退耕還林還草對(duì)黃土高原坡地磷素的影響

梁振春 李靜 吳靖 朱靜靜

摘要：【目的】探討不同植被恢復(fù)退耕坡面土壤磷素的分布及其遷移特征，為退耕還林還草工程的可持續(xù)性及其環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)提供參考?！痉椒ā窟x取黃土高原中部王東溝小流域退耕年限、土壤和地形條件較一致的檸條灌木地、苜蓿草地和荒地等3種典型植被恢復(fù)的長坡面為研究對(duì)象，以谷子農(nóng)地為對(duì)照，通過采樣測(cè)定分析不同植被恢復(fù)坡面的植物磷、土壤磷和土壤—植物系統(tǒng)磷庫（植物磷庫）的差異及其在不同坡位、土層間的空間分布特征?！窘Y(jié)果】不同植被恢復(fù)樣地的地上生物量、植物磷含量和植物磷庫均表現(xiàn)為灌木地>草地>農(nóng)地>荒地，且從坡頂向坡底方向逐漸增加。對(duì)于土壤速效磷，灌木坡地在坡面和垂直方向分布較均勻，其他樣地則總體表現(xiàn)為坡底速效磷含量較高；不同土層間相比，除草地坡底部位及農(nóng)地0～20 cm土層外，其余土層土壤速效磷含量整體上隨深度增加而增加。0～100 cm土層以上的植物磷庫均表現(xiàn)出從坡頂向坡底逐漸增加。土壤全磷分布受退耕植被的影響不明顯，主要受土壤母質(zhì)的影響?！窘Y(jié)論】退耕坡面植物磷、土壤磷和土壤—植物系統(tǒng)磷庫及其分布受恢復(fù)植被措施及其不同水土保持效益的影響；灌木地和草地對(duì)退耕坡地磷素具有一定保持作用，能夠減少流失的磷素對(duì)下游水體的影響，而荒地和農(nóng)地表現(xiàn)出明顯的磷素侵蝕流失趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 速效磷；全磷；植物磷庫；植被恢復(fù)；黃土高原

中圖分類號(hào)： S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1191（2018）04-0688-07

Effects of Grain for Green Project on slope phosphorus

in Loess Plateau

LIANG Zhen-chun， LI Jing， WU Jing， ZHU Jing-jing

（Shanghai Xinqiu Environmental Engineering & Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 201311， China）

Abstract：【Objective】This study aimed to explore the distribution and migration of soil phosphorus in different slope lands after vegetation restoration， and provide guidelines to evaluate the sustainability effects and environment effects of Grain for Green Project. 【Method】Long slopes of three different vegetation restoration slopes， including caragana shrub land， alfalfa grass land and fallow land with similar restoration ages as well as soil and topography conditions were selec-ted in Wangdonggou Basin， Loess Plateau. Farm land with millet was selected as control. Diffenrence in plant phosphorus， soil phosphorus and soil-plant system phosphorus pool（plant phosphorus pool） among various slopes and the spatial distribution characteristics in different slope positions and soil layers were analyzed by sampling. 【Result】Aboveground biomass， plant phosphorus content and plant phosphorus pools for different slopes after vegetation restoration showed the following rank： shrub land>grass land>farm land>fallow land， and the amounts increased from slope crest to base of slope. For soil available phosphorus， it distributed evenly along the slope direction and in profile for shrub land， but soil available phosphorus contents in base of slope were higher than other parts in other slopes. Except for the soil layer in base of slope for grass land and 0-20 cm layer for farm land， soil available phosphorus contents increased as soil layer dee-pened. Plant phosphorus pools above 0-100 cm soil layer showed increasing trend from slope crest to base. Soil total phosphorus distribution was not greatly influenced by vegetation restoration， but mainly affected by soil parent materials. 【Conclusion】Plant phosphorus， soil phosphorus as well as soil-plant system phosphorus pools on slopes and the distribution are affected by vegetation restoration measures and different soil and water conservation effects. Shrub land and farm land can conserve soil phosphorus on the slopes at certain extents， and reduce the negative effects of running phosphorus on downstream. On shrub land and farm land， erosion loss of phosphorus is obvious.

Key words： available phosphorus； total phosphorus； plant phosphorus pool； vegetation restoration； Loess Plateau

0 引言

【研究意義】黃土高原溝壑區(qū)王東溝小流域在歷史上受人為砍伐影響其土壤侵蝕嚴(yán)重，是黃土高原溝壑區(qū)水土流失的重要治理區(qū)。近年來經(jīng)過大規(guī)模綜合治理，特別是實(shí)施坡耕地退耕還林還草工程后，該區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)下降到8.95 t/ha以下（郭勝利等，2009），區(qū)域內(nèi)植被條件明顯改善，水土流失量顯著降低。土壤磷是植物生長的必需營養(yǎng)元素之一，也是引起水體富營養(yǎng)化的主要元素（王云慧等， 2010），因此，明確退耕還林還草工程實(shí)施以來坡面土壤磷素的變化特征及其遷移規(guī)律，對(duì)坡耕地退耕還林還草工程的可持續(xù)性發(fā)展及環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，有關(guān)土壤磷在不同土層及坡位上的分布已有較多研究。舒英格等（2002）發(fā)現(xiàn)，表層土壤磷素水平與徑流磷含量呈線性相關(guān)；李裕元等（2003）研究發(fā)現(xiàn)，黃綿土坡耕地土壤全磷和有效磷含量均隨坡長增加呈波浪式增加趨勢(shì)；Meng等（2008）研究表明，與坡耕地相比，免耕荒地可減少坡面磷素隨徑流泥沙的流失量，坡面土壤磷素含量的分布與坡位相關(guān)。也有相關(guān)研究表明，同一區(qū)域不同植被中土壤磷含量存在顯著差異，如王鑫等（2007）的研究結(jié)果表明，人工苜蓿草地坡面淺層土壤平均速效磷含量顯著高于沙棘坡地和撂荒坡地；黃土區(qū)喬木林坡地土壤速效磷含量高于自然草地和撂荒地（張素霞等，2008）；其原因可能為植被能改變坡面侵蝕水文過程進(jìn)而影響土壤的磷素水平（王全九等，2016），磷主要通過附著在泥沙顆粒表面發(fā)生遷移，因而對(duì)下游水體水質(zhì)會(huì)有明顯影響（陳世博等，2017）?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】至今，針對(duì)黃土高原溝壑區(qū)典型植被退耕坡地土壤磷素儲(chǔ)量、分布和變化的綜合研究鮮見報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過采樣分析黃土高原溝壑區(qū)典型植被恢復(fù)坡地植物磷素和土壤磷素含量的空間分布特征，并探討其遷移規(guī)律，為該區(qū)域退耕坡地土壤養(yǎng)分狀況可持續(xù)性評(píng)估和養(yǎng)分遷移的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省長武縣洪家鄉(xiāng)王東溝小流域，東經(jīng)107°40′30″～107°42′30″，北緯35°12′16″～35°16′00″，塬面海拔1220 m，流域面積830 ha。王東溝小流域?qū)儆诘湫偷呐瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫9.1 °C，多年平均降水量584 mm，其中7～9月的降水量約占全年總降水量的55%，土壤類型以黑壚土和黃綿土為主，土壤母質(zhì)為深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土，土體結(jié)構(gòu)均勻疏松，通透性好，是黃土高原溝壑區(qū)典型代表性土壤（馬政華等，2016）。

1. 2 試驗(yàn)樣地

根據(jù)陜西省長武縣當(dāng)?shù)赝烁€林還草政策的實(shí)施時(shí)間，選取退耕年限約15年、土壤和地形條件較一致的3種典型植被恢復(fù)退耕長坡面（優(yōu)勢(shì)植被分布大于50 m）為研究對(duì)象，其中包括以人工檸條林為代表的人工灌木地（簡(jiǎn)稱灌木地）、以紫花苜蓿為代表的人工草地（簡(jiǎn)稱草地）及自然撂荒地（簡(jiǎn)稱荒地），并以連續(xù)耕種的谷子農(nóng)地（簡(jiǎn)稱農(nóng)地）為對(duì)照。選取的4種樣地中，灌木地除偶爾有牲口啃食外基本上無人為干擾；草地按當(dāng)?shù)亓?xí)俗每年8月進(jìn)行一次刈割，其余時(shí)段均為自然過程；荒地植被為自然恢復(fù)無人為干擾，優(yōu)勢(shì)物種以長芒草、達(dá)烏里胡枝子和茵陳蒿等為主；農(nóng)地每年5月翻耕種植谷子，同期一次性施用磷酸二氫鉀0.5 kg/100 m2、尿素1.7 kg/100 m2。所有水分輸入均為天然降水。

1. 3 樣品采集與分析

于2016年8月在各樣地坡面的坡頂、坡中和坡底進(jìn)行采樣。每個(gè)樣點(diǎn)采集5層土壤樣品（0～20、20～40、40～60、60～80及80～100 cm），并以1 m×1 m的網(wǎng)格收集植物地上部分。采集的土樣一部分置于105 ℃下烘干24 h后測(cè)定水含量，剩余土樣風(fēng)干碾磨后分別過2.0和0.5 mm篩網(wǎng)后采用硫酸—高氯酸消煮—鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷含量，采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定土壤速效磷含量。收集的植物樣品在65 ℃下烘干72 h后測(cè)定干重，碾磨過20目篩網(wǎng)后采用硫酸—雙氧水消煮—鉬銻抗比色法測(cè)定植物磷含量。每組養(yǎng)分測(cè)定重復(fù)3次。

1. 4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2007進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 16.0，采用Post-Hoc檢驗(yàn)進(jìn)行不同植被樣地磷元素差異的方差分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同植被恢復(fù)坡地的地上生物量和植物磷含量

從表1可看出，灌木地和草地的地上生物量較高，其平均值分別為0.405和0.376 kg/m2，兩者間無顯著差異（P>0.05，下同），但均顯著高于農(nóng)地和荒地（P<0.05，下同）；荒地的地上生物量最低，為0.043 kg/m2。從植物磷含量來看，依次為灌木地檸條（4.901 g/kg）>草地苜蓿（2.168 g/kg）>農(nóng)地谷子（1.303 g/kg）>荒地植被（0.906 g/kg）。植物磷庫平均值與地上生物量和植物磷含量的排序相同，即灌木地（1.985 g/m2）>草地（0.804 g/m2）>農(nóng)地（0.155 g/m2）>荒地（0.038 g/m2）。

從表1還可看出，不同坡位間相比，不同植被恢復(fù)樣地的地上生物量、植物磷含量和植物磷庫總體上均表現(xiàn)為從坡頂向坡底方向逐漸增加的趨勢(shì)，但不同坡位間無顯著差異。在黃土高原地區(qū)，水分是植物生長的主要限制因子（胡良軍和邵明安，2002），在重力作用下，下坡位的水分條件通常較好，因此植被生長狀況也較好，其地上生物量、植物磷素含量和植物磷庫較上坡位高。

2. 2 不同植被恢復(fù)坡地的土壤磷含量

2. 2. 1 速效磷含量 灌木地、草地、荒地和農(nóng)地樣地0～100 cm土層土壤速效磷平均含量分別為1.024±0.066、0.966±0.125、0.736±0.197和1.066±0.268 g/m3。由圖1-A可看出，不同坡位的灌木地土壤速效磷隨土層深度的增加呈波動(dòng)變化，并以40～60 cm土層最高，且除坡頂40～60和60～100 cm及坡中0～20和40～60 cm以外，不同坡位不同深度的土壤速效磷含量間無顯著差異。除坡頂0～20 cm土層外，草地坡頂和坡中坡位的土壤速效磷含量隨土層深度增加而增加，而坡底0～60 cm土層土壤速效磷含量較60～100 cm土層高，且速效磷在0～60和60～100 cm土層中均呈增加趨勢(shì)（圖1-B）。除坡底40～60和60～80 cm土層外，荒地土壤速效磷含量在不同坡位均隨土層深度的增加而增加（圖1-C）。農(nóng)地土壤速效磷含量在各坡位均表現(xiàn)為在0～20 cm土層最高，在坡頂位置顯著高于20～40 cm土層，在坡中位置顯著高于20～60 cm土層，在坡底位置顯著高于其他土層；在各坡位20～40 cm土層均最低，顯著低于表層（0～20 cm）及80～100 cm土層；20 cm土層以下土壤速效磷含量整體上表現(xiàn)為隨深度的增加而逐漸增加（圖1-D）。

2. 2. 2 全磷含量 從圖2可看出，不同植被恢復(fù)坡地土壤全磷含量沿坡長方向表現(xiàn)不同?？傮w上，灌木地和農(nóng)地呈增加的趨勢(shì)，在坡底含量最高（二者從坡頂至坡底的0～100 cm土層平均含量分別為0.699、0.710、0.725 mg/kg和0.700、0.719、0.732 mg/kg）；林地和荒地呈先增加后減少的趨勢(shì)，以坡中含量最高（二者從坡頂至坡底的0～100 cm土層平均含量分別為0.711、0.726、0.708 mg/kg和0.703、0.710、0.705 mg/kg）。

在垂向方向，灌木地和草地土壤全磷含量總體上隨土層深度增加呈增加的趨勢(shì)，且以60～100 cm土層最高；荒地土壤全磷在剖面上呈波動(dòng)變化，分布相對(duì)較均勻；農(nóng)地土壤全磷含量在0～40 cm土層呈先增大、在40 cm以下逐漸減小的趨勢(shì)，并在20～40 cm土層最高?？傮w而言，灌木地、草地、荒地和農(nóng)地0～100 cm土層范圍內(nèi)的土壤全磷平均含量無顯著差異，全磷平均含量分別為0.712±0.069、0.715±0.106、0.706±0.107和0.717±0.099 mg/kg。由此可見，研究區(qū)土壤全磷受植被影響較小，主要影響可能來源于土壤母質(zhì)。

2. 3 土壤—植物系統(tǒng)磷庫

由0～100 cm土層內(nèi)不同植被恢復(fù)坡地植物磷庫（圖3）可知，不同植被樣地均表現(xiàn)出從坡頂向坡底逐漸增加的趨勢(shì)。相對(duì)而言，灌木地和草地的植物磷庫在各坡位分布較均勻，各坡位間差異不明顯；荒地坡底的植物磷庫顯著高于坡中和坡頂；農(nóng)地坡底的植物磷庫顯著高于坡頂，與荒地和農(nóng)地較弱的水土保持功效和較高的徑流侵蝕系數(shù)密切相關(guān)。各植被恢復(fù)坡地20 m坡長0～100 cm深度的平均植物磷庫依次為18.2±2.4、18.4±2.3、15.5±1.8和19.0±2.0 kg，荒地顯著低于其他3種坡地類型。灌木地和草地坡面的植物磷庫較高與其固氮作用對(duì)土壤養(yǎng)分的提升有關(guān)，農(nóng)地則受施肥的影響。

3 討論

本研究結(jié)果表明，不同樣地土壤速效磷的分布和不同植被類型的吸收作用和水土保持效應(yīng)相關(guān)，較強(qiáng)的土壤侵蝕會(huì)導(dǎo)致表層土壤速效磷在坡面的遷移。Zeng等（2011）研究表明，檸條灌木林的徑流系數(shù)和侵蝕模數(shù)為0.06和12 t/（km2·a），苜蓿草地為0.13和19.8 t/（km2·a），自然恢復(fù)坡面為0.22和76.5 t/（km2·a），坡耕地分別為0.24和85.2 t/（km2·a），與本研究從土壤有效磷坡面分布分析得出的不同植被樣地的水保功效結(jié)果一致。Chen等（2007）的研究結(jié)果也表明，撂荒地的降雨產(chǎn)流徑流量要高于草地和灌木地。此外，速效磷能夠沿土壤大孔隙向深層移動(dòng)（Geohring et al.， 2001），使得表層土壤速效磷隨水分向深層淋溶（Fortune et al.， 2005），表現(xiàn)出土壤速效磷隨深度增加而增加的趨勢(shì)，在本研究中得到進(jìn)一步證實(shí)。

磷在植物系統(tǒng)中的累積可有效減少土壤速效磷隨地表徑流的損失量，有利于磷素在土壤—植物系統(tǒng)中的保持。本研究結(jié)果表明，灌木地和草地的地上生物量相似，但均顯著高于農(nóng)地，自然荒地最低。此前也有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，人工灌木地和草地?fù)碛休^高的地上生物量，可通過植物的吸收和減流減沙作用對(duì)坡面土壤磷素產(chǎn)生影響（Chen et al.，2007）。本研究中不同植物的磷含量差異顯著，檸條含量最高，其次為苜蓿和谷子，自然恢復(fù)植被最低，其與不同植物對(duì)磷的吸收特性有關(guān)。本研究中檸條和苜蓿具有一定的固氮作用，且根系發(fā)達(dá)，可有效改善根系層土壤磷素狀況（陶林，2005）；農(nóng)地中由于經(jīng)常耕作，施肥時(shí)輸入磷，表層土壤速效磷含量較高，但在較高的侵蝕強(qiáng)度下淺層土壤速效磷易隨徑流和侵蝕泥沙顆粒流失污染下游河流，或隨著土壤淋溶進(jìn)入深層地下水。

不同植被恢復(fù)樣地間土壤速效磷存在差異的原因可能是灌木地地表存在一層枯枝落葉層，其主根深度在40～60 cm土層，受枯枝落葉層腐化和根系活動(dòng)的影響0～20和40～60 cm土層的土壤速效磷含量相對(duì)較高。與灌木地相比，其他樣地植被根系分布相對(duì)較淺，草地由于每年刈割，地表落葉相對(duì)較少，苜蓿草地雖然和檸條灌木林地均具有較好的水土保持作用，但從土壤速效磷的坡面分布來看，二者的水土保持作用機(jī)理可能存在一定差異；檸條地上枝葉發(fā)達(dá)，枝葉和地表枯枝落葉層對(duì)降雨雨滴動(dòng)能的減弱和對(duì)降雨的截留作用減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙，因此不同坡位間土壤速效磷平均含量相差較?。ㄆ马?、坡中和坡下部分0～100 cm深度平均值分別為0.974、1.026和1.072 mg/kg）；而苜蓿的地上枝葉相對(duì)較小，且不同種植行間有一定的空隙，對(duì)降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙削弱作用相對(duì)有限，其水土保持功效主要通過不同種植行間對(duì)產(chǎn)流和泥沙顆粒的節(jié)節(jié)攔截，泥沙顆粒在坡底匯聚，因此其坡底部及淺層土壤速效磷含量相對(duì)較高（坡頂、坡中和坡下部分0～100 cm深度平均值分別為0.801、0.872和1.225 mg/kg）?；牡赜捎诘厣现脖簧锪枯^少，土壤速效磷從坡頂?shù)狡碌壮手饾u增加的趨勢(shì)，但在坡底的匯聚作用不明顯（坡頂、坡中和坡下部分0～100 cm深度平均值分別為0.667、0.730和0.812 mg/kg）。農(nóng)地受施肥措施的影響，其表層（0～20 cm土層）土壤速效磷含量顯著較高，其坡頂部的平均含量相對(duì)較低，坡中與坡底部位平均含量相近（坡頂、坡中和坡下部分0～100 cm深度平均值分別為0.890、1.140和1.168 mg/kg）。

本研究中灌木地土壤的速效磷含量在垂向和坡向方向上分布較均勻；草地土壤速效磷總體上表現(xiàn)為坡底>坡中>坡頂；荒地土壤速效磷含量總體上表出隨深度和坡長的增加而升高的趨勢(shì)；灌木地和坡地各土層土壤速效磷含量相似，但兩者淺層土壤速效磷含量顯著高于荒地。馬琨等（2006）的研究結(jié)果也表明，檸條林地和自然荒坡表層土壤速效磷無明顯差異，但均低于坡耕地。盡管農(nóng)地有施肥措施，但除表層（0～20 cm）外，其他土層土壤的速效磷含量并無顯著高于、甚至其20～60 cm的含量低于其他植被坡面。農(nóng)地由于有施肥、翻耕、種植和收獲等措施，能夠改變磷的含量和分布（慕韓鋒等，2008），使得其土壤速效磷的垂向分布特征與其他樣地不同；20～60 cm土層土壤速效磷受作物根系吸收和淋溶損失（Jobbágy and Jackson， 2001），含量顯著低于0～20和60～100 cm土層。一般而言，土壤全磷由土壤母質(zhì)、氣候和時(shí)間等成土因素決定，相對(duì)變化較小。此外，土地利用方式和地形特征引起的不同侵蝕的水文環(huán)境可影響土壤全磷的含量和分布（Stevens et al.， 2009）。本研究結(jié)果表明，土壤全磷主要受土壤母質(zhì)的影響，受植被影響不明顯。

4 結(jié)論

在受土壤水分限制的黃土高原地區(qū)，退耕坡面植物磷、土壤磷和土壤—植物系統(tǒng)磷庫及其分布受恢復(fù)植被措施及其引起的不同水土保持效益的影響，灌木地和草地對(duì)退耕坡地磷素具有一定保持作用，能夠減少流失的磷素對(duì)下游水體的影響，而荒地和農(nóng)地表現(xiàn)出明顯的磷素侵蝕流失趨勢(shì)。

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（責(zé)任編輯 鄧慧靈）