民勤青土湖區不同年限退耕地土壤顆粒組成和養分變化特征

柴成武， 王理德， 尉秋實， 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, 甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室, 甘肅 武威 733000； 2.甘肅省武威市石羊河林業總場，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，區域內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[1]。因此，民勤的生態保護工作和綠洲的存亡，關乎到民族的生存興盛以及國家的發展。而位于石羊河尾閭的青土湖區，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，由于石羊河上游農業生產規模不斷擴大引起水資源的需求逐年增加，使流入下游綠洲區的水量急劇減少[2]；地下水開采嚴重過量，導致該區生態環境遭到嚴重破壞，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，生態環境問題變得日趨普遍和嚴重[3-5]。近年來國家實施生態建設項目《甘肅石羊河流域重點治理規劃》，采取“關井壓田”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系統[6]，隨著退耕年限的增加，有逐漸向裸露化或沙漠化發展的趨勢[7]，如果不及時保護，易形成惡性循環，使土壤生態系統遭到破壞，不利于石羊河流域綜合治理工程的實施。因此，如何有效保護和利用土地資源已成為該區生態建設的重點和亟需回答的科學問題，對促進區域可持續發展具有十分重要的意義。

土壤是植物生長繁殖的基地，也是一個十分重要的生態因子，它的變化直接影響著植物的生長發育和群落演替；土壤由大小不同的土壤顆粒組成，土壤顆粒組成是構成土壤結構體的基本單元[8-9]。土壤顆粒具有不同的粒徑大小，同時，其含量組成影響著土壤的疏水性、空氣循環和養分含量，決定其持水力、保肥能力、透氣程度等理化性質，進而影響土壤的物理、化學和生物學過程[10-11]。土壤養分是土壤肥力的重要指標，能供應和協調植物生長的營養條件與環境條件[12-14]；同時，植物在整個生長發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[15]。在退耕地植被恢復中，群落物種結構和組成不但與土壤中的養分條件有關，而且與土壤顆粒組成也有著十分密切的關系[16-17]。因此，本文就民勤青土湖區不同年限退耕地土壤顆粒組成和養分變異特征進行分析，旨在為該區退耕地的植被恢復和重建提供科學依據，對生態環境建設和石羊河流域綜合治理項目的順利實施具有重要的科學意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與樣地信息

研究區位于石羊河下游民勤縣青土湖區煌輝村、志云村，地理坐標為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個月，占年總降雨量的72%，年均蒸發量2 644 mm，年日照時數2 834.5 h，年平均風速2.3 m/s，無霜期175 d，年平均8級以上大風日數37.6 d，沙塵暴日數26.8 d。氣候干旱、光照充足、降雨稀少、蒸發強烈、晝夜溫差大、多風沙，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

樣品采集時間為2018年9月，主要通過時空替代法來研究土壤顆粒組成與相應的養分變化。研究區在不同年代有大面積農田退耕，這些區域退耕地植被恢復以自然方式為主，為本研究提供了較為理想的基礎條件，且項目組走訪調查了當地居民和林業主管部門以確定植被群落恢復的時間，可確保調查樣地退耕時間的準確性。另外，由于調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。試驗調查樣方面積為100 m×100 m，以未采取退耕措施的農田為對照(CK)，每個樣點3個重復,記錄樣方內群落的名稱、物種組成及名稱等；土壤取樣采用環刀法，S形隨機采樣,取樣深度40 cm，分0—20 cm，20—40 cm兩個層次，每樣方3個重復，混合均勻后去除樹根等雜物，用四分法取大約1 kg土樣帶回實驗室進行分析。

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(土樣風干后處理)，具體為取土壤0.3 g左右放入100 ml試管內，加入20 ml濃度為10%的H2O2，置于水中加熱使其充分反應以便有效去除樣品中的有機質，之后加入20 ml濃度為10%的HCl，煮沸使其充分反應去除碳酸鹽，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振蕩5 min后進行測量。土壤有機質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個重復，取平均值進行分析[18]。

1.4 數據處理

采用SPSS 19.0和Excel 2007進行數據分析和處理。

2 結果與分析

2.1 青土湖區退耕地土壤顆粒組成變化特征

土壤顆粒組成是土壤質地和結構的重要表征，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劃分標準，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。結果表明，青土湖區未采取退耕措施的農田(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)，均表現為隨退耕時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，并隨退耕時間增加逐漸趨于穩定狀態。粉粒結構在CK～退耕40 a間的總體含量大于黏粒結構，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%，并逐漸趨于穩定，并與CK～退耕2 a間存在顯著差異。4種土壤結構中砂粒含量最多，未采取退耕措施的農田(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時達到最大值，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式減小并趨于穩定，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在未退耕的農田地上，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分變化特征

由土壤有機質、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種養分的含量均為0—20 cm層大于20—40 cm層，且3種養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式下降趨勢。其中不同退耕年限間土壤有機質含量變化較小，隨著退耕年限增加，土壤有機質總體呈逐漸減小的變化特征，其中0—20 cm土層中土壤有機質變化較為劇烈，并在未采取退耕措施的農田地(CK)達到峰值0.041 g/kg，退耕后第4年達到較大值0.036 g/kg；隨著土層加深，20—40 cm土層中土壤有機質含量隨退耕年限的增加變化幅度減小，即呈較平緩的波動式下降趨勢，退耕后第1年時達到峰值0.029 g/kg，退耕后第4年達到較大值0.026 g/kg，退耕20 a時達到最小值0.015 g/kg。

3種土壤養分中全氮變化最為穩定，在0—40 cm土層中總體呈隨退耕年限增加波動式下降并達到穩定狀態的趨勢，其中0—20 cm土層中，退耕初期全氮含量較高，退耕第4年時達到峰值1.325 g/kg，之后隨退耕年限增加而持續下降，并在退耕40 a時達到最小值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，但最大值出現在退耕后1 a，為1.257 g/kg，最小值出現在退耕后30 a，為0.692 g/kg。

土壤速效磷含量變化相對劇烈，其中0—20 cm土層中含量在未退耕農田地達到峰值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，并最終趨于穩定；20—40 cm土層中，土壤速效磷含量變化較小且較為穩定，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分變化特征

3 討 論

土壤顆粒組成和養分是土壤環境的一部分，對退耕地植被恢復具有極其重要的作用，影響其恢復的程度和速度，并協調著植物生長的環境條件及營養物質的供給。在未采取退耕措施的農田上和退耕1～8 a間，一年生草本植物大量生長，消耗養分的同時其枯枝落葉也有利于土壤養分在表層的積累。隨著退耕年限的增加，植物種類及數量逐漸增多，一部分養分被逐漸消耗，土壤養分含量降低；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定，最終使植物生長與土壤養分的相互關系達到一個穩定的平衡點[21]。本研究結果表明：(1) 不同顆粒組成含量總體表現為砂粒>粉粒>黏粒>粗砂粒，在各退耕年限內表現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土層中變化較為穩定。其中黏粒結構在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定，且兩土層間差異不顯著；粉粒和砂粒結構含量在CK及退耕后2 a變化較為劇烈，且同一年限內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，逐漸趨于穩定狀態；而粗砂粒僅在CK及退耕后2 a含量較為穩定，退耕4～40 a間含量變化較大且存在不穩定性，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實施農田退耕措施后土壤顆粒組成發生較大變化，隨著退耕年限的增加，土壤顆粒向逐漸細化的趨勢發展，砂粒和粗砂粒含量隨退耕年限增加而逐漸減少，有利于土壤中養分固持能力增強，從而對養分變化及植物養分的吸收產生重要影響。(2) 3種土壤養分在土層中的含量變化趨勢均為0—20 cm>20—40 cm，總體表現為隨退耕時間的延長而呈波動式下降的趨勢，其中0—20 cm和20—40 cm土層中土壤有機質含量均在CK～8 a間變化幅度較大,呈波動式下降趨勢,在退耕后第4年出現一個上升的拐點,而在退耕后13～40 a間變化幅度較小，最終趨于穩定；土壤全氮含量表現出和有機質相同的變化趨勢。前人研究表明，土壤養分中的有機質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為和有機質相同的變化趨勢，也驗證了這一結論，說明灌木與草本植被相比，其較深的根系對土壤中N 的消耗量較大，并且隨著群落演替的進行，產生大量的枯枝落葉，使歸還土壤的有機質不斷增加，而土壤中的N元素可以通過有機質來供給，從而出現了上述現象，但本文中這兩種養分同時在退耕后第4年出現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[22]。土壤磷素是土壤中的礦質營養元素，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，這種現象和楊萬勤等[16]研究的關于草本植物對土壤表層P元素含量起決定作用、地表植物對土壤磷素具有生物表聚作用有關，而在土壤較深層中，只有當地上植物非常豐富時，這種現象才比較明顯，但在干旱荒漠地區的退耕地上，這種結果很難實現，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。

根據本研究結果并結合石羊河流域下游民勤綠洲退耕區的自然環境和地理條件，說明采用單純的封育措施，促進植被恢復、改善區域生態環境仍需較長的時間，且手段較為單一的封育措施在改善生態環境的同時卻忽視了經濟的發展。因此，要加快退耕地植被恢復的進程，除需要適度的人為干預與調控外，還需引進演替后期的植物品種，在保護的基礎上合理利用這些退耕地，修復生態條件并改善人居環境。

4 結 論

不同年限退耕地土壤顆粒組成含量總體表現為砂粒>粉粒>黏粒>粗砂粒，其中，黏粒結構在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，逐漸趨于穩定狀態；而粗砂粒僅在CK及退耕后2 a含量較為穩定，之后退耕4～40 a間含量變化較大，存在不穩定性，且同一年限兩土層間存在顯著差異。

3種土壤養分的總體變化趨勢均表現為隨退耕年限增加而減小并最終趨于穩定，在同一年限內均表現為0—20 cm土層中的含量大于20—40 cm，且同一年限內兩層間的含量差異均隨退耕年限增加而逐漸減小，以土壤有機質和速效磷表現較為明顯；其中土壤有機質含量在CK—退耕8 a間變化幅度較大，且在此期間退耕第4年時有一個劇烈上升的拐點，13—40 a間變化幅度較??；全氮含量在3種土壤養分中變化最為穩定，且在整個退耕時間內變化幅度較小；土壤速效磷含量在未采取退耕措施的農田中(CK)最大，尤其在土壤表層0—20 cm最為明顯，之后表現為隨退耕年限增加而波動式下降的趨勢，并趨于穩定。