黃土高原不同氣候區(qū)刺槐林恢復年限對水、碳及植物多樣性的影響

王 穩(wěn) ,高曉東,趙西寧,楊孟豪

1 西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院, 楊凌 712100

2 西北農(nóng)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(diào)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(jié)構(gòu)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(tǒng)服務(wù),已是黃土高原植被恢復的生態(tài)學過程研究和人工林經(jīng)營管理的重點之一。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指的是人類從生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接獲得的各種惠益,包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù),以及維持其他類型服務(wù)所必須的支持服務(wù)等4種類型[13—14]。由于各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡關(guān)系的存在,改善一種或幾種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時,可能會對其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)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(tǒng)服務(wù)[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(chǎn)生的優(yōu)缺點存在分歧[18],且多數(shù)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(quán)衡利弊,才能確保生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)發(fā)展。刺槐林的土壤水分、林分結(jié)構(gòu)、固碳等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性至關(guān)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(xiàn)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(tǒng)服務(wù)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(tǒng)服務(wù)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(tǒng)服務(wù)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(tǒng)服務(wù)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(tǒng)服務(wù)指標,在不同氣候區(qū)內(nèi)分析不同恢復年限的刺槐林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jù)。

1 材料與方法

1.1 文獻來源及篩選原則

分別在中國知網(wǎng)(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(guān)鍵詞,檢索自黃土高原實施植被恢復以來關(guān)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(shù)不少于兩次;(4)刺槐林土壤水分、固碳和多樣性指標以數(shù)字或圖表形式報道;(5)對不同文獻報道的同一試驗數(shù)據(jù)只納入其中一次。經(jīng)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(shù)據(jù):采樣時間、采樣地點(經(jīng)緯度、海拔)、采樣方法、氣候數(shù)據(jù)(年均降雨量MAP、年均溫度MAT)、地形數(shù)據(jù)(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(guān)于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分類

按氣候區(qū)和刺槐林種植年限對數(shù)據(jù)進行分類,各分組的樣本量如表1所示。根據(jù)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(jù)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(shù)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(yīng)數(shù)據(jù)庫文章數(shù)/配對試驗組數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用反應(yīng)比(R)作為效應(yīng)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(yīng)比再轉(zhuǎn)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(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生了正效應(yīng),負的Y值則表示產(chǎn)生了負效應(yīng)。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(yīng)不顯著,反之則效應(yīng)顯著[33]。在各亞組分析中,如果不同分組內(nèi)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(guān)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(jié)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(yīng),且不同氣候區(qū)的效應(yīng)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(guān)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(jīng)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(guān)系

由圖4可知,刺槐林與對照組相比,Shannon-Wiener指數(shù)增加了32.6%(n=51)(P<0.05)。對照組的Shannon-Wiener指數(shù)為2.18,刺槐林Shannon-Wiener指數(shù)為2.57。半濕潤地區(qū)和半干旱地區(qū)刺槐林Shannon-Wiener指數(shù)也存在顯著差異(P<0.05),半濕潤地區(qū)刺槐林Shannon-Wiener指數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)相對變化率的影響,及地區(qū)MAP與Shannon-Wiener指數(shù)的關(guān)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。≤15 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(xiàn)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(guān)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(guān)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(shù)增加了51.38%(n=14)(P<0.05),15—30 a地區(qū)的Shannon-Wiener指數(shù)增加了26.37%(n=26)(P<0.05),≥30 a地區(qū)的Shannon-Wiener指數(shù)增加了27.56%(n=11),≤15 a地區(qū)的Shannon-Wiener指數(shù)相對變化率最高。三個恢復年限的Shannon-Wiener指數(shù)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(shù)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(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)相對變化率的影響,及恢復年限與Shannon-Wiener指數(shù)的關(guān)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhì)量,調(diào)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(nóng)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(xiàn)刺槐林個體發(fā)育不良的現(xiàn)象,形成“低質(zhì)、低產(chǎn)、低效”林[35],導致黃土高原的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jié)果表明,不同氣候區(qū)種植刺槐林對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(jīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)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?shù)亟邓縖37],降水是影響碳儲存的主導因素[38]。研究結(jié)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(yīng)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(jié)果表明,不同恢復年限的刺槐林對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tǒng)服務(wù)的變化及權(quán)衡與林齡有關(guān)[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(nèi)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(jié)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(xiàn)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(chǎn)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(jié)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(shù)為2.57,相對增長率為32.60%;表明土壤水分出現(xiàn)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(shù)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(yīng)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。