祁連山淺山區退耕地土壤團聚體及其有機碳和全氮的分布特征

董彥麗,李澤霞,高金芳,張 峰,王亞竹,王彥武

(1.甘肅省水土保持科學研究所,甘肅 蘭州 730020;2.甘肅省水利科學研究院,甘肅 蘭州 730000)

土壤團聚體是由分散的單粒經過多次(多級)復合、團聚而形成的團粒結構體[1]，其組成狀況和穩定性不僅直接影響著土壤的孔隙度、持水性、通透性和抗沖性[2-3]，而且是抵抗外力作用或外部環境變化而保持其原有形態的能力[4]。土壤團聚體含量、平均重量直徑(MWD)及幾何平均直徑(GWD)是表征土壤結構穩定性的重要指標[5]團聚體是有機碳分解轉化與腐殖質形成的重要場所[6]，有機碳對團聚體的形成與穩定性有著重要的影響，表層土壤中近90%的有機碳位于團聚體內[7]，因此團聚體在維持土壤養分及其有效性、土壤結構及孔隙系統的穩定性方面起著非常重要的作用[8]。

祁連山淺山區屬祁連山地與河西綠洲之間的過渡地帶，是連接山地森林生態系統和綠洲生態系統的關鍵紐帶，氣候類型屬于淺山荒漠草原氣候和淺山干草原氣候，生態系統較為脆弱，也是水土流失最易發生的區域。近年，退耕還林草措施的實施推進著植被恢復進程，祁連山淺山區林草植被的恢復逐漸過渡至山地森林，鞏固著祁連山的生態系統。隨著生態環境的逐漸恢復，退耕地土壤也在發生著一系列變化。李秋嘉等[9]研究植被恢復可以有效促進土壤團粒形成，匯集養分和有機碳，而土壤有機質影響團聚體數量和穩定性，保證土壤緩沖能力。李柏橋等[10]研究顯示退耕還林還草可顯著提高0—20 cm土層土壤團聚體及其有機碳含量，退耕還草15 a草地具有更好的土壤團聚體結構和土壤肥力，土壤抗侵蝕能力更強，水土保持效應更好。王國會等[11]研究了圍欄封育有利于荒漠草原土壤團聚體的形成，隨年限增加，土壤微團聚體(<0.25 mm)含量總體呈下降趨勢。張蕊等[12]對祁連山北坡亞高山草地區域的放牧天然草地、耕地、退耕還林草地土壤的研究表明，退耕還林草地混合植被對土壤碳、氮、磷等養分具有重要的恢復和改善作用。目前祁連山淺山區的研究主要集中在退耕地造林封育后植被的恢復效果[13]，造林成活率[14]，林地水源涵養功能[15-16]等方面的研究，在退耕地植被恢復對土壤抗侵蝕具有重要影響的土壤團聚體分布和養分方面的研究較少。基于此，本研究選取祁連山淺山區大黃山林區退耕沙棘林地、退耕封育草地、退耕未封育草地為研究對象，分析不同類型退耕地土壤團聚體組成及穩定性，闡述不同粒級團聚體有機碳、全氮分布特征，以期為祁連山淺山區脆弱生態系統植被恢復與重建及水土流失的防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于祁連山國家自然保護區中部，甘肅省山丹縣大黃山林區(東經101°00′—101°30′，北緯38°20′—38°30′)，海拔2 800 m左右。該區處于高寒半干旱氣候帶，年均降雨量428.6 mm，主要集中在6—8月份，隨海拔高度上升降雨量逐漸增加，氣溫逐漸降低，生長期變短。>10 ℃的積溫在1 700 ℃，植物生長期在120 d左右[15]。土壤類型有山地褐色土、灰褐土、輕壤土等，成土母質以坡積、殘積母質為主。

大黃山林區自2000年開始實施退耕還林還草政策，至今已有2.00×104hm2退耕林草地，退耕還林以人工植苗造林為主，退耕還草以封育自然恢復草地為主，經多年的退耕還林還草措施的實施，植物種類豐富多樣，主要有青海云杉(Piceacrassifolia)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)、金露梅(Potentillafruticosa)、山丹柳(Salixshandanensis)、檸條錦雞兒(Caragankorshinakii)等喬灌木樹種，珠芽蓼(Polygonumviviparum)、早熟禾(Poaannua)、針茅(Stipacapillata)等草本植物。

1.2 樣品采集

于2019年4月26日進行野外采樣，為避免坡度、坡位的影響，選擇退耕年限、坡向、坡度基本相同的沙棘林地、封育草地、未封育草地3種典型退耕樣地(見表1)。在研究區每個樣地內隨機布設3個采樣點，除去地表枯落物和植被后，在不破壞土壤結構的條件下，按0—10，10—20，20—40，40—60 cm共4層分別采集原狀土樣，每份樣品重量約1 kg，采集后立刻裝入采樣袋，所有樣品共計36份。

表1 研究樣地概況

1.3 測定方法與數據處理

樣品帶回實驗室風干后，采用旋轉振篩儀，測定土壤機械穩定性團聚體(>5，2～5，0.25～2，<0.25 mm)百分比含量。每份土樣分5次篩完，每次取200 g左右篩分5 min，篩分結束后利用靜電吸附剔除植物殘渣。

本研究利用重鉻酸鉀—外加熱法和半微量凱氏定氮法[17]分別測定全土和各粒徑團聚體中有機碳和全氮含量。

土壤團聚體穩定性利用平均重量直徑(MWD，mm)表征，計算公式為：

(1)

式中：Ri為某級別團聚體平均直徑；wi為該級別團聚體干重。

各粒徑土壤團聚體有機碳、全氮在土壤中的貢獻率根據公式(2)計算：

(2)

采用Excel 2010處理數據、圖表，利用SPSS 21.0軟件進行統計分析，采用One-way ANOVA分析顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 不同類型退耕地土壤團聚體分布和穩定性

2.1.1 土壤團聚體分布特征 3種類型退耕地土壤團聚體組成如圖1所示。由圖1可知，3種類型退耕地土壤團聚體均表現為≥0.25 mm大團聚體含量遠高于<0.25 mm的微團聚體的分布特征，其中>5 mm，0.25～2 mm的大團聚體占總團聚體70%以上。0—10 cm土層，沙棘林地>5 mm團聚體含量高于封育草地5.56%，0.25～2 mm團聚體低于封育草地15.07%，兩地類差異不顯著；沙棘林地>5 mm團聚體高于未封育草地25.25%，0.25～2 mm團聚體低于未封育草地19.38%，差異顯著；2～5 mm團聚體和<0.25 mm團聚體含量較低。10—20 cm土層，封育草地>5 mm團聚體含量高于沙棘林地16.54%，高于未封育草地22.49%；0.25～2 mm團聚體含量最高的是未封育草地，兩種退耕草地差異顯著；其他粒徑團聚體含量較低，3種類型退耕地差異不顯著。20—40，40—60 cm土層中>5 mm團聚體在封育草地中依然最高，但不同類型退耕地兩兩之間差異不顯著，說明隨著土壤深度的增加，不同類型退耕地各級團聚體含量變化不大。

2.1.2 土壤團聚體穩定性 由表2可知，退耕地土壤團聚體MWD在0—60 cm土層表現為：封育草地(4.46 mm)>沙棘林地(4.08 mm)>未封育草地(3.38 mm)，封育草地高于沙棘林地9.31%，高于未封育草地31.95%，封育草地土壤團聚體穩定性最強。

表2 不同類型退耕地土壤團聚體平均重量直徑 mm

經方差分析，不同類型退耕地土壤團聚體MWD差異性顯著，但經多重比較分析，在0—10，10—20，20—40 cm土層，沙棘林地與封育草地差異不顯著，但二者與未封育草地差異顯著，表明退耕后，林地和封育草地土壤團聚體穩定性高于未封育草地。

注：不同大寫字母表示相同土層不同類型退耕地相同粒級間p<0.05水平差異顯著；不同小寫字母表示相同土層相同類型退耕地不同粒級間p<0.05水平差異顯著。下同。

2.2 不同類型退耕地土壤團聚體有機碳和全氮分布特征

2.2.1 土壤有機碳和全氮分布 由表3可知，0—10 cm土層，封育草地土壤有機碳含量為32.59 g/kg，比沙棘林地和未封育草分別高32.80%，63.85%，方差分析表明3種退耕地差異顯著；10—20，20—40，40—60 cm土層，沙棘林地有機碳含量分別高于封育草地10.78%，11.41%和4.28%，高于未封育草地38.70%，96.51%和108.57%，這可能與沙棘林地根系分布較深、草地植物根系分布較淺有關，方差分析，沙棘林地與未封育草地差異顯著。0—10 cm土層，沙棘林地土壤全氮為1.57 g/kg，高于封育草地10.56%，高于未封育草地27.64%，但3種退耕地土壤全氮含量差異不顯著；10—20，20—40，40—60 cm土層，3種退耕地全氮含量變化不規律，沙棘林地和封育草地全氮含量有高有低。

表3 不同類型退耕地不同深度土壤有機碳和全氮分布

2.2.2 不同粒徑團聚體有機碳和全氮分布 由表4可知，相比沙棘林地，封育草地中>5 mm團聚體有機碳含量高1.19%；2～5 mm和<0.25 mm團聚體有機碳含量分別低5.44%和3.72%，兩種退耕地差異不顯著。封育草地0.25～2 mm團聚體有機碳含量低于沙棘林地14.78%，差異顯著。未封育草地各級團聚體有機碳含量在退耕地中最低，與沙棘林地和封育草地差異顯著。與有機碳相反，土壤團聚體全氮含量則為封育草地>5 mm團聚體低于沙棘林地，2～5 mm，0.25～2 mm，<0.25 mm團聚體高于沙棘林地和未封育草地；3種類型退耕地>5 mm團聚體全氮含量差異不顯著，封育草地與未封育草地2～5，0.25～2，<0.25 mm團聚體差異顯著。通過對比分析，沙棘林地和封育草地土壤團聚體養分優于未封育草地；0.25～2 mm團聚體中有機碳平均含量最高為26.20 g/kg，全氮平均含量在<0.25 mm的微團聚體中最高為1.46 g/kg。

表4 不同類型退耕地不同粒級團聚體有機碳和全氮分布

2.3 不同類型退耕地土壤團聚體有機碳、全氮貢獻率

由圖2可看出，退耕沙棘林地、封育草地各粒級團聚體有機碳和全氮貢獻率由大到小表現為：(>5 mm)>(0.25～2 mm)>(2～5 mm)>(<0.25 mm)，未封育草地團聚體有機碳貢獻率表現為(0.25～2 mm)>(>5 mm)>(2～5 mm)>(<0.25 mm)，說明退耕地有機碳和全氮儲存的主體是0.25～2 mm和>5 mm團聚體；沙棘林地和封育草地>5 mm團聚體有機碳和全氮貢獻率高于0.25～2 mm團聚體，未封育草地則反之。經方差分析，3種類型退耕地>5 mm團聚體中有機碳貢獻率差異不顯著，0.25～2團聚體差異顯著；在有機碳貢獻率較低的2～5 mm，<0.25 mm團聚體中，沙棘林地與封育草地差異不顯著，封育草地與未封育草地差異顯著；3種類型退耕地各粒級團聚體全氮貢獻率差異不顯著。

圖2 不同類型退耕地土壤團聚體有機碳和全氮貢獻率

3 討 論

土壤機械穩定性團聚含量高低及組成是評價團聚體質量的重要指標[18]。大團聚體含量的多少在一定程度上反映土壤結構的好壞，是決定土壤肥力、土壤抗侵蝕能力和土壤穩定性的關鍵因素[19]。本研究中，祁連山淺山區3種類型退耕地0—60 cm土層，≥0.25 mm大團聚體平均含量高于90%，在土壤團聚體結構中占據主導地位，且大團聚體含量越高，土壤結構越穩定，其中>5 mm和0.25～2 mm團聚體含量超過總團聚體70%以上，說明>5 mm和0.25～2 mm團聚體是優勢粒級。未封育草地≥0.25 mm大團聚體平均含量低于沙棘林地和封育草地，這可能與團聚體形成受動物活動影響有關。封育草地>5 mm團聚體平均含量高于沙棘林地和未封育草地，這與陸琪[20]等研究的圍封禁牧草地土壤團聚體以>5 mm粒級居多(41.7%～55.0%)相一致。土壤團聚體平均重量直徑(MWD)表征的是團聚體穩定性，MWD越大，表明團聚體平均粒徑越高，其穩定性越強。土壤團聚體的穩定性是土壤抵抗各種外力作用或外部環境變化而保持原有形態及協調功能的能力[21]。本研究封育草地MWD最高，平均達到4.46 mm，說明退耕封育草地相比其他退耕地土壤團聚體穩定性更強。封育年限越長，植物根系越發達，從而改善土壤結構，提高土壤穩定性，對增加土壤抗蝕性起到重要作用[22]。

祁連山淺山區農地退耕前多以坡地種植農作物為主，退耕后降低了土壤養分的輸出，隨退耕年限的增加，植被枯落物及其根系在自然和土壤微生物環境的作用下養分返還至土壤中，使退耕后的林草地團聚體結構更加穩定，土壤養分也會逐漸增多，張蕊等[12]在對祁連山退耕8 a的還林草地研究顯示土壤有機碳和全氮儲量顯著升高。然而，退耕林草地如果不封育，依然放牧受牲畜啃食，植被覆蓋度降低，地上部分生物量和枯落物蓄積量就會降低[23]，影響土壤養分積累。本研究中，退耕后封育草地和沙棘林地土壤有機碳含量都高于未封育草地，且差異顯著，這可能與不同退耕方式凋落物在土壤中形成的腐殖質層有關，不同植被凋落物的數量，質量以及所處的環境條件，都會影響到土壤有機碳的含量[24]。沙棘林地和封育草地表層土壤全氮含量高于未封育草地，但差異不顯著，不同類型退耕地深層土壤全氮含量有高有低，可能與退耕地封育年限有關，段亞鋒等[25]研究了退耕10 a的林草地，土壤有機碳含量增加了，但土壤全氮的累積增量不明顯，他認為是由于退耕后凋落物歸回量增加而植被恢復初期需氮量較大造成的。這3種類型退耕地>5 mm和0.25～2 mm的大團聚體有機碳平均含量高于<0.25 mm的微團聚體有機碳含量，這與宋莉群等[26]對紅壤區長期退耕恢復下土壤大團聚體中有機碳含量均高于微團聚體一致，而王進等[19]對喀斯特石漠化區人工林草地的研究結果表明<0.25 mm粒級團聚體有機碳含量最高，>5 mm粒級團聚體的有機碳含量最低，這可能與不同研究區土壤類型及地類有關。魏朝富[27]等研究全氮存在于土壤最細粒部分(細黏粒或黏粒級)，本研究中全氮含量在<0.25 mm的微團聚體中最高，因此全氮含量較高的微團聚體影響著大團聚體的形成過程。團聚體含量是引起團聚體養分貢獻率變化的主導因素[25]，本研究中，3種類型退耕地>5 mm和2～5 mm團聚體有機碳和全氮貢獻率最高，占到70.15%～81.52%，是有機碳和全氮儲存的主體，而且0.25～2 mm團聚體和>5 mm團聚體，占總團聚體組成的70%以上，這與史薪鈺[28]等研究土壤團聚體中的養分約90%來自>0.25 mm粒級的團聚體研究結果相一致。

4 結 論

祁連山淺山區3種類型退耕地≥0.25 mm大團聚體含量高于<0.25 mm微團聚體，且以>5 mm，0.25～2 mm粒級團聚體為主；沙棘林地0—10 cm表層土壤>5 mm團聚體含量高于封育草地和未封育草地，而2～5 mm，0.25～2 mm和<0.25 mm團聚體含量則是未封育草地最高；隨土壤深度增加，退耕地間各粒級團聚體含量差異不顯著。封育草地土壤團聚體穩定性最強，MWD高于沙棘林地9.31%，差異不顯著，高于未封育草地31.95%，差異顯著，結果表明對退耕地進行適度封育有利于提高土壤團聚體穩定性。

未封育草地不同土層土壤有機碳和不同粒級團聚體有機碳含量都低于沙棘林地和封育草地，且差異顯著；3種類型退耕地不同土層土壤全氮含量有高有低，而在不同粒級團聚體中，全氮含量變化則與有機碳表現相反趨勢。沙棘林地和封育草地土壤團聚體養分含量優于未封育草地，在各級團聚體中，0.25～2 mm團聚體有機碳平均含量最高為26.20 g/kg，全氮平均含量在<0.25 mm的微團聚體中最高為1.46 g/kg。

與團聚體分布特征相同，退耕地有機碳和全氮儲存主體為>5 mm和0.25～2 mm粒級團聚體，其中沙棘林地和封育草地>5 mm團聚體有機碳和全氮貢獻率高于0.25～2 mm團聚體，未封育草地則反之。