祁連山淺山區(qū)退耕地土壤質(zhì)量及植被變化研究

董彥麗,陳愛(ài)華,祁光增,張 峰,王亞竹,田晉華

(1.甘肅省水土保持科學(xué)研究所,蘭州 730020；2.蘭州海關(guān)技術(shù)中心,蘭州 730010；3.甘肅省水利科學(xué)研究院,蘭州 730000)

退耕還林工程是我國(guó)涉及面最廣、工序最復(fù)雜的生態(tài)建設(shè)的標(biāo)志性工程,也是迄今為止世界上最大的生態(tài)修復(fù)工程[1],是治理水土流失和土地沙化問(wèn)題的主要措施,對(duì)抑制和扭轉(zhuǎn)西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化意義重大,是一條順應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)律、統(tǒng)籌人與自然和諧發(fā)展的科學(xué)發(fā)展道路[2]。2014年,國(guó)家啟動(dòng)了新一輪退耕還林工程,對(duì)于生態(tài)脆弱的西北地區(qū)來(lái)說(shuō),無(wú)論改善生態(tài)環(huán)境還是調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型和增加農(nóng)民收入,都具有極其深遠(yuǎn)的意義[3]。退耕還林草工程的實(shí)施對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤、植被的恢復(fù)發(fā)揮了重要的促進(jìn)作用。研究表明,退耕還林實(shí)施植被恢復(fù)措施可明顯改善土壤孔隙度,提高土壤蓄水及持水能力[4],隨著退耕年限的增加,總物種數(shù)呈減少—增加—減少—增加的趨勢(shì),土壤養(yǎng)分含量先減少后增加[5],植被群落優(yōu)勢(shì)種由草本植物逐漸轉(zhuǎn)化成灌木植物[6]。劉若莎等[7]定量分析了青海黃土高寒區(qū)退耕植被生態(tài)功能,結(jié)果表明，中位陰坡平緩坡青海云杉、青楊和華北落葉松混交林生態(tài)功能綜合得分最高,低位陽(yáng)坡平緩坡的青海云杉和青楊混交林綜合得分最低。尚雪等[8]對(duì)退耕還林(草)過(guò)程中陜北地區(qū)NDVI時(shí)空變異及其驅(qū)動(dòng)因子的地理探測(cè)研究表明,2000—2019年陜北地區(qū)中高和高植被覆蓋區(qū)面積分別增加了25.64%和11.74%,植被覆蓋狀況整體良好,NDVI空間分布差異顯著。

本文以祁連山淺山區(qū)山丹縣大黃山示范區(qū)退耕地為例,針對(duì)退耕后不同地類(lèi)土壤及示范區(qū)內(nèi)植被,對(duì)比分析不同類(lèi)型退耕地土壤理化性質(zhì)和示范區(qū)2017—2020年間植被覆蓋度變化情況,以期能夠更直觀科學(xué)地反映退耕還林草后區(qū)域內(nèi)生態(tài)效益的變化。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山淺山區(qū)山丹大黃山水土保持技術(shù)示范區(qū),地理位置為北緯38°20′～38°30′,101°00′～101°30′,海拔2 800m左右。該區(qū)氣候干燥、水資源匱乏、水土流失嚴(yán)重；氣候?qū)俅箨懶愿吆敫珊禋夂驇?年降雨量428mm左右,降雨主要集中在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(zhǎng)期變短。>10℃的積溫在1 700℃,植物生長(zhǎng)期在120d左右[9]。土壤類(lèi)型包括山地褐色土、灰褐土、輕壤土等,成土母質(zhì)以坡積、殘積母質(zhì)為主。經(jīng)過(guò)近年退耕還林,植被類(lèi)型主要有青海云杉、沙棘、祁連圓柏、金露梅、山丹柳、檸條錦雞兒等[10]。

2 研究方法

2.1 土樣采集

2019年4月26日,在山丹縣大黃山退耕還林(草)保護(hù)技術(shù)示范區(qū)選擇坡向、坡度基本一致的退耕沙棘林地、封育3年草地、未封育草地3種典型退耕模式樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)(表1),在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的條件下,按0～10cm,10～20cm,20～40cm,40～60cm土層用鋁盒和環(huán)刀分別取土樣并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量鋁盒和環(huán)刀的濕重,每層取3個(gè)重復(fù),同時(shí)采集每層原狀土樣1kg左右,裝入采樣袋,共計(jì)36份。

2.2 土樣測(cè)定

將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,采用烘干法測(cè)定土壤含水量，環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、持水量、孔隙度等物理特性。原狀土風(fēng)干后,利用重鉻酸鉀-外加熱法和凱氏法測(cè)定土壤有機(jī)碳、全氮，堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮，鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷，火焰光度法測(cè)定速效鉀。

2.3 植被數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

綜合考慮季節(jié)、云量等因素,本研究采用了3期GF-1數(shù)據(jù),時(shí)間分別為2017年9月23日,2019年8月18日,2020年7月28日。由于2018年沒(méi)有合適的GF-1數(shù)據(jù),因此采用2018年7月9日GF-6數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充分析?？臻g分辨率為2m,基于ENVI5.3軟件對(duì)GF-1和GF-6數(shù)據(jù)全色波段、多光譜波段分別做正射校正,然后再對(duì)多光譜波段做輻射校正(包括輻射定標(biāo)和大氣校正),最后將全色波段和多光譜波段進(jìn)行融合,得到分辨率為2m的多光譜圖像。

表1 樣地概況

2.4 數(shù)據(jù)分析

土壤吸持貯水量、滯留貯水量和飽和貯水量由式(1)—式(3)計(jì)算:

Wc=1000×Pc×h

(1)

Wo=1000×Po×h

(2)

Wt=1000×Pt×h

(3)

式中:Wc,Wo,Wt分別為土壤吸持貯水量、滯留貯水量和飽和貯水量(mm)；Pc,Po,Pt分別為毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度(%)；h為土層深度(m)[11]。

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是植物生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子。NDVI的計(jì)算公式如下:

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

式中:Red,NIR分別代表紅光、近紅外波段,分別對(duì)應(yīng)GF-1和GF-6的波段3、波段4。

基于NDVI圖像,通過(guò)目視解譯選擇最優(yōu)閾值對(duì)示范區(qū)分為林地、草地和裸地3種地類(lèi),計(jì)算示范區(qū)植被覆蓋度。

采用Excel 2010處理數(shù)據(jù)、圖表,利用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用One-way ANOVA分析顯著性差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類(lèi)型退耕地土壤物理性質(zhì)

不同類(lèi)型退耕地土壤水分、土壤容重如圖1所示。3種地類(lèi)0～10cm表層土壤水分含量最低,后隨土壤深度增加，土壤水分亦逐漸增加；土壤平均水分含量表現(xiàn)為封育3年草地(26.68%)>未封育草地(22.09%)>沙棘林(20.88%),封育草地土壤水分要高于未封育草地20.78%。不同退耕地土壤容重隨土壤深度增加而降低,平均容重則為未封育草地(1.16g/cm3)>封育3年草地(1.06g/cm3)>沙棘林(1.03g/cm3),沙棘林地土壤容重比未封育草地低12.62%；方差分析3種地類(lèi)土壤水分、容重差異性不顯著(P>0.05)。

圖1 不同類(lèi)型退耕地土壤水分 容重變化特征

土壤最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度等都表現(xiàn)為沙棘林最大、封育3年草地次之、未封育草地最小(圖2)；沙棘林地土壤最大持水量和毛管持水量高于封育3年草地的3.33%和3.11%,高于未封育草地的9.48%和8.28%；3種地類(lèi)土壤持水量、孔隙度差異性不顯著(P>0.05)。土壤容重與土壤持水量、毛管孔隙度、總孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

圖2 不同類(lèi)型退耕還林(草)地土壤物理性質(zhì)

3.2 不同類(lèi)型退耕地土壤貯水性能

3種退耕地在0～60cm土層深度下,隨土壤深度的增加,土壤吸持貯水量和飽和貯水量逐漸增加；沙棘林地土壤吸持貯水量、滯留貯水量和飽和貯水量分別高于封育3年草地的3.58%,13.50%和4.12%,高于未封育草地的5.36%,36.11%和6.81%。3種退耕地的土壤吸持貯水量和滯留貯水量的差異性不顯著(P>0.05),沙棘林與未封育草地的土壤飽和貯水量差異顯著(P<0.05)(表2)。

表2 不同類(lèi)型退耕地土壤貯水性

3.3 不同類(lèi)型退耕地土壤養(yǎng)分特性

由表3可知,封育3年草地電導(dǎo)率、速效鉀、速效磷和有機(jī)質(zhì)等土壤養(yǎng)分含量高于沙棘林地和未封育草地,未封育草地土壤pH值和堿解氮含量高于其他地類(lèi),沙棘林地土壤全氮含量略高于其他地類(lèi)；沙棘林地土壤pH值與2種草地差異不顯著(P>0.05),但封育3年草地與未封育草地差異顯著(P<0.05)；未封育草地土壤有機(jī)質(zhì)與沙棘林地和封育3年草地差異性顯著(P<0.05)。

表3 不同類(lèi)型退耕地土壤養(yǎng)分特性

由圖3可看出,3種地類(lèi),土壤pH值在0～10cm土層最低,隨土層深度增加,略有上升,pH值在8.62～8.33之間；速效鉀含量隨土層深度增加而逐漸降低；未封育草地不同土層土壤有機(jī)質(zhì)含量基本一致,沙棘林地表層略低于其他土層,封育3年草地土壤表層有機(jī)質(zhì)略高于其他土層土壤；在0～20cm土層,速效鉀含量表現(xiàn)為沙棘林地高于封育3年草地,未封育草地最低,20～60cm土層,速效鉀含量不穩(wěn)定；未封育草地不同土層土壤全氮含量基本一致,但沙棘林地和封育3年土壤不同土層全氮含量不太穩(wěn)定；各地類(lèi)土壤堿解氮含量基本隨土壤剖面深度增加,逐漸增加。

圖3 不同類(lèi)型退耕地不同土層土壤養(yǎng)分變化

3.4 植被覆蓋度變化

研究區(qū)內(nèi)2017—2020年植被覆蓋情況如圖4所示。2017年示范區(qū)內(nèi)最南端以及北側(cè)出現(xiàn)明顯的無(wú)植被覆蓋情況,中部地區(qū)植被多數(shù)破碎化,植被覆蓋度相對(duì)較低；2018年植被面積開(kāi)始增加,主要集中在示范區(qū)中部,表現(xiàn)為裸地向草地、林地轉(zhuǎn)變,草地向林地轉(zhuǎn)變；2019年林地、草地面積持續(xù)增加；2020年,非植被區(qū)相對(duì)減少得更多,生態(tài)系統(tǒng)更加完善。2017—2020年,非植被區(qū)向植被區(qū)轉(zhuǎn)變主要集中在中部,經(jīng)歷了由破碎化、雜亂化向系統(tǒng)化、規(guī)整化變化的發(fā)展模式。如表4所示,對(duì)于林地,2017—2020年,林地呈持續(xù)增加的趨勢(shì),平均每年增加48.74hm2；草地呈持續(xù)減少的趨勢(shì),平均每年減少21.17hm2；裸地同樣呈持續(xù)減少的趨勢(shì),平均每年減少21.56 hm2。2017—2020年,示范區(qū)內(nèi)植被覆蓋度由69%提高到了78.8%,植被覆蓋度增加了9.8%,平均每年植被覆蓋度增加3.26%。

圖4 山丹縣大黃山示范區(qū)2017—2020年植被覆蓋變化

表4 山丹縣大黃山示范區(qū)2017—2020年植被面積變化

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

1)土壤水分是植被恢復(fù)過(guò)程中的重要特征,容重、孔隙度則是反映土壤物理性質(zhì)的主要指標(biāo)[12-13]。研究區(qū)封育草地土壤水分高于未封育草地和沙棘林地,是由于草地根系較淺需水量不高,而沙棘林地冠層郁閉度較高,降雨后一部分水分被冠層截留,造成林地土壤水分較低。沙棘林地土壤容重最小,持水量、孔隙度最大,土壤質(zhì)量高于草地,是因?yàn)樯臣值貒鷻诜庥龝r(shí)間最長(zhǎng),人為、牲畜的干擾較少,基本沒(méi)有林地破壞,對(duì)土壤質(zhì)量的改良效果較好。土壤貯水量是評(píng)價(jià)水源涵養(yǎng)功能與植被水分保持的重要指標(biāo),與孔隙狀況和土層厚度密切相關(guān)[14]。有研究表明,禁牧能使土壤貯水量增加,放牧使土壤貯水量減小[15],本研究土壤貯水量沙棘林地最高,封育草地高于未封育草地,這與賀慧丹等[16]研究結(jié)果相似。有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量與土壤肥力水平密切相關(guān)[17],本研究封育草地有機(jī)質(zhì)、速效鉀和速效磷等土壤養(yǎng)分含量高于未封育草地,土地利用方式的轉(zhuǎn)換引起土壤養(yǎng)分變化[18],農(nóng)地退耕還林后有利于土壤養(yǎng)分恢復(fù)[19],是植被恢復(fù)重建的重要基礎(chǔ)。

2)植被覆蓋度反映著生態(tài)環(huán)境的變化,對(duì)植被的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)具有深遠(yuǎn)意義[21]。本研究示范區(qū)內(nèi)植被覆蓋度逐年提高,在2017—2020年間,植被覆蓋度由69%提高到了78.8%,植被覆蓋度增加了9.8%。通過(guò)實(shí)施封育、造林措施,裸地、荒地等逐漸恢復(fù)為草地、林地等,人為因素中的退耕還林生態(tài)建設(shè)工程是導(dǎo)致植被覆蓋度增加的主要原因,退耕還林政策實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域取得了良好的植被恢復(fù)效果[22]。

4.2 結(jié)論

1)祁連山淺山區(qū)退耕草地土壤水分含量和容重高于沙棘林地,但差異性不顯著(P>0.05)；沙棘林地土壤持水量、孔隙度及貯水量高于草地。

2)封育3年草地電導(dǎo)率、速效鉀、速效磷和有機(jī)質(zhì)等土壤養(yǎng)分含量高于沙棘林地和未封育草地,未封育草地土壤pH值和堿解氮含量高于其他地類(lèi),沙棘林地土壤全氮含量略高于其他地類(lèi)。

3)2017—2020年,山丹大黃山示范區(qū)林地面積持續(xù)增加,草地和裸地呈減少趨勢(shì),示范區(qū)內(nèi)植被覆蓋度由69%提高到了78.8%,植被覆蓋度增加了9.8%,平均每年植被覆蓋度增加3.26%。