集水对土耳其西部半干旱造林地土壤的影响

《Journal of Arid Environments》：The effects of water harvesting on the soil of a semi-arid afforestation site in Western Türkiye

　　

摘要

集水技术在半干旱地区植被建立方面发挥着有效作用。本研究评估了种植三年后，不同整地与种植处理方式——negarim微型集水区、半月形土堤、埋槽梯田、树穴种植及未处理对照——对土壤理化性质以及大、微量元素含量的影响。实验在土耳其伊兹密尔的五个半干旱造林点开展，采用随机区组设计，每个处理重复五次，种植一株龄的石松松（Pinus pinea L.）树苗。在每个实验单元的0–30 cm土层采集土壤样本。树穴种植处理的土壤容重最低。未扰动对照区的土壤有机质（OM）含量最高。相反，高强度机械处理（埋槽梯田和negarim微型集水区）的有机质含量比对照区低62–64%。总氮（N）含量在未扰动对照区和半月形土堤区最高（分别为0.16%和0.14%），且显著高于埋槽梯田区。然而，土壤质地、pH、电导率、碳酸钙含量及碳氮比无显著差异。同样，除总氮外，可利用的大、微量元素未受显著影响。半月形土堤在保持土壤有机质和氮素方面与对照区效果相当，同时对土壤的机械扰动更小。这些发现强调了理解造林成功和场地恢复背后机制的重要性，以指导未来的恢复工作和政策决策。从管理角度看，半月形土堤为干旱地区造林提供了最平衡的方案，兼顾了水文效益与最小化的土壤退化。

引言

造林提供了重要的生态、经济和社会价值，是恢复退化干旱生态系统、缓解气候变化的关键基于自然的策略（Bastin等，2019；Hong等，2020；Y?ld?z等，2022；IPCC等，2023）。除固碳外，这些措施还能带来微气候降温、水文恢复、侵蚀与洪水控制以及生物多样性和农村发展效益（Ellison等，2017；Seddon等，2020；IPCC等，2023）。然而，在半干旱地中海环境重新建立树木正变得越来越困难：多年干旱、热浪和不规律降雨已导致希腊、西班牙、土耳其、美国东南部和伊朗西部等地区的种植与天然更新项目失败率居高不下（Ramón Vallejo等，2012；Koulelis等，2023；Baykara和E?en，2025；Gheitury和Heshmati，2025）。根系发育不完善的幼树幼苗在建立前常遭受致命的缺水胁迫，这可能引发从森林向旱生灌木丛的转变（Batllori等，2020；Vacek等，2023；MacDonald等，2026）。因此，减轻早期干旱导致的死亡是干旱地区造林成功面临的核心障碍（Roque Marca等，2021；Ni等，2025）。

雨水收集系统为此提供了一种有效的应对方案。通过拦截地表径流并将其集中于植物根系区域，这些结构延长了干旱期的水分可利用性，并促进根系向下生长（Critchley等，1991；Oweis等，2012；FAO，2013；Eldridge和Ding，2023；Kara?in等，2024；Ni等，2025）。它们涵盖了不同尺度，从大型集水基础设施（如jessour、impluvium、matfia和khettara）到微型集水技术，如za?坑、tassa、等高堤、negarim和V形微型集水区、半月形土堤等，广泛分布于北非、中东和土耳其（Oweis等，2012；Dastorani等，2017；Eldridge和Ding，2023；Laaribya等，2023；Kara?in等，2024；Ayd?n等，2025、2026）。

除水文功能外，雨水收集结构还通过两组相互对立的机制重塑土壤。有机质动态呈现双向拉动：在建设性方面，减缓并集中径流可在种植区截留细粒物质、凋落物和溶解态养分，在水分与有机质输入同时具备的情况下，刺激微生物活动以及碳和氮的积累，正如黑土（Vertisols）上传统蓄水系统的研究显示，仅一次湿润—排水循环即可使土壤碳增加31%、氮增加20%（Sahu等，2015）。在约旦河西岸地中海地区的一个站址，石质梯田和半圆形土堤相比未处理对照区减少了65–85%的地表径流和58–69%的沉积物（Al-Seekh和Mohammad，2009）；而在破坏性方面，同样集中的水分与施工扰动共同加速了有机质的矿化过程并剥离地表残茬，因此未扰动土壤通常保留比经集水处理土壤更多的有机质（Al-Seekh和Mohammad，2009；Kou等，2011）。养分循环主要由沉积物和径流截留控制而非新输入驱动：通过抑制径流和侵蚀，这些结构减少了土壤养分和有机碳的损失（Adimassu等，2014），树坑种植相比未经集水处理对照区提高了土壤有机碳和总氮含量（Yegon等，2016）——但此类增益短期内通常较小，且取决于沉积物的养分含量，因此集水处理更侧重于保存和重新分配养分而非丰富养分（Al-Seekh和Mohammad，2009）。容重主要响应于扰动和沉积过程：修建梯田和微型集水区所需的土壤扰动，随后截留细黏土的沉降与封土作用，往往导致表层土壤容重升高（Al-Seekh和Mohammad，2009；Gammoh，2011），但将集水处理与土壤有机质改良结合可扭转这一趋势，使容重降低约3.5%并改善水力传导率和团聚体形成（Zhang等，2021）。某种特定结构最终成为肥沃的汇还是成为压实且有机质耗竭的地块，取决于沉积物截留与施工扰动之间的平衡——这一平衡在半干旱地中海环境中仍未得到充分量化。

在土耳其干旱和半干旱地区，造林传统上依赖树穴种植和埋槽梯田，但日益加剧的夏季干旱使其面临越来越大的困难（GDF，2024；Ayd?n等，2026）。为解决这一问题，Ayd?n等（2025）在土耳其西部伊兹密尔的退化半干旱地引入了一系列雨水收集系统，包括negarim微型集水区和半月形土堤，并与传统方法（埋槽梯田和树穴种植）并列，采用耐旱、生长缓慢的土耳其栎（Quercus cerris L.）和石松松（Pinus pinea L.）。随后在同一伊兹密尔实验站开展的配套研究也采用同一组雨水收集处理与传统处理对比，使用了耐旱、生长快速的刺槐（Robinia pseudoacacia L.）幼苗（Ayd?n等，2026）。尽管这两项在实验站的研究评估了雨水收集对早期树苗存活、生长和土壤水分的影响，但它们仅将土壤响应作为一个单一的水文变量来考察。因此，这些研究未涉及重度场地准备所引发的更广泛的土壤机制及潜在的土壤退化权衡问题。此外，迄今为止，在半干旱地中海生态系统中，鲜有研究同时量化多个处理下（negarim微型集水区、半月形土堤、埋槽梯田、树穴种植和未扰动对照）表层土壤物理性质（容重、粒级分布）、化学特征（pH、电导率、碳酸钙含量、碳氮比）以及全套大、微量元素。弥补这一空白对于理解树苗存活和生长背后的土壤机制至关重要。

树种选择是塑造干旱地区土壤动态的另一关键因素，树种介导效应可能与雨水收集结构的效益互补或抵消，最终决定土壤肥力轨迹和生态系统可持续性（Binkley和Giardina，1998；Augusto等，2015；Lucas-Borja等，2022；Hu等，2024）。不同树种影响土壤碳储量（Mayer等，2020），且在凋落物质量、根系构型、养分循环和根际过程方面存在差异：总体而言，阔叶树种在提高土壤有机碳、酶活性和微生物生物量方面通常优于干旱造林中常用的针叶树种（Hu等，2024），而发达的根系则能改善团聚体稳定性和养分含量并限制侵蚀（Parhizkar，2024）。例如，土耳其半干旱地区长期种植黑松（Pinus nigra Arnold.）的研究表明，针叶树建群可随时间显著增加土壤有机碳和氮储量，凸显了树种在土壤发育中的关键驱动作用（Sarginci和Se?ilmi?，2025）。种特异性效应与本研究所采用的体系直接相关，因为石松松（Pinus pinea L.）是本次研究的种植树种。在同一实验站，配套研究显示，相同雨水收集结构的生态回报具有显著的种间依赖性：雨水收集使耐旱性较弱的石松松和土耳其栎的早期存活率分别提高了约三分之一到两倍以上（Ayd?n等，2025），而生长快速、具固氮能力的刺槐在所有处理中存活率均表现良好，反而将水分优势转化为显著的促进生长效应，其高度增长相比树穴种植超过100%（Ayd?n等，2026）。由于这些树种在凋落物、根系和根际特征上对土壤施加了截然不同的印记，特定结构所引发的土壤轨迹不能被假定为树种中性的，这促使我们在缓慢生长的针叶树（即石松松）这一特定背景下解读当前的土壤结果，并强调树种选择必须与场地条件和管理目标相一致，以优化恢复效果（Ayan等，2021；Vacek等，2023）。

本研究旨在评估三种处理后——negarim微型集水区、半月形土堤、埋槽梯田和树穴种植——与未扰动对照土壤相比的土壤效应，以推进对早期造林表现背后机制的理解，并为优化未来的恢复策略提供参考。

站点历史

本研究在Ayd?n等（2025）选定的土耳其西部伊兹密尔省半干旱造林站进行（表1；图1）。研究站点由伊兹密尔林业区域局阿利亚加森林管理分局管辖。森林管理部门正式认定这些站址因恶劣气候以及野火和非法放牧等持续扰动而退化，这些是该地区典型的扰动类型。土壤为裸露状态

结果

树穴种植处理（森林管理中的标准处理）观测到最低的土壤容重（BD）平均值（1.02 g cm?3）（图3）。树穴种植处理与对照处理之间的土壤容重无显著差异，后者未经历任何场地准备扰动。树穴种植地块的平均容重显著低于集水与梯田处理（低约29–39%）。梯田处理具有最高的平均土壤容重（1.67 g cm?3）。

集水与传统处理对土壤理化特征的影响

梯田和集水处理区比其余处理区更高的土壤压实（即容重）可归因于多种机制。最强烈的机械扰动（即多次挖掘机碾压）发生在这些处理的施工阶段，特别是梯田处理（图3）。重型机械和多次碾压是众所周知的增加土壤容重和压实度、降低土壤孔隙度的因素（Sarginci和Se?ilmi?，2025）。相比之下，局部化的土壤

结论

建植三年后，本研究表明半干旱造林的场地准备选择会在土壤物理-化学动态与短期微气候/水文效益之间引发关键权衡。虽然传统树穴种植保持了较低的容重，未扰动对照土壤保留了较高的有机质（OM）和总氮（N），但高强度机械准备方法（埋槽梯田和negarim微型集水区）严重降低了表层土壤的OM和

CRediT作者贡献声明

Muhammed Ali Ayd?n：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，调查研究，数据整理。Melis ?er?io?lu：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，可视化，监督，方法学，调查研究，数据整理。Derya E?en：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，监督，方法学，调查研究，概念化。Yasin Kara?in：撰写—审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能对本研究有所影响的财务利益或个人关系方面的已知竞争利益。

致谢

本研究由伊兹密尔卡迪夫凯勒比大学科研基金（BAP）支持（资助编号：2023-ARC-ORMF-0003）。我们感谢伊兹密尔林业区域局对实验站点的准入和后勤支持，以及爱琴海林业研究所对土壤样本的分析工作。

Muhammed Ali Ayd?n | Melis ?er?io?lu | Derya E?en | Yasin Kara?in
伊兹密尔卡迪夫凯勒比大学，林学院，森林工程系，伊兹密尔，土耳其