汾河上游流域棄耕地土壤養分及其與機械組成的關系

侯 麗，馬義娟，王國玲，蘇志珠，張 瑾

（1.太原師范學院地理科學學院，山西晉中030619；2.山西大學環境與資源學院，山西太原030006；3.山西大學歷史文化學院，山西太原030006）

棄耕地也稱撂荒地，是指原本進行農業生產的土地在人類不合理的經營方式以及掠奪性的開發下，不宜或不能再進行農業種植而被閑置的土地，其中，地力下降是撂荒的主要原因[1]。目前，我國學者已對棄耕地的成因及整治[2-4]、植被演替特征[5-6]、土壤理化特征[7-8]以及棄耕地的生態恢復[9-11]進行了大量研究，并取得了可喜的成果。棄耕地的土壤和植被的互動效應決定土壤與植被總是處在不斷的演化與發展之中，植被恢復重建和農地撂荒使得土壤養分含量提升，土壤肥力增加，而養分條件的改善又進一步促進地表植被的恢復[11-12]。在棄耕地地表植被恢復和重建過程中土壤養分的生態效應受到學者的關注[13-15]。土壤機械組成不僅是決定土壤理化性質的重要因素，更與植物生長所需土壤養分狀況以及它對各養分吸附能力的強弱密切相關，可以說土壤機械組成的差異是造成土壤養分含量多寡的主要內因[16]。因此，研究棄耕地土壤養分變化及其與土壤機械組成之間的關系，對棄耕地的生態恢復具有重要的現實意義。

汾河上游作為黃土高原生態脆弱區完整獨立的流域單元，既是重要的水源涵養區，也是水土流失治理的重點地區之一。自20 世紀90 年代開展生態退耕以來，棄耕地面積漸增，引起的生態環境效應問題值得重視，但近年來學者們主要圍繞流域內土地利用變化[17-18]、生態安全評價以及生態恢復補償[19]等進行了相關研究，而對棄耕地的土壤質量狀況鮮有報道。

本研究以山西省汾河上游流域不同植被恢復類型的棄耕地為研究對象，選取土壤有機質、全氮、全磷、全鉀等養分指標，探討棄耕地土壤養分含量變化及其與機械組成的關系，以期為汾河上游流域生態恢復、土地資源合理利用提供基礎數據和科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

汾河作為黃河的一級支流，是山西省最大的河流，發源于山西省寧武縣西南管涔山雷鳴寺泉，流經山西省中部和西南部進入黃河。其中，汾河上游流域（37°40′～39°80′N、111°21′～112°40′E）是指汾河源頭到太原市北郊蘭村烈石口區域，行政區劃上包括寧武縣、靜樂縣、嵐縣、婁煩縣、古交市等5 個縣（市）[19]。屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明、雨熱同期，年均降水量約490.70 mm，降水年際變化大且年內分配不均，降水集中于6—9 月且多暴雨。地形條件復雜，主要由山地丘陵和河川階地構成。土壤類型以褐土和淋溶性褐土為主，并含有少量棕壤土和潮土。植被景觀屬溫帶半濕潤落葉闊葉林與森林草原褐土景觀。近年來，隨著流域內生態退耕政策的逐步實施，棄耕還林（草）地土壤質量發生了明顯的變化[20]。

1.2 數據來源與方法

1.2.1 樣點選擇 2016 年4—11 月期間，通過對汾河上游流域棄耕地進行實地考察，通過訪談、查證相關資料對棄耕原因和棄耕時間予以確定后，選取棄耕年限均為10 a 的典型退耕還林地和荒草地作為棄耕型采樣地，同時選擇周邊立地條件相近的耕地作為對照地。其中，退耕還林地種植的樹種有油松（Pinus tabuliformis）、側柏（Platycladus orientalis）和檸條（Caragana korshinskii），荒草地則是自棄耕以來人為干擾極弱，以自然演替為主，以禾本科、薔薇亞科等草本植物為主。為確保樣品具有代表性和均勻性，采樣地涉及汾河上游流域5 個縣（市）的多個行政村。

1.2.2 樣品采集 退耕還林地、荒草地和對照耕地各設6 塊樣地（樣品編號：退耕還林地L1～L6；荒草地H1～H6；對照耕地G1～G6），共計18 塊，同時利用GPS 記錄其位置及樣地周圍地表環境狀況。土壤樣品采集按照多點采樣法進行，即每塊樣地設3 個樣方點，每個樣方點的采集面積為20 cm×20 cm，均勻采集表層（0～20 cm）與下層（20～40 cm）土壤試驗樣品，將3 個樣方點的土壤均勻混合作為該樣地的代表樣，單個樣品質量為300～500 g。將樣品放入自封袋中，自然風干并去除植物根系等雜物后以備測試。

1.3 測定項目及方法

土壤養分指標的測定包括土壤有機質（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）。其中，土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法，全氮含量的測定采用半微量凱氏法，全磷含量的測定采用硫酸-高氯酸消化分解后用鉬銻抗比色法，全鉀含量的測定采用碳酸氫鈉熔融-火焰光度法[21]。土壤顆粒的機械組成采用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer 2000）進行測試分析，儀器測量范圍0.02～2 000 μm，測量誤差在2.00%以內，重復測量3 次，取其算數平均值（體積百分比）；粒級劃分為黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.050 mm）和砂粒（0.05～2.00 mm）[22]。

1.4 數據處理

土壤養分和機械組成的相關分析采用Pearson相關系數法（IBMSPSS Statistics v20.0），所有結果采用軟件Origin 8.5 處理并作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤養分狀況

2.1.1 土壤有機質 為了分析棄耕后土壤有機質含量的變化狀況，選取棄耕地（退耕還林地和荒草地）和耕地（對照地）土壤表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）作為供試樣品，對其土壤有機質含量進行分析，其結果如表1 和圖1 所示。由表1 和圖1可知，3 種地類所有土壤樣品表層和下層的有機質含量平均值均表現出耕地（16.81，9.01 g/kg）＞荒草地（12.80，8.94 g/kg）＞退耕還林地（12.63，8.76 g/kg），且耕地表層和下層有機質含量差別較大（相差7.80 g/kg）、退耕還林地和荒草地表層和下層有機質含量差別較小（分別相差3.87，3.86 g/kg）；有機質含量標準差表現出耕地（7.90，3.58）＞退耕還林地（4.76，3.08）＞荒草地（4.29，3.00），且耕地表層和下層有機質含量標準差差異較大（相差4.32）、退耕還林地和荒草地表層和下層有機質含量差別較小（分別相差1.68，1.29）。整體上，棄耕地（退耕還林地和荒草地）土壤有機質含量較低，且差異較小。

表1 棄耕地與耕地土壤有機質含量變化

對比棄耕地（退耕還林地和荒草地）以及耕地（對照地）土壤表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）垂直分布上有機質含量的分布狀況（表1 和圖1），結果均表現出表層＞下層的分布規律；有機質含量標準差也表現出表層＞下層的分布規律，且上層差異較大、下層差異較小。結合第二次全國土壤普查有關土壤肥力狀況分級的標準[23]（表2），區域棄耕地土壤有機質含量屬于很低（6 級）、低（5 級）和中下（4 級）水平，分別占樣品總數的8.33%，41.67%和50.00%。上述結果表明，研究區3 種地類土壤有機質含量表層均大于下層，這是有機質積累具有表聚特征的表現；土壤有機質標準差反映出土壤表層有機質較下層更不穩定，更易受外界條件的干擾。肥力等級表明，棄耕地土壤有機質含量整體偏低。

表2 全國第二次土壤普查土壤肥力狀況分級標準[23]

2.1.2 土壤全量養分 為分析棄耕后土壤全量養分含量的變化情況，對比棄耕地（退耕還林地和荒草地）和耕地（對照地）土壤表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）全量養分含量（表3），并結合全國第二次土壤普查肥力狀況分級標準進行對比分析，土壤表層和下層全氮含量平均值表現為耕地（2.58，2.34 g/kg）＞荒草地（2.43，2.23 g/kg）＞退耕還林地（2.27，2.19 g/kg），各地類都處于很高水平（1 級）；全磷含量整體差別并不明顯，各地類全磷含量均居于低水平（5 級）；全鉀含量表現為退耕還林地（6.10，7.36 g/kg）＞耕地（5.16，5.14 g/kg）＞荒草地（4.37，5.06 g/kg），其中，退耕還林地和耕地表層全鉀含量為低水平（5 級）、荒草地為很低水平（6 級），而下層各地類均為低水平（5 級）。從土壤垂直方向上看，土壤全氮、全磷含量各地類均表現為表層＞下層的規律，即總體上呈現出與有機質含量相似的表聚特征；棄耕地（退耕還林地和荒草地）土壤全鉀含量表現出表層＜下層，而對照耕地表現為表層＞下層的規律。

表3 棄耕地與耕地土壤全量養分含量分析 g/kg

2.2 土壤養分含量與機械組成的相關性

對汾河上游流域棄耕地土壤養分含量與機械組成的相關性分析表明（表4），土壤養分含量與機械組成具有一定的相關性。除全磷外，3 種地類的土壤養分均與黏粒含量呈極顯著（P＜0.01）或顯著（P＜0.05）相關，其中，有機質與黏粒含量呈極顯著正相關（相關系數為0.547），全氮與黏粒含量呈顯著正相關（相關系數為0.440），全鉀與黏粒含量呈顯著負相關（相關系數為-0.494）。此外，有機質與粉粒含量呈顯著正相關（相關系數為0.462），與砂粒呈極顯著負相關（相關系數為-0.554）；全氮、全磷和全鉀含量與粉粒、砂粒含量相關性均未達到顯著水平。由此可見，黏粒含量是影響區域土壤養分含量的關鍵性粒級。

表4 棄耕地土壤養分與機械組成的相關關系

3 討論

土壤養分為植物的生長提供了所必需的營養元素，是影響土壤肥力的關鍵因子，其含量的多寡直接影響地表植被的生長狀況；同時，土壤養分含量與機械組成之間有著相互關聯性。土壤養分及其分布特征是成土母質、地形條件、生物氣候等因素綜合作用的表現，又受人為因素如耕作措施、土壤配肥和種植制度等的影響。這種綜合作用的結果是不同棄耕地土壤養分含量及分布特征必然存在著差異。

汾河上游流域棄耕10 a 的退耕還林地和荒草地土壤表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）養分含量中，有機質、全氮和全磷含量均低于對照耕地，僅全鉀含量高于對照耕地。薛超玉等[24]和杜峰等[25]分別對陜西安塞黃土丘陵溝壑區不同恢復年限棄耕地土壤養分測試得出，土壤有機質、全氮和全鉀含量都呈先減少后增大的趨勢，在第6 年或第6～10 年處于最低值；安慧等[26]對寧夏鹽池荒漠草原區不同年限的棄耕地研究表明，土壤有機碳含量、全氮和全磷含量在1～4 a增加、4～12 a減小、12～20 a增大；賈松偉等[12]通過比較陜西安塞7 個不同退耕年限土壤有機碳后得出，耕地撂荒后表層土壤有機碳含量隨著退耕年限的增加呈增加趨勢，棄耕10 a土壤表層（0～10 cm）有機碳含量較棄耕1 a 的增加了107.3%；楊柳等[27]對鄂爾多斯高原不同年限棄耕農田土壤養分分析表明，軟梁棄耕農田土壤全氮和全磷質量分數隨棄耕年限增加呈增加趨勢，硬梁棄耕農田0～10 cm 土層土壤全氮和全磷質量分數先減小后增加，全鉀質量分數先增加后減小。這些研究結果表明，棄耕地土壤養分積累與消耗處于動態平衡的過程，在棄耕初期地表植被迅速生長發育，土壤養分從土壤向植物體內轉移，而且棄耕初期植物群落的枯落物回歸作用非常微弱，土壤養分庫處于流失狀態，因而，土壤有機碳、全氮和全磷含量有一個降低的過程，之后隨著枯枝落葉的增加，土壤養分又開始增加，即棄耕地土壤養分含量隨演替的進行而發生的變化常受干擾類型、程度以及起始條件的不同而各自具有不同的變化特點[28]。

研究區土壤有機質標準差棄耕地（退耕還林地和荒草地）整體差異較耕地（對照地）小。究其原因，耕地受人為耕作施肥的影響，有機質含量較高且表層（平均值16.81 g/kg）和下層（平均值9.01g/kg）差異明顯；棄耕以后，雖人為停止耕作施肥，但地表生物量明顯大于耕地，有機質含量也應該會相應增加，但由于本區氣候條件相對干旱，微生物對植物體的分解數量有限，土壤中積累的有機質相對較少，同時大量植物的生長會消耗土壤有機質，因此退耕還林地和荒草地土壤有機質積累有限且表層和下層的有機質含量差異較小；退耕還林地不同樹種、疏密程度的差異也會對表層土壤有機質的含量產生影響，而對于自然演替的荒草地，其草本類型和生物量均較為一致，因此，荒草地土壤表層有機質含量差異最小。值得注意的是，汾河上游流域作為我國北方農牧交錯帶的重要組成部分，通常土地棄耕后草本植被的生長和根系代謝較快，每年有大量的枯枝落葉歸還于土壤，而木本植物，在棄耕前期，反而為了自身生長會從土壤中吸收部分養分，致使研究區荒草地總體上有機質含量大于退耕還林地，所以研究區在生態治理期間進行退耕還林還草時應優先考慮草本植被。

土壤養分在垂直分布上有明顯的表聚特征，整體上研究區土壤有機質、全氮和全磷含量呈現出表層大于下層的現象，這與宋娟麗等[7]對陜西安塞、張俊華等[17]對陜西永壽棄耕地土壤養分研究結果相似。原因主要在于土壤有機質和氮素主要來源于植物枯落物和動植物殘體，所以隨著退耕時間的增長、植被恢復和植被群落演替的進行，土壤表層聚集大量的枯枝落葉，為土壤養分富集提供了基礎，在微生物的作用下這些有機殘體有著不同程度的分解，并以腐殖質的形式在土壤表層富集，結果使土壤剖面中表層（0～20 cm）的有機質含量明顯高于下層（20～40 cm）；土壤全磷含量的高低主要受土壤母質、氣候條件、風化程度和淋溶作用等影響[16]，且磷在土壤中移動緩慢，溶解性相對較小，其淋失和流失量較小，結果在剖面上、下層之間含量變化不大。本研究選取樣點均為黃土分布區，土壤母質和成土作用基本一致，因此，棄耕地土壤全磷含量在剖面整體變化不明顯，但總體仍表現為表層含量略大于下層含量的現象，這可能與棄耕地被棄耕之前作為農田在表土施加磷肥有關；全鉀含量在棄耕地表現出表層＜下層的規律，這是由于農業活動對棄耕地干擾度較低，植物生長所需的鉀素只能從土壤中攝取且在植物根系深度聚集，使得鉀的含量表層明顯低于下層，而對照耕地由于受人為因素的影響會對其施入適量的鉀肥，土壤表層全鉀含量高于下層。

土壤機械組成的差異是影響土壤養分差異的關鍵性因子。本研究區棄耕地有機質、全氮、全鉀均與黏粒含量呈極顯著（P＜0.01）或顯著（P＜0.05）相關，有機質含量均隨黏粒和粉粒含量增加而增加，隨砂粒含量增加而減少，與前人的研究結果[18-20]相一致。這主要是由于黏粒粒徑微小（＜0.002 mm），由其形成的土壤中的非毛管孔隙少、毛管孔隙多，毛管作用力強，團粒結構好，保水蓄水及保肥性能強，腐殖質分解緩慢有利于積累，土壤養分含量豐富，因而，土壤有機質、氮和鉀含量均隨黏粒含量增加而增加。但本研究的機械組成與全磷含量的相關性不顯著，原因還有待進一步研究。

4 結論

本研究在對汾河上游流域進行實地考察基礎上，對研究區棄耕地（棄耕還林地和荒草地）土壤表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）土壤養分及其與機械組成的關系進行了分析，結果表明，土壤表層和下層有機質含量的平均值表現出耕地（16.81，9.01 g/kg）＞荒草地（12.80，8.94 g/kg）＞退耕還林地（12.63，8.76 g/kg）；全氮含量表現為耕地（2.58，2.34 g/kg）＞荒草地（2.43，2.32 g/kg）＞退耕還林地（2.27，2.19 g/kg）；全磷含量整體差別并不明顯；全鉀含量表現為退耕還林地（6.10，7.36 g/kg）＞耕地（5.16，5.14 g/kg）＞荒草地（4.37，5.06 g/kg）。

棄耕地土壤養分含量在土壤剖面上表現出明顯的深度層次性，有機質、全氮、全磷養分含量表層（0～20 cm）較下層（20～40 cm）略高，具有表聚效應；全鉀含量表現則相反。

棄耕地土壤養分與機械組成之間的關系密切，黏粒是影響土壤養分含量多寡的關鍵因子，整體上土壤養分含量與黏粒含量之間的相關性明顯。