張紅峰，薦圣淇

（1.河南省嵩縣水土保持科學(xué)研究所，河南 嵩縣 471400；2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

植被恢復(fù)的效果直接受控于土壤水分的有效性。植被通過(guò)獲取、運(yùn)輸和蒸騰水分對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的水量平衡產(chǎn)生影響。理論上，植被恢復(fù)可以提高植被覆蓋度，增加冠層截留以及保持水土，從而減少土壤侵蝕和養(yǎng)分流失，改善生態(tài)環(huán)境。然而，不適當(dāng)?shù)闹脖换謴?fù)也會(huì)引起不必要的環(huán)境問(wèn)題[1]。例如，在我國(guó)半干旱的黃土高原地區(qū)，人工林由于蒸散發(fā)的增加消耗了過(guò)多的水分，從而破壞了自然水循環(huán)和水量平衡[2]。近40 年來(lái)，我國(guó)政府實(shí)施了一系列大規(guī)模的植樹造林活動(dòng)，例如1999 年實(shí)施的“退耕還林”工程，植被恢復(fù)通常以速生喬木和灌木為主[3]。在恢復(fù)初期植被可以較好地生長(zhǎng)，但隨著土壤水分的消耗，部分植株出現(xiàn)死亡的情況[4]。Huang 等[5]發(fā)現(xiàn)，與種植普通小麥Triticum aestivum相比，種植蘋果Malus pumila有增加蒸散發(fā)和減少土壤水分的趨勢(shì)。其他研究也表明，植被恢復(fù)降低了表層土壤含水量，而深層土壤水分不能通過(guò)自然降水得到補(bǔ)給[6]。植被對(duì)土壤水分的過(guò)度消耗，導(dǎo)致土壤干層的出現(xiàn)[7]。

土壤水分下降影響植被蒸騰，破壞深根植被的抗旱能力，從而影響植被的生長(zhǎng)和自然演替。土壤水分降低還可能改變降水與地下水之間的聯(lián)系，導(dǎo)致區(qū)域性干旱和土地生產(chǎn)力下降[8]。以往研究表明，植物蒸騰量隨著土壤水分的降低而下降[9]，進(jìn)一步導(dǎo)致了人工林地的退化，形成“小老樹”（一種生長(zhǎng)后樹干非常低的喬木）[10]。Wang 等[11]對(duì)黃土高原北部紙坊溝流域的研究表明，本地物種比外來(lái)物種具有更高的實(shí)際蒸散發(fā)（ET）與潛在蒸散發(fā)（ETP）比值和更高的土壤水分，如果引入外來(lái)物種，植被恢復(fù)可能導(dǎo)致土壤水分下降。

2019 年9 月，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略，土壤水分和水土流失相關(guān)研究是生態(tài)保護(hù)的重要內(nèi)容。伊洛河流域位于黃河中下游，為我國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)，但部分地區(qū)的氣候、地形等因素錯(cuò)綜復(fù)雜，極易發(fā)生水土流失，對(duì)耕地產(chǎn)生破壞[12]。當(dāng)?shù)卣嗄陙?lái)為保持水土實(shí)施了大面積的植被恢復(fù)工程，如何評(píng)估植被恢復(fù)工程的有效性是實(shí)現(xiàn)區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的重要組成部分。

本研究的總體目標(biāo)是量化伊洛河胡溝小流域植被恢復(fù)實(shí)踐中典型植被類型水量平衡過(guò)程。具體目標(biāo)為：（1）研究不同植被類型土壤水分儲(chǔ)量隨時(shí)間的變化規(guī)律；（2）量化不同植被類型實(shí)際蒸散發(fā)/潛在蒸散發(fā)（ET/ETP）比值和蒸散發(fā)/降水量（ET/P）比值隨時(shí)間的變化規(guī)律。研究成果可為該區(qū)指導(dǎo)植被恢復(fù)工作提供有力的科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省嵩縣胡溝小流域，屬黃河流域伊洛河水系二級(jí)支流（34°12′～ 34°16′ N，112°06′～ 112°08′ E），總面積為13.34 km2，海拔在332～ 737 m（圖1）；屬北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡的大陸性季風(fēng)氣候，歷年平均氣溫為13.4 ℃，全年平均日照時(shí)數(shù)為1 797.2 h，年平均蒸發(fā)量為1 518.8 mm，無(wú)霜期為209 d。胡溝小流域上游為土石山區(qū)，主要由山脊、山坡、溝底三種地貌；下游為黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，由梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底四種地貌組成，有明顯的溝緣線。土石山區(qū)有大量的巖漿巖和少量的沉積巖，黃土丘陵區(qū)均為黃土狀母質(zhì)所覆蓋，流域土壤絕大部分為褐土。

圖1 研究區(qū)相對(duì)位置圖Fig.1 Location of the study area

胡溝小流域主要造林喬木樹種為大葉楊Populus lasiocarpa、刺槐Robinia pseudoacacia和側(cè)柏Platycladusorientalis；灌木主要有沙棘Hippophae rhamnoides、紫穗槐Amorpha fruticosa和酸棗Ziziphus jujubavar.spinosa等；草本陽(yáng)坡以長(zhǎng)芒草Stipa bungeana、胡枝子Lespedeza bicolor為主，陰坡以艾Artemisia argyi群叢為主，紫苜蓿Medicago sativa、斜莖黃耆Astragalus adsurgens等在此也可生長(zhǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1980 年，在胡溝小流域的坡地上設(shè)置了15 個(gè)徑流小區(qū)，面積均為10 m×10 m，坡度均為10°。自徑流小區(qū)建立伊始，在徑流小區(qū)內(nèi)分別種植灌木（沙棘）、草地（長(zhǎng)芒草）、農(nóng)作物（普通小麥）、經(jīng)濟(jì)林（皂莢Gleditsia sinensis）和喬木林（大葉楊）5 種植被類型，每種植被類型3 次重復(fù)（表1）。

表1 徑流小區(qū)基本信息Tab 1 Information of runoff plot

假設(shè)所有徑流小區(qū)的土壤性質(zhì)、地形和微氣象等環(huán)境要素是相似的，對(duì)觀測(cè)蒸散發(fā)、徑流和土壤水分值的差異沒(méi)有貢獻(xiàn)。2007—2020 年每年5—9 月，進(jìn)行每個(gè)徑流小區(qū)土壤水分的觀測(cè)。土壤水分觀測(cè)土層范圍為0～ 100 cm，每20 cm一層，于5—9 月的每月1 日和15 日進(jìn)行觀測(cè)。每次觀測(cè)時(shí)，利用土鉆在每個(gè)徑流小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇4 個(gè)采樣點(diǎn)，利用烘干法測(cè)定土壤含水量，計(jì)算土壤水分平均值，取土之后回填并平整地面。

2007—2020 年每年的5—9 月，進(jìn)行每個(gè)徑流小區(qū)的徑流量觀測(cè)。每次觀測(cè)結(jié)束后，對(duì)徑流池進(jìn)行清理，并計(jì)算地表徑流量。在徑流小區(qū)附近安裝1 臺(tái)自動(dòng)氣象站（Onset Computer Corporation,Pocasset,MA,USA）對(duì)降水、溫度和其他氣象參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)。同時(shí)，利用人工觀測(cè)結(jié)果對(duì)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

1.3 水量平衡過(guò)程

5—9 月土壤水分的變化利用下式進(jìn)行計(jì)算[13]：?S=SME?，式中，ΔS為0～ 100 cm 土壤水分的變化量，SME為每年生長(zhǎng)季末期（9 月）的土壤含水量，SMB為每年生長(zhǎng)季初期（5 月）的土壤含水量。

各植被類型的年地表徑流總量（R），利用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Rik為第k個(gè)徑流小區(qū)每次觀測(cè)到的地表徑流量，m為地表徑流的觀測(cè)次數(shù)。

由于該區(qū)土層深厚，深層滲漏很難發(fā)生，并且林冠截留占降水的比例較小[10]，因此，不同植被類型的蒸散發(fā)可以利用以下簡(jiǎn)化的水量平衡公式計(jì)算[14]：ET=P??S?R，式中，ET為蒸散發(fā)，P為降水量。

生態(tài)系統(tǒng)的水分壓力可以用實(shí)際蒸散發(fā)（ET）和潛在蒸散發(fā)（ETP）的比值，以及真實(shí)蒸散發(fā)與降水量的比值來(lái)反映。大體上，如果ET/ETP偏小，則證明植被生長(zhǎng)面臨著水分壓力。如果ET/P偏小，則說(shuō)明植被對(duì)水分利用率較低。植被潛在蒸散發(fā)利用蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用逐步回歸分析比較SME、SMB、R、P和ETP對(duì)ET/ETP的影響。以ET/ETP為因變量，SME、SMB、R、P和ETP為自變量。通過(guò)該模型可以確定SME、SMB、R、P和ETP對(duì)ET/ETP比值的貢獻(xiàn)。F檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)假設(shè)，即個(gè)體變量在95%的水平上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。每個(gè)自變量的偏系數(shù)表明了它對(duì)因變量影響的重要性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分動(dòng)態(tài)變化

由圖2 可知，2007—2020 年胡溝小流域內(nèi)土壤水分變化劇烈。2008 年、2013 年、2015 年、2016 年、2020年土壤水分存在補(bǔ)給現(xiàn)象，2007 年、2009 年、2011 年、2012 年、2014 年、2017 年和2019 年土壤水分出現(xiàn)虧缺現(xiàn)象（表2）。2010 年農(nóng)作物土壤水分增加，2018 年喬木林土壤水分增加，而其他植被類型的土壤水分沒(méi)有出現(xiàn)增加現(xiàn)象?？傮w上，各植被類型在2007—2020 年的土壤含水量呈下降的趨勢(shì)。其中，灌木林的土壤含水量下降趨勢(shì)明顯小于其他植被類型的；喬木林與草地的土壤含水量具有較大的下降趨勢(shì)，并且喬木林的土壤含水量比草地的土壤含水量具有較大的下降趨勢(shì)，這說(shuō)明喬木林比草地和灌木林消耗了更多的土壤水分。

表2 2007—2020 年不同植被類型的土壤水分變化量（ΔS）、地表徑流（R）與實(shí)際蒸散發(fā)（ET）Tab.2 Soil moisture content,surface runoff and actual evapotranspiration of different vegetation types from 2007 to 2020

圖2 2007—2020 年不同植被類型在生長(zhǎng)季初期（A）和生長(zhǎng)季末期（B）的土壤水分變化Fig.2 Soil water content of different types of vegetation from 2007 to 2020 in the beginning and by the end of growing season

2.2 地表徑流

在5 種植被類型中，喬木林比灌木林和草地能夠產(chǎn)生更多的地表徑流（表2）。然而，在研究區(qū)內(nèi)，人們普遍認(rèn)為喬木林可以通過(guò)減少地表徑流來(lái)減少水土流失。這可能是由于喬木林內(nèi)林下植被稀疏，并且具有較高的土壤容重所導(dǎo)致的。灌木林和草地產(chǎn)生較少的地表徑流，這可能是由于其植被覆蓋度好，土壤容重小，土壤入滲量高造成的。

2.3 實(shí)際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)比值（ET/ETP）變化

由表3 可知，5 種植被類型都具有相對(duì)較低的ET/ETP比值。從年變化率發(fā)現(xiàn)，2011 年具有最大的ET/ETP比值，最小值出現(xiàn)在2018 年。在所有的植被類型中，ET/ETP比值的排列順序依次為：灌木林 >草地 >農(nóng)作物 >經(jīng)濟(jì)林 >喬木林，這說(shuō)明種植喬木林將導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤水分壓力。2007—2020 年，研究區(qū)ET/ETP比值整體呈下降趨勢(shì)。雖然下降幅度較小，但仍表明隨著時(shí)間的推移，水分脅迫壓力越來(lái)越大。這種情況可能會(huì)導(dǎo)致土壤干化，植被死亡。5 種植被類型中，草地的ET/ETP比值下降幅度最大，其次為喬木林和灌木林。

表3 2007—2020 年不同植被類型的ET/ETP比值變化Tab.3 ET/ETP ratios of different vegetation types from 2007 to 2020

2.4 實(shí)際蒸散發(fā)與降水量比值（ET/P）變化

由表4 可知，ET/P比值呈現(xiàn)波動(dòng)變化。2007 年、2011 年、2012 年、2014 年、2017 年和2019 年的ET/P>1，其他年份的ET/P＜1。5 種植被類型的ET/P比值從大到小依次為：灌木林 >草地 >農(nóng)作物 >經(jīng)濟(jì)林 >喬木林。喬木林在5 種植被類型中具有最低的ET/P比值，可能是由于喬木林徑流量大，造成水分流失，未能充分利用降水。大體上，隨著時(shí)間的推移，5 種植被類型的ET/P比值均呈下降趨勢(shì)。

表4 2007—2020 年不同植被類型的ET/P 比值變化Tab.4 ET/P ratios of different vegetation types from 2007 to 2020

2.5 土壤含水量、地表徑流、年降水量、潛在蒸散發(fā)和ET/ ETP 的關(guān)系

由表5 回歸分析結(jié)果表明，SMB為影響ET/ETP最顯著的因素。如果不考慮SMB，SME、R、P、ETP對(duì)ET/ETP的影響在各植被類型中存在差異（表6）。除經(jīng)濟(jì)外，降水量成為影響其他植被類型ET/ETP比值的決定性因素。降水量、地表徑流和潛在蒸散發(fā)對(duì)經(jīng)濟(jì)作物ET/ETP比值的影響順序?yàn)镻>R>ETP?？傮w而言，降水量對(duì)ET/ETP比值有正向影響，地表徑流和潛在蒸散發(fā)對(duì)ET/ETP比值均有負(fù)向影響。生長(zhǎng)季開始時(shí)土壤含水量是影響ET/ETP比值最顯著的因子，其次是降水量。ET/ETP比值低意味著降水量低于植物生長(zhǎng)所需的水分，導(dǎo)致大量土壤水分的消耗。生長(zhǎng)季開始時(shí)的土壤含水量可能決定植物生長(zhǎng)的水分有效性，進(jìn)而決定ET/ETP比值。

表5 各要素逐步多元回歸結(jié)果Tab.5 Stepwise multiple regression

表6 不考慮生長(zhǎng)季初期的土壤含水量各要素逐步多元回歸結(jié)果Tab.6 Stepwise multiple regression

3 結(jié)論與討論

土壤水分通常在雨季進(jìn)行補(bǔ)給。本研究表明，2007—2020 年研究區(qū)內(nèi)土壤水分的補(bǔ)給不充分。土壤水分補(bǔ)給不足嚴(yán)重限制了植物的蒸騰和生長(zhǎng)。本研究中各植被類型的土壤含水量均存在不同程度的下降趨勢(shì)。其他研究也顯示出不同的結(jié)果，Kosmas 等[15]發(fā)現(xiàn)0～ 10 m 深度的土壤有效水分隨著蘋果樹的生長(zhǎng)而降低。Gao 等[16]發(fā)現(xiàn)本地物種的土壤含水量通常要高于外來(lái)物種的土壤含水量，如果利用外來(lái)物種進(jìn)行植被恢復(fù)，可能會(huì)導(dǎo)致土壤含水量下降。本研究中，植物生長(zhǎng)季的年降水很少用于土壤水分補(bǔ)給，這可能是由于不同地區(qū)蒸散發(fā)的差異所導(dǎo)致的[17]。

在植被恢復(fù)方面，與灌木林和草地相比，大葉楊喬木林中產(chǎn)生了較大的地表徑流，雖然種植大葉楊可能有利于水土保持，但也導(dǎo)致土壤壓實(shí)和干化，從而導(dǎo)致植被退化。沙棘灌木林和長(zhǎng)芒草草地產(chǎn)生較少的地表徑流，這可能是由于植被覆蓋度好，土壤容重小，土壤入滲量高所致。其他研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，Vanclay[8]描述了桉Eucalyptus robusta林下徑流和侵蝕的有利條件與林下植被減少導(dǎo)致裸露土壤的條件有關(guān)。Gutierrez 等[18]和Calvo-Cass 等[19]指出土壤容重與地表徑流呈正相關(guān)關(guān)系。高土壤容重通常對(duì)應(yīng)于土壤密度大、結(jié)構(gòu)致密，從而降低下滲容量以及提高徑流量[20-22]。然而，沙棘和長(zhǎng)芒草比大葉楊更能保持土壤水分，很大程度上是由于土壤容重較低，林下植被較好所導(dǎo)致的[23-24]。與其他在濕潤(rùn)地區(qū)進(jìn)行的研究不同的是，植被恢復(fù)后土壤容重顯著降低，而土壤孔隙度、持水能力、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和飽和導(dǎo)水率增加[25-26]。而在半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)，很少的雨水滲透到土壤中來(lái)供給深層土壤水，因此產(chǎn)生了更多的徑流。一些關(guān)于人工林對(duì)于土壤水分影響的研究也證實(shí)了植被恢復(fù)存在地表徑流增加的現(xiàn)象[27-30]。

各植被類型生長(zhǎng)季的ET/ETP比值均較低，ET/ETP比值和ET/P比值均隨植被生長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。這表明植物沒(méi)有獲得足夠的水分來(lái)進(jìn)行生長(zhǎng)，所有植被類型都經(jīng)歷了水分脅迫。ET/P比值低，表明降水利用效率低。降水作為植物生長(zhǎng)的唯一水源是植被恢復(fù)成功的關(guān)鍵因素[31-32]。如果降水的季節(jié)性和潛在蒸散發(fā)不同步，將極大地限制植被恢復(fù)。然而，由于植被類型選擇的原因，降水資源利用較差，導(dǎo)致實(shí)際蒸散發(fā)與降水量比值較小[33]。綜上，沙棘較大葉楊可能更適合于該區(qū)的植被恢復(fù)。

生長(zhǎng)季開始時(shí)的土壤含水量和年降水在很大程度上決定了ET/ETP比值，說(shuō)明水分的有效利用對(duì)植被的生長(zhǎng)至關(guān)重要。長(zhǎng)時(shí)間的野外觀測(cè)揭示的ET/ETP比值變化可能與降水量和土壤水分含量之間的生態(tài)水循環(huán)有關(guān)。此外，ET/P的時(shí)間變化表明植物生長(zhǎng)不穩(wěn)定，不利于水資源的可持續(xù)利用和植被健康發(fā)展。對(duì)于經(jīng)濟(jì)作物，土壤含水量、地表徑流、年降水量和潛在蒸散發(fā)對(duì)ET/ETP比值的復(fù)雜影響可能是由于人類活動(dòng)的頻繁干擾所導(dǎo)致的[34]。