渭北黄土高原植被恢复模式对土壤理化特性的影响

姚 源，刘 璇，朱慧男，唐德瑞*

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100; 2.宁夏枸杞产业发展中心;3.宁夏林权服务与产业发展中心，银川 750001)

坡耕地撂荒和营造人工林是黄土高原水土流失区和生境破损区生态修复过程中最常用的技术手段。国家实施退耕还林还草工程以来，区域水土流失和生态系统退化现象得以改善，现有大面积的人工乔木林、灌木林和撂荒草地[1-2]。但针对该区域植被重建的研究主要集中在单一模式下植被演替、土壤水分养分特征及生态功能发挥等方面[3-4]，而比较不同植被恢复模型对土壤理化特性的研究较少。

土壤微生物作为生态系统中的分解者，在养分循环和物质转化过程中扮演着重要角色[5]。土壤微生物量是指土壤中体积小于5×103μm3细小微生物的总量，其参与土壤的发育和形成过程且对环境变化敏感，能指示生态系统功能的变化[6-7]。土壤微生物量碳、氮周转速率远快于植物残体碳氮周转速率，是综合评估土壤肥力和土壤质量的重要指标[8]。

本研究选取撂荒地、沙棘灌木林地和人工林(刺槐、侧柏和油松林)三种植被恢复模式，研究不同恢复模式对土壤养分、物理特性、化学计量和土壤微生物量碳、氮的影响，探究不同植被恢复模式对土壤理化性质的影响，以期为当地植被重建和生态系统管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原南部地区—陕西省永寿县，坐标为108°05′～108°10′E,34°47′～34°47′N。该区域为暖温带季风气候区，年平均温度为10.8 ℃，年均降水为602 mm且主要分布于每年的7-9月份。海拔为1 123～1 417 m，主要土壤类型褐土[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 于2017年8月份在试验区内选取弃耕后演变成的撂荒地、灌木林地(沙棘林)和人工林(刺槐、侧柏和油松林)为研究对象，每种植被类型设置3个20 m×20 m标准样地，并设置农田作为对照组，共计18个样地。样地基本信息见表1。

表1 不同植被类型样地概况

1.2.2 土壤样品采集及处理 在每个20 m×20 m标准样方内，沿“S”型用直径为5 cm的土钻随机取9钻土，并混合成一份土壤样品。土钻取土时，首先去掉表层枯落物层和未分解的腐殖质层，取样深度为表层土0～20 cm。在每个样地内，采用环刀法采集用于土壤含水量和土壤容重测定的土壤。

土壤样品带回实验室后，去除掉石头、植物根及凋落物等，并分成两份。一份土样放于4 ℃冰箱保存，用以测定硝态氮(NO3-)、铵态氮(NH4+)、微生物碳(MBC)和微生物氮(MBN)；另一份土样风干，研磨后过2 mm筛，用于土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和速效磷(AP)的测定。

1.2.3 土壤养分与土壤微生物量碳氮分析 土壤有机碳在用盐酸除去无机组分后，用TOC分析仪(Elementar Liqui TOC Ⅱ analyzer，Elementar Analysensysteme GmBH, Hanau, Germany)进行测定。土壤全氮在凯氏法消解后用全氮仪(Foss Kjeltec 8400 Analyzer Unit, Foss Tecator AB; Hoganas, Sweden)进行测定。硝态氮和铵态氮用1 mol·L-1的KCl浸提后使用AA3连续流动分析仪(AutoAnalyzer3-AA3, Seal Analytical, Mequon, WI)测定。全磷和速效磷根据土壤农化分析的方法进行测定[10]。土壤微生物量碳和土壤微生物氮使用氯仿熏蒸后分别借助TOC分析仪和AA3流动分析仪进行测定。土壤pH以1∶2.5水土比用pH计(Sartorius PB-10, Germany)，土壤含水量(SM)和土壤容重(SD)，采用烘干法测定。

1.2.4 数据处理 数据经过Excel2016整理后，使用SPSS 20.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同植被恢复模式对土壤理化性质的影响

与农田土壤相比，草地、灌木和乔木林地等不同植被恢复模式均显著改变了包括土壤养分、微生物碳氮等在内的土壤理化性质(表2)。农田生态系统土壤养分高度依赖于外源输入，在人类频繁干扰和施肥措施下，农田土壤中的速效养分如速效磷和铵态氮含量显著高于植被恢复后的土壤，而有机碳含量呈现出相反的趋势。在本研究中，尽管土壤速效养分在三种植被恢复模式间表现出显著差异，但却未表现出规律性且在不同树种乔木林土壤中差异显著，表明土壤速效养分不仅受到植被恢复措施的影响，同时也受地被植物特性的影响。刺槐作为固氮树种，其土壤中硝态氮含量是侧柏和油松林的几倍到十几倍，这一结果充分证明了树种特性对土壤养分的影响。土壤有机碳和全氮含量在撂荒地中显著高于灌木和乔木林地，而全磷含量显著低于两种恢复模式。不同植被恢复模式均降低了土壤pH和土壤容重。土壤含水量在农田和三种植被恢复土壤中差异显著，但未表现出规律性。土壤微生物量碳氮含量在撂荒地中远高于农田、灌木和乔木林地，且其在灌木和不同乔木林地间差异不具有规律性。

表2 不同植被恢复模式土壤理化特征

2.2 不同植被恢复模式对土壤化学计量的影响

土壤化学计量比反映了土壤碳、氮、磷不同营养元素间的供需关系。尽管土壤C∶N在农田和不同植被恢复类型林地间差异显著，但其比值均小于10，表明在本研究中碳并不是氮循环的限制性因素。土壤C∶P和N∶P比值在撂荒地中显著高于农田、灌木和乔木林地，表明磷元素为撂荒地中碳和氮元素循环的限制性因子。此外，土壤C∶P和N∶P在两种落叶性木本植物(刺槐和沙棘)林地中高于常绿植物(侧柏和油松)林地中，表明常绿植物和落叶植物对土壤养分循环的影响存在差异(图1)。土壤MBC∶N在撂荒地中显著低于其他植被类型，其最高值出现在油松林地土壤中。

图1 土壤和土壤微生物化学计量特征

2.3 土壤理化性质间相关关系分析

不同植被恢复模式下土壤养分、理化特性和微生物量碳氮间表现出复杂的相关关系(表3)。土壤有机碳和全氮与微生物量碳氮之间显著正相关，而与MBC∶N表现出显著负相关；土壤全磷与微生物量氮显著负相关，而与MBC∶N显著正相关。速效养分硝态氮、铵态氮和速效磷与土壤容重具有显著相关性。土壤含水量与pH显著负相关。土壤C∶P和N∶P与MBC、MBN和MBC∶N间表现出显著相关性，表明土壤微生物在养分供需平衡中发挥重要作用。

表3 不同植被恢复模式土壤理化性质相关关系

3 讨论

3.1 恢复模式对土壤养分的影响

与农田相比，不同植被恢复模式均提高了土壤有机碳含量。植物作为陆地生态系统中碳汇过程的重要参与者，其通过光合作用将空气中游离态碳固定到植物体内，并通过根系分泌物和植物残体(枝、叶、根等)输送到土壤中[11-12]。土壤微生物作为生态系统的分解者，将植物体输送的有机组分通过降解作用转化成土壤有机碳组分，进而提高了土壤有机碳含量[13-14]。土壤有机碳含量在撂荒地土壤中显著高于农田、灌木和乔木林地，这可能是撂荒地凋落物以草本为主，其分解速率高于灌木和乔木林地凋落物，而高MBC含量也表明微生物在其中发挥的重要作用。刺槐作为固氮先锋树种，其通过根瘤菌的固氮作用，显著提高了其参与下的人工林土壤硝态氮组分，但铵态氮却维持在较低水平[15]。本试验中，撂荒地的全氮含量高于人工林土壤，这种机制尚不明确，但可能与其植被群落中复杂的物种组成相关(存在豆科植物)。不同植被类型对土壤全磷的影响差异显著，乔木林地土壤全磷含量高于农田土壤，而沙棘灌木林地和撂荒地土壤全磷含量低于农田土壤，表明撂荒地、灌木林地和乔木林土壤磷循环存在差异，撂荒地和灌木林地对磷的消耗速率要高于乔木林地。不同植被恢复模式中土壤速效磷含量远低于农田土壤，这与黄土高原速效磷含量低的结果相一致[16]。

3.2 恢复模式对土壤化学计量特征的影响

有机物质的分解速率与微生物碳氮比成负相关，即分解速率越高时微生物碳氮比值越低，这与微生物的活动有关[17-18]。撂荒地土壤C∶N的值高于农田、灌木和乔木林地土壤，表明其有机物质分解速率快，植物-土壤间的碳氮转换更为迅速。土壤C∶P用以衡量土壤微生物矿化土壤有机质过程中释放磷的能力及从周围环境中固定磷元素的潜力，其比值越小则土壤微生物矿化有机组分释放磷元素的潜力越大；其比值越高表明微生物与植物间对磷元素产生竞争。本研究中，撂荒地土壤微生物与植物对磷元素的竞争强度大于农田、灌木和乔木林地土壤[19]。土壤N∶P能够反映生态系统中的限制性元素指标，且其比例相对比较稳定。撂荒地中的N∶P值高于农田和其他植被类型，表明其土壤养分循环中更容易受到磷元素限制[20]。

3.3 不同造林模式下土壤理化性质间相关关系

土壤物理、化学和微生物间并非相互独立而是以复杂的互作关系共同维持土壤养分循环与生态系统稳定。土壤微生物作为生态系统的分解者，是土壤养分循环中的主要驱动者之一。本研究中，土壤MBC、MBN和MBC∶N与土壤有机碳、全氮、N∶P和N∶P间显著相关，表明土壤微生物量变化受土壤养分状态的影响显著。此外，土壤MBC∶N可以部分反映土壤微生物的组成和结构，其比值在本研究中分别与有机碳、全氮、C∶P和N∶P呈负相关，与全磷呈正相关关系，表明微生物量碳氮比值低的微生物占优势地位[8,21]。土壤容重与速效养分显著相关而pH与全磷显著负相关，表明土壤物理特性在土壤养分循环中发挥重要作用。

4 结论

本研究表明在农田基础上的不同植被恢复模式改变了土壤养分、物理特性和土壤微生物量碳、氮，其影响程度因恢复方式的不同而不同。除恢复模式之外，地上植被物种特性同样显著影响土壤理化特性。植被恢复降低了土壤容重、pH和速效磷含量。撂荒措施下土壤有机碳和全氮含量高于灌木和乔木林恢复模式，而其土壤全磷含量低于造林。