汾河上游流域棄耕地土壤養(yǎng)分及其與機(jī)械組成的關(guān)系

侯 麗，馬義娟，王國(guó)玲，蘇志珠，張 瑾

（1.太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西晉中030619；2.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西太原030006；3.山西大學(xué)歷史文化學(xué)院，山西太原030006）

棄耕地也稱撂荒地，是指原本進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地在人類不合理的經(jīng)營(yíng)方式以及掠奪性的開發(fā)下，不宜或不能再進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植而被閑置的土地，其中，地力下降是撂荒的主要原因[1]。目前，我國(guó)學(xué)者已對(duì)棄耕地的成因及整治[2-4]、植被演替特征[5-6]、土壤理化特征[7-8]以及棄耕地的生態(tài)恢復(fù)[9-11]進(jìn)行了大量研究，并取得了可喜的成果。棄耕地的土壤和植被的互動(dòng)效應(yīng)決定土壤與植被總是處在不斷的演化與發(fā)展之中，植被恢復(fù)重建和農(nóng)地撂荒使得土壤養(yǎng)分含量提升，土壤肥力增加，而養(yǎng)分條件的改善又進(jìn)一步促進(jìn)地表植被的恢復(fù)[11-12]。在棄耕地地表植被恢復(fù)和重建過程中土壤養(yǎng)分的生態(tài)效應(yīng)受到學(xué)者的關(guān)注[13-15]。土壤機(jī)械組成不僅是決定土壤理化性質(zhì)的重要因素，更與植物生長(zhǎng)所需土壤養(yǎng)分狀況以及它對(duì)各養(yǎng)分吸附能力的強(qiáng)弱密切相關(guān)，可以說土壤機(jī)械組成的差異是造成土壤養(yǎng)分含量多寡的主要內(nèi)因[16]。因此，研究棄耕地土壤養(yǎng)分變化及其與土壤機(jī)械組成之間的關(guān)系，對(duì)棄耕地的生態(tài)恢復(fù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

汾河上游作為黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)完整獨(dú)立的流域單元，既是重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，也是水土流失治理的重點(diǎn)地區(qū)之一。自20 世紀(jì)90 年代開展生態(tài)退耕以來，棄耕地面積漸增，引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)問題值得重視，但近年來學(xué)者們主要圍繞流域內(nèi)土地利用變化[17-18]、生態(tài)安全評(píng)價(jià)以及生態(tài)恢復(fù)補(bǔ)償[19]等進(jìn)行了相關(guān)研究，而對(duì)棄耕地的土壤質(zhì)量狀況鮮有報(bào)道。

本研究以山西省汾河上游流域不同植被恢復(fù)類型的棄耕地為研究對(duì)象，選取土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等養(yǎng)分指標(biāo)，探討棄耕地土壤養(yǎng)分含量變化及其與機(jī)械組成的關(guān)系，以期為汾河上游流域生態(tài)恢復(fù)、土地資源合理利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河作為黃河的一級(jí)支流，是山西省最大的河流，發(fā)源于山西省寧武縣西南管涔山雷鳴寺泉，流經(jīng)山西省中部和西南部進(jìn)入黃河。其中，汾河上游流域（37°40′～39°80′N、111°21′～112°40′E）是指汾河源頭到太原市北郊蘭村烈石口區(qū)域，行政區(qū)劃上包括寧武縣、靜樂縣、嵐縣、婁煩縣、古交市等5 個(gè)縣（市）[19]。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明、雨熱同期，年均降水量約490.70 mm，降水年際變化大且年內(nèi)分配不均，降水集中于6—9 月且多暴雨。地形條件復(fù)雜，主要由山地丘陵和河川階地構(gòu)成。土壤類型以褐土和淋溶性褐土為主，并含有少量棕壤土和潮土。植被景觀屬溫帶半濕潤(rùn)落葉闊葉林與森林草原褐土景觀。近年來，隨著流域內(nèi)生態(tài)退耕政策的逐步實(shí)施，棄耕還林（草）地土壤質(zhì)量發(fā)生了明顯的變化[20]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與方法

1.2.1 樣點(diǎn)選擇 2016 年4—11 月期間，通過對(duì)汾河上游流域棄耕地進(jìn)行實(shí)地考察，通過訪談、查證相關(guān)資料對(duì)棄耕原因和棄耕時(shí)間予以確定后，選取棄耕年限均為10 a 的典型退耕還林地和荒草地作為棄耕型采樣地，同時(shí)選擇周邊立地條件相近的耕地作為對(duì)照地。其中，退耕還林地種植的樹種有油松（Pinus tabuliformis）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）和檸條（Caragana korshinskii），荒草地則是自棄耕以來人為干擾極弱，以自然演替為主，以禾本科、薔薇亞科等草本植物為主。為確保樣品具有代表性和均勻性，采樣地涉及汾河上游流域5 個(gè)縣（市）的多個(gè)行政村。

1.2.2 樣品采集 退耕還林地、荒草地和對(duì)照耕地各設(shè)6 塊樣地（樣品編號(hào)：退耕還林地L1～L6；荒草地H1～H6；對(duì)照耕地G1～G6），共計(jì)18 塊，同時(shí)利用GPS 記錄其位置及樣地周圍地表環(huán)境狀況。土壤樣品采集按照多點(diǎn)采樣法進(jìn)行，即每塊樣地設(shè)3 個(gè)樣方點(diǎn)，每個(gè)樣方點(diǎn)的采集面積為20 cm×20 cm，均勻采集表層（0～20 cm）與下層（20～40 cm）土壤試驗(yàn)樣品，將3 個(gè)樣方點(diǎn)的土壤均勻混合作為該樣地的代表樣，單個(gè)樣品質(zhì)量為300～500 g。將樣品放入自封袋中，自然風(fēng)干并去除植物根系等雜物后以備測(cè)試。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測(cè)定包括土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）。其中，土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法，全氮含量的測(cè)定采用半微量凱氏法，全磷含量的測(cè)定采用硫酸-高氯酸消化分解后用鉬銻抗比色法，全鉀含量的測(cè)定采用碳酸氫鈉熔融-火焰光度法[21]。土壤顆粒的機(jī)械組成采用馬爾文激光粒度儀（Mastersizer 2000）進(jìn)行測(cè)試分析，儀器測(cè)量范圍0.02～2 000 μm，測(cè)量誤差在2.00%以內(nèi)，重復(fù)測(cè)量3 次，取其算數(shù)平均值（體積百分比）；粒級(jí)劃分為黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.050 mm）和砂粒（0.05～2.00 mm）[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤養(yǎng)分和機(jī)械組成的相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)法（IBMSPSS Statistics v20.0），所有結(jié)果采用軟件Origin 8.5 處理并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分狀況

2.1.1 土壤有機(jī)質(zhì) 為了分析棄耕后土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化狀況，選取棄耕地（退耕還林地和荒草地）和耕地（對(duì)照地）土壤表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）作為供試樣品，對(duì)其土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行分析，其結(jié)果如表1 和圖1 所示。由表1 和圖1可知，3 種地類所有土壤樣品表層和下層的有機(jī)質(zhì)含量平均值均表現(xiàn)出耕地（16.81，9.01 g/kg）＞荒草地（12.80，8.94 g/kg）＞退耕還林地（12.63，8.76 g/kg），且耕地表層和下層有機(jī)質(zhì)含量差別較大（相差7.80 g/kg）、退耕還林地和荒草地表層和下層有機(jī)質(zhì)含量差別較小（分別相差3.87，3.86 g/kg）；有機(jī)質(zhì)含量標(biāo)準(zhǔn)差表現(xiàn)出耕地（7.90，3.58）＞退耕還林地（4.76，3.08）＞荒草地（4.29，3.00），且耕地表層和下層有機(jī)質(zhì)含量標(biāo)準(zhǔn)差差異較大（相差4.32）、退耕還林地和荒草地表層和下層有機(jī)質(zhì)含量差別較?。ǚ謩e相差1.68，1.29）。整體上，棄耕地（退耕還林地和荒草地）土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，且差異較小。

表1 棄耕地與耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量變化

對(duì)比棄耕地（退耕還林地和荒草地）以及耕地（對(duì)照地）土壤表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）垂直分布上有機(jī)質(zhì)含量的分布狀況（表1 和圖1），結(jié)果均表現(xiàn)出表層＞下層的分布規(guī)律；有機(jī)質(zhì)含量標(biāo)準(zhǔn)差也表現(xiàn)出表層＞下層的分布規(guī)律，且上層差異較大、下層差異較小。結(jié)合第二次全國(guó)土壤普查有關(guān)土壤肥力狀況分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)[23]（表2），區(qū)域棄耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量屬于很低（6 級(jí)）、低（5 級(jí)）和中下（4 級(jí)）水平，分別占樣品總數(shù)的8.33%，41.67%和50.00%。上述結(jié)果表明，研究區(qū)3 種地類土壤有機(jī)質(zhì)含量表層均大于下層，這是有機(jī)質(zhì)積累具有表聚特征的表現(xiàn)；土壤有機(jī)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)差反映出土壤表層有機(jī)質(zhì)較下層更不穩(wěn)定，更易受外界條件的干擾。肥力等級(jí)表明，棄耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量整體偏低。

表2 全國(guó)第二次土壤普查土壤肥力狀況分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[23]

2.1.2 土壤全量養(yǎng)分 為分析棄耕后土壤全量養(yǎng)分含量的變化情況，對(duì)比棄耕地（退耕還林地和荒草地）和耕地（對(duì)照地）土壤表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）全量養(yǎng)分含量（表3），并結(jié)合全國(guó)第二次土壤普查肥力狀況分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，土壤表層和下層全氮含量平均值表現(xiàn)為耕地（2.58，2.34 g/kg）＞荒草地（2.43，2.23 g/kg）＞退耕還林地（2.27，2.19 g/kg），各地類都處于很高水平（1 級(jí)）；全磷含量整體差別并不明顯，各地類全磷含量均居于低水平（5 級(jí)）；全鉀含量表現(xiàn)為退耕還林地（6.10，7.36 g/kg）＞耕地（5.16，5.14 g/kg）＞荒草地（4.37，5.06 g/kg），其中，退耕還林地和耕地表層全鉀含量為低水平（5 級(jí)）、荒草地為很低水平（6 級(jí)），而下層各地類均為低水平（5 級(jí)）。從土壤垂直方向上看，土壤全氮、全磷含量各地類均表現(xiàn)為表層＞下層的規(guī)律，即總體上呈現(xiàn)出與有機(jī)質(zhì)含量相似的表聚特征；棄耕地（退耕還林地和荒草地）土壤全鉀含量表現(xiàn)出表層＜下層，而對(duì)照耕地表現(xiàn)為表層＞下層的規(guī)律。

表3 棄耕地與耕地土壤全量養(yǎng)分含量分析 g/kg

2.2 土壤養(yǎng)分含量與機(jī)械組成的相關(guān)性

對(duì)汾河上游流域棄耕地土壤養(yǎng)分含量與機(jī)械組成的相關(guān)性分析表明（表4），土壤養(yǎng)分含量與機(jī)械組成具有一定的相關(guān)性。除全磷外，3 種地類的土壤養(yǎng)分均與黏粒含量呈極顯著（P＜0.01）或顯著（P＜0.05）相關(guān)，其中，有機(jī)質(zhì)與黏粒含量呈極顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.547），全氮與黏粒含量呈顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.440），全鉀與黏粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為-0.494）。此外，有機(jī)質(zhì)與粉粒含量呈顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.462），與砂粒呈極顯著負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為-0.554）；全氮、全磷和全鉀含量與粉粒、砂粒含量相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。由此可見，黏粒含量是影響區(qū)域土壤養(yǎng)分含量的關(guān)鍵性粒級(jí)。

表4 棄耕地土壤養(yǎng)分與機(jī)械組成的相關(guān)關(guān)系

3 討論

土壤養(yǎng)分為植物的生長(zhǎng)提供了所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，是影響土壤肥力的關(guān)鍵因子，其含量的多寡直接影響地表植被的生長(zhǎng)狀況；同時(shí)，土壤養(yǎng)分含量與機(jī)械組成之間有著相互關(guān)聯(lián)性。土壤養(yǎng)分及其分布特征是成土母質(zhì)、地形條件、生物氣候等因素綜合作用的表現(xiàn)，又受人為因素如耕作措施、土壤配肥和種植制度等的影響。這種綜合作用的結(jié)果是不同棄耕地土壤養(yǎng)分含量及分布特征必然存在著差異。

汾河上游流域棄耕10 a 的退耕還林地和荒草地土壤表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）養(yǎng)分含量中，有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量均低于對(duì)照耕地，僅全鉀含量高于對(duì)照耕地。薛超玉等[24]和杜峰等[25]分別對(duì)陜西安塞黃土丘陵溝壑區(qū)不同恢復(fù)年限棄耕地土壤養(yǎng)分測(cè)試得出，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全鉀含量都呈先減少后增大的趨勢(shì)，在第6 年或第6～10 年處于最低值；安慧等[26]對(duì)寧夏鹽池荒漠草原區(qū)不同年限的棄耕地研究表明，土壤有機(jī)碳含量、全氮和全磷含量在1～4 a增加、4～12 a減小、12～20 a增大；賈松偉等[12]通過比較陜西安塞7 個(gè)不同退耕年限土壤有機(jī)碳后得出，耕地撂荒后表層土壤有機(jī)碳含量隨著退耕年限的增加呈增加趨勢(shì)，棄耕10 a土壤表層（0～10 cm）有機(jī)碳含量較棄耕1 a 的增加了107.3%；楊柳等[27]對(duì)鄂爾多斯高原不同年限棄耕農(nóng)田土壤養(yǎng)分分析表明，軟梁棄耕農(nóng)田土壤全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨棄耕年限增加呈增加趨勢(shì)，硬梁棄耕農(nóng)田0～10 cm 土層土壤全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)先減小后增加，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增加后減小。這些研究結(jié)果表明，棄耕地土壤養(yǎng)分積累與消耗處于動(dòng)態(tài)平衡的過程，在棄耕初期地表植被迅速生長(zhǎng)發(fā)育，土壤養(yǎng)分從土壤向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移，而且棄耕初期植物群落的枯落物回歸作用非常微弱，土壤養(yǎng)分庫處于流失狀態(tài)，因而，土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量有一個(gè)降低的過程，之后隨著枯枝落葉的增加，土壤養(yǎng)分又開始增加，即棄耕地土壤養(yǎng)分含量隨演替的進(jìn)行而發(fā)生的變化常受干擾類型、程度以及起始條件的不同而各自具有不同的變化特點(diǎn)[28]。

研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)差棄耕地（退耕還林地和荒草地）整體差異較耕地（對(duì)照地）小。究其原因，耕地受人為耕作施肥的影響，有機(jī)質(zhì)含量較高且表層（平均值16.81 g/kg）和下層（平均值9.01g/kg）差異明顯；棄耕以后，雖人為停止耕作施肥，但地表生物量明顯大于耕地，有機(jī)質(zhì)含量也應(yīng)該會(huì)相應(yīng)增加，但由于本區(qū)氣候條件相對(duì)干旱，微生物對(duì)植物體的分解數(shù)量有限，土壤中積累的有機(jī)質(zhì)相對(duì)較少，同時(shí)大量植物的生長(zhǎng)會(huì)消耗土壤有機(jī)質(zhì)，因此退耕還林地和荒草地土壤有機(jī)質(zhì)積累有限且表層和下層的有機(jī)質(zhì)含量差異較小；退耕還林地不同樹種、疏密程度的差異也會(huì)對(duì)表層土壤有機(jī)質(zhì)的含量產(chǎn)生影響，而對(duì)于自然演替的荒草地，其草本類型和生物量均較為一致，因此，荒草地土壤表層有機(jī)質(zhì)含量差異最小。值得注意的是，汾河上游流域作為我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的重要組成部分，通常土地棄耕后草本植被的生長(zhǎng)和根系代謝較快，每年有大量的枯枝落葉歸還于土壤，而木本植物，在棄耕前期，反而為了自身生長(zhǎng)會(huì)從土壤中吸收部分養(yǎng)分，致使研究區(qū)荒草地總體上有機(jī)質(zhì)含量大于退耕還林地，所以研究區(qū)在生態(tài)治理期間進(jìn)行退耕還林還草時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮草本植被。

土壤養(yǎng)分在垂直分布上有明顯的表聚特征，整體上研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量呈現(xiàn)出表層大于下層的現(xiàn)象，這與宋娟麗等[7]對(duì)陜西安塞、張俊華等[17]對(duì)陜西永壽棄耕地土壤養(yǎng)分研究結(jié)果相似。原因主要在于土壤有機(jī)質(zhì)和氮素主要來源于植物枯落物和動(dòng)植物殘?bào)w，所以隨著退耕時(shí)間的增長(zhǎng)、植被恢復(fù)和植被群落演替的進(jìn)行，土壤表層聚集大量的枯枝落葉，為土壤養(yǎng)分富集提供了基礎(chǔ)，在微生物的作用下這些有機(jī)殘?bào)w有著不同程度的分解，并以腐殖質(zhì)的形式在土壤表層富集，結(jié)果使土壤剖面中表層（0～20 cm）的有機(jī)質(zhì)含量明顯高于下層（20～40 cm）；土壤全磷含量的高低主要受土壤母質(zhì)、氣候條件、風(fēng)化程度和淋溶作用等影響[16]，且磷在土壤中移動(dòng)緩慢，溶解性相對(duì)較小，其淋失和流失量較小，結(jié)果在剖面上、下層之間含量變化不大。本研究選取樣點(diǎn)均為黃土分布區(qū)，土壤母質(zhì)和成土作用基本一致，因此，棄耕地土壤全磷含量在剖面整體變化不明顯，但總體仍表現(xiàn)為表層含量略大于下層含量的現(xiàn)象，這可能與棄耕地被棄耕之前作為農(nóng)田在表土施加磷肥有關(guān)；全鉀含量在棄耕地表現(xiàn)出表層＜下層的規(guī)律，這是由于農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)棄耕地干擾度較低，植物生長(zhǎng)所需的鉀素只能從土壤中攝取且在植物根系深度聚集，使得鉀的含量表層明顯低于下層，而對(duì)照耕地由于受人為因素的影響會(huì)對(duì)其施入適量的鉀肥，土壤表層全鉀含量高于下層。

土壤機(jī)械組成的差異是影響土壤養(yǎng)分差異的關(guān)鍵性因子。本研究區(qū)棄耕地有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀均與黏粒含量呈極顯著（P＜0.01）或顯著（P＜0.05）相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量均隨黏粒和粉粒含量增加而增加，隨砂粒含量增加而減少，與前人的研究結(jié)果[18-20]相一致。這主要是由于黏粒粒徑微?。ǎ?.002 mm），由其形成的土壤中的非毛管孔隙少、毛管孔隙多，毛管作用力強(qiáng)，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)好，保水蓄水及保肥性能強(qiáng)，腐殖質(zhì)分解緩慢有利于積累，土壤養(yǎng)分含量豐富，因而，土壤有機(jī)質(zhì)、氮和鉀含量均隨黏粒含量增加而增加。但本研究的機(jī)械組成與全磷含量的相關(guān)性不顯著，原因還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究在對(duì)汾河上游流域進(jìn)行實(shí)地考察基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)棄耕地（棄耕還林地和荒草地）土壤表層（0～20 cm）和下層（20～40 cm）土壤養(yǎng)分及其與機(jī)械組成的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，土壤表層和下層有機(jī)質(zhì)含量的平均值表現(xiàn)出耕地（16.81，9.01 g/kg）＞荒草地（12.80，8.94 g/kg）＞退耕還林地（12.63，8.76 g/kg）；全氮含量表現(xiàn)為耕地（2.58，2.34 g/kg）＞荒草地（2.43，2.32 g/kg）＞退耕還林地（2.27，2.19 g/kg）；全磷含量整體差別并不明顯；全鉀含量表現(xiàn)為退耕還林地（6.10，7.36 g/kg）＞耕地（5.16，5.14 g/kg）＞荒草地（4.37，5.06 g/kg）。

棄耕地土壤養(yǎng)分含量在土壤剖面上表現(xiàn)出明顯的深度層次性，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷養(yǎng)分含量表層（0～20 cm）較下層（20～40 cm）略高，具有表聚效應(yīng)；全鉀含量表現(xiàn)則相反。

棄耕地土壤養(yǎng)分與機(jī)械組成之間的關(guān)系密切，黏粒是影響土壤養(yǎng)分含量多寡的關(guān)鍵因子，整體上土壤養(yǎng)分含量與黏粒含量之間的相關(guān)性明顯。