植树造林是重建生态系统的一项重要生态措施。在湿润地区,由于水分充足,利用植树造林的方法进行生态恢复通常被认为是合理的;而在干旱和半干旱地区,大规模植树造林受到很多质疑。众多研究表明,干旱地区植树造林大量消耗土壤水分,使得土壤水分亏缺越来越严重,从而导致生态系统的恶化。然而,干旱地区植树造林除消耗土壤水分外,也将消耗大量的土壤养分,尤其是氮素养分。已有研究表明,植树造林能够消耗土壤氮库,降低土壤氮素有效性,使生态系统出现持续性的氮限制现象(progressive
N
limitation),并且这种现象在全球变暖的背景下更为显著。在干旱地区,由于氮素养分含量本身很低,大规模植树造林可能使这种持续性的氮限制现象更为严重。然而,干旱地区植树造林后,我们对这种生态过程的变化及其发展幅度知之甚少。清晰的了解这一生态过程有助于我们科学评估干旱地区植树造林后土壤氮素的发展趋势及未来可能出现多大程度的氮限制现象。

人工植树造林和植被自然恢复是黄土高原坡面生态治理最主要的措施。近年来,大量的研究表明,黄土高原自1999年以来大规模的植被恢复措施显著改变了地表的物质和能量平衡,如侵蚀泥沙显著减少,流域产水量降低,土壤干燥化加剧,地表反照率和区域气候发生改变。当前,多种证据表明,黄河的水沙情势和黄土高原的生态条件进入一个全新的时期,表现为四大特征:黄河输沙量降低至历史低值水平;黄土高原植被覆盖度急剧增加;黄土高原水资源可持续利用趋近植被恢复的极限;人类活动的贡献率达到前所未有的高度。以上四大特征和历史上任何一个时期都不相同。因此,从科学机理上清晰认识黄土高原长期植被恢复背景下物质和能量平衡的未来变化趋势,辨识自然和人为因素的影响,对于制定科学合理的生态恢复政策和可持续发展模式至关重要。

针对上述科学问题,中国科学院地球环境研究所金钊副研究员及其合作者在国家自然科学基金项目的资助下,选择黄土高原西峰南小河沟人工植树造林和植被自然恢复小流域为研究对象,研究了近60年黄土高原人工植树造林和植被自然恢复方式下土壤氮库、氮素有效性及来源的差异。结果表明,人工造林和植被自然恢复生态系统的土壤氮库储量无显著差异,但人工造林土壤的氮素养分含量明显高于植被自然恢复生态系统。此外,人工造林生态系统凋落物的全氮含量及稳定同位素比值也明显高于植被自然恢复生态系统。这些结果表明,60年人工植树造林并没有显著降低土壤的氮素养分含量,也没有出现持续性的氮限制现象,反而土壤氮素养分明显高于植被自然恢复土壤。这种现象的出现,主要归结于两个方面因素:人工造林的主要树种为刺槐。刺槐是重要的生物固氮树种,刺槐的生物固氮作用为人工造林土壤提供了丰富的氮素养分,这些氮素养分进一步转化形成硝态氮保存在土壤中;人工造林和植被自然恢复小流域水文条件的差异。观测表明,人工造林小流域径流量明显低于植被自然恢复小流域;此外,由于更强的蒸腾作用和土壤水分消耗,使得人工造林小流域土壤变得更加干燥。人工造林小流域较低的径流量和干燥的土壤条件更有利于土壤硝态氮的保存。在上述基础上,进一步分析了土壤硝态氮氮氧稳定同位素(δ15N
和δ18O)的差异,发现人工造林土壤硝态氮主要来源于土壤氮素的转化,而植被自然恢复土壤硝态氮可能来自以前人工施用氮肥的残存。

基于这一重大科学问题和国家需求,近5年来,中国科学院地球环境研究所研究员金钊与黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站合作,以南小河沟人工植树造林和植被自然恢复对比小流域为研究对象,建设了“中国科学院地球环境研究所南小河沟水土保持和生态恢复试验基地”,对长期自然和人为植被恢复模式下小流域的物质和能量平衡进行了连续观测研究,获得系统性进展。两条小流域从1954年开始设置对比,至今已超过60年时间;其中董庄沟进行植被自然恢复,目前已形成自然草地小流域;杨家沟进行人工植树造林(1954-1958),目前已形成人工森林小流域。前人研究结果表明,和天然草地小流域相比,人工造林小流域在前20年(1956-1980)径流量减少了32%;根据最新的观测结果(2016-2018年),人工造林小流域径流量减少现今已超过90%,即使在强降雨条件下也很难产生明显的径流。因此,该研究得出结论认为,黄土高原人工造林小流域在长远背景下,将可能彻底抑制地表径流的产生,导致小流域无法形成径流输出,这对黄土高原可持续性的水资源利用将产生较大的负面影响。

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由于人工造林极大地改变了小流域的水文过程和水文环境,使得小流域的物质迁移、能量平衡和侵蚀热点也发生了显著改变,包括碳氮循环、土壤水分、温度、蒸散发、地表反照率、侵蚀泥沙等。研究结果表明,和人工造林小流域相比,草地小流域由于具有更好的水文环境和更高的径流输出,类似于“大浪淘沙”,不断淋洗流域表层可溶性物质,包括碳氮元素等(图2,Jin
et al., 2014; Jin et al.,
2016),使得草地小流域发生了更多的横向物质迁移和流动。这一认识拓展了传统生态学的学科范畴,将生态-水文-地貌-生物地球化学循环更好地耦合在一起。

图1 西峰南小河沟人工植树造林和植被自然恢复对比小流域

有关能量平衡的研究结果表明,人工造林小流域通过改变地表反照率和蒸散发,显著改变了流域地表的能量平衡,但局部地形对能量平衡的影响不可忽视(Jin
et al.,
2019)。在冬春季节,地形对地表能量的影响起主导作用;夏季,ET增强,植树造林的影响超过地形起主导作用;秋季,植被的影响减弱,地形的影响逐步增强。因此,在一年之中,植被和地形对地表能量平衡的影响随着季节的变化此消彼长,互为耦合,这为遥感反演和模型模拟区域尺度地表能量平衡的变化提供了更为精细的认识。

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有关长期植被恢复背景下土壤水分补给阈值和补给机制问题,通过高精度降雨-土壤水分观测,精细分析了每一场降雨入渗到土壤的过程。研究结果表明,自然草地小流域,单次或连续降雨量达到9
mm才能入渗到表层土壤;而对于高植被覆盖的沟谷森林,降雨量达到14
mm才能有效补给到表层土壤。该研究对清晰认识黄土高原在长期植被恢复背景下,多大的降雨才能入渗到土壤的问题具有重要的指示意义。

图2人工植树造林和植被自然恢复小流域土壤全氮、硝氮和氨氮的差异

有关长期植被恢复背景下小流域产流阈值和控制因素问题,通过降雨、土壤水分和流域产流的长期定位观测和对比分析,发现小流域产流存在三种模式:高降雨强度和中等的表层土壤含水量;低降雨强度、中等降雨量和较高的深层土壤含水量;土壤含水量较低但降雨量足够大(Jin
et al., 2019,
prepared)。同时发现,除降雨强度和降雨总量外,前期土壤含水量在流域产流中起着至关重要的作用。研究结果对清晰认识黄土高原长期植被恢复背景下小流域的产流条件和受控因素具有重要的指示意义。

该研究成果发表在国际综合期刊Scientific Reports (Zhao Jin, Xiangru Li,
Yunqiang Wang, Yi Wang, Kaibo Wang, Buli Cui. Comparing watershed black
locust afforestation and natural revegetation impacts on soil nitrogen
on the Loess Plateau of China. Scientific Reports, 2016, 6:25048, DOI:
10.1038/srep25048).

相关论文:

Jin et al. Controlling factors of runoff generation in a pair of
catchments on the Chinese Loess Plateau after a long-term vegetation
rehabilitation. 2019, prepared for submission.

Jin et al. Effects of afforestation on soil and ambient air temperature
in a pair of catchments on the Chinese Loess Plateau. Catena, 2019,
175:356-366.

Jin et al. Soil moisture response to rainfall on the Chinese Loess
Plateau after a long-term vegetation rehabilitation. Hydrological
Processes, 2018, 32:1738-1754.

Jin et al. Comparing watershed black locust afforestation and natural
revegetation impacts on soil nitrogen on the Loess Plateau of China.
Scientific Reports, 2016, 6: 25048, DOI: 10.1038/srep250489.

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