民勤青土湖区不同年限退耕地土壤颗粒组成和养分变化特征

柴成武， 王理德， 尉秋实， 王方琳， 吴 昊， 郭春秀， 陈思航， 胥宝一， 孟存宏

(1.甘肃省治沙研究所, 甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室, 甘肃 武威 733000； 2.甘肃省武威市石羊河林业总场，甘肃 民勤 733399)

甘肃民勤地处石羊河流域下游，西、北、东三面被腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠包围，区域内荒漠化面积占土地总面积的94.51%，荒漠边缘以每年3～4 m的速度向绿洲推进[1]。因此，民勤的生态保护工作和绿洲的存亡，关乎到民族的生存兴盛以及国家的发展。而位于石羊河尾闾的青土湖区，自古以来是阻止腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠合拢的天然生态屏障，这里曾是植被茂密、物种丰富、水草丰美的湖泊，建国以来，由于石羊河上游农业生产规模不断扩大引起水资源的需求逐年增加，使流入下游绿洲区的水量急剧减少[2]；地下水开采严重过量，导致该区生态环境遭到严重破坏，天然植被死亡、湖沼干涸、盐碱化和沙漠入侵，造成土地大面积弃耕而撂荒，生态环境问题变得日趋普遍和严重[3-5]。近年来国家实施生态建设项目《甘肃石羊河流域重点治理规划》，采取“关井压田”和退耕政策，使退耕地的面积增加至3万hm2，这部分退耕地是草原向荒漠过渡的一类十分脆弱的旱生化草原生态系统[6]，随着退耕年限的增加，有逐渐向裸露化或沙漠化发展的趋势[7]，如果不及时保护，易形成恶性循环，使土壤生态系统遭到破坏，不利于石羊河流域综合治理工程的实施。因此，如何有效保护和利用土地资源已成为该区生态建设的重点和亟需回答的科学问题，对促进区域可持续发展具有十分重要的意义。

土壤是植物生长繁殖的基地，也是一个十分重要的生态因子，它的变化直接影响着植物的生长发育和群落演替；土壤由大小不同的土壤颗粒组成，土壤颗粒组成是构成土壤结构体的基本单元[8-9]。土壤颗粒具有不同的粒径大小，同时，其含量组成影响着土壤的疏水性、空气循环和养分含量，决定其持水力、保肥能力、透气程度等理化性质，进而影响土壤的物理、化学和生物学过程[10-11]。土壤养分是土壤肥力的重要指标，能供应和协调植物生长的营养条件与环境条件[12-14]；同时，植物在整个生长发育过程中也通过根系分泌物和枯落物等改善土壤的水、肥、气、热等理化性质[15]。在退耕地植被恢复中，群落物种结构和组成不但与土壤中的养分条件有关，而且与土壤颗粒组成也有着十分密切的关系[16-17]。因此，本文就民勤青土湖区不同年限退耕地土壤颗粒组成和养分变异特征进行分析，旨在为该区退耕地的植被恢复和重建提供科学依据，对生态环境建设和石羊河流域综合治理项目的顺利实施具有重要的科学意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样地信息

研究区位于石羊河下游民勤县青土湖区煌辉村、志云村，地理坐标为103°35′03″—107°37′54″E， 39°01′49″—39°03′29″N，平均海拔1 305 m，多年平均气温7.5℃，极端最高温38.1℃，极端最低温-28.8℃，年均降水量115 mm，主要集中在7—9月3个月，占年总降雨量的72%，年均蒸发量2 644 mm，年日照时数2 834.5 h，年平均风速2.3 m/s，无霜期175 d，年平均8级以上大风日数37.6 d，沙尘暴日数26.8 d。气候干旱、光照充足、降雨稀少、蒸发强烈、昼夜温差大、多风沙，属典型干旱荒漠气候；土壤以灰棕漠土为主，盐碱化程度高；植物以地肤(Foeniculumvulgare)、碱蓬(Suaedaglauca)、盐爪爪(Kalidiumfoliatum)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等为主(表1)。

1.2 样品采集

样品采集时间为2018年9月，主要通过时空替代法来研究土壤颗粒组成与相应的养分变化。研究区在不同年代有大面积农田退耕，这些区域退耕地植被恢复以自然方式为主，为本研究提供了较为理想的基础条件，且项目组走访调查了当地居民和林业主管部门以确定植被群落恢复的时间，可确保调查样地退耕时间的准确性。另外，由于调查过程中样地距离比较近，两样地间高程差小于50 m，因此研究中由海拔高度带来的影响可以忽略。试验调查样方面积为100 m×100 m，以未采取退耕措施的农田为对照(CK)，每个样点3个重复,记录样方内群落的名称、物种组成及名称等；土壤取样采用环刀法，S形随机采样,取样深度40 cm，分0—20 cm，20—40 cm两个层次，每样方3个重复，混合均匀后去除树根等杂物，用四分法取大约1 kg土样带回实验室进行分析。

表1 样地基本特征

1.3 测定方法

土壤颗粒组成采用激光粒度仪(Mastersizer 2000)处理(土样风干后处理)，具体为取土壤0.3 g左右放入100 ml试管内，加入20 ml浓度为10%的H2O2，置于水中加热使其充分反应以便有效去除样品中的有机质，之后加入20 ml浓度为10%的HCl，煮沸使其充分反应去除碳酸盐，向试管中注满去离子水并静置12 h，抽取上清液，反复静置除酸直至pH值为6.5～7.0，然后加入10 ml浓度为0.1 mol/L的六偏磷酸钠分散剂并用超声波清洗机振荡5 min后进行测量。土壤有机质采用重铬酸钾容量法—外加热法测定，全氮采用半微量凯氏法测定，速效磷采用钼锑抗比色法测定，以上测定均每样3个重复，取平均值进行分析[18]。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0和Excel 2007进行数据分析和处理。

2 结果与分析

2.1 青土湖区退耕地土壤颗粒组成变化特征

土壤颗粒组成是土壤质地和结构的重要表征，而沙漠化的核心问题是土壤颗粒的粗大化[19]。本研究按照国际制土壤粒级划分标准，将土壤颗粒按粒径大小分为粗砂粒(200～2 000 μm)、砂粒(20～200 μm)、粉粒(2～20 μm)、黏粒(0.01～2 μm)4种类型。结果表明，青土湖区未采取退耕措施的农田(CK～退耕40 a的退耕地上，土壤颗粒组成中黏粒在0—40 cm土层总体含量较小，约为10%左右，其中CK～4 a年间，0—20 cm与20—40 cm两土层间黏粒含量差异显著(p<0.05)，均表现为随退耕时间增加而逐渐减小的趋势；退耕后8～40 a间，0—20 cm，20—40 cm两土层间黏粒含量差异均不显著，并随退耕时间增加逐渐趋于稳定状态。粉粒结构在CK～退耕40 a间的总体含量大于黏粒结构，CK～退耕后2 a间，0—20 cm，20—40 cm两土层中粉粒含量均较少，为10%～20%，且CK及各退耕年限间两土层中的粉粒含量间存在显著差异；退耕4～40 a，其含量逐渐增大，约为30%，并逐渐趋于稳定，并与CK～退耕2 a间存在显著差异。4种土壤结构中砂粒含量最多，未采取退耕措施的农田(CK)0—20 cm土层土壤中砂粒含量为62.72%，随退耕年限增加其含量逐渐增大，并在退耕1 a及2 a时达到最大值，分别为82.69%，82.78%，并与退耕4～40 a间存在显著差异，之后又随着退耕年限增加呈波动式减小并趋于稳定，其含量变化在退耕4～40 a间差异不显著；20—40 cm土层中砂粒含量最大值出现在未退耕的农田地上，约为80%，之后随退耕年限增加逐渐减小，但在退耕后1～40 a间，其含量变化均较稳定且各退耕年限间差异不显著。粗砂粒是土壤中粒径最大的组分，0—20 cm及20—40 cm两土层中含量的变化随退耕年限增加较为活跃，均呈随退耕年限增加先减小后增大的趋势，除CK及退耕后1 a，其他退耕年限中0—20 cm，20—40 cm两土层间粗砂粒含量均存在显著差异(图1)。

注：不同小写字母表示不同不同退耕年限同一土层显著差异(p<0.01)。

图1 不同退耕年限退耕地土壤颗粒组成特征

2.2 青土湖退耕地土壤养分变化特征

由土壤有机质、全氮和速效磷含量的变化趋势可知(图2)，CK～退耕40 a间，两土层中3种养分的含量均为0—20 cm层大于20—40 cm层，且3种养分含量均在退耕初期较高，之后随退耕年限的增加而呈波动式下降趋势。其中不同退耕年限间土壤有机质含量变化较小，随着退耕年限增加，土壤有机质总体呈逐渐减小的变化特征，其中0—20 cm土层中土壤有机质变化较为剧烈，并在未采取退耕措施的农田地(CK)达到峰值0.041 g/kg，退耕后第4年达到较大值0.036 g/kg；随着土层加深，20—40 cm土层中土壤有机质含量随退耕年限的增加变化幅度减小，即呈较平缓的波动式下降趋势，退耕后第1年时达到峰值0.029 g/kg，退耕后第4年达到较大值0.026 g/kg，退耕20 a时达到最小值0.015 g/kg。

3种土壤养分中全氮变化最为稳定，在0—40 cm土层中总体呈随退耕年限增加波动式下降并达到稳定状态的趋势，其中0—20 cm土层中，退耕初期全氮含量较高，退耕第4年时达到峰值1.325 g/kg，之后随退耕年限增加而持续下降，并在退耕40 a时达到最小值0.770 g/kg；20—40 cm土层中含量变化趋势和0—20 cm土层大致相同，但最大值出现在退耕后1 a，为1.257 g/kg，最小值出现在退耕后30 a，为0.692 g/kg。

土壤速效磷含量变化相对剧烈，其中0—20 cm土层中含量在未退耕农田地达到峰值2.879 g/kg，在退耕后1～8 a间随退耕年限的增加变化幅度较小，13～40 a变化幅度较大，并最终趋于稳定；20—40 cm土层中，土壤速效磷含量变化较小且较为稳定，但退耕初期(1～8 a)变化幅度较小，退耕后(13～40 a)变化幅度较大。

图2 不同年限退耕地土壤养分变化特征

3 讨 论

土壤颗粒组成和养分是土壤环境的一部分，对退耕地植被恢复具有极其重要的作用，影响其恢复的程度和速度，并协调着植物生长的环境条件及营养物质的供给。在未采取退耕措施的农田上和退耕1～8 a间，一年生草本植物大量生长，消耗养分的同时其枯枝落叶也有利于土壤养分在表层的积累。随着退耕年限的增加，植物种类及数量逐渐增多，一部分养分被逐渐消耗，土壤养分含量降低；退耕30～40 a，伴随着一年生草本的消失，多年生草本及灌木植物开始生长并逐渐稳定，最终使植物生长与土壤养分的相互关系达到一个稳定的平衡点[21]。本研究结果表明：(1) 不同颗粒组成含量总体表现为砂粒>粉粒>黏粒>粗砂粒，在各退耕年限内表现为黏粒和粉粒含量随退耕年限增加而增加，而砂粒和粗砂粒含量随退耕年限增加而逐渐减少；其中土壤表层0—20 cm土层中其含量变化较为剧烈，20—40 cm土层中变化较为稳定。其中黏粒结构在CK及退耕后4 a间，0—20 cm、20—40 cm两土层间含量存在显著差异，之后随退耕年限增加而趋于稳定，且两土层间差异不显著；粉粒和砂粒结构含量在CK及退耕后2 a变化较为剧烈，且同一年限内0—20 cm，20—40 cm两土层间存在显著差异，之后也随退耕年限的增加两土层及各退耕年限间均差异不显著，逐渐趋于稳定状态；而粗砂粒仅在CK及退耕后2 a含量较为稳定，退耕4～40 a间含量变化较大且存在不稳定性，同一年限两土层间存在显著差异。由此可以看出，石羊河下游青土湖区实施农田退耕措施后土壤颗粒组成发生较大变化，随着退耕年限的增加，土壤颗粒向逐渐细化的趋势发展，砂粒和粗砂粒含量随退耕年限增加而逐渐减少，有利于土壤中养分固持能力增强，从而对养分变化及植物养分的吸收产生重要影响。(2) 3种土壤养分在土层中的含量变化趋势均为0—20 cm>20—40 cm，总体表现为随退耕时间的延长而呈波动式下降的趋势，其中0—20 cm和20—40 cm土层中土壤有机质含量均在CK～8 a间变化幅度较大,呈波动式下降趋势,在退耕后第4年出现一个上升的拐点,而在退耕后13～40 a间变化幅度较小，最终趋于稳定；土壤全氮含量表现出和有机质相同的变化趋势。前人研究表明，土壤养分中的有机质和氮主要来源于上部植被凋落物的分解及根系分泌物[17]，而本文中土壤中全氮含量表现为和有机质相同的变化趋势，也验证了这一结论，说明灌木与草本植被相比，其较深的根系对土壤中N 的消耗量较大，并且随着群落演替的进行，产生大量的枯枝落叶，使归还土壤的有机质不断增加，而土壤中的N元素可以通过有机质来供给，从而出现了上述现象，但本文中这两种养分同时在退耕后第4年出现增加的情况可能和退耕地上生长的豆科植物(如苜蓿等)有关[22]。土壤磷素是土壤中的矿质营养元素，在无外源施肥条件下，土壤磷含量主要来源于土壤母质以及大气沉降，本研究0—20 cm土层中土壤速效磷含量受退耕年限影响较大且变化较为剧烈，而20—40 cm土层中速效磷含量受退耕年限的影响较小，变化较为平缓，这种现象和杨万勤等[16]研究的关于草本植物对土壤表层P元素含量起决定作用、地表植物对土壤磷素具有生物表聚作用有关，而在土壤较深层中，只有当地上植物非常丰富时，这种现象才比较明显，但在干旱荒漠地区的退耕地上，这种结果很难实现，这可能也是不同年限退耕地中，0—20 cm土层速效磷含量显著大于20—40 cm土层的主要原因。

根据本研究结果并结合石羊河流域下游民勤绿洲退耕区的自然环境和地理条件，说明采用单纯的封育措施，促进植被恢复、改善区域生态环境仍需较长的时间，且手段较为单一的封育措施在改善生态环境的同时却忽视了经济的发展。因此，要加快退耕地植被恢复的进程，除需要适度的人为干预与调控外，还需引进演替后期的植物品种，在保护的基础上合理利用这些退耕地，修复生态条件并改善人居环境。

4 结 论

不同年限退耕地土壤颗粒组成含量总体表现为砂粒>粉粒>黏粒>粗砂粒，其中，黏粒结构在CK及退耕后4 a间，0—20 cm，20—40 cm土层之间存在显著差异，之后其在土壤中的含量随退耕年限增加而趋于稳定，且两土层间差异不显著；粉粒和砂粒含量在CK及退耕后2 a变化较为剧烈，且同一年限内0—20，20—40 cm两土层间存在显著差异，之后也随退耕年限的增加两土层及各退耕年限间均差异不显著，逐渐趋于稳定状态；而粗砂粒仅在CK及退耕后2 a含量较为稳定，之后退耕4～40 a间含量变化较大，存在不稳定性，且同一年限两土层间存在显著差异。

3种土壤养分的总体变化趋势均表现为随退耕年限增加而减小并最终趋于稳定，在同一年限内均表现为0—20 cm土层中的含量大于20—40 cm，且同一年限内两层间的含量差异均随退耕年限增加而逐渐减小，以土壤有机质和速效磷表现较为明显；其中土壤有机质含量在CK—退耕8 a间变化幅度较大，且在此期间退耕第4年时有一个剧烈上升的拐点，13—40 a间变化幅度较小；全氮含量在3种土壤养分中变化最为稳定，且在整个退耕时间内变化幅度较小；土壤速效磷含量在未采取退耕措施的农田中(CK)最大，尤其在土壤表层0—20 cm最为明显，之后表现为随退耕年限增加而波动式下降的趋势，并趋于稳定。