紀(jì) 月, 杜琳青, 田 鵬, 趙廣舉,3, 崔玉美, 馬亮乾

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

中國是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一。長期以來，由于不合理的土地利用及粗放經(jīng)營，導(dǎo)致區(qū)域水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡化，人地矛盾突出，為防治水土流失，恢復(fù)脆弱生態(tài)環(huán)境，緩解區(qū)域內(nèi)農(nóng)民貧困狀況，中國實(shí)施大規(guī)模的退耕還林工程[1]。經(jīng)過近20 a的退耕還林工程實(shí)施，中國西部地區(qū)植被蓋度得到了明顯的提升，江河水沙情勢(shì)發(fā)生顯著改變，水土流失得到有效遏制。退耕還林工程通過改變下墊面條件，使土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化，從而影響區(qū)域生態(tài)、水文、土壤侵蝕過程。因此，研究退耕還林工程的土壤變化效應(yīng)對(duì)退耕還林效益評(píng)價(jià)及區(qū)域水土資源保護(hù)具有重要意義，同時(shí)可為生態(tài)文明建設(shè)提供依據(jù)。

隨著退耕還林工程的實(shí)施與退耕年限的延長，退耕林地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能得到有效的改善，土壤理化性質(zhì)與植物根系系統(tǒng)發(fā)生變化，進(jìn)而改變地表土氣界面的水文、生物循環(huán)過程[2]。研究表明，退耕草地隨著退耕年限的增加，土壤的持水及供水性能得到有效提升[3]；侯浩等研究發(fā)現(xiàn)土壤中有機(jī)碳和全氮含量隨林齡的增加而增加[4]；郭明明等[5]指出退耕還林工程可增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，提高土壤的抗沖性。董莉麗等[6]研究發(fā)現(xiàn)退耕還林對(duì)黃土高原土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)及生物特性均有良好的改良作用。

米倉山地區(qū)位于中國南北過渡帶的中部，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，地勢(shì)險(xiǎn)峻，水土流失嚴(yán)重，為減少水土流失、改善生態(tài)環(huán)境，自20世紀(jì)70年代開始，該區(qū)開展了一系列退耕還林工作[7-10]，隨著幾十年的植被恢復(fù)，該區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著變化，諸多學(xué)者開展退耕還林對(duì)米倉山地區(qū)的影響研究，但研究焦點(diǎn)多集中在林地群落分布[11-12]和退耕還林工程效益等[8]方面。對(duì)于退耕還林工程對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響研究則相對(duì)較少。因此，本文以米倉山不同退耕年限樣地為研究對(duì)象，采用“時(shí)空替代法”分析不同退耕年限下土壤理化性質(zhì)差異，揭示該區(qū)退耕還林后土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律，以期為米倉山地區(qū)退耕還林效益評(píng)價(jià)與水土流失綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

米倉山地處四川省、陜西省和甘肅省的交界處，西接摩天嶺，東接大巴山，是漢江、嘉陵江的分水嶺。該區(qū)山勢(shì)陡峭、地形復(fù)雜，多為石質(zhì)山地或土石山區(qū)，森林覆蓋率較高，海拔較低的低山丘陵區(qū)植被蓋度較低，水土流失嚴(yán)重。米倉山位于中國南北過渡帶，受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的影響，氣候溫暖濕潤[13]，平均氣溫14.4 ℃，年均降水量達(dá)1 100～1200 mm，平均蒸發(fā)量為457.2 mm。本研究區(qū)的采樣點(diǎn)米倉山北坡，位于陜西省漢中市西鄉(xiāng)縣(107 °15′—108 °15′E,32 °32′—33°14′N)。研究區(qū)土壤類型以黃棕壤、黃褐土為主。植被分為人工林和天然林為主，人工林主要為側(cè)柏(Platycladusorientalis)、銳齒櫟(Quercusaliena)、水衫(Metasequoiaglyptostroboides)、桑樹(Morusalba)、茶(Camelliasinensis)、竹子(Bambusoideae)等，天然林主要為栓皮櫟(Quercusvariabilis)，胡桃楸(Juglansmandshurica)，馬尾松(Pinusmassoniana)，大葉櫸(Zelkovaschneideriana)等，農(nóng)作物主要有玉米(Zeamays)，煙草(Nicotianatabacum)，黃豆(Glycinemax)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 本研究采用“時(shí)空替代法”進(jìn)行樣地的選取，通過野外調(diào)查、詢問周圍農(nóng)戶等方式，確定樣地的退耕年限，分別選取退耕20，25，35，50 a的樣地作為研究對(duì)象，同時(shí)選取未施肥耕地及天然林地為對(duì)照，樣地選擇遵循典型性、代表性和一致性的原則。土壤樣品采于2018年10月，樣品采集時(shí)首先去除表面的枯枝落葉層，每種類型林地挖掘3個(gè)40 cm深的土壤剖面，按上層(0—20 cm)，下層(20—40 cm)分層采集土樣并編號(hào)，其中退耕50 a和天然林地的樣地土層比較淺薄，因此退耕50 a的林地采集0—10 cm和10—20 cm的土樣，天然林地只采集0—10 cm的土樣。各林地再分層將土樣混合，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干研磨、過篩、混合分樣、貯存，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分。此外，在每個(gè)樣地用環(huán)刀采集原狀土，用于測(cè)定土壤水分指標(biāo)。各樣地的基本特征見表1。

表1 樣地基本概況

1.2.2 土壤樣品處理與測(cè)定 本研究主要測(cè)定土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤結(jié)構(gòu)等土壤理化性質(zhì)。土壤水分指標(biāo)測(cè)定了土壤容重和土壤水分特征曲線，分別采用環(huán)刀法和離心法測(cè)定；土壤養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及全磷，分別用重鉻酸鉀—外加熱法，凱氏定氮法及鉬銻抗比色法來測(cè)定[14]。土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)測(cè)定了土壤機(jī)械組成和土壤團(tuán)聚體，土壤機(jī)械組成采用用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測(cè)定，根據(jù)國際制粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分質(zhì)地：砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)。土壤團(tuán)聚體采用濕篩法測(cè)定[15-16]，分別得到>1，0.5～1，0.25～0.5，0.053～0.25，<0.053 mm粒徑的團(tuán)聚體含量。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析的方法分析不同數(shù)據(jù)組間的差異并用Origin 2016制圖，采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析不同指標(biāo)間的相關(guān)性。顯著水平為p<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤結(jié)構(gòu)特征

不同退耕年限樣地土壤機(jī)械組成見圖1。研究區(qū)域內(nèi)表層土壤機(jī)械組成以粉粒為主，含量在70.25%～88.12%之間，黏粒次之，含量在8.28%～25.50%之間，砂粒最少，含量在1.48%～4.61%之間。以耕地機(jī)械組成為背景對(duì)比不同退耕年限樣地土壤顆粒變化發(fā)現(xiàn)，退耕20～35 a的樣地各粒徑土粒含量變化不明顯，退耕50 a的樣地黏粒含量上升了19.38%，粉粒含量下降了17.87%，砂粒含量變化不明顯，各粒徑土壤百分含量接近天然林地。由此表明，經(jīng)過較長時(shí)間的退耕還林后，土壤顆粒組成變化明顯。

圖1 米倉山不同退耕年限樣地土壤機(jī)械組成分布特征

分析各退耕年限的土壤團(tuán)聚體特征發(fā)現(xiàn)，退耕20，25，35 a和50 a的樣地中上層土壤>1 mm粒徑的團(tuán)聚體百分含量分別比對(duì)照耕地增加了5.75%，33.12%，35.02%和78.48%，其中退耕50 a樣地>1 mm粒徑的團(tuán)聚體百分含量為80.23%，與天然林地相近(圖2a)。0.5～1 mm及0.25～0.5 mm粒徑的團(tuán)聚體百分含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，最大值分別出現(xiàn)在退耕25 a及退耕20 a的樣地，為20.90%和20.70%。粒徑介于0.053～0.25 mm及<0.053 mm的團(tuán)聚體百分含量逐漸降低，耕地含量最高為48.60%和30.8%，天然林地含量最低，為1.95%和5.45%。這說明退耕還林可以改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，隨著退耕年限增加，土壤中植物根系和腐殖質(zhì)的數(shù)量上升，有利于團(tuán)聚體形成，再通過團(tuán)聚作用將小粒徑團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅綀F(tuán)聚體，提高土壤保水保肥能力，增強(qiáng)土壤抗沖能力。

由圖2b可以看出，下層土壤中團(tuán)聚體百分含量變化趨勢(shì)與上層土壤具有一致性。在下層土壤中，耕地和退耕50 a的樣地中粒徑>1 mm團(tuán)聚體百分含量高于上層土壤，退耕20 a，25 a和35 a的樣地分別比上層土壤低3.10%，20.47%和20.97%。除退耕25 a的樣地中0.5～1 mm粒徑的團(tuán)聚體百分含量比上層土壤高5.35%外，退耕20，35 a和50 a的樣地分別比上層土壤低2.8%，0.85%和1.13%。粒徑位于0.25～0.5 mm及0.25～0.053 mm的團(tuán)聚體含量分別比上層土壤高4.40%，5.22%，6.33%和1.10%及3.50%，12.28%，7.18%和0.87%，而耕地則低于上層土壤，說明退耕還林對(duì)上層土壤團(tuán)聚體的改良作用優(yōu)于下層土壤，且退耕年限越長，改良作用越明顯。

圖2 米倉山不同退耕年限樣地各土層團(tuán)聚體分布特征

2.2 土壤水分特征

對(duì)比不同退耕年限的土壤容重發(fā)現(xiàn)，耕地表層土壤容重最大，這與其長期耕種，土壤受到不同程度的壓實(shí)相關(guān)。不同退耕年限樣地土壤容重如圖3所示。隨著退耕年限增加，土壤容重呈現(xiàn)先減少后增加再減少的變化趨勢(shì)。退耕20，25，35，50 a的樣地容重分別比耕地降低了2%，16%，5%和19%。通過差異性分析(p<0.05)，耕地、退耕20 a和35 a樣地的土壤容重雖然逐漸降低但不存在顯著性差異，退耕25 a和50 a的樣地土壤容重顯著低于退耕20 a和35 a及耕地的樣地，且顯著高于天然林地表層的土壤容重。這說明退耕還林措施可以改善土壤容重，并且退耕年限越長，改善效果越明顯，但仍未達(dá)到天然林地的效果。

注：不同小寫字母代表不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

土壤水分特征曲線是描述土壤水吸力與土壤含水量關(guān)系的曲線，它的高低代表土壤持水能力的大小。如圖3所示，不同退耕年限土壤水分特征曲線差異明顯，隨著吸力值的增加，土壤含水量持續(xù)降低。吸力值在0～100 kPa時(shí)，土壤含水量隨土壤水吸力增大迅速降低，吸力值在100～800 kPa時(shí)，土壤含水量隨土壤水吸力增大緩慢下降并趨于平緩。選取Gardner模型θ=AS-B對(duì)不同退耕年限土壤水分特征曲線進(jìn)行擬合，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較小(見表2)。A表示土壤持水能力的大小，A值越高，代表持水能力越強(qiáng)，不同退耕年限土壤持水能力由大到小為：天然林地>退耕25 a>退耕35 a>退耕20 a>耕地>退耕50 a；B表示吸力值變化時(shí)，土壤含水量變化率大小，不同退耕年限土壤含水量率變化由大到小為：退耕50 a>天然林地>耕地>退耕25 a>退耕20 a>退耕35 a；A×B值越大，比水容量就越大，土壤水分有效性越好，不同退耕年限樣地比水容變化不大，僅退耕25 a的樣地高于耕地，其他樣地均小于天然林地。說明隨著退耕年限的增加，土壤持水能力增強(qiáng)且混交林的持水能力高于純林，土壤含水量變化率無明顯規(guī)律，水分有效性變化不明顯。

表2 Gardner模型水分特征曲線擬合參數(shù)

2.3 土壤養(yǎng)分特征

不同退耕年限樣地土壤養(yǎng)分含量見圖4。隨著退耕年限增加，退耕林地有機(jī)質(zhì)含量逐漸升高。在上層土壤中，退耕20，25，35，50 a的樣地有機(jī)質(zhì)含量較耕地分別增加了27%，134%，71%和343%(圖4a)，其中耕地與退耕20 a有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著，退耕25 a，35 a和50 a的樣地差異顯著(p<0.05)。在下層土壤中，退耕20，25，35，50 a的樣地有機(jī)質(zhì)含量較耕地分別增加了7%，88%，53%和422%(圖4b)。這說明退耕還林能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，退耕年限越長，土壤有機(jī)質(zhì)積累量越高，且上層土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于下層土壤，是因?yàn)橥烁€林措施對(duì)上層土壤有機(jī)質(zhì)的影響高于下層土壤。退耕還林后土壤全氮含量顯著高于對(duì)照耕地，土壤全氮含量由高到低依次為：退耕50 a>退耕25 a>退耕35 a>退耕20 a>耕地，在上層土壤中，退耕20，25，35，50 a的樣地全氮含量較耕地分別增加了20%，76%，64%和246%(圖4c)。在下層土壤中，除退耕20 a樣地全氮含量低于耕地外，退耕25，35，50 a的樣地全氮含量較耕地分別增加了59%，35%和201%(圖4d)。說明退耕還林措施可以提高土壤全氮含量，退耕時(shí)間越長，全氮含量越高，且上層土壤含量高于下層土壤。退耕對(duì)土壤全磷的影響見圖4。在上層土壤中，土壤全磷含量在0.42～0.55 g/kg之間波動(dòng)，無明顯規(guī)律且差異不明顯(圖4e)。在下層土壤中土壤全磷含量在0.37～0.45 g/kg之間波動(dòng)，無明顯規(guī)律且不存在顯著性差異(圖4f)。這說明退耕還林措施對(duì)米倉山土壤全磷的含量無明顯影響。

2.4 相關(guān)性分析

分析不同恢復(fù)年限對(duì)土壤各指標(biāo)的影響發(fā)現(xiàn)(見表3)，土壤容重與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與全氮含量、團(tuán)聚體百分含量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量、團(tuán)聚體百分含量及黏粒百分含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，全氮含量與團(tuán)聚體百分含量和黏粒百分含量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)。這表明退耕后，植被覆蓋度隨退耕年限的增加而增加，植被根系活動(dòng)及枯枝落葉層的分解能增加土壤黏粒含量，改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙，降低土壤容重，增加土壤的通水透氣性，土壤動(dòng)物及微生物活動(dòng)性增加，有助于積累有機(jī)質(zhì)和全氮。

表3 不同指標(biāo)間相關(guān)性分析

圖4 米倉山不同退耕年限不同土層土壤的全量養(yǎng)分特征

3 討 論

通過對(duì)比米倉山地區(qū)不同退耕年限的土壤結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，與耕地相比，退耕林地粉粒含量降低，黏粒含量增加，大粒徑團(tuán)聚體含量增加，小粒徑團(tuán)聚體含量降低。這與于寒青、蘇靜等得出的植被恢復(fù)有利于土壤團(tuán)聚形成并能影響團(tuán)聚體的組成及分布特征結(jié)論一致[17,18]。主要是因?yàn)橥烁€林后，植被根系及其分泌物加速了地表物質(zhì)的風(fēng)化，增加了小粒徑土粒的含量特別是黏粒的含量，小粒徑土粒通過凝聚膠結(jié)作用促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，且隨退耕年限的增加，小粒徑團(tuán)聚體團(tuán)聚為大粒徑團(tuán)聚體的作用增強(qiáng)，進(jìn)而有效增加土壤的穩(wěn)定性。在本研究中上層土壤的團(tuán)聚體變化趨勢(shì)與下層相同，但下層土壤大粒徑團(tuán)聚含量略低于上層土壤，表明植被根系對(duì)上層土壤團(tuán)聚體的影響大于下層土壤。

米倉山地區(qū)實(shí)施退耕還林后，退耕林地土壤容重顯著低于對(duì)照耕地，且隨著退耕年限的增加，逐漸趨于天然植被。主要是因?yàn)橥烁?，土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)得到改善，大粒徑團(tuán)聚體含量上升，土壤通氣透水性增強(qiáng)，因此土壤容重降低。在本研究中退耕25 a樣地中土壤容重小于35 a樣地，主要是因?yàn)橥烁?5 a的樣地是混交林地(水杉和竹子)，其根系較純林發(fā)達(dá)，故容重降低幅度較大。這與張曉霞等[19]在晉西黃土區(qū)的研究結(jié)果相同。

退耕還林后，米倉山地區(qū)退耕林地的土壤有機(jī)質(zhì)及全氮含量較耕地有顯著提升，并逐漸接近天然林地，且上層土壤含量高于下層土壤，呈現(xiàn)出明顯的表聚性。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量主要來自于枯枝落葉的分解并隨時(shí)間積累在土壤中，退耕年限越長，有機(jī)質(zhì)及全氮積累量越大；然而在下層土壤中，由于水熱條件不足，微生物分解作用受限，故下層有機(jī)質(zhì)及全氮積累量小于上層土壤。

4 結(jié) 論

本研究以米倉山北坡為研究對(duì)象，采用“時(shí)空替代法”，通過野外采樣，以未施肥耕地及天然林地為對(duì)照，分析了研究區(qū)不同退耕年限土壤理化性質(zhì)的變化，主要取得以下結(jié)論：

(1) 退耕還林可有效改善土壤的結(jié)構(gòu)。各樣地土壤機(jī)械組成均以粉粒為主，與耕地相比，退耕50 a的樣地粉粒含量下降了17.87%，黏粒含量上升了19.38%，在上層土壤中，退耕20，25，35，50 a的樣地>1 mm粒徑的團(tuán)聚體百分含量較耕地分別增加了5.75%，33.12%，35.02%和78.48%，下層土壤中分別增加了1.97%，13.37%，11.97%和78.60%。

(2) 隨退耕年限的增加，土壤容重顯著降低。與對(duì)照耕地相比，退耕20，25，35，50 a的樣地土壤容重分別降低了2%，16%，5%和19%，其中退耕50 a的土壤容重接近天然林地。退耕林地土壤水分特征曲線高于耕地，在低吸力階段(0～100 kPa)，土壤含水量隨土壤水吸力的上升迅速下降，在高吸力階段(100～800 kPa)，土壤含水量隨土壤水吸力的上升緩慢下降，土壤持水能力由大到小為天然林地>退耕25 a>退耕35 a>退耕20 a>耕地>退耕50 a。

(3) 退耕可顯著提升土壤的養(yǎng)分。不同退耕年限樣地土壤有機(jī)質(zhì)及全氮含量由高到底依次為天然林地>退耕50 a>退耕25 a>退耕35 a>退耕20 a>耕地。對(duì)比耕地，上層土壤中退耕20，25，35，50 a的樣地中的土壤有機(jī)質(zhì)及全氮含量分別提高了27%，134%，71%和343%和20%，76%，64%和246%，下層土壤中分別提高了7%，88%，53%和422%和12%，59%，35%和201%，且上層含量高于下層，呈現(xiàn)出明顯的表聚性。