半干旱黃土丘陵區退耕地林草植被恢復對土壤質量影響評價

王月玲, 王思成, 蔡進軍, 馬 璠, 董立國, 李生寶

(1.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所， 寧夏 銀川 750002; 2.寧夏農業綜合開發辦公室， 寧夏 銀川 750011)

半干旱黃土丘陵區退耕地林草植被恢復對土壤質量影響評價

王月玲1, 王思成2, 蔡進軍1, 馬 璠1, 董立國1, 李生寶1

(1.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所， 寧夏 銀川 750002; 2.寧夏農業綜合開發辦公室， 寧夏 銀川 750011)

[目的] 探討退耕還林還草對土壤質量的綜合影響，為半干旱黃土丘陵區退耕地植被恢復與建設提供理論依據。[方法] 選擇半干旱黃土丘陵區的寧夏回族自治區彭陽縣白陽鎮中莊村示范區不同退耕地林草植被恢復樣地為研究對象，采用AHP決策法對不同林草植被恢復下土壤理化因子進行綜合評價。[結果] 土壤水分是影響土壤環境狀況的最主要因子，其權重值達到了0.210，其次為土壤的總孔隙度和土壤有機質含量，其權重值分別達到0.136，0.108，同時土壤的毛管持水量、土壤堿解氮含量和土壤脲酶含量也對土壤環境具有十分重要的作用，其權重值分別達到0.085，0.071及0.064。[結論] 通過對影響土壤環境的化學性質、物理性質和生物活性的綜合評價，認為林地、人工草地和天然草地不同程度地改善和提高了土壤的環境質量，以林地改善程度最大。

半干旱黃土丘陵區; 退耕地; 植被恢復; 土壤質量; 綜合評價

黃土高原是中國水土流失最為嚴重的地區，也是西部大開發中生態環境建設重點實施區域之一[1]。黃土高原獨特的地貌特征是造成該地區水土流失的重要原因，但人為的對土地資源的不合理利用是造成該地區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將在很大程度上影響土壤質量的時空變化.土壤質量是全球生物圈可持續發展的重要因素之一,亦是農業發生發展、土壤管理和土地利用可持續評估指標和判斷準則。研究土地利用和管理措施對土壤質量變化的影響已是現代土壤學的主要任務之一[3]。

生態環境建設的成效在很大程度上取決于生態恢復重建過程中土壤質量的演化及其環境效應，只有系統中的土壤能夠不斷形成發育、正向演替，土壤質量逐步得到提高并保持在較高水平，才能使已經退化的生態系統達到生態平衡和良性循環[4]。了解不同土地利用方式導致土壤物理化學性質的差異，是合理利用土地資源、改進土地利用方式、發展持續農業的前提。黃土高原土地不合理利用主要表現為對坡地的掠奪式經營，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、環境惡化，因此土地資源的合理利用是西部地區生態環境建設的重點。退耕還林還草對實現黃土高原地區生態環境建設具有深遠的意義[6]。由林地、草地、農田等幾種土地利用及其相互轉變過程中土壤質量的變化受到越來越多的關注[7]。隨著“退耕還林”政策的實施，人工林草在黃土高原水土保持及生態環境建設中的作用日益突出[8]，如何科學、合理、實用地評價土壤環境，為指導農業生產提供理論依據，顯得尤為重要。為了科學地實施退耕還林還草，促進退耕還林還草事業的順利發展，本文擬采用影響土壤環境因子的多項指標對半干旱黃土丘陵區退耕地不同植被恢復措施后的土壤質量做一個客觀的的評價具有十分重要的意義。

1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區彭陽縣東北13 km處的白陽鎮中莊村，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 ℃，境內年蒸發量較大，干燥度(≥0℃的蒸發量)為1.21～1.99，無霜期140～160 d。降雨是雨水資源量的決定因素，項目區多年平均年降水量420～500 mm，降水量集中且年內分配不均，主要集中在7—9月，而且降水的年際變差系數較大，雨量集中月份常以暴雨形式出現，易發局地暴雨洪水。土壤以普通黑壚土為典型土壤，土層深厚，土質疏松。植被類型以草原植被為基礎，生長有長芒草、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 試驗點的選擇及布設

選擇研究區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、天然草地為對照(伴生有長芒草、西山委陵菜等，蓋度為30%)為研究對象，合理布局供試樣地土壤水分監測點、土壤取樣點，全面調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 土壤水分的動態測定

采用德國產的TDR時域反射儀(time domain reflectometry)法，對所選樣地土壤水分進行持續監測，每月3次，分別為上旬、中旬、下旬；土層深度根據樣地類型分為0—100和0—200 cm，每20 cm為一層，一般林地、草地測深0—200 cm，其他如農田測深0—100 cm。

2.3 土壤理化性質的測定

采用野外取樣調查和室內分析相結合法，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—稱重法和浸水法測定土壤的各項理化指標，包括土壤的容重、最大持水量、毛管持水量、最小持水量、總孔隙度及化驗土壤有機質、N，P，K等。土壤有機質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法；土壤速效鉀采用中性醋酸銨浸提火焰光度計法。

2.4 評價方法計算

2.4.1 各個評價指標權重的確定 采用AHP決策法，同時運用模糊隸屬函數和綜合指數法對影響土壤因子的各個指標進行綜合評價分析[7]。依據(圖1)的遞階層次結構(stepping hierarchy)，評價要素設置和構造各層次之間的兩兩比較判斷矩陣，計算判斷矩陣的特征根和特征向量。判斷矩陣是針對層次結構中上層次的某要素，把本層次中的各要素排在矩陣的行與列上，對各元素進行兩兩比較，對其相對重要性進行量化，并選取適當的數值(權重)對該量化的重要性加以表示。依據層次分析法(AHP)，構造兩兩比較判斷矩陣，兩元素的權重之比為aij=wki/wkj,aij的計算參照表1。

圖1 半干旱黃土丘陵區土壤環境因子評價指標層次結構

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

2.4.2 土壤質量中各評價因子數學模型的建立 容重和土壤顆粒組成等性質隸屬度的確定采用三角形隸屬函數；有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀評價指標為第二種情況。當它們的實測數值高時，土壤質量就好，反之就差。設該類評價指標的上、下限數值及實測值分別為b，a，x，則其標準化函數表達式為：

根據第二次全國土壤普查的分級標準實際情況，確定該5種評價指標的上下限數值(表2)。

表2 5種評價指標的上下限數值

土壤容重為：

(3) 土壤物理性質隸屬度的確定采用升半梯形隸屬函數：

式中：x0——上臨界值。其中土壤物理性質上臨界值分別為土壤機械組成(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 結果與分析

3.1 層次分析的綜合排序結果

通過對半干旱黃土丘陵區退耕地不同林草植被恢復后影響土壤環境因子的14個主要指標的AHP決策分析(表3)，結合圖1可以看出：土壤水分含量是影響土壤環境狀況的最主要因子，其權重值達到了0.210，其次為土壤的總孔隙度和土壤有機質含量，其權重值分別達到0.136，0.108，同時土壤的毛管持水量、土壤堿解氮含量和土壤脲酶含量也對土壤環境具有十分重要的作用，其權重值分別達到0.085，0.071及0.064。

3.2 各因子數值的標準化及綜合指數分析

通過對各因子數值的標準化，就影響土壤環境因子中化學性質的5個指標而言(表4)，退耕還林地土壤化學性質的綜合指數最高達到了0.229，其次為水平梯田，其綜合指數為0.196，最差為苜蓿地和天然草地，其綜合指數為0.163。總體排列順序為：山杏林>水平梯田>苜蓿地≈苜蓿地。這就說明通過退耕還林總體上改善并提高了土壤的化學性質，而實施人工種草措施后土壤的化學性質呈下降趨勢，主要是由于人工牧草對土壤養分消耗大，建議實施人工種草應該注意及時進行人工補肥。

表3 層次總排序結果

表4 化學性質指標的標準化值

對于影響土壤環境因子中物理性質的5個指標進行綜合評價看出(表5)，山杏林的綜合指數最高為0.734，其次為梯田的綜合指數最高達到了0.726，苜蓿地和天然草地的差別不是很大，總體排列順序為:山杏林>水平梯田>天然草地>苜蓿地。這就說明通過不同恢復措施后土壤的物理性質得到極大的改善，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水分的利用效率。

表5 物理性質指標的標準化值

對于影響土壤環境因子中的生物活性的4個指標的綜合評價看出(表6)，土壤酶活性指數最高的為人工牧草0.465，其次為梯田其指數為0.365，最差的為隔坡天然草地其指數為0.335，總體排列順序為:苜蓿地>水平梯田>山杏林>天然草地。

表6 生物活性指標的標準化值

通過對影響土壤質量的化學性質、物理性質和生物活性的綜合評價(表7)，可以看出通過退耕還林還草不同程度地改善和提高了土壤的環境質量，其排列順序為：山杏林>水平梯田>苜蓿地>天然草地。

表7 評價指標的綜合指數

4 討論與結論

植被建設是保持水土、改善生態環境的最重要手段之一，是生態環境建設的重要內容。通過應用層次分析法和模糊綜合評價及綜合指數法相結合的方法對半干旱黃土丘陵區退耕地不同植被恢復對土壤質量的綜合評價，反映出當前退耕地不同植被恢復對土壤綜合質量有較大的影響。植被恢復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性質，而實施人工種草措施后土壤的化學性質呈下降趨勢，主要是由于人工牧草對土壤養分消耗大，建議實施人工種草應該注意及時進行人工補肥。退耕后土壤的物理性質也得到極大的改善，尤其是水平溝林地和機修水平梯田提高了土壤蓄水能力和植物對水分的利用效率。另外，人工種草、梯田和林地對土壤的酶活性具有顯著提高作用。這與李生寶等[9]在生態恢復初期得出的結論基本是相吻合的。

但是由于生態恢復的演替是一個漫長的階段,而且生態環境綜合治理是一項復雜的社會工程，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植被建設和生態恢復中,應以恢復生態學和景觀生態學原理為指導,廣泛喬灌草相結合的方式進行植被恢復。因地制宜,以種植鄉土灌木和牧草為主,引進抗旱和強適應性品種,喬灌草結合,但不宜大面積栽植喬木，逐步改善區域生態環境。通過自然和人工植被恢復,進行小流域綜合治理,減少水土流失,培肥地力,逐步改善區域生態環境條件,促進生態環境建設的經濟、生態和社會效益的統一,最終建立具有較高生態、社會、經濟效益的可自我維持的生態系統,促進全球生物圈的可持續發展。為此，必須進一步長時期地對不同植被恢復后土壤的理化性質、土壤侵蝕及氣候效應進行系統測定分析研究,從而為該地區的植被恢復措施做一個客觀的評價。使得半干旱黃土丘陵區生態恢復治理真正做到以恢復生態為中心，發展經濟為基礎，實現生態效益、經濟效益和社會效益的協調發展和綜合效益的穩步提高。

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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

文獻參數： 王月玲, 王思成, 蔡進軍, 等.半干旱黃土丘陵區退耕地林草植被恢復對土壤質量影響評價[J].水土保持通報，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

國家重點研發計劃重點專項“黃土梁狀丘陵區林草植被體系結構優化及杏產業關鍵技術與示范”(2016YFC0501702); “十二五”國家科技支撐計劃課題(2015BAC01B01); 寧夏“十三五”重大攻關項目“寧夏多功能林業分區域研究與示范”; 寧夏農林科學院科技創新先導資金項目“寧南山區撂荒地土壤理化性質對植被自然恢復的響應”(NKYJ-17-11)

王月玲(1980—),女(漢族),寧夏回族自治區固原市人,碩士,副研究員,主要從事黃土高原水土保持與生態環境建設方面的研究。E-mail:wylnxnky@163.com。

李生寶(1958—),男(漢族),本科,寧夏回族自治區石嘴山市人,研究員,主要從事水土保持及林業生態恢復等方面的研究。E-mail:nxnlkxy-lshb.hi@163.com。