陜北黃土區退耕還林（草）地土壤質量特征及其對降水的響應

張智勇，艾 寧,，劉廣全，劉長海，宗巧魚，劉 姣，郝寶寶

陜北黃土區退耕還林（草）地土壤質量特征及其對降水的響應

張智勇1，艾 寧1,2※，劉廣全2，劉長海1，宗巧魚1，劉 姣1，郝寶寶1

（1. 延安大學生命科學學院/陜西省紅棗重點實驗室（延安大學），延安 716000；2. 中國水利水電科學研究院，北京 100038）

為了解陜北黃土區退耕還林（草）地土壤質量差異特征及其對降水的響應，該研究沿370～470 mm的降水梯度，選取了陜西省吳起縣境內的王洼子（370～395 mm）、大吉溝（440～445 mm）和白豹（460～470 mm）3個降水梯度區作為研究區，并結合土壤質量指數法，定量評價降水梯度區廣泛栽植的刺槐林（）、沙棘林（）和草地的土壤物理結構、持水性、鹽堿度、碳匯指標以及速效養分指標方面的綜合得分，明確植被恢復后土壤質量隨降水梯度的變化特征。結果表明：1）降水量、植被類型以及二者的交互作用對土壤指標影響顯著（<0.05）。2）在460～470 mm降水量區，刺槐林對土壤質量改良效果最好，其土壤質量綜合指數為0.829，其次為沙棘林（0.808），二者土壤質量均達到肥沃水平，且差異不顯著，草地土壤質量綜合指數最低為0.679，土壤質量為較肥沃水平；在440～445 mm降水量區，刺槐林、沙棘林和草地的土壤質量綜合指數分別為0.672、0.764和0.527，其中刺槐林和沙棘林下土壤質量達到較肥沃水平，草地土壤質量等級為中等水平；在370～395 mm降水量區，3種植被類型土壤質量綜合指數由大到小表現為沙棘林（0.792）>刺槐林（0.433）>草地（0.270），沙棘林土壤質量等級最高為較肥沃水平，其次為刺槐林和草地，二者土壤質量分別為中等水平和貧瘠水平。3）在370～470 mm降水梯度內，3種植被類型土壤質量綜合指數均隨著降水量的減少而降低，其中沙棘林土壤質量綜合指數變異系數較低為2.34%，刺槐林和草地土壤質量綜合指數變異系數較高，分別為25.27%和34.34%。該研究結果可為陜北黃土區不同降水梯度下的植被恢復與重建等林業生態工程實施提供數據支撐與理論支持。

土壤；降水；退耕還林（草）；質量評價；植被類型；降水梯度；陜北黃土區

0 引 言

土壤和植被是陸地生態系統的重要組成部分，二者相互依賴，相互制約[1]。土壤為植被生長發育提供氮、磷、鉀等營養元素，是植被生長發育的重要載體[2]，而植被又通過根系的物理作用力以及凋落物等有機物質的歸還影響土壤容重、孔隙度、持水能力及養分狀況[3]。陜北黃土區位于中國水蝕風蝕交錯區，水土流失嚴重，生態環境脆弱，植被恢復已成為當地解決生態環境問題，提高土壤質量的有效措施[4-6]，然而，由于該地氣候干旱，水分已成為此地植被生長發育的主控因子，研究表明，植被對土壤水分的利用方式會導致植被生長狀態及分布特征發生變化，改變植被的凈初級生產力[7]，這些變化會間接影響土壤質量恢復[8-9]，張志南等[10]研究發現黃土高原天然草地群落物種多樣性和豐富度與土壤含水率具有顯著正相關性；宋光等[11]發現黃土高原刺槐林（）葉片厚度、根密度等功能性狀隨著降水量的減少發生適應性改變。孫龍等[12]研究表明黃土丘陵區表層土壤有機碳含量沿著368～591 mm 年均降水量梯度而遞增，此外，還有研究指出降水減少會改變土壤團聚體的穩定性[13]，抑制微生物活動和酶活性[14-15]。在黃土高原氣候向暖干化態勢演變[16]以及植被覆蓋度顯著增加的生態背景下，了解降水-植被-土壤質量的耦合關系，對于應對氣候變化所引起的降水模式改變對生態系統的影響具有重要意義。

目前，有關陜北黃土區退耕還林（草）工程實施過程中，植被對土壤屬性改變的研究已有大量報道，但這些研究多集中于一種或少數幾種土壤屬性[12-13,17,18]，而有關降水樣帶上不同植被類型土壤質量隨降水變化的研究還比較少見。因此，本文在陜北黃土區的3個降水梯度（370～395、440～445和460～470 mm）上選擇了刺槐林、沙棘林（）和草地共3種典型植被類型，通過調查取樣，利用土壤質量指數法，定量評價研究區不同降水梯度3種植被類型在土壤物理結構、持水性、鹽堿度、碳匯及速效養分等方面的綜合得分，了解植被恢復后土壤質量對降水變化的響應，以期為今后陜北黃土區林業生態工程建設過程中植被配置與樹種選擇提供科學依據與數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市吳起縣（107°38′57″～108°32′49″E，36°33′33″～37°24′27″N），該縣被譽為中國“退耕還林第一縣”，總面積為3791.5 km2，盛行半干旱溫帶大陸性季風氣候，年均溫為7.8 ℃，地貌以黃土高原梁狀丘陵溝壑為主，海拔在1 233～1 809 m之間，土壤多為黃綿土。該縣自1998年實施退耕還林還草工程以來，逐漸形成了以側柏（）、刺槐、油松（）、檸條（）、沙棘、賴草（）、針茅（）、達烏里胡枝子（）、百里香（）、鐵桿蒿（）、委陵菜（）刺兒菜（）、苦荬菜（）以及翠雀（）等植被為主的林草地。

1.2 土壤樣品采集

課題組于2017年7—9月進行土壤樣品采集，并確保每次采集樣品前7 d無降水。選取吳起縣境內的3個降水梯度區[18]作為研究區，分別為王洼子（370～395 mm）、大吉溝（440～445 mm）和白豹（460～470 mm）（圖1）。在每個降水梯度區選取具有相似生境條件（坡度、坡向、海拔以及恢復年限）的刺槐、沙棘和草地3種典型植被類型作為研究對象，在每個研究區的每種植被類型分布區分別布設3塊20 m×20 m的獨立標準樣地，共計27塊樣地，并記錄樣地信息（表1），其中每個樣地按五點法取樣，取樣剖面深度為100 cm，去除地表枯落物，自地表垂直向下分為5層，依次為0～20、>20～40、>40～60、>60～80、>80～100 cm，共計135個土壤剖面，采用環刀取樣時，同一剖面每層取3個重復，以用于測定土壤物理結構及持水性指標，共計2025個環刀樣品，同時將同一樣地5個樣點相同土層的土壤混合為1個土壤樣品，裝入自封袋帶回實驗室自然風干，過篩進行土壤化學性質測定，共計135袋土壤混裝樣品。

圖1 樣地點位圖

表1 樣地基本信息

1.3 土壤指標測定

烘干法測定土壤含水率；環刀法測定土壤容重及計算孔隙度、飽和含水率和毛管持水量等指標[19]；重鉻酸鉀氧化法測定土壤有機碳含量；火焰光度計法測定土壤速效鉀；堿解擴散法測定土壤堿解氮；鉬銻抗比色法測定土壤有效磷[20]；土壤pH值和電導率分別由PHS—320高精度智能酸度計和DDS—608多功能電導率儀測定。

1.4 土壤質量指數評價模型

采用加權求和法建立研究區土壤質量評價模型，將單因素評價結果轉化為多因素評價結果，以綜合評價370～470 mm降水梯度下不同植被類型土壤狀況及其變化特征，評價方法步驟如下[21-22]：

1）選擇評價指標

本研究綜合考慮前人研究成果[23-24]及試驗條件，選取了對土壤質量有重要影響的12項土壤理化指標，分別為土壤容重、非毛管孔隙度、總孔隙度、土壤含水率、飽和含水率、毛管持水量、pH值、電導率、有機碳含量、有效磷、堿解氮以及速效鉀，以綜合評價土壤質量。

將土壤容重、非毛管孔隙度、總孔隙度歸為土壤物理結構指標；將土壤含水率、飽和含水率和毛管持水量歸為土壤持水性指標；將pH值和電導率歸為土壤鹽堿度指標；將有機碳含量歸為土壤碳匯指標；將有效磷、堿解氮和速效鉀歸為土壤速效養分指標，

2）計算各評價指標權重

通過相關矩陣確定各指標間的相關系數，求出各評價指標間的相關系數平均值，并將該平均值與所有評價指標的平均相關系數之和的比作為評價指標的權重R[22]。

3）計算各評價指標隸屬度

根據土壤指標值對土壤質量評價的正負相關性，本文選擇了3種隸屬度函數，分別為正相關S型隸屬度函數、負相關S型隸屬度函數和梯形隸屬度函數[21-22]。其中，將土壤非毛管孔隙度、總孔隙度、土壤含水率、飽和含水率、毛管持水量、有機碳含量、有效磷、堿解氮以及速效鉀歸納為正相關S型隸屬度函數，此類指標值越高，表明評價對象土壤質量越高。將pH值和電導率歸納為梯形隸屬度函數，同時參考中華人民共和國農業行業標準（NY/T391—2000）以及前人研究結果[21]確定該地區土壤pH值界點分別為8.1、8.3、8.6和8.8；電導率界點分別為70、90、110和130，此類指標值在中間值范圍內，評價對象土壤質量最高。將土壤容重歸納為負相關S型隸屬度函數，此類指標值越高，評價對象土壤質量越差。

4）計算土壤質量指數

計算不同植被的各土壤評價指標的隸屬度值和權重值，然后將兩者相乘并進行累加，即可得到不同植被土壤質量指數，土壤質量指數越大，表明該植被對土壤質量恢復效果越好具體如式（1）所示：

式中SOI為土壤質量評價指數，R為第個指標的權重，代表評價指標個數，=12，Y為各個評價指標的隸屬度值。

1.5 數據處理

運用Excel 2016 計算土壤指標權重、隸屬度、土壤質量指數及其變異系數；運用ArcMap10.3 和Origin 2018制圖；運用SPSS 22.0對數據進行正態分布檢驗、相關性分析和多因素方差分析，探討降水量、植被類型以及二者對土壤指標的主效應和交互效應，確定指標之間的相關性與相關系數。

2 結果與分析

2.1 降水量、植被類型以及二者交互作用對土壤指標的影響

多因素方差分析表明，降水量和植被類型對土壤指標存在顯著主效應（<0.05），且降水量和植被類型存在顯著交互作用的指標占比為 100%，降水量對這些土壤指標在植被類型間的差異具有顯著影響（<0.05）（表 2）。

不同植被類型的土壤物理指標隨著降水量的變化而表現出顯著差異（<0.05），土壤物理指標對降水量的響應程度不同。在370～470 mm降水量區，各植被SWC均隨著降水量的減少而降低，但沙棘林SWC顯著高于刺槐林和草地（<0.05）。同時，沙棘林TP、SMC和CWC方面也具有明顯的優勢，表明沙棘林的透氣、保水性較好（表3）。

表2 降水量、植被類型對土壤指標的影響及交互作用

注：*在0.05水平上顯著相關；**在0.01水平上顯著相關。

Note：* Significance(<0.05); **Significance(<0.01).

表3 不同降水梯度區各植被類型下的土壤物理指標

注：不同小寫字母表示同一降水梯度下不同植被類型間差異顯著（<0.05）；不同大寫字母表示同一植被類型下不同降水梯度間差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different vegetation types under the same precipitation gradient (<0.05); Different capital letters indicate significant differences under different precipitation gradients under the same vegetation type (<0.05). Same as below.

不同降水梯度區，植被的土壤化學指標亦具有顯著差異（<0.05）。相較于刺槐林和草地，沙棘林的多數土壤化學指標也具有明顯優勢。在370～470 mm降水量區，沙棘林土壤pH值和OC變化較穩定，且在低降水量區其AN和AK含量均顯著高于刺槐林和草地（<0.05），固氮能力較好（表4）。

表4 不同降水梯度區各植被類型下的土壤化學指標

2.2 不同植被類型土壤質量隨降水梯度的變化特征

研究區不同土壤指標權重值大小不一，CWC與CMC指標權重值較高，二者在土壤質量評價中具有重要地位（圖2）。

圖2 土壤各項指標權重

在370～470 mm的降水梯度上，研究區刺槐林、沙棘林和草地的土壤物理結構指標、持水性指標、鹽堿度指標、碳匯指標以及速效養分指標得分隨降水量的減少，表現出不同的變化趨勢（圖3）。

刺槐林的物理結構指標、持水性指標、鹽堿度指標、碳匯指標以及速效養分指標得分均隨降水量的減少而降低，其物理指標和持水性指標得分在460～470和440～445 mm降水量區間差異不顯著。各指標得分變異系數分別為9.81%、10.86%、67.25%、59.09%、50.26%，其鹽堿度指標、碳匯指標和速效養分指標得分變異性較強。

沙棘林的土壤物理結構指標、持水性指標、鹽堿度指標、碳匯指標以及速效養分指標得分變異系數分別為12.4%、7.54%、6.82%、19.29%和19.37%，整體土壤指標得分變異系數較低。隨著降水量的減少，其土壤物理結構指標得分表現出顯著的上升趨勢，速效養分指標得分則表現出顯著的下降趨勢，持水性指標得分和鹽堿度指標得分表現出先下降后上升的趨勢，而碳匯指標表現出先上升后下降的趨勢。

草地的土壤物理結構指標、持水性指標、鹽堿度指標、碳匯指標以及速效養分指標得分的變異系數分別為34.58%、56.48%、59.83%、56.18%、26.18%和34.34%。同刺槐林指標得分變異系數相似，其整體的土壤指標得分變異系數較高。隨著降水量的減少，其土壤物理結構指標、持水性指標和碳匯指標得分表現出下降的趨勢，而鹽堿度指標和速效養分指標得分雖然也呈降低趨勢，但二者的波動趨勢表現為先下降后有回升的狀態。

綜合土壤各項指標得分及土壤質量綜合指數等級劃分標準[25]發現，3種植被類型土壤質量綜合指數均表現出隨降水量的減少而降低的趨勢，其中刺槐林和草地土壤質量的下降趨勢最明顯，二者的土壤質量綜合指數變異系數分別為25.27%和34.34%，而沙棘林的下降趨勢較平緩，其土壤質量綜合指數變異系數為2.34%。

3種植被類型土壤質量綜合指數具有顯著差異（<0.05）。在460～470 mm降水量區，刺槐林土壤質量綜合指數最高為0.829，其對土壤質量改良效果最好，其次為沙棘林（0.808），二者土壤質量均達到肥沃水平，且差異不顯著，草地土壤質量綜合指數最低為0.679，其土壤質量為較肥沃水平；在440～445 mm降水量區，沙棘林對土壤改良效果最好，其土壤質量綜合指數為0.764，其次為刺槐林（0.672）和草地（0.527），其中沙棘林和刺槐林土壤質量為較肥沃水平，草地土壤質量為中等水平；在370～395 mm降水量區，3種植被的土壤質量綜合指數由大到小依次為沙棘林（0.792）、刺槐林（0.433）和草地（0.270），沙棘林土壤質量為較肥沃水平，刺槐林土壤質量為中等水平，草地土壤質量為貧瘠水平（圖3f）。

3 討 論

3.1 土壤質量在不同降水梯度上的空間變異性分析

陸地生態系統對氣候變化的敏感性很大程度上源于降水時空格局的變化，特別是在干旱與半干旱地區，降水量是影響植被生長、分布的重要因子[26]，張欽弟等[27]研究指出370 mm降水量以下，水分對物種多樣性等生態系統服務的制約會愈加強烈，本研究數據所指出的土壤持水性指標權重值較高，也印證了在干旱半干旱地區水分的限制性特點。吳起縣降水量自東南向西北方向逐漸減少[18]，這種水熱分布格局控制著植被生物量的多少及枯落物等分解進程，本文在調查取樣時也發現，在退耕年限、海拔、坡度以及坡向等立地條件相似的情況下，刺槐林、沙棘林以及草地的相關生物指標值（樹高、胸徑、基徑以及蓋度等）會隨著降水量的減少而降低，此外，濮陽雪華等[18]在研究吳起縣草本植物群落構成時也指出，草本植物群落的物種豐富度、生物量等重要值與降水量表現出顯著的正相關性。

降水量減少導致植被生長受干旱脅迫程度變高，植被長勢變差，凈初級生產力降低[28]，進而導致輸入土壤的有機物質減少，抑制土壤養分循環進程及微生物分解活動，同時地表微環境發生變化，植被覆蓋率降低，土壤表面易受侵蝕，最終使得退耕還林（草）地土壤質量隨著降水量的減少而降低，特別是在370～395 mm降水量較低的區域，土壤質量整體較差。郭寧等[29]在黃土丘陵區進行人工模擬降雨試驗時也發現控制降雨量對土壤C含量影響顯著，趙珊宇等[30]也指出科爾沁沙地自西向東，隨降水量增加，沙地樟子松人工林土壤C、N、P含量也呈現增加趨勢，本文研究結果與其相似。

3.2 不同植被類型土壤質量差異性分析

植被在土壤質量恢復過程中起關鍵作用，其主要通過根系生長[31]、枯落物的累積和分解[32]以及生物活動[33]3個過程來作用于土壤。植被會影響生態系統的結構和功能，進而影響土壤性質及其演化進程，其與土壤相互作用和協同進化成為生態系統能否被成功恢復的關鍵。本研究發現，不同植被類型土壤質量差異顯著（<0.05）。刺槐林和草地的土壤質量隨降水量的減少而迅速下降，對降水梯度變化的響應性較強。這可能是由于本文研究對象為喬木（刺槐）、灌木（沙棘）和草地，雖然三者均為黃土高原退耕植被，但是其對水分需求的適應性差異很大程度上決定了其對土壤改良的效果。喬木適宜生長在500 mm以上降水量的地區[34]，結合本研究區的降水梯度，這就解釋了在460～470 mm降水量區，刺槐林土壤質量達到肥沃水平的現象，即該降水梯度區接近500 mm降水量線，滿足刺槐生長水分需求，進而對土壤質量恢復產生正向作用，而降水量較少的區域不滿足其生長需求，導致土壤質量較差，特別是在370～395 mm降水量區，刺槐林的土壤質量與草地相近，均為貧瘠水平（圖3）。

研究表明，一般在500 mm降水量以下，屬于干旱半干旱地區，天然植被類型為灌木和草地[35]，本研究指出沙棘林在3個降水梯度區對土壤質量改良具有良好的普遍適宜性，對降水梯度變化不敏感，這可能是由于沙棘生理特性對干旱環境的強烈適應能力，淺根系量大且根系伸展范圍較寬，根蘗能力強，生長速率高，此外楊建偉等[36]指出，沙棘在嚴重干旱情況其根冠比均比刺槐要高，且在中度干旱情況下，沙棘的單葉水分利用率（Water Use Efficiency）也是最高的。沙棘群落發展成熟，地表叢生小沙棘幼苗較多，植被郁閉度高，加之地表枯落物的遮蓋、截留作用，可以在一定程度上緩解土壤水分的蒸發，且其相比于刺槐、楊樹等高大喬木，其生長耗水量低，對土壤水分吸收慢，利于水分保持。

草地根系主要分布在0～30 cm的土壤表層[37]，根系較短，生物量低，對土壤的影響程度較小，導致其在3個降水梯度下對土壤質量改良效果均低于刺槐和沙棘。

植被歸還土壤的生物量是影響土壤質量恢復的關鍵因素，特別是土壤有機碳及N、P、K等營養元素，受植被類型、群落結構、空間區域等條件的影響，植被凋落物及根系分泌物，枯落物蓄積量表現出明顯的差異，王忠禹等[38]在研究中指出沙棘林地表枯落物蓄積量高于刺槐林，高于草地，此結論與本研究沙棘林平均土壤有機碳含量高于刺槐林和草地的結果可相互印證。

4 結 論

1）在退耕還林（草）過程中，降水量、植被類型以及二者的交互作用對土壤指標影響顯著（< 0.05）。

2）研究區3種植被類型土壤質量綜合指數介于0.270～0.829之間。在460～470 mm降水量區，3種植被類型土壤質量綜合指數由高到低依次為刺槐林（0.829）、沙棘林（0.808）和草地（0.679），其中刺槐林和沙棘林的土壤質量綜合指數差異不顯著。在440～445 mm降水量區，3種植被類型土壤質量綜合指數差異顯著（<0.05），土壤質量綜合指數由高到低為沙棘林（0.764）、刺槐林（0.672）、草地（0.527）。在370～395 mm降水量區，土壤質量綜合指數由高到低為沙棘林（0.792）、刺槐林（0.433）、草地（0.270）。

3）在研究區370～470 mm的降水梯度下，刺槐林、沙棘林和草地的土壤質量均隨降水量的減少而降低，土壤質量綜合指數分別介于0.829～0.433、0.808～0.764、0.679～0.270之間。且隨著降水量的減少，刺槐林、沙棘林和草地的土壤質量等級的變化分別為肥沃-較肥沃-中等、肥沃-較肥沃-較肥沃和較肥沃-中等-貧瘠，3 種植被類型的土壤質量綜合指數變異系數分別為25.27%、2.34%和34.34%，刺槐林和草地的土壤質量對降水量的變化較敏感，而沙棘林土壤質量對降水量的變化不敏感。

4）不同降水梯度區林草地土壤質量差異顯著（<0.05），刺槐林和沙棘林的土壤質量顯著高于草地。沙棘林在不同降水梯度均具有普遍的適宜性，適合在研究區推廣種植。

[1]Oliveira E A D, Marimon-Junior B H, Marimon B S, et al. Legacy of Amazonian Dark Earth soils on forest structure and species composition[J]. Global Ecology and Biogeography, 2020, 29(9): 1458-1473.

[2]Ndou E , Ruwanza S . Soil and vegetation recovery following alien tree clearing in the Eastern Cape Province of South Africa[J]. African Journal of Ecology, 2016, 54(4): 460-470.

[3]Wang Feng, Pan Xubin, Gerlein‐Safdi C, et al. Vegetation restoration in Northern China: A contrasted picture[J]. Land Degradation & Development. 2020, 31(6): 669-676.

[4]Xu Hongwei, Wang Xiukang, Qu Qing, et al. Cropland abandonment altered grassland ecosystem carbon storage and allocation and soil carbon stability in the Loess Hilly Region, China[J]. Land Degradation & Development, 2020, 31(8): 1001-1013.

[5]楊玉婷，石玉林，李戰剛，等. 陜北“三北”防護林下草本群落特征及其與林分結構和土壤養分的關系[J]. 生態學報，2020，40(18)：6542-6551. Yang Yuting, Shi Yulin, Li Zhangang, et al. Community characteristics of understory herb layer and its relationships with stand structure and soil nutrient availability in the Three-North shelterbelt of Shaanxi, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2020, 40(18): 6542-6551. (in Chinese with English abstract)

[6]Yu Haiyan, Zha Tonggang, Zhang Xiaoxia, et al. Vertical distribution and influencing factors of soil organic carbon in the Loess Plateau, China[J]. Science of the Total Environment, 2019, 693: 133632.

[7]Chen Guangzhou, Huang Yong, Chen Jun, et al. Spatiotemporal variation of vegetation net primary productivity and its responses to climate change in the Huainan coal mining area[J]. Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 2019, 47(11): 1905-1916.

[8]魏霞，賀燕，魏寧，等. 祁連山區主要植被類型下土壤團聚體變化特征[J]. 農業工程學報，2020，36(2)：148-155. Wei Xia, He Yan, Wei Ning, et al. Variation characteristics of soil aggregates under main vegetation types in Qilian Mountainous areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 148-155. (in Chinese with English abstract)

[9]Mcguire K L, Treseder K K. Microbial communities and their relevance for ecosystem models: Decomposition as a case study[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2009, 42(4): 529-535.

[10]張志南，武高林，王冬，等. 黃土高原半干旱區天然草地群落結構與土壤水分關系[J]. 草業學報，2014，23(6)：313-319. Zhang Zhinan, Wu Gaolin, Wang Dong, et al. Plant community structure and soil moisture in the semi-arid natural grassland of the Loess Plateau[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(6): 313-319. (in Chinese with English abstract)

[11]宋光，溫仲明，鄭穎，等. 陜北黃土高原刺槐植物功能性狀與氣象因子的關系[J]. 水土保持研究，2013，20(3)：125-130. Song Guang, Wen Zhongming, Zheng Ying, et al. Relationships between plant functional traits ofand meteorological factors in Loess Plateau, north Shaanxi, China[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2013, 20(3): 125-130. (in Chinese with English abstract)

[12]孫龍，張光輝，欒莉莉，等. 黃土丘陵區表層土壤有機碳沿降水梯度的分布[J]. 應用生態學報，2016，27(2)： 532-538. Sun Long, Zhang Guanghui, Luan Lili, et al. Distribution of soil organic carbon in surface soil along a precipitation gradient in loess hilly area[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(2): 532-538. (in Chinese with English abstract)

[13]耿韌，張光輝，洪大林，等. 黃土高原農地草地林地土壤團聚體穩定性沿降水梯度的變化特征[J]. 農業工程學報，2019，35(3)：141-148. Geng Ren, Zhang Guanghui, Hong Dalin, et al. Variation characteristics of aggregate stability of cropland, grassland and woodland along precipitation gradient in Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 141-148. (in Chinese with English abstract)

[14]Ilstedt U, Nordgren A, Malmer A. Optimum soil water for soil respiration before and after amendment with glucose in humid tropical acrisols and a boreal mor layer[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(11): 1591-1599.

[15]閆鐘清，齊玉春，李素儉，等. 降水和氮沉降增加對草地土壤微生物與酶活性的影響研究進展[J]. 微生物學通報，2017，44(6)：1481-1490. Yan Zhongqing, Qi Yuchun, Li Sujian, et al. Soil microorganisms and enzyme activity of grassland ecosystem affected by changes in precipitation pattern and increase in nitrogen deposition–a review[J]. Microbiology China, 2017, 44(6): 1481-1490. (in Chinese with English abstract)

[16]顧朝軍，穆興民，高鵬，等. 1961-2014年黃土高原地區降水和氣溫時間變化特征研究[J]. 干旱區資源與環境，2017，31(3)：136-143. Gu Chaojun, Mu Xingmin, Gao Peng, et al. Characteristics of temporal variation in precipitation and temperature in the Loess Plateau from 1961 to 2014[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2017, 31(3): 136-143. (in Chinese with English abstract)

[17]Ye Luping, Fang Linchuan, Shi Zhihua, et al. Spatio-temporal dynamics of soil moisture driven by ‘Grain for Green’ program on the Loess Plateau, China[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2019, 269: 204-214.

[18]濮陽雪華，王春春，茍清平，等. 陜北黃土區植被群落特征與土壤水分關系研究[J]. 草業學報，2019，28(11)：184-191. Puyang Xuehua, Wang Chunchun, Gou Qingping, et al. Relationship between vegetation community and soil moisture in the Loess region of northern Shaanxi Province[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2019, 28(11): 184-191. (in Chinese with English abstract)

[19]卜耀軍，朱清科，包耀賢，等. 陜北黃土區微地形土壤質量指標變異性及敏感性[J]. 水土保持學報，2014，28(3)：153-157. Bo Yaojun, Zhu Qingke, Bao Yaoxian, et al. Variability and sensitivities of soil quality indicators of microtopographies in Loess Regions of Northern Shaanxi[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(3): 153-157. (in Chinese with English abstract)

[20]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京：中國農業出版社，2000：20-114.

[21]李鵬飛，張興昌，朱首軍，等. 植被恢復對黑岱溝礦區排土場土壤性質的影響[J]. 水土保持通報，2015，35(5)：64-70. Li Pengfei, Zhang Xingchang, Zhu Shoujun, et al. Effects of vegetation restoration on soil properties in Heidaigou mine dump[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015, 35(5): 64-70. (in Chinese with English abstract)

[22]李強，許明祥，趙允格，等. 黃土高原坡耕地溝蝕土壤質量評價[J]. 自然資源學報，2012，27(6)：1001-1012. Li Qiang, Xu Mingxiang, Zhao Yunge, et al. Gully erosion soil quality assessment on the cultivated slope land in the Loess Plateau region, China[J]. Journal of Natural Resources, 2012, 27(6): 1001-1012. (in Chinese with English abstract)

[23]李鵬飛，張興昌，郝明德，等. 基于最小數據集的黃土高原礦區復墾土壤質量評價[J]. 農業工程學報，2019，35(16)：265-273. Li Pengfei, Zhang Xingchang, Hao Mingde, et al. Soil quality evaluation for reclamation of mining area on Loess Plateau based on minimum data set[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 265-273. (in Chinese with English abstract)

[24]于博威，劉高煥，劉慶生，等. 晉西黃土丘陵區不同退耕年限刺槐林土壤養分效應[J]. 水土保持學報，2016，30(4)：188-193. Yu Bowei, Liu Gaohuan, Liu Qingsheng, et al. Effects of soil nutrient inforests with various ages in the Loess Hilly region of Western Shanxi province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(4): 188-193. (in Chinese with English abstract)

[25]龐世龍，歐芷陽，申文輝，等. 廣西喀斯特地區不同植被恢復模式土壤質量綜合評價[J]. 中南林業科技大學學報：自然科學版，2016，36(7)：60-66. Pang Shilong, Ou Zhiyang, Shen Wenhui, et al. Edaphic characteristics of different regeneration patterns in karst mountainous areas of Guangxi[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology: Natural Sciences Edition, 2016, 36(7): 60-66. (in Chinese with English abstract)

[26]高露，張圣微，朱仲元，等. 干旱半干旱區退化草地土壤水分變化及其對降雨時間格局的響應[J]. 水土保持學報，2020，34(1)：195-201. Gao Lu, Zhang Shengwei, Zhu Zhongyuan, et al. Soil moisture changes in degraded grassland and its response to rainfall temporal pattern in arid and semi-arid areas[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2020, 34(1): 195-201. (in Chinese with English abstract)

[27]張欽弟，衛偉，陳利頂，等. 黃土高原草地土壤水分和物種多樣性沿降水梯度的分布格局[J]. 自然資源學報，2018，33(8)：1351-1362. Zhang Qindi, Wei Wei, Chen Liding, et al. Spatial variation of soil moisture and species diversity patterns along a precipitation gradient in the grasslands of the Loess Plateau[J]. Journal of Natural Resources, 2018, 33(8): 1351-1362. (in Chinese with English abstract)

[28]Li Zhen, Pan Jinghu. Spatiotemporal changes in vegetation net primary productivity in the arid region of Northwest China, 2001 to 2012[J]. Frontiers of Earth Science, 2018, 12(1): 108-124.

[29]郭寧，姜基春，王國強，等. 黃土丘陵區不同降水梯度對草地群落化學計量學特征的影響[J]. 水土保持通報，2020，40(2)：1-8. Guo Ning, Jiang Jichun, Wang Guoqiang, et al. Effects of different precipitation gradients on stoichiometric characteristics of grassland communities in Loess Hilly Region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2020, 40(2): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[30]趙姍宇，黎錦濤，孫學凱，等. 樟子松人工林原產地與不同自然降水梯度引種地土壤和植物葉片生態化學計量特征[J]. 生態學報，2018，38(20)：7189-7197. Zhao Shanyu, Li Jintao, Sun Xuekai, et al. Responses of soil and plant stoichiometric characteristics along rainfall gradients in Mongolian pine plantations in native and introduced regions[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(20): 7189-7197. (in Chinese with English abstract)

[31]鄭明新，黃鋼，彭晶. 不同生長期多花木蘭根系抗拉拔特性及其根系邊坡的穩定性[J]. 農業工程學報，2018，34(20)：175-182. Zheng Mingxin, Huang Gang, Peng Jing. Tensile-pullout properties of roots ofin different growth stages and stability of slope with its root[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 175-182. (in Chinese with English abstract)

[32]Giweta M. Role of litter production and its decomposition, and factors affecting the processes in a tropical forest ecosystem: A review[J]. Journal of Ecological and Environment, 2020, 44(8): 339-360.

[33]Liu Guangyao, Chen Lili, Deng Qiang, et al. Vertical changes in bacterial community composition down to a depth of 20 m on the degraded Loess Plateau in China[J]. Land Degradation & Development, 2020, 31(10): 1300-1313.

[34]陳克利，孟敏，張鵬，等. 黃土高原降雨梯度對刺槐不同器官內源激素分布格局及生長的影響[J]. 水土保持研究，2020，27(1)：298-304. Chen Keli, Meng Min, Zhang Peng, et al. Effects of rainfall gradients on the distribution pattern and growth of endogenous hormones in different organs ofon the Loess Plateau[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2020, 27(1): 298-304. (in Chinese with English abstract)

[35]李玲芬，延軍平，劉冬梅，等. 干旱—半干旱地區不同植被條件下土壤含水量變化及植被建設途徑分析[J]. 水土保持通報, 2009, 29(1)：18-22，27.

Li Lingfen, Yan Junping, Liu Dongmei, et al. Variation of soil moisture in arid and semi-arid areas under different vegetations and the ways of ecological construction[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2009, 29(1): 18-22, 27.

[36]楊建偉，梁宗鎖，韓蕊蓮. 黃土高原常用造林樹種水分利用特征[J]. 生態學報，2006，26(2)：558-565. Yang Jianwei, Liang Zongsuo, Han Ruilian. Water use efficiency characteristics of four tree species under different soil water conditions in the Loess Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(2): 558-565. (in Chinese with English abstract)

[37]白于，蘇紀帥，程積民. 黃土區不同封育時期天然草地的根系生物量分布[J]. 草業科學，2013，30(11)：1824-1830. Bai Yu, Su Jishuai, Cheng Jimin. Root biomass distribution of natural grasslands with different enclosing years in the Loess Plateau[J]. Pratacultural Science, 2013, 30(11): 1824-1830. (in Chinese with English abstract)

[38]王忠禹，劉國彬，王兵，等. 黃土丘陵區典型植物枯落物凋落動態及其持水性[J]. 生態學報，2019，39(7)： 2416-2425. Wang Zhongyu, Liu Guobin, Wang Bing, et al. Litter production and its water holding capability in typical plants communities in the hilly region of the Loess Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(7): 2416-2425. (in Chinese with English abstract)

Soil quality characteristics of forests and grasslands returned from farmland and their responses to precipitation in the Loess Region of Northern Shaanxi, China

Zhang Zhiyong1, Ai Ning1,2※, Liu Guangquan2, Liu Changhai1, Zong Qiaoyu1, Liu Jiao1, Hao Baobao1

(1.,(),716000,; 2,100038,)

This study aims to characterize the soil quality of returning farmland to forest (grass) land in the loess region of northern Shaanxi, particularly on its response to the precipitation. Taking Wuqi county, Shaanxi Province as the research area, three precipitation gradients were divided into 370-395, 440-445, and 460-470 mm. Correspondingly, three typical locations were also selected as Wangwazi (370-395 mm), Dajigou (440-445 mm), and Baibao (460-470 mm). A quantitative evaluation was carried out in three precipitation areas, combining with the soil quality index. The comprehensive scores were achieved, including the soil physical structure, water holding capacity, salinity, carbon sink index, and available nutrient index, for the widespread,, and grassland. An attempt was made to clarify that the soil quality characteristics changed with precipitation gradients after vegetation restoration. The results showed that: 1) Precipitation, vegetation types, and their interaction had significant effects on soil indicators (<0.05). 2) In the 460-470 mm precipitation area,forest (0.829) had the best effect on soil quality improvement, followed byforest (0.808). The soil quality of both reached the fertile level, and the difference was not significant. Grassland (0.679) had the lowest soil quality index, and the soil was at a more fertile level. In the 440～445 mm precipitation area, the(0.764)had the best comprehensive soil quality indexes, followed by the(0.672), both of which reached a relatively fertile level, whereas, the grassland (0.479) had the lowest soil quality index at a medium level. In the 370-395 mm precipitation area, the comprehensive soil quality index of the three vegetation types from large to small wasforest (0.792),forest (0.433), grassland (0.270). The soil quality grade offorest was relatively higher.forest and grassland were at the medium and barren level, respectively. 3) Within the precipitation gradient of 370-470 mm, the soil quality index of three planting types all decreased with the decrease of precipitation. Among them, theforest (2.34%) had the lowest coefficient of variation of the comprehensive index of soil quality, whereas, theforest and grassland had higher coefficient of variation (25.27% and 34.34%, respectively). The findings can provide scientific datum and theoretical support to implement ecological forestry projects, with an emphasis on the vegetation restoration and reconstruction under the precipitation gradient of 370-470 mm in the loess area of northern Shaanxi, China.

soils; precipitation; returning farmland to forest (grass); quality evalution; vegetation types; precipitation gradient; Loess Region of Northern Shaanxi

張智勇，艾寧，劉廣全，等. 陜北黃土區退耕還林（草）地土壤質量特征及其對降水的響應[J]. 農業工程學報，2020，36(24)：73-80.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.009 http://www.tcsae.org

Zhang Zhiyong, Ai Ning, Liu Guangquan, et al. Soil quality characteristics of forests and grasslands returned from farmland and their responses to precipitation in the Loess Region of Northern Shaanxi, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 73-80. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.009 http://www.tcsae.org

2020-08-21

2020-11-05

“十三五”國家重點研發計劃（2016YFC0501602，2016YFC0501705）；國家自然基金項目（32060297）；延安市科技計劃項目（2019ZDQY-036）

張智勇，主要從事林業生態工程與水土保持方面的研究。Email：18853813917@163.com

艾寧，博士，講師，主要從事林業生態工程與水土保持方面的研究。Email：aining_office@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.009

S151.9；S158

A

1002-6819(2020)-24-0073-08