黄土高原生态系统恢复对饱和水导率的长期影响

摘要

 

自1999年以来，我国在黄土高原开展了大规模的生态恢复活动，即“退耕还林工程”，这极大地改变了黄土高原的景观和土壤的理化性质，包括水文循环的重要参数饱和水传导率(Ks)，可能有助于减少黄河的洪水和泥沙量。然而，关于根区(靠土壤上层一米)Ks剖面大尺度变化的研究较少，需定量描述植被对Ks的影响，以评估植被对当地水循环的影响。本研究在黄土高原中部25个不同地点采集了4种土地利用类型(林地、灌丛、草地和稀疏草地)根区6个深度(0-10,10-20,20-30,30-50,50-70,70-100cm)的2665个土壤样品，并进行了分析。结果表明，植被恢复显著提高了近表层的Ks值，增大了Ks的垂直不均一性。此外，Ks的垂直剖面参数与植被指数(NDVI)呈显著相关关系，其中Ks及其衰减速率在地表表现最为明显，且在植被良好的土地利用类型下，二者之间的相关性基本为同一曲线。植被恢复引起的Ks的变化也与NDVI的变化相关。植被作用放大了Ks值差异可能导致黄土高原产流机制的转变。研究结果可为黄土高原植被恢复的实施提供依据，为估算植被恢复对当地水资源的利用和有效性提供依据。      

引言

 

黄土高原是世界上侵蚀最严重的地区之一，为缓解水土流失，控制荒漠化，提高农业生产力，我国在1999年实施了最大规模的积极植树造林活动，即退耕还林工程（the Grain for Green Program）。植被恢复可通过对蒸散、入渗、径流产生等，影响当地的水循环。研究表明，植被恢复可极大地改变土壤剖面的理化性质，进而改变土壤水力特性，有效改变入渗过程，调节土壤蓄水量的补充，最终导致径流生成模式的改变。

在水文过程中最重要的土壤特征之一是饱和水力传导率(Ks)。先前的观测发现，植被恢复后，表面Ks(0-10cm)通常会增加，而Ks在一定深度以下(例如50cm)的变化可能是有限的。田间试验和土壤取样分析表明，Ks值增加还与土地利用类型或植被类型有关。这可能是由于不同植被类型的地上生物量、凋落物量和根系更丰富，导致的土壤水力特性改善。

本研究中，作者从四种不同的土地利用类型中收集了土壤样本:林地、灌丛、草地和稀疏草地，将土壤剖面深度也扩展到1m。具体的研究目标是:(1)研究区域内不同土地利用类型下Ks的垂直分布(2)定量分析了1999年退耕还林工程实施以来Ks剖面的变化(3)探讨生态系统恢复特征与Ks的相关性。

材料与方法

 

黄土高原(33°23′N~41°17′N, 100°24′E~114°37′E)面积约64万平方公里，大部分地区属于干旱半干旱区，为温带大陆性季风气候，多年平均降水量在400mm左右，年平均蒸发量在1000mm以上。整个黄土高原降水由东南向西北减少，6-9月降水集中。            

在黄河中游主要支流(图1a)中选取了25个采样点，采样点的数量根据这些支流的流域面积确定，保证了一定程度的分布，覆盖了一定的气候和植被变化范围。在每个采样点，样本来自4种土地利用类型(图1b):稀疏草地(SGD)、草地(GD)、灌丛林(SD)和林地(FD)。稀疏草地是近年来撂荒的耕地，植被覆盖度有限，至少40%为裸地，人为干预和植被影响均有限。因此，以稀疏草地为参照，而非以农田为参照，可最大限度地减少人为影响，代表植被恢复初期的土壤状况。

       

图1 研究区域和实地取样地点(a)黄土高原25个样地的空间分布;(b)四种土地用途类型的照片:稀疏草地(SGD)、草地(GD)、灌木林(SD)和林地(FD)

对于每一种土地类型，本研究在相隔约50米的地点收集了5个重复的土壤剖面，以减少采样中的不确定性。每种       土       壤剖面分别在0-10、10-20、2       0-30、       30-50       、5       0-70和70-100cm深度处采集6个土壤样品。采样时间在2018年至2021年5月至9月，25个采样点共采集463个土壤剖面(SGD97个，GD125个，SD118个，FD123个)2665个原状土壤样品，带       回实验室基于达西定律实验方法测量Ks，并利用Logistic函数拟合土壤样品中Ks的垂直分布。      

结果

 

下图2展示了各土地用途类型平均Ks的垂直剖面。可以看到，四条平均k曲线都随着深度的增加呈下降趋势。上层(0-30cm)的Ks值远大于深层(30-100 cm)。其中林地(FD)的平均Ks剖面最大，而稀疏草地(SGD)的平均Ks剖面最小，这一差异在50 cm以上土层更为显著。

       

图2 4种土地利用类型(稀疏草地、草地、灌丛和林地)的Ks垂直剖面平均

图3比较了四种土地利用类型在各土层深度下的Ks值。4种土地利用类型的Ks在70cm上方差异具有统计学意义，而在70 cm以下差异不显著(p>0.05)，三种良好植被土地利用类型的Ks值均显著大于稀疏草地。

       

图3 四种土地利用类型在不同土壤深度下Ks的比较

logistic分布模型推导出的4个特征参数的值分别为:深度=0 cm的地表Ks估计值(K       ₀ )、深层土壤Ks估计值(K       _b )、深度=0cm的Ks衰减率(b       ₀ )和Ks的总体趋势(b)。       图4显示了拟合Ks剖面的4个特征参数与2019年NDVI的关系。可以看出，除K       _b       外，K       ₀       、b       ₀       、b 3个参数均与NDVI呈正相关(p<0.05)，其中K       ₀       、b       ₀       与NDVI显著相关(p<0.001)。      

       

图4 2019年NDVI和4个特征参数的散点图:(a)地表饱和水导率(K ₀ );(b)深层土体饱和水导率(K _b );(c)地表饱和水导率变化率(|b ₀ |)， (d)总体衰减率(b)

图5为2019年土壤表层Ks及其衰减速率变化(K       ₀       ^* 和b       ₀       ^* )与NDVI以及?NDVI的散点图，其中?NDVI为1998年与2019年NDVI的差异，以代表植被水平。以稀疏草地为对照组，以SGD到GD、SGD到SD、SGD到FD为三种不同土地利用变化模式引起的变化。

       

图5 地表Ks和植被指数变化散点图。(a) 2019年K ₀ 和NDVI的变化;(b)1998-2019年K ₀ 和NDVI变化(?NDVI)(c) 2019年b ₀ 和NDVI的变化;(d) b ₀ 和?NDVI的变化

讨论

 

以上三种植被类型都能有效增加1m根区的Ks值，离土壤表面越近，Ks的增加越大。其中，与对照组(稀疏草地)相比，在顶部30 cm处，草地的Ks值显著升高(显著水平为0.05)。在灌丛和林地中，Ks值升高的深度将延伸至顶部70cm。在草地和灌丛中，Ks值在顶部30cm土壤中增加幅度相似，但灌木能够进一步提高深层土壤(30-100cm)的Ks值。近地表Ks值的较大增量可能是由于表层土壤中有丰富的根系和昆虫，导致近地表孔隙度相对较大。深层土壤中Ks值增量的差异可能与植被种类、根密度分布、土壤质地垂直分布、土壤化学性质、光照、生物活性等因素有关。

随着表层土壤中Ks含量的增加，由于植被作用，Ks的垂直非均质性从原始土壤条件被放大。稀疏草地Ks垂向剖面呈逐渐下降趋势，仅在0-20cm与30-100cm之间存在显著差异。当土地利用类型转变为草地时，表层土壤Ks值大幅升高，进一步加深了0-20 cm与30-100cm之间的差异。此外，中层(20-30 cm)Ks值也有所增加，且明显大于底层(50-100cm)。当土地利用类型转变为灌丛林地时，不仅表层30cm，表层70cm土壤较原始土壤条件更有利于入渗。这可能与植被类型生物量和根系分布的差异有关。随着深度的增加，根系和昆虫洞穴的影响减弱，加上覆土层的压实作用，使较深土层的Ks逐渐趋于恒定。

随着植被覆盖度的增加，更多的降雨将被冠层拦截，近表层Ks值的显著提高，有利于降雨入渗。一旦雨水进入土壤，由于上下土层Ks值差异较大，会形成相对不透水层，导致上层土壤积水。即当上层土壤达到饱和时，会导致Dunne坡面流，径流产生机制将发生变化，这需要进一步验证，同时还需要大规模水文观测并进行更多的分析。

植被覆盖度的增加会增加蒸腾作用，从而导致土壤储水量减少。总之，植被恢复导致Ks的增加和Ks垂直剖面的变异性，必然会影响局部水循环，进而影响土壤侵蚀和输沙，导致黄土高原和黄河流域水沙关系的变化。植被恢复可以显著提高Ks的水力传导能力，但从草地到灌丛再到林地，Ks值并不一定会增加，植被指数NDVI比土地利用类型更直接地反映了植被恢复对Ks剖面特征参数的影响。

结论

 

在原始土壤(稀疏草地)中，Ks剖面的垂直非均质性有限，而植被恢复活动显著提高了Ks剖面的整体水平，特别是在30cm以上。总体而言，草地在30cm上方的Ks值显著大于稀疏草地，而灌丛和林地在70cm上方的Ks值增加趋势可能会进一步扩大。此外，在植被生长良好的土地类型下，Ks剖面的特征参数与NDVI呈正相关，特别是表面Ks (K ₀ )及其衰减率(b ₀ )，这两个参数的变化也与NDVI的变化相关。      

植被恢复放大了Ks剖面的垂向非均质性，并可能由于Ks的急剧下降而在上层土壤中产生短暂的上层土壤饱和。因此，径流产生机制可能由Horton产流转向Dunne产流，从而改变黄土高原水循环。这只是在一个实验流域的初步分析结果，表明径流产生机制的转变，以后还需从观测中得到更多的证据来验证这一假设。

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