晉西黃土區(qū)土壤理化特征對長期植被恢復(fù)的響應(yīng)

于 航,馮天驕,衛(wèi) 偉,王 平,*

1 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京 100083 2 山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,吉縣 042200 3 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

黃土高原是我國具有代表性的生態(tài)脆弱區(qū)之一[1],也是中國北方一個重要的生態(tài)環(huán)境區(qū)域,但隨著長期的放牧、山地開墾、礦產(chǎn)開采,水土流失問題及環(huán)境條件使植物生存和生長面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)[2],為緩解該地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題,長期以來大規(guī)模實(shí)施的植被恢復(fù)和退耕還林還草工程[3],有效地遏制了黃土高原地區(qū)嚴(yán)重的水土流失問題[4]。目前,對黃土高原的生態(tài)修復(fù)已有多種途徑。一種是改變土地利用方式,鼓勵農(nóng)民將土地利用從種植作物向種植灌木或草本植物過渡,土地利用方式的轉(zhuǎn)變使當(dāng)?shù)氐乃Y源得到保護(hù),而且能夠增加區(qū)域生態(tài)多樣性[5]。另外,植樹造林[6]也是黃土高原進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的重要策略。種植樹木能夠增加區(qū)域植被覆蓋率,減少水土流失,產(chǎn)生較大的生態(tài)效益。此外,施肥、秸稈還田、茅草條作為植物肥料、土壤微生物活性調(diào)控等各種技術(shù)手段、大面積修復(fù)水土流失的生態(tài)工程都可以被用來修復(fù)黃土高原的生態(tài)環(huán)境[7—8]。其中需要注意的是黃土高原的生態(tài)修復(fù)是一個長期過程,需要多方共同合作、長期撫育和管理來實(shí)現(xiàn)黃土高原地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

森林生態(tài)系統(tǒng)中天然林和次生林下土壤理化性質(zhì)存在明顯差異,這與林分中生物多樣性[9]、土壤養(yǎng)分特征[10]、土壤水分狀況[11]等有關(guān)。多數(shù)研究表明[10,12—13],天然林在保護(hù)和改善土壤質(zhì)量上的效果通常優(yōu)于人工林。但人工林的建立對于初始土壤質(zhì)量差、生態(tài)系統(tǒng)功能低下的地區(qū)仍然有其重要價值[12]。在森林正向演替的過程中,天然林土壤容重不斷減少,土壤孔隙度明顯改善,為土壤保存養(yǎng)分提供良好空間,魏強(qiáng)等[14]在對甘肅興隆山6種森林類型的演替過程研究中發(fā)現(xiàn),相比天然林演替過程中土壤變化特征,人工林土壤物理性質(zhì)出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象。天然林中由于不是與人工林類似的單一樹種生長,生物多樣性豐富,可以更好的促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)。李裕元等[13]在對子午嶺天然林和人工林群落特征比較中表明,天然林在喬木層和灌木層具有較高的物種多樣性。不同立地類型下的林分生物多樣性直接影響土壤微生物多樣性,從而間接影響土壤全氮、銨態(tài)氮、全鉀等含量的變化[15]。人工林由于單一樹種種植,土壤微生物多樣性可能會下降,從而影響土壤肥力。在土壤水分方面,天然林由于樹木種類繁多,根系分布廣泛,更有助于水分的保留和植物的吸收[11]。Chouangthavy Bounsanong等[16]在對老撾甲蟲群落的大規(guī)模取樣研究中發(fā)現(xiàn),天然林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち謱?dǎo)致了物種豐富度和多度的下降。 不同林分在森林群落的恢復(fù)和演變過程中,由于森林種類和它們所在的地理環(huán)境及生物的差異,森林與土壤之間的相互影響表現(xiàn)出很大的復(fù)雜性。

20世紀(jì)90年代初期,國內(nèi)外研究[17—18]關(guān)于生態(tài)修復(fù)過程中土壤改良效益處于探索階段,當(dāng)時土壤養(yǎng)分對植被恢復(fù)的響應(yīng)方面研究并沒有引入多種土壤組份和物理性質(zhì)來進(jìn)行分析。隨著學(xué)科技術(shù)水平和土壤檢測技術(shù)手段的發(fā)展,2000年謝寶平等[19]在華南嚴(yán)重侵蝕地植被恢復(fù)對土壤條件影響的研究中引入了對土壤質(zhì)地、容重及孔隙度的土壤物理性質(zhì)方面的討論?，F(xiàn)階段,各項(xiàng)研究逐步將土壤養(yǎng)分和土壤物理性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性的研究,植被恢復(fù)對土壤養(yǎng)分和土壤物理性質(zhì)的研究集中于不同尺度、不同土壤條件、不同生境類型上,姜麗娜等[20]研究揭示了半干旱區(qū)內(nèi)不同植被恢復(fù)類型下土壤理化性質(zhì)的變化,李鵬飛等[21]在黃土高原礦區(qū)中明晰了生態(tài)脆弱地區(qū)不同植被恢復(fù)類型中土壤理化性質(zhì)等的重要性和變化趨勢。多數(shù)研究探究植被群落與土壤理化性質(zhì)間的量化關(guān)系,為植被修復(fù)及土壤理化性質(zhì)的發(fā)展提供基礎(chǔ)保障,綜合目前關(guān)于黃土高原殘塬溝壑區(qū)的相關(guān)研究進(jìn)展,通過對脆弱生態(tài)系統(tǒng)重建任務(wù)的探索,植被恢復(fù)是實(shí)踐中重要的生態(tài)恢復(fù)手段[22—23]。當(dāng)前在長期大規(guī)模植被恢復(fù)背景下,長時間視角下的植被恢復(fù)如何調(diào)控土壤生態(tài)功能,以及不同植被恢復(fù)方式條件下的土壤性質(zhì)變化需要進(jìn)一步探索和明晰,土壤化學(xué)計(jì)量和土壤物理性質(zhì)間相互影響機(jī)制有待深入研究。在長期對于土壤養(yǎng)分和土壤物理性質(zhì)的不斷探索中,許多研究[24—25]一直認(rèn)為土壤養(yǎng)分是在顯著增多的,但是養(yǎng)分增多的范圍和閾值問題不明確,結(jié)合以上提出的關(guān)于土壤理化性質(zhì)與植被修復(fù)相應(yīng)方面的不足,本研究以黃土殘塬區(qū)4種典型植被恢復(fù)類型樣地(遼東櫟次生林樣地、側(cè)柏樣地、油松樣地、刺槐樣地)土壤為對象,以為期12年的時間長度,分別在2006年、2012年、2017年進(jìn)行土壤取樣來開展土壤理化性質(zhì)監(jiān)測和分析,探討土壤理化性質(zhì)不同年份的變化趨勢及多因子間的相互作用,揭示不同植被恢復(fù)類型和不同土壤深度對土壤性質(zhì)的影響,闡明土壤養(yǎng)分與土壤物理屬性的關(guān)系,以加強(qiáng)理解黃土高原地區(qū)不同植被恢復(fù)類型中土壤理化性質(zhì)變化特征,并為該地區(qū)增強(qiáng)生態(tài)恢復(fù)效果、提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

本次試驗(yàn)地位于山西省吉縣蔡家川流域的森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(110°27′ —111°07′E,35°53′ — 36°21′ N),研究站地處黃河中游黃土高原東南部半濕潤地區(qū),為典型的黃土高原殘塬溝壑區(qū)和梁狀丘陵溝壑區(qū),海拔在900—1560 m,年均氣溫10℃,日照時間年均2563.8 h,年平均降雨量為579.5 mm,普遍分布的土壤類型為褐土,黃土母質(zhì),土層深厚,土質(zhì)均勻。山西吉縣自1992年施行退耕還林還草活動以來,林草覆蓋面積顯著增加,水土流失狀況逐漸好轉(zhuǎn),生態(tài)環(huán)境顯著改善。主要喬木類型有自然恢復(fù)的遼東櫟(QuercuswutaishanicaMayr) 、山楊 (Populusdavidiana) 等,人工的刺槐 (RobiniapseudoacaciaL.) 、油松(PinustabuliformisCarr.) 、側(cè)柏(Platycladusorientalis)等純林以及油松×刺槐、刺槐×側(cè)柏等混交林。研究區(qū)概況及樣地見圖1所示。

圖1 黃土高原研究區(qū)概況及樣地示意圖Fig.1 General situation of the Loess Plateau research area and schematic diagram of sample plot

2 研究方法

2.1 樣品采集和數(shù)據(jù)收集方法

基于2006年5月對流域調(diào)查的結(jié)果,篩選了具有代表性的遼東櫟次生林、刺槐、油松和側(cè)柏林地,作為本研究的植被恢復(fù)類型,以進(jìn)行觀測樣地,不同植被恢復(fù)類型林分恢復(fù)年限及林齡相同。在每個植被恢復(fù)類型研究樣地面積內(nèi)(表1),選擇了分散的5處20 m × 20 m樣方,選擇的樣方相距較遠(yuǎn),坡度相近且坡向?yàn)殛幤?植被恢復(fù)年限相近的,排除坡位、坡向和恢復(fù)年限等對土壤性質(zhì)的干擾。野外土樣采樣分別于2006年5月、2012年5月、2017年5月進(jìn)行,在不同年份,不同樣方內(nèi)均采用對角線法選取5個樣點(diǎn)進(jìn)行土壤取樣。分別在0—10 cm,10—20 cm,20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm和80—100 cm的6個土層進(jìn)行樣品采集和分析,共1800個土樣。將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行土壤有機(jī)碳、全氮、全鉀、全磷、pH值、容重、砂粒、黏粒和粉粒的分析檢驗(yàn)。

表1 樣地基本概要Table 1 Basic information of the research sites

2.2 土壤理化指標(biāo)的測定方法

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定,土壤全氮采用半微量凱氏法測定,土壤全磷采用HClO4-H2SO4法測定,土壤全鉀采用氫氧化鈉熔解、火焰光度法測定,土壤pH值采用電位法測定,土壤容重采用環(huán)刀法測定,土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)速測定[26]土壤機(jī)械組成中粒度的劃分方法采用國際制的土壤顆粒分級標(biāo)準(zhǔn),將土壤顆粒組分劃分為砂粒(2.0—0.02 mm)、粉粒(0.02—0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)[27]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

研究采用Excel 2019 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、IBM SPSS Statistics 26軟件采用描述性統(tǒng)計(jì)和單因素方差分析對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,檢驗(yàn)不同植被類型、相同年份間植被恢復(fù)類型土壤理化性質(zhì)的顯著性差異及相同植被類型不同年份間植被恢復(fù)類型土壤理化性質(zhì)的顯著性差異(P<0.05),單因素方差分析的事后檢驗(yàn)采用LSD法。使用Canoco5進(jìn)行冗余分析。相關(guān)數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)來表示,利用Origin 2021軟件,R軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被恢復(fù)類型0—100 cm土壤性質(zhì)的年際變化

土壤有機(jī)碳含量、全氮含量在四種植被恢復(fù)類型中均表現(xiàn)為先上升后下降,2006年、2017年土壤有機(jī)碳含量在同一年份不同樣地間均具有顯著相關(guān)性(圖2),土壤有機(jī)碳含量、土壤全氮含量均為遼東櫟>油松>側(cè)柏>刺槐。土壤全磷含量、全鉀含量,兩種元素的含量都表現(xiàn)為先下降后上升,四種植被恢復(fù)類型在不同年份的含量具有顯著相關(guān)性,兩種元素在同一種年份不同樣地間不具備穩(wěn)定的相關(guān)性。四種樣地中僅刺槐樣地的鉀元素含量比2006年測定的高,2017年的土壤全磷含量在四種樣地中均高于2006年。土壤全磷含量為油松>刺槐>遼東櫟>側(cè)柏,土壤全鉀含量為刺槐>遼東櫟>油松>側(cè)柏。不同年份的植被恢復(fù)類型土壤pH值不顯著。

圖2 不同植被恢復(fù)類型0—100 cm土壤性質(zhì)的年際變化Fig.2 Interannual changes of soil properties from 0 to 100cm for different vegetation restoration types圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;不同大寫字母代表相同年份不同樣地間顯著差異(P<0.05);不同小寫字母代表不同年份相同樣地間顯著差異(P<0.05)

遼東櫟次生林的土壤容重在林分生長過程中總體呈現(xiàn)下降趨勢,其余三種植被恢復(fù)類型的土壤容重有所上升。土壤粉粒在所有樣地都有所上升,土壤砂粒顯著關(guān)系不明顯,土壤黏粒在遼東櫟次生林樣地、側(cè)柏樣地中先下降再上升,刺槐樣地的土壤黏粒則一直上升,油松樣地先上升再下降。遼東櫟、側(cè)柏、刺槐三種植被恢復(fù)類型,比起2006年、2012年土壤砂粒,在2017年顯著下降,本研究中的油松樣地的土壤黏粒含量并未表現(xiàn)出下降趨勢,土壤砂粒在2012年顯著增加后明顯下降,比2006年低65.62%。

3.2 不同植被恢復(fù)植被類型土壤性質(zhì)的垂直深度變化規(guī)律

不同土壤深度中土壤性質(zhì)變化規(guī)律(表2)的結(jié)果顯示,土壤全氮含量表現(xiàn)為明顯的表層聚集性,0—10 cm的全氮含量最高,隨著土層深度的增加,全氮含量逐漸降低,但在刺槐樣地和遼東櫟次生林樣地80—100 cm的土層中,全氮含量依舊較高,其含量分別為0.44 g/kg、0.86 g/kg。不同樣地下全磷含量隨土層深度的變化不明顯。側(cè)柏樣地、刺槐樣地中0—10 cm的土壤全鉀含量最低,相較0—10 cm的其他土層含量明顯升高。油松樣地、側(cè)生林樣地各土層的土壤全鉀含量變化不明顯,鉀素穩(wěn)定存在各層土壤中。土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮含量表現(xiàn)相同,具有表層聚集特征,表層0—10 cm的有機(jī)碳含量明顯高于其他深度,并且各植被恢復(fù)類型樣地中隨土層深度的增加,土壤有機(jī)碳含量逐漸降低。

表2 四種植被恢復(fù)類型不同土壤深度中土壤性質(zhì)變化規(guī)律Table 2 Changes of soil properties in different soil depths of four Planting vegetation restoration types

土壤pH值隨土層深度的增加變化不明顯,其中油松樣地60—80 cm的土壤pH值最高(9.37),側(cè)柏樣地0—10 cm的土壤pH值最低(7.93)。側(cè)柏林地20—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm的土壤容重顯著低于0—10 cm、10—20 cm土層?？傮w來看,刺槐樣地、油松樣地、遼東櫟次生林樣地的土壤容重隨著土層深度的增加而增加,除側(cè)柏樣地外,各樣地中不同土層土壤容重變化并不具備規(guī)律性,土壤容重僅隨土壤深度的增加逐漸增加。四種植被恢復(fù)類型的土壤機(jī)械組成中以砂粒土為主,粉粒土與黏粒土共占20%左右。土壤機(jī)械組成隨土壤深度變化的趨勢不明顯,各土層的砂粒、粉粒、黏粒占比不規(guī)則。

3.3 植被恢復(fù)過程中土壤性質(zhì)的相互關(guān)系

圖3分別為2006年、2012年、2017年土壤各因子間的相關(guān)性矩陣,2006年土壤內(nèi)各因子相互關(guān)系以正相關(guān)關(guān)系為主。通過植被修復(fù),土壤全氮與土壤全磷、土壤全鉀、土壤容重,土壤有機(jī)碳與土壤容重均從植被恢復(fù)前期的顯著正相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤砂粒與土壤全鉀、土壤pH,土壤黏粒和土壤全氮、土壤有機(jī)碳均從植被恢復(fù)前期不顯著關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著關(guān)系。

圖3 植被恢復(fù)過程中不同年份土壤性質(zhì)的相關(guān)性分析矩陣Fig.3 Correlation analysis of soil properties in different years during vegetation restorationTN:土壤全氮; TP:土壤全磷; TK:土壤全鉀; SOC:土壤有機(jī)碳; pH:土壤pH值; SBD:土壤容重; Sand:土壤砂粒;Silt:土壤粉粒;Clay:土壤黏粒

圖4為遼東櫟次生林樣地、側(cè)柏樣地、刺槐樣地、油松樣地2006年、2012年、2017年所測定土壤數(shù)據(jù)綜合的冗余分析和土壤物理性質(zhì)及pH對土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)度。圖5為四種樣地的主成分分析圖,PC1和PC2的貢獻(xiàn)值分別為33.6%和17.0%,四組中遼東櫟次生林樣地和其他三組存在顯著差異,側(cè)柏樣地、刺槐樣地、油松樣地相互不存在顯著差異,圖中向量長短代表差異貢獻(xiàn),方向?yàn)榕c主成分的相關(guān)性。PC2的差異主要由土壤黏粒和土壤砂粒貢獻(xiàn)。PC1的變異主要來自于其他成分的共同影響,土壤有機(jī)碳、土壤全氮與土壤全鉀、土壤全磷、土壤容重、土壤粉粒間存在負(fù)相關(guān)性,土壤砂粒和土壤黏粒間存在負(fù)相關(guān)性。從統(tǒng)計(jì)貢獻(xiàn)度來看,土壤pH值對PC1和PC2的影響并不顯著。土壤pH在PC1和PC2中的貢獻(xiàn)度較小,在主成分分析的前兩個維度中,土壤pH值并不是主導(dǎo)變量,PC1和PC2并不能充分表示土壤pH值的變動趨勢,這可能表明土壤pH值與PC1所表示的環(huán)境或生物過程相對獨(dú)立。土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤pH值間存在正相關(guān)性,土壤全鉀、土壤全磷、土壤容重、土壤粉粒間存在正相關(guān)性。研究結(jié)果表明,植被恢復(fù)類型中土壤理化性質(zhì)間相互作用。由相關(guān)性分析、主成分分析、冗余分析可知,植被恢復(fù)過程中物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)相互影響,由最初不能提供植物良好生長養(yǎng)分需求及空間的土壤條件關(guān)系向利于其二者的相互關(guān)系轉(zhuǎn)變。

圖4 四種植被恢復(fù)類型土壤性質(zhì)的冗余分析Fig.4 Redundant analysis of soil properties for different vegetation restoration types

圖5 不同植被恢復(fù)類型土壤性質(zhì)的主成分分析Fig.5 Principal component analysis of soil properties of different vegetation restoration types

4 討論

4.1 長期植被恢復(fù)過程中土壤性質(zhì)的時空變化特征

2006—2012年土壤養(yǎng)分、土壤容重、土壤機(jī)械組成的變化趨勢都明顯高于2012—2017年。以遼東櫟次生林樣地的土壤全氮含量為例,2006—2012年升高1.38 g/kg,而2012—2017年下降1.33 g/kg,2006—2017年增加0.04 g/kg,土壤養(yǎng)分整體上是增加的。本研究發(fā)現(xiàn)長期植被恢復(fù)過程中土壤各性質(zhì)的變化并不是連續(xù)的,而是當(dāng)某一因子的數(shù)量到達(dá)一定數(shù)值時會向相反方向變化,這可能是由于黃土高原地區(qū)水土流失[28]、水資源短缺,時空分布不均[29]、土壤侵蝕[30]、植被退化問題嚴(yán)重[31],植被恢復(fù)初期有效緩解了黃土高原地區(qū)的土地壓力,短期內(nèi)土壤性質(zhì)變化顯著,隨著演替的進(jìn)行,林地內(nèi)其他灌草植物遷入,土壤養(yǎng)分供給大量植物生長,并且逐漸趨于正常范圍內(nèi),由此表明,2006年開始進(jìn)行植被恢復(fù)之后,不同植被恢復(fù)類型對于土壤的改良都表現(xiàn)為良好。把握植被恢復(fù)過程中各因子變化規(guī)律至關(guān)重要,掌握土壤各因子的動態(tài)變化,及時調(diào)整植被恢復(fù)過程中所需的人為干擾,提高植被恢復(fù)效率。

植被恢復(fù)過程中,由于不同樹種所提供的根系分泌物、地表覆蓋物、地表植被群落組成均不相同,導(dǎo)致土壤的化學(xué)性質(zhì)經(jīng)過長期的植被恢復(fù)后,與植被恢復(fù)初期存在一定的差異。此前許多研究[32—33]證明植被恢復(fù)對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響是顯著的,不同植被類型對土壤化學(xué)元素含量起到提升或降低的作用。本研究對比長期不同植被恢復(fù)下的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量發(fā)現(xiàn),以遼東櫟次生林為例,其林下有機(jī)碳含量增長最多,相比其他林地,遼東櫟次生林樣地中不同土層下土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)良好,土壤有機(jī)質(zhì)的含量依次為遼東櫟次生林>油松>側(cè)柏>刺槐。遼東櫟次生林提供的落葉豐富且易分解,改善土壤有機(jī)質(zhì),促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的生成,加之遼東櫟次生林樣地為天然恢復(fù)的喬木植被,其生物多樣性水平豐富、群落穩(wěn)定性高[34],刺槐樣地與之相比,不論是有性繁殖還是無性繁殖,在無人工輔助的近自然條件下均表現(xiàn)不良,黃土高原人工刺槐林群落穩(wěn)定性較差,具體表現(xiàn)為群落結(jié)構(gòu)簡單、更新差、土壤含水率低、土壤養(yǎng)分恢復(fù)水平低[35]。不同植被在恢復(fù)過程中的土壤有機(jī)碳含量都有顯著上升,本研究區(qū)域與以往研究植被恢復(fù)過程中土壤養(yǎng)分變化的其他生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),如青藏高原東南緣高寒區(qū)[36]、喀斯特地貌[37]等區(qū)域的研究結(jié)果一致。在不同植被恢復(fù)類型中,各林地的其他土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)不同,全氮含量與有機(jī)碳含量一致,全磷含量為油松>刺槐>遼東櫟次生林>側(cè)柏,土壤全鉀含量為刺槐>遼東櫟次生林>油松>側(cè)柏,這可能是由于不同樹種對于元素的需求各異,進(jìn)而對不同林分下土壤養(yǎng)分的改良不同。在不同林地的土壤中,垂直方向上的土壤全氮含量具有明顯的表聚性,各土層的養(yǎng)分含量隨土層深度的增加而減少,但這一特點(diǎn)在全磷、全鉀含量上并不適用,不同樣地下全磷含量隨土層深度的變化不明顯,這與馮天驕等[38]對隴東黃土區(qū)坡面整地和植被恢復(fù)類型對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響研究結(jié)果一致,即磷元素在土壤中的移動性較弱,不易隨著雨水淋溶或者土壤水分下滲,從而使土壤中全磷含量在各土層中變化不大。黃土高原屬于半濕潤半干旱地區(qū),降水較少,氣候較為干燥,由于土壤中大部分鉀素不易被植物吸收利用,并且干旱少雨地區(qū)的鉀素不易被淋失消耗,故大量的被保存在土壤中。

由于生存地域、氣候條件、人為活動的分異,土壤各性質(zhì)有較強(qiáng)的時空異質(zhì)性,土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系表現(xiàn)為多樣性和復(fù)雜性[39],在植被恢復(fù)的不同階段、植被恢復(fù)的不同類型存在差異,張恒碩等[40]在晉西黃土區(qū)退耕年限對土壤物理性質(zhì)的影響的研究表明,土壤有機(jī)質(zhì)和土壤黏粒的增加以及土壤結(jié)構(gòu)的改善被認(rèn)為是影響改善黃土區(qū)退耕還林后土壤物理性質(zhì)的主要原因,與本研究的結(jié)果一致,除油松樣地外,其余三種植被恢復(fù)類型中土壤有機(jī)物含量、土壤黏粒都有顯著增加。在黃土高原長期的植被恢復(fù)過程中,遼東櫟次生林顯著降低了土壤容重,植被調(diào)節(jié)土壤物理性質(zhì)良好。植被恢復(fù)的效果也可以間接通過測量土壤有機(jī)物含量、土壤容重及土壤黏粒狀況,將其綜合評價,作為一個評估因子。

4.2 長期植被恢復(fù)過程中土壤性質(zhì)間相互影響機(jī)制

相關(guān)性分析表明,土壤全氮和全磷在植被恢復(fù)過程中由顯著正相關(guān)性向顯著負(fù)相關(guān)性過渡,氮、磷含量以及氮磷比對于評價植被恢復(fù)效果、土壤養(yǎng)分富集程度、植被生長等方面是至關(guān)重要的[41]。土壤全氮與有機(jī)碳的相關(guān)性保持不變,研究認(rèn)為土壤有機(jī)碳含量與土壤全氮含量一直都處于共同升高或降低的狀態(tài),協(xié)同促進(jìn)植物生長[42—44],土壤中其二者含量可以反映當(dāng)前土壤肥力水平[45]。土壤全氮和土壤全鉀,土壤有機(jī)碳和土壤全磷、土壤全鉀,土壤pH值和土壤有機(jī)碳、土壤全磷、土壤全鉀之間都由顯著的正相關(guān)性過渡為不顯著關(guān)系,它們之間相互的限制關(guān)系逐漸減弱。土壤化學(xué)性質(zhì)間的的正相關(guān)關(guān)系逐漸過渡為不顯著,土壤容重與土壤全氮、土壤有機(jī)碳、土壤粉粒之間由顯著的正相關(guān)性過渡到顯著的負(fù)相關(guān)性。根據(jù)2017年土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性可知,土壤有機(jī)碳同樣影響著土壤容重的變化,當(dāng)土壤容重隨著植被恢復(fù)時間逐漸降低時,土壤砂粒和土壤粉粒在土壤中的占比逐漸上升,從而導(dǎo)致土壤黏粒下降,這與張曉霞等[46]對晉西黃土區(qū)退耕還林22年后,林地土壤物理性質(zhì)的變化研究結(jié)果一致。植被恢復(fù)后,土壤砂粒含量升高,粘粒含量減少,容重降低。這種變化可以增加土壤孔隙度和透氣性,提高土壤生物生存環(huán)境,促進(jìn)土壤肥力提升。同時,土壤養(yǎng)分升高,土壤容重降低,增加了土壤孔隙度,使養(yǎng)分在土壤孔隙中得到保存。2017年的數(shù)據(jù)表明,土壤pH值僅與土壤砂粒呈顯著正相關(guān)。當(dāng)前,尚缺乏直接研究探討土壤pH值與土壤機(jī)械組成中砂粒占比之間的關(guān)系。通過對已有數(shù)據(jù)的測定和分析,我們可以推測在本次研究中,土壤pH值是會影響土壤砂粒占比的。結(jié)合主成分分析(圖5)的結(jié)果來看,即在不同植被恢復(fù)類型下,遼東櫟次生林對土壤改良的效果優(yōu)于其他三種對造林地改善效果相似的植被恢復(fù)類型。不同植被恢復(fù)類型對土壤的影響還需結(jié)合土壤微生物[47]、植被覆蓋度[48]等共同討論,孫長安等[49]在我國植被恢復(fù)對土壤性狀影響的研究綜述中表明,植被恢復(fù)對土壤多種理化性狀產(chǎn)生雙向影響,不同地點(diǎn)、不同措施、不同恢復(fù)時間土壤性狀的變化均不同,因此在探究不同植被恢復(fù)類型對土壤內(nèi)各因子的影響,及因子間的相互關(guān)系時,需要注意當(dāng)前的耕作方式、整地方式、試驗(yàn)地的立地條件、試驗(yàn)地水分含量等多種因素綜合考慮。

根據(jù)不同樣地、不同年份的土壤物理性質(zhì)及pH值對土壤化學(xué)性質(zhì)的貢獻(xiàn)度(圖4)可知,遼東櫟次生林樣地和油松樣地中各組分貢獻(xiàn)度大致相同,物理性質(zhì)及pH值對土壤養(yǎng)分的影響基本一致,這一點(diǎn)不同于側(cè)柏樣地和刺槐樣地,土壤容重在側(cè)柏樣地的植被恢復(fù)期間占主要貢獻(xiàn)位置,土壤粉粒在刺槐樣地的植被恢復(fù)期間占主要貢獻(xiàn)位置。遼東櫟次生林樣地、油松樣地相較于側(cè)柏樣地、刺槐樣地,各組分協(xié)同影響土壤中化學(xué)性質(zhì),在栽植時確保各組分的等量增減。黃土高原地區(qū)在栽植側(cè)柏時建議側(cè)重考慮土壤容重對側(cè)柏樹種下各因子的影響,栽植刺槐時建議側(cè)重考慮土壤粉粒對側(cè)柏樹種下各因子的的影響。刺槐土壤粉粒、側(cè)柏土壤容重、遼東櫟次生林、油松各組分協(xié)同影響土壤化學(xué)性質(zhì)。在較長的時間格局上監(jiān)測土壤、植被內(nèi)部各因子變化意義極大,從各組分含量、各組分相互作用的角度評估生態(tài)修復(fù)效果對植被恢復(fù)研究更具價值。本研究僅考慮了三個時間節(jié)點(diǎn)來研究植被恢復(fù)下土壤理化性質(zhì)十二年間的變化,雖然僅有三個時間節(jié)點(diǎn),但數(shù)據(jù)序列長度可以研究和揭示研究區(qū)域土壤理化性質(zhì)隨植被恢復(fù)進(jìn)程的變化規(guī)律。大量的時間點(diǎn)將會給出更精確的結(jié)果,后續(xù)關(guān)于本研究區(qū)流域尺度的研究中,我們會更加注意本研究中的局限。目前土壤中元素變化研究還處于不斷探索、不斷開拓階段,土壤養(yǎng)分為植被提供能量來源,土壤物理因素為植被創(chuàng)造生長環(huán)境,通過不同角度分析二者的相互影響規(guī)律,不斷引入新的作用因子,可以為生態(tài)修復(fù)過程中的植被恢復(fù)部分提供數(shù)據(jù)支撐,為國土資源保護(hù)與建設(shè)提供新方法。

4.3 基于植被恢復(fù)對土壤理化特征影響的造林實(shí)踐啟示

不同植被恢復(fù)樹種在長期植被恢復(fù)過程中對土壤理化性質(zhì)的影響有明顯差異,這些差異主要體現(xiàn)在各樣地土壤中養(yǎng)分含量、土壤機(jī)械組成、土壤容重變化上。土壤全氮含量和土壤容重的變化被認(rèn)為是植被恢復(fù)過程中,土壤肥力強(qiáng)弱表現(xiàn)的客觀體現(xiàn)[6,10,20]。土壤容重與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)(圖3),相關(guān)研究[10,36,40,46]也表現(xiàn)為土壤容重隨土壤有機(jī)質(zhì)含量上升而下降。不同植被恢復(fù)使土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)得到改善(圖2),土壤物理特性有所提升,但土壤容重方面,僅遼東櫟次生林有所下降,人工純林并不能有效降低土壤容重,在土壤養(yǎng)分方面(圖2),四種植被類型的養(yǎng)分含量變化為刺槐(3.26 g/kg;13.13%)>遼東櫟次生林(1.42 g/kg;4.49%)>側(cè)柏(-0.87 g/kg;-3.27%)>油松(-1.93 g/kg;-6.42%),造成養(yǎng)分含量下降的主要原因是土壤全鉀含量的大量流失,只有刺槐林在植被恢復(fù)過程中土壤全鉀量有所增長,說明除刺槐林外,其他植被類型在黃土高原地區(qū)造林并不能改善土壤全鉀在土壤中的保存能力。首先,本研究選取的試驗(yàn)樣地,可將所研究的植被類型分為闊葉和針葉兩種林型,根據(jù)不同林型對森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的影響的研究[50—51]可知,不同林型因植物葉面積指數(shù)、葉片凋落物的可降解性、葉片凋落物厚度等的不同,進(jìn)而影響森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)。其次,遼東櫟次生林及刺槐林下具有更高的生物多樣性,這與養(yǎng)分含量提升和土壤鉀素的保存存在一定關(guān)系。根據(jù)不同植被恢復(fù)類型土壤性質(zhì)的主成分分析(圖5),相比其他三種植被類型,遼東櫟次生林具有更高的多樣性,不同土壤因子對遼東櫟次生林更均衡,這一點(diǎn)通過不同植被恢復(fù)類型土壤性質(zhì)的冗余分析(圖4)也可以得出,遼東櫟次生林穩(wěn)定性更高。黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)與退化生態(tài)系統(tǒng)重建工作有所不同,該地區(qū)初始土壤條件更貧瘠,應(yīng)當(dāng)根據(jù)初始土壤條件,造林樹種應(yīng)當(dāng)考慮調(diào)整土壤結(jié)構(gòu)或增加土壤養(yǎng)分等的實(shí)際需求,并且人工純林的撫育工作應(yīng)該遵循近自然森林經(jīng)營基本原則[52],珍惜立地潛力并尊重自然力,在不同區(qū)域?qū)嵭芯哂辛⒌靥厣慕匀簧纸?jīng)營,在考慮種間關(guān)系的基礎(chǔ)上,建議人工純林輔以不同林齡、不同樹種,對現(xiàn)有純林進(jìn)行混交林建設(shè)。

5 結(jié)論

總體來講,相比2006年,土壤養(yǎng)分含量、砂粒占比、粉粒占比隨植被恢復(fù)時間逐漸增多,土壤容重、黏粒占比降低,為植物生長提供良好的土壤條件,也提供良好的生態(tài)效益。首先,不同植被恢復(fù)類型條件下土壤化學(xué)計(jì)量和物理性質(zhì)存在差異,遼東櫟次生林中土壤有機(jī)碳含量(2.291 g/kg)、全氮含量(0.044 g/kg)增加最多,油松樣地全磷含量(0.256 g/kg)增加最高,刺槐樣地全鉀含量(2.279 g/kg)增加最高。其次,黃土高原長期植被恢復(fù)過程中,養(yǎng)分狀況和物理性質(zhì)在造林初期表現(xiàn)為極增(土壤有機(jī)碳、土壤全氮)、極減(土壤全鉀)或者變化幅度較小(土壤pH值、土壤全磷、土壤容重、土壤機(jī)械組成),但經(jīng)過長期植被恢復(fù)進(jìn)程后,理化性質(zhì)變化開始呈現(xiàn)相反趨勢。然后,本研究通過分析長期植被恢復(fù)進(jìn)程中土壤理化性質(zhì)和化學(xué)計(jì)量的相互關(guān)系和互作機(jī)制,發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)物含量、土壤容重和土壤黏粒具有較高的相互關(guān)系。最后,本研究發(fā)現(xiàn)不同植被恢復(fù)類型條件下,土壤養(yǎng)分含量變化關(guān)系最緊密的土壤屬性存在差異,例如刺槐的土壤粉粒、側(cè)柏的土壤容重與多年土壤養(yǎng)分變化的同步關(guān)系最高。所以,進(jìn)行植被恢復(fù)時,確認(rèn)當(dāng)前造林地土壤中,植被下土壤物理性質(zhì)影響土壤化學(xué)性質(zhì)較大組份的合理配置,遵循適地適樹原則來達(dá)到提高生態(tài)修復(fù)效率的作用。

致謝：感謝山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站的數(shù)據(jù)支持。