2022, Vol. 42文章信息
- 丁文斌, 王飞
- 植被建设对黄土高原土壤水分的影响
- 生态学报. 2022, 42(13): 5531-5542
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb202107191941
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文章历史
- 收稿日期: 2021-07-19
2. 西北师范大学化学化工学院生态功能高分子材料教育部重点实验室, 兰州 730070;
3. 中国科学院水利部水土保持研究所, 杨陵 712100;
4. 中国科学院大学, 北京 100049
土壤水是联系地表水与地下水的纽带, 是水资源的形成、转化与消耗过程中不可缺少的成分[1]。在干旱地区, 土壤水分是制约植物生长的主要生态因子, 水文过程决定土壤-植被系统的演化方向和生态功能[2]。黄土高原由于受到大陆性季风气候影响, 降水量少而季节性强。土壤水分是保证黄土高原地区植被正常生长、农林草业可持续发展及改善生态环境的关键[3-4]；其作为生态水文循环过程中不可缺少的部分, 土壤水分动态变化过程受到气候[5-6]、土壤[7-8]、地形[9]、植被[10-11]和土地利用/土地覆盖[12-13]等多方面的影响。具体而言, 在干旱半干旱地区, 土壤水分受到植被类型和土地利用的影响更加明显[14]。到目前为止, 土壤水分缺乏限制着黄土高原植被的进一步恢复[15-16]。因此, 对土壤水分的深入研究是该地区生态环境可持续发展的关键。
自1999年退耕还林还草工程(Grain for Green Program, GGP)启动以来[17], 目前该工程被认为是中国最大的生态恢复工程[18]。截至2015年, 该工程种植面积达到1.6×104 km2, 投资约87亿美元, 且黄土高原地区植被覆盖率与十年前相比增加了25%[19]。大面积的植被建设使黄土高原生态环境得到明显改善, 具体表现为土壤固碳量增加[18, 20]、水土流失量减小[19, 21]、土地荒漠化得到控制及生物多样性增加[22]。然而, 大面积的植被建设使得植被生长与水分需求的矛盾逐渐增加, 土壤干燥化日益严重[23-25]。
基于以上综述, 大面积的植被建设改变了黄土高原土壤水分状况, 但对该地区土壤水分研究缺少整体性, 且对水分消耗程度缺少量化。因此, 为了全面具体的了解黄土高原地区植被建设对土壤水分的影响, 本文基于前人研究的结果, 采用CiteSpace文献聚类分析和Meta效应分析, 对黄土高原地区土壤水分研究的主要内容进行总结, 同时对不同降雨、地形、植被年限条件下土壤水分的变化特征进行了探讨, 旨在为黄土高原土壤水分可持续利用提供基本的理论依据。
1 研究区概况黄土高原位于中国中部偏北部, 经纬度为101°00′E-114°33′E、34°00′N-45°05′N, 面积为64×104 km2, 地跨山西、陕西、甘肃、宁夏、内蒙古、青海、河北7省。黄土高原地势由西北向东南倾斜, 海拔在200-3000 m之间。年降雨量为150-800 mm, 多年平均降雨量为466 mm, 降雨量多集中于6-9月, 占全年降水量的55%-78%, 属典型大陆季风气候。黄土高原气候呈现地带性分布, 降雨量由东南向西北方向递减, 平均气温由东南向西北方向递减, 干燥度由东南向西北方向递减。
2 研究方法 2.1 数据收集CiteSpace分析文献收集：本文以Web of Science(WoS)数据库核心合集作为数据源, 检索了2000-2020年黄土高原植被与土壤水分的研究文献232篇, 其中使用检索式为TS=("soil moisture*" or "soil water")and("Loess Plateau")。
Meta分析文献收集：设置标准为(1)研究区域为中国黄土高原, 且研究年限为1999-2018年；(2)文章中至少包括一种植被建设(如乔木、灌木、草本)；(3)文章中至少包含试验组和对照组, 并包含有数值统计分析；(4)文章中对研究土层深度有明确的说明。根据以上标准, 本文共筛选出文献103篇, 其中包括中文文献60篇(58.3%)和英文文献43篇(41.7%)。中文文献来源为中国CNKI学术总库(www.cnki.net)、维普中文期刊科技期刊数据库(qikan.cqvip.com)和万方中文科技期刊数据库(www.wanfangdata.com.cn)；英文文献来源为Elsevier ScienceDirect (SDOL)(www.sciencedirect.com)、Springer电子期刊(https://link.springer.com)、Wiley-blackwell数据库(https://onlinelibrary.wiley.com)、Google Scholar(https://scholar.google.com)、Web of Science (apps.webofknowledge.com)等。
在不同的研究中, 对土壤水分含量出现不同的表现形式, 如采用体积含水量[26]和质量含水量[27]。为了便于比较, 本文统一采用质量含水量表征土壤含水量, 将一些文中出现的体积含水量转换为质量含水量。转换公式[28]如下：
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(1) |
探讨植被对黄土高原土壤水分的影响, 对筛选的数据进行分类和范围划分。根据文献中的植被类型, 将数据分为3类：乔木植被、灌木植被、草本植被, 其中对照组为具有相同地形条件的裸地或农地。具体分析统计分类见表 1。
| 分类号 Classify number |
试验组 Experimental group |
试验组统计量 Experimental group statistics |
对照组 Control group |
对照组统计量 Control group statistics |
| 1 | 乔木 | 144 | 农地/荒地 | 144 |
| 2 | 灌木 | 81 | 农地/荒地 | 81 |
| 3 | 草本 | 115 | 农地/荒地 | 115 |
本文研究区域限定于黄土高原, 各条件划分根据收集数据均匀性及黄土高原地区条件基本特征。划分如下：以降雨量为分界线, 划分为 < 400 mm、400-500 mm、>500 mm；以海拔数据划分为800-1500 m和1500-2500 m；以植被生长年限划分为 < 10 a、10-20 a、>20 a三个层次；根据黄土高原地区坡面流水面状侵蚀的临界下限坡值(15°)和临界上限坡值(25°), 将坡度大小划分为 < 15°、15-25°、>25°三个等级。
2.3 Meta分析Meta分析作为一种定量综合研究结果的统计方法, 能够将若干独立研究的结果进行综合分析, 适合于大尺度生态现象的研究[29]。
效应值是定量Meta分析中的结合统计量, 效应值的计算宗旨是得出实验组和对照组的差值, 最常见的是标准化的平均值差[30]。Hedges在1999年提出的反应比(lnR), 是适用性更强的效应值, 本文选用lnR来计算作为效应值(ES), 使得文中不同独立试验中的数据具有可比性[31]。反应比的计算公式为：
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(2) |
式中：Xe为实验组数值, 表示植被建设区林下土壤水分含量(%)；Xc为来自于同一文献中与Xe对应的对照组值, 表示荒地或裸地的土壤含水量(%)。
为了使效应量更准确, 采用随机模型计算结合效应值。随机效应模型(Random(I-V heterogeneity)), 假设各个研究的效应指标由于一些随机因素的影响而围绕着综合效应指标的总体均数上下随机波动。随机模型考虑了各研究间的变异, 以研究内和研究间方差和的倒数为权重计算结合效应值[32]。
其计算公式为：
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(3) |
式中：
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(4) |
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(5) |
结合效应值的95%置信区间计算公式为：
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(6) |
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(7) |
式中, ES为通过合并单个研究的效应值所获得的结合效应值；SE为结合效应值的标准误。当结合效应值ES>0时, 说明植被对土壤水分有增加效应；当结合效应值ES < 0时, 说明植被对土壤水分有降低效应。如果分析结果的结合效应值置信区间与0重叠, 表明植被对土壤水分的影响未达到统计学显著水平(P＞0.05)；置信区间不包括0(均大于0或者均小于0), 即说明P＜0.05, 表明植被对土壤水分的影响有统计学差异。数据处理采用stata15和Excel 2010等软件进行。
3 结果与分析历史上, 黄土高原到处有茂密的森林和绿色的草原, 植被覆盖度较高。然而, 近代以来由于人口增加, 人类经济活动过度, 开发利用不合理, 不注意保护与整治, 使原有自然生态系统遭到大面积破坏[33]。为恢复该地区生态环境, 我国政府于20世纪70年代和90年代分别启动了“三北防护林”和“退耕还林还草”等植被建设工程。自植被建设工程实施以来, 该地区植被覆盖显著提升, 生态环境得到明显改善。具体而言, 1982-2015年期间, 黄土高原地区NDVI整体上呈极显著增加趋势, 趋势率为1.3×10-3/a[34]。其中2000-2015年植被呈现显著恢复态势的区域比例为62%, 未发生显著变化的区域比例为35.8%, 植被显著退化区域为2.2%[35]。然而, 大面积的植被建设对地表水分效应产生了明显的影响[36]。
3.1 近20年黄土高原土壤水分的主要研究内容根据黄土高原土壤水分关键词共现结果(图 2), 近20 a研究人员对土壤水分研究的主要内容集中在以下四个方面。
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| 图 1 黄土高原植被建设对土壤水分相关研究的样点分布 Fig. 1 Distribution of sampling sites of selected previous studies over Loess Plateau |
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| 图 2 植被建设对黄土高原土壤水分相关研究论文关键词共现图 Fig. 2 The network map of vegetation construction on soil moisture in the Loess Plateau |
1) 植被建设引起的土壤水分下降问题。土壤干燥化是黄土高原地区生态环境进一步建设中遇到的主要问题[37], 且人工植被的过度种植是导致土壤干燥的主要原因[25]。随着退耕还林还草工程的开展, 植被建设对土壤水分的影响研究成为该地区土壤水分研究的重要内容。研究指出, 人工林的种植比自然植被和农作物种植消耗更多深层次土壤水分[38-39], 导致土壤干燥化向更深层次延伸[24]。同时, 区域尺度研究指出, 黄土高原大面积的植被建设已接近该地区可持续性水资源的上限[19]。
2) 土壤水分时空变异特征。土壤水分时空变异研究是国内外研究热点之一, 也是黄土高原区域研究[40]和站点研究的重要组成部分[41]。小尺度范围, 土壤水分在空间上具有稳定性特征[42]。不同土层深度土壤水分空间变异性存在明显的差异, 且在水平方向上变异特征因植被类型不同出现差异, 如人工植被差异性高于自然植被[43]。黄土高原景观尺度不同深度土壤水分变异性在时空上的差异主要表现为, 0-1.0 m范围以时间变化为主, 2.0-3.0 m范围空间变化为主[43]。
3) 土壤水分时空变异的影响因素。不同区域土壤水分时空变异的主要因素不同[40]。如在黄土高原过渡带研究指出, 土壤水分空间变异特征的主要影响因素是土地利用类型[45]。小流域尺度上, 表层(0-10 cm)土壤水分的主要因素是地形, 而深层(10-80 cm)是土地利用类型[46]。同一区域, 坡向、坡度和海拔对土壤水分空间变异影响以坡向最显著[47]。同时, 不同区域土壤水分(0-100 cm)在空间范围因降雨梯度不同而呈现较大的差异[48]。
4) 遥感和水文模型模拟土壤水分。在目前土壤水分研究中, 大面积土壤水分的收集往往借助于遥感工具[49]。在黄土高原地区, 土壤水分时空变化规律可通过SWI(遥感反演土壤水分数据)较好反映[50]。同时, 土壤水分的空间分布可采用相关水文模型来评估[51]。具体而言, Laio土壤水分动态随机模型(Laio模型)对干旱半干旱区农田生态系统和马尾松林地土壤水分动态模拟具有较好的适用性[52, 53]。采用SHAW模型评估了该地区小麦地转化为苹果园后对土壤水分含量的影响[54]和采用经验模型预测了沟壑区植物根系土壤水分动态特征[15], 同时在土壤水分空间分布影响因素的基础上, 建立了土壤水分空间分布模型[55]。
利用CiteSpace时区视图(图 3), 可以观察研究内容的变迁及不同时段内的研究重点及热点。通过观察黄土高原土壤水分研究主题的变迁发现, 随着时间的推移, 研究内容逐渐丰富、细化、系统, 研究手段从野外定点监测向模型模拟、遥感监测方向发展, 研究尺度从小流域向整个黄土高原扩展。对软件分析得到的关键词节点和其组成的连线进行适当聚类, 绘制出可视化的时间线图谱(图 4)。黄土高原土壤水分研究的不同主题持续时间各不相同, 如规模最大的#0聚类从2003年开始, 现在仍有研究持续进行；然而一些主题持续时间较短, 例如#10, 这可能是研究过程中找到了更加深入研究本质的主题。
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| 图 3 黄土高原植被建设对土壤水分研究的主题演变图谱 Fig. 3 Evolution map of vegetation construction on soil moisture in the Loess Plateau |
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| 图 4 关键词聚类的时间轴可视图 Fig. 4 The visibility graph of time line in keywords cluster |
表 2表明, 不同植被建设对黄土高原土壤水分具有显著影响。总体样本效应值为-1.613, 这说明植被建设消耗大量的土壤水分, 导致黄土高原土壤水分含量显著降低。不同植被类型的效应值为-1.893(乔木)、-1.661(灌木)、-1.239(草本), 表明不同类型植被对土壤水分的消耗以乔木最大, 灌木次之, 草本最小。
| 植被类型 Vegetation type |
试验样本数 Sample size |
结合效应值 Cumulative effect size |
P值 P value |
95%置信区间 95% Confidence interval |
| 乔木Forest | 139 | -1.893 | < 0.001 | (-2.155, -1.631) |
| 灌木Shrub | 80 | -1.661 | < 0.001 | (-1.956, -1.336) |
| 草本Grass | 114 | -1.239 | < 0.001 | (-1.465, -1.012) |
| 总体Total | 333 | -1.613 | < 0.001 | (-1.766, -1.460) |
不同降雨条件下植被对土壤水分的影响存在明显差异(图 5)。具体而言, 在不同降雨条件下, 乔木对土壤水分影响的结合效应值为-1.684(≥500 mm)、-2.525(400-500 mm)、-2.312(< 400 mm)；灌木对土壤水分影响的结合效应值由小到大顺序为-1.435(≥500 mm)、-1.668(400-500 mm)、-2.068(< 400 mm)；草本植被对土壤水分影响的结合效应值在不同降雨条件下与灌木一致, 其由小到大的顺序为-0.864(≥500 mm)、-1.423(400-500 mm)、-1.534(< 400 mm)。3种不同植被类型, 在≥500 mm降雨条件下植被对土壤水分影响的结合效应值最小；而结合效应最大值出现差异, 乔木以400-500 mm的降雨条件最大, 灌木和草本植被以 < 400 mm的降雨条件最大。这说明降雨量越大的地区植被建设对土壤水分的影响越小, 降雨量越小的地区植被建设对土壤水分的影响越大。
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| 图 5 不同降雨条件下植被对土壤水分影响的基本特征 Fig. 5 Basic characteristics of the effect of vegetation construction on soil moisture under different precipitation conditions |
在不同海拔条件下, 植被对土壤水分的影响表现为海拔越高, 植被对土壤水分的消耗越大(图 6)。其中乔木对土壤水分的结合效应量在1501-2500 m海拔范围为-2.063, 800-1500 m范围为-1.837；灌木效应值在1501-2500 m和800-1500 m分别为-1.866、-1.582, 而草本植物所对应的效应值为-1.480、-1.049。
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| 图 6 不同海拔和坡度条件下植被对土壤水分影响的基本特征 Fig. 6 Basic characteristics of vegetation construction on soil moisture under different altitude and slope conditions |
根据图 6, 3个不同的植被类型在各个坡度范围效应值的大小存在相同规律, 为 < 15°效应值最大, >25°次之, 15-25°最小；数值由大到小的顺序依次为乔木(-3.230、-2.876、-1.667), 灌木(-2.725、-2.130、-1.280), 草本(-1.597、-1.260、-1.209)。表明在3个坡度范围, < 15°的区域植被对土壤水分消耗最大, 15-25°区域植被对土壤水分的消耗量最小, >25°区域居中。
3.5 树龄对土壤水分的影响本文选择具体树种研究了树龄对土壤水分的影响, 以刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)、油松(Pinus tabulaeformis Carr.)为乔木树种, 沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)、柠条(Caragana arborescens lam.)为灌木树种, 草本选择紫花苜蓿(Medicago sativa Linn.)。根据研究样本量, 刺槐划分为 < 15 a和≥15 a；侧柏分为 < 25 a、≥25 a。由表 3可知, 刺槐 < 15 a效应值为-1.905, 95%置信区间为(-2.989, -0.820)；≥15 a效应值为-2.040, 置信区间为(-3.313, -0.767)；表明树龄≥15 a的刺槐林对黄土高原土壤水分的消耗量高于 < 15 a的刺槐林地。侧柏 < 25 a、≥25 a的效应值分别为-1.414、-2.273, 对应95%的置信区间为(-2.036, -0.793)、(-3.527, -1.019)；表明≥25 a的侧柏林地对土壤水分的影响远大于 < 25 a的侧柏林地。
| 植被类型 Vegetation type |
树种 Tree species |
树龄 Tree ages/a |
试验样本数 Sample size |
结合效应值 Cumulative effect size |
P | 95%置信区间 95% Confidence interval |
| 乔木Forest | 刺槐 | < 15 | 7 | -1.905 | < 0.001 | (-2.989, -0.820) |
| ≥15 | 8 | -2.040 | 0.007 | (-3.313, -0.767) | ||
| 侧柏 | <25 | 9 | -1.414 | 0.017 | (-2.036, -0.793) | |
| ≥25 | 8 | -2.273 | 0.132 | (-3.527, -1.019) | ||
| 灌木Shrub | 沙棘 | <10 | 4 | -0.812 | 0.356 | (-1.623, -0.001) |
| ≥10 | 4 | -0.834 | 0.376 | (-1.515, -0.152) | ||
| 柠条 | <20 | 8 | -1.642 | 0.001 | (-2.796, -0.488) | |
| 20~30 | 6 | -1.107 | 0.009 | (-1.726, -0.488) | ||
| >30 | 10 | -1.983 | < 0.001 | (-3.703, -0.263) | ||
| 草本Grass | 紫花苜蓿 | < 10 | 6 | -2.867 | < 0.001 | (-4.072, -1.663) |
| ≥10 | 14 | -3.845 | 0.034 | (-5.933, -1.756) |
将沙棘划分为 < 10 a、≥10 a两个组别, 柠条划分为 < 20 a、20-30 a、>30 a三个组别。< 10 a和≥10 a沙棘林地的效应值分别为-0.812和-0.843, 95%置信区间为(-1.623, -0.001)、(-1.515, -0.152), 表明沙棘随着生长年限的增加对土壤水分的消耗增加。不同年限柠条效应值最大出现在>30 a(-1.983), < 20 a次之(-1.642), 20-30 a最小(-1.107), 表明柠条对土壤水分的消耗以>30 a的最大, 而20-30 a树龄的柠条对土壤水分的消耗最小。本文将草本植物紫花苜蓿划分为 < 10 a、≥10 a进行分析, 表现为生长年限≥10 a的紫花苜蓿对土壤水分的消耗明显高于 < 10 a的紫花苜蓿, 结合效应值< 10 a为-2.867, ≥10 a为-3.845, 对应95%置信区间为(-4.072, -1.663)、(-5.933, -1.756)。
3.6 黄土高原土壤水分植被承载力研究现状土壤水分植被承载力是指在较长一段时间(一年以上)内, 根层土壤水分消耗量等于或小于降雨补充量时, 所能维持特定植物群落健康生长的最大密度, 为土壤水分紧缺地区补充到土壤的部分雨水所能承载植物的最大负荷[56]。土壤水分植被承载力的影响因素较多, 即凡是影响林草地土壤水分补给与消耗、植物生长发育和水分利用效率的因素, 如地理位置、地形因素、气候因素、降雨特征、植被类型及发育阶段、抚育管理措施等[57]；且对黄土高原刺槐人工林地的研究指出, 降水量和土壤储水量是决定土壤水分承载力的主要环境因子[58]。土壤水分植被承载力的计算和评价方法相对较多, 但主要概括为以数学模型模拟的粗略计算和以水分平衡的精确计算两类[59]。在目前的研究中, 土壤水分承载力的大小用植株密度、生物量和叶面积指数三种方式表示[60]。
黄土高原土壤水分承载力的研究主要基于小流域开展, 如王宁等[58]在山西吉县蔡家川小流域的研究指出, 该地区0-150 cm土层对19 a生刺槐人工林的土壤水分承载力为1224株/hm2；王延平等[59-60]在陕西米脂远志山试验基地的研究表明, 该区域土壤水分可承载的杏树生物量为3728 kg/hm2(台地)和2423 kg/hm2(坡地), 用FAO法估算土壤水分可承载的苜蓿最大产量为3992.2-4173.7 kg/hm2, 水量平衡原理计算可承载的地上部生物量为2600-3500 kg/hm2。郭忠升等[61]研究指出黄土丘陵半干旱区人工柠条林地(16-17 a生)土壤水分植被承载力为8115丛/hm2。Liu等[62]在陕西六道沟流域的研究指出, 该地区柠条和紫花苜蓿的最佳生长年限为5 a和3 a, 其最大承载力为4800 kg/hm2和1200 kg/hm2。整个黄土高原地区, 在有效的自然降水条件下, 各植被类型理论覆盖率分别为：阔叶14%-65%, 针叶13%-60%, 草地7%-51%, 经济林16%-64%；且植被理论覆盖率由西北部向东部、东南部逐渐增加[63]。目前, 黄土高原地区平均覆盖度为60.22%, 而植被恢复潜力为69.75%, 植被覆盖度还有10%左右的提升空间, 主要集中在北方风沙区及西部的丘陵沟壑区[64]。
4 讨论 4.1 环境因素对土壤水分的影响探讨土壤水分的变异是由多重尺度上的土地利用(植被)、气象(降雨)、地形、土壤、人为活动等多因子综合作用的结果[40]。本文分析表明, 植被建设对土壤水分有明显的降低效应, 主要原因是植被建设以后, 植被生长对水分的需求量增加, 这与李刚等[65]的研究结果相一致。不同植被类型, 乔木对土壤水分的消耗大于灌木和草本, 产生这一现象的原因主要为乔木根系发达, 自身需水量大于灌木和草本植物, 这与Wang等[66]的研究相一致；同时, 植被类型对土壤水分的影响与植被生长状况、生长年限、造林地区降雨量等条件相关[67-68]。
本文研究显示, 降雨量越大, 植被对土壤水分的影响作用越小；降雨量越小, 植被对土壤水分的影响作用越大。相关研究表明, 不同土地利用类型土壤水分与年平均降雨量呈显著正相关, 不同层次土壤水分与年平均降雨量的相关系数在0.56-0.78之间变化[48]。然而, 年平均降雨量是草地土壤水分空间变异的主要因素, 对其它植被类型土壤水分空间变异影响较小[43]。
通过不同海拔下植被对土壤水分的影响分析表明, 海拔越高, 植被对土壤水分消耗越大。然而, 不同坡度条件植被对土壤水分的影响没有明显的规律, 本文研究结果显示 < 15°的区域范围植被对土壤水分的影响最大, 15°-25°的区域范围植被对土壤水分的影响最小。在黄土高原地区, 与海拔和坡度相比, 坡向对土壤水分的影响远高于海拔和坡度[46]。地形特征对土壤水分呈副作用的影响, 其中坡位贡献率为19.24%, 坡度贡献率为18.37%[68]。同时, 地形特征对土壤水分的影响随土壤深度的增加而出现差异, 表现为相对海拔、坡度与土壤水分的相关系数随着土壤深度的增加而增加[69]。
植被类型、植被生长状况、植被生长年限等对土壤水分都具有明显的影响。通过不同生长年限植被对土壤水分的影响研究表明, 对乔木林地、草地而言, 植被生长时间越长, 对土壤水分的消耗越大；而安文明等[70]研究指出, 撂荒草地土壤水分随退耕年限的增加呈显著增加趋势, 而人工林地随退耕年限的增加呈下降趋势, 这与本文的研究存在差异。我们认为这一差异可能是由于研究尺度不同所导致的。本文研究发现灌木林地植被生长年限对土壤水分的影响不明显, 而相关研究指出[65], 由于灌木对地下水的提升作用, 灌木栽植会增加土壤水分含量。黄土高原植被建设区域土壤水分损失主要是由根系吸水造成的, 土壤水分与细根根长密度呈显著负相关关系[71]。同时, 土壤水分与植被覆盖度呈负相关关系, 相关性随着土壤深度的增加而增加[69]。
除以上因素的影响外, 土壤质地、有机质含量、土壤容重及饱和导水率能够显著影响各层次的土壤水分时间稳定性[44]。同时, 土壤颗粒组成是本地植被土壤水分变异的主要因素[43]；表层土壤水分更容易受到降雨量的影响, 而深层土壤水分受到黏粒含量和土壤有机质的影响更加明显[72]。人类管理措施通过改变土壤容重使深层土壤水分得到改善[45]。
4.2 黄土高原生态环境对植被建设的响应植被建设是黄土高原生态环境恢复与建设的主要手段, 其不仅改变土壤物理、化学和生物学性质, 同时改变了植被与土壤水分的关系[41]。具体而言, 退耕还林工程很大程度的增加了土壤有机碳, 在0-20 cm、20-40 cm、40-60 cm层分别增加了48.1%, 25.4%, 25.5%[18]；随着植被恢复后作物自然演替, 土壤有机碳在23 a时间内增加一倍, 同时土壤微生物指标如土壤酶活性、微生物生物量和呼吸作用也快速增长[73]。研究显示, 黄土高原禁牧和造林植被恢复等措施是提高该地区土壤团聚体稳定性和降低土壤可蚀性的有效措施[74]。
由于植被建设的大量增加, 土壤水分承载力与植物生产力矛盾增加[24]；Feng等[19]研究表明植被建设增加了黄土高原地区净初级生产力(NPP)和蒸散发(ET)；同时从植被恢复和人类水资源需求评估得出, 净初级生产力(NPP)超过(400 ± 5)g cm-2 a-1的人口将遭受水资源短缺。黄土高原流域的年径流率(即年径流量与降水量之比)从1980-1999年的8%下降到2000-2010年的5%[75]。人工植被恢复显著降低了土壤水分含量[23], 这与本文研究结果相一致；由于植被建设消耗了植被种植前累计的深层土壤水分, 从而进一步导致土壤干层的形成[76]。目前黄土高原许多地区(特别是中东部地区)的植被覆盖度(平均0.48)已经超过气候定义的平衡植被覆盖度(平均0.43)[25]。因此, 必须依据该地区的降水量及土壤水分承载力, 选择具有一定生产力的植物类型或者人为进行调控干预, 以保证土壤水分和降水能够满足植物正常生长。
5 结论本文通过CiteSpace分析文献中的关键词并绘制关键词聚类图谱, 分析植被建设对黄土高原水分的研究热点及前沿；同时采用Meta分析量化了黄土高原植被建设对土壤水分的影响程度。主要结论如下：近20 a黄土高原土壤水分研究内容主要包括植被建设引起的土壤水分下降问题、土壤水分时空变异特征、土壤水分时空变异的影响因素以及遥感和水文模型模拟土壤水分四个方面。同时, 研究主题随着时间的推移发生明显变化, 研究内容更加丰富并且系统化。然而, 植被建设导致黄土高原土壤水分含量显著降低, 总体效应值为-1.613, 且不同植被类型对土壤水分的消耗由大到小为乔木、灌木、草本。植被建设对土壤水分的影响程度随着年均降雨量的增大而减小, 效应值由小到大的顺序为≥500 mm(-0.864)、400-500 mm(-1.423)、< 400 mm(-1.534)。植被对土壤水分影响程度为海拔较高区域(1501-2500 m海拔范围为-2.063)明显大于海拔较低区域(800-1500 m范围为-1.837)。不同坡度条件下植被建设对土壤水分的影响以 < 15°的区域植被对土壤水分消耗最大, 15-25°区域植被对土壤水分的消耗量最小, >25°区域居中。植被生长年限不同, 植被建设对土壤水分的作用在不同类型出现差异；总体而言, 植被建设对土壤水分的消耗随着生长年限的增长而加剧。
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