评估经济型森林恢复对中国三峡水库区域土壤物理质量的影响：从功能角度出发

《CATENA》：Assessing the impacts of economic forest restoration on soil physical quality in the Three Gorges Reservoir area, China: A functional perspective

土壤物理质量评估与恢复措施对比研究。通过比较35年自然植被恢复与经济林业（果园）的土壤物理特性，发现自然恢复显著提升土壤抗侵蚀（SPF3）和透气功能（SPF4），SPQI提高42%；而经济林业因土壤压实（BD和PR增加48%）抵消了水分渗透（Ks提升41%）的增益，SPQI与农田相当。研究揭示不同恢复模式随时间演变的土壤功能权衡机制。

　　

杜英妮|王云东|周毅文|魏玉杰|李赵霞|王俊光

华中农业大学资源与环境学院，中国湖北武汉430070

摘要

由于经济林在生态和经济方面的效益，它已成为废弃耕地植被恢复的关键策略。然而，尽管经济林的面积持续扩大，但其长期土壤质量与自然恢复相比的差异以及时间动态变化仍不清楚。以长期耕种的耕地为参考，本研究比较了长期恢复（35年）的自然植被（森林和草地）与经济林（果园）之间的土壤物理性质，考察了不同恢复阶段（5年、15年、25年和35年）果园土壤物理性质的时间演变，并使用多种物理功能指标评估了所有恢复处理的土壤物理质量（SPQI）。结果表明，与耕地相比，长期自然恢复使SPQI显著提高了42%以上（p < 0.05）。这种改善是由于土壤通气孔隙度（SAC）和团聚体平均重量直径（MWD）的增加，以及土壤侵蚀性（K）的显著降低（p < 0.05）。这些变化增强了土壤的抗侵蚀和退化能力（SPF₃）以及土壤的通气和气体交换功能（SPF₄）（p < 0.05）。相比之下，长期果园恢复后的SPQI值与耕地相当。虽然深层土壤饱和水力传导率（Ks）和有效水分含量（AWC）的改善提高了供水功能（SPF₂）41%，但持续较高的容重（BD）和穿透阻力（PR）降低了根系支撑功能（SPF₁）48%（p < 0.05），抵消了这些功能上的收益。时间分析显示，SPQI随果园恢复时间的延长没有显著变化。在最初的5年内，BD和PR的降低暂时使SPF₁提高了38%（p < 0.05），但其他功能与耕地相似。从15年到35年，土壤压实增加了BD和PR，使SPF₁至少降低了39%，而Ks和MWD的改善分别提高了SPF₂和SPF₃超过30%和84%（p < 0.05）。这些功能上的权衡最终使得SPQI随时间保持稳定。这些发现为优化经济林恢复管理以提高土壤质量提供了参考。

引言

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，它支撑植物根系，调节气体、水和养分的交换，并为土壤生物提供栖息地（Pluer等人，2020；Tkacz等人，2020）。然而，人口快速增长、城市化和不可持续的土地利用加剧了全球土地退化（Vávra等人，2019；Wang等人，2021）。植被恢复已成为改善土壤质量和生态系统服务的有效措施（Strassburg等人，2019；Chen等人，2024）。在各种恢复措施中，经济林（如果园）在丘陵和山区发挥着关键作用，因为它们在生态保护和经济效益方面具有双重作用（Tamang等人，2019；Liu等人，2020）。从2013年到2022年，全球果园面积和水果产量分别增长了6.49%和15.74%（FAO，2024），预计到2050年水果产量将增加35%（Mason-D'Croz等人，2019），这反映了经济林在土地利用转型中的重要性。这些恢复措施的可持续性在很大程度上取决于它们对土壤物理质量的影响，而土壤物理质量是支撑生态系统功能和生产力的关键因素。经济林不断受到人为管理（如施肥、修剪、采伐）的影响，这可能导致其与自然恢复相比在土壤物理改善方面存在显著差异，其对土壤性质的长期影响仍不确定（Hazarika等人，2023；Tian等人，2024）。了解经济林与自然恢复之间的土壤物理质量差异，并研究其随恢复年份的时间变化，对于评估生态可持续性和指导丘陵地区的可持续土地管理至关重要。

土壤物理质量评估方法通常分为三种不同的方法论方法：单一指标方法、复合指数方法和基于功能的方法（Souza等人，2017；Bünemann等人，2018；Simoes等人，2023）。其中，单一指标方法关注个别物理参数，如容重、团聚体稳定性或水力传导率（Souza等人，2017；do Nascimento等人，2019）。复合指数方法将多个标准化指标整合到一个指标中，通常使用主成分分析或加权评分（Li等人，2023；Simoes等人，2023）。基于功能的方法根据土壤支持生态或农艺功能（如根系生长、水分保持和通气）的能力来评估土壤物理质量（Bünemann等人，2018；Cavalcanti等人，2020）。基于功能的方法将多个土壤指标与关键生态功能联系起来，超越了传统单一指标评估和静态指标的局限性，提供了更现实和基于生态的土壤物理质量评估（Da Luz等人，2023；Pessoa等人，2024）。在本研究中，特别关注结构特性和与水相关的功能，因为这些是恢复过程中土壤生态效益的关键决定因素。因此，开发一个将土壤结构和水文特性信息整合到功能评估中的土壤质量指数，为土壤健康管理提供了一个科学可靠且具有情境特定性的诊断工具，其在农业和森林系统中都显示出适用性（Santos等人，2021；Santana等人，2023）。

许多研究表明，植被恢复在影响土壤物理、化学和生物性质方面起着关键作用，最终影响整体土壤质量和生态系统功能（Zhang等人，2021a；Wu等人，2023；Wang等人，2024）。值得注意的是，植被恢复显著增加了土壤有机碳、总氮和有效养分含量，主要是通过增加来自凋落物和根系的有机物质输入、增强微生物活动和减少侵蚀。这些改善已在不同地区得到报道，包括黄土高原（Song等人，2022）、中国红土地区（Wang等人，2024）、中国西南部的喀斯特地区（Lu等人，2022）、地中海山区（Cortijos-López等人，2023；Nadal-Romero等人，2023）和伊朗北部（Parhizkar等人，2021）。植被恢复还改变了土壤物理性质，如土壤团聚体稳定性、孔隙度和水分渗透能力，降低了容重并增加了饱和水力传导率（Gu等人，2019；Zhang等人，2021a，Zhang等人，2021b；de Vasconcelos等人，2023；Liang等人，2024），从而增强了土壤的物理功能和质量。

随着恢复年龄的增长，土壤物理性质通过相互作用机制逐渐改善（Wang等人，2017）。来自凋落物和根系分泌物的持续有机物质输入刺激了微生物活动，并促进了稳定土壤团聚体的形成，从而增强了结构稳定性（Wu等人，2016；Barliza等人，2018）。根系的发展物理上松动了土壤，改善了孔隙连通性，并增强了水分渗透和根系穿透能力（Zhao等人，2023；Cai等人，2024）。长期的恢复减少了土壤容重和压实，进一步改善了总孔隙度和饱和水力传导率（Pan等人，2023；Cao等人，2024）。例如，随着槐树林恢复年龄的增长，土壤结构和渗透性逐渐改善，19年的林分在容重和饱和水力传导率方面表现出最大的增强（Ding等人，2024）。然而，土壤物理改善的程度和轨迹可能因恢复措施的不同而大相径庭，特别是在自然恢复的生态系统和集约管理的经济林之间，其中定期干扰和施肥可能会使土壤结构发展偏离自然演替模式（Xu等人，2021；Wu等人，2023）。这些强调了从功能角度评估土壤物理质量的必要性，重点关注渗透、通气和抗侵蚀等关键过程，而不仅仅是依赖静态指标。

三峡水库（TGR）地区位于中国长江中上游，由于长期过度开发，该地区容易发生生态退化，过去几十年土壤侵蚀严重，森林覆盖率低（Xu等人，2011）。为了缓解这些问题，实施了大规模的恢复计划，如长江防护林项目和 Grain for Green 项目（Chen等人，2024），显著减少了土壤侵蚀和非点源污染（Shen等人，2014；Teng等人，2019）。恢复措施显著改变了土壤的物理和化学性质。例如，长期弃耕（≥15年）和柏树造林增加了土壤有机质、总氮和团聚体稳定性（Han等人，2023；Lv等人，2024）。然而，由于集约化管理，柑橘果园和耕地仍然存在养分限制（Song等人，2024）。与自然恢复相比，人工林的土壤湿度和水分保持及渗透能力较低（Xu等人，2024）。尽管这个亚热带丘陵地区经济林普遍存在，但它们对土壤结构和水文功能的长期影响仍不够清楚，这限制了对其相对于自然恢复措施的生态可持续性的明确评估。

基于上述背景，我们评估了不同植被恢复措施对TGR地区土壤物理功能和质量的影响，特别关注在经济林中土壤物理质量的时间变化，这是持续人类管理下最具实际意义的恢复措施。具体来说，我们的目标是（i）比较不同恢复措施（自然森林、草地和经济林）对土壤物理功能（SPF）和物理质量指数（SPQI）的总体影响，以及（ii）研究这些参数在经济林中随时间的具体变化。我们假设植被恢复增强了土壤物理功能（如支持植物生长、水分可用性、通气和抗退化能力），从而提高了SPQI，并且这些改善随着经济林恢复时间的延长而加剧。

研究区域

研究区域

王家桥流域（北纬31°5′至31°9′，东经110°40′至110°43′）（图1）是三峡水库地区湖北省的一个典型生态恢复小流域（Fang等人，2011）。该流域总面积约为16.7平方公里。该地区具有亚热带季风气候，年平均降水量为1016毫米，其中70%的降水发生在5月至9月之间。流域内的海拔范围从184米到1180米不等，坡度梯度从2°到

植被恢复对根系发育支持功能（SPF₁）的影响

仅从耕地转换为果园（CTO）显著降低了根系发育支持功能（SPF₁），而其他措施与未恢复的耕地（CL）相比没有显著差异（图2c）。具体来说，从耕地转换为林地（CTF）（0.485）和从耕地转换为草地（CTG）（0.456）的SPF₁得分与CL（0.476）相差不到4.0%，而从CTO转换为果园（0.280）的得分降低了41.18%。SPF₁的变化与

不同恢复措施对土壤物理性质的长期（35年）影响

不同的转化后恢复措施主要通过改变植被类型和干扰强度来影响土壤物理性质的分层响应。从耕地恢复为自然森林与表层土壤（0–20厘米）容重（BD）的显著降低有关，这可以归因于植被覆盖的增加、凋落物积累和根系活动的增强，这些共同作用导致

结论

本研究表明，恢复模式和持续时间显著影响土壤物理性质。在各种方法中，从耕地恢复为林地（CTF）在土壤抗侵蚀性和通气性方面取得了最显著的改善，从而大幅提高了土壤物理质量。相比之下，从耕地恢复为果园（CTO）和草地（CTG）的效果较为有限，特别是在土壤渗透阻力方面

CRediT作者贡献声明

杜英妮：撰写——原始草案、方法论、调查、数据管理。王云东：可视化、软件、方法论、调查、数据管理。周毅文：方法论、调查。魏玉杰：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、方法论。李赵霞：资源管理、项目行政、方法论、资金获取、概念化。王俊光：资源管理、项目行政、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究的资金支持来自国家自然科学基金（42377328；U2240222）和国家重点研发计划（2023YFD1900202）。