民勤青土湖區(qū)不同年限退耕地土壤水分和養(yǎng)分變化

柴成武,王理德,尉秋實(shí),王方琳,吳 昊,

郭春秀1,陳思航1,胥寶一1,何芳蘭1,孟存宏2

(1.甘肅省治沙研究所,甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 武威 733000;2.甘肅省武威市石羊河林業(yè)總場,甘肅 民勤 733399)

石羊河尾閭的青土湖區(qū)，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(tài)屏障。近年來，由于上游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大引起對(duì)水資源的需求逐年增加，流入下游水量急劇減少[1-2]，地下水開采嚴(yán)重過量[3]，導(dǎo)致下游生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)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[4-5]。國家實(shí)施生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目《甘肅石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》，采取“關(guān)井壓田”和退耕政策后，退耕區(qū)的面積又增加至3 萬多hm2，如果不及時(shí)保護(hù)，隨著這部分退耕地退耕年限的增加，有逐漸向裸露化或沙漠化發(fā)展的趨勢，易形成惡性循環(huán)，使土壤生態(tài)系統(tǒng)遭到破環(huán)，不利于石羊河流域綜合治理工程的實(shí)施[6-7]。因此，保護(hù)和利用土地及水資源已成為該區(qū)生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)和目前人們亟需回答的科學(xué)問題，對(duì)促進(jìn)和恢復(fù)該區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

退耕還林的根本目的是改良土壤，從而改變地表植被特征及土地利用方式[8]。由于土壤水分和養(yǎng)分的變化之間存在著密切的聯(lián)系，因此土地利用方式的轉(zhuǎn)換必然引起土壤水分、養(yǎng)分含量的變化[9],從而引起生態(tài)環(huán)境的改善。近年來，學(xué)者們在黃土高原地區(qū)廣泛開展了關(guān)于退耕還林后植被恢復(fù)及生態(tài)效應(yīng)改善的研究，主要包括退耕還林后的植被、水文、土壤、小氣候效應(yīng)[10-13]等方面；關(guān)于石羊河下游退耕地的植被、土壤、水文等方面的研究主要從2013年開始展開，但這些研究大多關(guān)注于退耕年限對(duì)某一單因子效應(yīng)方面影響的研究[14-17]，而對(duì)兩種因子綜合效應(yīng)影響的研究較少。因此，本文就民勤青土湖區(qū)不同年限退耕地土壤水分和養(yǎng)分變異特征進(jìn)行分析，旨在為該區(qū)退耕地的植被恢復(fù)和重建提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和石羊河流域綜合治理項(xiàng)目的順利實(shí)施具有重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣地信息

研究區(qū)位于石羊河下游民勤縣青土湖區(qū)煌輝村、志云村的農(nóng)田退耕地，地理坐標(biāo)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7，8，9月，占年總降雨量的72%，年均蒸發(fā)量2 644 mm，年日照時(shí)數(shù)2 834.5 h，年平均風(fēng)速2.3 m/s，無霜期175 d，年平均8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)37.6 d，沙塵暴日數(shù)26.8 d。氣候干旱、光照充足、降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、夜溫差大、多風(fēng)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)。

表1 樣地基本特征

1.2 樣品采集

樣品采集時(shí)間為2018年9月，主要通過時(shí)空替代法來研究土壤顆粒組成與相應(yīng)的養(yǎng)分變化。研究區(qū)在不同年代有大面積農(nóng)田退耕，這些區(qū)域退耕地植被恢復(fù)以自然方式為主，為本研究提供了較為理想的基礎(chǔ)條件；另外，項(xiàng)目組走訪調(diào)查了當(dāng)?shù)鼐用窈土謽I(yè)主管部門以確定植被群落恢復(fù)的時(shí)間，可確保調(diào)查樣地退耕時(shí)間的準(zhǔn)確性；其次，由于調(diào)查過程中樣地距離比較近，兩樣地間高差小于50m，因此研究中由海拔高度帶來的影響可以忽略。以退耕當(dāng)年的農(nóng)田為對(duì)照(CK)，調(diào)查樣方面積為100 m ×100 m，每個(gè)樣點(diǎn)3個(gè)重復(fù),記錄樣方內(nèi)群落的名稱、物種組成及名稱等；土壤取樣采用環(huán)刀法，采取S 形隨機(jī)采樣,取樣深度40 cm，分0—20 cm和20—40 cm兩個(gè)層次，均勻混合后去除樹根等雜物，每樣3 個(gè)重復(fù)，用四分法取大約1 kg 土樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.3 測定方法

土壤水分采用常規(guī)土鉆法取樣,烘干法(105℃)測定,土壤容重采用環(huán)刀法取樣測定，最后計(jì)算土壤貯水量，公式如下。土壤養(yǎng)分測定中有機(jī)質(zhì)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(gè)重復(fù)，取平均值進(jìn)行分析[18]。

WC=10ρVH

式中：WC為土壤貯水量(mm)；ρ為土壤含水量(%)；H為土層厚度(cm)；V為土壤容重(g/cm3)。

2 結(jié)果與分析

2.1 青土湖區(qū)不同年限退耕地土壤水分變異特征

CK至退耕40 a間不同土層土壤貯水量變化趨勢如圖1所示，0—20 cm和20—40 cm土層中，土壤貯水量總體隨退耕年限增加先減小之后在退耕13～20 a時(shí)逐漸增大、之后又隨退耕年限增加逐漸減小的趨勢。兩土層間表現(xiàn)為20—40 cm土層土壤貯水量大于0—20 cm土層，其中0—20 cm，20—40 cm土層中貯水量最大值均出現(xiàn)在CK，分別為37.88，80.87 mm，并分別與退耕1～40 a間各層土壤貯水量間呈顯著差異，也表現(xiàn)為土壤貯水量隨退耕年限增加先減小后逐漸增大的趨勢，且退耕13 a和20 a時(shí)，土壤貯水量較之前退耕年限略有增大，其中以20—40 cm土層增大較為明顯，分別為59.15，53.77 mm，且兩土層中土壤貯水量最小值均出現(xiàn)在退耕后30 a，其中0—20 cm土層中為20.29 mm，20—40 cm土層中為31.60 mm。

圖1 不同年限退耕地土壤水分特征

2.2 青土湖區(qū)不同年限退耕地土壤養(yǎng)分的變異特征

由土壤全氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢可以看到(圖2)，3種養(yǎng)分中全氮含量在0—40 cm土層中總體呈隨退耕年限增加而波動(dòng)式下降并最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的變化趨勢，其中在退耕當(dāng)年(CK)的農(nóng)田中，0—20 cm土層全氮含量顯著大于20—40 cm土層，退耕1 a時(shí)兩土層間差異不顯著，退耕2～8 a間，兩土層全氮含量存在顯著差異，且在退耕第4年時(shí)0—20 cm土層含量達(dá)到最大值1.325 g/kg，之后兩土層全氮含量均隨退耕年限增加而持續(xù)下降；退耕13～20 a間，兩土層全氮含量差異不顯著，隨著退耕年限的增加，在退耕CK至40 a時(shí)，兩土層含量又出現(xiàn)顯著差異，且在30 a時(shí)20—40 cm土層出現(xiàn)最小值，為0.692 g/kg；總之，在CK至退耕40 a間，土壤中全氮含量總體呈下降趨勢，主要表現(xiàn)為退耕前期變化較為劇烈，退耕中后期變化較為平緩至穩(wěn)定。

圖2 不同年限退耕地土壤養(yǎng)分變化特征

土壤中速效磷在不同年限退耕地總體表現(xiàn)為0—20 cm土層含量顯著大于20—40 cm，且兩土層中0—20 cm速效磷含量變化相對(duì)較為劇烈，而20—40 cm土層中變化較為平緩，其中速效磷含量最大值出現(xiàn)在退耕當(dāng)年(CK)農(nóng)田的0—20 cm土層，為2.879 g/kg，最小值出現(xiàn)在退耕后第2年的20—40 cm土層，為0.198 g/kg?？傊谡麄€(gè)退耕期間，土壤速效磷含量在退耕前期隨退耕年限增加而逐漸減小，退耕中期又有所增加，而在退耕后期表現(xiàn)為逐漸減小并趨于穩(wěn)定的趨勢。

不同退耕年限間土壤有機(jī)質(zhì)含量變化幅度較小，隨著退耕年限增加，土壤有機(jī)質(zhì)總體呈逐漸減小趨勢，其中退耕初期，0—20 cm土層間含量均存在顯著差異，并在退耕后第1年達(dá)到峰值0.041 g/kg，在退耕后第4年達(dá)到較大值0.036 g/kg，之后隨著退耕年限增加，差異性逐漸減小并趨于穩(wěn)定，且兩土層中，0—20 cm土層在退耕1～8 a間有機(jī)質(zhì)變化較為劇烈，之后趨于穩(wěn)定；在整個(gè)退耕年限內(nèi)，20—40 cm土層中土壤有機(jī)質(zhì)含量隨退耕年限的增加變化幅度較小，總體呈較為平緩的波動(dòng)式下降趨勢，并在退耕初期含量較低，退耕后第1年達(dá)到峰值0.029 g/kg，退耕后第4年達(dá)到較大值0.026 g/kg，退耕第20年時(shí)達(dá)到最小值，0.015 g/kg。

3 結(jié)論與討論

石羊河下游青土湖區(qū)，氣候干旱，自然條件惡劣，土壤水分是影響植物群落演替與植被恢復(fù)的關(guān)鍵因子，因此可以說植被生長與土壤水分之間的關(guān)系比其與土壤養(yǎng)分間的關(guān)系更為密切[20]。受前期農(nóng)田耕作活動(dòng)的影響，CK中0—40 cm土層中土壤貯水量均較大；退耕1～8 a間，一年生淺根性草本植物對(duì)土壤水分的消耗較大，0—20 cm土層貯水量變化較為穩(wěn)定，但略有隨退耕年限增加而減小的趨勢，而相比較20—40 cm土層中土壤貯水量減小趨勢較為明顯，說明農(nóng)田退耕后，一年生和多年生草本植物逐漸演替為群落內(nèi)的主要植物種；退耕13～20 a時(shí)，土壤貯水量比退耕1～8 a有一個(gè)逐漸增大的過程，主要是由于此階段植物群落逐漸演替為以黑果枸杞為主的單一群落，降低了對(duì)土壤水分的消耗，使其逐漸回升；而在退耕30～40 a，植物群落發(fā)展逐漸穩(wěn)定，由多年生單一群落逐漸演替為以黑果枸杞和鹽爪爪為優(yōu)勢物種的穩(wěn)定群落，此時(shí)土壤水分恢復(fù)并逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3種土壤養(yǎng)分在土層中的含量總體表現(xiàn)為隨退耕時(shí)間的延長而呈波動(dòng)式下降的趨勢，其中土壤全氮含量表現(xiàn)出和有機(jī)質(zhì)相同的變化趨勢；前人研究表明，土壤養(yǎng)分中的有機(jī)質(zhì)和氮主要來源于上部植被凋落物的分解及根系分泌物[21]，而本文中土壤中全氮含量表現(xiàn)為和有機(jī)質(zhì)相同的變化趨勢，也驗(yàn)證了這一結(jié)論，說明灌木與草本植被相比，其較深的根系對(duì)土壤中N 的消耗量較大，并且隨著群落演替的進(jìn)行，產(chǎn)生大量的枯枝落葉，使歸還土壤的有機(jī)質(zhì)不斷增加，而土壤中的N元素可以通過有機(jī)質(zhì)來供給，從而出現(xiàn)了上述現(xiàn)象[22]；土壤磷素是土壤中的礦質(zhì)營養(yǎng)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(zhì)及大氣沉降，本研究0—20 cm土層速效磷含量受退耕年限影響較大且變化較為劇烈，其含量顯著大于20—40 cm，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(xiàn)象和楊萬勤等[23]研究的關(guān)于地表植物對(duì)土壤磷素的生物表聚作用有關(guān)，而在較深土層中，只有當(dāng)?shù)厣现参锓浅ＸS富時(shí)，這種現(xiàn)象才比較明顯，但在干旱荒漠地區(qū)的退耕地上，這種結(jié)果很難實(shí)現(xiàn)，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。

土壤水分和養(yǎng)分是土壤環(huán)境的一部分，對(duì)植被恢復(fù)具有極其重要的作用，影響著植被恢復(fù)的程度和速度，并能協(xié)調(diào)植物生長的環(huán)境條件、營養(yǎng)物質(zhì)。從青土湖區(qū)不同年限退耕地土壤水分和養(yǎng)分的變化分析，兩者的變化趨勢基本一致，即均表現(xiàn)為隨退耕年限的增加而呈波動(dòng)式降低。這一結(jié)論與黃土高原[24]或高寒草地[25]的試驗(yàn)結(jié)果隨著耕地撂荒年限的增加，土壤養(yǎng)分增加的趨勢相反，顯示了該地區(qū)的特殊性，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是由于該地區(qū)干旱少雨、土壤非常瘠薄，退耕初期，由于之前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施入的水、肥尚有殘余，因此次生草地呈正向發(fā)展，但隨著退耕年限的延長，殘存水、肥逐漸耗減，土壤微生物數(shù)量多樣性發(fā)生了改變，植物殘?bào)w分解緩慢，土壤質(zhì)量下降。因此，該區(qū)農(nóng)耕地在退耕4～5 a后，如果不采取任何的農(nóng)業(yè)管理措施，隨著退耕年限的延長土壤中養(yǎng)分含量呈現(xiàn)出下降趨勢，土壤鹽漬化與沙漠化程度會(huì)越來越嚴(yán)重[26]。