坡面是黄土高原地区主要的地形单元,其植被群落恢复演替过程的实质是植物与土壤系统间相互作用的过程^[1-2],植被—土壤系统的协调程度对增加植被盖度、优化植被群落结构、减少水土流失和稳定生态系统等具有重要意义^[3-4]。自“六五”以来,宁南山区陆续实施了以人工林(草)建设和整地工程等为主要措施的退耕还林(草)、林业资源保护、小流域综合治理工程等一系列生态环境保护和恢复措施,使宁南山区森林覆盖率由20世纪80年代不足年3%提高到当前的13%以上,水土流失面积也下降了50%,取得了显著的生态和经济效益。但近些年该区域的人工林(草)出现了一些退化现象,甚至在种植密度大的坡地上出现了枯萎和死亡的现象^[5]。因此,针对宁南山区坡面不同土地利用方式下的植被—土壤系统耦合关系研究,对于指导研究区植被恢复、生态环境建设和高效合理利用水土资源有重要作用^[6]。

耦合是指两个及以上的生态系统之间相互作用的现象,反映着生态系统中各要素的相互转化和相互依存的关系^[7-8],耦合协调度模型主要用于衡量生态系统的一致性和协调性程度^[9-11]。关于植被—土壤系统耦合关系评价的研究中,一般植被系统中选取的指标包括植物多样性指数、生物量、盖度和养分含量等,土壤系统中选取的指标包括土壤容重、毛管孔隙度和养分等^[12],在构建上述指标体系的基础上,分别对植被和土壤系统选取的指标进行加权求和,利用耦合度模型和协调度模型对植被—土壤系统的耦合协调度进行评价^[13]。徐明等^[10]利用耦合协调度模型发现黄土丘陵区沟谷地不同植被恢复模式下的植被—土壤系统基本处于中级协调发展水平。李豪等^[14]利用耦合协调度模型对陕北5种微地形下植被—土壤系统进行分析,发现在生态恢复重建过程应充分考虑地形条件。彭晚霞等^[15]在喀斯特地区利用耦合协调度模型分析常绿落叶阔叶混交林植物与土壤地形因子系统,发现该区域景观异质性强、土壤养分状况好、物种丰富。综上可知耦合协调度模型能很好地评价各种区域、地形和气候类型条件下的植被—土壤间的耦合关系。

宁南山区属半干旱半湿润区,年均降水量400 mm左右且分布不均,地形复杂,该区域林(草)植被耗水量大,降水和土壤水分已不能满足植被生长的需求,出现了土壤干燥化和干层现象,导致部分植被衰退、枯萎甚至死亡的现象^[16-17]。因此,本研究在已有的植物—土壤系统指标体系的基础上,在土壤体系中增加了土壤干层厚度、干燥化指数、水分相对亏缺指数等土壤水分指标,建立以11个植被因子和14个土壤因子为主的2级指标体系,采用AHP法和改进熵权法确定各植被—土壤因子的权重,以耦合协调度模型评价二者间的关系,揭示宁南山区坡面植被—土壤生态系统耦合协调状况及各因子之间的相关性,为研究区植被恢复、重建,生态可持续发展提供可借鉴依据。

由坡面不同土地类型下植被—土壤系统耦合协调关系可知,林地、灌木属于濒临失调发展模式土壤滞后发展型,坡面林地类型主要是杏树、刺槐、杨树和榆树等数种,一般而言,林地由于其生物量大、植被蒸腾能力强、根系较为发达^[25-26],所以对土壤水分的要求较高,同时宁南山区在生态环境恢复过程中植被种植密度、搭配方式等存在缺陷^[27],导致土壤水分大量消耗出现了土壤干燥化和干层现象^[28]。灌木群落虽然较乔木群落的需水量小,但是研究区坡面灌木主要以成群的形式出现,种植密度大、生物量大、水分消耗也较大,因此也呈现出濒临失调发展模式且土壤干层滞后发展型。弃耕地和草地群落中优势种均以草本植物为主,草本植物的根系、生物量远低于林地和灌木,对土壤水分的需求较少,植被蒸腾不强,其水分损失量均远低于乔木和灌木^[29],故弃耕地和草地呈现勉强协调发展且植被—土壤干层同步发展型^[30]。农地属初级协调发展模式且植被—土壤同步发展型,原因在于农地不仅位于水分条件相对较好的位置,而且灌溉、施肥和翻耕等人为活动优化了农地土壤质量,导致土壤水分和养分等均处于优势地位^[31]。

图2 坡面植被-土壤生态系统耦合协调状况分布

表5 坡面植被-土壤系统各因子间典型相关分析

在宁南山区坡面植被—土壤系统中各因子相互作用的结果可知,土壤系统中的土壤干燥化指数、水分亏缺指数、平均含水量、黏粒和容重对植被系统中的丰富度指数、优势度指数、多样性指数、冠幅、株高、胸径等影响较大。已有研究表明在西北半湿润半干旱区植被—土壤系统中,土壤水分是制约植物生长、植被演替和景观分异等的重要因素之一^[32-33],同时植被是土地干燥化、荒漠化和水土流失的主要调控者^[2,10]。在自然状态下土壤水分状况会间接影响植被演替和选择,但近几十年为了恢复黄土区的生态环境,进行了退耕还林(草)等一系列恢复区域植被的工程,给该区域带来了显著的生态环境效益和一部分经济效益。但是随着时间的推移,在黄土高原各个区域都出现了植被—土壤系统不稳定甚至退化的情况,如“小老头树”、土壤干燥化、干层等问题^[9,26]。总体上看,在黄土半湿润半干旱区土壤水分是植被恢复的重要制约因素之一,在生态恢复过程中人工林草植被搭配不合理、种植密度过大等,都会导致植被耗水增强、土壤水分过度消耗,进而引起植被退化、衰竭、土壤干燥化甚至出现土壤干层情况^[16,30]。因此,宁南山区在今后植被恢复时需充分考虑区域水土资源状况及承载能力,进行科学合理的林草植被选取、搭配,确保区域植被—土壤系统的协调和可持续发展。

图3 坡面植被-土壤各因子之间的CCA分析

(1)坡面林地、灌地、弃耕地、草地和农地D_c值分别为0.446 0,0.451 5,0.505 9,0.531 2,0.604 6,S(x)/P(y)值分别为0.490 8,0.593 4,0.821 2,0.874 3,1.187 4,即林地和灌木地均属濒临失调发展模式且土壤滞后发展型,弃耕地和草地均属勉强协调发展模式且植被与土壤同步发展型,农地属于初级协调发展模式且植被与土壤同步发展型。

(2)坡面空间上,濒临失调发展类模式土壤滞后发展型分布区域主要在东北和西南部,主要是乔木和灌木分布区域。勉强协调发展模式植被—土壤同步发展型在空间分布上呈现条状分布,主要分布在中、西部地区,主要是荒草地和草地分布区域。初级协调发展模式植被—土壤同步发展面积最小且分布零碎,主要是农田分布区。

(3)CCA分析表明坡面土壤系统中干燥化指数、水分亏缺指数、平均含水量、黏粒、容重等是影响植被系统的主要因子。