民勤綠洲不同年限退耕地土壤養(yǎng)分變化及其相關(guān)性分析

王方琳，魏小紅，王理德，柴成武，韓富貴，

張瑩花2，魏林源2，郭春秀2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院， 甘肅 蘭州 730070；

2.甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化防治與風沙災(zāi)害國家重點試驗室， 甘肅 武威 733000)

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民勤綠洲不同年限退耕地土壤養(yǎng)分變化及其相關(guān)性分析

王方琳1，2，魏小紅1，王理德2，柴成武2，韓富貴2，

張瑩花2，魏林源2，郭春秀2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院， 甘肅 蘭州 730070；

2.甘肅省治沙研究所/甘肅省荒漠化防治與風沙災(zāi)害國家重點試驗室， 甘肅 武威 733000)

摘要：以石羊河下游的典型區(qū)—民勤退耕地為研究對象，對石羊河下游地區(qū)不同恢復(fù)年限退耕地土壤養(yǎng)分變化情況及其養(yǎng)分與退耕時間之間相關(guān)性進行分析，結(jié)果表明：① 土壤中N肥含量隨退耕年限的增加呈波動式上升趨勢，但在同一年限退耕地中隨土層的加深而逐漸減小，退耕后1～10 a，N含量變化的幅度較?。?5～30 a，N含量變化的幅度相對較大；50 a后，趨于穩(wěn)定；P含量在各個演替階段土壤層次上均呈A(0～10 cm)>B(10～20 cm)>C(20～30 cm)>D(30～40 cm)規(guī)律性分布，退耕后1～10 a，A、B兩層P含量的差異較大，C、D兩層受退耕時間的影響較??；15～50 a間，A、B、C、D四個土層P含量變化的幅度相對較??；K的含量表現(xiàn)出和P同樣的規(guī)律性；有機質(zhì)含量在退耕后1～7 a間變化幅度較大，10～50 a間變化幅度較小。1～5 a間，A、B、C、D四層含量變化呈逐層遞減的趨勢；7～50 a間，A層變化較大，B、C、D三層趨于穩(wěn)定。② 養(yǎng)分與退耕年限相關(guān)性分析表明：退耕1 a,速效磷、有機質(zhì)含量與退耕時間呈顯著負相關(guān)；5～10 a間，各養(yǎng)分與退耕時間均呈顯著正相關(guān)且差異不顯著；15～20 a間，各養(yǎng)分與退耕時間之間存在顯著差異，30～50 a間，速效鉀、速效磷、有機質(zhì)含量與退耕時間差異不顯著，50 a時差異顯著。

關(guān)鍵詞：退耕地；土壤養(yǎng)分；相關(guān)性；石羊河下游

石羊河流域下游的民勤綠洲位于巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠的交匯地帶，具有重要的生態(tài)戰(zhàn)略地位，這里曾經(jīng)是植被茂密、物種豐富的天然柴灣，綠洲、荒漠相對協(xié)調(diào)共存。然而，長期以來，由于人口膨脹壓力以及人類對土地資源的不合理利用，致使該區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，土壤鹽漬化加劇，土壤養(yǎng)分流失嚴重．土壤質(zhì)量和土地生產(chǎn)力大大降低，植被退化等生態(tài)環(huán)境問題變得日趨普遍和嚴重[1-2]。如何有效地保護和利用土地及植物資源已成為該區(qū)生態(tài)建設(shè)的重點和目前人們亟需回答的科學問題，對促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展也有十分重要的現(xiàn)實意義。

土壤是植物生長繁殖的基地，也是一種重要的生態(tài)因子，它的變化直接影響著植物的生長和發(fā)育[3]以及群落演替的速度[4]；土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標，能供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長的營養(yǎng)條件和環(huán)境條件[5]；同時，植物在整個生長發(fā)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(zhì)[6]。已有研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分、水熱條件、土壤性質(zhì)以及植被類型是引起土壤養(yǎng)分積累和變異差別的主要原因[7]。在退耕地的植被恢復(fù)中,不但植被的物種結(jié)構(gòu)和組成與土壤中營養(yǎng)元素有關(guān),而且植被群落的物種多樣性以及植被群落的演替與土壤養(yǎng)分也有著十分密切的關(guān)系[8]。植被與土壤的這種相互影響、相互促進的關(guān)系，是植被恢復(fù)演替的動力。N、P、K及土壤有機質(zhì)是植物生長發(fā)育的主要養(yǎng)分，在植被的恢復(fù)和重建過程中起著舉足輕重的作用[9]。而土壤養(yǎng)分在植物群落中的空間格局常受群落中物種組成或物種大小的影響[10]；同時，物種的組成及其多樣性也受到土壤養(yǎng)分的制約，因而，研究土壤養(yǎng)分的分布特征具有重要意義。目前，有關(guān)土壤養(yǎng)分分布特征[11-15]與養(yǎng)分變化[16-19]研究的文獻報道較多。然而，這些研究或集中在黃土高原棄耕地[20-21]或僅局限于某一種養(yǎng)分的研究[22]，且研究對象以林地居多[23-24]，而對石羊河下游民勤綠洲退耕地的研究較少，且不夠深入、系統(tǒng)。因此，本文就石羊河下游民勤綠洲退耕地土壤主要的分布特征及其與退耕時間相關(guān)性進行分析，旨在為民勤綠洲退耕地的植被恢復(fù)和重建提供科學依據(jù)，對生態(tài)環(huán)境建設(shè)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研究區(qū)概況

試驗設(shè)在甘肅省民勤縣北部的西渠鎮(zhèn)黃輝村與自云村退耕地，海拔1 300～1 311 m，地理坐標39°01′30″～39°03′28″N、103°35′57″～103°37′56″E，東、北、西3個方向都是以前的青土湖湖面。年均溫度7.4℃，年均降水主要集中在7—9月，氣候干旱，降雨稀少，蒸發(fā)強烈，光照充足，晝夜溫差大，屬于典型的干旱荒漠氣候。地帶性土壤以灰棕漠土為主，鹽堿化程度高。灌木種主要有白刺鹽爪爪、蘇枸杞、小果白刺、紅砂等；草本植物有田旋花、藜、鹽生草、苜蓿、頂羽菊、堿蓬、駱駝蓬、駱駝蒿、蒙古豬毛菜等。

2研究方法

研究區(qū)在不同年代有大面積農(nóng)田退耕，而退耕地植被又以自然恢復(fù)為主，人為干擾因素較小，為本實驗提供了較為理想的基礎(chǔ)條件；此外，項目組研究人員走訪調(diào)查了民勤縣林業(yè)部門和當?shù)鼐用瘢梢源_保調(diào)查樣地退耕時間的準確性；其次，由于調(diào)查范圍的相對高差小于50 m，樣地距離較近，因此，海拔高度和經(jīng)緯度對植物多樣性的影響可以忽略。

2.1土壤取樣和分析處理

土壤取樣采用環(huán)刀取土層0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm(分別記作A、B、C、D)的土樣，每層3個重復(fù)，將3次重復(fù)的土樣去除植物根系和石塊，充分混合均勻取大約1 kg裝入布袋中，帶回實驗室風干處理后，進行土壤全N、全P、全K及有機質(zhì)的測定。測定的具體方法為：土壤全氮采用凱氏蒸餾法[25]；全磷采用氫氧化鈉溶液-鉬銻抗比色法[25]，全鉀采用原子吸收分光光度法[25]，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[25]，并且詳細記錄取樣的立地條件。

表1　不同年代退耕地自然植被地理狀況

2.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel和SPSS19.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件進行分析和處理。

3結(jié)果與分析

3.1不同年限退耕地土壤養(yǎng)分變化

N在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的分布具有高度的異質(zhì)性，并且常與植物物種分布的變化相聯(lián)系[26-28]。由圖1可以看出，隨著退耕年限的增加，土壤中N含量呈波動式上升的趨勢，并且在各個土壤層次上呈規(guī)律性分布。四個土層中，N含量隨土層加深而減小。在退耕后1 a、3 a、5 a、7 a、10 a，四個土層N含量變化的幅度較小，其變化范圍分別為11.04～8.72、8.67～5.98、13.51～15.54、11.98～10.78、16.88～8.73 mg·kg-1；而在退耕后15 a、20 a、30 a，四個土層N含量變化的幅度相對較大，范圍值分別為27.49～17.89、32.6～19.41 mg·kg-1和38.5～13.99 mg·kg-1；在退耕50 a后，N含量的變化幅度又趨于穩(wěn)定。單獨分析各個退耕地土壤N含量變化情況發(fā)現(xiàn)，A、B兩土層全N含量變化幅度在退耕前期相對較小，后期相對較大；B、C、D中全N的含量在退耕1～50 a中總體呈波動式減小的趨勢，但各個退耕年限其含量變化幅度很小。這是由于在植被演替的初期(1～7 a)，群落中大多為一年生草本植物和宿根植物，其根系較淺，約為0～20 cm左右，因此，植物生長對A、B土層中N的消耗較大，此階段土壤中N的含量較低；隨著演替的進行，一年生草本逐漸被多年生草本和灌木所代替，植物根系深度達到20～40 cm,在此階段(10～50 a)，B、C、D三層N含量較A層減小的幅度較大。

P含量在9個演替階段的土壤層次上均呈A>B>C>D規(guī)律性分布的特點，即從地表0～40 cm，土壤中P的含量逐漸減少，而土壤中不同層次P的分布規(guī)律和N的恰恰相反，即在退耕后1 a、3 a、5 a、7 a、10 a中A、B兩層P含量的差異較大，差異值分別為422.68～325.49、401.35～340.91、320.22～278.24、454.49～332.73、382.54～313.98 mg·kg-1；C、D兩層P含量受退耕年限的影響較??；退耕15 a、20 a、30 a、50 a后A、B、C、D四個土層P含量變化的幅度相對較小。

圖1不同年限退耕地土壤養(yǎng)分動態(tài)變化

Fig.1Dynamic changes of soil nutrients during different fixed numbers of years in abandoned land

不同年限退耕地土壤各個層次中，K和P的含量表現(xiàn)出同樣的規(guī)律性，即A>B>C>D。退耕后1 a、5 a、10 a、50 a，四土層中K含量變化幅度很小，范圍為33.91～32.92、34.24～32.76、34.83～33.13、34.48～33.32 g·kg-1；而在退耕3 a、7 a、15 a、20 a、30 a中，其含量變化的范圍較大?？傮w分析，退耕后1～30 a間，C、D層K含量隨著退耕年限增加而波動式減小，而A、B層K的含量規(guī)律性不明顯，這種現(xiàn)象說明C、D層K含量受植被影響較A、B層更強；退耕50 a后，K含量趨于穩(wěn)定。

土壤有機質(zhì)含量在不同年限中也表現(xiàn)出極大的規(guī)律性，即A>B>C>D，除在退耕第7 a變化幅度較大，其它各年都隨著退耕年限的增加而其含量逐漸減小，并且在退耕后1～7 a間變化幅度較大，10～50 a間變化幅度較小。單獨分析各退耕年限土壤有機質(zhì)變化情況為退耕后1～5 a間，A、B、C、D四層含量變化呈逐層遞減的趨勢；而退耕后7～50 a間，A層變化較大，B、C、D三層趨于穩(wěn)定。

3.2土壤養(yǎng)分與退耕年限相關(guān)性分析

同一土壤養(yǎng)分在不同退耕年限變化不同，不同養(yǎng)分在同一退耕年限內(nèi)分布和積累也有差異。通過對不同退耕年限和土壤養(yǎng)分含量相關(guān)性分析(表2)，結(jié)果表明，不同土壤養(yǎng)分與退耕年限之間存在顯著差異。退耕1 a,速效磷、有機質(zhì)含量與退耕時間呈顯著負相關(guān)；退耕3 a，全氮、速效鉀、速效磷、有機質(zhì)與退耕時間均呈顯著負相關(guān)；退耕5～10 a間，四種養(yǎng)分與退耕時間均呈顯著正相關(guān)且差異不顯著；退耕15～20 a間，四種養(yǎng)分與退耕時間之間存在顯著差異，且在退耕20 a時，與全氮存在極顯著差異；退耕30～50 a間，速效鉀、速效磷、有機質(zhì)含量與退耕時間變化差異不顯著，但在退耕30 a時與全氮存在極顯著差異，50 a時存在顯著差異。

表2　土壤養(yǎng)分變化與退耕年限相關(guān)性

注：*P<0.05為差異顯著，**P<0.01為差異極顯著。

Note: *P<0.05 Significant difference, **P<0.01 Extremely significant difference.

4結(jié)論與討論

由于退耕前農(nóng)業(yè)耕作措施與施肥的影響，使土壤中仍然保留有一定的氮磷鉀和有機質(zhì)等養(yǎng)分，退耕后1～50 a間，土壤中N含量隨退耕年限的增加而增加，隨土層深度的加深而減小。退耕后1 a、3 a、5 a、7 a、10 a，N含量變化的幅度較小，退耕后15 a、20 a、30 a，N含量變化的幅度相對較大；退耕50 a后，N含量的變化又趨于穩(wěn)定，這與白雪爽[30]在干旱沙區(qū)研究的結(jié)果較一致，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(chǎn)生大量的枯枝落葉，使歸還土壤的有機質(zhì)不斷增加，而土壤中的N元素可以通過有機質(zhì)來供給，從而出現(xiàn)了上述現(xiàn)象。P含量在9個演替階段的土壤層次上均呈A>B>C>D規(guī)律性分布的特點，退耕后1 a、3 a、5 a、7 a、10 a中A、B兩層P含量的受退耕年限的影響較大，C、D兩層受退耕年限的影響較??；退耕15 a、20 a、30 a、50 a后A、B、C、D四個土層P含量變化的幅度相對較小，這種現(xiàn)象和楊萬勤[31]研究的關(guān)于草本植物對土壤A層P含量起決定作用的結(jié)論相一致，而B、C、D層只有當物種“非常豐富”的時候，這種作用才比較明顯，而在干旱荒漠地區(qū)的退耕地上，這種結(jié)果很難實現(xiàn)，這也是9個不同年限退耕地中，A層P含量為最高的主要原因，或土壤P含量隨退耕年限增大方向波動式升高的原因。不同年限退耕地土壤各個層次K和P含量表現(xiàn)出A>B>C>D同樣的規(guī)律性，退耕后1 a、5 a、10 a、50 a，四土層中K含量變化幅度很小，3 a、7 a、15 a、20 a、30 a中，其含量變化的范圍較大，說明在干旱荒漠區(qū)，根系較深的灌木對土壤K含量的高低起著決定作用，灌木植被越豐富K含量越高；而根系較淺的草本植物則對于保蓄和提高土壤速效K含量具有重要作用，這與李昌龍[32]等人在民勤連古城的研究結(jié)果相似。不同年限退耕地土壤有機質(zhì)含量也表現(xiàn)為A>B>C>D，1～7 a間變化幅度較大，10～50 a間變化幅度較小，1～5 a間，A、B、C、D四層含量變化呈逐層遞減的趨勢；7～50 a間，A層變化較大，B、C、D三層趨于穩(wěn)定，這種現(xiàn)象說明：退耕初期，植物產(chǎn)生的枯枝落葉對淺層土壤中有機質(zhì)含量的積累起決定作用，使歸還土壤的有機質(zhì)不斷增加，隨著植物演替的進行，深層分布的喬木根系在土壤營養(yǎng)物質(zhì)積累中占據(jù)主導(dǎo)地位，從而使較深層土壤中有機質(zhì)含量處于穩(wěn)定狀態(tài)。植被凋落物和根系分泌物是土壤有機質(zhì)和氮含量積累的主要來源[33]，一般來講，土壤中有機質(zhì)含量的變化與氮含量變化是一致的，但本文中這兩種養(yǎng)分隨著退耕年限的增加變化不一致，這種情況與退耕地上生長的豆科植物(如苜蓿等)有關(guān)。

退耕初期，由于田間雜草等的影響，有利于土壤養(yǎng)分在表層的積累。隨著退耕年限的增加土壤養(yǎng)分的持續(xù)消耗,伴隨著雜草系統(tǒng)的快速消失,直到達到相對的平衡狀態(tài),使二者保持在較低水平[34]。在退耕后期,土壤養(yǎng)分呈下降趨勢,最終與該地區(qū)原始植被的土壤養(yǎng)分趨于一致,植物群落演替與土壤養(yǎng)分的相互效應(yīng)達到一個穩(wěn)定的平衡點。退耕年限與土壤養(yǎng)分變化密切相關(guān),而且這種相關(guān)性在后期逐漸加強[35]。而本項研究表明,退耕年限與土壤養(yǎng)分之間存在相關(guān)性,可能與干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)植物群落生態(tài)功能方面發(fā)揮極其重要的作用有關(guān)。土壤養(yǎng)分是土壤環(huán)境的一部分，對植被恢復(fù)起著極其重要的作用，影響著植被恢復(fù)的程度和速度，并且能供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長的營養(yǎng)條件和環(huán)境條件。根據(jù)我們調(diào)查結(jié)果，結(jié)合石羊河流域下游民勤綠洲退耕地的自然環(huán)境和地理條件，采用單純的封育措施，促進植被恢復(fù)，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境仍然需要很長的時間，植被恢復(fù)還需要適度的人為干預(yù)與調(diào)控。此外，手段較為單一的封育措施在改善生態(tài)環(huán)境的同時卻忽視了經(jīng)濟的發(fā)展，長此以往將影響安定團結(jié)的局面。因此，要使退耕地植被恢復(fù)的進程加快，必須采取一定的措施，如引進演替后期的植物品種，在保護的基礎(chǔ)上合理利用這些退棄耕地，將生態(tài)效益與經(jīng)濟發(fā)展結(jié)合起來，在生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)上，改善人居環(huán)境，增加農(nóng)民收入，將是我們今后研究的主要內(nèi)容，有待繼續(xù)深入探討。

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Woodland soil nutrient changes and correlation analysis of different fixed numbers of abandoned lands in Minqin oasis

WANG Fang-lin1,2, WEI Xiao-hong1, WANG Li-de2, CHAI Cheng-wu2, HAN Fu-gui2,ZHANG Ying-hua2, WEI Lin-yuan2, GUO Chun-xiu2

(1.CollegeofLifeScienceandTechnology,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China;2.StateKeyLaboratoryofDesertificationCombatingpreventionandSandstormDisasterofGansuProvince&GansuDesertControlResearchInstitute,Wuwei,Gansu733000,China)

Abstract：The typical region of Shiyang River in Minqin cultivated land was selected to analyze different restorations of soil distribution, changes of soil nutrient and community structure of recovery process in vegetation land of Shiyang River, and their correlations were also investigated. The results showed that N fertilizer had a fluctuant trend to become increased in farmland soil. However, during the same period, it was gradually decreased with the increase of soil depth. 1～10 a after abandonment, N level showed small variations, whereas 15～30 a after abandonment, the variations became large. It went stabilized after 50 a. Additionally, levels of P content in soil depths followed the order as the follow: A (0～10 cm)>B(10～20 cm)>C(20～30 cm)>D(30～40 cm). 1～10 a after abandonment, P level difference between A and B layers varied largely. However, it in C and D layers were affected subtly by the time of abandonment. During 15～50 a, P levels in A, B, C and D layers showed small variations. K level exhibited similar variation trends as P level. Organic matter content varied largely during 1～7 a after abandonment, whereas it varied little during 10～50 a. During 1～5 a, it became decreased with the increase of soil depths in A, B, C and D layers. During 7～50 a, it resulted in large change in A layer, while it reached stabilization in B, C and D layers. In addition, the correlation analysis about nutrients showed that the 1a after abandonment, contents of available phosphorous and organic matters were significantly negatively correlated with the time. During 5～10 a, all nutrients were positively correlated with the time at an insignificant level. Between 15～20 a, significant differences were found between all nutrients and the time. During 30～50 a, available potassium, available phosphorous, and contents of organic matters did not have a significant deviation from the time, while in 50 a, they did.

Keywords:abandoned crop land soil nutrition; correlation; the lower reaches of Shiyang River

中圖分類號：S158

文獻標志碼：A

作者簡介：王方琳(1985—)女，甘肅天水人，助理研究員，碩士，主要從事植物生理生態(tài)和荒漠化研究。 E-mai：wangfanglin2008@l63.com。通信作者：魏小紅，E-mail:weixh@gsau.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金(31560663，41161049，31460069，31460224)；甘肅省自然基金(145RJZA196)；甘肅省國家重點實驗室開放基金項目“石羊河下游退耕地植物群落優(yōu)勢種的生理生態(tài)特征研究”和“不同地理種源黑果枸杞的主要營養(yǎng)成分對比研究”

收稿日期：2015-01-27

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.19

文章編號：1000-7601(2016)02-0119-06