無定河流域植被恢復對土壤團聚體及碳固定的影響

董莉麗，李曉華，楊波

（咸陽師范學院資源環境與歷史文化學院，陜西咸陽712000）

無定河流域植被恢復對土壤團聚體及碳固定的影響

董莉麗，李曉華，楊波

（咸陽師范學院資源環境與歷史文化學院，陜西咸陽712000）

對無定河流域坡耕地和4、5、10、30、50年植被恢復樣地土壤水穩性團聚體含量，全土樣及不同直徑水穩性團聚體中的有機質、速效磷含量進行了測定分析，計算了土壤有機碳密度，旨在評價植被恢復對土壤結構、養分及土壤固定的影響。結果表明：各樣地全土樣有機質和速效磷含量分別介于6.73～31.83 g·kg－1和1.93～14.72 mg·kg－1之間，不同直徑團聚體有機質和速效磷含量分別介于7.15～26.03 g·kg－1和3.71～16.64mg·kg－1之間。相對農地，植被恢復能明顯增加表層土壤有機質含量和有機碳密度，杜梨群落增加幅度最高，增加值分別為24.93 g· kg－1和91.98mg·cm－2；水穩性團聚體以＜0.05mm和0.05～0.1mm為主，含量分別在37.06%～57.22%和21.71%～29.76%之間；不同直徑水穩性團聚體中有機質含量表現為＞2 mm至0.2～0.5 mm之間，直徑愈小，有機質含量愈高，0.2～0.5mm至＜0.05mm之間，粒徑愈小，有機質含量愈低；除1～2mm團聚體中的速效磷含量最高外，＞2 mm至＜0.05mm團聚體之間，粒徑愈小，速效磷含量愈低。土壤有機碳密度與植被恢復年限呈線性正相關關系。相對于土壤碳固定，土壤抵抗水力侵蝕的能力需更長時間才能顯著提高。相對慢速濕潤，快速濕潤條件下各直徑水穩性團聚體有機質含量均較高。研究區大雨或暴雨是造成該區域土壤結構惡化和有機碳損耗的主要原因。

植被恢復；土壤有機碳密度；水穩性團聚體；無定河流域

農田撂荒后的植被再生是退化生態系統侵蝕控制和生態恢復的一個重要策略［1］。農田撂荒后植被進行自然演替過程［2］，該過程促進了土壤的發展［3］，能有效地控制水土流失和防治土壤退化，對陸地生態系統碳循環與全球氣候變化有重要意義［4］。土壤有機質是大氣中CO2巨大的源和匯，對全球碳素循環的平衡起著重要作用［5］。有報道［6－7］評估了我國黃土高原地區植被恢復對土壤有機碳儲量的影響。土壤結構和團聚體穩定性可作為土壤抗蝕性指標，是影響土壤性質的關鍵要素［8］，是土壤肥力的物質基礎［9］。水穩性團聚體的保護機制與土壤碳固定密切相關［10］，研究有機質在大小不同的團聚體中的分布特征，可為碳的固定和礦化提供重要信息［8］。有學者對土壤有機碳在團聚體中分布狀況做了大量研究，但所得結果不一，有研究［11－13］得出＞0.25 mm水穩性團聚體有機質含量高，而也有研究［14］認為有機碳在＜0.25 mm團聚體中含量達到最高。

無定河流域的黃土丘陵溝壑區水土流失嚴重，年土壤侵蝕模數高達16 000～18 000 t·km－2［15］。1949年以來，該區域實施了大面積的退耕還林還草等生態環境建設工作，使大面積農田撂荒。有關該區域植被恢復對土壤團聚體穩定性及碳固定和養分的影響少見報道。本文分析無定河流域黃土高原丘陵溝壑區農田撂荒后土壤團聚體水穩性，揭示植被恢復過程中土壤碳儲量及養分恢復特征，探明不同直徑土壤水穩性團聚體中有機質和速效磷的分布特征，對闡明土壤團聚體穩定性機制及其與碳庫固定和保持養分的相關性具有十分重要的科學意義，并對評價該區域植被恢復后土壤碳儲量、土壤肥力改善及保持水土等具有一定的參考意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于無定河流域，干流全長491.2 km，流域內總面積為3 0261 km2，屬溫帶大陸性半干旱氣候，日照充足，年均氣溫9.7℃，年降水量486 mm左右，集中于7—9月，多暴雨。地帶性土壤類型為黃土母質上發育的黑壚土，非地帶性土壤為黃綿土，土壤質地為壤土。退耕還林還草工程實施以來，境內的植被覆蓋率明顯增加，逐步形成以落葉闊葉及灌木草叢為主的次生植被類型。根據當地實際植被狀況，選擇7種優勢植物群落為研究對象，并選擇農地作為對照，詳見表1。

1.2 樣品采集與分析

野外采樣于2013年8月進行，每個樣地按S型布設5個樣點，每個樣點取0～5 cm土壤樣品，將采集的5個樣點土壤樣品混合均勻，按四分法分3袋裝，帶回實驗室，自然風干后，過0.25mm和1mm篩的土壤分別用于測定有機質和速效磷含量。利用環刀法測定表層土壤容重，并采集表層（0～5 cm）原狀土樣品，帶回實驗室自然風干后，過5 mm和3 mm套篩，取5～10 g 3～5 mm的土壤團粒，利用LB方法［16］中的快速濕潤和慢速濕潤法測定不同組分土壤水穩性團聚體含量，并計算土壤水穩性團聚體的分形維數［17］、平均質量直徑和幾何平均直徑［18－19］。

土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法），土壤密度（BD）采用環刀法測定。根據參考文獻［20］，0～5 cm土壤有機碳密度SOCD（mg· cm－2）的計算公式為：SOCD＝SOM×BD×0.58×5，式中，BD為表層的土壤容重（g·cm－3），SOM為表層有機質含量（g·kg－1），5為表土層的厚度（cm），0.58為將有機質含量換算為有機碳含量的系數。另外，將各樣地同一直徑土壤水穩性團聚體樣品混合后研磨，過0.25mm篩，用于測定不同直徑（＜0.05、0.05～0.1、0.1～0.2、0.2～0.5、0.5～1.0、1.0～2mm和＞2 mm）土壤水穩性團聚體中的有機質和速效磷含量。速效磷的測定采用0.5M碳酸氫鈉浸提比色法。

1.3 數據分析

利用Excel2003和SPSS13.0軟件對數據進行統計分析，并采用方差分析（ANOVA）中的最小顯著差異（LSD）進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 植被恢復對土壤水穩性團聚體分布及穩定性的影響

以LB方法中的快速濕潤（FW）為例，研究不同植物群落土壤各直徑水穩性團聚體（WSA）百分含量，結果見圖1。由圖1可知，0.1～0.2、0.2～0.5 mm和0.5～1 mm三個直徑WSA含量較低，而0.05～0.1 mm和＜0.05 mm含量較高，1～2 mm和＞2 mm含量居中，可見，不同植物群落表層土壤WSA大致呈偏V字形分布。其中，0.5～1 mm的WSA含量最小，為0.52%～3.60%；＜0.05 mm的WSA含量最大，為37.06%～57.22%。農地土壤＞2 mm的WSA含量最低，僅為3.69%，而該值在其他各樣地均有不同程度提高；杜梨群落＜0.05 mm的WSA含量最低。可見農地退耕使＞2 mm水穩性團聚體的含量增加，這主要是通過將較小直徑的水穩性團聚體聚合來實現的。

圖1 不同植物群落土壤水穩性團聚體分布特征Fig.1 Distribution features of soilwater-stable aggregation under different plant community

由于不同直徑水穩性團聚體分布較為復雜，出現了很多的方法簡化它的數值。團聚體平均質量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和分形維數（D）是主要指標。其中，MWD和GMD越大，D值越小，說明水穩性大團聚體含量增多，團聚體穩定性好。從表2可知，MWD在0.27～0.87 mm之間，在農地最低；GMD在0.07～0.15 mm之間，在杜梨群落顯著最高，而在其他各樣地較低，且變化不大。D在2.83～2.91之間，在杜梨群落最低。可見，退耕50年的杜梨群落土壤穩定性得到明顯提高。

表2 不同群落類型下土壤各屬性特征Table 2 Soil properties under different typesof plant community

2.2 植被恢復對土壤有機質、碳固定和速效磷的影響

由表2可以看出，表層土壤容重在農地最小，在植被恢復樣地，土壤容重不同程度增加，可見退耕還林還草可增加土壤緊實度。表層土壤有機質介于6.73～31.83 g·kg－1之間，杜梨和檸條群落較高，相對農地分別增加了3.61和2.39倍，冰草、小薊、黃花蒿土壤有機質次之，相對農地分別增加了0.70、0.29和0.27倍。酸棗、鐵桿蒿和農地土壤有機質含量小，且差異不顯著，分別為7.15、6.73 g·kg－1和6.90 g·kg－1。本文應用土壤有機碳密度（SOCD）這一指標來表明植被恢復對土壤有機碳儲量的影響。不同植物群落對土壤有機碳密度的影響與土壤有機質相似。SOCD在杜梨群落最高，為113.59 mg·cm－2，在檸條樣地次之，為85.48 mg·cm－2，在農地最小，為21.61 mg·cm－2，土壤有機碳密度與退耕年限呈線性正相關關系（見圖2）。速效磷含量在1.93～14.72mg·kg－1之間，在退耕10年的冰草群落最低，在退耕50年的杜梨群落最高，相對農地增加了2.72倍。而農地速效磷含量居中，與退耕5年的酸棗群落相同。可見，植被恢復過程中，速效磷含量與恢復時間關系不大密切。根據全國第二次土壤普查養分分級標準中的有機質分級標準，杜梨、檸條和冰草群落土壤肥力質量分別為二、三和四級，而其他各樣地表層土壤肥力質量為五級，肥力質量較差。可見，在該區域通過退耕還林提高土壤質量水平需要較長的時間。

圖2 植被恢復年限與土壤有機碳密度之間的關系Fig.2 Relationship between vegetation restoration years and soil organic carbon density

2.3 不同直徑水穩性團聚體中有機質和速效磷含量

由圖3可以看出，快速和慢速濕潤條件下，不同直徑水穩性團聚體有機質含量分別介于7.58～26.03 g·kg－1和7.15～22.00 g·kg－1之間。不同直徑水穩性團聚體中有機質含量的變化趨勢表現為，在快速濕潤條件下：［0.2～0.5 mm］＞［0.5～1 mm］＞［1～2mm］＞［＞2mm］＞［0.1～0.2 mm］＞［0.05～0.1mm］＞［＜0.05mm］；慢速濕潤條件下：［0.2～0.5mm］＞［0.5～1 mm］＞［1～2 mm］＞［0.1～0.2 mm］＞［＞2mm］＞［0.05～0.1 mm］＞［＜0.05mm］。快速濕潤條件下水穩性團聚體中速效磷含量的變化趨勢為：［1～2 mm］＞［＞2 mm］＞［0.5～1 mm］＞［0.2～0.5mm］＞［0.1～0.2mm］＞［0.05～0.1mm］＞［＜0.05mm］。

圖3 不同直徑水穩性團聚體中有機質和速效磷含量（FW：快速濕潤；SW：慢速濕潤）Fig.3 Content of soil organicmatter and available phosphorus in water stable aggregateswith different diameter（FW：fastwetting，SW：slow wetting）

3 討論

地上植物的枯枝落葉是土壤有機碳的主要來源之一，地表植物的生長狀況和生物量大小影響土壤有機碳含量［21］。本研究得出，農地退耕可顯著增加土壤有機質含量，這與前人［1，22］的研究相一致。退耕4～5年后，土壤有機質含量有所提高，但不顯著，與農地同屬五級，而退耕10、30年和50年后，土壤有機質顯著提高，從五級分別提升為四級、三級和二級。可見，自然植被生長需要較長的時間恢復生態系統屬性［1］。這與賀少軒等［1］研究認為坡耕地撂荒后，土壤有機碳含量在草地演替的后期顯著升高的結論一致。楊麗霞等［23］研究陜北黃土丘陵溝壑區安塞縣境內30年撂荒地土壤有機質為24 g·kg－1，郭曼等［2］研究寧夏云霧山區退耕75年的土壤有機質含量為32.22 g·kg－1，這與本文得出的30年檸條和50年杜梨群落土壤有機質含量分別為23.38 g· kg－1和31.83 g·kg－1的結果相近。土壤有機碳密度（SOCD）和有機質在各樣地的變化趨勢一致，農地退耕4～5年的樣地SOCD在23.52～32.46mg·cm－2之間，相對農地的增幅較小，在8.83%～50.20%之間，退耕10、30年和50年后，SOCD增幅較大，分別為83.57、295.56mg·cm－2和425.64 mg·cm－2。這與李俊超等［20］研究認為林草地SOCD顯著大于坡耕地，并認為延安市燕溝流域退耕還林方式下SOCD的增幅為72.7%的結論接近。可見，農地退耕后的短期內土壤碳匯效益不明顯，而10年后土壤碳匯效益明顯提升。農田土壤有機碳密度最低，因此，在黃土丘陵溝壑區廣泛開展的退耕還林還草工程將會產生巨大的碳固定效益。土壤有機碳密度與退耕年限呈線性正相關關系，這與王瓊芳等［24］研究認為土壤有機碳密度隨退耕年限的增加而增加的結論一致。

土壤團聚體作為土壤結構的基本組成單位，對土壤侵蝕有重要的影響作用［25］，水穩性團聚體含量是研究土壤抵抗水力侵蝕的主要指標之一［9，26］，曾全超等［27］利用水穩性團聚體的幾何平均直徑計算土壤可蝕性。水穩性團聚體幾何平均直徑和平均質量直徑越大，土壤結構越穩定［28］，而分形維數較高的樣地正在遭受更加嚴重的土壤侵蝕［9］。退耕50年杜梨群落水穩性團聚體分形維數最低，平均質量直徑和幾何平均直徑最高。可見，植被恢復50年后，土壤結構穩定性才能顯著提高。本文研究認為相對土壤養分和有機碳密度而言，土壤抗蝕性的提高需要更長時間。

土壤碳固定的團聚體保護機制研究在西方甚為活躍，團聚體的形成被認為是土壤碳保護最重要的機制［29］。較高的土壤有機碳含量有利于土壤結構的穩定和土壤環境的改善［21］。同時，土壤團聚體是土壤養分的“貯藏庫”，其數量的多少，與土壤中碳含量有著密切的聯系，也一定程度上反映了土壤供儲養分能力的高低［30］。相關研究表明，有機質含量在各粒徑團聚體中分布規律不一［31］，一些研究發現，土壤大團聚體中的有機質含量更高，例如俞月鳳等［13］認為＞2 mm團聚體的有機碳儲量最高；劉曉利等［32］認為有機碳、全氮主要分布在＞5 mm、5～2 mm和2～1 mm的較大水穩性團聚體中，而土壤全磷均勻分布。而也有研究表明，土壤團聚體有機質含量隨團聚體直徑的減小而增加，例如周純亮等［10］研究認為從＞5 mm至0.25～0.5 mm團聚體直徑越小，有機碳含量越高；侯曉靜等［33］認為＞5 mm至0.5～1 mm團聚體之間，直徑愈小，有機碳含量愈高。也有研究表明土壤團聚體有機質含量呈現“V”型分布，如王靜婭等［31］研究認為土壤團聚體有機質含量在0.25～0.053 mm最低，而在＞0.25 mm和＜0.053mm中最高。本研究認為以0.2～0.5 mm為界，直徑較大的團聚體，直徑越小有機質含量越高，這與前人［10，33］研究結果相吻合，而直徑較小的團聚體，直徑越小有機質含量越低。因此，土壤團聚體中有機質含量可以抽象為“倒偏V”型分布。其中，0.2～0.5 mm的水穩性團聚體有機質含量最高，有研究［8］認為0.25～0.5 mm水穩性團聚體中的土壤有機碳含量是影響團聚體穩定性的主要變量。這主要由于該團聚體中高度腐殖質化的惰性組分含量較高，使其不易分解而積累［34］。程曼等［22］也認為不同團聚體有機碳呈現中間高兩邊低的變化趨勢。除［1～2 mm］水穩性團聚體速效磷含量大于［＞2 mm］水穩性團聚體外，速效磷在直徑小的水穩性團聚體中含量低。而宋春等［35］研究認為速效磷在＞0.053mm各直徑水穩性團聚體中均勻分布，而在＜0.053 mm顯著降低。因此，有關速效磷在水穩性團聚體中的分布規律需進一步研究。

4 結論

本文以農地為對照，研究不同退耕年限植物群落土壤各屬性特征及不同直徑水穩性團聚體中的速效磷和有機質含量，得出如下結論：

1）退耕10、30年和50年后，土壤質量從五級分別提升為四級、三級和二級，說明陜北黃土丘陵溝壑區通過植被恢復提高土壤質量水平需要較長時間。土壤有機碳密度與退耕年限呈線性正相關關系，且10年后土壤碳匯效益明顯提升。可見，植被的恢復過程有助于提高土壤的固碳能力，黃土丘陵溝壑區植被恢復提高土壤碳固定的空間很大。各植被恢復樣地土壤速效磷含量的變化規律不同于有機質。

2）農地自然撂荒可改善土壤物理結構，提高土壤抗侵蝕性，但50年的杜梨群落才有顯著改善。相對土壤養分和有機碳密度，土壤抗蝕性的提高需要更長時間。快速濕潤條件下各直徑水穩性團聚體中的有機質濃度大于慢速濕潤條件下的，說明有機質與團聚體穩定性密切相關。

3）在水穩性團聚體中，有機質的變化規律為：0.2～0.5 mm為界，直徑較大的團聚體，直徑越小有機質含量越高，而直徑較小的團聚體，直徑越小有機質含量越低；除［1～2 mm］水穩性團聚體速效磷含量大于［＞2mm］水穩性團聚體外，速效磷在直徑小的水穩性團聚體中含量低。

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Effects of vegetation restoration on soil aggregates and carbon sequestration in Wuding River catchment

DONG Li-li，LIXiao-hua，YANG Bo
（College of Resources＆Environmentɑnd History＆Culture，Xiɑnyɑng Normɑl University，Xiɑnyɑng，Shɑɑnxi 712000，Chinɑ）

Content of soilwater stable aggregates with different diameter，soil organic matter，and available phosphorus in whole soil samples and in aggregations of differentdiameterweremeasured in order to evaluate the effectof vegetation restoration on soil structure，nutrients and soil carbon sequestration.Soil sampleswere collected from slope cropland and vegetation restoration areas experiencing cropland abandonment4，5，10，30，50 years in Wuding river catchment.The results showed that the contentof soilorganicmatter and available phosphorus，was6.73～31.83 g·kg－1and 1.93～14.72mg·kg－1in whole soil samples，and 7.15～26.03 g·kg－1and 3.71～16.64 mg·kg－1in aggregations with different diameters.Top-soil organicmatter and soil organic carbon densitywere increased significantly by vegetation restoration compared with cropping land，whose increases were most obvious at Pyrus betulaefolia community and increased by 24.93 g·kg－1and 91.98 mg·cm－2.Soil water stable aggregatesweremainly＜0.05 mm and 0.05～0.1 mm，with the ratios being 37.06%～57.22%and 21.71%～29.76%respectively.The aggregate-associated organic matter contentwas the highest in 0.2～0.5mm，which increased with decrease of diameter from＞2mm to 0.2～0.5 mm but decreased with decrease of diameter from 0.2～0.5 mm to＜0.05 mm.The aggregate－associated available phosphorus content decreased with decrease of diameter from＞2 mm to＜0.05 mm except 1～2 mm whose value was the highest.Linear positive correlationwas observed between soilorganic density and vegetation restoration years.It takesmore years for the ability of soilwater erosion resistance to be improved significantly compared to the improvementof soil carbon sequestration.The aggregate-associated organicmatter contentwas the higher under fastwetting than slow wetting.Heavy rain or rainstorm may be the primary cause destroying soil structure and decomposing soil organic carbon at the area.

vegetation restoration；soil organic carbon density；water stable aggregates；Le Bissonnais method；Wuding river catchment

S152.4

：A

1000-7601（2017）01-0277-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.41

2016-01-10

陜西省教育廳重點科研項目（16JZ089）；陜西省普通高等學校優勢學科建設項目（0602）

董莉麗（1979—），女，陜西扶風人，副教授，博士，主要研究方向為生態修復和環境效益評價。E-mail：527172621＠qq.com。