馮天驕，衛(wèi)　偉，陳利頂，于　洋，楊　磊，張涵丹

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京　100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京　100049

?

隴中黃土區(qū)坡面整地和植被類型對土壤化學(xué)性狀的影響

馮天驕1,2，衛(wèi)偉1,*，陳利頂1，于洋1，楊磊1，張涵丹1,2

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京100085 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049

摘要:合理的坡面整地和人工植被恢復(fù)能夠改善土壤狀況，進(jìn)而促進(jìn)植被生長和生境改善。在半干旱黃土高原地區(qū)，研究不同植被類型和整地方式下的土壤屬性變化規(guī)律，對于揭示整地-植被-土壤之間的相互作用機(jī)制有重要意義?；谕鈽I(yè)采樣和室內(nèi)測定的方法，測定了樣品的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、有效磷和酸堿度，對比和分析黃土高原小流域不同整地方式和植被類型下的土壤養(yǎng)分特征。結(jié)果表明：(1)土壤養(yǎng)分變化的總體規(guī)律是明顯的表聚性，土壤養(yǎng)分含量隨土層的增加而減少，0—1m養(yǎng)分平均含量只有表層含量的43.1%—86.8%，除此之外全磷、全鉀養(yǎng)分含量還具有波動性、富集性等特點；(2)整地和植被類型對土壤養(yǎng)分的影響：整地方式下養(yǎng)分含量依次為：水平溝、水平階>魚鱗坑>反坡臺，植被類型養(yǎng)分對比結(jié)果：檸條>油松>山杏>側(cè)柏，同時發(fā)現(xiàn)整地方式對速效養(yǎng)分的影響較大，而植被恢復(fù)對全量養(yǎng)分的影響占主導(dǎo)優(yōu)勢；(3)植被對不同土壤養(yǎng)分的吸收利用響應(yīng)：分析植被的養(yǎng)分利用特點，發(fā)現(xiàn)側(cè)柏對磷素的消耗較大，檸條對鉀素的消耗較大，并且發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量存在波動層、漸變層和穩(wěn)定層等分布特征。

關(guān)鍵詞：黃土高原;整地方式;水土保持;生態(tài)恢復(fù);土壤改良

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的主要組分，是土壤物理、化學(xué)、生物等性質(zhì)的綜合反映，土壤養(yǎng)分的各種基本性質(zhì)都能通過直接或間接的途徑，影響作物生長，對植被恢復(fù)至關(guān)重要[1-2]。黃土高原氣候干燥、降雨集中、土層深厚、土質(zhì)疏松，極易導(dǎo)致水土和養(yǎng)分流失。由于生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化，黃土高原的糧食產(chǎn)量低、植被幼苗成活率不高等問題日益明顯，為有效解決這一問題，在該地區(qū)開展了包括整修梯田、魚鱗坑、反坡臺、水平階、水平溝等形式多樣的整地措施[3-4]。研究證明，整地對黃土高原生態(tài)修復(fù)和環(huán)境改善有重要作用[5-6]。相比自然坡面，坡改梯整地方式有攔沙截流、蓄水保墑、改善土壤和植被生長條件等功效，同時大量實驗表明整地有防洪減災(zāi)、蓄水保土、改良土壤、提高土地生產(chǎn)力等優(yōu)勢[7-9]。探討整地和植被耦合下的土壤屬性變異，對于優(yōu)化黃土高原土地利用和促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善有重要意義。

圍繞這一核心議題，已有不少國內(nèi)外學(xué)者開展了試驗研究。譬如，黃土溝壑區(qū)小流域坡地的研究表明，土壤養(yǎng)分是限制坡地植被恢復(fù)的重要因素[10-11]，整地后可以對土壤理化性質(zhì)有明顯改善；王莉[12]、馬云[13]和信忠保[14]在不同地區(qū)的研究均表明，土地利用對土壤理化性質(zhì)的影響顯著，對流域尺度上土壤有機(jī)質(zhì)、全N 和速效P 含量的影響達(dá)到顯著水平。在美國西南部，Boerner[15]和Leifeld[16]對比了土地利用類型和擾動方式對土壤有機(jī)碳、無機(jī)氮和有效磷的空間格局，證明了整地能有效提高養(yǎng)分有效性和土壤碳儲量；Bocchi[17]等在意大利北部的坡地農(nóng)田對比了土壤養(yǎng)分的協(xié)同變異特征，發(fā)現(xiàn)整地后顯著提高了區(qū)域養(yǎng)分含量，Rossi[18]等在美國密歇根州西南部也研究了地形、植被和土壤性質(zhì)的關(guān)系，Tesfahunegn[19]等使用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法研究了埃塞俄比亞北部 Mai-Negus的土壤養(yǎng)分指標(biāo)的空間變異特征，繪制了有機(jī)碳、氮磷等養(yǎng)分指標(biāo)的空間分布圖，并提出了相應(yīng)的土地管理措施。上述研究均從不同方面說明了整地后對土壤養(yǎng)分有提高作用并且土壤養(yǎng)分對植被恢復(fù)至關(guān)重要。然而，除了整地措施重要性研究之外，整地方式和植被類型對土壤和環(huán)境的耦合作用仍然是亟待解決的問題，對于整地方式的多樣性和植被類型的復(fù)雜性，植被和整地措施綜合作用下的土壤屬性變化仍然存在很大的不確定性和難度，亟待進(jìn)一步深入研究。

本研究選擇黃土高原的典型小流域，基于坡面不同整地方式(水平溝、水平階、反坡臺、魚鱗坑)和植被恢復(fù)類型(油松、檸條、山杏、側(cè)柏)，采集土樣，通過對土壤養(yǎng)分的室內(nèi)測定，分析比較不同植被恢復(fù)和整地條件下的土壤養(yǎng)分變化，探討植被和微地形變化對土壤質(zhì)量的綜合影響，為該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1研究方法

1.1研究區(qū)概況

龍灘流域(35°43′—35°46′N, 104°27′—104°31′E)地處甘肅定西市西北部，屬于典型的半干旱黃土丘陵區(qū)，流域面積16.1km2，海拔1800—2200 m。該區(qū)屬半干旱大陸性氣候，據(jù)長期觀測資料(1958—至今)，平均氣溫6.8℃，平均無霜期152d，平均日照時數(shù)2052h；年均降水量386.3mm，降雨主要集中在7—9月份，且多暴雨，潛在蒸發(fā)量為1649.0mm，年平均相對濕度72%，干燥度1.9。本區(qū)屬祖厲河流域，地形以黃土長梁為主，地貌以梁狀丘陵為主，年均侵蝕模數(shù)2000—5000 t/m3，水土流失嚴(yán)重。

為改善生態(tài)環(huán)境，自20世紀(jì)50年代以來，該地區(qū)開始施行推廣坡改梯和植被恢復(fù)工程，主要有反坡梯田、水平階、水平溝、魚鱗坑等。該地區(qū)屬于典型草原地帶，天然植被約190多種，主要植被類型為多年生草本為主，主要自然植物種類有長芒草(Stipabungeana)、賴草(Leymussecalinus)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等，人工植被種類以紫花苜蓿(Medicagosativa)、檸條(Caraganakorshinskii)、山杏(Armeniacasibirica)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabulaeformis)等為主。

該流域土質(zhì)均一，土壤以黃綿土為主，有機(jī)質(zhì)含量低，土壤貧瘠。黃土土質(zhì)雖然有較多的鈣質(zhì)，但是由于土壤中有機(jī)物質(zhì)的缺失，仍未能發(fā)育成良好的土壤結(jié)構(gòu)，加上氣候和母質(zhì)等成土條件的影響，土壤發(fā)育過程遲緩，發(fā)育土壤形式簡單，淋溶作用微弱，土壤貧瘠，水分缺乏，剖面分化很弱，土壤層次不明顯。在此土壤條件下，選擇正確合理的整地方式和抗旱性、適應(yīng)能力強(qiáng)的植被，不失為一種重要的生態(tài)系統(tǒng)管理手段。

1.2實驗方法1.2.1對照樣地設(shè)立

為改善生態(tài)環(huán)境，當(dāng)?shù)貜?0世紀(jì)50年代起就開展了大規(guī)模植被恢復(fù)和地形改造工程。實踐證明，只有大量蓄積利用有限降水資源，才能達(dá)到更好效果，其中，反坡臺、魚鱗坑、水平溝、水平階作為傳統(tǒng)的整地方式，能夠使土壤疏松，攔蓄地表徑流，加強(qiáng)入滲作用，提高水分利用率；另一方面，由于該區(qū)氣候干燥，降雨量少且分布不均，表層土壤極易流失水分，在這種情況下，造林樹種選擇時要考慮其抗旱、速生、耐貧瘠和適應(yīng)能力，而油松、側(cè)柏、檸條和山杏均作為較好的生態(tài)效益植被被普遍推廣，可以固土保水，改良土壤，是當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)的代表性植被。本研究根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的人工恢復(fù)特征和實地踏查，選擇當(dāng)?shù)氐湫偷聂~鱗坑、反坡臺、水平溝、水平階4種整地方式，以及代表性植被恢復(fù)作物油松、側(cè)柏、檸條、山杏等植被，布設(shè)檸條水平階、山杏水平溝、側(cè)柏反坡臺、油松反坡臺、側(cè)柏魚鱗坑、油松魚鱗坑等小區(qū)，6個小區(qū)根據(jù)不同的整地方式和植被恢復(fù)的組合設(shè)立對比，本實驗對不同整地方式和植被類型下的土壤理化指標(biāo)進(jìn)行對比。各小區(qū)的實際尺寸、具體情況、植被狀況、地理信息見下表1。

表1　選擇小區(qū)的基本情況

*① Level bench Caragana korshinskii;② Level ditch Armeniaca sibirica;③ Adverse grade tableland Platycladus orientalis;④ Adverse grade tableland Pinus tabulaeformis;⑤ Fish-sacle pit Platycladus orientalis;⑥ Fish-sacle pit Pinus tabulaeformis; 粒徑分級是按照國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)，粘粒(<0.002mm,%) 粉砂(0.02—0.002mm,%) 砂粒(2—0.02mm,%)進(jìn)行分類

1.2.2土壤取樣和測定方法

選擇在小區(qū)內(nèi)上、中、下坡位3個位置各設(shè)點取樣，作為3次重復(fù)以表示各小區(qū)樣地內(nèi)土壤養(yǎng)分狀況，在2014年8月中旬進(jìn)行采樣，在以盡量不破壞小區(qū)為前提，保證樣點選取的分布均勻性、科學(xué)性、可比性，各小區(qū)取樣方法、時間、位置和處理方法保持一致，采集樣品按0—100 cm分為8個土層(0—5cm、5—10cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—60 cm、60—80 cm、80—100 cm)進(jìn)行取土，各3個重復(fù)，每次取樣后用取樣袋帶回實驗室進(jìn)行化驗和測定。

土壤全氮按凱氏蒸餾法測定，土壤全磷按NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定，土壤全鉀按堿融-原子吸收分光光度法測定，土壤速效養(yǎng)分的測定方法分別是：土壤堿解氮用堿解擴(kuò)散法，土壤有效磷用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法，土壤速效鉀用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法[20]。

1.3統(tǒng)計分析方法

采用描述性統(tǒng)計和方差分析等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，相關(guān)數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)來表示，同一因素不同水平間差異顯著性采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行檢驗，顯著性水平P≤0.05。統(tǒng)計分析和圖表繪制分別用SPSS Statistics 20和SigmaPlot 12.5完成。

2結(jié)果分析

2.1土壤有機(jī)質(zhì)狀況

土壤有機(jī)質(zhì)是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，它不僅能增強(qiáng)土壤的保肥和供肥能力，提高土壤養(yǎng)分有效性，而且可促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，改善土壤透水、蓄水及通氣性，增強(qiáng)土體緩沖性。檸條水平階(lbNT)、側(cè)柏魚鱗坑(fspCB)、山杏水平溝(ldSX)、側(cè)柏反坡臺(adtCB)、油松魚鱗坑(fspYS)和油松反坡臺(adtYS)不同土層深度的土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)分析結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同整地方式和植被類型土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.1　Soil organic matter content of different land preparation and vegetation types圖中不同大寫字母表示不同整地方式差異顯著，不同小寫字母表示不同土層深度之間差異顯著P<0.05；lbNT: 檸條水平階Level bench Caraganakorshinskii; fspCB: 側(cè)柏魚鱗坑Fish-sacle pit Platycladusorientalis; ldSX: 山杏水平溝Level ditch Armeniacasibirica; adtCB: 側(cè)柏反坡臺Adverse grade tableland Platycladusorientalis; fspYS: 油松魚鱗坑Fish-sacle pit Pinustabulaeformis; adtYS: 油松反坡臺Adverse grade tablel and Pinustabulaeformis

如圖1所示，除檸條水平階小區(qū)表層有機(jī)質(zhì)含量存在一定變異外，各小區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)了顯著的表聚性，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量依次為油松魚鱗坑>檸條水平階>油松反坡臺>側(cè)柏反坡臺>山杏水平溝>側(cè)柏魚鱗坑，平均含量依次為17.0、15.1、13.7、12.6、12.3、11.6 g/kg，其中油松魚鱗坑處理在表層土壤中有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他處理，其含量達(dá)到了27.9 g/kg。

相同深度不同整地方式之間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)，不同土層深度的有機(jī)質(zhì)含量變化特征不同。如圖1所示，0—5cm，油松魚鱗坑土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著低于其他3種整地類型(P<0.05)，而另外五種整地類型之間無顯著差異。5—10 cm，檸條水平階、油松魚鱗坑、油松反坡臺顯著高于側(cè)柏魚鱗坑、側(cè)柏反坡臺和山杏水平溝(P<0.05)。而在20—30 cm，油松魚鱗坑、檸條水平階有機(jī)質(zhì)含量顯著高于側(cè)柏反坡臺、側(cè)柏魚鱗坑，但與油松反坡臺差異不顯著(P<0.05)。30—40 cm、40—60 cm和60—80 cm土層中有機(jī)質(zhì)含量規(guī)律相似，均為油松魚鱗坑、檸條水平階和油松反坡臺含量高于側(cè)柏反坡臺和山杏水平溝，側(cè)柏反坡臺含量最低，但各處理之間并無顯著差異。80—100 cm時各處理之間差異不大，各處理之間均無顯著性差異。

從土壤垂直剖面看，不同整地方式下有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度的增加而減少，同時有機(jī)質(zhì)含量存在活躍層(0—20cm)、漸變層(20—60cm)、穩(wěn)定層(60cm以下)。結(jié)果顯示，魚鱗坑和油松覆蓋的配置比其他整地方式和植被覆蓋更有利于表層有機(jī)質(zhì)積累，表現(xiàn)在相同植被條件下(油松)，魚鱗坑0—5 cm有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到了27.9 g/kg，顯著高于其他處理，而各小區(qū)有機(jī)質(zhì)含量60 cm以下土層趨于相近；側(cè)柏覆蓋情況與此相似，在與其他整地方式的對比中，表層有機(jī)質(zhì)含量高。

2.2土壤氮素狀況

研究區(qū)不同植被恢復(fù)和整地措施條件下，土壤全N含量分布如圖2所示，可以看出全氮含量的垂直分布具有明顯的表聚性。

圖2　不同整地方式和植被類型土壤氮素含量Fig.2　Soil Nitrogen content of different land preparationand vegetation types

各整地方式中，土壤全氮平均大小依次為檸條水平階>油松魚鱗坑>油松反坡臺>山杏水平溝>側(cè)柏魚鱗坑>側(cè)柏反坡臺，平均含量依次為0.73 g/kg、0.71 g/kg、0.54 g/kg、0.54 g/kg、0.40 g/kg、0.40 g/kg。

土壤全氮含量在不同整地條件下存在垂直變化規(guī)律。由圖2可知，土壤全氮含量隨土層深度的增加明顯減少，相比較而言，水平階檸條和魚鱗坑油松的全氮含量較其他配置高一些，這一特點在表層0—40 cm比較明顯，各小區(qū)40—100 cm土層的全氮含量相對差異不顯著。不同植被類型下：油松和檸條優(yōu)于山杏和側(cè)柏，其中油松、檸條0—5cm表層土壤全氮含量分別達(dá)到1.04 g/kg和1.13 g/kg，高于山杏和側(cè)柏，其中山杏、側(cè)柏表層0—5 cm土層全氮含量只有0.87 g/kg、0.62 g/kg和0.81 g/kg；另一方面，從整地方式的角度分析，魚鱗坑比反坡臺更具有優(yōu)勢性，表現(xiàn)在相同植被覆蓋(油松、側(cè)柏)情況下的魚鱗坑處理的0—1 m全氮含量均值為0.71 g/kg和0.40 g/kg，高于反坡臺0—1m全氮含量，其相應(yīng)植被條件(油松、側(cè)柏)全氮含量只有0.54 g/kg和0.40 g/kg。

從圖中可以看出堿解氮含量隨土層深度的增加而逐漸減少，下降趨勢明顯。檸條和山杏植被覆蓋情況下的堿解氮含量相對較高，含量達(dá)到了42.00 g/kg和22.25 g/kg，而油松植被覆蓋情況下的堿解氮次之，含量為22.25 g/kg和30.34 g/kg，側(cè)柏覆蓋情況下的堿解氮含量較低，最低只有16.76 g/kg；從整地方式來分析，水平階和水平溝整地方式的堿解氮含量較高42.00 g/kg和30.62 g/kg，深層土壤堿解氮含量差異明顯，在80—100 cm土層反坡臺整地方式的堿解氮含量最低，只有9.31 g/kg，魚鱗坑整地方式介于水平溝和反坡臺之間。相比全氮含量相比，在植被配置對堿解氮的影響作用更明顯。

2.3土壤鉀素狀況

不同植被恢復(fù)措施條件下,土壤全K含量分布如圖3所示，可見鉀素含量的垂直分布具有富集性。

圖3　不同整地方式和植被類型土壤鉀素含量Fig.3　Soil Potassium content of different land preparationand vegetation types

全鉀含量各處理隨土層深度變化程度不顯著，各土層含量均在20—25 g/kg之間，說明了黃土高原該小流域鉀素含量較為豐富。

此外可以從圖中看出檸條植被覆蓋的處理在土層30—60 cm的全鉀含量相對較低，也是所有處理各土層中的極小值，只有(20.50±2.32) g/kg、(19.50±2.03) g/kg和(20.00±0.50)g/kg，而對比鉀磷含量可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)柏對全鉀含量的消耗較??；而檸條相反，可以說明檸條這種植被對鉀素的消耗和對磷素的保持是有積極的影響的，即水平階檸條處理的全鉀含量比較低、全磷含量比較高，側(cè)柏則與之相反。

土壤速效鉀含量隨著土層深度的加深而逐漸減少，與其他速效養(yǎng)分含量變化規(guī)律相似，具有明顯的表聚性。數(shù)據(jù)表明表層速效鉀含量高的情況下深層速效鉀含量較低，即速效鉀0—100 cm速效鉀含量總量基本相同，平均含量都在80—100mg/kg之間，也說明了在該地區(qū)相對充足的鉀素情況下，速效鉀含量相對平衡，具有明顯的表聚性，各處理之間沒有明顯差異。

2.4土壤磷素狀況

各處理的土壤全磷含量在土層中含量變化較大(圖4)，呈現(xiàn)出波動性。在全磷含量的變化上隨土層規(guī)律并不明顯，平均含量在0.80—1.80g/kg之間，原因是磷元素在土壤中的移動性較弱，不易隨著雨水淋溶或者土壤水分下滲，從而使土壤中全磷含量在各土層中變化不大。而側(cè)柏植被覆蓋下的整地方式相對油松和檸條的全磷含量較低，其中側(cè)柏反坡30 cm土層的全磷含量只有0.67g/kg；而各處理全磷含量波動較大，檸條水平階全磷含量較其他處理相對較高，達(dá)到1.70 g/kg。這樣的結(jié)果可以反映側(cè)柏對全磷的消耗量比較大，而檸條相反對全磷的消耗較小，與鉀素狀況相反。

圖4　不同整地方式和植被類型土壤磷素含量Fig.4　Soil Phosphorus content of different land preparationand vegetation types

各處理的有效磷的變化趨勢同樣具有明顯的表聚性：隨土層深度的增加，有效磷含量逐漸減少。水平階檸條的有效磷含量高于其他處理的有效磷含量，說明檸條對土壤有效磷的保持作用比較好，而在20 cm和100 cm土層的有效磷含量較高可能與檸條的根系分布有關(guān)，檸條根系主要集中在0—100 cm土層，從數(shù)據(jù)上看20 cm和100 cm土層的根系吸收效率低于其他位置根系吸收的效率。

從實驗測定數(shù)據(jù)來看，在同種植被覆蓋下，有效磷含量高低順序依次是水平溝、水平階>魚鱗坑>反坡臺處理，除檸條植被下的含量在20 cm和100 cm土層處的波動外，其余處理表聚性明顯，隨土層深度有效磷含量下降明顯。

2.5土壤酸堿度狀況

對不同整地方式的pH分析結(jié)果表明(圖5)，檸條水平階的pH值最小(8.40)，而側(cè)柏反坡臺的pH值最高(8.80)?？傮w上看土壤都偏堿性，但是各處理之間的土壤pH值并無明顯的差異，隨土壤深度變化也并不明顯。

圖5　不同整地方式和植被類型土壤pHFig.5　pHof different land preparation and vegetation types

3討論與結(jié)論

3.1討論

在黃土高原的生態(tài)環(huán)境治理和植被恢復(fù)過程中，每年都會有大量的植被枯落物隨土壤生物分解和雨水淋洗，轉(zhuǎn)化為土壤養(yǎng)分進(jìn)入土壤[21-22]。如：有機(jī)物質(zhì)通過土壤微生物的分解變化為腐殖質(zhì)，使土壤有機(jī)質(zhì)增加；植物對大氣中的氮元素的固定作用，氮元素通過落葉或其他死亡組織掉落地面，最終增加了土壤氮素含量等等[22]。在這些過程中，整地和植被覆蓋對土壤養(yǎng)分積累與循環(huán)都有一定影響，如喬木的枯枝落葉層比較厚，但也存在著其凋落物木質(zhì)素含量較高，分解速度較慢的問題[23-24]，合理的整地方式可以發(fā)揮其地形優(yōu)勢。所以在不同植被覆蓋下的地形和地區(qū)，土壤養(yǎng)分存在差異，本研究通過對不同整地方式和植被恢復(fù)條件下土壤養(yǎng)分的測定和對比，總結(jié)不同條件下的土壤養(yǎng)分變化規(guī)律，揭示整地-植被-土壤相互作用機(jī)制。

很多學(xué)者已經(jīng)證明整地方式有利于提高有機(jī)質(zhì)含量。楊潔[25]、張維國[26]等學(xué)者發(fā)現(xiàn)整地能將有機(jī)質(zhì)含量提高9.2%—41.7%；在黑龍江地區(qū)的賓縣梯田有機(jī)質(zhì)含量比坡地高41.7%[26]；本研究對比不同整地方式和植被覆蓋條件的有機(jī)質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)油松的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他植被，可能原因是油松生物量較大，而且林地在喬木的高密閉度下，地表溫度低濕度大，有利于有機(jī)質(zhì)的積累，所以才會顯著高于其他處理的有機(jī)質(zhì)含量。以上研究說明，整地和植被覆蓋條件下的有機(jī)質(zhì)含量是有一定優(yōu)勢的，在地形改造和植被覆蓋耦合作用下的土壤養(yǎng)分含量會相對有所提高。

此外，許多學(xué)者對不同整地方式條件下的氮素營養(yǎng)做過分析和比較，張彥軍[27]在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的磚窯溝流域的結(jié)果表明整地(水平梯田、林地和草地)條件下的SOC 和TN 含量較坡耕地依次提高了18%和24%、70%和59%、25%和21%; 溝坡上依次提高了76%和54%、25%和27%，可見整地后的土壤養(yǎng)分含量有明顯的提升[27]。本研究對氮元素在不同整地方式和植被恢復(fù)的對比中，可以發(fā)現(xiàn)植被類型對全氮含量的影響占主導(dǎo)作用，油松和檸條在不同整地方式條件下均大于其他植被的全氮含量，而堿解氮主要受整地方式影響，結(jié)果顯示水平階(溝)>魚鱗坑>反坡臺。磷元素在土壤中不易移動，前人研究主要集中在土壤磷素的有效性和土壤磷素的全量含量的對比，虎久強(qiáng)[28]、張維國[26]等在寧夏南部等不同地區(qū)的研究表明，土壤60cm內(nèi)，水平溝、反坡梯田、魚鱗坑的土壤有效磷含量分別比荒坡高3%—5%、2.5%—4%、1%—1.2%；黑龍江地區(qū)整地后梯田的全磷含量提高了11.5%。本研究結(jié)果分析中討論了磷元素在不同土層的分布中具有顯著的波動性，原因是磷元素在土壤中移動緩慢，降雨事件時不同程度的淋洗作用造成不同土層磷元素的含量差異。整地方式對鉀素的提高作用前人有許多研究，文波龍[29]在對水保措施(集流梯田)和坡耕地對比中，土壤全鉀含量顯著增加了14.25%—30.13%。說明整地方式對提高土壤養(yǎng)分狀況有明顯積極作用。在本研究區(qū)內(nèi)，鉀素的含量比較充裕，造成土層鉀素的富集并不同植被和整地條件下差異不顯著，本研究測定不同處理的鉀元素含量，得出土壤全鉀平均含量在21—24 g/kg之間，并無明顯差異；土壤速效鉀平均含量在80—100 mg/kg。

基于本文的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同土壤養(yǎng)分在垂直分布具有不同特性，如全量含量的波動性(P素)、富集性(K素)。之前很多研究已經(jīng)表明土壤養(yǎng)分普遍具有層次性：如胡忠良[30]、鞏杰[31]在黃土高原發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分具有明顯的垂直分布特性—表層含量明顯高于深層；張振國[32]、羅歆[33]等在其他地區(qū)對不同植被類型下土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行研究，也表明了土壤養(yǎng)分含量的表聚性。本研究除發(fā)現(xiàn)不同養(yǎng)分的表聚性特性外，還發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)分布的分層現(xiàn)象，即以20 cm為單位分別具有活躍層(0—20 cm)、漸變層(20—40 cm)、穩(wěn)定層(40cm以下)。另一方面，檸條覆蓋下土壤磷素顯著提高，側(cè)柏覆蓋下土壤鉀素含量提高，說明了不同植被覆蓋下和整地條件下的土壤養(yǎng)分有所提高，北京林業(yè)大學(xué)王華芳通過對不同種源側(cè)柏對磷的吸收過程研究，證明了不同環(huán)境條件和生長過程中植被被養(yǎng)分吸收利用有所差別[34]，植被對不同土壤養(yǎng)分的吸收利用響應(yīng)有所不同。

3.2結(jié)論

(1)土壤養(yǎng)分含量具明顯表聚性，各處理養(yǎng)分平均含量一般只有表層養(yǎng)分含量的43.1%—86.8%，全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量均隨土層深度的增加含量逐漸減少；酸堿度差異不明顯。有機(jī)質(zhì)含量存在活躍層(0—20cm)、漸變層(20—60cm)、穩(wěn)定層(60cm以下)的分布特征。

(2)植被類型與整地方式對土壤養(yǎng)分的影響：整地方式下養(yǎng)分含量依次為：水平溝、水平階>魚鱗坑>反坡臺，植被類型養(yǎng)分對比結(jié)果：檸條>油松>山杏>側(cè)柏。同時發(fā)現(xiàn)整地方式對速效養(yǎng)分的影響占主導(dǎo)優(yōu)勢，植被恢復(fù)對全量養(yǎng)分的影響占主導(dǎo)優(yōu)勢。

(3)植被對不同土壤養(yǎng)分的吸收利用響應(yīng)：分析發(fā)現(xiàn)側(cè)柏對磷素的消耗較大，并且對保持鉀素有利，而檸條正好相反，對鉀素的消耗較大，這點可以利用在植被種植和土地保護(hù)工作中。在養(yǎng)分(如鉀素)充足情況下，整地方式對該養(yǎng)分的影響不大。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]Ouyang W, Xu Y M, Hao F H, Wang X L, Siyang C, Lin C Y. Effect of long-term agricultural cultivation and land use conversion on soil nutrient contents in the SanjiangPlain. Catena, 2013, 104(5): 243- 250.

[2]傅伯杰, 馬克明, 周華峰, 陳利頂.黃土丘陵區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)對土壤養(yǎng)分分布的影響. 科學(xué)通報, 1998, 43(22): 2444- 2448.

[3]趙其國.我國的土地資源. 地理學(xué)報, 1990, 45(2): 154- 162.

[4]劉緒軍, 劉丙友, 景國臣, 陳棣, 周艷明.新修梯田對土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響. 水土保持研究, 2007, 14(1): 276- 277, 280- 280.

[5]Wei W, Chen L D, Yang L, Samadani F F, Sun G. Microtopography recreation benefits ecosystem restoration. Environmental Science & Technology, 2012, 46(20): 10875- 10876.

[6]Liu Z J, Zhou W, Shen J B, He P, Lei Q L, Liang G Q. A simple assessment on spatial variability of rice yield and selected soil chemical properties of paddy fields in South China. Geoderma, 2014, 235- 236: 39- 47.

[7]連綱, 郭旭東, 傅伯杰, 虎陳霞.黃土高原小流域土壤養(yǎng)分空間變異特征及預(yù)測. 生態(tài)學(xué)報, 2008, 28(3): 946- 954.

[8]Chen S K, Chen Y R,Peng Y H. Experimental study on soil erosion characteristics in flooded terraced paddy fields. Paddy and Water Environment, 2013, 11(1/4): 433- 444.

[9]衛(wèi)偉, 余韻, 賈福巖, 楊磊, 陳利頂. 微地形改造的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報, 2013, 33(20): 6462- 6469.

[10]魏孝榮, 邵明安.黃土高原溝壑區(qū)小流域坡地土壤養(yǎng)分分布特征. 生態(tài)學(xué)報, 2007, 27(2): 603- 612.

[11]王軍, 傅伯杰, 邱揚(yáng), 陳利頂, 余莉.黃土高原小流域土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性. 生態(tài)學(xué)報, 2002, 22(8): 1173- 1178.

[12]王莉, 張強(qiáng), 牛西午, 楊志平, 張建杰.黃土高原丘陵區(qū)不同土地利用方式對土壤理化性質(zhì)的影響. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2007, 15(4): 53- 56.

[13]馬云, 何丙輝, 陳曉燕, 史志民, 何建林.不同土地利用方式下坡面土壤養(yǎng)分分布特征. 水土保持學(xué)報, 2009, 23(6): 118- 122.

[14]信忠保, 余新曉, 張滿良, 李慶云, 李海光.黃土高原丘陵溝壑區(qū)不同土地利用的土壤養(yǎng)分特征. 干旱區(qū)研究, 2012, 29(3): 379- 384.

[15]Boerner R E J, Scherzer A J, Brinkman, J A.Spatial patterns of inorganic N, P availability, and organic C in relation to soil disturbance: a chronosequence analysis. Applied Soil Ecology, 1998, 7(2): 159- 177.

[16]Leifeld J, Bassin S, Fuhrer J. Carbon stocks in Swiss agricultural soils predicted by land-use, soil characteristics, and altitude. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2005, 105(1/2): 255- 266.

[17]Bocchi S, Castrignanò A, Fornarò F, Maggiore T. Application of factorial kriging for mapping soil variation at field scale. European Journal of Agronomy, 2000, 13(4): 295- 308.

[18]Rossi J, Govaerts A, De Vos B, VerbistaB, Vervoortb A, Poesenc J, MuysdB, DeckersJ. Spatial structures of soil organic carbon in tropical forests-a case study of Southeastern Tanzania. Catena, 2009, 77(1): 19- 27.

[19]Tesfahunegn G B, TameneL, Vlek P L G. Catchment-scale spatial variability of soil properties and implications on site-specific soil management in northern Ethiopia. Soil and Tillage Research, 2011, 117: 124- 139.

[20]呂貽忠, 李保國. 土壤學(xué). 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版, 2006: 53- 53.

[21]Cooke G W, 李慶逵.現(xiàn)代土壤知識的進(jìn)展及其應(yīng)用. 土壤學(xué)進(jìn)展, 1991,19(1): 15- 19.

[22]Cui B, Zhao H, Li X, Zhang K J, Ren H L, Bai J H. Temporal and spatial distributions of soil nutrients in Hani terraced paddy fields, Southwestern China. Procedia Environmental Sciences, 2010, 2: 1032- 1042.

[23]李香蘭, 劉玉民.黃土高原不同林型與土壤有效態(tài)微量元素關(guān)系的研究. 土壤學(xué)報, 1991,22(5): 231- 234.

[24]余存祖, 劉耀宗, 彭琳, 戴鳴鈞.黃土區(qū)土壤肥力形成過程與肥力指標(biāo)分析. 土壤通報, 1990, 21(5): 197- 201.

[25]楊潔, 喻榮崗, 謝頌華. 水土保持措施對紅壤坡地果園土壤結(jié)構(gòu)和肥力的影響. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 38(33): 18784- 18786, 18802- 18802.

[26]張維國, 曹麗萍. 反坡梯田整地效果的探討. 防護(hù)林科技, 2008, (5): 126- 126, 130- 130.

[27]張彥軍, 郭勝利, 南雅芳, 李俊超.水土流失治理措施對小流域土壤有機(jī)碳和全氮的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(18): 5777- 5785.

[28]虎久強(qiáng), 安永平, 李英武.不同整地方法對造林成效影響的比較研究. 寧夏師范學(xué)院學(xué)報, 2007, 28(3): 110- 113.

[29]文波龍, 任國, 張乃明. 云南元陽哈尼梯田土壤養(yǎng)分垂直變異特征研究. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2009, 24(1): 78- 81, 93- 93.

[30]胡忠良, 潘根興, 李戀卿, 杜有新, 王新洲.貴州喀斯特山區(qū)不同植被下土壤C、N、P含量和空間異質(zhì)性. 生態(tài)學(xué)報, 2009, 29(8): 4187- 4195.

[31]鞏杰, 陳利頂, 傅伯杰,湖陳霞, 衛(wèi)偉.黃土丘陵區(qū)小流域植被恢復(fù)的土壤養(yǎng)分效應(yīng)研究. 水土保持學(xué)報, 2005, 19(1): 93- 96.

[32]張振國, 黃建成, 焦菊英, 白文娟.黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地人工檸條林土壤養(yǎng)分特征及其空間變異. 水土保持通報, 2007, 27(5): 114- 120.

[33]羅歆, 代數(shù), 何丙輝, 劉秀華, 唐寅.縉云山不同植被類型林下土壤養(yǎng)分含量及物理性質(zhì)研究. 水土保持學(xué)報, 2011, 25(1): 64- 69, 91- 91.

[34]王華芳.三個種源側(cè)柏一年生苗木對磷的吸收. 林業(yè)科學(xué), 1996, 32(3): 219- 224.

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(41371123,41401209,41501091)

收稿日期:2015- 06- 09;

修訂日期:2015- 11- 24

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: weiwei@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201506091165

Effects of land preparations and vegetation types on soil chemical features in a loess hilly region

FENG Tianjiao1,2, WEI Wei1,*, CHEN Liding1,YU Yang1, YANG Lei1, ZHANG Handan1,2

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-environmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract：Reasonable land preparation and artificial vegetation restoration can improve soil conditions and contribute to the growth of vegetation. In the semi-arid Loess Plateau region, a study of soil properties under different vegetation and land preparation strategies is highly significant. This study reveals the interactive mechanisms between land preparation, vegetation, and soil conditions. Methods of soil sampling and laboratory measurements are utilized in this study. In the semi-arid watershed of the Loess Plateau, the physiochemical properties of soil under different land preparations were compared and analyzed. Results indicated that: (1) the nutrient content of the soil of various land preparation and vegetation types had a significant effect on surface aggregation. Surface nutrients were generally 43.1%—86.8% higher than the average content of other nutrients within the 0—1m soil layer. In addition, the total phosphorus and the total potassium content were also enriched and volatile; (2) the soil nutrients under different vegetation types decreased with the order of Caraganakorshinskii，Pinustabulaeformis,Armeniacasibirica and Platycladusorientalis. Due to the differences among plant properties, tree species always had a larger biomass and a higher coverage area, which might support the accumulation of soil nutrients. The effectiveness of land preparation methods were compared in the descending order of: Level bench>Level ditch>Fish Scale Pit>Adverse Grade Tableland. In general, land preparation measures mainly influenced the available nutrients while vegetation restoration affected total nutrients;(3) the usage features of different vegetation types on soil nutrients were also captured. It was found that Caraganakorshinskii and Platycladusorientalis might absorb more potassium and phosphorus, respectively. Moreover, thevertical distribution of organic soil content might consist of a volatile layer, a graded layer and a stabilizing layer.

Key Words:Loess Plateau; land preparation; soil and water conservation; ecological restoration; soil improvement

馮天驕，衛(wèi)偉，陳利頂，于洋，楊磊，張涵丹.隴中黃土區(qū)坡面整地和植被類型對土壤化學(xué)性狀的影響.生態(tài)學(xué)報,2016,36(11):3216- 3225.

Feng T J, Wei W, Chen L D, Yu Y, Yang L, Zhang H D.Effects of land preparations and vegetation types on soil chemical features in a loess hilly region.Acta Ecologica Sinica,2016,36(11):3216- 3225.