米倉山不同退耕年限土壤理化性質變化特征

紀 月, 杜琳青, 田 鵬, 趙廣舉,3, 崔玉美, 馬亮乾

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

中國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一。長期以來，由于不合理的土地利用及粗放經營，導致區域水土流失嚴重，生態環境惡化，人地矛盾突出，為防治水土流失，恢復脆弱生態環境，緩解區域內農民貧困狀況，中國實施大規模的退耕還林工程[1]。經過近20 a的退耕還林工程實施，中國西部地區植被蓋度得到了明顯的提升，江河水沙情勢發生顯著改變，水土流失得到有效遏制。退耕還林工程通過改變下墊面條件，使土壤理化性質發生變化，從而影響區域生態、水文、土壤侵蝕過程。因此，研究退耕還林工程的土壤變化效應對退耕還林效益評價及區域水土資源保護具有重要意義，同時可為生態文明建設提供依據。

隨著退耕還林工程的實施與退耕年限的延長，退耕林地生態系統的結構和功能得到有效的改善，土壤理化性質與植物根系系統發生變化，進而改變地表土氣界面的水文、生物循環過程[2]。研究表明，退耕草地隨著退耕年限的增加，土壤的持水及供水性能得到有效提升[3]；侯浩等研究發現土壤中有機碳和全氮含量隨林齡的增加而增加[4]；郭明明等[5]指出退耕還林工程可增加土壤水穩性團聚體含量，提高土壤的抗沖性。董莉麗等[6]研究發現退耕還林對黃土高原土壤物理性質、化學性質及生物特性均有良好的改良作用。

米倉山地區位于中國南北過渡帶的中部，區內溝壑縱橫，地勢險峻，水土流失嚴重，為減少水土流失、改善生態環境，自20世紀70年代開始，該區開展了一系列退耕還林工作[7-10]，隨著幾十年的植被恢復，該區生態環境發生了顯著變化，諸多學者開展退耕還林對米倉山地區的影響研究，但研究焦點多集中在林地群落分布[11-12]和退耕還林工程效益等[8]方面。對于退耕還林工程對土壤理化性質的影響研究則相對較少。因此，本文以米倉山不同退耕年限樣地為研究對象，采用“時空替代法”分析不同退耕年限下土壤理化性質差異，揭示該區退耕還林后土壤理化性質的變化規律，以期為米倉山地區退耕還林效益評價與水土流失綜合治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

米倉山地處四川省、陜西省和甘肅省的交界處，西接摩天嶺，東接大巴山，是漢江、嘉陵江的分水嶺。該區山勢陡峭、地形復雜，多為石質山地或土石山區，森林覆蓋率較高，海拔較低的低山丘陵區植被蓋度較低，水土流失嚴重。米倉山位于中國南北過渡帶，受東南季風和西南季風的影響，氣候溫暖濕潤[13]，平均氣溫14.4 ℃，年均降水量達1 100～1200 mm，平均蒸發量為457.2 mm。本研究區的采樣點米倉山北坡，位于陜西省漢中市西鄉縣(107 °15′—108 °15′E,32 °32′—33°14′N)。研究區土壤類型以黃棕壤、黃褐土為主。植被分為人工林和天然林為主，人工林主要為側柏(Platycladusorientalis)、銳齒櫟(Quercusaliena)、水衫(Metasequoiaglyptostroboides)、桑樹(Morusalba)、茶(Camelliasinensis)、竹子(Bambusoideae)等，天然林主要為栓皮櫟(Quercusvariabilis)，胡桃楸(Juglansmandshurica)，馬尾松(Pinusmassoniana)，大葉櫸(Zelkovaschneideriana)等，農作物主要有玉米(Zeamays)，煙草(Nicotianatabacum)，黃豆(Glycinemax)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 本研究采用“時空替代法”進行樣地的選取，通過野外調查、詢問周圍農戶等方式，確定樣地的退耕年限，分別選取退耕20，25，35，50 a的樣地作為研究對象，同時選取未施肥耕地及天然林地為對照，樣地選擇遵循典型性、代表性和一致性的原則。土壤樣品采于2018年10月，樣品采集時首先去除表面的枯枝落葉層，每種類型林地挖掘3個40 cm深的土壤剖面，按上層(0—20 cm)，下層(20—40 cm)分層采集土樣并編號，其中退耕50 a和天然林地的樣地土層比較淺薄，因此退耕50 a的林地采集0—10 cm和10—20 cm的土樣，天然林地只采集0—10 cm的土樣。各林地再分層將土樣混合，帶回實驗室風干研磨、過篩、混合分樣、貯存，用于測定土壤養分。此外，在每個樣地用環刀采集原狀土，用于測定土壤水分指標。各樣地的基本特征見表1。

表1 樣地基本概況

1.2.2 土壤樣品處理與測定 本研究主要測定土壤水分、土壤養分、土壤結構等土壤理化性質。土壤水分指標測定了土壤容重和土壤水分特征曲線，分別采用環刀法和離心法測定；土壤養分指標測定了土壤有機質、全氮及全磷，分別用重鉻酸鉀—外加熱法，凱氏定氮法及鉬銻抗比色法來測定[14]。土壤結構指標測定了土壤機械組成和土壤團聚體，土壤機械組成采用用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定，根據國際制粒徑分級標準劃分質地：砂粒(2～0.02 mm)、粉粒(0.02～0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)。土壤團聚體采用濕篩法測定[15-16]，分別得到>1，0.5～1，0.25～0.5，0.053～0.25，<0.053 mm粒徑的團聚體含量。

1.2.3 數據處理與分析 采用SPSS 20.0軟件進行數據統計分析。采用單因素方差分析的方法分析不同數據組間的差異并用Origin 2016制圖，采用Pearson相關系數分析不同指標間的相關性。顯著水平為p<0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤結構特征

不同退耕年限樣地土壤機械組成見圖1。研究區域內表層土壤機械組成以粉粒為主，含量在70.25%～88.12%之間，黏粒次之，含量在8.28%～25.50%之間，砂粒最少，含量在1.48%～4.61%之間。以耕地機械組成為背景對比不同退耕年限樣地土壤顆粒變化發現，退耕20～35 a的樣地各粒徑土粒含量變化不明顯，退耕50 a的樣地黏粒含量上升了19.38%，粉粒含量下降了17.87%，砂粒含量變化不明顯，各粒徑土壤百分含量接近天然林地。由此表明，經過較長時間的退耕還林后，土壤顆粒組成變化明顯。

圖1 米倉山不同退耕年限樣地土壤機械組成分布特征

分析各退耕年限的土壤團聚體特征發現，退耕20，25，35 a和50 a的樣地中上層土壤>1 mm粒徑的團聚體百分含量分別比對照耕地增加了5.75%，33.12%，35.02%和78.48%，其中退耕50 a樣地>1 mm粒徑的團聚體百分含量為80.23%，與天然林地相近(圖2a)。0.5～1 mm及0.25～0.5 mm粒徑的團聚體百分含量均呈現先升高后降低的趨勢，最大值分別出現在退耕25 a及退耕20 a的樣地，為20.90%和20.70%。粒徑介于0.053～0.25 mm及<0.053 mm的團聚體百分含量逐漸降低，耕地含量最高為48.60%和30.8%，天然林地含量最低，為1.95%和5.45%。這說明退耕還林可以改善土壤的團粒結構，隨著退耕年限增加，土壤中植物根系和腐殖質的數量上升，有利于團聚體形成，再通過團聚作用將小粒徑團聚體轉變為大粒徑團聚體，提高土壤保水保肥能力，增強土壤抗沖能力。

由圖2b可以看出，下層土壤中團聚體百分含量變化趨勢與上層土壤具有一致性。在下層土壤中，耕地和退耕50 a的樣地中粒徑>1 mm團聚體百分含量高于上層土壤，退耕20 a，25 a和35 a的樣地分別比上層土壤低3.10%，20.47%和20.97%。除退耕25 a的樣地中0.5～1 mm粒徑的團聚體百分含量比上層土壤高5.35%外，退耕20，35 a和50 a的樣地分別比上層土壤低2.8%，0.85%和1.13%。粒徑位于0.25～0.5 mm及0.25～0.053 mm的團聚體含量分別比上層土壤高4.40%，5.22%，6.33%和1.10%及3.50%，12.28%，7.18%和0.87%，而耕地則低于上層土壤，說明退耕還林對上層土壤團聚體的改良作用優于下層土壤，且退耕年限越長，改良作用越明顯。

圖2 米倉山不同退耕年限樣地各土層團聚體分布特征

2.2 土壤水分特征

對比不同退耕年限的土壤容重發現，耕地表層土壤容重最大，這與其長期耕種，土壤受到不同程度的壓實相關。不同退耕年限樣地土壤容重如圖3所示。隨著退耕年限增加，土壤容重呈現先減少后增加再減少的變化趨勢。退耕20，25，35，50 a的樣地容重分別比耕地降低了2%，16%，5%和19%。通過差異性分析(p<0.05)，耕地、退耕20 a和35 a樣地的土壤容重雖然逐漸降低但不存在顯著性差異，退耕25 a和50 a的樣地土壤容重顯著低于退耕20 a和35 a及耕地的樣地，且顯著高于天然林地表層的土壤容重。這說明退耕還林措施可以改善土壤容重，并且退耕年限越長，改善效果越明顯，但仍未達到天然林地的效果。

注：不同小寫字母代表不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

土壤水分特征曲線是描述土壤水吸力與土壤含水量關系的曲線，它的高低代表土壤持水能力的大小。如圖3所示，不同退耕年限土壤水分特征曲線差異明顯，隨著吸力值的增加，土壤含水量持續降低。吸力值在0～100 kPa時，土壤含水量隨土壤水吸力增大迅速降低，吸力值在100～800 kPa時，土壤含水量隨土壤水吸力增大緩慢下降并趨于平緩。選取Gardner模型θ=AS-B對不同退耕年限土壤水分特征曲線進行擬合，與實測數據誤差較小(見表2)。A表示土壤持水能力的大小，A值越高，代表持水能力越強，不同退耕年限土壤持水能力由大到小為：天然林地>退耕25 a>退耕35 a>退耕20 a>耕地>退耕50 a；B表示吸力值變化時，土壤含水量變化率大小，不同退耕年限土壤含水量率變化由大到小為：退耕50 a>天然林地>耕地>退耕25 a>退耕20 a>退耕35 a；A×B值越大，比水容量就越大，土壤水分有效性越好，不同退耕年限樣地比水容變化不大，僅退耕25 a的樣地高于耕地，其他樣地均小于天然林地。說明隨著退耕年限的增加，土壤持水能力增強且混交林的持水能力高于純林，土壤含水量變化率無明顯規律，水分有效性變化不明顯。

表2 Gardner模型水分特征曲線擬合參數

2.3 土壤養分特征

不同退耕年限樣地土壤養分含量見圖4。隨著退耕年限增加，退耕林地有機質含量逐漸升高。在上層土壤中，退耕20，25，35，50 a的樣地有機質含量較耕地分別增加了27%，134%，71%和343%(圖4a)，其中耕地與退耕20 a有機質含量差異不顯著，退耕25 a，35 a和50 a的樣地差異顯著(p<0.05)。在下層土壤中，退耕20，25，35，50 a的樣地有機質含量較耕地分別增加了7%，88%，53%和422%(圖4b)。這說明退耕還林能增加土壤有機質含量，退耕年限越長，土壤有機質積累量越高，且上層土壤有機質含量明顯高于下層土壤，是因為退耕還林措施對上層土壤有機質的影響高于下層土壤。退耕還林后土壤全氮含量顯著高于對照耕地，土壤全氮含量由高到低依次為：退耕50 a>退耕25 a>退耕35 a>退耕20 a>耕地，在上層土壤中，退耕20，25，35，50 a的樣地全氮含量較耕地分別增加了20%，76%，64%和246%(圖4c)。在下層土壤中，除退耕20 a樣地全氮含量低于耕地外，退耕25，35，50 a的樣地全氮含量較耕地分別增加了59%，35%和201%(圖4d)。說明退耕還林措施可以提高土壤全氮含量，退耕時間越長，全氮含量越高，且上層土壤含量高于下層土壤。退耕對土壤全磷的影響見圖4。在上層土壤中，土壤全磷含量在0.42～0.55 g/kg之間波動，無明顯規律且差異不明顯(圖4e)。在下層土壤中土壤全磷含量在0.37～0.45 g/kg之間波動，無明顯規律且不存在顯著性差異(圖4f)。這說明退耕還林措施對米倉山土壤全磷的含量無明顯影響。

2.4 相關性分析

分析不同恢復年限對土壤各指標的影響發現(見表3)，土壤容重與有機質含量呈極顯著負相關(p<0.01)，與全氮含量、團聚體百分含量呈顯著負相關(p<0.05)，有機質含量與全氮含量、團聚體百分含量及黏粒百分含量呈極顯著正相關(p<0.01)，全氮含量與團聚體百分含量和黏粒百分含量呈極顯著正相關(p<0.01)。這表明退耕后，植被覆蓋度隨退耕年限的增加而增加，植被根系活動及枯枝落葉層的分解能增加土壤黏粒含量，改善土壤的團粒結構，增加土壤孔隙，降低土壤容重，增加土壤的通水透氣性，土壤動物及微生物活動性增加，有助于積累有機質和全氮。

表3 不同指標間相關性分析

圖4 米倉山不同退耕年限不同土層土壤的全量養分特征

3 討 論

通過對比米倉山地區不同退耕年限的土壤結構發現，與耕地相比，退耕林地粉粒含量降低，黏粒含量增加，大粒徑團聚體含量增加，小粒徑團聚體含量降低。這與于寒青、蘇靜等得出的植被恢復有利于土壤團聚形成并能影響團聚體的組成及分布特征結論一致[17,18]。主要是因為退耕還林后，植被根系及其分泌物加速了地表物質的風化，增加了小粒徑土粒的含量特別是黏粒的含量，小粒徑土粒通過凝聚膠結作用促進土壤團聚體的形成，且隨退耕年限的增加，小粒徑團聚體團聚為大粒徑團聚體的作用增強，進而有效增加土壤的穩定性。在本研究中上層土壤的團聚體變化趨勢與下層相同，但下層土壤大粒徑團聚含量略低于上層土壤，表明植被根系對上層土壤團聚體的影響大于下層土壤。

米倉山地區實施退耕還林后，退耕林地土壤容重顯著低于對照耕地，且隨著退耕年限的增加，逐漸趨于天然植被。主要是因為退耕后，土壤團聚結構得到改善，大粒徑團聚體含量上升，土壤通氣透水性增強，因此土壤容重降低。在本研究中退耕25 a樣地中土壤容重小于35 a樣地，主要是因為退耕25 a的樣地是混交林地(水杉和竹子)，其根系較純林發達，故容重降低幅度較大。這與張曉霞等[19]在晉西黃土區的研究結果相同。

退耕還林后，米倉山地區退耕林地的土壤有機質及全氮含量較耕地有顯著提升，并逐漸接近天然林地，且上層土壤含量高于下層土壤，呈現出明顯的表聚性。土壤有機質和全氮含量主要來自于枯枝落葉的分解并隨時間積累在土壤中，退耕年限越長，有機質及全氮積累量越大；然而在下層土壤中，由于水熱條件不足，微生物分解作用受限，故下層有機質及全氮積累量小于上層土壤。

4 結 論

本研究以米倉山北坡為研究對象，采用“時空替代法”，通過野外采樣，以未施肥耕地及天然林地為對照，分析了研究區不同退耕年限土壤理化性質的變化，主要取得以下結論：

(1) 退耕還林可有效改善土壤的結構。各樣地土壤機械組成均以粉粒為主，與耕地相比，退耕50 a的樣地粉粒含量下降了17.87%，黏粒含量上升了19.38%，在上層土壤中，退耕20，25，35，50 a的樣地>1 mm粒徑的團聚體百分含量較耕地分別增加了5.75%，33.12%，35.02%和78.48%，下層土壤中分別增加了1.97%，13.37%，11.97%和78.60%。

(2) 隨退耕年限的增加，土壤容重顯著降低。與對照耕地相比，退耕20，25，35，50 a的樣地土壤容重分別降低了2%，16%，5%和19%，其中退耕50 a的土壤容重接近天然林地。退耕林地土壤水分特征曲線高于耕地，在低吸力階段(0～100 kPa)，土壤含水量隨土壤水吸力的上升迅速下降，在高吸力階段(100～800 kPa)，土壤含水量隨土壤水吸力的上升緩慢下降，土壤持水能力由大到小為天然林地>退耕25 a>退耕35 a>退耕20 a>耕地>退耕50 a。

(3) 退耕可顯著提升土壤的養分。不同退耕年限樣地土壤有機質及全氮含量由高到底依次為天然林地>退耕50 a>退耕25 a>退耕35 a>退耕20 a>耕地。對比耕地，上層土壤中退耕20，25，35，50 a的樣地中的土壤有機質及全氮含量分別提高了27%，134%，71%和343%和20%，76%，64%和246%，下層土壤中分別提高了7%，88%，53%和422%和12%，59%，35%和201%，且上層含量高于下層，呈現出明顯的表聚性。