黃土高原自然植被恢復(fù)過程中土壤溫度和水分的相關(guān)性

王 俊，郭金龍，張永旺,2，魏瑤瑤，鄭 恩

(1.延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 延安 716000；2.陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(延安大學(xué))，陜西 延安 716000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物有害生物綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

土壤水分對(duì)于植物生長發(fā)育、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，尤其是在半干旱地區(qū)，水分已成為制約該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。黃土高原是世界上典型的半干旱區(qū)之一，占我國6.54%的土地面積。上世紀(jì)中期，追求經(jīng)濟(jì)增長和糧食產(chǎn)量幾乎損毀該區(qū)所有的天然植被，由此引起嚴(yán)重的環(huán)境退化使當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钍艿酵{。自1999年啟動(dòng)退耕還林(草)工程已經(jīng)22年，黃土高原大部分地區(qū)的生態(tài)環(huán)境已逐步改善。但是，植被恢復(fù)在很大程度上取決于土壤水分的時(shí)空分布特征；另外，不合理的植被恢復(fù)條件，例如，選擇不合理的恢復(fù)植被可能加劇土壤水分狀況的惡化，從而對(duì)水土保持效果產(chǎn)生不良影響。由于不合理的恢復(fù)植被對(duì)土壤水分的過度消耗正在威脅黃土高原地區(qū)的植被恢復(fù)和重建。有研究表明，造林樹種單一會(huì)引起人工林結(jié)構(gòu)單一，降低土壤肥力和土壤含水量等，從而導(dǎo)致林下地表裸露，加重地表徑流和水土流失。

土壤水熱因素影響陸地生態(tài)系統(tǒng)群落生產(chǎn)力，從而可能改變植物生長速率，進(jìn)而對(duì)植被生產(chǎn)力和碳匯功能產(chǎn)生一定影響。土壤水熱動(dòng)態(tài)過程和變化機(jī)制是陸面過程的重要研究內(nèi)容。除土壤水分外，土壤溫度也是影響植被生長發(fā)育的關(guān)鍵因子，土壤溫度能夠影響根系細(xì)胞的代謝、土壤水分的蒸發(fā)、滲漏和土壤保水情況，對(duì)土壤持水性的影響尤為顯著。Porporato等研究認(rèn)為，土壤水分、溫度既是氣候—植被—土壤屬性等綜合因素的影響結(jié)果，也是決定植被水分供給的關(guān)鍵因素，是生態(tài)水文過程研究的重要切入點(diǎn)；Brooks等利用12種耦合模型進(jìn)行模擬表明，土壤水熱對(duì)大氣降水存在反饋?zhàn)饔茫菤夂蜃兓念A(yù)報(bào)指標(biāo)。目前，對(duì)于黃土高原植被恢復(fù)過程中土壤水分效應(yīng)的研究多見于人工植被，而對(duì)植被恢復(fù)過程中土壤溫度效應(yīng)的研究較少，大多關(guān)于土壤水分和土壤溫度的研究只局限于單因素方面，忽略水分和溫度耦合效應(yīng)共同作用的結(jié)果，而土壤水熱耦合效應(yīng)的研究更能確切地揭示植被恢復(fù)過程中的水熱動(dòng)態(tài)變異機(jī)制。因此，本研究以子午嶺林區(qū)植被恢復(fù)過程中不同階段的植被群落為對(duì)象，研究其土壤水分、溫度的變化及其耦合作用，為黃土高原植被恢復(fù)過程中的土壤水熱效應(yīng)提供理論參考。

1 研究方法

研究區(qū)為甘肅合水連家砭林場，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫10 ℃，平均降水量為587 mm，且降雨多集中在7—9月，占年降水量的60%以上，地貌海拔為1 211～1 453 m，區(qū)域土壤主要為原生或次生黃土。試驗(yàn)樣地屬于子午嶺林區(qū)，該林區(qū)位于黃土高原中部半濕潤半干旱過渡帶，為典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)。

在林場內(nèi)選取5個(gè)植被恢復(fù)過程的不同階段樣地，分別為草地階段的白羊草((Linn.)Keng)(G)、灌木林階段的沙棘林((Linn.))(S)、喬木林早期階段的山楊林(Dode)(F1)、喬木林中期的山楊與遼東櫟混交林(F2)和頂級(jí)階段的遼東櫟林(F3)。在2020年8—11月主要進(jìn)行土壤溫度、水分測定，所選取的樣地群落信息見表1。

表1 樣地群落信息

2020年8月，利用土鉆定期采取土樣，取樣土層為0—10，10—20，20—30 cm，所取土樣裝至鋁盒木箱和密封塑料袋中。采用烘干法測定土壤含水量和土壤容重，在105 ℃高溫條件下烘6～8 h，達(dá)到恒重即可。此外將部分土樣進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)干、研磨和過篩，用Mastersize 2000激光粒度分析儀(英國馬爾文公司)測定土壤顆粒組成。用環(huán)刀法取0—30 cm剖面的原狀土進(jìn)行土壤孔隙度的測定，所取土樣土壤毛管孔隙度采用離心機(jī)法測定。土壤溫度水分采用土壤溫濕度儀(L99-TWS-3型土壤溫濕度(水分)記錄儀，路格，國產(chǎn))定期測定，在5，15，25 cm 3個(gè)土層分別放置測量探頭進(jìn)行土壤溫度和水分的測定，土壤溫濕度儀每1 h自動(dòng)記錄溫度與水分?jǐn)?shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析使用Excel 2010，利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素(ANOVA)方差分析，利用Excel 2010軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤特性分析

2.1.1 土壤粒徑分析 從表2可以看出，G、S、F1、F2和F3 5個(gè)群落的土壤組成中砂粒含量最高，為51%～66%，其中F1較其他群落含量最高；其次為粉粒含量，為25%～35%，0—10 cm土層G群落粉粒含量最高，10—30 cm土層F3群落含量顯著高于其他群落；黏粒含量最低，為9%～15%，0—20 cm以上土層含量最高為G群落，20—30 cm土層F3群落含量最高。隨著植被恢復(fù)，在0—10 cm土層中的黏粒與粉粒含量顯著下降，砂粒含量顯著提高(<0.05)。

表2 不同恢復(fù)階段不同土層的土壤粒徑

2.1.2 土壤容重分析 G、S、F1、F2和F3 5種群落的0—10，10—20，20—30 cm土層的土壤容重差異顯著(圖1)。0—10，10—20，20—30 cm土層G群落的土壤容重顯著高于其他群落。0—20 cm土層的土壤容重隨著植被恢復(fù)顯著下降，但從F1～F3階段，土壤容重保持不變。20—30 cm土層G、S和F3群落的土壤容重顯著高于F1和F2群落，但各群落間無顯著差異。

注：圖中不同字母表示不同土層不同恢復(fù)階段差異顯著(P<0.05)。

2.2 土壤孔隙度分析

從表3可以看出，隨著植被恢復(fù)，土壤總孔隙度在0—10，20—30 cm土層呈顯著上升趨勢，而在10—20 cm土層處于植被恢復(fù)中間階段的S群落顯著高于其他群落，且其他群落間差異不顯著。毛管孔隙度與總孔隙度的變異趨勢一致。

表3 不同恢復(fù)階段不同土層土壤孔隙度

2.3 植被恢復(fù)過程中不同群落土壤溫度變化

從圖2可以看出，8月G群落土壤溫度明顯高于其他植被，土壤溫度峰值約為23.3 ℃；S、F1、F2和F3群落土壤溫度的峰值大多集中在21 ℃，范圍為16～21 ℃。9月各群落的土壤溫度稍微低于8月，G群落土壤溫度依然顯著高于其他群落，約為20 ℃，范圍為15～20 ℃。S、F1、F2和F3群落的土壤溫度多在18 ℃，范圍為13～18 ℃。10月G群落土壤溫度依然高于其他群落，約為14 ℃，范圍為8～14 ℃。10月中上旬4種植被土壤溫度變化趨勢相似，10月下旬F3群落土壤溫度明顯高于其他3個(gè)群落1 ℃左右。進(jìn)入少雨的11月份，5個(gè)群落土壤溫度變化趨于一致，土壤溫度峰值為8 ℃，范圍為2～8 ℃。5種植被溫度變化曲線基本吻合，但F3群落土壤溫度高于其他4個(gè)群落。隨著植被的恢復(fù)，土壤溫度的變化幅度有所減小，溫度的峰值和范圍亦有所降低。此外，在11月時(shí)不同植被恢復(fù)階段的土壤溫度變化趨近一致，峰值與范圍也接近，說明寒冷干燥等天氣因素對(duì)不同植被恢復(fù)階段的植被土壤溫度影響大致相同。

圖2 不同恢復(fù)階段不同時(shí)間土壤溫度變化

2.4 植被恢復(fù)過程中不同群落土壤水分變化

從圖3可以看出，8月G群落土壤水分顯著高于其他群落，G群落土壤水分峰值約為33%，范圍為26%～33%。8月S、F1、F2、F3群落的土壤水分峰值多集中在28%，范圍為18%～29%。9月各群落的土壤水分略高于8月，G、S、F1、F2和F3群落的土壤水分變化趨勢相似，峰值集中在34%。S和F3群落的范圍為21%～34%，F(xiàn)2群落范圍為23%～34%，G和F1群落范圍為25%～34%。10月5個(gè)群落的土壤水分峰值相較于9月總體呈下降趨勢。G、S、F1和F3群落土壤水分峰值集中在31%～32%，F(xiàn)2群落峰值為30.5%，5個(gè)群落的土壤水分變化幅度總體上仍保持一致。進(jìn)入少雨的11月，除G群落外，其他4個(gè)群落的土壤水分變化比較接近，峰值為27%，范圍為23%～27%，當(dāng)月土壤水分比較穩(wěn)定。而G群落的土壤水分變化趨于平穩(wěn)，峰值為30.3%，范圍為29%～30.3%，并且在任何時(shí)間均顯著高于其他4個(gè)群落。在多雨的8月和少雨的11月中隨著植被恢復(fù)，土壤水分顯著減少，而在多雨的9月和少雨的10月不同恢復(fù)階段的植被土壤水分差異不明顯，且變化趨近一致。隨著植被恢復(fù)，植被的土壤水分變化范圍和峰值變小。

圖3 不同恢復(fù)階段土壤水分變化

2.5 植被恢復(fù)過程中不同群落土壤溫度和土壤水分的相關(guān)性

植被恢復(fù)過程中不同群落的土壤溫度和水分的相關(guān)性差異明顯。從表4可以看出，8月G群落0—10 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(=-0.509)，10—20 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(=-0.473)，20—30 cm的土壤水分與土壤溫度負(fù)相關(guān)性不顯著(=-0.187)，土壤水分隨溫度先降低后升高。9月0—10 cm土層的土壤水分與土壤溫度負(fù)相關(guān)極顯著(=-0.724)，該土層土壤水分隨溫度升高先趨于平緩后顯著降低，10—20 cm土層的土壤水分與土壤溫度相關(guān)性不顯著(=-0.362)，該土層土壤水分隨土壤溫度升高變化規(guī)律不明顯，20—30 cm土層的土壤水分與土壤溫度顯著負(fù)相關(guān)(=-0.456)，土壤水分隨溫度升高變化趨勢與10—20 cm土層相似。10月0—10，10—20 cm的土壤水分與土壤溫度相關(guān)性不顯著(=0.401)，而20—30 cm的土壤水分與土壤溫度呈顯著正相關(guān)(=0.491)，該土層土壤水分隨土壤溫度先升高后降低。11月0—10，10—20，20—30 cm土層的土壤水分和溫度呈極顯著正相關(guān)(=0.762，=0.931和=0.968)，3個(gè)土層土壤水分隨溫度升高逐漸增加。

表4 植被恢復(fù)G階段不同時(shí)間土壤溫度與水分的相關(guān)性

表5為S群落8—11月土壤溫度與水分的相關(guān)性。8月S群落0—10，10—20 cm土層的土壤水分與土壤溫度相關(guān)性不顯著(=-0.342，=-0.369)，20—30 cm土層的土壤溫度與土壤水分呈極顯著正相關(guān)(=0.722)，土壤水分隨土壤溫度先降低后升高。9月0—10，10—20 cm土層的土壤水分與土壤溫度相關(guān)性不顯著(=-0.369，=-0.443)，20—30 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.585)，土壤水分隨土壤溫度先升高后降低。10月0—10，10—20，20—30 cm土層的土壤水分與土壤溫度相關(guān)性均不顯著(=0.172，=0.242，=0.435)，3個(gè)土層土壤水分隨土壤溫度變化趨勢相似即先升高后降低。11月0—10，10—20，20—30 cm土層的土壤水分和溫度呈極顯著正相關(guān)(=0.926，=0.924，=0.969)，3個(gè)土層土壤水分隨溫度的升高而逐漸升高。

表5 植被恢復(fù)S階段不同時(shí)間土壤溫度與水分的相關(guān)性

從表6可以看出，F(xiàn)群落8月0—10，10—20 cm土層的土壤水分與土壤溫度都呈顯著負(fù)相關(guān)(=-0.557，=-0.49)，這2個(gè)土層土壤水分隨土壤溫度升高的幅度逐漸提高，20—30 cm土層的土壤溫度與土壤水分呈極顯著正相關(guān)(=0.716)，該土層土壤水分隨土壤溫度升高逐步增加。9月0—10，10—20 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(=-0.463，=-0.446)，該土層的土壤水分隨土壤溫度升高先增加后減少，20—30 cm的土壤水分與土壤溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.674)，該土層土壤水分隨土壤溫度變化趨勢與0—20 cm的2個(gè)土層相似。10月0—10，10—20 cm土層的土壤水分與土壤溫度相關(guān)性不顯著(=0.282，=0.453)，20—30 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈極顯著正相關(guān)(=0.614)，該土層土壤水分隨土壤溫度升高逐漸增加。11月0—10，10—20，20—30 cm土層的土壤水分和溫度呈極顯著正相關(guān)(=0.876，=0.926，=0.944)，3個(gè)土層土壤水分隨溫度升高逐漸增加。

表6 植被恢復(fù)F1階段不同時(shí)間土壤溫度與水分的相關(guān)性

從表7可以看出，F(xiàn)群落8月0—10，10—20 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(=-0.552，=-0.541)，這2個(gè)土層的土壤水分隨土壤溫度升高的變化趨勢相似，均為先減少后增加，20—30 cm土層的土壤水分與土壤溫度相關(guān)性不顯著(=-0.139)。9月0—1，10—20 cm土層的土壤水分與土壤溫度相關(guān)性不顯著(=-0.436，=-0.441)，20—30 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.589)，該土層土壤水分隨土壤溫度升高先緩慢增加后減少。10月0—10，10—20 cm的土層的土壤水分與土壤溫度相關(guān)性不顯著(=0.105，=0.324)，20—30 cm的土層的土壤水分與土壤溫度正相關(guān)顯著(=0.507)，該土層土壤水分隨土壤溫度升高先緩慢增加后減少。11月0—10，10—20，20—30 cm土層的土壤水分和溫度呈極顯著正相關(guān)(=0.86，=0.902，=0.97)，3個(gè)土層土壤水分隨溫度升高緩慢增加。

表7 植被恢復(fù)F2階段不同時(shí)間土壤溫度與水分的相關(guān)性

從表8可以看出，F(xiàn)群落8月0—10，10—20 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈極顯著和顯著負(fù)相關(guān)(=-0.682，=-0.456)，20—30 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈極顯著正相關(guān)(=0.681)，該土層土壤水分隨土壤溫度升高先趨近于穩(wěn)定后增加，此外，該土層相對(duì)于其他2個(gè)土層其土壤溫度變化較小。9月10—20，20—30 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(=-0.507，=-0.528)，這2個(gè)土層土壤水分隨土壤溫度升高的變化趨勢一致，均為先減少后趨近于穩(wěn)定后快速減少。10月0—10，10—20，20—30 cm土層的土壤水分與土壤溫度相關(guān)性不顯著。11月0—10，10—20，20—30 cm土層的土壤水分與土壤溫度呈極顯著正相關(guān)(=0.825，=0.858，=0.967)，這3個(gè)土層土壤水分隨土壤溫度升高均呈緩慢增加的變化趨勢。

表8 植被恢復(fù)F3階段不同時(shí)間土壤溫度與水分的相關(guān)性

3 討 論

土地利用變化影響土壤水分、土壤容重等物理性質(zhì)，且差異顯著。本研究中，草地階段土壤顆粒組成中的砂粒含量顯著低于其他恢復(fù)階段，砂粒含量在灌木林階段顯著提高，而黏粒含量表現(xiàn)出相反的趨勢，表明長期的自然恢復(fù)(約50年)能夠在一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)。從另一角度來看，由于土壤干燥化所導(dǎo)致的土壤物理特性的退化在短期內(nèi)很難恢復(fù)，土壤容重隨著植被恢復(fù)逐漸降低，表明自然演替在一定程度上能夠改善表層土壤的物理特性；當(dāng)自然恢復(fù)進(jìn)行到喬木林即山楊林階段后，土壤容重?zé)o顯著性變化，表明自然恢復(fù)達(dá)到顯著改善土壤特性的效果可能需要50～80年。

全球氣候變暖是毋庸置疑的事實(shí)，溫度變化勢必影響植物競爭力、植物根系分布深度、根系呼吸、微生物群落的組成、植物生理、植物物候、植物養(yǎng)分的分配等，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。在土壤水分含量較高時(shí)，溫度是造成土壤水分損失的主要因素，特別是土壤溫度的變化，與地表植被覆蓋類型、覆蓋度、土壤質(zhì)地、土壤熱性質(zhì)以及地形和植被形成的微氣候有關(guān)。本研究中，8—10月土壤溫度隨著自然植被恢復(fù)從撂荒草地到灌木林地再到喬木林地呈現(xiàn)出溫度變化幅度減小的趨勢，溫度的峰值和范圍有所減小，其原因可能是該時(shí)期正值樹體旺盛生長期，隨著植被恢復(fù)地上部生物量逐漸增大，枝葉更加繁茂，植物吸光效能更大，導(dǎo)致太陽光照射土壤的熱能變少，土壤水分含量較高且變化較大，樹體的蒸騰能力逐步增強(qiáng)，這與胡健等的研究結(jié)果一致。但在11月時(shí)不同植被恢復(fù)階段的植被土壤溫度變化趨近一致，峰值和范圍也十分接近，這可能與該時(shí)期的土壤含水量較低且變化較小、各群落枝葉凋落、覆蓋度趨近以及樹體逐漸進(jìn)入休眠和土壤微生物活動(dòng)減弱等因素有關(guān)。

土壤水分是控制不同時(shí)空尺度水文的重要因素。土壤水分在時(shí)間和空間尺度上因地形和植被的差異而不同。不同植被由于其根系密度和深度的差異導(dǎo)致其消耗土壤水分的深度和強(qiáng)度不同，從而形成不同植被下土壤水分的差異。本研究中，土壤含水量隨著自然植被恢復(fù)從撂荒草地到灌木林地再到喬木林地呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其原因可能是由于隨著植被恢復(fù)，地上部生物量逐漸增大，枝葉更加繁茂，樹體的蒸騰能力逐步增強(qiáng)，降水截留增多，樹干徑流增加；另外，地下部根系逐漸增多，分布增廣，對(duì)土壤水分的吸收和消耗隨之增多，從而引起土壤含水量和儲(chǔ)水量的整體下降，這與王云強(qiáng)等的研究結(jié)果一致。

在諸多環(huán)境因子中，土壤水熱因子是影響作物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子。在非恒溫條件下水分運(yùn)動(dòng)和熱能傳輸是相互作用的。溫度梯度影響土壤含水量和能量的分布并導(dǎo)致水分和水汽運(yùn)動(dòng)，而水分運(yùn)動(dòng)又通過對(duì)流作用攜帶熱能運(yùn)動(dòng)，當(dāng)溫度梯度和含水量梯度共存情況下形成水分和熱能同時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。本研究中，不同植被下土壤水分與土壤溫度相關(guān)性的顯著程度不同，總體呈顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與車宗璽等和李軍祥等的研究結(jié)果一致。在8—11月喬木林恢復(fù)階段與其他恢復(fù)階段相比，土壤溫度與水分相關(guān)性更顯著，且0—10，10—20，20—30 cm土層之間的溫度和水分相關(guān)性大小接近，原因可能是隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行，土壤根系加深，土壤孔隙度提高，溫度與水分的傳導(dǎo)力增強(qiáng)。

4 結(jié) 論

8—10月G群落的土壤溫度顯著高于其他群落，S、F1和F2群落的土壤溫度變化趨勢相似，11月5個(gè)群落的土壤溫度變化趨勢一致，F(xiàn)3群落的土壤溫度顯著高于其他群落?？傮w來看，隨著植被恢復(fù)，土壤溫度變化的范圍和峰值有不同程度的減小。8—11月G群落的土壤水分顯著高于其他群落，隨著植被恢復(fù)，土壤水分有不同程度的減少，但并不影響土壤水分隨時(shí)間變化的總體趨勢，土壤水分有一定的時(shí)間穩(wěn)定性。不同植被恢復(fù)階段土壤溫度和水分總體呈顯著負(fù)相關(guān)。