徐遠慧，馮 璐，屈媛媛，李 凱，李夢瑤，周 楠，徐學選,3

(1.西北農(nóng)林科技大學草業(yè)與草原學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

黃土高原生態(tài)環(huán)境問題突出，原生態(tài)系統(tǒng)因植被破壞失衡而導致水土流失，其中黃土丘陵溝壑區(qū)是最嚴重的地區(qū)之一。上世紀末我國開展了營造防護林、退耕還林(草)等一系列生態(tài)工程，通過恢復植被來保持當?shù)厮临Y源，目前已經(jīng)取得可觀的生態(tài)效益。有研究表明，退耕還林還草促進黃土高原地區(qū)植被恢復，在此過程中，土壤基本性質(zhì)、團聚體穩(wěn)定性、入滲性能等均有不同程度的改善。

土壤基本性質(zhì)和土壤團聚體的相關指標顯著反映土壤結(jié)構優(yōu)劣、抗蝕能力強弱等功能表現(xiàn)，土壤容重小，透氣性好，土壤孔隙度高，土壤團聚體穩(wěn)定性越好，則土壤結(jié)構越優(yōu)，更有利于植物的生長。植物根系因其對土壤的穿插交互聯(lián)結(jié)以及生物化學作用影響土壤團聚體穩(wěn)定性和大孔隙發(fā)育，能有效改善土壤結(jié)構，提升土壤抗侵蝕能力和入滲能力，是植被改善土壤的主要原因之一。土壤水分入滲是連接地上水轉(zhuǎn)為地下水的橋梁，是植物根系吸水的重要前提，作為檢驗土壤結(jié)構均衡性、土壤孔隙度和連通性以及土壤導水保水能力的有效因子，對于減少地表徑流、防止土壤侵蝕、表征土壤結(jié)構合理性具有重要意義。現(xiàn)有研究表明，耕地退耕后無論是林地還是草地，其土壤水力特性、土壤入滲能力等均優(yōu)于農(nóng)地；草地和灌叢地土壤的孔隙度和大孔隙數(shù)量比林地和農(nóng)地更高，更有利于水分入滲；林地恢復到31年后水分虧缺程度有所改善，而草地無改善，且林地固碳量隨恢復年限延長呈增加趨勢，而草地表現(xiàn)相反，這或許是因為所研究的草地恢復年限不夠或研究區(qū)水分分布不均勻?qū)е?。不同退耕年限林地和草地對于土壤的改善效果也存在差異，陳文媛等對比官山林場不同恢復年限林草地的土壤團聚體發(fā)現(xiàn)，退耕10年林地的土壤團聚體狀況比草地更好，退耕年限到25年時則表現(xiàn)相反；紀月等的研究表明，退耕還林年限延長林地有機質(zhì)含量和全氮含量，大團聚體含量均隨之增加，但土壤持水性卻表現(xiàn)為到退耕25年階段為最強，到退耕50年階段最弱。

可見，土壤理化性質(zhì)和結(jié)構的逐步改善得益于退耕還草的實施，然而目前關于退耕還草年限對土壤改善的綜合作用和具體表現(xiàn)的研究還較少，且已有研究成果在黃土丘陵區(qū)是否具有普遍性和不同區(qū)域間的差異性如何等問題目前仍不明確，不能準確得出退耕還草在黃土丘陵溝壑區(qū)的作用。本文在黃土丘陵溝壑區(qū)分別選取農(nóng)地、退耕5年、15年、25年的撂荒草地為研究樣地，探討退耕年限草地在土壤性質(zhì)、根系指標、團聚體特征和入滲性能之間的差異和彼此的關系，以揭示不同退耕年限對黃土丘陵溝壑區(qū)土壤性質(zhì)的改善狀況，為該地區(qū)植被建造和退耕還草效果評估和在此基礎上后續(xù)的發(fā)展規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設置在陜西省延安市安塞區(qū)墩山(109°19′22″E，36°51′15″N)，該區(qū)屬梁峁狀丘陵溝壑區(qū)，交錯分布黃綿土和沙黃土，屬大陸性季風氣候，海拔1 068～1 309 m，年均氣溫8.8 ℃，年均日照時間2 395.6 h，年均降水量505.3 mm，降雨主要集中于7—9月，多為暴雨。試驗樣地位于中科院生態(tài)修復對淺溝集水區(qū)侵蝕研究的試驗田，其中5年草地、15年草地系上世紀90年代開始陸續(xù)自然退耕還草的梁坡梯田，自退耕以來未有人為擾動；25年草地維持坡地退耕，保持坡度，土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土，質(zhì)地類型為粉砂壤土，抗侵蝕能力弱，到研究開展時期樣地植被覆蓋度明顯提高，年平均侵蝕模數(shù)大幅度下降。樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本信息

1.2 樣品的采集與處理

樣地調(diào)查與樣品采集于2019年7月進行，在每個樣地內(nèi)隨機取3個重復，用大鋁盒分層(每10 cm)采集表層(0—30 cm)原狀土樣，每份土樣重約500 g。經(jīng)過干篩—濕篩后稱重獲得<0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2，2～5，>5 mm各土壤團聚體顆粒對應的質(zhì)量，計算其質(zhì)量的百分比。采用環(huán)刀法測定土壤容重，烘干法測定土壤飽和含水率，重鉻酸鉀法測定有機質(zhì)含量，激光粒度儀(MS 2000)測定土壤機械組成，凱氏定氮儀測定土壤全氮含量。用大環(huán)刀(500 cm)取土壤中植物根系，用愛普生V370掃描儀掃描新鮮根系并使用WinRHIZO 2009分析掃描圖像，得到根系指標；將根烘干后稱重獲得根系生物量(RB)。

土壤入滲試驗于2019年8月進行，使用圓盤入滲儀分別測定4類樣地的入滲性能，具體方法參考丁康等。

1.3 分析計算

根據(jù)已有研究，分析土壤團聚體的指標為最常用的MWD、GMD和。相關計算公式為：

=×100%

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用IBM SPSS軟件(23.0版本)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，GraphPad Prism軟件(8.0版本)制圖。使用Duncan新復極差法進行多重比較分析，Pearson相關分析法分析相關性。

2 結(jié)果與分析

2.1 撂荒年限對土壤基本性質(zhì)的影響

各樣地表層土壤(0—30 cm)的基本性質(zhì)見表2。各樣地砂粒含量為42%～53%，粉粒含量為29%～37%，黏粒含量為14%～24%?？傮w來看，砂粒含量表現(xiàn)為C>C>農(nóng)地>C，粉粒含量表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地，黏粒含量表現(xiàn)為農(nóng)地>C>C>C。隨著撂荒年限增加，土壤顆粒組成中黏粒占比增加，砂粒降低，即隨著退耕年限增加，土壤的平均粒徑出現(xiàn)逐漸減小趨勢。土壤容重(BD)表現(xiàn)為農(nóng)地>C>C>C，隨著撂荒年限延長，土壤容重更小，且隨著土層的加深而不斷增加，土壤飽和含水率(SMC)增加。5年樣地和農(nóng)地0—10 cm土層中的土壤容重顯著低于其他土層(<0.05)，5年樣地20—30 cm土層中的土壤容重顯著高于其他土層(<0.05)，25年樣地20—30 cm土層中的土壤容重與10—20 cm土層差異不大，但顯著高于0—10 cm土層(<0.05)。各樣地的土壤有機質(zhì)含量(SOM)、土壤全氮含量(TN)均表現(xiàn)為C>C>農(nóng)地≈C，且25年樣地和15年樣地土TN顯著高于5年樣地和農(nóng)地(<0.05)。除農(nóng)地的土壤SOM外，SOM和TN均隨著土層加深而降低。

表2 不同撂荒年限草地土壤基本性質(zhì)

2.2 撂荒年限對土壤根系的影響

研究土壤中植物根系特征常采用根系生物量(RB)、根表面積密度(RAI)、根平均直徑(RAD)和根長密度(RLD)等指標。由表3可知，RB、RAI和RAD總體均表現(xiàn)為C>C>農(nóng)地≈C，RLD表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地，其中RB、RLD、RAI以及25年樣地和農(nóng)地的RAD均隨著土層的加深呈現(xiàn)降低趨勢。25年樣地和農(nóng)地各土層中的RB均呈顯著差異(<0.05)；不同土層間草地的RLD差異顯著(<0.05)，而農(nóng)地各土層中的RLD差異不顯著。25年樣地和15年樣地的RLD在各土層均顯著高于5年樣地和農(nóng)地(<0.05)。對于RAD，在5年樣地和15年樣地中最上層(0—10 cm)顯著高于其他土層(<0.05)；在25年樣地和農(nóng)地中各土層間呈顯著差異(<0.05)。25年樣地的各項根系相關指標均最高，15年樣地次之，具體表現(xiàn)為C25年樣地的RB分別為C15年樣地、農(nóng)地、C5年樣地的1.18，1.27，1.59倍，RLD分別為1.34，3.10，6.64倍，RAI分別為1.67，3.67，4.41倍，RAD分別為1.28，1.32，2.78倍。

表3 不同撂荒年限草地根系特征

2.3 撂荒年限對土壤團聚體的影響

2.3.1 土壤團聚體數(shù)量和分布 各樣地均表現(xiàn)為<0.25 mm粒級小團聚體含量最高，且以0—10 cm土層含量最高，隨土層深度遞減。隨著土層加深，草地的大團聚體(>5 mm粒級團聚體)含量呈遞增趨勢，而農(nóng)地的變化不規(guī)律，土壤大團聚體含量整體表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地(表4)；且在3個土層中，>5，2～5，1～2 mm 3個粒級的土壤團聚體含量均表現(xiàn)出相同的趨勢。與之相反，農(nóng)地的小團聚體(<0.25 mm粒級團聚體)含量顯著高于草地(<0.05)，25年樣地小團聚體含量顯著低于其他樣地(<0.05)。整體上5年樣地和農(nóng)地的小粒級土壤團聚體較多，15，25年樣地的大、小粒級土壤團聚體分布相對均衡。

表4 不同撂荒年限草地土壤團聚體組成

2.3.2 土壤團聚體穩(wěn)定性 土壤團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地，分形維數(shù)()則完全相反(圖1)。草地的MWD隨著土層加深呈先降低后增加的趨勢，而農(nóng)地的MWD始終呈降低趨勢，除15年樣地的0—20 cm土層外，各樣地間的MWD均差異顯著(<0.05)；GMD呈降低趨勢。除15年與5年樣地的10—20 cm土層GMD較為接近外，其他樣地間GMD均存在顯著差異(<0.05)；則較為穩(wěn)定，5年樣地與15年樣地間10—30 cm土層差異不顯著，其他各樣地同一土層間差異顯著(<0.05)。農(nóng)地的處于相對較高的水平，而MWD、GMD均顯著低于草地(<0.05)，表明農(nóng)地土壤團聚體穩(wěn)定性相對較差，形狀也相對不規(guī)則。

2.4 撂荒年限對土壤入滲性能的影響

不同撂荒年限草地表層土壤的入滲速率和過程見圖1和圖2。0負壓下各樣地在入滲15 min后達到穩(wěn)定入滲。農(nóng)地和5年樣地土壤初始入滲率(IIR)和穩(wěn)定入滲率(SIR)均表現(xiàn)接近，且與25年樣地和15年樣地間均存在顯著差異，25年樣地和15年樣地間IIR和SIR也均存在顯著差異。IIR表現(xiàn)為C>C>農(nóng)地≈C，SIR表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地?？傮w來看，草地土壤的入滲速率與其撂荒年限表現(xiàn)為正相關，即時間越長，入滲速率越快，而農(nóng)地入滲速率低于草地，并且較接近于5年草地，這與其土壤團聚體特征和根系特征結(jié)果表現(xiàn)相對應。

注：圖中不同字母表示同一土層不同樣地間差異顯著(P<0.05)。

圖2 各樣地土壤水分入滲過程

SIR與>5 mm粒級的團聚體含量、MWD、GMD、SOM、RB呈極顯著正相關關系(<0.01)，相關系數(shù)分別為0.740，0.779，0.904，0.727，0.889；與小團聚體(<0.25 mm粒級團聚體)含量、呈極顯著負相關(<0.01)，相關系數(shù)分別為-0.901和-0.831。SOM、RB、>5 mm粒級的團聚體含量越高，土壤的結(jié)構和孔隙度越優(yōu)，透水通氣性越好，入滲速率也越快。

3 討 論

3.1 撂荒年限對土壤基本性質(zhì)的影響

退耕還草能改變土壤顆粒組成、有機質(zhì)含量和含水量等土壤性質(zhì)。草地土壤中黏粒含量、有機質(zhì)含量、全氮含量隨著撂荒年限延長而增加，土壤逐漸變得疏松，土壤飽和含水率則隨之增加，這與曾健等的研究結(jié)果一致，說明撂荒草地土壤的結(jié)構隨著年限延長逐漸有所好轉(zhuǎn)。容重是土壤緊實程度的表現(xiàn)，也反映土壤的孔隙發(fā)育情況。本研究中隨著撂荒年限延長容重呈變小趨勢，表明隨著撂荒年限延長土壤孔隙有所改善，總孔隙度逐漸增大；而隨著土層加深容重逐漸增大，與草地表層土壤根系密度、活動強度大于中下層有關，說明淺層土壤受草地改善的作用更明顯。15，25年樣地有機質(zhì)和全氮含量提高，原因在于植被恢復后固碳增加，并以有機物的形式返還至土壤中，根系活動增強為根際微生物提供更加豐富的分解材料。農(nóng)地由于施肥等人類輸入導致有機質(zhì)、全氮含量高于5年樣地，甚至20—30 cm土層有機質(zhì)含量高于25年樣地；農(nóng)地黏粒含量高于草地，可能是反復的農(nóng)耕活動破壞土壤結(jié)構使其變得更偏黏重，以及土地平緩，黏粒流失較少的緣故。

3.2 撂荒年限對土壤根系的影響

植物根系通過根際間物理連結(jié)、根—土黏結(jié)以及生化作用等途徑，在改善土壤結(jié)構、形成穩(wěn)定團聚體等方面有著重要作用。Hudek等研究發(fā)現(xiàn)，根長密度高的根系能有效增加團聚體穩(wěn)定性，Demenois等的研究結(jié)果也證實了這一點，該研究還發(fā)現(xiàn)，根系生物量高的土壤其團聚體穩(wěn)定性也較高；也有研究表明，根表面積密度能有效反映根系對增強團聚體穩(wěn)定性的物理纏繞作用，根系直徑與團聚體穩(wěn)定性有密切聯(lián)系。

本研究中，撂荒初期(5年)草地根系性狀與農(nóng)地較為接近，而中后期(15，25年)草地總體優(yōu)于農(nóng)地，且25年樣地表現(xiàn)優(yōu)于15年樣地，這也與各樣地團聚體的表現(xiàn)一致，土壤根系性狀隨著草地撂荒時間的延長逐漸改善，進而強化了對土壤的正向作用。農(nóng)地在根系直徑及深層土壤的其他根系性狀數(shù)值上高于5年樣地，主要是由于農(nóng)地受人類活動影響而生長特定植被，其根系長勢更好。根系性狀隨著土層加深均呈現(xiàn)降低趨勢，這主要與根系表聚相關。

3.3 撂荒年限對土壤團聚體的影響

在土壤團聚體穩(wěn)定性的研究中常用MWD和GMD表示，其數(shù)值與土壤團聚體穩(wěn)定性和土壤抗蝕能力表現(xiàn)為正相關。撂荒草地MWD和GMD及大團聚體含量隨著退耕年限增加而增加，農(nóng)地的相應值處于較低水平，而則表現(xiàn)相反。25，15年樣地土壤團聚體MWD和GMD值較高，主要是由于植被恢復導致>5 mm粒級大團聚體含量增加，大團聚體顆粒能防止土壤板結(jié)，降低土壤密度增加孔隙，有助于提升土壤透水能力，因此撂荒年限長的土壤團聚體更為穩(wěn)定，這與陳文媛等在官山林場、安韶山等和趙世偉等在寧夏云霧山的研究均表現(xiàn)相近或具有相同趨勢?？梢?，在黃土丘陵溝壑區(qū)退耕還草逐漸增強土壤團聚體穩(wěn)定性的作用具有普遍性，能夠使土壤結(jié)構變得更好。

3.4 撂荒年限對土壤入滲的影響

撂荒年限不同，植被存在差異，其土壤的入滲性能也表現(xiàn)不同。本研究中，草地的土壤水分入滲速率與撂荒年限呈現(xiàn)正相關關系，撂荒年限越長，入滲速率越快，這在王國梁等、Yu等的研究中也得到證實。主要是因為撂荒草地受植被恢復植物活動強度增大的影響使得土壤容重較小，土壤松散，孔隙度較高，更易于導水。農(nóng)地初始入滲略高于撂荒5年草地，主要原因在于受農(nóng)耕活動作用，最上層(0—10 cm)土壤變的松散干燥，孔隙度增大，使表層導水能力增強；而農(nóng)地穩(wěn)定入滲與撂荒5年草地相接近主要是因為撂荒初期植被對土壤的改善作用還不夠明顯。容重、孔隙度、團聚體等多種性質(zhì)都是影響土壤水分入滲的因素，故土壤入滲速率可以從結(jié)果層面來檢驗和論證土壤相關性質(zhì)的表現(xiàn)。本研究中，SIR與大團聚體(>5 mm粒級團聚體)含量、MWD、GMD、SOM、RB呈極顯著正相關(<0.01)，表明植被恢復使以上指標增大，促進土壤大孔隙的形成，進而增強土壤的導水性能。

黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失主要的發(fā)生點在坡面，因此要注重在坡面的農(nóng)耕等人類活動的不利影響，加強退耕還草的實施和對此類重點區(qū)域的規(guī)劃，減少水土流失。

4 結(jié) 論

(1)撂荒過程中隨著時間延長，土壤砂粒含量減少，黏粒含量增加，土壤容重降低，土壤飽和含水量增大，有機質(zhì)積累，包括全氮、根系特征值均呈增加趨勢。

(2)土壤大團聚體含量、MWD和GMD整體表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地，與之相反。5年樣地和農(nóng)地的小粒級土壤團聚體含量較多，15，25年樣地的大、小粒級土壤團聚體含量分布相對均衡，退耕還草年限越長，對土壤團聚體的改善作用越顯著。

(3)除5年樣地初始入滲略低于農(nóng)地外，土壤入滲速率總體表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地，土壤穩(wěn)定入滲率主要受SOM、RB、>5 mm粒級的團聚體含量的影響，耕地撂荒后其草地土壤的入滲能力高于農(nóng)地，且隨著撂荒年限延長呈增強趨勢，退耕還草有利于促進土壤水分入滲，能夠有效降低土壤侵蝕，尤其是水蝕的風險。