Response of deep soil water deficit toafforestation, soil depth, and precipitation gradient
深层土壤水分亏缺对造林、土壤深度和降水梯度的响应
论文作者：周敬雄，中国科学院地球环境研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室。
随着全球变暖加剧，旱地正在迅速蔓延，预计到21世纪末，旱地将覆盖地球陆地面积的一半，从而进一步加剧土地退化的风险。恢复植被被认为是应对土地退化和气候变化的切实可行的解决方案。然而，人工植被恢复的特点通常是根深叶茂，从而消耗深层水资源。这种大规模植被恢复引起的消耗会进一步加剧土壤深层的干旱，尤其是在干旱地区，进而导致植被退化。以中国黄土高原（LP）为例，其土壤厚度为30-80米，观测到的地下水通常在地表以下30-100米处。3-10米土层中的土壤水资源量几乎是当地年平均降水量（MAP）的两倍。深层土壤可以缓解土壤干旱对植被生长和土壤水向大气循环的影响。然而，为了恢复脆弱的生态环境和控制水土流失，中国政府自1999年以来实施了“退耕还林”工程。通过这样大规模的植被恢复项目，LP的植被覆盖率从1999年的32%大幅增至2020年的71%。但是，在LP中种植的刺槐和柠条都具有深根系的特点，这大大提高了通过根系在深层土壤剖面吸水对深层土壤水资源的利用率。随着植被的恢复，上层土壤的蓄水量出现了大幅度的下降，因此导致了非常大的土壤水分亏缺（SWD）。在本研究中，采用可用土壤含水量（ASWC）作为土壤水分状况的指标，直接评估植物生长的可用水量。假设耕地的ASWC是土壤水分的历史背景值，而以深根为主的森林和灌木可导致1800厘米深的SWD，深根植被可在此生长。研究目标是探索降水梯度在深土层中的ASWC和可用土壤储水量（ASWS）的分布，以及确定植树造林的SWD和相对土壤缺水量（RSWD）对降水变化和土壤深度的响应。
黄土高原面积为64×104平方公里，占中国总面积的6.5%。该地区的MAP从西北部的280毫米到东南部的800毫米不等。土壤类型呈带状分布，西北部较粗，东南部较细。从荒漠草原到森林地带的植被带沿西北至东南横断面分布。黄土高原属于大陆季风区，而大陆季风区属于限水区，因此加剧了当地生态环境的脆弱性。
图1研究区位置
从黄土高原选取的样带遵循降水递增梯度。它包含四个典型样区：山城（MAP 300-400毫米）、环县（MAP 400-500毫米）、镇原（MAP 500-600毫米）和丰原（MAP 大于600毫米）。如图1所示，这四个样带分别代表了黄土高原最常见的三种植被群落：灌木群落（柠条）、混交植被群落（柠条和油松）和森林群落（刺槐）。本研究在每个样带中设立了三个重复样点（森林或灌木林）和一个对比样点（耕地），每个样点之间的距离至少为1公里，三个重复样点之间的坡度和地势相似。
通过开展实地测量和数据收集，本研究已获得了29个站点从2011到2023年监测深度为0-18米的土壤体积含水率监测数据；以及，4926个从1985年至2021年，采样深度为0-10米的土壤质量含水量的数据集。将数据集中的土壤质量含水率转换为土壤体积含水率。之后，使用双积累曲线法量化气候变化和土地利用转换对黄土高原地区SMS0-10m时间变化的贡献，并采用随机森林方法，以实测的气候、植被、地形和土壤因子为协变量，得到了1999年前后整个黄土高原平均SM0-10m的空间分布模式。本研究还收集了黄土高原上68个国家气象站的气候数据，并将其编译成总数据集，通过插值创建连续的栅格数据集。然后，通过使用每个采样点的空间坐标，从栅格数据中提取MAP数据。采集完每个点的土壤和根系样本后，安装一个1800厘米长的中子探针。使用中子仪记录每个点每隔20厘米的慢中子计数率，以获得土壤含水量（SWC）。
本研究使用土壤钻采集不同深度的土壤样本，0-200厘米层每隔20厘米采集一次，200-1800厘米层每隔50厘米采集一次，每个点采集42个土壤样本。共在16个土壤点采集了662个土壤样本，即4个降水带×4个样本点（3个重复的森林/灌木林样本点和1个耕地对比样本点）。但在MAP>600毫米的耕地样本中，在1300厘米深处出现了地下水，因此限制了取样深度。此外，我们还使用GPS接收器（精度为5米）确定了每个样本点的经纬度和海拔高度。其他现场情况也同步记录在案，包括土地利用类型和斜坡位置。获得样品后首先确定各个样品的干重。根的生物量取自根干重与钻孔面积之比。去除所有可见的根、岩石碎片和大型有机碎屑后，土壤样本在实验室中风干，然后分成两个子样本进行分析。分别测定土壤的粒径组成和土壤有机碳含量（g/kg）。
ASWC、ASWS、SWD和RSWD的计算：
ASWC（%）代表土壤中可供植被吸收的水分，它消除了土壤质地的影响。其计算方法如下:
其中SWCmi和SWCwpi分别是在1cm土层测得的SWC和萎蔫点。SWCwpi要求提供未扰动土壤在1.5MPa下的体积SWC信息。
利用公式（2）计算了ASWS（mm），并利用公式（3）计算了总ASWS（mm）。SWD（mm）用各土层中森林/灌木林点的ASWS与对比耕地点的ASWS之差表示，用公式（4）计算。RSWD(%)是相对于对照点的SWD用公式(5)计算得出的：
式中：ASWSi（mm）为第i厘米土层（0-1800厘米土壤剖面每100厘米）的可用土壤储水量；ASWCi为第i厘米土层的可用SWC；Di为第i厘米土层的土层厚度；10为单位换算系数（mm·cm-1）。ASWS0-1800cm为1800厘米土壤剖面的可用土壤蓄水量；ASWSdi和ASWSci分别为i厘米土层中森林/灌木林和耕地点的可用土壤蓄水量。
在本研究中，根据1800厘米剖面上植被根系生物量的比例，将剖面分为0-D50厘米、D50-D90厘米和D90-1800厘米土层，以探讨不同深度之间ASWS和SWD的差异。D50cm和D90cm分别是表层土壤至深层土壤根系生物量50%和90%平均累积分数的深度。
1.土壤特性和根系生物量的分布：
研究发现土壤颗粒成分（粘土、粉土和砂土）在0-1800厘米土层深度和降水梯度下呈现微弱变化。在所有降水量水平下，森林和灌木林的根系生物量都呈现出随深度递减的趋势。此外，当土地利用类型为森林（MAP，500-600毫米和大于600毫米）时，深层土壤的根系生物量较高。根深覆盖了1800厘米的土壤深度，这表明黄土高原上具有代表性的植被的根深至少有1800厘米。表2显示，黄土高原典型植被类型的D50厘米和D90厘米值与降水梯度有很大关系。沿降水梯度不同时间段的五次SWC测量结果表明，深层SWC随时间变化较为稳定，所有耕地的SWC在年份或土壤深度上都大于森林/灌木林。
2. ASWC和ASWS随降水梯度的变化：
图2显示，1800厘米土壤剖面中的ASWC随降水梯度的变化而变化，在森林/灌木林地和耕地中均是如此，且随着降水梯度的增加而普遍增加。具体而言，降水量为300-400mm时灌木林的ASWC接近于SWCwp，与其他三个降水量级相比，耕地的ASWC最低，但仍高于灌木林。在最高降水量（大于600毫米）时，森林和耕地的ASWC都急剧增加。
图2 黄土高原沿降水梯度1800厘米土壤深度内土壤含水量的剖面分布。橙色代表土壤含水量的枯萎点；蓝色代表土壤可用水量；灰色代表土壤含水量的田间容量。(MAP，平均降水量）。
表1
表2
图3 耕地和森林/灌木林1800厘米土壤深度的土壤可用水储量（ASWS）沿降水梯度的变化。蓝色的点和线代表耕地的平均土壤可用水储量，红色的点和线代表森林/灌木林地的平均土壤可用水储量。
图4 耕地与森林/灌木林地之间1800厘米土壤剖面的平均土壤可用水储量（ASWS）与降水梯度的线性拟合。蓝色圆点、蓝色虚线和蓝色阴影区域分别代表耕地的平均土壤可用水储量、线性拟合值和95%置信区间。红色圆点、红色虚线和红色阴影区域分别代表森林/灌木林地的平均ASWS、线性拟合和95%置信区间（方差分析与LSD检验，P<0.05）。
在最低降水量（300-400毫米）条件下，耕地和灌木林的平均ASWS分别为1169.0毫米和513.3毫米，而在最高降水量（大于600毫米）条件下，耕地和森林的平均ASWS分别为3979.1毫米和2287.6毫米。在所有降水量水平下，0-1800厘米土壤剖面中耕地的平均ASWS也普遍大于森林/灌木林（图3）。随着降水梯度的增加，耕地和森林/灌木林地1800厘米土壤剖面的ASWS平均值呈正线性趋势（p<0.05，图4）。
3. SWD和RSWD随降水梯度和土壤深度的变化：
方差分析表明，降水梯度、土壤深度及其交互作用对SWD和RSWD有显著影响（p<0.001，表1）。在降水量最低（300-400毫米）和最高（大于600毫米）的地区，0-1800厘米土壤剖面的累积SWD分别达到655.70毫米和1691.57毫米（表2）。1800厘米土壤剖面的平均SWD随降水量的增加而变化（300-400毫米、400-500毫米、500-600毫米和大于600毫米），分别为32.10毫米、30.33毫米、59.54毫米和80.55毫米（表2），除300-400毫米和400-500毫米降水量之间的差异外，其他差异均显著（p<0.05，图5a）。随着降水量的增加，0-1800cm土壤剖面中的RSWD也在下降，降水量分别为72.3%、57.7%、54.7%和36.9%（表2），除400-500mm和500-600mm降水量之间的差异外，其他差异均有显著性（p<0.05，图5c）。平均SWD和RSWD的线性趋势与降水量有显著相关性，但方向相反（p<0.05，图5a和5c）。森林/灌木林总根生物量与降水量之间也呈正相关，但不显著（p=0.26，图5b）。
图5 降水梯度对1800厘米土壤深度的平均土壤缺水量（SWD）（a）、森林/灌木林总根生物量（b）和平均相对土壤缺水量（RSWD）（c）的影响。不同的小写字母（a、b、c和d）表示不同降水梯度之间的平均值存在显著差异（p<0.05）（方差分析加LSD检验，p<0.05）。蓝色、红色和橙色虚线分别表示1800厘米土壤深度的平均SWD、RSWD和总根生物量与降水梯度的线性拟合。请注意，降水量为400-500毫米时只有一个钻孔，因此（b）中没有误差条。
SWD和RSWD的变化主要取决于以根系生物量为主的土层（表1；图6）。D50-D90厘米土层的累积SWD和平均SWD最高，分别为2783.4毫米和74.9毫米（表3）。这些数值明显高于0-D50厘米土层和D90-1800厘米土层（p<0.05，图6a）。SWD平均值在0-D50厘米和D90-1800厘米土层之间无显著差异，RSWD平均值在0-D50厘米和D50-D90厘米土层之间也无显著差异（p<0.05，图6）。
图6 1800 cm土壤深度不同土层的平均土壤水分亏缺和相对土壤水分亏缺的变化。不同小写字母（a、b和c）表示不同土壤深度的平均值有显著差异（p<0.05）（方差分析加LSD检验，p<0.05）。
表3
所有降水量水平下，D50-D90cm层的SWD平均值均显著高于0-D50cm层和D90-1800cm层（p<0.05，降水量为300-400mm的层除外，图7a），且随降水梯度的增加而显著增加（p<0.05）。然而，0-D50cm和D90-1800cm层的平均SWD随降水梯度呈非线性变化。与SWD不同，0-D50cm层的RSWD在前三个降水量级均高于其他两层。然而，当降水量大于600毫米时，0-D50厘米层的RSWD低于D50-D90厘米层，而与D90-1800厘米层的差异不显著（p<0.05，图7b）。
图7 不同深度的平均土壤缺水量（SWD）和相对土壤缺水量（RSWD）随降水梯度的变化。水平方向上不同小写字母（a、b、c和d）后面的数值表示不同降水量之间的平均值有显著差异（p<0.05），而不同大写字母（A、B和C）表示在给定降水量下不同土层之间的平均值有显著差异（p<0.05）。(方差分析与LSD检验，p<0.05）。
1. ASWS对造林和降水梯度的响应：
实验结果表明，无论是耕地还是森林/灌木林地，黄土高原0-1800cm土壤剖面中的ASWS都依赖于降水，随着降水梯度的增加，ASWS显著增加（表1、表2和图4）。研究表明黄土高原土壤蓄水量沿南北向横断面在500cm深处增加，反应了降水梯度的变化。本研究还发现1800厘米土壤剖面中的ASWS仍然遵循这一模式，甚至延伸到了更深的土壤层。如图3所示，森林/灌木林地的ASWS一直低于耕地，表明种植植被仍在消耗黄土高原1800厘米深处的土壤水分。
黄土高原上土地利用类型的转换对深层土壤的水动力学有很大影响。由于耕地的ASWS是该地区土壤水的历史背景值，因此主要受降水的影响。相比之下，森林和灌木林地的土地利用类型模式都是人为改变的。在这方面，耕地与森林/灌木林地之间的主要差异可视为SWD，它是由人类植被恢复活动造成的。ASWS是植被的唯一水源，尤其是在研究区域。理想情况下，耕地和人工植被的ASWS两条线性拟合曲线应具有平行关系。然而，在降水较多的地区，两条线性拟合曲线之间的差异变得更大（图4）。这可能是植被类型不同造成的。
2. 深层土壤水分亏缺对降水梯度的响应：
可以预见，深层SWD和RSWD对降水梯度的反应截然不同（图5）。这可以用黄土高原上降水的地带性分布以及根系生物量随降水增加而增加这一事实来解释。由于根系生物量决定了可吸收水分的多少，因此MAP决定了深层ASWS的状态以及它是否能支持具有深根系的高耗水植被的生长。在本研究中，在MAP为300-400mm和400-500mm的有限地区，土地植被以灌木为主，主要是柠条，而SWD没有显著差异（图5a）。在MAP相对充足（500-600毫米和大于600毫米）的地区，土地利用类型为森林，主要以需要大量耗水的刺槐为主。因此，对于这两种不同类型的土地利用而言，在高降水量时，SWD会进一步扩大，这一发现与耕地和森林/灌木林地之间ASWS对降水的斜率差异呈正相关，如图4所示。
3. 黄土高原上的深层RSWD可能存在降水自我调节机制：
随着降水梯度的增加，RSWD有所缓解（p<0.05，图5c）。可以预见，如果降水量继续增加，RSWD将进一步降低。以往研究表明，当降水梯度增加时，黄土高原地区的土壤深层蓄水（500cm）会增加。不过，降水对深层SWD的自我调节机制表现在空间而非时间上，因为黄土高原上的降水是分区分布的。考虑到黄土高原正在经历持续的变暖和干旱，这种降水引起的对SWD的自我调节机制在土壤剖面上可能被削弱。
在黄土高原较为干旱的地区，如MAP<400mm的地区，种植深根植被时应多加注意，因为这会导致RSWD严重超过70%（表2和图5c）。此外，干旱地区的ASWS通常较低（图2），1800厘米深土壤剖面的AWSC与干旱地区最低降水量300-400毫米时的枯萎点几乎相同（图2）。先前的研究表明，当降水减少时，植树造林的增加会以牺牲土壤深层水为代价。有研究指出，黄土高原存在一个480毫米的降水阈值，低于这一阈值，植被恢复应以草地为主。更多的研究发现，在黄土高原的干旱和半干旱地区，草地而非森林/灌木林是最佳的土地利用模式。因此，我们应该通过种植深根植被来应对植被退化和土壤水库功能退化等问题，尤其是在干旱和半干旱地区。
4. 深层SWD对不同土壤深度的响应：
研究表明，植被根系对土壤水文有相当大的影响，在地下土壤水分布中起着重要作用。在本研究中，以深根为主的森林/灌木林地将土壤水分亏缺分水岭的深度引至1800厘米（表3和图6）。此外，SWD和RSWD的响应也取决于以根系生物量为主的土壤深度（表1、表3和图6）。其中，D50-D90厘米土层的SWD敏感，而0-D50厘米和D50-D90厘米土层的RSWD最高（图6）。研究表明，深根植被500厘米深处的ASWS明显低于浅根植被。与草地相比，森林和灌木林在深层（200-1000厘米）土壤中具有相当大的SWD。黄土高原0-1800厘米深度的降水对RSWD存在自我调节机制，但并非所有不同深度都一致。本研究观察到的降水梯度增加时RSWD的下降趋势在0-D50cm和D50-D90cm层中更明显（图5，图7b）。相反，D90-1800厘米层的RSWD变化趋势各不相同，随着降水梯度的增加，先减小后增大。在MAP>600毫米的地区，浅层土壤水对降水补充做出了反应，从而减少了深根植被的RWSD。这就解释了为什么0-D50厘米层的RSWD明显低于D50-D90厘米层（图7b）。事实上，黄土高原在浅层和深层土壤中都有一个森林和灌木林土壤水分的临界点（480毫米）。因此，当降水量大于600毫米时，土壤水分在一定程度上得到了补充。然而，这仍不足以补充之前存在的SWD。因此，即使是在黄土高原上降水量最高的地区（>600毫米），深根植被也会导致消耗一定量的SWD。
本研究的实验数据表明，随着黄土高原降水梯度的增加，耕地和人工植被的土壤蓄水量都显著增加。与耕地相比，无论降水梯度或土壤深度如何，人工植被（即森林和灌木）的土壤蓄水量都明显增加。尤其是人工深根植被，由于耗水量大，在1800厘米土壤深度造成的SWD最大。累积SWD与累积根系生物量之间的正相关关系也证实了这一点，表明土壤深度内根系生物量的增加促进了土壤水分的消耗。本研究发现，相对于耕地，人工植被中的RSWD随着MAP的增加而显著下降，这表明黄土高原上的深层降水存在降水自我调节机制。由于根系生物量主导了土壤深度对SWD的响应，因此亚浅土层（D50-D90厘米）的SWD比较敏感，而0-D50厘米和D50-D90厘米土层的RSWD最高。典型人工植被的根系在存在根系的土层中消耗了大量的土壤水，而相对较浅的土层（0-D50cm和D50-D90cm）可能较早地达到了SWD的临界状态，导致根系在较深的土层中消耗了大量的土壤水。
本研究的研究结果表明，SWD取决于造林、土壤深度和降水梯度。此外，黄土高原上的降水还可以调节深层土壤的SWD。然而，仍需进一步研究该机制对深层RSWD的调控程度，特别是它与深土层和黄土高原持续变暖和干旱条件的关系。并且在黄土高原广泛延伸的干旱和半干旱地区（如MAP<400mm的地区），由于RSWD已超过70%，大部分1800cm土壤剖面的SWC很可能已达到枯萎点。这将导致土壤蓄水功能下降，威胁植被恢复。这意味着有必要考虑土壤深层水的能力，以维持未来植被恢复的长期稳定性。
作者 | 子涵
编辑 | 回毅滢
