民勤退耕区次生草地土壤特性研究

宋达成，王理德*，吴昊，吴春荣，赵赫然，韩生慧，胥宝一

（1.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州730070；2.甘肃省河西走廊森林生态系统国家定位观测研究站，甘肃 武威733000；3.甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地，甘肃 武威733000）

民勤地区地处石羊河下游，位于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的交汇地带，生态战略地位十分重要。解放初期，由于石羊河下游水量充足，这里曾经物种丰富、植被茂密［1−2］。但是20 世纪50−60 年代，随着石羊河上游对地表水的侵占，使石羊河下游入境水量锐减［3］，加之当地居民对地下水的不合理开采，导致区域地下水水位不断降低，水体矿质化程度不断加重，区域内天然植被大面积死亡［4−5］。现在民勤地区已成为我国沙漠化最为严重的地区，也是我国沙尘暴源区之一［6］。近年来伴随“关井压田”措施的实施，区域大面积土地弃耕撂荒而演变成为次生草地［7］，这些土地如果不加以保护，任由其不断退化，将进一步造成植被退化，从而导致土地风蚀荒漠化程度加剧，严重破坏区域次生草地土壤生态系统的稳定性。因此，怎样合理保护和恢复民勤退耕区次生草地关系到区域经济和民生事业的发展，已成为当前石羊河流域生态治理的重要课题。

土壤作为人类土地生产的对象，土壤质量状况是土壤生态系统健康发展的重要因素，也是农业土壤管理的重要评价标准［8］。有研究表明，土壤养分能够显著影响植物群落的物种组成及物种多样性，并且对植被群落的恢复和重建等方面作用巨大［9］，而土壤微生物则在土壤物质循环、能量流动、系统稳定等多个环节都发挥着重要作用，其数量与活性可以反映土壤肥力，是评判土壤质量的重要指标［10−11］。所以，土壤理化性质和微生物特性是土壤研究过程中重要的组成部分，是恢复与改善地表植被的基础，也是地表环境可持续发展的保障［12］。目前已有的研究主要针对区域沙漠化形成原因［13−14］、防治对策［15−16］、发展动态［17−18］等方面，针对土壤特性演变研究，也多以土壤理化性质［19−21］等方面较为广泛，而对于民勤退耕区土壤微生物特性的报道较少。

本试验通过对民勤不同退耕区次生草地开展研究，分析了不同退耕年限次生草地土壤理化性质和微生物特性的演变规律及二者的相互关系，并对研究区土壤质量进行综合评价，旨在为民勤退耕区次生草地的恢复与可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验样地位于石羊河下游的甘肃省民勤县境内不同退耕区（图1），地理坐标为103°35′5″—103°38′2″E、39°01′30″—39°03′55″N，平均海拔为1306 m。研究区受风沙危害较为严重，日照强烈，气候干燥少雨，蒸发量大，年均温度7.5 ℃左右，年平均降水量113 mm，月平均蒸发量220 mm，土壤类型以灰棕漠土为主，部分存在有沙化现象。样地中主要以耐旱性植被为主，主要灌木有盐爪爪（Kalidium foliatum）、小果白刺（Nitraria sibirica）、红砂（Reaumuria songarica）等，主要草本植物有白茎盐生草（Halogeton arachnoideus）、碱蓬（Suaeda glauca）、地肤（Kochia scoparia）等［22］。

1.2 样地设置

对民勤不同退耕区次生草地的植被组成和土壤特性等影响因素进行综合考虑，选择植被分布均匀、受人为因素影响较小的地段作为试验区域。并按照退耕年限的不同在研究区内分别选取退耕1、2、8、13、20 年的5 个面积为1 hm2撂荒地作为试验样地，以耕地作为对照样地（表1）。

1.3 样品采集

2018 年9 月，分别在5 块退耕区次生草地样地与对照耕地内，采用“S”形取样法选取5 个具有样地代表性的区域作为土样采集点，各采集点之间相距约70 m，每个采集点分3 次重复，按照0～20 cm 土层深度对土壤样品进行采集。采集过程中将土壤样品充分混合后分成两份，一份直接装入无菌袋中，另一份装入无菌袋中并放于带冰块的泡沫箱内带回实验室，分别用于土壤理化性质及微生物特性等指标的测定。

图1 研究区样地位置示意图Fig.1 Schematic diagram of sample site location in the research area

表1 不同退耕样地概况Table 1 General situation of different abandoned land samples

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤理化性质的测定 土壤pH 值采用pH 测定仪（pHS-3S，上海仪电科学仪器股份有限公司）测定；土壤含水率采用恒温箱烘干法；砂粒含量采用马尔文激光粒度仪（Malvern Mastersizer 2000）测定；全氮含量采用凯氏蒸馏法测定；速效磷含量采用NaHCO3提取−钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用原子吸收分光光度法测定。

1.4.2 土壤微生物学特性的测定 1）土壤微生物数量的测定。采用平板表面涂抹法［23］对土壤三大类微生物（细菌、放线菌、真菌）数量进行测定并计数，其中细菌选择牛肉膏蛋白胨作为培养基成分；真菌选择马丁−孟加拉红作为培养基成分；放线菌选择改良高氏一号作为培养基成分。

2）土壤微生物生物量的测定。采用氯仿熏蒸培养法［24］对土壤微生物生物量（土壤微生物量碳、土壤微生物量氮、土壤微生物量磷）进行测定。

土壤微生物量碳（soil microbial biomass C）：采用K2Cr2O7−H2SO4外加热法测定。计算公式为：

土壤微生物量氮（soil microbial biomass N）：采用凯氏定氮法测定。计算公式为：

土壤微生物量磷（soil microbial biomass P）：采用钼蓝比色法测定。计算公式为：

式中：Ec、En 和Ep 为熏蒸土壤提取液中有机碳、全氮和磷含量，Ec0、En0和Ep0为未熏蒸土壤提取液中有机碳、全氮和磷含量，kEc、kEn 和kEp 为校正系数，分别是0.38、0.54 和0.40。

1.5 数据处理

试验设置3 次重复，不同退耕样地间各指标均采用单因素（One-Way ANOVA）Duncan 法进行差异分析，所有数据均选用SPSS 19.0 软件进行数据分析，采用Excel 2010 软件制作图表。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

不同退耕区次生草地土壤理化性质如表2 所示，土壤pH 总体呈弱碱性，变化范围为7.767～8.187。对照耕地pH 值最高，达到了8.187 左右，退耕后，各样地间pH 值变化具有一定的波动性，但差异性不显著；土壤含水率总体呈先下降后上升趋势，具体表现为退耕8 年<2 年<1 年<20 年<对照耕地<13 年，其中在退耕8 年时降至最低值，仅为对照耕地的53.64%左右，之后开始逐渐回升，并在退耕13 年时与对照耕地保持在同等水平；各样地土壤砂粒含量随退耕年限的不同而具有明显差异，总体呈先上升后下降趋势，退耕后砂粒含量开始大幅上升，峰值出现在退耕2 年时，达到了86.09%，显著高于对照耕地，之后开始不断降低，并于退耕8 年后逐渐趋于稳定。退耕后，土壤全氮含量在1～2 年间变化较为明显，由退耕1 年时的0.024%大幅上涨至退耕2 年时的0.036%，之后开始逐渐下降，并于退耕8 年后趋于稳定，且退耕8 年后土壤全氮含量显著低于对照耕地，仅为对照耕地的69%左右；退耕1～8 年间土壤速效钾含量变化不大，各样地间差异性不显著，于退耕8 年后开始大幅升高，并以退耕13年为节点，呈先上升（8～13 年）后下降（13～20 年）的趋势，退耕13 年时土壤速效钾含量最高，达到了411 mg·kg−1，显著高于其他样地，之后开始大幅下降，于退耕20 年时降至200 mg·kg−1，降幅达到了211 mg·kg−1。土壤速效磷表现具有较强的波动性，总体呈先下降（0～1 年）后上升（1～8 年）再下降（8～20 年）的趋势，高值出现在对照耕地（1.40 mg·kg−1）和退耕8 年样地（1.48 mg·kg−1），均显著高于其余样地。

2.2 土壤微生物学性质

不同退耕区次生草地土壤微生物数量变化如图2 所示，各样地均表现为细菌数量>放线菌数量>真菌数量。对照耕地三大微生物数量均高于各退耕样地，细菌、放线菌、真菌数量分别为6.11×107、3.49×106、0.36×105cfu·g−1。退耕后，土壤细菌数量总体表现为先上升（1～8 年）再下降（8～20 年）的趋势，最高值出现于退耕8 年，达到了201.87×105cfu·g−1，但仍仅为对照耕地细菌数量的33%，在退耕13 年时降至最低值，为1.75×106cfu·g−1，不到对照耕地的3%。退耕后细菌数量占总微生物数量的比例呈不断上升趋势，由退耕1 年时的68.59%持续上升，于退耕20 年后达到99.06%，高于对照耕地的94.55%；放线菌数量在退耕1～8 年间与对照耕地差异性不显著，在13～20 年间显著低于对照耕地，总体保持下降趋势，且在退耕8 年后开始大幅下降，从退耕8 年时的2.58×106cfu·g−1降至退耕13 年时的0.15×105cfu·g−1，降幅达到了99.4%左右。退耕后放线菌数量所占比例不断下降，并且在退耕1 年和退耕8 年时降幅较大，分别下降了19.39%和10.50%，退耕20年后占比为0.92%，显著低于对照耕地的5.39%；各样地真菌数量的变化差异较小，总体保持在0.004×105～0.361×105cfu·g−1。以 退 耕8 年 为 节 点，退 耕后，真菌数量所占比例呈先下降（1～2 年）再上升（2～8 年）再下降（8～20 年）的变化趋势，退耕1 年时真菌占比最高，达到0.25%，其次是退耕8 年，达到0.14%，退耕20 年后降至0.02%，显著低于对照耕地的0.06%。土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷3 种指标的变化规律具有一定相似性，均表现为先上升再下降的趋势（表3）。其中土壤微生物量碳的最高值出现在退耕13 年，达到了459.287 mg·kg−1，约为对照耕地的3.7 倍。之后开始大幅下降，最终于退耕20 年时降至最低，仅为67.245 mg·kg−1，是对照耕地的54%；土壤微生物量氮与微生物量磷含量最高值均出现在退耕2 年时，分别为69.513 与49.471 mg·kg−1，之后均出现不同程度的下降趋势，退耕13 年时土壤微生物量氮含量为27.824 mg·kg−1，与对照耕地保持在同一水平；土壤微生物量磷含量在退耕20 年时降至9.208 mg·kg−1，显著低于对照耕地。

表2 不同退耕区土壤理化特征Table 2 Physical and chemical characteristics of soil in different abandoned areas

图2 不同退耕年限土壤3 大类微生物数量变化特征Fig.2 Changes of microorganisms in soil with different years of conversion

2.3 土壤理化性质与土壤微生物学特性的关系

由表4 可知，不同退耕区次生草地土壤理化性质与微生物数量间具有不同程度的相关性，而与土壤微生物生物量之间相关性不显著。其中，土壤放线菌数量与pH 值和速效磷含量呈显著正相关关系（P<0.05）；土壤真菌数量与速效磷含量呈显著正相关关系（P<0.05），其余各指标间相关性均不显著。

表3 不同退耕区土壤微生物生物量特性Table 3 Soil microbial biomass characteristics in different abandoned areas（mg·kg-1）

表4 土壤理化性质与土壤微生物学特性的相关分析Table 4 Correlation analysis between soil physical and chemical properties and soil microbiology characteristics

2.4 土壤肥力质量综合评价

土壤质量指数法在土壤质量评价中应用广泛，能够为退耕区的土地保护与恢复提供科学依据［25］。本研究以土壤理化性质、土壤微生物学特性等指标对民勤退耕区次生草地进行土壤质量综合评价，最终综合得分见表5。具体排序为对照耕地（0.7571）>退耕1 年（0.1304）>退耕13 年（0.0322）>退耕2 年（0.0281）>退耕8 年（−0.0296）>退耕20 年（−0.9183）。说明退耕前期是研究区土地恢复的重要时期，区域次生草地在退耕8 年后土壤质量出现不同程度的下降。

表5 不同退耕区土壤肥力预测评价结果Table 5 Prediction and evaluation of soil fertility in different abandoned areas

3 讨论

通过研究发现，随着退耕年限的增加，民勤不同退耕区次生草地土壤pH 值差异性不显著，总体处于7.77～8.19，呈弱碱性；土壤含水率变化整体表现为“V”字型趋势，且各退耕年限样地均与对照耕地存在差异性。土壤含水率在退耕8 年时达到最低值，这主要是由于退耕初期样地植被多为一年生草本，根系较浅，而试验所取土样均为0～20 cm 的表层土，加之研究区日照强烈［26］，导致土样含水率较低。而退耕13 年后样地优势种逐渐以灌木植被为主，使土壤含水率有所回升；砂粒含量和全氮2 项指标的变化规律具有一定的相似性，均在退耕2 年时达到最高值，之后开始逐渐下降，最终在退耕8 年后趋于稳定。翻耕会把土壤中较细小砂粒从深层带到表层，加之研究区受风力的影响较大，强烈的风蚀作用最终导致了土壤砂粒含量逐年减少［27］。而土壤全氮含量在退耕2 年时上升至0.036%，比对照耕地高出约12.5%，之后逐年下降，退耕20 年时出现最低值，比对照耕地降低了46.8%。这主要是因为研究样地退耕之前多施用羊粪、秸秆等有机肥，且施肥量较大，导致土壤中全氮残留量较大，而随着退耕年限的增加，使土壤全氮残余含量逐渐降低，这一结论与侯贤清等［28］的研究结果一致。速效钾含量于退耕13 年时显著升高，之后出现下降趋势，退耕20 年后跟对照耕地处于同一水平，这可能是由于研究区表层土壤的淋溶作用与植被根系的释钾作用共同影响所致［29］。退耕各年份样地间速效磷含量呈波动性变化，总体呈下降趋势，且各退耕样地均显著低于对照耕地。梁振春等［30］研究证实，撂荒地的降水径流量要高于草地和灌木地，而表层速效磷能够随水分渗透作用沿土壤大孔隙向深层次淋溶，加之研究区较强的土壤侵蚀共同导致了这一变化趋势。

民勤不同退耕区次生草地土壤微生物数量变化总体表现为：细菌数量>放线菌数量>真菌数量，这与多数研究结果一致［31−32］。三大类微生物数量占总微生物数量的比例变化情况各不相同，具体表现为：退耕后随着年限的增加，细菌数量所占比例不断上升，放线菌与真菌数量所占比例不断下降。退耕20 年后细菌数量占总数量的99.06%，而放线菌跟真菌所占比之和不到1%，对比对照耕地，退耕导致土壤微生物群落结构发生了显著的改变［33］。陶磊等［34］研究发现，细菌、放线菌数量会随有机肥用量的增加而升高，而真菌数量则随有机肥用量的升高而降低，研究区样地退耕之前有机肥用量较大，且土壤均偏碱性，更适宜细菌的生长繁殖，而不利于真菌的生存，最终导致细菌数量远大于真菌数量。对比退耕后各样地，发现退耕8 年样地中细菌和真菌数量均为最高，而放线菌数量仅低于退耕1 年样地，这可能是由于退耕初期（1～8 年）土壤养分含量还较高，风蚀影响危害还未凸显，再加上土壤表层良好的水分条件和通气状况综合所致。

土壤微生物生物量的多少与土壤各相关因子的变化联系密切，是反映土壤微生物功能、活性等方面的重要指标。随着退耕年限的增加，土壤微生物生物量变化趋势具有一定的相似性，均表现为先上升再下降的趋势，其中，土壤微生物量碳峰值出现在退耕13 年，而土壤微生物量氮和磷最高值均出现于退耕2 年。这可能是由于退耕初期，伴随地肤、中亚滨藜等一年生草本植物的入侵及凋亡，草本凋落物归还土壤表层，微生物可利用的养分增多所致。退耕13 年后，黑果枸杞、小果白刺等灌木植被逐步代替草本植被，样地群落物种组成较为单一，土壤肥力下降。相关性分析结果也证明，土壤微生物学特性与土壤理化性质间存在不同程度的相关性，这与席军强等［35］、黄国勤等［36］的研究结果相一致。本研究发现以退耕8 年为时间节点，所测土样在含水率、砂粒含量、全氮、速效磷含量等土壤理化指标以及细菌数量、放线菌数量、真菌数量、土壤微生物量磷含量等土壤微生物学指标中均出现极值或高值，其主要是由于区域植被变化所致。研究区样地在退耕8 年后，植被群落的优势种由草本逐步向灌木种发生演变，植被伴生种数量逐渐减少，群落结构逐渐稳定。在这一过程中，伴随植被地上凋落物的分解与养分释放；地下根系分泌物的产生与调节以及外界风蚀作用等多因素的共同影响，综合导致土壤理化性质与土壤微生物群落的结构和功能都发生了一定的变化，至于哪个因素对这种变化起主导作用还有待于进一步研究。土壤微生物、土壤理化性质以及植被之间关系复杂，共同作用于土壤系统中的养分转化、能量循环等多个过程，此外，土壤酶活性变化也会对土壤微生物学特性与土壤理化性质产生重要影响，应该综合进行考虑与分析。

4 结论

随着退耕年限的增加，土壤砂粒含量、全氮、速效钾、土壤微生物量碳、土壤微生物量氮、土壤微生物量磷含量等指标均呈现先上升后下降趋势；土壤含水率、速效磷含量、细菌数量、放线菌数量均表现出不同程度的下降趋势；不同退耕年限对土壤pH 值及真菌数量影响不显著。土壤理化性质与土壤微生物学特性间具有一定的相关性。土壤肥力质量综合评价结果表明：对照耕地>退耕1 年>退耕13 年>退耕2 年>退耕8 年>退耕20 年，由此可以推断退耕8 年之前是民勤退耕区次生草地治理过程中的关键时期。