中国北方土石山区植被恢复及其生态效应研究进展*

王志印, 曹建生

中国北方土石山区植被恢复及其生态效应研究进展*

王志印1,2, 曹建生1**

(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室 石家庄 050022;2. 中国科学院大学 北京 100049)

植树造林是建设美丽中国、推进生态文明建设、改善民生福祉的具体行动, 是实现绿水青山就是金山银山的具体措施。北方土石山区植被稀少、土壤贫瘠、气候干旱、灾害频发, 加之人类不合理的生产活动, 使得区域内植被破坏严重, 导致一系列生态与环境问题, 形成大片岩石裸露地, 水土流失严重, 植被恢复是此区域生态恢复的关键。本文就目前北方土石山区植被恢复的研究现状及当前研究存在的问题进行了总结与评述, 包括植被恢复中植被配置模式及造林技术的选择、影响植被恢复的环境因子、植被恢复的生态效应。讨论了不同树种配置及造林技术对造林成活率的影响, 指出树种多样化、合理调控树种水分利用是土石山区植被恢复成功与否的关键。通过对土壤肥力、水分、地形及地带性差异对植被恢复的影响, 以及植被恢复的水文、水土保持、土壤环境和生物多样性效应的讨论, 发现土石山区植被恢复过程中, 植被与环境之间相互影响、相互促进, 加快了区域生态系统结构与功能的恢复与提升。同时发现土石山区内植被变化的地形效应研究相对缺乏, 土壤养分对植被恢复的影响机制也还未明确。最后针对土石山区植被恢复过程中存在的树种选择不合理、研究时间尺度较短及数据资料有限、植被恢复经济效益研究不足等问题, 提出筛选优良乡土树种搭配种植、建立植被演替长期定位监测网络、进行植被恢复综合效益监测与评价、明确植被对极端气候的响应机制, 是下一步土石山区植被恢复工作中应重视和解决的重要问题。

北方土石山区; 植被恢复; 植被配置模式; 造林技术; 环境因子; 生态效应

北方土石山区是指东北的漫岗丘陵以南, 黄土高原以东, 大别山以北的冀、晋、豫、鲁、内蒙古、皖、苏等省区的大部分地区, 范围包含海河流域、淮河流域全部及黄河流域的部分地区, 总面积约为75.4万km2[1]。大致可分为淮北土石山区、华北土石山区、黄土高原土石山区和辽宁丘陵土石山区。4个地区因气候和社会经济条件不同, 区域间的生态环境现状也有显著的差异。但总的来看, 北方土石山区环境条件恶劣, 生态破坏较为严重, 土层薄、有机质含量低, 土壤中水分较少, 天然林覆盖率低, 部分地区会出现裸露地, 属于典型的生态脆弱区。由于区域内开荒种地、不合理的种植结构、采矿等的干扰, 山区内为数不多的植被也出现了退化, 水源涵养及水土保持功能出现大幅度减退, 其生态压力已临近或超过生态系统的承受阈值。若不及时采取切实可行的措施, 必然导致区域植被持续退化, 水土流失现象进一步加剧, 生态系统出现不可逆转的恶化。因此加快进行此区域的植被恢复已经变得十分迫切。

植树造林是土石山区生态文明建设和生态环境恢复的重要措施。造林中的植被修复是针对土石山区采矿地、化工厂等土壤污染地区, 利用植物的吸收和降解等作用, 来清除土壤环境污染[2]。土壤环境修复后也会促进植被的生长, 加速植被的恢复演替。造林中的植被建设是在植被恢复过程中, 遵循适地适树、适地适草等自然规律, 并适当增加经济树种数量, 以获得生态和经济的双重效益, 这对于土石山区中深度连片贫困区的脱贫工作具有重要意义。造林后的植被保护[3]及林分抚育[4]是植被恢复过程中的关键步骤, 通过运用农业、物理、化学等措施, 防治植被病虫害, 以保证植物的正常生长。在实际工作中, 通过建立植被生长监测网络对植被进行监测保护, 适时对植被进行施肥、灌溉、间伐等抚育工作, 以保障植被恢复过程的正常进行。

植被恢复不仅能促进土石山区土壤结构和质量的恢复, 还能促进区域内生态系统结构和功能的恢复, 使土石山区成为水源涵养功能区和生态环境支撑区, 为区域生态与经济的发展助力, 推动形成人与自然和谐发展的现代化建设新格局。本文在查阅相关研究成果的基础上, 对北方土石山区植被恢复研究进行了分析和总结。

1 土石山区植被恢复中植被配置模式及造林技术的选择

1.1 植物种选择

因为任何退化生态系统的恢复几乎都是以植被恢复为前提的[5]。所以选择适宜的植物种类进行植被恢复, 是恢复土石山区生态系统的一个重要环节。选择不同植被的配置方式及整地方式, 会对土石山区植被恢复的进程产生很大的影响[6]。植被恢复的植物种类的选择一般是根据当地的气候、土壤等自然条件和植被恢复目标, 经样地种植观察后再确定植物物种。土石山区所选用的植物物种应具有根系发达、固土力强、耐贫瘠、抗干旱等特点。在植物物种的选用中应坚持本地树种与引进树种相结合的原则, 选用优良的乡土种和先锋物种。同时, 在做到因地制宜, 宜林则林、宜草则草的同时, 也应考虑不同树种间的竞争关系, 进行树种之间的合理布局。此外, 造林技术选择的合理与否, 也直接关系到土石山区生态恢复工作的成败。

黄土高原土石山区降水较少, 土层较薄, 土壤有机质含量低, 有些区域甚至出现了裸露地。在此区域进行植被恢复时应优先种植草本植物。一是因为草本植物相比于林灌植物耗水量更少, 二是草冠能降低降雨对土壤的冲蚀和坡面径流的侵蚀[7]。欧阳前超等[8]对山西土石山区的黑麦草()、香根草()、百喜草()3种草本植物的根系开展了抗拉力学试验, 发现百喜草的弹性模量约是前两者的6.3倍, 固持土壤的效果最为突出。在土石山区植被恢复初期可优先考虑种植百喜草进行土壤改良和固持。在太行山土石山区立地条件较好的地区可以适当补种灌木。灌木在土石山区植被恢复中起着重要作用[9]。灌木的叶面积较小[10]、气孔调控能力强[11]、根系分布深[12], 有着较高的水分利用效率和耐旱性, 对土壤性状的改善作用明显。土石山区植被恢复较为常用的先锋灌木树种是荆条(var.)和酸枣(var.), 但目前对于荆条和酸枣在恶劣生境条件下的适应机理尚缺乏明确的认识[13]。20世纪80年代以来, 华北土石山区实行了人工绿化工程, 少数地区已郁闭成林; 淮北土石山区地处暖温带季风气候区, 气候条件较好, 区域内植被覆盖程度较高。对于这两类对于立地条件较好、植被覆盖较高的地区, 可以适当地补种乔木树种, 增加植物种类, 逐渐形成顶级复层植被群落。宋恒川等[14]研究了华北土石山区不同乔木树种的根系特征, 发现白桦()的总根系长度最大、落叶松()的根系生物量最大。同时应用模型较好地模拟了不同乔木树种根系分布情况, 为土石山区植被恢复中乔木树种的选择提供了参考依据。鲁绍伟等[15]研究发现, 刺槐()-侧柏()混交林与刺槐、侧柏纯林相比, 混交林的生物量更大, 对病虫害的抵抗能力更强。张永利等[16]在对北京八达岭林区中天然林和人工林研究中, 发现人工纯林的生长较差, 林分水源涵养能力不足, 严重影响林木的正常生长, 而混交林的土壤持水力要比纯林高2倍左右, 水源涵养能力更强。因此植被恢复中补充乔木树种时, 要以混交林为主, 避免营造纯林, 通过建立多树种相结合的生态景观, 以保持和增强生态系统的稳定性。

1.2 植被类型的选择

不同植被类型的土壤改良能力不同。张志铭等[17]通过比较太行山区具有代表性的草地、侧柏林地和刺槐林地等植被恢复类型, 发现刺槐林能增强土壤的固氮能力, 侧柏林能较好地改良土壤结构, 而草地可以提高土壤有机质含量。因此在植被恢复中选择适合的植被配置模式, 优化植物群落的生态位结构, 可提高植被恢复速度。不同植被类型的水土保持效果也存在差异[1], 通过选择最优的植被配置模式, 可达到最佳的水土保持效果。吕皎等[18]在土石山区通过试验发现, 荆条与红豆草()、油松()与荆条配置及油松与荆条、红豆草立体配置的水土保持效果较好, 能够有效减少地表径流, 减少土壤侵蚀, 达到蓄水、保土的效果。梁彦兰等[19]应用恢复生态学的原理与方法, 提出了土石山区植被恢复中, 在立地条件差的地方, 先构建地带性灌草丛植物, 以恢复土壤肥力, 改善土壤质量; 立地条件较好的地方, 栽种水土保持树种和乡土树种, 形成复杂的群落结构, 以恢复生态系统的结构和功能。

种植密度会直接影响土壤含水量及土壤通透性[20], 初植密度过高很容易引起土壤水的供需矛盾[21]。土石山区水分和土壤有机碳等条件较差, 有限的水分资源会加剧树种间的竞争。在对北京土石山区典型群落植物水分来源的研究中, 刘自强等[22]发现侧柏和胡枝子()土壤水分利用的深度相似, 一起种植会引起水分竞争。而荆条和构树()土壤水分利用的深度没有交叉, 两个树种适宜混交种植。因此, 在以后的植被恢复工作中, 应了解树种水分竞争关系, 选择适当的树种混栽, 合理使用有限的水资源。

林分密度会影响林分的竞争强度。优势种会占据林分的主要空间, 抑制其他树种的生长, 影响其演替速度和方向[23]。高广磊等[24]把林分空间竞争指数引入土石山区植被恢复的研究中, 采用大小比数和开敞度两种空间林木竞争指数, 研究了天然次生林内的林木竞争强度, 发现落叶松的树种大小比数最大, 油松的树种敞开度最大, 树种大小比数与开敞度之间呈负相关关系。这为华北土石山区植被恢复物种的选择和配置提供了新的参考方向。林分密度也会影响土壤有机碳含量及碳密度。任丽娜等[25]研究了不同密度油松人工林的土壤有机碳养分含量, 发现只有在合理密度内, 植被才能拥有最大的土壤固碳能力, 密度过大, 会导致土壤有机碳含量减少。这提醒我们在植被恢复中, 栽种密度要合理, 不要盲目地追求植被覆盖度。

1.3 植被营造技术

造林技术是土石山区植被能否恢复的关键步骤, 合理的造林技术能够充分保障植被的生长和发育。植被恢复过程中应根据土石山区表层土壤发育的优劣, 采用不同的造林技术[26]。在山区土壤缺水的条件下, 可以采取各种抗旱栽植技术, 如: 鱼鳞坑整地技术、带状整地技术、水利播种与覆盖技术[27]。有研究表明[28], 土石山区进行坡改梯改造后的土地显示出了良好的保水保肥特征。种植苗木时, 采用容器苗种植、基盘法植苗等技术进行幼林抚育[29], 能显著提高苗木的成活率[30]。马佳琳[31]对辽东栎(Q)进行裸根苗、容器苗、穴盘苗造林对比试验, 发现穴盘苗在造林成活率、生长量和根系发育情况方面表现最好。曹建生等[32]针对太行山土石山区的特点, 提出了4套造林技术模式, 即坡改梯工程+经济林梯田面造林模式、营养钵+灌草的切割面造林模式、苜蓿()+金银花()的地埂绿化模式、石质山地爆破、鱼鳞坑+景观林的大苗移栽造林模式。实践证明这几种造林技术显著提高了土石山区造林的成活率, 实现了山区植被的快速覆盖。

2 土石山区影响植被恢复的环境因子

生态系统一般具有很强的自我恢复能力, 除极端条件之外, 无人为干扰下经过较长的一段时间, 生态系统可实现自我恢复。但北方土石山区环境条件较为恶劣, 植被破坏严重, 生态系统的自我恢复很难实现或者实现过程需要漫长的时间。人为干预是促进土石山地植被恢复的重要途径。为实现人为干预下植物的快速恢复和正向演替, 影响植被恢复的环境因子的研究是必要的前提。影响土石山区植被恢复的最主要的环境因子是土壤肥力、水分、地形及地带性差异等。

2.1 土壤肥力

作为植物生长环境的一部分, 土壤不仅影响着植物群落的发育与演替速度, 而且决定着植物群落演替的方向[33]。土壤肥力作为土壤最重要的生态功能, 影响着林木生长的状态[34]。刘洋等[35]研究发现, 土石山区土壤肥力提高, 能促进植被的恢复。植被恢复后也使得土壤质量改善、土壤肥力提高。土壤养分是肥力的重要指标, 不仅协调和供应了植物生长所需的营养元素, 而且促进了土壤腐殖质的分解和生物-地球-化学循环等过程[36]。邵方丽等[37]研究发现, 华北土石山区土壤严重缺磷, 且空间变异程度高, 严重影响了植被的正常生长。李旭等[38]研究发现, 华北土石山区土壤全钾的空间变异程度较低, 但大部分钾元素以原生矿物形态分布在土壤粗粒部分, 难以被植被利用。此类研究虽表明土壤养分情况及其空间变异性在一定程度上影响了该区域的森林生长状况、植被分布情况和物种多样性, 但对于土壤养分对植被恢复影响机制还未明确。李胜平等[39]研究了喀斯特地区草地土壤养分变化对植被多样性的影响, 结果表明土壤养分在一定程度上决定了植被丰富度和植被的盖度, 土壤的全氮、全碳在其中起主导作用。今后在土石山区应开展此类研究, 进一步明确土石山区土壤养分对植被恢复的影响机制。

2.2 土壤水分

土壤水分是限制缺水地区植物生长的关键因子之一[40]。土壤水是植物根系吸收利用水分的直接来源, 其含量影响着植被的蒸腾, 土壤水的动态变化决定了区域植被的生存生长状态[41]。黄土高原土石山区和华北土石山区降水较少, 区域内蒸发作用强烈, 不利于植被恢复。因此研究此区域植被的蒸腾特性也变得十分必要[42-43]。有研究发现[44], 易干旱的土石山区, 因土壤水分缺乏, 可供林分蒸腾的水源无法得到保证。为保证造林成功率, 降低水分对植被成活的限制, 在树种选择时, 可选择种植气孔导度较小的树种, 降低人工林蒸腾量。在植被生长过程中, 可定期修剪植物的叶片来减少树木蒸腾。

降雨是土壤水分的主要来源之一[45]。陈丽华等[42]研究发现, 随着降雨的增加, 土壤水分逐渐充足, 植物的蒸腾速率升高。但降雨过多会使得土壤含水量过高, 土壤孔隙堵塞, 土壤呼吸及土壤微生物活动受到抑制, 植被的生长发育受到严重影响[46-47]。此外, 不同植物对土壤含水量响应的程度也有很大的差异[48], 不同树种之间土壤水分的利用深度也存在不同[22]。因此, 在土石山区植被恢复过程中, 应选择适宜于区域水分条件的树种, 同时减少不同树种之间的水分竞争, 提高树种存活率。

2.3 地形

地形也是影响植被恢复的重要因子。坡面地形的起伏会导致土壤水分、养分及土壤厚度等在小范围内产生变化, 从而影响地上植物群落的类型和生产力[49]。此外, 坡向也会对植被恢复产生重要影响。山坡的坡向不同, 所接受的太阳辐射量也不同, 使得不同坡向的土壤温度有很大的差异。而温度通过影响土壤呼吸速率从而影响植被生长[50]。有研究发现[51], 土石山区中生长在阳坡上的刺槐长势较好, 而阴坡上的长势则较差。坡向也影响着土壤含水量。李紫恬等[52]研究发现, 阴坡的油松林枯落物累积量大于阳坡, 土壤层的储水能力强于阳坡, 植被种植密度对阳坡土壤含水量及其稳定性影响较大, 而对阴坡土壤含水量及其稳定性的影响不明显。高程[53]、坡度[54]等地形要素影响着植被的覆盖情况。但土石山区内此类研究还较为缺乏, 且研究方法较为简单[55]。在今后研究中, 应利用最新的分析手段[56], 明确土石山区植被变化的地形效应, 为区域脆弱环境的改善提供科学依据。

2.4 地带性差异

北方土石山区区域广阔, 南北地带性差异很大。根据不同的气候特点及地理位置差异, 我们将北方土石山区分为淮北土石山区、华北土石山区、黄土高原土石山区和辽宁丘陵土石山区。4个区域不同的土壤养分、水分及光照时间等气候条件及其社会经济条件, 使得区域内的植被恢复模式、植被恢复目标及所产生的生态效应存在差异。

淮北土石山区属暖温带海洋性季风气候区, 年降雨量可达900 mm, 植被覆盖较好。此区域的生态环境问题主要是因过分追求经济效益, 种植大量经济林, 导致土壤质量下降[57]。研究表明[58], 针阔混交林转变为经济林后, 土壤有机碳氮含量显著降低, 土壤团聚体稳定性下降, 土层变薄, 受水力侵蚀的破坏强度增大。区域内的植被恢复目标是进行树种的合理配置, 减少经济林种植, 增加针阔叶林等生态林的建设, 从而改善土壤质量和提高土壤抗水蚀能力。

黄土高原土石山区属温带大陆性气候区, 降水少, 植被覆盖度低。区域内因不合理生产活动加之恶劣的气候条件, 土壤条件较差, 存在土层薄、土壤松散等问题。区域内土壤侵蚀严重, 土壤有机质含量少, 存在大片无植被覆盖裸露地, 生态环境脆弱[1]。此区域现阶段植被恢复的主要目标是增加地面植被覆盖, 从草本植物开始种植, 逐渐改善土壤的质量, 减少土壤侵蚀, 提高土壤养分含量[59]。

华北土石山区属温带大陆性季风气候区, 降水时空分布不均, 蒸散发量大。区域植被主要为草灌木及经济林, 少数地区因采矿等活动产生了裸露地[26]。此区域植被恢复时, 对于矿场裸露地要根据土壤条件选择合适的草灌木进行植被修复, 降低土壤中的重金属或放射物的含量[5]。对于植被恢复较好的地区, 可以进行乔灌木的补种, 增加生物多样性, 提高生态系统的稳定性。在种植经济林的地区, 要把经济林与生态林进行合理配置, 避免大面积种植单一树种[15]。此外, 华北土石山区受东亚季风影响, 降水年际变化幅度较大, 是典型的季节性干旱地区[60]。季节性干旱引起的干旱胁迫对植被的生长和发育具有重要影响[61]。它不仅影响着植被的水分利用效率[62], 其导致的温度和降水量的变化也影响着植被生态系统的碳吸收, 影响土壤肥力。此外干旱也会改变植被表面的显热和潜热, 从而影响植被能量和水分的循环过程[63]。因此, 华北土石山区在进行植被恢复时要充分考虑季节性干旱对林木生长的影响, 保证区域生态恢复过程的正常进行。

辽宁环渤海山地丘陵区也是我国北方土石山区的重要组成部分。该区域属暖温带半湿润气候区, 年均降水量500~950mm, 植被类型以农业植被和林地为主。区域内水土流失现象严重, 多发生在坡耕地和稀疏林地[64]。该区域的植被恢复主要是对稀疏林地按照合理的植被配置模式进行补种, 对水土流失严重的坡耕地进行退耕还林还草[65], 最终达到提高林草覆盖度、维护和改善人居环境、提高区域生态质量的目标。

3 土石山区植被恢复的生态效应

3.1 植被恢复的水文效应

水文效益是植被生态系统的重要功能。华北土石山区是京津冀地区重要的水源涵养功能区, 此区域的生态环境直接影响着京津冀地区的发展进程; 黄土高原土石山区土质松散、土壤持水性差[1], 植被覆盖能显著提高土壤含水量[28], 减少坡面产流[66], 使区域内形成良性水循环。植被对水文过程的影响首先表现在对降雨分配的影响。植被对降雨的分配过程主要包括地上部分的冠层截留和树干蓄留; 土壤层对降雨的蓄留、入渗以及地被物对降雨的蓄留等[67]。林冠截留作用在降雨再分配的过程中起着主要作用。梁文俊等[68]发现华北土石山区人工油松林的林冠对降水在时间及空间上都进行了再分配。

明确土壤水分入渗规律是研究土石山区地表径流产生机制的基础[69]。相较于裸地, 不同覆被类型下土壤入渗性能均得到了不同程度改善[70]; 而不同植被类型之间的土壤入渗性能也存在着较大差异[71]。王鹏等[41]研究发现, 在大雨量降水后, 土石山区中刺槐林土壤的入渗速度最快, 侧柏林地次之, 而荒草地覆被土壤的入渗速度最慢。

植被通过截留、拦蓄的作用, 能合理地调配坡面径流。植被的密度在很大程度上影响着地表径流量。有研究表明[72], 山区坡地产流量会随着林分密度的增大而减小。朱丽等[73]研究发现, 土石山区植被条件较好时期, 地表产流有所减少。而王贺年等[74]发现, 土石山区降水量较少的地区, 地表径流量随植被密度的变化并不明显, 植被对径流的影响很小。在降水量较高的地区, 随着植被密度的增加, 区域内的径流量呈现先增后减的变化趋势。两者的结果差异可能是研究尺度不同而造成的。

3.2 植被恢复的水土保持效应

黄土高原土石山区及华北土石山区的部分地区土层浅薄、天然林覆盖率低、部分地区裸露地较多, 土壤侵蚀严重。土壤侵蚀会带走土壤中的部分营养元素, 从而使得土壤中营养元素含量降低, 土壤肥力下降[75]。植被作为减少土壤侵蚀的措施, 很早就受到重视。植被覆盖能减少地表由于雨滴击溅和地表径流等外力形成的侵蚀[76]。通过对北京土门西沟流域内裸荒地和水源保护林的对比研究, 发现裸荒地场降雨产沙量占场降雨侵蚀总量的92.47%~100.00%, 而水源保护林地(包括刺槐和油松林地)的产沙量仅占总侵蚀量的15.23%~7.53%[77]。说明华北土石山区水源保护林建设有效地减少了降雨对坡地土壤的侵蚀。坡地土壤侵蚀过程包括雨滴击溅和坡面流对土壤的分散过程, 以及坡面流对分散颗粒的输移过程[78-79]。通过在土石山区进行野外人工模拟降雨试验, 丛月等[80]研究发现, 植被覆盖度越大, 土壤溅蚀量随雨强增大而增大的幅度越小。同时发现植被覆盖度40%是一个临界值。也就是说, 植被覆盖率达到40%, 就可以有效减少降雨对土壤的溅蚀作用。周柱栋等[81]从水动力学和侵蚀方式演变角度分析了植被密度对坡面流粒径分选性的影响, 发现流量一定时, 随着植被密度的增加, 各粒径组分百分比随冲刷时间波动性增加, 即植被密度越大, 土壤结构越稳定, 越不容易被侵蚀。

从林分的林种结构配置看, 混交林抗土壤侵蚀能力好于纯林。其原因是混交林的地上部分和地下部分彼此交错分布, 地表枯落物更丰富, 增加了土壤腐殖质含量, 改良了土壤质量, 因而具有更大的水土保持功能[82]。张东旭等[83]采用静水崩解试验的方法, 测定土石山区典型防护林的土壤抗蚀指数, 发现混交林的土壤抗蚀指数比人工纯林高15%左右, 可见混交林对土壤具有较好的改良作用。

3.3 植被恢复的土壤环境效应

土石山区土壤的水分含量较少、土壤环境恶劣。土石山区的植被恢复可以提高土壤持水能力的同时改善土壤环境。植被恢复对土壤环境的影响, 可分为植被对土壤水、土壤质量、土壤碳等方面的影响, 植被恢复可以显著增加土壤含水量。在土石山区种植刺槐、侧柏混交林可以使区域土壤理化性质得到改善, 水源涵养能力得到了大幅度提升[15]。任启文等[84]研究表明, 华北土石山区栽植华北落叶松()-白桦混交林对土壤持水能力的改善作用较大, 特别是对最大持水量和田间持水量有明显的改善作用。

土壤质量指土壤在生态系统的范围内, 维持生物的生产能力、保护环境质量以及促进动植物健康的能力[85]。Garcia等[86]和Gil-Sotres等[87]指出, 植被恢复一方面增加了地表的植被覆盖, 减少了土壤侵蚀和养分的流失; 另一方面, 植物残体、根系以及根系分泌物的存在还增加了向土壤输入的有机物质。植被恢复有利于促进土石山区侵蚀土壤发育、改善土壤特性、提高土壤质量[88]。有研究发现植被恢复不仅可以改善土壤的物理性质[89], 还可以显著提高土壤有机质含量与速效磷、全氮、全磷含量, 改善土壤质量[90]。任丽娜等[25]发现北方土石山区在种植落叶松后, 土壤质地有变黏的趋势, 土壤变得更加板结、紧实。马云波等[91]研究发现, 人工林随林龄的增长, 林下土壤氮含量、速效磷含量上升, 土壤质量明显改善。刘洋等[35]研究也发现, 随着植被恢复年限延长, 太行山片麻岩山区坡面土壤有效养分增多, 持水能力增强, 土壤质量变好。总的来说, 土石山区植被覆盖区域的土壤拥有良好的土壤质量状况。但植被类型不同, 其对土壤质量的改良作用也不同。例如, 刺槐林的土壤有效氮转化速率较高, 侧柏林有较高的细根参数, 草地能够提高土壤中可吸收的磷组分等[17]。任启文等[84]通过试验发现, 森林植被恢复对土壤质量的改善作用是由浅及深的过程, 随着林龄增大, 其对土壤质量的改善作用逐渐深入到土壤中下层。而在不同的植被恢复类型中, 混交林的土壤养分状况要好于纯林。

随着全球气候变化研究的开展, 土壤碳的研究也引起了学者的关注。翁伯琦等[92]提出植被恢复进程实际上就是植被与土壤相互影响和相互作用的过程。植被恢复过程中, 植被-土壤复合系统通过相互作用使得生态系统向土壤输入的碳素增加, 同时土壤呼吸所释放的碳素也显著增加[93]。有研究发现[94], 灌木林作为土石山区重要的植被恢复类型, 土壤有机碳含量高于人工针叶纯林2倍左右, 能有效提高土壤的养分含量。此外, 林分密度对土壤有机碳含量及碳密度有显著影响。任丽娜等[25]在研究土石山区油松人工林时发现, 林分密度通过改变光照、土壤微环境等影响土壤有机碳的输入和输出, 从而影响土壤有机碳含量和碳密度。

3.4 植被恢复的生物多样性效应

在植被恢复过程中, 土壤为植物的生长提供水分和矿物质养分, 其含量不仅影响植物的生长发育, 也决定着植物群落的类型和分布[95]。土石山区土壤质量较差, 土壤微生物多样性低, 地上植物种类单一。植被恢复可以使土壤质量不断恢复提高, 植被覆盖度与植物种类显著增加,植物多样性显著提高[92]。

植被恢复在受环境影响的同时, 也影响着周围的环境, 由于植被与环境之间的相互影响, 使植被物种丰富度、多样性和均匀度逐步达到稳定[15]。有研究发现[96], 随着植被恢复演替的进行, 华北土石山区群落的物种多样性先升高后降低, 之后会逐渐趋于稳定。植被恢复演替过程中, 高大个体在群落中所占比例会逐渐增加, 高度较低或个体较小的植物种会先增加后减少[97]。曾歆花等[98]对太行山低山丘陵区植被物种多样性研究发现, 植被恢复过程中, 草本植物的物种数显著减少, 乔木物种数有所增加, 群落结构渐趋合理。鲁绍伟等[72]研究发现, 油松林覆被下草本层、灌木层的物种多样性呈现由高密度向低密度油松林增大的趋势。由此可见植被密度也会影响植物的多样性。

植被通过改变土壤结构来改变微生物的生长环境, 同时植物根系的分泌物也会对根系微生物群落产生影响。不同的植被恢复类型下土壤微生物多样性也会有差异。杨喜田等[99]对土石山区6种不同植被恢复类型下群落中土壤微生物的多样性进行研究后发现, 灌丛地中的土壤微生物及细菌的多样性都为最高; 而郁闭度较小的刺槐纯林, 由于对土壤有机质的改良作用较小, 土壤微生物的多样性最低。

综上所述, 土石山区的植被恢复改良了区域土壤结构, 提高了土壤涵养水分的能力和土壤肥力质量, 同时良好的土壤条件反过来也对植物群落及生物多样性产生影响, 二者相互影响、相互促进, 使得这种相互作用随着植被恢复的进行而不断加强。

4 展望

多年的研究实践证明, 植被恢复是北方土石山区生态恢复与重建的重要途经。近些年来, 随着国家对生态文明建设和生态环境保护的高度重视, 土石山区植被恢复的研究得到了快速发展。一些地区取得的成效为北方土石山区提供了成功的范例[100], 使植被恢复的理论研究得到丰富和发展。但由于自然和社会经济等条件的限制, 土石山区植被恢复的难度依然很大。土石山区植被恢复的理论、方法和内容仍然有待进一步完善。

首先对本地树种的重视程度不够。为追求经济效益和植被覆盖面积, 大面积种植经济树种和外来树种, 忽视了具有生态价值的乡土种[58]。而多数外来树种及经济种, 虽会因幼苗期的水分和土壤养分的供给充足, 长势相对良好[30]。但经过几年的生长, 土石山区的水分和养分资源渐渐不能满足植物生长, 会导致植物长势减缓, 甚至死亡[101]。因此植被恢复过程中, 应明确不同地区气候和立地条件的差异, 合理配置树种。乡土种经过长期的进化, 已经适应当地的环境条件, 与外来引用种相比, 有更高的存活率[102]。因此, 建议筛选优良的当地植物进行树种配置种植, 以促进土石山区植被的快速恢复。

其次缺乏环境综合因素对植被恢复的研究。环境因素对植被恢复影响的研究中, 多数只考虑单因素的影响[37,46], 且研究时间较短, 资料收集有限, 不利于长期、综合分析研究[74]。另外, 植被恢复对环境影响的量化方法还比较缺乏, 且植被恢复对区域生态环境动态影响的研究明显不足[98], 存在研究时间较短, 资料数据有限的问题。因此在今后的研究中应将微观的机理研究与宏观的动态研究相结合[103], 建立植被恢复与环境相互作用的转换机制, 为区域植被恢复重建提供决策基础。在研究时间尺度上, 应建立固定样地进行长期定位观测, 以获得长期可靠的数据以评价不同植被配置模式对土石山区生态恢复重建的作用[104]。此外, 把遥感[105]、生态系统评估模型[106]等大尺度观测手段与定点观测方法相结合, 加强对植被恢复与环境相互影响的量化研究, 为区域生态环境建设提供参考, 是未来发展的重要趋势。现在多数研究只是通过植被恢复后的水土流失状况[80]、土壤肥力[88]、土壤化学性质[107]及植被覆盖率[105]等方面评价植被恢复的生态效益, 而对于植被恢复所产生的长时间和大范围的生态效益评价较少[108]。此外, 对于植被恢复的经济效益和社会效益研究更为缺乏。因此, 建立土石山区植被恢复综合效益的评价系统, 进行合理、有效的生态经济效益评价, 对于土石山区植被恢复, 改善生态环境有重要作用。

植被作为陆地生态系统最重要的组成部分, 其对气候变化的响应显著, 被认为是全球气候变化的指示器[109]。近年来, 对于全球气候变化下植被的动态响应成为了目前研究的热点问题[110]。全球气候变化致使极端气候事件频发, 而生态脆弱区的植被对极端气候的响应异常敏感。因此, 研究植被对极端气候事件的响应, 对区域植被恢复和保护工作具有重要的意义。国际上学者在蒙古高原地区[111]、亚马逊雨林地区[112]等生态环境敏感地区, 研究了植被对干旱、厄尔尼诺等极端气候事件的响应, 取得了显著的研究成果, 而国内的此类研究则稍显缺乏。土石山区属于典型的生态环境脆弱区, 区域内植被对于气候变化的响应较为敏感, 全球气候变化所导致的极端气候对区域内的植被生态系统造成了很大的影响[60]。因此, 了解区域生态环境的演变规律, 明确植被对极端气候事件的响应机制, 对重建良性生态环境具有重要意义。

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Research advances in vegetation restoration and its ecological effects in earth-rock mountain areas of North China*

WANG Zhiyin1,2, CAO Jiansheng1**

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Afforestation is a method for building a beautiful China, promoting the construction of ecological civilization, and improving the well-being of people’s livelihood. It is a concrete measure to realize the green hills and mountains. The sparse vegetation, poor soil, severe climate, frequent disasters, and unreasonable production from human activities in the northern earth-rocky mountains have caused serious damage to the vegetation in the region, resulting in a series of ecological and environmental problems and forming large exposed areas of rocks, serious soil erosion. Vegetation recovery is the key to ecological restoration in this region. Here, we reviewed the current research status of vegetation restoration in the earth-rocky mountains of North China and the existing problems in current research, including allocation patterns and afforestation technology selection in vegetation restoration, environmental factors affecting vegetation restoration, and ecological effects of vegetation restoration. Further, we discussed the effects of allocating different tree species and afforestation techniques on the survival rate of afforestation. It was pointed out that the variant tree species and rational regulation of tree water use were keys to successful vegetation restoration in the earth-rocky mountains. We also discussed the effects of soil fertility, water, topography, and zonal differences on vegetation restoration, and the hydrological, soil and water conservation, soil environment, and biodiversity effects of vegetation restoration. We found that, in the process of vegetation restoration in the earth-rocky mountains, the vegetation and the environment interacted with and promoted each other; this, in turn, accelerated the restoration and upgrading of the regional ecosystem structure and function. At the same time, it was found that the researches on topographic effect of vegetation change in the earth-rocky mountains was relatively lacking, and the mechanism of soil nutrient impact on vegetation restoration was not yet clear. Finally, there were problems of unreasonable tree species selection, short research scale, limited data, and insufficient economic research on vegetation restoration in the process of vegetation restoration in the earth-rocky mountains. Our study proposed that more attention should be paid to selecting fine native tree species to plant in combination, establishing a long-term monitoring network for vegetation succession, monitoring and evaluating the comprehensive benefits of vegetation restoration, and clarifying the response mechanisms of vegetation to extreme climate; solving these issues was the next step in restoring vegetation research in the earth-rocky mountains.

Earth-rocky mountain area in North China; Vegetation restoration; Vegetation configuration mode; Afforestation techniques; Environmental factors; Ecological effects

, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

Feb. 16, 2019;

May 5, 2019

S7-05

2096-6237(2019)09-1319-13

10.13930/j.cnki.cjea.190108

曹建生, 主要从事生态系统修复及生态水文研究。E-mail: caojs@sjziam.ac.cn王志印, 主要研究方向为山区生态水文。E-mail: 18213516753@163.com

2019-02-16

2019-05-05

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFC0406501-02) and the National Natural Science Foundation of China (41877170).

* 国家重点研发计划项目(2018YFC0406501-02)和国家自然科学基金项目(41877170)资助

王志印, 曹建生. 中国北方土石山区植被恢复及其生态效应研究进展[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(9): 1319-1331

WANG Z Y, CAO J S.Research advances in vegetation restoration and its ecological effects in earth-rock mountain areas of North China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(9): 1319-1331