延河流域退耕還林還草工程后土地質量評估

張 靜，李鵬展

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075;3.陜西省土地工程建設集團有限責任公司延安分公司，陜西 延安 716000)

1 引言

黃土丘陵區地形支離破碎，是我國乃至全世界水土流失最為嚴重的地區[1]。植被作為控制水土流失的關鍵舉措，在控制該區水土流失方面起到重要作用。我國于1999年提出退耕還林還草政策，經過這十多年的退耕還林還草工程的大力實施，黃土高原地區植被得到了有效恢復，植被覆蓋度得到大幅提高，生態環境狀況得以明顯改善。在黃土高原地區退耕還林還草過程中，刺槐被看作是植被恢復重建的先鋒樹種[2, 3]，在各個地區都有大面積成片栽植，甚至一些地區刺槐的造林比例高達造林總面積的85%以上[2]，在保持水土、改善環境方面發揮了重要作用。經過這十多年的退耕還林還草工程，為了鞏固生態文明建設的成果，現需要學者們對退耕還林還草工程的效果進行合理評估并及時反饋土壤質量狀況，其最主要的就是制定一系列標準評估方法，來評估當時飛播種植刺槐的土壤質量狀況以及生態反饋效應。

延河流域是黃土高原退耕還林還草工程及植被恢復重建的核心區，在不同的植被區都分布有大量的人工刺槐林。延河流域從東南到西北，隨降雨量減少，溫度降低，植被分布呈現明顯的地帶性規律，可依次劃分為森林區、森林草原區和草原區(圖1)[4]，植被區的合理劃分，能夠有針對性的評價不同植被類型區內刺槐林下土壤質量狀況，并可以橫向比較整個延河流域刺槐土壤質量狀況，這為合理評估延河流域退耕還林還草工程后土壤質量提供了基礎。

本文通過林下土壤理化性質，林下土壤微生物(多樣性、群落結構)等指標，以鄉土種為空白對照來研究刺槐引入的生態反饋作用的利弊，對比不同植被區刺槐引入與鄉土種之間指標差異變化，探求刺槐引入在森林區、森林草原區和草原區的反饋效果是否一致，亦可能會出現森林區、森林草原區和草原區反饋不一致的情況。如果樣地足夠豐富，能否得出代表性的結論來論證某一區引入刺槐合適與否，刺槐林土壤質量狀況合適與否，為以后的植樹造林提供科學參考。

圖1 研究區樣點分布

2 評價指標

土壤是植被生長最重要的載體，土壤質量的恢復是生態重建的重要內容，土壤質量狀況在很大程度上影響甚至決定了退耕還林還草工程植被恢復重建的生態效益[5]。土壤質量評價指標體系包括的土壤物理屬性指標、土壤化學屬性指標和土壤生物屬性指標[5]共同影響著退耕還林還草工程的生態效益，為合理評估退耕還林還草工程土壤質量提供了方向。

2.1 林下土壤理化性質指標

土壤物理化學性質是影響植被生長的主要環境因子之一。在土壤-植被系統中，土壤和植被之間具有相互反饋效應，植被恢復過程是通過增加地表枯落物的腐爛來增加地下有機物的輸入最終來影響土壤物理化學性質[6]，反之，土壤物理化學性質的變化也會通過根系吸收利用來影響地上植被恢復狀況。特別是在黃土高原地區，其土壤物理化學性質的特殊性，使土壤物理化學性質成為該區域退耕還林還草工程植被恢復的主要限制因子[7]。

土壤物理性質可以間接地反映地上植被恢復進程和恢復效果。土壤容重的降低和團聚體穩定性的增強，能改善土壤持水能力和入滲性能[8]，促進土壤物理性質的恢復以及地上植被的恢復。土壤容重作為指示土壤質量健康狀況的一個指標，可以間接反映地上植被恢復狀況[9]。土壤團聚體是構成土壤結構的基本單元，能夠影響植物生長所需的養分和水分、空氣的移動與運輸，其穩定性和抗蝕性狀況均與植被狀況密切相關[10]。

土壤化學性質作為直接影響植物生長的重要因素，很大程度上可以直接反映植被恢復狀態與進程。土壤化學性質的變化，表現為土壤C、N、P等元素含量的變化，土壤C、N、P等這些元素能夠直接被植物根系吸收，影響植被恢復生長。土壤有機質是衡量土壤肥力狀況的一個重要指標，土壤氮元素是植物生長必須的營養元素之一，土壤全磷含量對植被種的分布起到重要作用[11]，這些元素含量的變化對植被生長起到重要作用，能反映地上植被恢復狀況。溫仲明等[12]研究發現隨著植被演替進程的發展，土壤全磷含量呈現出逐漸增大的趨勢。周厚成等[13]研究發現隨著退耕年限的增加，植被凋落物量呈現增加趨勢，土壤氮、土壤磷含量均呈現出不同程度的增加趨勢，這進一步促進了植被恢復的發展。同樣，大量研究表明在植被恢復的過程中，土壤養分含量和有機質含量均呈現逐漸增加的趨勢，土壤養分狀況的改善也會進一步促進植被恢復的進程[14～16]。以上研究均表明地上植被恢復狀況會影響地下土壤物理化學性質的變化，地下物理化學性質的變化不僅可以反映土壤質量的變化規律，還能間接反映地上植被恢復狀況，對合理評估退耕還林還草工程效益提供了有力支持。

隨著人工刺槐林的生長，土壤肥力狀況也逐漸增加。劉棟[17]研究發現隨刺槐生長年限的增加氮素含量呈現出逐漸增加的趨勢，經過30年的恢復，土壤氮素肥力得到了很大提高。張楊[17]研究表明隨著刺槐恢復年限的增加，全氮、全磷、全鉀含量增加，土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量水平也顯著增加，且刺槐土壤容重和土壤含水量也隨著恢復年限增加而呈現增加趨勢。趙娜等[18]研究發現隨著退耕年限的增加，刺槐人工林表層土壤養分的富集作用越來越顯著，土壤物理性狀得到改善，養分含量增加。胡嬋娟等[19]研究發現隨植被恢復年限增加，刺槐林的土壤pH值呈現逐漸下降的趨勢，但是土壤有機質和全碳呈現逐漸增加的趨勢。劉棟等[20]研究發現隨著刺槐林恢復年限的逐漸增加，土壤硝態氮、銨態氮以及有機氮含量也呈現增加趨勢。

綜上所述，土壤物理化學性質的變化能夠表征人工刺槐林下土壤質量狀況以及刺槐林生長的環境狀況，可以通過土壤環境的變化研究來推測刺槐的生長條件，為合理評價退耕還林還草工程土壤質量狀況以及生態效益提供方法和思路。

2.2 林下土壤微生物指標

土壤微生物作為土壤生態系統的重要組成部分，也是土壤質量評價的重要指標，不僅能分解礦化有機質、動植物殘體，還能促進腐殖質和團聚體的形成，以及在維持土壤生態系統的平衡方面發揮重要作用[21]，同時，對土壤微生物的監測能夠很好的反饋植被恢復的效果，便于及時對植被恢復狀況作出評價[22]。其中，土壤微生物多樣性和活性作為土壤微生物的一個重要指標，是衡量土壤質量狀況的關鍵。土壤微生物生物量較大程度上代表著土壤活性有機質的儲量[23]，能夠有效的反饋地上植被恢復狀況。所以，了解土壤微生物的多樣性、活性和生物量，能夠更好地理解土壤微生物在植被生長和養分循環過程中的作用，對于黃土高原退耕還林還草工程及植被恢復重建具有重要意義。

以往研究常常忽略了土壤微生物多樣性的變化對植被恢復的影響，這很大程度上是因為直接控制微生物群落的物種多樣性、豐富度和功能類群的實驗操作非常困難。但是，大量研究表明土壤微生物群落的群落結構和功能多樣性對生態系統的養分循環起到重要作用[24]，從而一定程度上影響植被恢復。土壤微生物多樣性，即指土壤生態系統中所有的微生物種類、基因以及其與環境之間相互作用的多樣化程度。一般認為，土壤微生物多樣性存在于基因、物種、種群以及群落等4個層面，是土壤生態系統的一個基本生命特征，也是時間和空間的函數[10, 25]。土壤微生物量是土壤中養分的活性部分[26]，在物質養分循環中起到積極促進作用，是植物營養的源和庫，此外，還能反映調控土壤物質能量循環和有機物轉化的微生物數量。而微生物量碳、氮是表征土壤中的活性有機碳、氮的重要指標，對土壤狀態的變化極其敏感和迅速，被作為評價土壤生物質量的指標來反映地上植被恢復情況[27]。

隨著退耕還林還草工程的進行以及刺槐人工林的恢復，刺槐林下土壤微生物狀況也在逐漸產生變化。趙娜等[18]，薛萐等[28]研究都發現隨著退耕年限的增加，刺槐人工林土壤微生物生物量顯著提高。曾全超等[29]，胡嬋娟等[19]研究均發現人工刺槐林對土壤碳氮庫的增加有一定的促進作用。此外，王風芹等[30]研究發現刺槐土壤微生物量碳、氮含量隨恢復年限增大而升高，尤其是土壤微生物量氮含量顯著提高。劉棟等[20]研究發現隨著人工刺槐林生長年限的增加，土壤微生物活性也呈現增加趨勢。閔紅等[31]研究發現隨種植人工刺槐年限增長，土壤微生物數量顯著增加，細菌與真菌數量均呈現為先增加后減少，到40年時再增加的變化規律。

綜上所述，土壤微生物群落的變化可以表征土壤質量的變化狀況，從而反映刺槐林下土壤質量狀況以及刺槐林的生長狀況，并可以為退耕還林還草工程評價提供合理的評價指標。

3 評價方法

3.1 樣地的選擇及樣品采集

根據水熱環境梯度變化和植被類型的地帶性差異，在延河流域每個植被區內選擇人工刺槐林群落和鄉土植物群落(草原區、森林草原區和森林區)作為研究對象，將人工飛播栽植的人工刺槐林與鄉土植物進行對比分析，便于合理評估不同植被區內部退耕還林還草工程的生態效益。同時，隨著植被梯度的變化，將三個不同植被區之間的人工刺槐林進行比較分析，便于合理評估退耕還林還草工程在不同植被之間的生態效益，為后續植被恢復提供支持。

在每個植被區內至少選擇3個立地環境盡量相近(坡位、坡向等)的20 m×20 m的刺槐林群落樣地及與其一一對應的鄉土植物群落樣地，以保證數據的穩定和正確性。在樣地內進行土壤樣品采集：去除表面植物殘體和石頭，呈“S”形選取五個同一深度的土壤樣品，混合均勻為一個樣品。分別選取不同深度土層的土壤樣品，過2 mm篩，裝入無菌樣品袋，用冰盒冷藏帶回實驗室。一部分風干后用于理化性質的測定，為更好反映土壤理化性質的變化提供依據；一部分儲存在4 ℃冰箱，用于土壤微生物功能多樣性測定，另一部分儲存在-80 ℃超低溫冰箱，用于土壤微生物和群落結構的測定，土壤微生物的研究為評價退耕還林還草工程恢復效益提供依據。

3.2 土壤理化性質測定

主要測定土壤全碳(Total Carbon, TC)、全氮(Total Nitrogen, TN)、全磷(Total Phosphorus, TP)、土壤pH值和土壤水分(soil moisture content, SMC)來表征土壤理化性質。具體測定方法參照土壤理化分析一書[32]。

3.3 土壤微生物多樣性測定

3.3.1 土壤微生物功能多樣性測定

土壤微生物功能多樣性用Biolog ECO微孔板方法測定[33]，具體步驟參照李超然等人文章。

3.3.2 土壤微生物群落結構測定

群落結構的測定主要包括土壤宏基因組DNA提取、PCR定量分析、測序數據的處理和分析三步。其中，土壤宏基因組DNA采用MP試劑盒來提取，提取方法參照試劑盒說明書。后續PCR定量分析和測序數據的處理均交由廣州基迪奧公司進行處理。

3.3.3 土壤微生物量碳、氮測定

調節新鮮土壤樣品含水量至飽和持水量的60%后，將土壤樣品置于廣口瓶內，用保鮮膜封口，并放于25 ℃恒溫培養箱內培養7 d，之后進行微生物量碳、氮的測定。

微生物量碳氮采用氯仿熏蒸-浸提法，微生物量碳和氮用硫酸鉀浸提，浸提液中有機碳用全自動有機碳分析儀測定，轉換系數取0.38；浸提液中全氮用凱氏法消煮-全自動定氮儀測定。

4 退耕還林還草工程綜合評價

針對不同植被區刺槐恢復狀況的差異性，分別采用單因素方差分析和Tukey檢驗將各植被區內刺槐與鄉土植物地下土壤理化性質和土壤微生物指標進行比較分析，探明在不同環境梯度下刺槐的生長狀況與鄉土植物的差別，合理評估退耕還林還草工程中刺槐生長的生態效益。并且，將不同植被區之間的刺槐林下土壤狀況及土壤微生物指標進行比較，探索隨著環境梯度變化刺槐林土壤質量的變化狀況趨勢，合理評估刺槐林在不同環境梯度之間的生長狀況，為評估退耕還林還草工程生態效益提供思路。

在森林區、森林草原區、草原區三個植被區內，刺槐林與鄉土植物林下土壤理化性質和土壤微生物指標的比較，可以得出刺槐在不同植被區內生態效益狀況的好壞。假如在草原區，刺槐林的土壤理化性質和土壤微生物指標均好于鄉土植物，表明刺槐在草原區的引進是合理的，提高了鄉土植物的理化性質和微生物指標，在草原區的退耕還林還草工程中是值得推廣的。依次可以來比較三個植被區內退耕還林還草工程的生態效益。

隨著植被區從草原區到森林草原區再到森林區的變化，刺槐林下土壤理化性質和土壤微生物指標之間存在一個變化趨勢，表明刺槐在不同環境梯度下的生長恢復狀況存在差異，為合理評估退耕還林還草工程提供了一種新思路。

5 結語

黃土丘陵區退耕還林還草工程中植被恢復的研究工作從1999年開始，又由于退耕還林還草是植被重建的關鍵，使得這依舊是眾多學者研究的熱點。近年來，黃土丘陵區植被恢復工作取得顯著成效，水土流失得到有效遏制，植被生長得以恢復，以往評價退耕還林還草工程效果的做法是用土壤理化性質來檢驗其退耕林地土壤質量，對微生物沒有關注度，但本文認為土壤微生物也能夠很好的反映土壤質量，在評估其生態效益時也應予以考慮，需綜合全面地評價退耕還林還草工程后土壤質量狀況。所以，尋找綜合評價土壤質量方法和指標來評估退耕還林還草工程實施后土壤質量狀況，是非常必要的。

EvaluationofLandQualityAfterReturningFarmlandtoForestandGrasslandProjectinYanheRiverBasin

Zhang Jing1,2, Li Pengzhan3

(1.ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi, 710075,China; 2.InstituteofLandEngineeringandTechnology,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi, 710075,China;3.Yan`anBranchofShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Yan`an,Shaanxi, 716000,China)

Abstract: The returning farmland to forests and grassland project has been implementedin China for more than ten years. Soil erosion has been restrained;the effect of wind and sand fixationhave been remarkable;ecological environment has been restored; and the project have been achieved initially. At present, the evaluation of the project of returning farmland to forests and grasslands tends to be qualitative and unilateral. The methods and indexes for evaluating the ecological benefits of the project of returning farmland to forests and grasslands have not been formed yet. This paper attempts to take Yanhe River basin in the Loess Hilly and Gully Region as a representative area to evaluate the soil physical and chemical properties and soil microbial condition under RobiniaPseudoacacia forest.The above-ground vegetation restoration isreasonably reflected so as to rationally evaluate the land quality of the project of returning farmland to forests and grasslands.

Keywords: RobiniaPseudoacacia;returning farmland to forests and grasslands;evaluation of land quality;Yanheriver basin