民勤青土湖區(qū)不同年限退耕地土壤顆粒組成和養(yǎng)分變化特征

柴成武， 王理德， 尉秋實(shí)， 王方琳， 吳 昊， 郭春秀， 陳思航， 胥寶一， 孟存宏

(1.甘肅省治沙研究所, 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 武威 733000； 2.甘肅省武威市石羊河林業(yè)總場，甘肅 民勤 733399)

甘肅民勤地處石羊河流域下游，西、北、東三面被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍，區(qū)域內(nèi)荒漠化面積占土地總面積的94.51%，荒漠邊緣以每年3～4 m的速度向綠洲推進(jìn)[1]。因此，民勤的生態(tài)保護(hù)工作和綠洲的存亡，關(guān)乎到民族的生存興盛以及國家的發(fā)展。而位于石羊河尾閭的青土湖區(qū)，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(tài)屏障，這里曾是植被茂密、物種豐富、水草豐美的湖泊，建國以來，由于石羊河上游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大引起水資源的需求逐年增加，使流入下游綠洲區(qū)的水量急劇減少[2]；地下水開采嚴(yán)重過量，導(dǎo)致該區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)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，生態(tài)環(huán)境問題變得日趨普遍和嚴(yán)重[3-5]。近年來國家實(shí)施生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目《甘肅石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》，采取“關(guān)井壓田”和退耕政策，使退耕地的面積增加至3萬hm2，這部分退耕地是草原向荒漠過渡的一類十分脆弱的旱生化草原生態(tài)系統(tǒng)[6]，隨著退耕年限的增加，有逐漸向裸露化或沙漠化發(fā)展的趨勢[7]，如果不及時(shí)保護(hù)，易形成惡性循環(huán)，使土壤生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，不利于石羊河流域綜合治理工程的實(shí)施。因此，如何有效保護(hù)和利用土地資源已成為該區(qū)生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)和亟需回答的科學(xué)問題，對(duì)促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

土壤是植物生長繁殖的基地，也是一個(gè)十分重要的生態(tài)因子，它的變化直接影響著植物的生長發(fā)育和群落演替；土壤由大小不同的土壤顆粒組成，土壤顆粒組成是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的基本單元[8-9]。土壤顆粒具有不同的粒徑大小，同時(shí)，其含量組成影響著土壤的疏水性、空氣循環(huán)和養(yǎng)分含量，決定其持水力、保肥能力、透氣程度等理化性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程[10-11]。土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標(biāo)，能供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長的營養(yǎng)條件與環(huán)境條件[12-14]；同時(shí)，植物在整個(gè)生長發(fā)育過程中也通過根系分泌物和枯落物等改善土壤的水、肥、氣、熱等理化性質(zhì)[15]。在退耕地植被恢復(fù)中，群落物種結(jié)構(gòu)和組成不但與土壤中的養(yǎng)分條件有關(guān)，而且與土壤顆粒組成也有著十分密切的關(guān)系[16-17]。因此，本文就民勤青土湖區(qū)不同年限退耕地土壤顆粒組成和養(yǎng)分變異特征進(jìn)行分析，旨在為該區(qū)退耕地的植被恢復(fù)和重建提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和石羊河流域綜合治理項(xiàng)目的順利實(shí)施具有重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣地信息

研究區(qū)位于石羊河下游民勤縣青土湖區(qū)煌輝村、志云村，地理坐標(biāo)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—9月3個(gè)月，占年總降雨量的72%，年均蒸發(fā)量2 644 mm，年日照時(shí)數(shù)2 834.5 h，年平均風(fēng)速2.3 m/s，無霜期175 d，年平均8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)37.6 d，沙塵暴日數(shù)26.8 d。氣候干旱、光照充足、降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、晝夜溫差大、多風(fēng)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)。

1.2 樣品采集

樣品采集時(shí)間為2018年9月，主要通過時(shí)空替代法來研究土壤顆粒組成與相應(yīng)的養(yǎng)分變化。研究區(qū)在不同年代有大面積農(nóng)田退耕，這些區(qū)域退耕地植被恢復(fù)以自然方式為主，為本研究提供了較為理想的基礎(chǔ)條件，且項(xiàng)目組走訪調(diào)查了當(dāng)?shù)鼐用窈土謽I(yè)主管部門以確定植被群落恢復(fù)的時(shí)間，可確保調(diào)查樣地退耕時(shí)間的準(zhǔn)確性。另外，由于調(diào)查過程中樣地距離比較近，兩樣地間高程差小于50 m，因此研究中由海拔高度帶來的影響可以忽略。試驗(yàn)調(diào)查樣方面積為100 m×100 m，以未采取退耕措施的農(nóng)田為對(duì)照(CK)，每個(gè)樣點(diǎn)3個(gè)重復(fù),記錄樣方內(nèi)群落的名稱、物種組成及名稱等；土壤取樣采用環(huán)刀法，S形隨機(jī)采樣,取樣深度40 cm，分0—20 cm，20—40 cm兩個(gè)層次，每樣方3個(gè)重復(fù)，混合均勻后去除樹根等雜物，用四分法取大約1 kg土樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

表1 樣地基本特征

1.3 測定方法

土壤顆粒組成采用激光粒度儀(Mastersizer 2000)處理(土樣風(fēng)干后處理)，具體為取土壤0.3 g左右放入100 ml試管內(nèi)，加入20 ml濃度為10%的H2O2，置于水中加熱使其充分反應(yīng)以便有效去除樣品中的有機(jī)質(zhì)，之后加入20 ml濃度為10%的HCl，煮沸使其充分反應(yīng)去除碳酸鹽，向試管中注滿去離子水并靜置12 h，抽取上清液，反復(fù)靜置除酸直至pH值為6.5～7.0，然后加入10 ml濃度為0.1 mol/L的六偏磷酸鈉分散劑并用超聲波清洗機(jī)振蕩5 min后進(jìn)行測量。土壤有機(jī)質(zhì)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(gè)重復(fù)，取平均值進(jìn)行分析[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0和Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 青土湖區(qū)退耕地土壤顆粒組成變化特征

土壤顆粒組成是土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的重要表征，而沙漠化的核心問題是土壤顆粒的粗大化[19]。本研究按照國際制土壤粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，將土壤顆粒按粒徑大小分為粗砂粒(200～2 000 μm)、砂粒(20～200 μm)、粉粒(2～20 μm)、黏粒(0.01～2 μm)4種類型。結(jié)果表明，青土湖區(qū)未采取退耕措施的農(nóng)田(CK～退耕40 a的退耕地上，土壤顆粒組成中黏粒在0—40 cm土層總體含量較小，約為10%左右，其中CK～4 a年間，0—20 cm與20—40 cm兩土層間黏粒含量差異顯著(p<0.05)，均表現(xiàn)為隨退耕時(shí)間增加而逐漸減小的趨勢；退耕后8～40 a間，0—20 cm，20—40 cm兩土層間黏粒含量差異均不顯著，并隨退耕時(shí)間增加逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。粉粒結(jié)構(gòu)在CK～退耕40 a間的總體含量大于黏粒結(jié)構(gòu)，CK～退耕后2 a間，0—20 cm，20—40 cm兩土層中粉粒含量均較少，為10%～20%，且CK及各退耕年限間兩土層中的粉粒含量間存在顯著差異；退耕4～40 a，其含量逐漸增大，約為30%，并逐漸趨于穩(wěn)定，并與CK～退耕2 a間存在顯著差異。4種土壤結(jié)構(gòu)中砂粒含量最多，未采取退耕措施的農(nóng)田(CK)0—20 cm土層土壤中砂粒含量為62.72%，隨退耕年限增加其含量逐漸增大，并在退耕1 a及2 a時(shí)達(dá)到最大值，分別為82.69%，82.78%，并與退耕4～40 a間存在顯著差異，之后又隨著退耕年限增加呈波動(dòng)式減小并趨于穩(wěn)定，其含量變化在退耕4～40 a間差異不顯著；20—40 cm土層中砂粒含量最大值出現(xiàn)在未退耕的農(nóng)田地上，約為80%，之后隨退耕年限增加逐漸減小，但在退耕后1～40 a間，其含量變化均較穩(wěn)定且各退耕年限間差異不顯著。粗砂粒是土壤中粒徑最大的組分，0—20 cm及20—40 cm兩土層中含量的變化隨退耕年限增加較為活躍，均呈隨退耕年限增加先減小后增大的趨勢，除CK及退耕后1 a，其他退耕年限中0—20 cm，20—40 cm兩土層間粗砂粒含量均存在顯著差異(圖1)。

注：不同小寫字母表示不同不同退耕年限同一土層顯著差異(p<0.01)。

圖1 不同退耕年限退耕地土壤顆粒組成特征

2.2 青土湖退耕地土壤養(yǎng)分變化特征

由土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷含量的變化趨勢可知(圖2)，CK～退耕40 a間，兩土層中3種養(yǎng)分的含量均為0—20 cm層大于20—40 cm層，且3種養(yǎng)分含量均在退耕初期較高，之后隨退耕年限的增加而呈波動(dòng)式下降趨勢。其中不同退耕年限間土壤有機(jī)質(zhì)含量變化較小，隨著退耕年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)總體呈逐漸減小的變化特征，其中0—20 cm土層中土壤有機(jī)質(zhì)變化較為劇烈，并在未采取退耕措施的農(nóng)田地(CK)達(dá)到峰值0.041 g/kg，退耕后第4年達(dá)到較大值0.036 g/kg；隨著土層加深，20—40 cm土層中土壤有機(jī)質(zhì)含量隨退耕年限的增加變化幅度減小，即呈較平緩的波動(dòng)式下降趨勢，退耕后第1年時(shí)達(dá)到峰值0.029 g/kg，退耕后第4年達(dá)到較大值0.026 g/kg，退耕20 a時(shí)達(dá)到最小值0.015 g/kg。

3種土壤養(yǎng)分中全氮變化最為穩(wěn)定，在0—40 cm土層中總體呈隨退耕年限增加波動(dòng)式下降并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢，其中0—20 cm土層中，退耕初期全氮含量較高，退耕第4年時(shí)達(dá)到峰值1.325 g/kg，之后隨退耕年限增加而持續(xù)下降，并在退耕40 a時(shí)達(dá)到最小值0.770 g/kg；20—40 cm土層中含量變化趨勢和0—20 cm土層大致相同，但最大值出現(xiàn)在退耕后1 a，為1.257 g/kg，最小值出現(xiàn)在退耕后30 a，為0.692 g/kg。

土壤速效磷含量變化相對(duì)劇烈，其中0—20 cm土層中含量在未退耕農(nóng)田地達(dá)到峰值2.879 g/kg，在退耕后1～8 a間隨退耕年限的增加變化幅度較小，13～40 a變化幅度較大，并最終趨于穩(wěn)定；20—40 cm土層中，土壤速效磷含量變化較小且較為穩(wěn)定，但退耕初期(1～8 a)變化幅度較小，退耕后(13～40 a)變化幅度較大。

圖2 不同年限退耕地土壤養(yǎng)分變化特征

3 討 論

土壤顆粒組成和養(yǎng)分是土壤環(huán)境的一部分，對(duì)退耕地植被恢復(fù)具有極其重要的作用，影響其恢復(fù)的程度和速度，并協(xié)調(diào)著植物生長的環(huán)境條件及營養(yǎng)物質(zhì)的供給。在未采取退耕措施的農(nóng)田上和退耕1～8 a間，一年生草本植物大量生長，消耗養(yǎng)分的同時(shí)其枯枝落葉也有利于土壤養(yǎng)分在表層的積累。隨著退耕年限的增加，植物種類及數(shù)量逐漸增多，一部分養(yǎng)分被逐漸消耗，土壤養(yǎng)分含量降低；退耕30～40 a，伴隨著一年生草本的消失，多年生草本及灌木植物開始生長并逐漸穩(wěn)定，最終使植物生長與土壤養(yǎng)分的相互關(guān)系達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的平衡點(diǎn)[21]。本研究結(jié)果表明：(1) 不同顆粒組成含量總體表現(xiàn)為砂粒>粉粒>黏粒>粗砂粒，在各退耕年限內(nèi)表現(xiàn)為黏粒和粉粒含量隨退耕年限增加而增加，而砂粒和粗砂粒含量隨退耕年限增加而逐漸減少；其中土壤表層0—20 cm土層中其含量變化較為劇烈，20—40 cm土層中變化較為穩(wěn)定。其中黏粒結(jié)構(gòu)在CK及退耕后4 a間，0—20 cm、20—40 cm兩土層間含量存在顯著差異，之后隨退耕年限增加而趨于穩(wěn)定，且兩土層間差異不顯著；粉粒和砂粒結(jié)構(gòu)含量在CK及退耕后2 a變化較為劇烈，且同一年限內(nèi)0—20 cm，20—40 cm兩土層間存在顯著差異，之后也隨退耕年限的增加兩土層及各退耕年限間均差異不顯著，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)；而粗砂粒僅在CK及退耕后2 a含量較為穩(wěn)定，退耕4～40 a間含量變化較大且存在不穩(wěn)定性，同一年限兩土層間存在顯著差異。由此可以看出，石羊河下游青土湖區(qū)實(shí)施農(nóng)田退耕措施后土壤顆粒組成發(fā)生較大變化，隨著退耕年限的增加，土壤顆粒向逐漸細(xì)化的趨勢發(fā)展，砂粒和粗砂粒含量隨退耕年限增加而逐漸減少，有利于土壤中養(yǎng)分固持能力增強(qiáng)，從而對(duì)養(yǎng)分變化及植物養(yǎng)分的吸收產(chǎn)生重要影響。(2) 3種土壤養(yǎng)分在土層中的含量變化趨勢均為0—20 cm>20—40 cm，總體表現(xiàn)為隨退耕時(shí)間的延長而呈波動(dòng)式下降的趨勢，其中0—20 cm和20—40 cm土層中土壤有機(jī)質(zhì)含量均在CK～8 a間變化幅度較大,呈波動(dòng)式下降趨勢,在退耕后第4年出現(xiàn)一個(gè)上升的拐點(diǎn),而在退耕后13～40 a間變化幅度較小，最終趨于穩(wěn)定；土壤全氮含量表現(xiàn)出和有機(jī)質(zhì)相同的變化趨勢。前人研究表明，土壤養(yǎng)分中的有機(jī)質(zhì)和氮主要來源于上部植被凋落物的分解及根系分泌物[17]，而本文中土壤中全氮含量表現(xiàn)為和有機(jī)質(zhì)相同的變化趨勢，也驗(yàn)證了這一結(jié)論，說明灌木與草本植被相比，其較深的根系對(duì)土壤中N 的消耗量較大，并且隨著群落演替的進(jìn)行，產(chǎn)生大量的枯枝落葉，使歸還土壤的有機(jī)質(zhì)不斷增加，而土壤中的N元素可以通過有機(jī)質(zhì)來供給，從而出現(xiàn)了上述現(xiàn)象，但本文中這兩種養(yǎng)分同時(shí)在退耕后第4年出現(xiàn)增加的情況可能和退耕地上生長的豆科植物(如苜蓿等)有關(guān)[22]。土壤磷素是土壤中的礦質(zhì)營養(yǎng)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(zhì)以及大氣沉降，本研究0—20 cm土層中土壤速效磷含量受退耕年限影響較大且變化較為劇烈，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(xiàn)象和楊萬勤等[16]研究的關(guān)于草本植物對(duì)土壤表層P元素含量起決定作用、地表植物對(duì)土壤磷素具有生物表聚作用有關(guān)，而在土壤較深層中，只有當(dāng)?shù)厣现参锓浅ＸS富時(shí)，這種現(xiàn)象才比較明顯，但在干旱荒漠地區(qū)的退耕地上，這種結(jié)果很難實(shí)現(xiàn)，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。

根據(jù)本研究結(jié)果并結(jié)合石羊河流域下游民勤綠洲退耕區(qū)的自然環(huán)境和地理?xiàng)l件，說明采用單純的封育措施，促進(jìn)植被恢復(fù)、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境仍需較長的時(shí)間，且手段較為單一的封育措施在改善生態(tài)環(huán)境的同時(shí)卻忽視了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，要加快退耕地植被恢復(fù)的進(jìn)程，除需要適度的人為干預(yù)與調(diào)控外，還需引進(jìn)演替后期的植物品種，在保護(hù)的基礎(chǔ)上合理利用這些退耕地，修復(fù)生態(tài)條件并改善人居環(huán)境。

4 結(jié) 論

不同年限退耕地土壤顆粒組成含量總體表現(xiàn)為砂粒>粉粒>黏粒>粗砂粒，其中，黏粒結(jié)構(gòu)在CK及退耕后4 a間，0—20 cm，20—40 cm土層之間存在顯著差異，之后其在土壤中的含量隨退耕年限增加而趨于穩(wěn)定，且兩土層間差異不顯著；粉粒和砂粒含量在CK及退耕后2 a變化較為劇烈，且同一年限內(nèi)0—20，20—40 cm兩土層間存在顯著差異，之后也隨退耕年限的增加兩土層及各退耕年限間均差異不顯著，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)；而粗砂粒僅在CK及退耕后2 a含量較為穩(wěn)定，之后退耕4～40 a間含量變化較大，存在不穩(wěn)定性，且同一年限兩土層間存在顯著差異。

3種土壤養(yǎng)分的總體變化趨勢均表現(xiàn)為隨退耕年限增加而減小并最終趨于穩(wěn)定，在同一年限內(nèi)均表現(xiàn)為0—20 cm土層中的含量大于20—40 cm，且同一年限內(nèi)兩層間的含量差異均隨退耕年限增加而逐漸減小，以土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷表現(xiàn)較為明顯；其中土壤有機(jī)質(zhì)含量在CK—退耕8 a間變化幅度較大，且在此期間退耕第4年時(shí)有一個(gè)劇烈上升的拐點(diǎn)，13—40 a間變化幅度較?。蝗吭?種土壤養(yǎng)分中變化最為穩(wěn)定，且在整個(gè)退耕時(shí)間內(nèi)變化幅度較小；土壤速效磷含量在未采取退耕措施的農(nóng)田中(CK)最大，尤其在土壤表層0—20 cm最為明顯，之后表現(xiàn)為隨退耕年限增加而波動(dòng)式下降的趨勢，并趨于穩(wěn)定。