壤共損型。由此來看，在九峰山人工林生態(tài)恢復(fù)過程中，檸條的耦合協(xié)調(diào)度更好，除撂荒地與黃刺玫外，人工林分的土壤-植被耦合協(xié)調(diào)系統(tǒng)發(fā)展趨勢基本處于瀕臨失調(diào)衰退型，這說明人工林分較撂荒地在生態(tài)恢復(fù)中起到一定的作用，但整體仍處于較低水平。

表6 不同人工林分生態(tài)恢復(fù)土壤-植被系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系評價Table 6 Evaluation of coupling coordination relationship between soil and vegetation systems in different artificial stands for ecological restoration

3 討論

本文以植被-土壤系統(tǒng)耦合理論為基礎(chǔ)，通過建立植被與土壤耦合模型，將植被與土壤兩個系統(tǒng)通過各自的調(diào)節(jié)權(quán)數(shù)耦合在一起，并進一步闡釋若干子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，完善評價過程（張艷等，2013；王淑佳等，2021），綜合客觀的評價九峰山生態(tài)恢復(fù)的效益。

植被-土壤是一個相互作用，相互影響的有機整體，植物的生長需要從土壤中吸取養(yǎng)分和水分，并需要土壤作為基礎(chǔ)支撐；地上部分植物生長及其覆蓋也在不斷改變著土壤理化性狀及土壤微生態(tài)環(huán)境（余軒等，2021）。通過耦合協(xié)調(diào)關(guān)系評價發(fā)現(xiàn)，不同人工林分的耦合度和耦合協(xié)調(diào)度并不一一對應(yīng)，植被與土壤的綜合指數(shù)在不同人工林分類型中的位置也并不完全一致。如植被綜合指數(shù)表現(xiàn)為：檸條＞側(cè)柏＞虎榛子＞山楊＞長梗扁桃＞黃刺玫＞撂荒地，土壤綜合指數(shù)表現(xiàn)為：虎榛子＞長梗扁桃＞側(cè)柏＞山楊＞黃刺玫＞檸條＞撂荒地，這可能與植被和土壤的互作機制有關(guān)，植被生長消耗土壤養(yǎng)分和水分的速率與植被改良土壤理化性質(zhì)的速率不一致所導(dǎo)致的。雖然通過長時間的人工造林，對生態(tài)恢復(fù)起到了一定作用，但不同林分的植被土壤耦合協(xié)調(diào)狀況并未達到理想狀態(tài)。在九峰山的長期造林過程中，不合理的栽植密度以及同齡純林育林模式，忽視了人工林的演替規(guī)律，在林地選擇時僅用水分、植被類型等因子作為依據(jù)，使得部分植被出現(xiàn)不同程度的衰退，進而導(dǎo)致九峰山不同人工林分類型生態(tài)恢復(fù)植被—土壤系統(tǒng)基本處于瀕臨失調(diào)衰退型發(fā)展水平，整體水平較低。在上述人工林分類型中，植被—土壤耦合協(xié)調(diào)度較高的是檸條，除檸條外，其余林分均表現(xiàn)為不同程度的失調(diào)衰退類土壤損益型。這可能與當(dāng)?shù)亟涤隉o法滿足植物的正常生長有關(guān)，隨著植物根系不斷地生長，植物需要將根系伸進深層土壤來獲得水資源（王云強等，2012），深層土壤中水分的損失，進一步加劇土壤干旱，最終形成土壤干層（Yang et al.，2011；Mazzacavallo et al.，2017）。在土壤干層形成過程中，土壤理化性質(zhì)也隨之下降，最終反作用于植物。但檸條具有耐旱和固氮等優(yōu)良特性，并且灌叢根系深廣，可以吸收和消耗周圍較大面積和深層土壤中的水分（張建華等，2011），加上微環(huán)境的影響，使土壤蒸發(fā)減少，檸條灌叢土壤水分含量隨著冠幅增大而增大（劉佳楠等，2019），間接增加土壤養(yǎng)分和減少水分的虧缺，從而使檸條較其他林分存在一定優(yōu)勢。在水分虧缺時，抗旱植被能以高效的水分利用方式來抵御干旱的脅迫（閆海龍等，2010），而旱生植物具有發(fā)達機械組織以及表皮有多層細(xì)胞等特征來減少水分散失，但黃刺玫相較于其他林分，它的海綿組織厚度和葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度最低（王樹森等，2020），因此在養(yǎng)分輸送功能和保水、貯水作用方面表現(xiàn)較差，導(dǎo)致較差的抗旱能力；其次，黃刺玫的根系基本上沒有垂直伸展的主根，但具有較發(fā)達的水平根和大量的斜生根，集中分布在0—40 cm土層中（王芳等，2006），這就導(dǎo)致土壤淺層水分被消耗到一定程度時，黃刺玫無法吸收土壤深層水分，并且其保水儲水能力較差，這也可能是導(dǎo)致黃刺玫評價為輕度失調(diào)衰退類土壤損益型的原因之一。

4 結(jié)論

（1）通過顯著性差異分析，植被指標(biāo)層中除Shannon-wiener指數(shù)外，其余指標(biāo)在不同林分間均存在顯著差異性；土壤指標(biāo)層中除土壤含水率與土壤全鉀外，其余指標(biāo)在不同林分間均存在顯著性差異。

（2）經(jīng)過對不同人工林分類型的體系構(gòu)建與評價，不同人工林分類型生態(tài)恢復(fù)植被-土壤耦合協(xié)調(diào)關(guān)系的差異較為小，整體上呈現(xiàn)不同程度的失調(diào)衰退類型。

（3）不同人工林分類型的植被恢復(fù)較差，土壤發(fā)展?fàn)顩r優(yōu)于植被發(fā)展?fàn)顩r。

（4）檸條能夠改善植被-土壤系統(tǒng)中植被恢復(fù)與土壤環(huán)境的耦合協(xié)調(diào)性，提高生態(tài)恢復(fù)效益。