民勤青土湖區不同年限退耕地土壤水分和養分變化

柴成武,王理德,尉秋實,王方琳,吳 昊,

郭春秀1,陳思航1,胥寶一1,何芳蘭1,孟存宏2

(1.甘肅省治沙研究所,甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室,甘肅 武威 733000;2.甘肅省武威市石羊河林業總場,甘肅 民勤 733399)

石羊河尾閭的青土湖區，自古以來是阻止騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠合攏的天然生態屏障。近年來，由于上游農業生產規模不斷擴大引起對水資源的需求逐年增加，流入下游水量急劇減少[1-2]，地下水開采嚴重過量[3]，導致下游生態環境遭到嚴重破壞，天然植被死亡、湖沼干涸、鹽堿化和沙漠入侵，造成土地大面積棄耕而撂荒[4-5]。國家實施生態建設項目《甘肅石羊河流域重點治理規劃》，采取“關井壓田”和退耕政策后，退耕區的面積又增加至3 萬多hm2，如果不及時保護，隨著這部分退耕地退耕年限的增加，有逐漸向裸露化或沙漠化發展的趨勢，易形成惡性循環，使土壤生態系統遭到破環，不利于石羊河流域綜合治理工程的實施[6-7]。因此，保護和利用土地及水資源已成為該區生態建設的重點和目前人們亟需回答的科學問題，對促進和恢復該區生態經濟具有十分重要的現實意義。

退耕還林的根本目的是改良土壤，從而改變地表植被特征及土地利用方式[8]。由于土壤水分和養分的變化之間存在著密切的聯系，因此土地利用方式的轉換必然引起土壤水分、養分含量的變化[9],從而引起生態環境的改善。近年來，學者們在黃土高原地區廣泛開展了關于退耕還林后植被恢復及生態效應改善的研究，主要包括退耕還林后的植被、水文、土壤、小氣候效應[10-13]等方面；關于石羊河下游退耕地的植被、土壤、水文等方面的研究主要從2013年開始展開，但這些研究大多關注于退耕年限對某一單因子效應方面影響的研究[14-17]，而對兩種因子綜合效應影響的研究較少。因此，本文就民勤青土湖區不同年限退耕地土壤水分和養分變異特征進行分析，旨在為該區退耕地的植被恢復和重建提供科學依據，對生態環境建設和石羊河流域綜合治理項目的順利實施具有重要的科學意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與樣地信息

研究區位于石羊河下游民勤縣青土湖區煌輝村、志云村的農田退耕地，地理坐標為103°35′03″—107°37′54″E，39°01′49″—39°03′29″N，平均海拔1 305 m，多年平均氣溫7.5℃，極端最高溫38.1℃，極端最低溫-28.8℃，年均降水量115 mm，主要集中在7，8，9月，占年總降雨量的72%，年均蒸發量2 644 mm，年日照時數2 834.5 h，年平均風速2.3 m/s，無霜期175 d，年平均8級以上大風日數37.6 d，沙塵暴日數26.8 d。氣候干旱、光照充足、降雨稀少、蒸發強烈、夜溫差大、多風沙，屬典型干旱荒漠氣候；土壤以灰棕漠土為主，鹽堿化程度高；植物以地膚(Foeniculumvulgare)、堿蓬(Suaedaglauca)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等為主(表1)。

表1 樣地基本特征

1.2 樣品采集

樣品采集時間為2018年9月，主要通過時空替代法來研究土壤顆粒組成與相應的養分變化。研究區在不同年代有大面積農田退耕，這些區域退耕地植被恢復以自然方式為主，為本研究提供了較為理想的基礎條件；另外，項目組走訪調查了當地居民和林業主管部門以確定植被群落恢復的時間，可確保調查樣地退耕時間的準確性；其次，由于調查過程中樣地距離比較近，兩樣地間高差小于50m，因此研究中由海拔高度帶來的影響可以忽略。以退耕當年的農田為對照(CK)，調查樣方面積為100 m ×100 m，每個樣點3個重復,記錄樣方內群落的名稱、物種組成及名稱等；土壤取樣采用環刀法，采取S 形隨機采樣,取樣深度40 cm，分0—20 cm和20—40 cm兩個層次，均勻混合后去除樹根等雜物，每樣3 個重復，用四分法取大約1 kg 土樣帶回實驗室進行分析。

1.3 測定方法

土壤水分采用常規土鉆法取樣,烘干法(105℃)測定,土壤容重采用環刀法取樣測定，最后計算土壤貯水量，公式如下。土壤養分測定中有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定,全氮采用半微量凱氏法測定，速效磷采用鉬銻抗比色法測定，以上測定均每樣3個重復，取平均值進行分析[18]。

WC=10ρVH

式中：WC為土壤貯水量(mm)；ρ為土壤含水量(%)；H為土層厚度(cm)；V為土壤容重(g/cm3)。

2 結果與分析

2.1 青土湖區不同年限退耕地土壤水分變異特征

CK至退耕40 a間不同土層土壤貯水量變化趨勢如圖1所示，0—20 cm和20—40 cm土層中，土壤貯水量總體隨退耕年限增加先減小之后在退耕13～20 a時逐漸增大、之后又隨退耕年限增加逐漸減小的趨勢。兩土層間表現為20—40 cm土層土壤貯水量大于0—20 cm土層，其中0—20 cm，20—40 cm土層中貯水量最大值均出現在CK，分別為37.88，80.87 mm，并分別與退耕1～40 a間各層土壤貯水量間呈顯著差異，也表現為土壤貯水量隨退耕年限增加先減小后逐漸增大的趨勢，且退耕13 a和20 a時，土壤貯水量較之前退耕年限略有增大，其中以20—40 cm土層增大較為明顯，分別為59.15，53.77 mm，且兩土層中土壤貯水量最小值均出現在退耕后30 a，其中0—20 cm土層中為20.29 mm，20—40 cm土層中為31.60 mm。

圖1 不同年限退耕地土壤水分特征

2.2 青土湖區不同年限退耕地土壤養分的變異特征

由土壤全氮、速效磷、有機質含量的變化趨勢可以看到(圖2)，3種養分中全氮含量在0—40 cm土層中總體呈隨退耕年限增加而波動式下降并最后達到穩定狀態的變化趨勢，其中在退耕當年(CK)的農田中，0—20 cm土層全氮含量顯著大于20—40 cm土層，退耕1 a時兩土層間差異不顯著，退耕2～8 a間，兩土層全氮含量存在顯著差異，且在退耕第4年時0—20 cm土層含量達到最大值1.325 g/kg，之后兩土層全氮含量均隨退耕年限增加而持續下降；退耕13～20 a間，兩土層全氮含量差異不顯著，隨著退耕年限的增加，在退耕CK至40 a時，兩土層含量又出現顯著差異，且在30 a時20—40 cm土層出現最小值，為0.692 g/kg；總之，在CK至退耕40 a間，土壤中全氮含量總體呈下降趨勢，主要表現為退耕前期變化較為劇烈，退耕中后期變化較為平緩至穩定。

圖2 不同年限退耕地土壤養分變化特征

土壤中速效磷在不同年限退耕地總體表現為0—20 cm土層含量顯著大于20—40 cm，且兩土層中0—20 cm速效磷含量變化相對較為劇烈，而20—40 cm土層中變化較為平緩，其中速效磷含量最大值出現在退耕當年(CK)農田的0—20 cm土層，為2.879 g/kg，最小值出現在退耕后第2年的20—40 cm土層，為0.198 g/kg。總之在整個退耕期間，土壤速效磷含量在退耕前期隨退耕年限增加而逐漸減小，退耕中期又有所增加，而在退耕后期表現為逐漸減小并趨于穩定的趨勢。

不同退耕年限間土壤有機質含量變化幅度較小，隨著退耕年限增加，土壤有機質總體呈逐漸減小趨勢，其中退耕初期，0—20 cm土層間含量均存在顯著差異，并在退耕后第1年達到峰值0.041 g/kg，在退耕后第4年達到較大值0.036 g/kg，之后隨著退耕年限增加，差異性逐漸減小并趨于穩定，且兩土層中，0—20 cm土層在退耕1～8 a間有機質變化較為劇烈，之后趨于穩定；在整個退耕年限內，20—40 cm土層中土壤有機質含量隨退耕年限的增加變化幅度較小，總體呈較為平緩的波動式下降趨勢，并在退耕初期含量較低，退耕后第1年達到峰值0.029 g/kg，退耕后第4年達到較大值0.026 g/kg，退耕第20年時達到最小值，0.015 g/kg。

3 結論與討論

石羊河下游青土湖區，氣候干旱，自然條件惡劣，土壤水分是影響植物群落演替與植被恢復的關鍵因子，因此可以說植被生長與土壤水分之間的關系比其與土壤養分間的關系更為密切[20]。受前期農田耕作活動的影響，CK中0—40 cm土層中土壤貯水量均較大；退耕1～8 a間，一年生淺根性草本植物對土壤水分的消耗較大，0—20 cm土層貯水量變化較為穩定，但略有隨退耕年限增加而減小的趨勢，而相比較20—40 cm土層中土壤貯水量減小趨勢較為明顯，說明農田退耕后，一年生和多年生草本植物逐漸演替為群落內的主要植物種；退耕13～20 a時，土壤貯水量比退耕1～8 a有一個逐漸增大的過程，主要是由于此階段植物群落逐漸演替為以黑果枸杞為主的單一群落，降低了對土壤水分的消耗，使其逐漸回升；而在退耕30～40 a，植物群落發展逐漸穩定，由多年生單一群落逐漸演替為以黑果枸杞和鹽爪爪為優勢物種的穩定群落，此時土壤水分恢復并逐漸達到穩定狀態。

3種土壤養分在土層中的含量總體表現為隨退耕時間的延長而呈波動式下降的趨勢，其中土壤全氮含量表現出和有機質相同的變化趨勢；前人研究表明，土壤養分中的有機質和氮主要來源于上部植被凋落物的分解及根系分泌物[21]，而本文中土壤中全氮含量表現為和有機質相同的變化趨勢，也驗證了這一結論，說明灌木與草本植被相比，其較深的根系對土壤中N 的消耗量較大，并且隨著群落演替的進行，產生大量的枯枝落葉，使歸還土壤的有機質不斷增加，而土壤中的N元素可以通過有機質來供給，從而出現了上述現象[22]；土壤磷素是土壤中的礦質營養元素，在無外源施肥條件下，土壤磷含量主要來源于土壤母質及大氣沉降，本研究0—20 cm土層速效磷含量受退耕年限影響較大且變化較為劇烈，其含量顯著大于20—40 cm，而20—40 cm土層中速效磷含量受退耕年限的影響較小，變化較為平緩，這種現象和楊萬勤等[23]研究的關于地表植物對土壤磷素的生物表聚作用有關，而在較深土層中，只有當地上植物非常豐富時，這種現象才比較明顯，但在干旱荒漠地區的退耕地上，這種結果很難實現，這可能也是不同年限退耕地中，0—20 cm土層速效磷含量顯著大于20—40 cm土層的主要原因。

土壤水分和養分是土壤環境的一部分，對植被恢復具有極其重要的作用，影響著植被恢復的程度和速度，并能協調植物生長的環境條件、營養物質。從青土湖區不同年限退耕地土壤水分和養分的變化分析，兩者的變化趨勢基本一致，即均表現為隨退耕年限的增加而呈波動式降低。這一結論與黃土高原[24]或高寒草地[25]的試驗結果隨著耕地撂荒年限的增加，土壤養分增加的趨勢相反，顯示了該地區的特殊性，出現這一現象的主要原因是由于該地區干旱少雨、土壤非常瘠薄，退耕初期，由于之前農業生產中施入的水、肥尚有殘余，因此次生草地呈正向發展，但隨著退耕年限的延長，殘存水、肥逐漸耗減，土壤微生物數量多樣性發生了改變，植物殘體分解緩慢，土壤質量下降。因此，該區農耕地在退耕4～5 a后，如果不采取任何的農業管理措施，隨著退耕年限的延長土壤中養分含量呈現出下降趨勢，土壤鹽漬化與沙漠化程度會越來越嚴重[26]。