延河流域退耕還林還草工程后土地質(zhì)量評(píng)估

張 靜，李鵬展

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075;3.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司延安分公司，陜西 延安 716000)

1 引言

黃土丘陵區(qū)地形支離破碎，是我國乃至全世界水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)[1]。植被作為控制水土流失的關(guān)鍵舉措，在控制該區(qū)水土流失方面起到重要作用。我國于1999年提出退耕還林還草政策，經(jīng)過這十多年的退耕還林還草工程的大力實(shí)施，黃土高原地區(qū)植被得到了有效恢復(fù)，植被覆蓋度得到大幅提高，生態(tài)環(huán)境狀況得以明顯改善。在黃土高原地區(qū)退耕還林還草過程中，刺槐被看作是植被恢復(fù)重建的先鋒樹種[2, 3]，在各個(gè)地區(qū)都有大面積成片栽植，甚至一些地區(qū)刺槐的造林比例高達(dá)造林總面積的85%以上[2]，在保持水土、改善環(huán)境方面發(fā)揮了重要作用。經(jīng)過這十多年的退耕還林還草工程，為了鞏固生態(tài)文明建設(shè)的成果，現(xiàn)需要學(xué)者們對(duì)退耕還林還草工程的效果進(jìn)行合理評(píng)估并及時(shí)反饋土壤質(zhì)量狀況，其最主要的就是制定一系列標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估方法，來評(píng)估當(dāng)時(shí)飛播種植刺槐的土壤質(zhì)量狀況以及生態(tài)反饋效應(yīng)。

延河流域是黃土高原退耕還林還草工程及植被恢復(fù)重建的核心區(qū)，在不同的植被區(qū)都分布有大量的人工刺槐林。延河流域從東南到西北，隨降雨量減少，溫度降低，植被分布呈現(xiàn)明顯的地帶性規(guī)律，可依次劃分為森林區(qū)、森林草原區(qū)和草原區(qū)(圖1)[4]，植被區(qū)的合理劃分，能夠有針對(duì)性的評(píng)價(jià)不同植被類型區(qū)內(nèi)刺槐林下土壤質(zhì)量狀況，并可以橫向比較整個(gè)延河流域刺槐土壤質(zhì)量狀況，這為合理評(píng)估延河流域退耕還林還草工程后土壤質(zhì)量提供了基礎(chǔ)。

本文通過林下土壤理化性質(zhì)，林下土壤微生物(多樣性、群落結(jié)構(gòu))等指標(biāo)，以鄉(xiāng)土種為空白對(duì)照來研究刺槐引入的生態(tài)反饋?zhàn)饔玫睦?，?duì)比不同植被區(qū)刺槐引入與鄉(xiāng)土種之間指標(biāo)差異變化，探求刺槐引入在森林區(qū)、森林草原區(qū)和草原區(qū)的反饋效果是否一致，亦可能會(huì)出現(xiàn)森林區(qū)、森林草原區(qū)和草原區(qū)反饋不一致的情況。如果樣地足夠豐富，能否得出代表性的結(jié)論來論證某一區(qū)引入刺槐合適與否，刺槐林土壤質(zhì)量狀況合適與否，為以后的植樹造林提供科學(xué)參考。

圖1 研究區(qū)樣點(diǎn)分布

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

土壤是植被生長最重要的載體，土壤質(zhì)量的恢復(fù)是生態(tài)重建的重要內(nèi)容，土壤質(zhì)量狀況在很大程度上影響甚至決定了退耕還林還草工程植被恢復(fù)重建的生態(tài)效益[5]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括的土壤物理屬性指標(biāo)、土壤化學(xué)屬性指標(biāo)和土壤生物屬性指標(biāo)[5]共同影響著退耕還林還草工程的生態(tài)效益，為合理評(píng)估退耕還林還草工程土壤質(zhì)量提供了方向。

2.1 林下土壤理化性質(zhì)指標(biāo)

土壤物理化學(xué)性質(zhì)是影響植被生長的主要環(huán)境因子之一。在土壤-植被系統(tǒng)中，土壤和植被之間具有相互反饋效應(yīng)，植被恢復(fù)過程是通過增加地表枯落物的腐爛來增加地下有機(jī)物的輸入最終來影響土壤物理化學(xué)性質(zhì)[6]，反之，土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化也會(huì)通過根系吸收利用來影響地上植被恢復(fù)狀況。特別是在黃土高原地區(qū)，其土壤物理化學(xué)性質(zhì)的特殊性，使土壤物理化學(xué)性質(zhì)成為該區(qū)域退耕還林還草工程植被恢復(fù)的主要限制因子[7]。

土壤物理性質(zhì)可以間接地反映地上植被恢復(fù)進(jìn)程和恢復(fù)效果。土壤容重的降低和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的增強(qiáng)，能改善土壤持水能力和入滲性能[8]，促進(jìn)土壤物理性質(zhì)的恢復(fù)以及地上植被的恢復(fù)。土壤容重作為指示土壤質(zhì)量健康狀況的一個(gè)指標(biāo)，可以間接反映地上植被恢復(fù)狀況[9]。土壤團(tuán)聚體是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，能夠影響植物生長所需的養(yǎng)分和水分、空氣的移動(dòng)與運(yùn)輸，其穩(wěn)定性和抗蝕性狀況均與植被狀況密切相關(guān)[10]。

土壤化學(xué)性質(zhì)作為直接影響植物生長的重要因素，很大程度上可以直接反映植被恢復(fù)狀態(tài)與進(jìn)程。土壤化學(xué)性質(zhì)的變化，表現(xiàn)為土壤C、N、P等元素含量的變化，土壤C、N、P等這些元素能夠直接被植物根系吸收，影響植被恢復(fù)生長。土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，土壤氮元素是植物生長必須的營養(yǎng)元素之一，土壤全磷含量對(duì)植被種的分布起到重要作用[11]，這些元素含量的變化對(duì)植被生長起到重要作用，能反映地上植被恢復(fù)狀況。溫仲明等[12]研究發(fā)現(xiàn)隨著植被演替進(jìn)程的發(fā)展，土壤全磷含量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。周厚成等[13]研究發(fā)現(xiàn)隨著退耕年限的增加，植被凋落物量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，土壤氮、土壤磷含量均呈現(xiàn)出不同程度的增加趨勢(shì)，這進(jìn)一步促進(jìn)了植被恢復(fù)的發(fā)展。同樣，大量研究表明在植被恢復(fù)的過程中，土壤養(yǎng)分含量和有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，土壤養(yǎng)分狀況的改善也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)植被恢復(fù)的進(jìn)程[14～16]。以上研究均表明地上植被恢復(fù)狀況會(huì)影響地下土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化，地下物理化學(xué)性質(zhì)的變化不僅可以反映土壤質(zhì)量的變化規(guī)律，還能間接反映地上植被恢復(fù)狀況，對(duì)合理評(píng)估退耕還林還草工程效益提供了有力支持。

隨著人工刺槐林的生長，土壤肥力狀況也逐漸增加。劉棟[17]研究發(fā)現(xiàn)隨刺槐生長年限的增加氮素含量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，經(jīng)過30年的恢復(fù)，土壤氮素肥力得到了很大提高。張楊[17]研究表明隨著刺槐恢復(fù)年限的增加，全氮、全磷、全鉀含量增加，土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量水平也顯著增加，且刺槐土壤容重和土壤含水量也隨著恢復(fù)年限增加而呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。趙娜等[18]研究發(fā)現(xiàn)隨著退耕年限的增加，刺槐人工林表層土壤養(yǎng)分的富集作用越來越顯著，土壤物理性狀得到改善，養(yǎng)分含量增加。胡嬋娟等[19]研究發(fā)現(xiàn)隨植被恢復(fù)年限增加，刺槐林的土壤pH值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但是土壤有機(jī)質(zhì)和全碳呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。劉棟等[20]研究發(fā)現(xiàn)隨著刺槐林恢復(fù)年限的逐漸增加，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮以及有機(jī)氮含量也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

綜上所述，土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化能夠表征人工刺槐林下土壤質(zhì)量狀況以及刺槐林生長的環(huán)境狀況，可以通過土壤環(huán)境的變化研究來推測(cè)刺槐的生長條件，為合理評(píng)價(jià)退耕還林還草工程土壤質(zhì)量狀況以及生態(tài)效益提供方法和思路。

2.2 林下土壤微生物指標(biāo)

土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，不僅能分解礦化有機(jī)質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w，還能促進(jìn)腐殖質(zhì)和團(tuán)聚體的形成，以及在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡方面發(fā)揮重要作用[21]，同時(shí)，對(duì)土壤微生物的監(jiān)測(cè)能夠很好的反饋植被恢復(fù)的效果，便于及時(shí)對(duì)植被恢復(fù)狀況作出評(píng)價(jià)[22]。其中，土壤微生物多樣性和活性作為土壤微生物的一個(gè)重要指標(biāo)，是衡量土壤質(zhì)量狀況的關(guān)鍵。土壤微生物生物量較大程度上代表著土壤活性有機(jī)質(zhì)的儲(chǔ)量[23]，能夠有效的反饋地上植被恢復(fù)狀況。所以，了解土壤微生物的多樣性、活性和生物量，能夠更好地理解土壤微生物在植被生長和養(yǎng)分循環(huán)過程中的作用，對(duì)于黃土高原退耕還林還草工程及植被恢復(fù)重建具有重要意義。

以往研究常常忽略了土壤微生物多樣性的變化對(duì)植被恢復(fù)的影響，這很大程度上是因?yàn)橹苯涌刂莆⑸锶郝涞奈锓N多樣性、豐富度和功能類群的實(shí)驗(yàn)操作非常困難。但是，大量研究表明土壤微生物群落的群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)起到重要作用[24]，從而一定程度上影響植被恢復(fù)。土壤微生物多樣性，即指土壤生態(tài)系統(tǒng)中所有的微生物種類、基因以及其與環(huán)境之間相互作用的多樣化程度。一般認(rèn)為，土壤微生物多樣性存在于基因、物種、種群以及群落等4個(gè)層面，是土壤生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)基本生命特征，也是時(shí)間和空間的函數(shù)[10, 25]。土壤微生物量是土壤中養(yǎng)分的活性部分[26]，在物質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)中起到積極促進(jìn)作用，是植物營養(yǎng)的源和庫，此外，還能反映調(diào)控土壤物質(zhì)能量循環(huán)和有機(jī)物轉(zhuǎn)化的微生物數(shù)量。而微生物量碳、氮是表征土壤中的活性有機(jī)碳、氮的重要指標(biāo)，對(duì)土壤狀態(tài)的變化極其敏感和迅速，被作為評(píng)價(jià)土壤生物質(zhì)量的指標(biāo)來反映地上植被恢復(fù)情況[27]。

隨著退耕還林還草工程的進(jìn)行以及刺槐人工林的恢復(fù)，刺槐林下土壤微生物狀況也在逐漸產(chǎn)生變化。趙娜等[18]，薛萐等[28]研究都發(fā)現(xiàn)隨著退耕年限的增加，刺槐人工林土壤微生物生物量顯著提高。曾全超等[29]，胡嬋娟等[19]研究均發(fā)現(xiàn)人工刺槐林對(duì)土壤碳氮庫的增加有一定的促進(jìn)作用。此外，王風(fēng)芹等[30]研究發(fā)現(xiàn)刺槐土壤微生物量碳、氮含量隨恢復(fù)年限增大而升高，尤其是土壤微生物量氮含量顯著提高。劉棟等[20]研究發(fā)現(xiàn)隨著人工刺槐林生長年限的增加，土壤微生物活性也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。閔紅等[31]研究發(fā)現(xiàn)隨種植人工刺槐年限增長，土壤微生物數(shù)量顯著增加，細(xì)菌與真菌數(shù)量均呈現(xiàn)為先增加后減少，到40年時(shí)再增加的變化規(guī)律。

綜上所述，土壤微生物群落的變化可以表征土壤質(zhì)量的變化狀況，從而反映刺槐林下土壤質(zhì)量狀況以及刺槐林的生長狀況，并可以為退耕還林還草工程評(píng)價(jià)提供合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 評(píng)價(jià)方法

3.1 樣地的選擇及樣品采集

根據(jù)水熱環(huán)境梯度變化和植被類型的地帶性差異，在延河流域每個(gè)植被區(qū)內(nèi)選擇人工刺槐林群落和鄉(xiāng)土植物群落(草原區(qū)、森林草原區(qū)和森林區(qū))作為研究對(duì)象，將人工飛播栽植的人工刺槐林與鄉(xiāng)土植物進(jìn)行對(duì)比分析，便于合理評(píng)估不同植被區(qū)內(nèi)部退耕還林還草工程的生態(tài)效益。同時(shí)，隨著植被梯度的變化，將三個(gè)不同植被區(qū)之間的人工刺槐林進(jìn)行比較分析，便于合理評(píng)估退耕還林還草工程在不同植被之間的生態(tài)效益，為后續(xù)植被恢復(fù)提供支持。

在每個(gè)植被區(qū)內(nèi)至少選擇3個(gè)立地環(huán)境盡量相近(坡位、坡向等)的20 m×20 m的刺槐林群落樣地及與其一一對(duì)應(yīng)的鄉(xiāng)土植物群落樣地，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和正確性。在樣地內(nèi)進(jìn)行土壤樣品采集：去除表面植物殘?bào)w和石頭，呈“S”形選取五個(gè)同一深度的土壤樣品，混合均勻?yàn)橐粋€(gè)樣品。分別選取不同深度土層的土壤樣品，過2 mm篩，裝入無菌樣品袋，用冰盒冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室。一部分風(fēng)干后用于理化性質(zhì)的測(cè)定，為更好反映土壤理化性質(zhì)的變化提供依據(jù)；一部分儲(chǔ)存在4 ℃冰箱，用于土壤微生物功能多樣性測(cè)定，另一部分儲(chǔ)存在-80 ℃超低溫冰箱，用于土壤微生物和群落結(jié)構(gòu)的測(cè)定，土壤微生物的研究為評(píng)價(jià)退耕還林還草工程恢復(fù)效益提供依據(jù)。

3.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

主要測(cè)定土壤全碳(Total Carbon, TC)、全氮(Total Nitrogen, TN)、全磷(Total Phosphorus, TP)、土壤pH值和土壤水分(soil moisture content, SMC)來表征土壤理化性質(zhì)。具體測(cè)定方法參照土壤理化分析一書[32]。

3.3 土壤微生物多樣性測(cè)定

3.3.1 土壤微生物功能多樣性測(cè)定

土壤微生物功能多樣性用Biolog ECO微孔板方法測(cè)定[33]，具體步驟參照李超然等人文章。

3.3.2 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)測(cè)定

群落結(jié)構(gòu)的測(cè)定主要包括土壤宏基因組DNA提取、PCR定量分析、測(cè)序數(shù)據(jù)的處理和分析三步。其中，土壤宏基因組DNA采用MP試劑盒來提取，提取方法參照試劑盒說明書。后續(xù)PCR定量分析和測(cè)序數(shù)據(jù)的處理均交由廣州基迪奧公司進(jìn)行處理。

3.3.3 土壤微生物量碳、氮測(cè)定

調(diào)節(jié)新鮮土壤樣品含水量至飽和持水量的60%后，將土壤樣品置于廣口瓶內(nèi)，用保鮮膜封口，并放于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)7 d，之后進(jìn)行微生物量碳、氮的測(cè)定。

微生物量碳氮采用氯仿熏蒸-浸提法，微生物量碳和氮用硫酸鉀浸提，浸提液中有機(jī)碳用全自動(dòng)有機(jī)碳分析儀測(cè)定，轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.38；浸提液中全氮用凱氏法消煮-全自動(dòng)定氮儀測(cè)定。

4 退耕還林還草工程綜合評(píng)價(jià)

針對(duì)不同植被區(qū)刺槐恢復(fù)狀況的差異性，分別采用單因素方差分析和Tukey檢驗(yàn)將各植被區(qū)內(nèi)刺槐與鄉(xiāng)土植物地下土壤理化性質(zhì)和土壤微生物指標(biāo)進(jìn)行比較分析，探明在不同環(huán)境梯度下刺槐的生長狀況與鄉(xiāng)土植物的差別，合理評(píng)估退耕還林還草工程中刺槐生長的生態(tài)效益。并且，將不同植被區(qū)之間的刺槐林下土壤狀況及土壤微生物指標(biāo)進(jìn)行比較，探索隨著環(huán)境梯度變化刺槐林土壤質(zhì)量的變化狀況趨勢(shì)，合理評(píng)估刺槐林在不同環(huán)境梯度之間的生長狀況，為評(píng)估退耕還林還草工程生態(tài)效益提供思路。

在森林區(qū)、森林草原區(qū)、草原區(qū)三個(gè)植被區(qū)內(nèi)，刺槐林與鄉(xiāng)土植物林下土壤理化性質(zhì)和土壤微生物指標(biāo)的比較，可以得出刺槐在不同植被區(qū)內(nèi)生態(tài)效益狀況的好壞。假如在草原區(qū)，刺槐林的土壤理化性質(zhì)和土壤微生物指標(biāo)均好于鄉(xiāng)土植物，表明刺槐在草原區(qū)的引進(jìn)是合理的，提高了鄉(xiāng)土植物的理化性質(zhì)和微生物指標(biāo)，在草原區(qū)的退耕還林還草工程中是值得推廣的。依次可以來比較三個(gè)植被區(qū)內(nèi)退耕還林還草工程的生態(tài)效益。

隨著植被區(qū)從草原區(qū)到森林草原區(qū)再到森林區(qū)的變化，刺槐林下土壤理化性質(zhì)和土壤微生物指標(biāo)之間存在一個(gè)變化趨勢(shì)，表明刺槐在不同環(huán)境梯度下的生長恢復(fù)狀況存在差異，為合理評(píng)估退耕還林還草工程提供了一種新思路。

5 結(jié)語

黃土丘陵區(qū)退耕還林還草工程中植被恢復(fù)的研究工作從1999年開始，又由于退耕還林還草是植被重建的關(guān)鍵，使得這依舊是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。近年來，黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)工作取得顯著成效，水土流失得到有效遏制，植被生長得以恢復(fù)，以往評(píng)價(jià)退耕還林還草工程效果的做法是用土壤理化性質(zhì)來檢驗(yàn)其退耕林地土壤質(zhì)量，對(duì)微生物沒有關(guān)注度，但本文認(rèn)為土壤微生物也能夠很好的反映土壤質(zhì)量，在評(píng)估其生態(tài)效益時(shí)也應(yīng)予以考慮，需綜合全面地評(píng)價(jià)退耕還林還草工程后土壤質(zhì)量狀況。所以，尋找綜合評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量方法和指標(biāo)來評(píng)估退耕還林還草工程實(shí)施后土壤質(zhì)量狀況，是非常必要的。

EvaluationofLandQualityAfterReturningFarmlandtoForestandGrasslandProjectinYanheRiverBasin

Zhang Jing1,2, Li Pengzhan3

(1.ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi, 710075,China; 2.InstituteofLandEngineeringandTechnology,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi, 710075,China;3.Yan`anBranchofShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Yan`an,Shaanxi, 716000,China)

Abstract: The returning farmland to forests and grassland project has been implementedin China for more than ten years. Soil erosion has been restrained;the effect of wind and sand fixationhave been remarkable;ecological environment has been restored; and the project have been achieved initially. At present, the evaluation of the project of returning farmland to forests and grasslands tends to be qualitative and unilateral. The methods and indexes for evaluating the ecological benefits of the project of returning farmland to forests and grasslands have not been formed yet. This paper attempts to take Yanhe River basin in the Loess Hilly and Gully Region as a representative area to evaluate the soil physical and chemical properties and soil microbial condition under RobiniaPseudoacacia forest.The above-ground vegetation restoration isreasonably reflected so as to rationally evaluate the land quality of the project of returning farmland to forests and grasslands.

Keywords: RobiniaPseudoacacia;returning farmland to forests and grasslands;evaluation of land quality;Yanheriver basin