王月玲, 王思成, 蔡進軍, 馬 璠, 董立國, 李生寶

(1.寧夏農(nóng)林科學院 荒漠化治理研究所， 寧夏 銀川 750002; 2.寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室， 寧夏 銀川 750011)

半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地林草植被恢復對土壤質(zhì)量影響評價

王月玲1, 王思成2, 蔡進軍1, 馬 璠1, 董立國1, 李生寶1

(1.寧夏農(nóng)林科學院 荒漠化治理研究所， 寧夏 銀川 750002; 2.寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室， 寧夏 銀川 750011)

[目的] 探討退耕還林還草對土壤質(zhì)量的綜合影響，為半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地植被恢復與建設提供理論依據(jù)。[方法] 選擇半干旱黃土丘陵區(qū)的寧夏回族自治區(qū)彭陽縣白陽鎮(zhèn)中莊村示范區(qū)不同退耕地林草植被恢復樣地為研究對象，采用AHP決策法對不同林草植被恢復下土壤理化因子進行綜合評價。[結(jié)果] 土壤水分是影響土壤環(huán)境狀況的最主要因子，其權(quán)重值達到了0.210，其次為土壤的總孔隙度和土壤有機質(zhì)含量，其權(quán)重值分別達到0.136，0.108，同時土壤的毛管持水量、土壤堿解氮含量和土壤脲酶含量也對土壤環(huán)境具有十分重要的作用，其權(quán)重值分別達到0.085，0.071及0.064。[結(jié)論] 通過對影響土壤環(huán)境的化學性質(zhì)、物理性質(zhì)和生物活性的綜合評價，認為林地、人工草地和天然草地不同程度地改善和提高了土壤的環(huán)境質(zhì)量，以林地改善程度最大。

半干旱黃土丘陵區(qū); 退耕地; 植被恢復; 土壤質(zhì)量; 綜合評價

黃土高原是中國水土流失最為嚴重的地區(qū)，也是西部大開發(fā)中生態(tài)環(huán)境建設重點實施區(qū)域之一[1]。黃土高原獨特的地貌特征是造成該地區(qū)水土流失的重要原因，但人為的對土地資源的不合理利用是造成該地區(qū)水土流失的主要原因。土地利用和管理是影響土壤變化的最普遍最直接最深刻的因素[2]。土地利用和管理活動將在很大程度上影響土壤質(zhì)量的時空變化.土壤質(zhì)量是全球生物圈可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一,亦是農(nóng)業(yè)發(fā)生發(fā)展、土壤管理和土地利用可持續(xù)評估指標和判斷準則。研究土地利用和管理措施對土壤質(zhì)量變化的影響已是現(xiàn)代土壤學的主要任務之一[3]。

生態(tài)環(huán)境建設的成效在很大程度上取決于生態(tài)恢復重建過程中土壤質(zhì)量的演化及其環(huán)境效應，只有系統(tǒng)中的土壤能夠不斷形成發(fā)育、正向演替，土壤質(zhì)量逐步得到提高并保持在較高水平，才能使已經(jīng)退化的生態(tài)系統(tǒng)達到生態(tài)平衡和良性循環(huán)[4]。了解不同土地利用方式導致土壤物理化學性質(zhì)的差異，是合理利用土地資源、改進土地利用方式、發(fā)展持續(xù)農(nóng)業(yè)的前提。黃土高原土地不合理利用主要表現(xiàn)為對坡地的掠奪式經(jīng)營，黃土高原的坡耕地占耕地面積的70%以上[5]，由此造成土壤貧瘠，水土流失加重、環(huán)境惡化，因此土地資源的合理利用是西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設的重點。退耕還林還草對實現(xiàn)黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設具有深遠的意義[6]。由林地、草地、農(nóng)田等幾種土地利用及其相互轉(zhuǎn)變過程中土壤質(zhì)量的變化受到越來越多的關注[7]。隨著“退耕還林”政策的實施，人工林草在黃土高原水土保持及生態(tài)環(huán)境建設中的作用日益突出[8]，如何科學、合理、實用地評價土壤環(huán)境，為指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，顯得尤為重要。為了科學地實施退耕還林還草，促進退耕還林還草事業(yè)的順利發(fā)展，本文擬采用影響土壤環(huán)境因子的多項指標對半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地不同植被恢復措施后的土壤質(zhì)量做一個客觀的的評價具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)彭陽縣東北13 km處的白陽鎮(zhèn)中莊村，地貌類型屬于黃土高原腹部梁峁丘陵地，地形破碎，地面傾斜度大，平均海拔在1 600～1 700 m。該村年平均氣溫7.6 ℃，≥10 ℃的積溫為2 200～2 750 ℃，境內(nèi)年蒸發(fā)量較大，干燥度(≥0℃的蒸發(fā)量)為1.21～1.99，無霜期140～160 d。降雨是雨水資源量的決定因素，項目區(qū)多年平均年降水量420～500 mm，降水量集中且年內(nèi)分配不均，主要集中在7—9月，而且降水的年際變差系數(shù)較大，雨量集中月份常以暴雨形式出現(xiàn)，易發(fā)局地暴雨洪水。土壤以普通黑壚土為典型土壤，土層深厚，土質(zhì)疏松。植被類型以草原植被為基礎，生長有長芒草、角蒿、鐵桿蒿、星毛委陵菜等；其次還有中生和旱中生的落葉闊葉灌叢、落葉闊葉林、草甸。人工植被以山桃、沙棘、山杏、山楊等為主，林草覆蓋率在50%以上。

2 材料與方法

2.1 試驗點的選擇及布設

選擇研究區(qū)退耕地不同林草植被類型包括7年生水平溝山杏林地、6年生退耕苜蓿地、6年水平梯田、天然草地為對照(伴生有長芒草、西山委陵菜等，蓋度為30%)為研究對象，合理布局供試樣地土壤水分監(jiān)測點、土壤取樣點，全面調(diào)查樣地的立地類型條件，包括海拔、坡度、坡位、坡向、植被等自然因子。

2.2 土壤水分的動態(tài)測定

采用德國產(chǎn)的TDR時域反射儀(time domain reflectometry)法，對所選樣地土壤水分進行持續(xù)監(jiān)測，每月3次，分別為上旬、中旬、下旬；土層深度根據(jù)樣地類型分為0—100和0—200 cm，每20 cm為一層，一般林地、草地測深0—200 cm，其他如農(nóng)田測深0—100 cm。

2.3 土壤理化性質(zhì)的測定

采用野外取樣調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合法，在選取好的典型地塊，挖掘100 cm深的土壤剖面，用鋁盒和環(huán)刀分層采取0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm深度的土壤樣品，用烘干—稱重法和浸水法測定土壤的各項理化指標，包括土壤的容重、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、總孔隙度及化驗土壤有機質(zhì)、N，P，K等。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱容量法；土壤全氮采用凱氏定氮法；土壤水解氮采用擴散吸收法；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融鉬銻抗比色法；土壤速效磷采用Olsen法；土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融火焰光度計法；土壤速效鉀采用中性醋酸銨浸提火焰光度計法。

2.4 評價方法計算

2.4.1 各個評價指標權(quán)重的確定 采用AHP決策法，同時運用模糊隸屬函數(shù)和綜合指數(shù)法對影響土壤因子的各個指標進行綜合評價分析[7]。依據(jù)(圖1)的遞階層次結(jié)構(gòu)(stepping hierarchy)，評價要素設置和構(gòu)造各層次之間的兩兩比較判斷矩陣，計算判斷矩陣的特征根和特征向量。判斷矩陣是針對層次結(jié)構(gòu)中上層次的某要素，把本層次中的各要素排在矩陣的行與列上，對各元素進行兩兩比較，對其相對重要性進行量化，并選取適當?shù)臄?shù)值(權(quán)重)對該量化的重要性加以表示。依據(jù)層次分析法(AHP)，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，兩元素的權(quán)重之比為aij=wki/wkj,aij的計算參照表1。

圖1 半干旱黃土丘陵區(qū)土壤環(huán)境因子評價指標層次結(jié)構(gòu)

wki13579wkj11/31/51/71/9同層Ci比Cj比較等級同等重要稍微重要重要非常重要絕對重要

2.4.2 土壤質(zhì)量中各評價因子數(shù)學模型的建立 容重和土壤顆粒組成等性質(zhì)隸屬度的確定采用三角形隸屬函數(shù)；有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀評價指標為第二種情況。當它們的實測數(shù)值高時，土壤質(zhì)量就好，反之就差。設該類評價指標的上、下限數(shù)值及實測值分別為b，a，x，則其標準化函數(shù)表達式為：

根據(jù)第二次全國土壤普查的分級標準實際情況，確定該5種評價指標的上下限數(shù)值(表2)。

表2 5種評價指標的上下限數(shù)值

土壤容重為：

(3) 土壤物理性質(zhì)隸屬度的確定采用升半梯形隸屬函數(shù)：

式中：x0——上臨界值。其中土壤物理性質(zhì)上臨界值分別為土壤機械組成(0.002～0.2 mm)粒徑的含量90，土壤總孔隙度為65，土壤水分為30，土壤毛管持水量為45。

3 結(jié)果與分析

3.1 層次分析的綜合排序結(jié)果

通過對半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地不同林草植被恢復后影響土壤環(huán)境因子的14個主要指標的AHP決策分析(表3)，結(jié)合圖1可以看出：土壤水分含量是影響土壤環(huán)境狀況的最主要因子，其權(quán)重值達到了0.210，其次為土壤的總孔隙度和土壤有機質(zhì)含量，其權(quán)重值分別達到0.136，0.108，同時土壤的毛管持水量、土壤堿解氮含量和土壤脲酶含量也對土壤環(huán)境具有十分重要的作用，其權(quán)重值分別達到0.085，0.071及0.064。

3.2 各因子數(shù)值的標準化及綜合指數(shù)分析

通過對各因子數(shù)值的標準化，就影響土壤環(huán)境因子中化學性質(zhì)的5個指標而言(表4)，退耕還林地土壤化學性質(zhì)的綜合指數(shù)最高達到了0.229，其次為水平梯田，其綜合指數(shù)為0.196，最差為苜蓿地和天然草地，其綜合指數(shù)為0.163?？傮w排列順序為：山杏林>水平梯田>苜蓿地≈苜蓿地。這就說明通過退耕還林總體上改善并提高了土壤的化學性質(zhì)，而實施人工種草措施后土壤的化學性質(zhì)呈下降趨勢，主要是由于人工牧草對土壤養(yǎng)分消耗大，建議實施人工種草應該注意及時進行人工補肥。

表3 層次總排序結(jié)果

表4 化學性質(zhì)指標的標準化值

對于影響土壤環(huán)境因子中物理性質(zhì)的5個指標進行綜合評價看出(表5)，山杏林的綜合指數(shù)最高為0.734，其次為梯田的綜合指數(shù)最高達到了0.726，苜蓿地和天然草地的差別不是很大，總體排列順序為:山杏林>水平梯田>天然草地>苜蓿地。這就說明通過不同恢復措施后土壤的物理性質(zhì)得到極大的改善，尤其是水平溝林地和水平梯田提高了土壤蓄水能力和植物對水分的利用效率。

表5 物理性質(zhì)指標的標準化值

對于影響土壤環(huán)境因子中的生物活性的4個指標的綜合評價看出(表6)，土壤酶活性指數(shù)最高的為人工牧草0.465，其次為梯田其指數(shù)為0.365，最差的為隔坡天然草地其指數(shù)為0.335，總體排列順序為:苜蓿地>水平梯田>山杏林>天然草地。

表6 生物活性指標的標準化值

通過對影響土壤質(zhì)量的化學性質(zhì)、物理性質(zhì)和生物活性的綜合評價(表7)，可以看出通過退耕還林還草不同程度地改善和提高了土壤的環(huán)境質(zhì)量，其排列順序為：山杏林>水平梯田>苜蓿地>天然草地。

表7 評價指標的綜合指數(shù)

4 討論與結(jié)論

植被建設是保持水土、改善生態(tài)環(huán)境的最重要手段之一，是生態(tài)環(huán)境建設的重要內(nèi)容。通過應用層次分析法和模糊綜合評價及綜合指數(shù)法相結(jié)合的方法對半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地不同植被恢復對土壤質(zhì)量的綜合評價，反映出當前退耕地不同植被恢復對土壤綜合質(zhì)量有較大的影響。植被恢復有一定的土壤培肥作用，退耕還林總體上改善并提高了土壤的化學性質(zhì)，而實施人工種草措施后土壤的化學性質(zhì)呈下降趨勢，主要是由于人工牧草對土壤養(yǎng)分消耗大，建議實施人工種草應該注意及時進行人工補肥。退耕后土壤的物理性質(zhì)也得到極大的改善，尤其是水平溝林地和機修水平梯田提高了土壤蓄水能力和植物對水分的利用效率。另外，人工種草、梯田和林地對土壤的酶活性具有顯著提高作用。這與李生寶等[9]在生態(tài)恢復初期得出的結(jié)論基本是相吻合的。

但是由于生態(tài)恢復的演替是一個漫長的階段,而且生態(tài)環(huán)境綜合治理是一項復雜的社會工程，受到多種自然因素和人為因素的影響，而這些因素都會直接或間接地影響到綜合效益。因此在半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)植被建設和生態(tài)恢復中,應以恢復生態(tài)學和景觀生態(tài)學原理為指導,廣泛喬灌草相結(jié)合的方式進行植被恢復。因地制宜,以種植鄉(xiāng)土灌木和牧草為主,引進抗旱和強適應性品種,喬灌草結(jié)合,但不宜大面積栽植喬木，逐步改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。通過自然和人工植被恢復,進行小流域綜合治理,減少水土流失,培肥地力,逐步改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境條件,促進生態(tài)環(huán)境建設的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益的統(tǒng)一,最終建立具有較高生態(tài)、社會、經(jīng)濟效益的可自我維持的生態(tài)系統(tǒng),促進全球生物圈的可持續(xù)發(fā)展。為此，必須進一步長時期地對不同植被恢復后土壤的理化性質(zhì)、土壤侵蝕及氣候效應進行系統(tǒng)測定分析研究,從而為該地區(qū)的植被恢復措施做一個客觀的評價。使得半干旱黃土丘陵區(qū)生態(tài)恢復治理真正做到以恢復生態(tài)為中心，發(fā)展經(jīng)濟為基礎，實現(xiàn)生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益的協(xié)調(diào)發(fā)展和綜合效益的穩(wěn)步提高。

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EffectsofRevegetationonSoilQualityinSemi-aridLoessHillyRegion

WANG Yueling1, WANG Sicheng2, CAI Jinjun1, MA Fan1, DONG Liguo1, LI Shengbao1

(1.InstituteofDesertAdministration,NingxiaAcademyofAgriculturalandForestrySciences,Yinchuan,NingxiaHuiAutonomousRegion750002,China; 2.NingxiaAgriculturalComprehensiveDevelopmentOffice,Yinchuan,NingxiaHuiAutonomousRegion750011,China)

[Objective] The effects of grain for green project on soil quality was explored in order to provide theoretical bases for revegetation and reconstruction of abandoned farmland in semi-arid loess hilly region. [Methods] Comprehensive evaluation of soil physio-chemical factors sampled in different revegetated farmlands was conducted by AHP method in the demonstration area at Zhongzhuang village of Pengyang County, Ningxia Hui Autonomous Region of loess hilly area. [Results] Soil moisture was the main factor that affected soil environment, its weighted value reached 0.210. Followed by soil total porosity and soil organic matter content, their weighted values reached 0.136 and 0.108, respectively. Meanwhile, soil capillary capacity, soil available nitrogen content and soil urease content had also played very important roles on the soil environment, their weighted values were 0.085, 0.071 and 0.064 respectively. [Conclusion] Through comprehensive evaluation on the environmental impacts in terms of soil chemical properties, physical properties and biological activity, to some degree, woodland, terraces, artificial and natural grassland have been improved regarding to soil environmental quality. Among which, terraced field was observed been improved as the greatest type.

semi-aridloesshillyarea;abandonedfarmland;vegetationrestoration;soilquality;comprehensiveevaluation

A

1000-288X(2017)05-0022-05

S152, S153

文獻參數(shù)： 王月玲, 王思成, 蔡進軍, 等.半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地林草植被恢復對土壤質(zhì)量影響評價[J].水土保持通報，2017,37(5)：22-27.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.004； Wang Yueling, Wang Sicheng, Cai Jinjun, et al. Effects of revegetation on soil quality in semi-arid loess hilly region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：22-27.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.004

2016-05-28

2017-04-14

國家重點研發(fā)計劃重點專項“黃土梁狀丘陵區(qū)林草植被體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化及杏產(chǎn)業(yè)關鍵技術與示范”(2016YFC0501702); “十二五”國家科技支撐計劃課題(2015BAC01B01); 寧夏“十三五”重大攻關項目“寧夏多功能林業(yè)分區(qū)域研究與示范”; 寧夏農(nóng)林科學院科技創(chuàng)新先導資金項目“寧南山區(qū)撂荒地土壤理化性質(zhì)對植被自然恢復的響應”(NKYJ-17-11)

王月玲(1980—),女(漢族),寧夏回族自治區(qū)固原市人,碩士,副研究員,主要從事黃土高原水土保持與生態(tài)環(huán)境建設方面的研究。E-mail:wylnxnky@163.com。

李生寶(1958—),男(漢族),本科,寧夏回族自治區(qū)石嘴山市人,研究員,主要從事水土保持及林業(yè)生態(tài)恢復等方面的研究。E-mail:nxnlkxy-lshb.hi@163.com。