草灌植被恢復提高坡地土壤水穩性團聚體和碳、氮含量的有效性:退耕年限的影響

劉文祥， 李 勇， 于寒青

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081)

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草灌植被恢復提高坡地土壤水穩性團聚體和碳、氮含量的有效性:退耕年限的影響

劉文祥， 李 勇*， 于寒青

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081)

退耕還林還草; 植被恢復年限; 土壤碳、 氮儲量; 水穩性團聚體; 黃土高原

soilcarbonandnitrogenstorages;waterstableaggregates;LoessPlateau

在我國西部丘陵坡地退耕還林過程中，隨著退耕年限的增加，土壤碳、 氮儲量會明顯增加[3, 10]。例如，艾澤民等[10]在黃土丘陵區研究了退耕還林對0—20cm土層土壤碳、 氮儲量的影響，結果表明，退耕地種植刺槐林后土壤碳、 氮儲量并非與退耕年限長短相一致。這些研究在樣品采集時主要是選擇了山坡某一位置的幾個土壤剖面，而沒有從全山坡的空間尺度考慮退耕還林的土壤效應，難以反映植被對坡地景觀土壤碳、 氮儲量效應的總體評價。本研究在我國陜北黃土丘陵區，選擇不同退耕還林年限的全坡景觀，測定了退耕還林過程中坡耕地表層土壤碳、 氮儲量及水穩性團聚體含量的動態變化，旨在揭示退耕還林工程提高坡耕地土壤質量的有效性機理，為我國坡耕地土壤肥力提高措施的選擇提供科學依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

1.2樣點布設與樣品采集

為定量評價不同退耕年限草灌植被提高土壤碳、 氮儲量及水穩性團聚體的有效性，本研究利用了空間替代時間的方法，即在神木和吳旗退耕還林區，選擇了土壤類型和坡度(30°)一致的三個不同退耕年限的全坡地景觀(包括坡上部、 坡中部和坡下部)，進行樣品采集。在神木，選擇退耕已經種植5a和 >10a的苜蓿地; 在吳旗，選擇退耕已經種植5a、 >10a的沙棘地。為了比較，將一直為農地的坡耕地退耕年限設為0a。在確定的退耕坡地沿順坡斷面按照坡上部、 坡中部和坡下部進行采樣，每個坡位隨機選擇3個采樣點進行0—10cm表層土樣的采集，然后把不同坡位的樣品進行混合，每個退耕年限的坡地(全坡)總計采集3個混合樣品，共計采集了18個混合樣品，用于分析土壤碳、 氮儲量，同時環刀采集的樣品用于測定土壤容重[18]。在采集土壤碳、 氮和容重樣品的同時，每個坡位用10cm×20cm的大型鋁盒隨機采集1個原狀土壤樣，用于土壤水穩性團聚體的粒級分析，共計采集18個原狀土樣。

1.3測定方法

土壤速效氮用堿解擴散法[18]; 土壤全氮用凱氏法測定[18]。

水穩性團聚體團粒分級用濕篩法[19]: 取100g土樣放在鋪有濾紙的大表面皿上，用滴管緩慢濾紙向加去離子水, 直至使土樣完全濕潤，然后將濕潤的土樣置于2mm的篩中浸泡5min，使團聚體中殘留的空氣排出，最大量減少空氣對團聚體結構的破壞。振篩時土樣通過2mm、 0.25mm、 0.053mm系列篩子。手工振動套篩2min，上下振幅3cm，每分鐘25次手工振篩。振篩后將 2mm篩上水中懸浮的枯落物、 根系等雜質撈出。而后將套篩取出，水流盡后，依次將各篩上的土壤顆粒沖洗到鋁盤中，沖洗過程中盡量保持團粒的結構。最后將土樣在50℃過夜烘干，稱重，儲存于玻璃瓶。

1.4數據分析

土壤有機碳、 氮密度，即碳、 氮儲量是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳或氮的儲量，因此草灌坡地土壤碳、 氮儲量的計算公式為[20]:

SOCdensity(Ndensity)=CiDiEi(1-Gi)/10

式中，SOCdensity、 Ndensity指土壤有機碳或氮的密度或儲量(g/m2); Ci為土壤有機碳、 氮含量(g/kg); Di為容重(g/cm3); Ei為土層厚度(cm); Gi為>2mm的石礫所占的體積百分比(%)。不同退耕年限的坡地土壤碳、 氮儲量和水穩性團聚體含量均為3個混合樣品的平均值。

利用單因素方差分析LSD法分析草、 灌坡地土壤碳、 氮儲量和水穩性團聚體含量平均值在不同年限之間的差異顯著性，數據分析用Excel2007。

2　結果與分析

2.1不同退耕年限草灌植被對土壤有機碳儲量的提高效應

退耕坡地土壤有機碳儲量隨退耕年限的增加而增加，但其增加的數量大小因植被類型不同而有明顯差異(表1)。在神木研究區，退耕種植10a以上的苜蓿地土壤總有機碳儲量顯著高于退耕前，提高了70%，而種植5a的苜蓿地土壤總有機碳僅比退耕前提高了40%。在吳旗退耕研究區，退耕坡地種植5a和10a以上的沙棘林地土壤總有機碳儲量比退耕前提高了 138%和664%。退耕前，神木研究區農地土壤有機碳儲量高于吳旗研究區。種植5a和10a以上的沙棘林坡耕地土壤總有機碳分別是種植5a和10a以上苜蓿地的3.4和9.5倍。

2.2不同退耕年限草灌植被對土壤氮儲量的提高效應

盡管退耕坡地土壤全氮儲量隨退耕年限的增加而增加，但是其增加的幅度顯著小于土壤有機碳增加的幅度(表1)。在神木研究區，退耕種植5a和10a以上的苜蓿，其坡地土壤全氮儲量比退耕前分別提高了4%和26%。在吳旗退耕研究區，退耕坡地種植5a和10a以上沙棘林地土壤全氮儲量分別比退耕前提高了 46%和242%。種植5a和10a以上沙棘林提高坡地土壤全氮儲量的效應分別比種植5a和10a以上苜蓿大9倍以上。

種植草灌植被提高土壤速效氮效應的幅度與其提高土壤有機碳的效應相一致，均也隨退耕年限的增加呈顯著增加。在神木研究區，與坡耕地比較，種植5a和10a以上的苜蓿地土壤速效氮儲量分別提高了497%和515%，在吳旗退耕研究區，退耕坡地種植5a和10a以上沙棘林地土壤速效氮儲量比退耕前分別提高了 25%和150%。坡耕地種植5a苜蓿提高土壤速效氮的效應是種植5a沙棘林的19.2倍，種植10a以上的苜蓿提高土壤速效氮的效應是種植10a以上沙棘林的3.4倍。

表1不同退耕年限草灌植被土壤有機碳、 全氮和速效氮儲量變化

Table1Changeinsoilorganiccarbon,totalnitrogenandavailablenitrogenunderdifferenttimeof

farmlandconversiontograssesandshrubs

采樣地點Samplingsites植被類型Vegetationtypes退耕年限(a)Vegetationrestorationtime有機碳儲量(g/m2)Soilorganiccarbonstorage全氮儲量(g/m2)Totalnitrogenstorage速效氮儲量(g/m2)Availablenitrogenstorage神木苜蓿0428.51±88.03b14.11±0.54b0.34±0.11bShenmuAlfalfa5599.96±101.32b14.80±0.83a2.03±0.09a>10728.33±39.13a17.79±0.55a2.10±0.11a吳旗沙棘0257.37±8.28b13.62±3.95b1.68±0.66bWuqiSeabuckthorn5613.15±107.62b19.82±1.32ab2.16±0.22b>101966.87±433.18a46.60±3.94a4.23±0.42a

注(Note): 數據后不同字母表示同一研究區不同退耕年限之間差異達到5%顯著水平Valuesfollowedbydifferentlettersatthesamestudysitemeansignificantat5%level.

2.3不同退耕年限灌木植被對土壤水穩性團聚體含量的影響

由于神木研究區位于砂黃土區，土壤缺乏水穩性團聚體結構，因此本研究僅對吳旗退耕坡地土壤的水穩性團聚體進行了分析研究。

3　討論

本研究發現，草灌植被提高坡地土壤有機碳、 全氮和速效氮儲量的效應隨退耕年限的增加而增加。薛曉輝等[21]的研究表明，土壤有機質含量隨植被的恢復年限增加而增大，但其增長速度并不相同，與本研究的結果相一致。李澤等[22]以黃土高原溝壑區為研究對象，分析了退耕還果對黃土高原土壤氮儲量的影響，結果表明，農田退耕為果園20a后，坡地果園土壤氮儲量約為農田的1.7倍。賈曉紅等[23]的研究也表明，植被恢復下土壤氮素含量隨退耕時間的增加而逐漸增加。

總之，退耕還林還草植被對坡地土壤有機碳、 氮庫的提高效應會顯著增加土壤結構的穩定性，從而提高土壤的抗侵蝕性能，而土壤水穩性團聚體含量的增加會提高土壤的抗侵蝕性能，減少土壤養分和水分流失，提高土壤肥力[28]。因此，草灌植被提高坡地土壤水穩性團聚體和碳、 氮含量的有效性研究，是今后我國退化坡耕地土壤肥力恢復研究中值得重視的課題。

4　結論

本研究發現，草灌植被在提高侵蝕坡地土壤有機碳、 氮儲量和穩定土壤結構方面具有重要作用，草灌植被的這些作用均隨退耕年限的增加而增加。結果表明，種植 5a沙棘林坡地土壤有機碳、 全氮和速效氮儲量相對于退耕前分別提高了1.4、 0.5、 0.3 倍，種植10a以上沙棘林地分別提高了6.6、 2.4、 1.5 倍; 與退耕前相比，種植5a苜蓿使坡耕地土壤有機碳、 全氮和速效氮儲量分別提高了0.4、 0.1、 5.0 倍，種植10a以上苜蓿地分別提高了0.7、 0.3、 5.2 倍。種植5a和10a以上沙棘林使坡地土壤 >0.25mm水穩性團聚體含量分別增加了41%和56%，沙棘林對土壤有機碳和全氮的提高效應顯著大于苜蓿，而苜蓿對土壤速效氮含量的增加效應顯著大于沙棘林。沙棘和苜蓿兩種植被類型提高坡地土壤有機碳和全氮儲量的差異與退耕前坡地土壤有機碳和全氮儲量的初始水平有關，而土壤速效氮儲量增加效應的差異與沙棘和苜蓿根系在固氮功能方面的差異密切相關。退耕還林還草植被提高坡地土壤有機碳、 氮庫和水穩性團聚體含量的有效性原理，應在選擇提高我國坡耕地土壤肥力的措施時予以重視。

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SoilwaterstableaggregatesandcarbonandnitrogenstorageenhancedbyconversionoffarmlandtoshrubandgrassinChinaLoessPlateau:theinfluenceofconversioncultivationtime

LIUWen-xiang,LIYong*,YUHan-qing

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture， Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

【Objectives】ConversionoffarmlandtoforestsandgrasslandisthemostimportantfactortoaidinthepreventionandcontrolofsoilerosionaswellastorestoresoilfertilityinwesternChina.SitessubjectedtofarmlandconversioninShenmuandWuqicounties(innorthernShaanxiprovinceontheLoessPlateau)wereselectedtostudytheeffectthatconversiontograsses(Alfalfa)andshrubs(Seabuckthorn)hadonsoiloverdifferingtimescales.Inthisstudy,wefocusedspecificallyontheeffectsthatforestconversionhadonthestorageofsurfacesoilorganiccarbon,bothtotalandavailablenitrogenaswellassoilwaterstableaggregates.ThisresearchwaspartoftheGrainforGreenProgram,withtheobjectivetorevealthemechanismsinforestconversionthataffectsoilqualityofslopedland.TheobtainedresultsareexpectedtoprovideascientificbasisforimprovingsoilfertilityofslopedlandsinChina.【Methods】Usingaspatialmethod,weselectedthreedifferenttypesofconversionwithsamesoiltypesandslopegradient.Takingmeasurementsatvariouspointsacrosstheslopedlandscape,weanalyzedorganiccarbon,etcaftercollectingsoilsamples.【Results】Ourresultsshowthatsoilorganiccarbon,availablenitrogenandtotalnitrogenstorageaswellassoilwaterstableaggregatesincreasedsignificantlyalongwiththerestorationtime.Whenthesemeasurementswerecomparedtothosefromcultivatedhillslopes,stocksofsoilorganiccarbon(SOC),totalnitrogen(TN)andavailablenitrogen(AN)allincreasedafterSeabuckthornplantingfor5-yearsby1.4, 0.5and0.5times,respectively.FollowingSeabuckthornplantingfor10years,SOC,TNandANlevelswerefoundtoincreaseby6.6, 2.4, 1.5times,respectively.Whenassessingthe5-yearrestorativeeffectsofalfalfaplanting,SOC,TNandANincreasedby0.4, 0.1, 5.0timeswhencomparedtocultivatedhillslopes,whilstthesemeasurementsincreasedby0.7, 0.3, 5.2timeswhenextendedto10yearsofalfalfaplantingonhillslopes,respectively.SeabuckthornplantingonhillslopessignificantlyimprovedSOCandTNlevelswhencomparedtoslopesplantedwithalfalfa.However,theavailablenitrogeninsoilwassignificantlygreaterinalfalfa-plantedhillslopescomparedtoSeabuckthorn-plantedhillslopes.ThedifferencesinobservedSOCandTNlevelsbetweenSeabuckthorn-andalfalfa-plantedhillslopeswereduetotheinitiallevelsofthesesoilcomponentspriortotheconversiontoforestsandgrassland.WhereasdifferencesobservedinANbetweenseabuckthorn-plantedandalfalfa-plantedhillslopeswereattributedtothedifferingnitrogenfixationmechanismsbetweenthetwoplants.Asalfalfarootnitrogenfixationsweregreaterthanseabuckthorn,theamountofsoilavailablenitrogenincreasedsignificantlyinalfalfa-plantedsoil.Soilwaterstableaggregatecontentin> 0.25mmclassincreasedby41%and56%,respectively,inhillslopesplantedwithSeabuckthornfor5and10years,respectively.Thisenhancedwaterstableaggregateinconvertedforestvegetationisattributedpredominantlytoincreasedparticlesizeof0.25-2mmwaterstableaggregatecontent.【Conclusions】Ourstudysuggeststhatgrassandshrubvegetationplayanimportantroleinenhancingsoilorganiccarbonandnitrogenstoragesaswellascontributingtothestabilityofthesoilstructure.TheseeffectsshouldbeconsideredwhenchoosingmeasurestoenhancesoilfertilityinslopedfarmlandsinChinaanditmustbeacknowledgedhowdifferingmanagementofslopedlandscanaffectsoilorganiccarbonreserveswhenusingspacesubstitutefortimemethodinsmallregionalscale.

conversionfarmlandtoforestsandgrassland;conversioncultivationtime;

2014-12-25接受日期: 2015-04-28

國家自然科學基金項目(41171231); 國家“十二五”支撐計劃項目(2013BAD11B03)資助。

劉文祥(1989—)，男，山東泰安人，碩士研究生，主要從事土壤侵蝕與碳循環研究。E-mail:wxliu15153234109@163.com

E-mail:liyong@caas.cn

S152.4;S181

A

1008-505X(2016)01-0164-07