黃土丘陵溝壑區(qū)退耕還草年限對(duì)土壤性質(zhì)和入滲性能的影響

徐遠(yuǎn)慧，馮 璐，屈媛媛，李 凱，李夢(mèng)瑤，周 楠，徐學(xué)選,3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

黃土高原生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出，原生態(tài)系統(tǒng)因植被破壞失衡而導(dǎo)致水土流失，其中黃土丘陵溝壑區(qū)是最嚴(yán)重的地區(qū)之一。上世紀(jì)末我國(guó)開(kāi)展了營(yíng)造防護(hù)林、退耕還林(草)等一系列生態(tài)工程，通過(guò)恢復(fù)植被來(lái)保持當(dāng)?shù)厮临Y源，目前已經(jīng)取得可觀的生態(tài)效益。有研究表明，退耕還林還草促進(jìn)黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)，在此過(guò)程中，土壤基本性質(zhì)、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、入滲性能等均有不同程度的改善。

土壤基本性質(zhì)和土壤團(tuán)聚體的相關(guān)指標(biāo)顯著反映土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣、抗蝕能力強(qiáng)弱等功能表現(xiàn)，土壤容重小，透氣性好，土壤孔隙度高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好，則土壤結(jié)構(gòu)越優(yōu)，更有利于植物的生長(zhǎng)。植物根系因其對(duì)土壤的穿插交互聯(lián)結(jié)以及生物化學(xué)作用影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和大孔隙發(fā)育，能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤抗侵蝕能力和入滲能力，是植被改善土壤的主要原因之一。土壤水分入滲是連接地上水轉(zhuǎn)為地下水的橋梁，是植物根系吸水的重要前提，作為檢驗(yàn)土壤結(jié)構(gòu)均衡性、土壤孔隙度和連通性以及土壤導(dǎo)水保水能力的有效因子，對(duì)于減少地表徑流、防止土壤侵蝕、表征土壤結(jié)構(gòu)合理性具有重要意義?，F(xiàn)有研究表明，耕地退耕后無(wú)論是林地還是草地，其土壤水力特性、土壤入滲能力等均優(yōu)于農(nóng)地；草地和灌叢地土壤的孔隙度和大孔隙數(shù)量比林地和農(nóng)地更高，更有利于水分入滲；林地恢復(fù)到31年后水分虧缺程度有所改善，而草地?zé)o改善，且林地固碳量隨恢復(fù)年限延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)，而草地表現(xiàn)相反，這或許是因?yàn)樗芯康牟莸鼗謴?fù)年限不夠或研究區(qū)水分分布不均勻?qū)е?。不同退耕年限林地和草地?duì)于土壤的改善效果也存在差異，陳文媛等對(duì)比官山林場(chǎng)不同恢復(fù)年限林草地的土壤團(tuán)聚體發(fā)現(xiàn)，退耕10年林地的土壤團(tuán)聚體狀況比草地更好，退耕年限到25年時(shí)則表現(xiàn)相反；紀(jì)月等的研究表明，退耕還林年限延長(zhǎng)林地有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量，大團(tuán)聚體含量均隨之增加，但土壤持水性卻表現(xiàn)為到退耕25年階段為最強(qiáng)，到退耕50年階段最弱。

可見(jiàn)，土壤理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的逐步改善得益于退耕還草的實(shí)施，然而目前關(guān)于退耕還草年限對(duì)土壤改善的綜合作用和具體表現(xiàn)的研究還較少，且已有研究成果在黃土丘陵區(qū)是否具有普遍性和不同區(qū)域間的差異性如何等問(wèn)題目前仍不明確，不能準(zhǔn)確得出退耕還草在黃土丘陵溝壑區(qū)的作用。本文在黃土丘陵溝壑區(qū)分別選取農(nóng)地、退耕5年、15年、25年的撂荒草地為研究樣地，探討退耕年限草地在土壤性質(zhì)、根系指標(biāo)、團(tuán)聚體特征和入滲性能之間的差異和彼此的關(guān)系，以揭示不同退耕年限對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)土壤性質(zhì)的改善狀況，為該地區(qū)植被建造和退耕還草效果評(píng)估和在此基礎(chǔ)上后續(xù)的發(fā)展規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)置在陜西省延安市安塞區(qū)墩山(109°19′22″E，36°51′15″N)，該區(qū)屬梁峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū)，交錯(cuò)分布黃綿土和沙黃土，屬大陸性季風(fēng)氣候，海拔1 068～1 309 m，年均氣溫8.8 ℃，年均日照時(shí)間2 395.6 h，年均降水量505.3 mm，降雨主要集中于7—9月，多為暴雨。試驗(yàn)樣地位于中科院生態(tài)修復(fù)對(duì)淺溝集水區(qū)侵蝕研究的試驗(yàn)田，其中5年草地、15年草地系上世紀(jì)90年代開(kāi)始陸續(xù)自然退耕還草的梁坡梯田，自退耕以來(lái)未有人為擾動(dòng)；25年草地維持坡地退耕，保持坡度，土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育的黃綿土，質(zhì)地類(lèi)型為粉砂壤土，抗侵蝕能力弱，到研究開(kāi)展時(shí)期樣地植被覆蓋度明顯提高，年平均侵蝕模數(shù)大幅度下降。樣地基本信息見(jiàn)表1。

表1 樣地基本信息

1.2 樣品的采集與處理

樣地調(diào)查與樣品采集于2019年7月進(jìn)行，在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)取3個(gè)重復(fù)，用大鋁盒分層(每10 cm)采集表層(0—30 cm)原狀土樣，每份土樣重約500 g。經(jīng)過(guò)干篩—濕篩后稱(chēng)重獲得<0.25，0.25～0.5，0.5～1，1～2，2～5，>5 mm各土壤團(tuán)聚體顆粒對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，計(jì)算其質(zhì)量的百分比。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，烘干法測(cè)定土壤飽和含水率，重鉻酸鉀法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量，激光粒度儀(MS 2000)測(cè)定土壤機(jī)械組成，凱氏定氮儀測(cè)定土壤全氮含量。用大環(huán)刀(500 cm)取土壤中植物根系，用愛(ài)普生V370掃描儀掃描新鮮根系并使用WinRHIZO 2009分析掃描圖像，得到根系指標(biāo)；將根烘干后稱(chēng)重獲得根系生物量(RB)。

土壤入滲試驗(yàn)于2019年8月進(jìn)行，使用圓盤(pán)入滲儀分別測(cè)定4類(lèi)樣地的入滲性能，具體方法參考丁康等。

1.3 分析計(jì)算

根據(jù)已有研究，分析土壤團(tuán)聚體的指標(biāo)為最常用的MWD、GMD和。相關(guān)計(jì)算公式為：

=×100%

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用IBM SPSS軟件(23.0版本)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，GraphPad Prism軟件(8.0版本)制圖。使用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較分析，Pearson相關(guān)分析法分析相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 撂荒年限對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響

各樣地表層土壤(0—30 cm)的基本性質(zhì)見(jiàn)表2。各樣地砂粒含量為42%～53%，粉粒含量為29%～37%，黏粒含量為14%～24%?？傮w來(lái)看，砂粒含量表現(xiàn)為C>C>農(nóng)地>C，粉粒含量表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地，黏粒含量表現(xiàn)為農(nóng)地>C>C>C。隨著撂荒年限增加，土壤顆粒組成中黏粒占比增加，砂粒降低，即隨著退耕年限增加，土壤的平均粒徑出現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。土壤容重(BD)表現(xiàn)為農(nóng)地>C>C>C，隨著撂荒年限延長(zhǎng)，土壤容重更小，且隨著土層的加深而不斷增加，土壤飽和含水率(SMC)增加。5年樣地和農(nóng)地0—10 cm土層中的土壤容重顯著低于其他土層(<0.05)，5年樣地20—30 cm土層中的土壤容重顯著高于其他土層(<0.05)，25年樣地20—30 cm土層中的土壤容重與10—20 cm土層差異不大，但顯著高于0—10 cm土層(<0.05)。各樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量(SOM)、土壤全氮含量(TN)均表現(xiàn)為C>C>農(nóng)地≈C，且25年樣地和15年樣地土TN顯著高于5年樣地和農(nóng)地(<0.05)。除農(nóng)地的土壤SOM外，SOM和TN均隨著土層加深而降低。

表2 不同撂荒年限草地土壤基本性質(zhì)

2.2 撂荒年限對(duì)土壤根系的影響

研究土壤中植物根系特征常采用根系生物量(RB)、根表面積密度(RAI)、根平均直徑(RAD)和根長(zhǎng)密度(RLD)等指標(biāo)。由表3可知，RB、RAI和RAD總體均表現(xiàn)為C>C>農(nóng)地≈C，RLD表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地，其中RB、RLD、RAI以及25年樣地和農(nóng)地的RAD均隨著土層的加深呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。25年樣地和農(nóng)地各土層中的RB均呈顯著差異(<0.05)；不同土層間草地的RLD差異顯著(<0.05)，而農(nóng)地各土層中的RLD差異不顯著。25年樣地和15年樣地的RLD在各土層均顯著高于5年樣地和農(nóng)地(<0.05)。對(duì)于RAD，在5年樣地和15年樣地中最上層(0—10 cm)顯著高于其他土層(<0.05)；在25年樣地和農(nóng)地中各土層間呈顯著差異(<0.05)。25年樣地的各項(xiàng)根系相關(guān)指標(biāo)均最高，15年樣地次之，具體表現(xiàn)為C25年樣地的RB分別為C15年樣地、農(nóng)地、C5年樣地的1.18，1.27，1.59倍，RLD分別為1.34，3.10，6.64倍，RAI分別為1.67，3.67，4.41倍，RAD分別為1.28，1.32，2.78倍。

表3 不同撂荒年限草地根系特征

2.3 撂荒年限對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

2.3.1 土壤團(tuán)聚體數(shù)量和分布 各樣地均表現(xiàn)為<0.25 mm粒級(jí)小團(tuán)聚體含量最高，且以0—10 cm土層含量最高，隨土層深度遞減。隨著土層加深，草地的大團(tuán)聚體(>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體)含量呈遞增趨勢(shì)，而農(nóng)地的變化不規(guī)律，土壤大團(tuán)聚體含量整體表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地(表4)；且在3個(gè)土層中，>5，2～5，1～2 mm 3個(gè)粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體含量均表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。與之相反，農(nóng)地的小團(tuán)聚體(<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體)含量顯著高于草地(<0.05)，25年樣地小團(tuán)聚體含量顯著低于其他樣地(<0.05)。整體上5年樣地和農(nóng)地的小粒級(jí)土壤團(tuán)聚體較多，15，25年樣地的大、小粒級(jí)土壤團(tuán)聚體分布相對(duì)均衡。

表4 不同撂荒年限草地土壤團(tuán)聚體組成

2.3.2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性 土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地，分形維數(shù)()則完全相反(圖1)。草地的MWD隨著土層加深呈先降低后增加的趨勢(shì)，而農(nóng)地的MWD始終呈降低趨勢(shì)，除15年樣地的0—20 cm土層外，各樣地間的MWD均差異顯著(<0.05)；GMD呈降低趨勢(shì)。除15年與5年樣地的10—20 cm土層GMD較為接近外，其他樣地間GMD均存在顯著差異(<0.05)；則較為穩(wěn)定，5年樣地與15年樣地間10—30 cm土層差異不顯著，其他各樣地同一土層間差異顯著(<0.05)。農(nóng)地的處于相對(duì)較高的水平，而MWD、GMD均顯著低于草地(<0.05)，表明農(nóng)地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性相對(duì)較差，形狀也相對(duì)不規(guī)則。

2.4 撂荒年限對(duì)土壤入滲性能的影響

不同撂荒年限草地表層土壤的入滲速率和過(guò)程見(jiàn)圖1和圖2。0負(fù)壓下各樣地在入滲15 min后達(dá)到穩(wěn)定入滲。農(nóng)地和5年樣地土壤初始入滲率(IIR)和穩(wěn)定入滲率(SIR)均表現(xiàn)接近，且與25年樣地和15年樣地間均存在顯著差異，25年樣地和15年樣地間IIR和SIR也均存在顯著差異。IIR表現(xiàn)為C>C>農(nóng)地≈C，SIR表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地?？傮w來(lái)看，草地土壤的入滲速率與其撂荒年限表現(xiàn)為正相關(guān)，即時(shí)間越長(zhǎng)，入滲速率越快，而農(nóng)地入滲速率低于草地，并且較接近于5年草地，這與其土壤團(tuán)聚體特征和根系特征結(jié)果表現(xiàn)相對(duì)應(yīng)。

注：圖中不同字母表示同一土層不同樣地間差異顯著(P<0.05)。

圖2 各樣地土壤水分入滲過(guò)程

SIR與>5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量、MWD、GMD、SOM、RB呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.740，0.779，0.904，0.727，0.889；與小團(tuán)聚體(<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體)含量、呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.901和-0.831。SOM、RB、>5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量越高，土壤的結(jié)構(gòu)和孔隙度越優(yōu)，透水通氣性越好，入滲速率也越快。

3 討 論

3.1 撂荒年限對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響

退耕還草能改變土壤顆粒組成、有機(jī)質(zhì)含量和含水量等土壤性質(zhì)。草地土壤中黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量隨著撂荒年限延長(zhǎng)而增加，土壤逐漸變得疏松，土壤飽和含水率則隨之增加，這與曾健等的研究結(jié)果一致，說(shuō)明撂荒草地土壤的結(jié)構(gòu)隨著年限延長(zhǎng)逐漸有所好轉(zhuǎn)。容重是土壤緊實(shí)程度的表現(xiàn)，也反映土壤的孔隙發(fā)育情況。本研究中隨著撂荒年限延長(zhǎng)容重呈變小趨勢(shì)，表明隨著撂荒年限延長(zhǎng)土壤孔隙有所改善，總孔隙度逐漸增大；而隨著土層加深容重逐漸增大，與草地表層土壤根系密度、活動(dòng)強(qiáng)度大于中下層有關(guān)，說(shuō)明淺層土壤受草地改善的作用更明顯。15，25年樣地有機(jī)質(zhì)和全氮含量提高，原因在于植被恢復(fù)后固碳增加，并以有機(jī)物的形式返還至土壤中，根系活動(dòng)增強(qiáng)為根際微生物提供更加豐富的分解材料。農(nóng)地由于施肥等人類(lèi)輸入導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)、全氮含量高于5年樣地，甚至20—30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量高于25年樣地；農(nóng)地黏粒含量高于草地，可能是反復(fù)的農(nóng)耕活動(dòng)破壞土壤結(jié)構(gòu)使其變得更偏黏重，以及土地平緩，黏粒流失較少的緣故。

3.2 撂荒年限對(duì)土壤根系的影響

植物根系通過(guò)根際間物理連結(jié)、根—土黏結(jié)以及生化作用等途徑，在改善土壤結(jié)構(gòu)、形成穩(wěn)定團(tuán)聚體等方面有著重要作用。Hudek等研究發(fā)現(xiàn)，根長(zhǎng)密度高的根系能有效增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性，Demenois等的研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，該研究還發(fā)現(xiàn)，根系生物量高的土壤其團(tuán)聚體穩(wěn)定性也較高；也有研究表明，根表面積密度能有效反映根系對(duì)增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的物理纏繞作用，根系直徑與團(tuán)聚體穩(wěn)定性有密切聯(lián)系。

本研究中，撂荒初期(5年)草地根系性狀與農(nóng)地較為接近，而中后期(15，25年)草地總體優(yōu)于農(nóng)地，且25年樣地表現(xiàn)優(yōu)于15年樣地，這也與各樣地團(tuán)聚體的表現(xiàn)一致，土壤根系性狀隨著草地撂荒時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸改善，進(jìn)而強(qiáng)化了對(duì)土壤的正向作用。農(nóng)地在根系直徑及深層土壤的其他根系性狀數(shù)值上高于5年樣地，主要是由于農(nóng)地受人類(lèi)活動(dòng)影響而生長(zhǎng)特定植被，其根系長(zhǎng)勢(shì)更好。根系性狀隨著土層加深均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這主要與根系表聚相關(guān)。

3.3 撂荒年限對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響

在土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究中常用MWD和GMD表示，其數(shù)值與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤抗蝕能力表現(xiàn)為正相關(guān)。撂荒草地MWD和GMD及大團(tuán)聚體含量隨著退耕年限增加而增加，農(nóng)地的相應(yīng)值處于較低水平，而則表現(xiàn)相反。25，15年樣地土壤團(tuán)聚體MWD和GMD值較高，主要是由于植被恢復(fù)導(dǎo)致>5 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體含量增加，大團(tuán)聚體顆粒能防止土壤板結(jié)，降低土壤密度增加孔隙，有助于提升土壤透水能力，因此撂荒年限長(zhǎng)的土壤團(tuán)聚體更為穩(wěn)定，這與陳文媛等在官山林場(chǎng)、安韶山等和趙世偉等在寧夏云霧山的研究均表現(xiàn)相近或具有相同趨勢(shì)。可見(jiàn)，在黃土丘陵溝壑區(qū)退耕還草逐漸增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用具有普遍性，能夠使土壤結(jié)構(gòu)變得更好。

3.4 撂荒年限對(duì)土壤入滲的影響

撂荒年限不同，植被存在差異，其土壤的入滲性能也表現(xiàn)不同。本研究中，草地的土壤水分入滲速率與撂荒年限呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，撂荒年限越長(zhǎng)，入滲速率越快，這在王國(guó)梁等、Yu等的研究中也得到證實(shí)。主要是因?yàn)榱袒牟莸厥苤脖换謴?fù)植物活動(dòng)強(qiáng)度增大的影響使得土壤容重較小，土壤松散，孔隙度較高，更易于導(dǎo)水。農(nóng)地初始入滲略高于撂荒5年草地，主要原因在于受農(nóng)耕活動(dòng)作用，最上層(0—10 cm)土壤變的松散干燥，孔隙度增大，使表層導(dǎo)水能力增強(qiáng)；而農(nóng)地穩(wěn)定入滲與撂荒5年草地相接近主要是因?yàn)榱袒某跗谥脖粚?duì)土壤的改善作用還不夠明顯。容重、孔隙度、團(tuán)聚體等多種性質(zhì)都是影響土壤水分入滲的因素，故土壤入滲速率可以從結(jié)果層面來(lái)檢驗(yàn)和論證土壤相關(guān)性質(zhì)的表現(xiàn)。本研究中，SIR與大團(tuán)聚體(>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體)含量、MWD、GMD、SOM、RB呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，表明植被恢復(fù)使以上指標(biāo)增大，促進(jìn)土壤大孔隙的形成，進(jìn)而增強(qiáng)土壤的導(dǎo)水性能。

黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失主要的發(fā)生點(diǎn)在坡面，因此要注重在坡面的農(nóng)耕等人類(lèi)活動(dòng)的不利影響，加強(qiáng)退耕還草的實(shí)施和對(duì)此類(lèi)重點(diǎn)區(qū)域的規(guī)劃，減少水土流失。

4 結(jié) 論

(1)撂荒過(guò)程中隨著時(shí)間延長(zhǎng)，土壤砂粒含量減少，黏粒含量增加，土壤容重降低，土壤飽和含水量增大，有機(jī)質(zhì)積累，包括全氮、根系特征值均呈增加趨勢(shì)。

(2)土壤大團(tuán)聚體含量、MWD和GMD整體表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地，與之相反。5年樣地和農(nóng)地的小粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量較多，15，25年樣地的大、小粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量分布相對(duì)均衡，退耕還草年限越長(zhǎng)，對(duì)土壤團(tuán)聚體的改善作用越顯著。

(3)除5年樣地初始入滲略低于農(nóng)地外，土壤入滲速率總體表現(xiàn)為C>C>C>農(nóng)地，土壤穩(wěn)定入滲率主要受SOM、RB、>5 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體含量的影響，耕地撂荒后其草地土壤的入滲能力高于農(nóng)地，且隨著撂荒年限延長(zhǎng)呈增強(qiáng)趨勢(shì)，退耕還草有利于促進(jìn)土壤水分入滲，能夠有效降低土壤侵蝕，尤其是水蝕的風(fēng)險(xiǎn)。