王月玲, 王思成, 蔡進(jìn)軍, 馬 璠, 董立國(guó), 李生寶

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 荒漠化治理研究所， 寧夏 銀川 750002; 2.寧夏農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)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(fù)對(duì)土壤質(zhì)量影響評(píng)價(jià)

王月玲1, 王思成2, 蔡進(jìn)軍1, 馬 璠1, 董立國(guó)1, 李生寶1

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

[目的] 探討退耕還林還草對(duì)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(fù)與建設(shè)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(yáng)縣白陽(yáng)鎮(zhèn)中莊村示范區(qū)不同退耕地林草植被恢復(fù)樣地為研究對(duì)象，采用AHP決策法對(duì)不同林草植被恢復(fù)下土壤理化因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。[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(dá)到了0.210，其次為土壤的總孔隙度和土壤有機(jī)質(zhì)含量，其權(quán)重值分別達(dá)到0.136，0.108，同時(shí)土壤的毛管持水量、土壤堿解氮含量和土壤脲酶含量也對(duì)土壤環(huán)境具有十分重要的作用，其權(quán)重值分別達(dá)到0.085，0.071及0.064。[結(jié)論] 通過(guò)對(duì)影響土壤環(huán)境的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和生物活性的綜合評(píng)價(jià)，認(rèn)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(fù); 土壤質(zhì)量; 綜合評(píng)價(jià)

黃土高原是中國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)，也是西部大開(kāi)發(fā)中生態(tài)環(huán)境建設(shè)重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域之一[1]。黃土高原獨(dú)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(duì)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(dòng)將在很大程度上影響土壤質(zhì)量的時(shí)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(píng)估指標(biāo)和判斷準(zhǔn)則。研究土地利用和管理措施對(duì)土壤質(zhì)量變化的影響已是現(xiàn)代土壤學(xué)的主要任務(wù)之一[3]。

生態(tài)環(huán)境建設(shè)的成效在很大程度上取決于生態(tài)恢復(fù)重建過(guò)程中土壤質(zhì)量的演化及其環(huán)境效應(yīng)，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(dá)到生態(tài)平衡和良性循環(huán)[4]。了解不同土地利用方式導(dǎo)致土壤物理化學(xué)性質(zhì)的差異，是合理利用土地資源、改進(jìn)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(duì)坡地的掠奪式經(jīng)營(yíng)，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(shè)的重點(diǎn)。退耕還林還草對(duì)實(shí)現(xiàn)黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有深遠(yuǎn)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(guò)程中土壤質(zhì)量的變化受到越來(lái)越多的關(guān)注[7]。隨著“退耕還林”政策的實(shí)施，人工林草在黃土高原水土保持及生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的作用日益突出[8]，如何科學(xué)、合理、實(shí)用地評(píng)價(jià)土壤環(huán)境，為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，顯得尤為重要。為了科學(xué)地實(shí)施退耕還林還草，促進(jìn)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(xiàng)指標(biāo)對(duì)半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地不同植被恢復(fù)措施后的土壤質(zhì)量做一個(gè)客觀的的評(píng)價(jià)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(yáng)縣東北13 km處的白陽(yáng)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(wú)霜期140～160 d。降雨是雨水資源量的決定因素，項(xiàng)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(chǔ)，生長(zhǎng)有長(zhǎng)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(yàn)點(diǎn)的選擇及布設(shè)

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(duì)照(伴生有長(zhǎng)芒草、西山委陵菜等，蓋度為30%)為研究對(duì)象，合理布局供試樣地土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)、土壤取樣點(diǎn)，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(dòng)態(tài)測(cè)定

采用德國(guó)產(chǎn)的TDR時(shí)域反射儀(time domain reflectometry)法，對(duì)所選樣地土壤水分進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，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(cè)深0—200 cm，其他如農(nóng)田測(cè)深0—100 cm。

2.3 土壤理化性質(zhì)的測(cè)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(cè)定土壤的各項(xiàng)理化指標(biāo)，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(yàn)土壤有機(jī)質(zhì)、N，P，K等。土壤有機(jī)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(kuò)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(jì)法；土壤速效鉀采用中性醋酸銨浸提火焰光度計(jì)法。

2.4 評(píng)價(jià)方法計(jì)算

2.4.1 各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定 采用AHP決策法，同時(shí)運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)和綜合指數(shù)法對(duì)影響土壤因子的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析[7]。依據(jù)(圖1)的遞階層次結(jié)構(gòu)(stepping hierarchy)，評(píng)價(jià)要素設(shè)置和構(gòu)造各層次之間的兩兩比較判斷矩陣，計(jì)算判斷矩陣的特征根和特征向量。判斷矩陣是針對(duì)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(duì)各元素進(jìn)行兩兩比較，對(duì)其相對(duì)重要性進(jìn)行量化，并選取適當(dāng)?shù)臄?shù)值(權(quán)重)對(duì)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(jì)算參照表1。

圖1 半干旱黃土丘陵區(qū)土壤環(huán)境因子評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)

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

2.4.2 土壤質(zhì)量中各評(píng)價(jià)因子數(shù)學(xué)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(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀評(píng)價(jià)指標(biāo)為第二種情況。當(dāng)它們的實(shí)測(cè)數(shù)值高時(shí)，土壤質(zhì)量就好，反之就差。設(shè)該類評(píng)價(jià)指標(biāo)的上、下限數(shù)值及實(shí)測(cè)值分別為b，a，x，則其標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)表達(dá)式為：

根據(jù)第二次全國(guó)土壤普查的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際情況，確定該5種評(píng)價(jià)指標(biāo)的上下限數(shù)值(表2)。

表2 5種評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jī)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(guò)對(duì)半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地不同林草植被恢復(fù)后影響土壤環(huán)境因子的14個(gè)主要指標(biāo)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(dá)到了0.210，其次為土壤的總孔隙度和土壤有機(jī)質(zhì)含量，其權(quán)重值分別達(dá)到0.136，0.108，同時(shí)土壤的毛管持水量、土壤堿解氮含量和土壤脲酶含量也對(duì)土壤環(huán)境具有十分重要的作用，其權(quán)重值分別達(dá)到0.085，0.071及0.064。

3.2 各因子數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化及綜合指數(shù)分析

通過(guò)對(duì)各因子數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)化，就影響土壤環(huán)境因子中化學(xué)性質(zhì)的5個(gè)指標(biāo)而言(表4)，退耕還林地土壤化學(xué)性質(zhì)的綜合指數(shù)最高達(dá)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?yàn)椋荷叫恿?水平梯田>苜蓿地≈苜蓿地。這就說(shuō)明通過(guò)退耕還林總體上改善并提高了土壤的化學(xué)性質(zhì)，而實(shí)施人工種草措施后土壤的化學(xué)性質(zhì)呈下降趨勢(shì)，主要是由于人工牧草對(duì)土壤養(yǎng)分消耗大，建議實(shí)施人工種草應(yīng)該注意及時(shí)進(jìn)行人工補(bǔ)肥。

表3 層次總排序結(jié)果

表4 化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值

對(duì)于影響土壤環(huán)境因子中物理性質(zhì)的5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)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(dá)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?yàn)?山杏林>水平梯田>天然草地>苜蓿地。這就說(shuō)明通過(guò)不同恢復(fù)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(duì)水分的利用效率。

表5 物理性質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值

對(duì)于影響土壤環(huán)境因子中的生物活性的4個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)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?yàn)?苜蓿地>水平梯田>山杏林>天然草地。

表6 生物活性指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值

通過(guò)對(duì)影響土壤質(zhì)量的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和生物活性的綜合評(píng)價(jià)(表7)，可以看出通過(guò)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?yàn)椋荷叫恿?水平梯田>苜蓿地>天然草地。

表7 評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合指數(shù)

4 討論與結(jié)論

植被建設(shè)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(shè)的重要內(nèi)容。通過(guò)應(yīng)用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)及綜合指數(shù)法相結(jié)合的方法對(duì)半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地不同植被恢復(fù)對(duì)土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)，反映出當(dāng)前退耕地不同植被恢復(fù)對(duì)土壤綜合質(zhì)量有較大的影響。植被恢復(fù)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(xué)性質(zhì)，而實(shí)施人工種草措施后土壤的化學(xué)性質(zhì)呈下降趨勢(shì)，主要是由于人工牧草對(duì)土壤養(yǎng)分消耗大，建議實(shí)施人工種草應(yīng)該注意及時(shí)進(jìn)行人工補(bǔ)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(jī)修水平梯田提高了土壤蓄水能力和植物對(duì)水分的利用效率。另外，人工種草、梯田和林地對(duì)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(fù)初期得出的結(jié)論基本是相吻合的。

但是由于生態(tài)恢復(fù)的演替是一個(gè)漫長(zhǎng)的階段,而且生態(tài)環(huán)境綜合治理是一項(xiàng)復(fù)雜的社會(huì)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(huì)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(shè)和生態(tài)恢復(fù)中,應(yīng)以恢復(fù)生態(tài)學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)原理為指導(dǎo),廣泛?jiǎn)坦嗖菹嘟Y(jié)合的方式進(jìn)行植被恢復(fù)。因地制宜,以種植鄉(xiāng)土灌木和牧草為主,引進(jìn)抗旱和強(qiáng)適應(yīng)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(guò)自然和人工植被恢復(fù),進(jìn)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(jìn)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益的統(tǒng)一,最終建立具有較高生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益的可自我維持的生態(tài)系統(tǒng),促進(jìn)全球生物圈的可持續(xù)發(fā)展。為此，必須進(jìn)一步長(zhǎng)時(shí)期地對(duì)不同植被恢復(fù)后土壤的理化性質(zhì)、土壤侵蝕及氣候效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)定分析研究,從而為該地區(qū)的植被恢復(fù)措施做一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)。使得半干旱黃土丘陵區(qū)生態(tài)恢復(fù)治理真正做到以恢復(fù)生態(tài)為中心，發(fā)展經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(xiàn)參數(shù)： 王月玲, 王思成, 蔡進(jìn)軍, 等.半干旱黃土丘陵區(qū)退耕地林草植被恢復(fù)對(duì)土壤質(zhì)量影響評(píng)價(jià)[J].水土保持通報(bào)，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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)“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(guān)鍵技術(shù)與示范”(2016YFC0501702); “十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2015BAC01B01); 寧夏“十三五”重大攻關(guān)項(xiàng)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(xué)院科技創(chuàng)新先導(dǎo)資金項(xiàng)目“寧南山區(qū)撂荒地土壤理化性質(zhì)對(duì)植被自然恢復(fù)的響應(yīng)”(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(shè)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(fù)等方面的研究。E-mail:nxnlkxy-lshb.hi@163.com。