土壤水分植被承載力研究評述

摘 要：土壤水分植被承載力通常指較長時間段內土壤水分補給量能夠承載的最大數量限度，指標包括林分密度、生物量或產量、葉面積指數等，具有明顯時空差異、承載力大小受雨水資源利用程度限制、維持土壤水分良性循環(huán)和所能承載植被最大數量等內涵。綜述黃土高原土壤水分植被承載力的研究進展，闡述土壤水分植被承載力的核心內容是水量平衡，探討土壤水分與植被生長的關系，最后提出群落尺度土壤水分植被承載力的研究方向。

關鍵詞：植被承載力; 土壤水分; 水量平衡; 植被生長

中圖分類號：S718.55""""""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1002-204X（2024）11-0069-05

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2024.11.011

A Review of Studies on Vegetation Carrying Capacity of Soil Moisture

Deng Shujian1， Wang Lihong2， Han Mingzhe2， Jia Shengshun2， Wang Dengkui2， Zhao Yuhai2， Li Yuanbing2， Zhang Weizheng2， Dong Liguo3， Han Xinsheng3*

（1.Guyuan Diediegou Forest Farm， Guyuan， Ningxia 756000; 2.Forestry and Grassland Bureau of Pengyang County， Guyuan， Ningxia 756500; 3.Institute of Forestry and Grassland Ecology， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences/Ningxia Key Laboratory of Desertification Control and Soil and Water Conservation/Ningxia Comprehensive Research Center for Ecological Restoration and MultiFunctional Forestry， Yinchuan， Ningxia 750002）

Abstract Vegetation carrying capacity of soil moisture usually refers to the maximum amount of soil water supply that can be carried over a long period of time， and including the indicators" such as stand density， biomass or yield， leaf area index， etc.， have the connotations of obvious spatial and temporal differences， the carrying capacity being limited by the utilization degree of rainwater resources， the maintenance of soil water virtuous cycle， and the maximum amount of vegetation that can be carried， etc.. The research progress of vegetation carrying capacity of soil moisture in the Loess Plateau is summarized， the core content of vegetation carrying capacity of soil moisture being water balance is expounded， and the relationship between soil moisture and vegetation growth is discussed， and finally the research direction of vegetation carrying capacity of soil moisture at community scale is put forward.

Key words Vegetation carring capacity; Soil moisture; Water balance; Vegetation growth

基金項目：國家重點研發(fā)計劃課題（2023YFF1305104），寧夏農業(yè)高質量發(fā)展和生態(tài)保護科技創(chuàng)新示范課題（NGSB-2021-

14-01、NGSB-2021-14-02、NGSB-2021-11-06），寧夏重點研發(fā)計劃（2022YCZX0054、2023BEG02050、2023BEG02042），寧夏自然科學基金項目（2023AAC03404），中央引導地方科技發(fā)展專項（2021FRD05020）。

作者簡介：鄧樹劍（1979—），男，寧夏固原人，林業(yè)工程師，主要研究方向為森林生態(tài)。

*通信作者：韓新生（1988—），男，河南博愛人，博士，副研究員，主要研究方向為森林生態(tài)水文與植被多功能評價管理。

收稿日期：2024-03-07" 修回日期：2024-05-16

承載力是常用于評價經濟社會發(fā)展限制的一個基本概念，對其進行數量化是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的核心問題[1]，同時，也是指示穩(wěn)定性的一種重要指標。植被承載力是指一定地點或區(qū)域范圍內和環(huán)境條件下單位面積能夠承載某種或多種生物個體的最大數量、生物量。在我國西北部干旱半干旱地區(qū)，土壤侵蝕嚴重，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，是進行生態(tài)修復、環(huán)境保護和植被重建的重要區(qū)域，也是實施美麗中國國家戰(zhàn)略的核心地區(qū)和關鍵地點。很多年來，連續(xù)實施“淤地壩建設”“三北防護林”“退耕還林還草”等生態(tài)建設工程和植被修復措施，在明顯減少水土流失和美化生態(tài)及居住環(huán)境的同時，造成河川產流量銳減、植被蓋度明顯提高，進而導致土壤含水量嚴重不足，土壤水分限制植被生長的作用逐漸加強。

在黃土高原大范圍區(qū)域內，人工恢復林草植被多年后出現(xiàn)不同層次和強度的土壤干層，土壤旱化和干造化問題日益突出，且呈逐年加劇的趨勢。植被不能持續(xù)健康生長，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，其根本原因就是在一定范圍內或群落尺度上植被數量（生物量、生產力、產量）超出了土壤水分的承載力范圍，特別是連續(xù)多年人工林草植被的蒸散發(fā)量大于自然降水量，這就嚴重影響了人工恢復林草植被的持續(xù)性、健康程度、穩(wěn)定性。同時，土壤水分存儲量耗損增加，造成人工植被結構退化和生態(tài)系統(tǒng)服務功能降低等現(xiàn)象逐年凸顯，土壤庫容逐漸縮小，引起學界同仁、機關政府和社會各階層的廣泛關注，成為諸多學者研究和探討的熱點問題、熱門話題。

水資源（土壤水分）是干旱半干旱地區(qū)植被恢復和重建的關鍵限制因子，決定了類似區(qū)域能夠承載的植被種類、數量和格局[2]，還會影響植被分布與生長的下限，因此，對水分植被承載力的研究越來越受到各方面的重視。有學者以檸條（Caragana korshinskii Kom）為研究對象提出了土壤水分植被承載力的相關概念并嘗試了具體的計算方法[3-4]，相關的計算方法較為簡單，主要是利用年際的水量平衡來測算植被承載力[5-6]，并未考慮短時間內出現(xiàn)的季節(jié)干旱或土壤干旱脅迫對植被生長和穩(wěn)定性的影響，更未兼顧維持一定的區(qū)域產水量以滿足生產生活用水安全的限制。因此，需要在維持水量平衡（降水量大于或等于植被蒸散發(fā)量）的基礎上增加植被抗旱穩(wěn)定、保持產水等方面的研究，可以為揭示干旱半干旱區(qū)多因素綜合影響的水分植被承載力形成機制、植被恢復重建等提供理論依據。

1 土壤水分植被承載力的科學內涵

土壤水分植被承載力最初被定義為“在較長時間（1-多年）內，現(xiàn)有條件下，當植物根系可吸收和利用土層范圍內土壤水分消耗量等于或小于土壤水分補給量時，所能維持特定植被群落健康生長的最大密度”[3]，評價植被承載力的指標僅為植被密度。土壤水分植被承載力具有明顯的時空特性和變異特征，濕潤區(qū)和干旱區(qū)的雨水資源分布差異大，且在不同海拔、坡向、坡位等地理位置上的土壤水分補給量存在較大差異，土壤水分植被承載力只能針對某一特定的生態(tài)系統(tǒng)或一定區(qū)域才有意義，且只能代表特定時間段內土壤水分補給量所承載的最大植被數量，土壤水分植被承載力隨著時間和空間的變化也會有所改變。土壤水分植被承載力的大小與雨水資源開發(fā)利用的技術能力有很大關系，可通過人為改進技術措施來提升土壤水分的植被承載能力。土壤水分植被承載力是以維持水分良性循環(huán)和水資源可持續(xù)利用為前提，土壤水分對植被的供給和補充是可持續(xù)的，為保持生態(tài)系統(tǒng)的健康程度和穩(wěn)定性、維持良性循環(huán)、持續(xù)不斷地滿足人類生產生活對植被的需要，植被數量（產量、生物量）對土壤水分利用量不能超過土壤水分補給量。

土壤水分植被承載力反映土壤水分所能承載的最大植被數量的閾值，當植被最大數量超過土壤水分的承載能力后，土壤水分的原有生態(tài)平衡與良性循環(huán)就會被破壞，從而導致植被群落生長不良，植被結構逐步退化，生態(tài)系統(tǒng)的社會效益、經濟效益和生態(tài)效益逐漸下降。FENG X M等[7]在我國黃土高原半干旱區(qū)的分析得出，實施“退耕還林還草”工程之后，水資源能夠承載的植被凈初級生產力已經接近閾值，這表明黃土高原半干旱區(qū)已經接近或達到土壤水分的植被承載力。隨著科學研究的不斷深入和逐步細化，土壤水分植被承載力被定義為特定干旱或半干旱地區(qū)，在特定氣候條件、土壤特性和管理措施下，不減少土壤水分維持植被持續(xù)生長的能力時，所能維持的特定類型植被的最大數量[8]。研究的時間尺度以年為基準[9]，多年的測定均值為穩(wěn)定的土壤水分植被承載力。隨著研究范圍和區(qū)域的擴大，研究植被的種類增多，研究目的多樣化，一些學者依據研究需求及研究對象自身特點選擇了不同的植被承載力評價指標，如植被密度[10]、葉面積指數[11]、生物量及產量[5，12]、凈初級生產力[6]、植被覆蓋度[13]等。

2 土壤水分植被承載力的研究進展

SHAO M A等[8]認為，我國黃土高原干旱半干旱區(qū)是開展生態(tài)水文過程監(jiān)測、進行土壤水分植被承載力研究的代表區(qū)域，如JIA X X等[6]在黃土高原范圍內，以植被凈初級生產力為評價指標量化分析了刺槐（Robinia pseudoacacia L.）、檸條、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）這3種植被共243個樣點的植被承載力空間差異;ZHANG J T等[11]以葉面積指數為指標確定了中國北方6個地區(qū)最大和安全的植被承載力;焦醒等[14]研究了黃土高原各站點基于土壤水分植被承載能力的林草植被合理覆蓋度范圍，以上研究從較大的空間尺度（黃土高原）上量化了多種植被的承載力，并對應指出了在植被恢復過程中需同時考慮和兼顧氣候、土壤、地形等多個要素，受植被類型多樣性和環(huán)境因子復雜化的限制，以上多個研究并未揭示不同地形、環(huán)境條件下多種植被類型的承載力形成機理。劉建立等[15]在六盤山北側半干旱區(qū)的疊疊溝小流域，調查測定了典型坡面上植被能夠承載的葉面積指數，這能從機理上較好地解釋蒸散組分特性，但葉面積指數這個指標在生產實踐中應用較少，因此得出的研究結論難以得到推廣，且未考慮六盤山作為下游城市的水源地對坡面產水的需求，在確定最大植被承載力之后，應結合當地的實際情況，考慮樣地產流和區(qū)域產水需求，將土壤水分能夠承載的最大植被承載力相應減小。

上述研究是在區(qū)域范圍內和坡面尺度上對土壤水分植被承載力進行研究，而對于面積較小的樣地尺度，郭忠升等[4]在黃土高原確定了指定條件下土壤水分能承載的檸條的最大密度;王寧等[16]明確了19年生刺槐林在0～150 cm土層深度的土壤水分能承載的最大林分密度;王延平等[17]基于土壤水分植被承載力提出了陜北黃土區(qū)臺地和坡地杏林能承載的杏樹生物量及適宜的產量;還有學者利用FAO法估算得出陜北黃土丘陵溝壑區(qū)苜蓿地多年土壤水分能夠承載的最大產量范圍在3 992～4 174 kg·hm-2之間[18];茹豪等[19]基于水量平衡原理確定了晉西黃土高原特定樹齡油松人工林在限定降水資源條件下能夠承載的最大林分密度;上述研究均確定了當地群落尺度上土壤水分能夠承載的最大植被密度、生物量和產量，具有較好的推廣意義和較大的實用價值，但這些研究均未考慮短時期土壤干旱（大氣干旱）對植被生長量和持續(xù)穩(wěn)定性的影響。因此，在群落尺度上研究土壤水分植被承載力變化規(guī)律時，需同時考慮水分平衡特征和短時間內土壤干旱脅迫的影響等因素，在研究中需要同時兼顧這兩者，但這點還未引起學界的足夠重視，這將是土壤水分植被承載力未來研究的重點內容和核心部分。

3 水量平衡是研究土壤水分植被承載力的核心內容

多個研究認為，土壤水分植被承載力研究均是基于水量平衡原理，也就是說，水量平衡是研究土壤水分植被承載力的基礎和前提。在空間尺度較大的干旱半干旱區(qū)，植被蒸散發(fā)是水量平衡中的最大支出項，有學者研究得出，坡面林分的生長季蒸散量可占同期降水量的74%～110%[20]。通常來說，植被蒸散包括林冠截留、林木蒸騰、林下蒸散3個蒸散組分，受地形條件、土壤環(huán)境、氣象要素、植被結構等多個因子的綜合影響，其過程極為復雜，且時空變異明顯。LIU Z B等[21]研究得出林分冠層葉面積指數能同時影響3個蒸散組分（林冠截留、林木蒸騰、林下蒸散），有分析證明植被蒸騰[22-23]和林下蒸散[24]受土壤水分條件和氣象環(huán)境因子等影響，還有學者基于林分蒸騰對潛在蒸散、土壤水分、葉面積指數響應的單因子關系，連乘耦合建立了3個單因子影響林分蒸騰的綜合模型[25-26]，上述研究均是在日尺度上分析林木蒸騰的變化特征及對氣象要素、植被結構、土壤條件的響應，能很好地反映林分日蒸騰量動態(tài)變化特征的作用機理，但并未考慮月尺度和整個生長季蒸散組分對外界環(huán)境因子和內在植被結構的響應規(guī)律，需采用野外觀測結合生態(tài)站以往的數據積累才能很好地解決這個問題。

立地環(huán)境因子（如坡位等）也對植被蒸散發(fā)有較大的影響，如ENGEL V C等[27]在北美紅櫟（Quercus rubra L.）林定位觀測得出，坡上部的林分蒸騰高于坡下部，還有研究發(fā)現(xiàn)相反的規(guī)律[28-29];劉建立等[15]分析了六盤山半干旱區(qū)疊疊溝小流域典型植被的蒸騰，得出坡中部的植被蒸騰高于坡下部和坡上部，以上多個研究均描述了植被蒸騰的坡位差異，闡明了坡位引起微氣象、土壤環(huán)境、植被結構等因子的差異對植被蒸騰的影響，但并未定量刻畫植被蒸騰的沿坡變化規(guī)律，在坡面上從上至下設置連續(xù)的觀測樣地能很好的反映和分析植被蒸騰的坡面變化特征。對多時間（日、月、生長季）尺度、坡面尺度上植被蒸散組分響應主要因子規(guī)律的研究還不夠深入，反映立地-植被-氣象-土壤等多因素綜合影響的蒸散模型仍需進行優(yōu)化，不同尺度下各蒸散組分的數量關系還需進一步探討確定。開展植被蒸散數量和組分的時空差異及其受多因子影響的動態(tài)規(guī)律研究，能為確定土壤水分植被承載能力提供數據支撐。

4 土壤水分與植被生長的關系是研究土壤水分植被承載力的關鍵

在我國黃土高原干旱半干旱區(qū)域，土壤水分與植被生長的關系是研究土壤水分植被承載力的核心和關鍵，土壤水分與植被生長的相互作用及反饋機制分析多集中于土壤水分虧缺對生物量、葉面積、氣孔導度等生理生態(tài)指標的影響[30]。丁文斌等[31]分析了Web of Science核心合集中黃土高原區(qū)域土壤水分變化的相關文獻共232篇得出：“退耕還林還草”生態(tài)建設和植被恢復工程實施后，大量的植被恢復導致土壤水分不同程度的降低，土壤旱化和干燥化加劇是黃土高原多數地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設和林草植被恢復面臨的最大難題，過度的人工林草種植及恢復植被是導致土壤旱化嚴重和土壤庫容縮小的主要因素，土壤水分的嚴重虧缺造成大面積、大規(guī)模的“小老頭樹”形成，部分地區(qū)植被逐步退化，甚至死亡，究其根源還是沒有深入理解和詳細分析土壤水分與植被生長的量化關系，沒有在理清兩者數量關系的基礎上開展植被建設和生態(tài)修復，而是采用了片面追求植被覆蓋度及森林覆蓋率等植被恢復方式，最終導致生態(tài)環(huán)境建設的社會效益、經濟效益、生態(tài)效益均不高。

土壤水分與植被生長存在密切的內在聯(lián)系，植被生長及恢復離不開土壤水分的足量供給和持續(xù)補充，在一定范圍內、一定條件下的植被生長及恢復，必須在維持土壤水分的持續(xù)穩(wěn)定利用前提下提高水土保持效益，以便更好地促進土壤結構改善與土壤水分固定。在廣大的干旱半干旱地區(qū)，植被恢復和生態(tài)建設所需要的土壤水分植被承載力的精準確定，仍然處于探索階段。在變化的立地環(huán)境和植被結構條件下進行相關生態(tài)過程和水文過程的長期定位監(jiān)測，是理解土壤水分植被承載力形成機制，并進行準確計算從而解決相關瓶頸問題的最有效途徑。因此，在典型樣地或坡面，開展植被生態(tài)過程與水文過程監(jiān)測，探討土壤水分植被承載力各項指標的時空變化特征，有利于闡明關鍵因子對土壤水分植被承載力影響的作用機理。土壤干旱對干旱缺水地區(qū)植被恢復的限制作用異常突出，構建、維持能健康穩(wěn)定生長和發(fā)揮生態(tài)功能的植被群落，是植被生態(tài)建設與管理的目標，其關鍵問題就是在群落尺度上將植被數量（生物量、產量、生產力）控制在土壤水分的承載力范圍內。

5 展望

歷經二十年的長期定位監(jiān)測和探討研究，土壤水分植被承載力的理論框架、計算方法和指標參數獲取等方面均取得明顯進步[3-4，6-8，10-11]，但因受多方面研究條件和多角度認識程度的限制，并未綜合兼顧考慮年際水量平衡、瞬時土壤干旱脅迫、群落產流需求（蒸散lt;降水）等條件的影響，急需開展在不同立地環(huán)境、土壤要素、特定植被、氣象條件、水資源管理要求條件下進行長期定位監(jiān)測與形成機理的研究，建立大量的相關數量關系（模型），獲得多因素（植被特征、土壤環(huán)境、氣象要素等）影響和多要求（植被穩(wěn)定性與產水等）限制下的土壤水分植被承載力計算方法，便于更好地服務于干旱半干旱地區(qū)植被科學恢復和生態(tài)環(huán)境建設。

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責任編輯：周慧