黄土丘陵小流域植被恢复驱动下的土壤养分特征

栗 妍, 魏 玮, 邱 扬, 刘栩如, 张 琳

(北京师范大学 地理学与遥感科学学院, 北京 100875)

黄土丘陵小流域植被恢复驱动下的土壤养分特征

栗 妍, 魏 玮, 邱 扬, 刘栩如, 张 琳

(北京师范大学 地理学与遥感科学学院, 北京 100875)

为定量揭示植被恢复对土壤养分的影响，本文借助土壤养分指数(SNI)评价方法，对典型黄土丘陵区小流域不同恢复方式下典型植物群落的土壤养分进行定量化分析和综合评价。结果表明：不同恢复方式的土壤SNI值大小依次为：退耕还林(0.814)>退耕还灌(0.659)>弃耕或退耕还草(0.364)>对照农地(0.220)；不同植物群落土壤SNI值大小依次为：柠条群落(0.777)>小叶杨群落(0.658)>刺槐群落(0.545)>杏群落(0.510)>草群落(0.425)>茵陈蒿群落(0.310)>沙棘群落(0.271)>白羊草群落(0.257)>硬质早熟禾群落(0.249)>大豆群落(0.227)>铁杆蒿群落(0.224)>达乌里胡枝子群落(0.103)。研究表明，生态退耕后不同恢复方式对土壤养分均有明显的改善作用。退耕还灌的三种植物群落土壤养分指数差异显著，退耕还林、弃耕或退耕还草内部各群落间土壤养分指数差异不显著，除铁杆蒿和达乌里胡枝子群落外，其他植物群落的土壤养分指数均高于农田作物大豆群落。

黄土丘陵区; 植被恢复; 恢复方式; 植物群落; 土壤养分

植被和土壤是陆地景观中最活跃的两个因子，彼此之间相互联系、互相影响，组成一个密不可分的系统[1-2]。植被对土壤的影响体现在植物根系对土壤具有挤压、穿插和分割作用，死亡根系和枯枝落叶产生的有机质及根际分泌物影响土壤性质，另一方面，植物对营养元素选择吸收以及吸收能力的不同引起土壤养分差异等[3]。同时，土壤反过来又对植被的生长产生影响，土壤为植被的正常生长提供必要的养分和水分。土壤和植被的相互作用关系，是一直以来的研究热点领域。

黄土丘陵沟壑区是我国土壤侵蚀最为严重的地区之一[4]，土壤侵蚀不仅造成大量的水土流失，在径流和泥沙迁移的过程中，也带走了大量的土壤养分，造成该区土壤质量的下降[5]。20世纪90年代后期开始，该地区开展了大规模植被恢复工作，植被恢复有效地控制了土壤侵蚀，减少了表层土壤养分的流失，促进了土壤养分循环[6]。黄土高原地区的植被恢复存在着多种方式，植物群落也存在着较大的差异[7-8]。不同植被恢复类型对土壤养分的影响已有较多的研究，很多研究表明植被是造成土壤养分差异的主要因子，但大多是按照植被生活型或土地利用类型来划分植被，定性的解释植被与土壤的关系[1-3,6,7-10]。将植被细分到植物群落，研究不同植物群落对土壤养分的作用，尤其是定量的评估和比较，则相对较为缺乏。探讨植被恢复驱动下典型植物群落对土壤养分的影响及其程度，是评价黄土高原地区生态退耕对区域生态系统综合影响的一个重要科学问题。本文以位于该区域的典型小流域安塞县大南沟小流域为例，研究不同恢复方式下典型植物群落表层土壤养分特征，并引入土壤养分指数(Soil nutrient index,SNI)对土壤养分进行量化分析和综合评价，旨在定量揭示不同恢复方式和不同植物群落对土壤养分的影响，以期为黄土高原地区植被恢复和重建提供科学依据。

1 研究地区

1.1 研究区概况

大南沟小流域(109°16′—109°18′E，36°54′—36°56′N)位于陕西省延安市安塞县，是延河的一级支流，属典型黄土丘陵沟壑区。流域面积3.57 km2，海拔1 075～1 370 m，相对高差295 m。研究区气候为暖温带大陆性半干旱季风气候，年平均气温8.8℃，7月平均22.8℃，1月平均-7.2℃，年较差30℃。多年平均降雨量531 mm，降雨量年内和年际间变化较大，63%的降雨集中在7—9月3个月。研究区土壤类型为黄土母质上发育而成的黄绵土，约占总面积的81%。流域内沟壑纵横，土质疏松，抗蚀抗冲性差，水土流失严重。

1.2 主要植被类型

该区地带性植被为暖温带落叶阔叶林向温带草原的过渡类型——森林草原。流域内自然植被已破坏殆尽，经过近20 a的自然和人工恢复，目前研究区草本植物主要包括茵陈蒿(Artemisiacapillaries)、铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、硬质早熟禾(Poasphondylodes)等；灌木以人工恢复的柠条(Caraganakorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)及自然恢复的小灌木达乌里胡枝子(Lespedezadaurica)为主；乔木以人工刺槐(Robiniapseudoacacia)、小叶杨(Populussimonii)、杏(Armeniacavulgaris)为主。

2 研究方法

2.1 植物群落调查

2.2 土样采集及测定

在植被调查的同时，对表层0—10 cm的土壤样品进行采集，紧邻样地四角，按“S”形采样取表层土壤，混合作为该样地的土样，共采集106个土样带回实验室进行土样养分分析。土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法；全氮采用半微量开氏法；全磷采用HClO4—H2SO4消煮——钼锑抗比色法；速效氮采用碱解扩散法；速效磷采用NaHCO3浸提——钼锑抗比色法；速效钾采用原子吸收光谱法[11]。

表1 不同恢复方式的植物群落基本特征

2.3 数据处理与分析

2.3.1 统计分析 运用Excel 2007，SPSS 19.0软件进行数据处理与统计分析。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组之间的差异。

2.3.2 土壤养分因子隶属度的计算 对评价指标采用连续性质的隶属度函数[12]，计算各养分因子的隶属度值，计算时的数据处理均采用升型分布函数[13]：

(1)

式中：N(Xi)——第i项养分因子的隶属度值；Xi——某种恢复方式或某种植物群落第i项养分因子的平均值；Ximax和Ximin——各恢复方式或各植物群落中第i项养分因子的最小值和最大值。

2.3.3 土壤养分因子权重的计算 因子权重的确定采用主成分方法，即通过主成分分析统计各养分因子的主成分贡献率，计算因子负荷量，也就是各养分因子在土壤养分综合水平中作用的大小，从而确定其权重。

2.3.4 土壤养分指数(SNI)的计算 根据加乘法则，对土壤各个养分指标值采用乘法进行合成，计算各群落土壤养分指数(SNI)，计算公式如下：

SNI=∑Wi×N(Xi)

(2)

式中：Wi——第i项养分因子的权重向量；N(Xi)——第i项养分因子的隶属度值。

3 结果与分析

3.1 不同恢复方式的土壤养分效应

将研究区各种恢复方式下的土壤养分含量与对照农地作对比，结果如图1所示：除全磷和速效磷含量对照农地最高外(这可能是由农地施肥造成的)，三种恢复方式下的其他各养分含量均显著高于对照农地。说明植被恢复有效促进了养分积累。

对于不同恢复方式，其土壤有机质含量从大到小依次为：退耕还林(1.15%)>退耕还灌(0.98%)>弃耕或退耕还草(0.77%)(图1)。退耕还林和退耕还灌的有机质含量明显高于弃耕或退耕还草，这是由于乔木和灌木覆盖下枯枝落叶等调落物含量高，且随着根系分泌物的分解，释放养分归还土壤，因此有机质含量高[14]。

不同恢复方式对于土壤氮素的改善作用表现为，全氮含量：退耕还灌(0.61 g/kg)>退耕还林(0.54 g/kg)>弃耕或退耕还草(0.48 g/kg)；碱解氮含量：退耕还灌(51.32 mg/kg)>退耕还林(45.93 mg/kg)>弃耕或退耕还草(42.92 mg/kg)。可以看出，退耕还灌的全氮和碱解氮含量均明显高于另外两种恢复方式，说明对氮素的积累，灌木要好于乔木和草本(图1)。全氮和碱解氮含量变化的一致性说明植被对不同形态的氮富集作用相似。

不同恢复方式下全磷含量从大到小依次为：退耕还林(0.62 g/kg)>退耕还灌(0.60 g/kg)=弃耕或退耕还草(0.60 g/kg)，三种恢复方式全磷的含量非常接近，说明不同恢复方式对全磷的改善作用差异不显著；速效磷含量大小依次为：弃耕或退耕还草(2.35 mg/kg)>退耕还林(1.80 mg/kg)>退耕还灌(1.62 mg/kg)，草本最高，灌木最低，且差异显著(图1)。植被的全磷与速效磷效应显著不同，说明植被对不同形态的磷富集作用不同。

不同恢复方式速效钾含量大小依次为：退耕还林(179.04 mg/kg)>退耕还灌(152.80 mg/kg)>弃耕或退耕还草(116.57 mg/kg)，按乔灌草顺序降低，草地的速效钾含量显著低于乔木和灌木地，与有机质的变化规律一致。这是因为在黄土高原植被生长过程中，林木及林下微生物的活动可以促进土壤中难溶的无效矿物钾转化；另外，土壤中的微生物在分解凋落物时会形成有机酸、酚和无机碳酸，可以促进土壤中长石类含钾矿物的分解风化，把无效态钾转化为有效态钾，从而增加土壤中有效钾的储量。但是土壤中的钾离子易淋失，如果土壤中有机质含量高的话，则可吸附大量的钾离子，进而提高速效钾含量[15]。

比较三种恢复方式的各养分含量，有机质、全磷、速效钾含量最高的是退耕还林，全氮和碱解氮含量最高的是退耕还灌，弃耕或退耕还草除速效磷含量最高外，其他各养分均在三者中最低(图1)。

图1 不同恢复方式土壤养分含量变化

3.2不同植物群落的土壤养分效应

3.2.1 不同植物群落的有机质效应 根据彭祥林[16]等测定，黄绵土表层有机质含量为0.45%～0.80%，在研究区的11个典型植物群落中，除达乌里胡枝子群落(0.56%)和茵陈蒿群落(0.62%)外，其他群落土壤表层有机质含量平均值均大于0.80%，反映了植被恢复对有机质明显的积累作用。并且，所有植物群落的有机质含量均高于对照农地(表2)，表明该流域实行退耕以来，有机质含量得到了明显地提高。

比较不同群落间有机质含量的差异，退耕还林方式下的三种群落有机质含量无差异，普遍高于其他各植物群落，进一步说明乔木覆盖可提高土壤有机质含量。退耕还灌的三种群落有机质含量差异显著。弃耕或退耕还草的各群落有机质含量差异不显著，且普遍较低。

3.2.2 不同植物群落的氮素效应 比较表2中各植物群落全氮与碱解氮的含量，可以发现，在各个植物群落间两种氮素的含量变化比较一致，进一步说明植物群落对氮素的富集作用相似。所有群落中，柠条群落的全氮和碱解氮含量均显著高于其他群落。因为柠条是豆科植物，固氮作用促进了氮素的积累[17]。说明在土壤氮素的改善方面，柠条的作用是突出的。

3.2.3 不同植物群落的磷素效应 各植物群落全磷的含量差别不大，这是因为土壤全磷含量的高低，主要受土壤母质、成土作用和耕作施肥的影响[11]，该流域土壤均发育于黄土性母质的石灰性土壤，成土作用基本相同，并且全磷的迁移率很低，所以全磷含量在整个流域的空间分布比较均匀，受植被影响很小。而速效磷含量表现出草本植物群落显著高于灌木植物群落，这是因为，土壤的速效磷含量一方面决定于全磷含量，一方面受到植物固磷作用的强烈影响[18]。柠条灌木群落吸收同化作用显著，导致土壤中的速效磷含量较低[19]；而草地群落对磷素的吸收同化作用相对较弱，所以土壤速效磷含量较高。小叶杨和茵陈蒿的速效磷含量较之其他群落高，是因为小叶杨林龄长，林下微生物多，有助于无效态养分向有效态转化[15]，而茵陈蒿的退耕年限仅为1 a，速效磷含量高与之前耕作施肥有关。

3.2.4 不同植物群落的速效钾效应 由表2可知，各植物群落彼此间的速效钾含量差异极其显著，说明植被类型在很大程度上影响着土壤速效钾含量。退耕还林方式下，小叶杨的速效钾含量显著高于刺槐和杏。这是因为小叶杨在三种林木中，平均年龄最长，盖度最大，林下有机物积累最多[14]，而速效钾和有机质有着很好的相关性[15]，故速效钾含量最高。退耕还灌的三种群落速效钾的含量差异仍然很大。弃耕或退耕还草各群落的速效钾含量无差异。

以上结果表明，同种恢复方式下的不同植物群落，其养分含量表现出差异性，差异最大的是退耕还灌的三种群落，三者每种养分的差异均非常显著；其次是退耕还林的三种群落；较之前两种恢复方式，弃耕或退耕还草的各植物群落养分含量差异不明显(表2)。

表2 不同植物群落间土壤养分多重比较及描述性统计

注：表中同一列不同字母表示差异显著(P>95%)。

3.3 植被土壤养分效应综合评价

以上分析表明，不同植物对单一土壤养分元素的吸收和利用存在较大差异，为了综合评价研究区不同恢复方式以及典型植物群落的土壤养分水平，本研究借助土壤养分指数评价方法[20]，以传统农地作为参照，对研究区3种恢复方式下12种群落的土壤养分效应进行了综合评价。

3.3.1 养分因子隶属度及权重的确定 根据公式(1)分别计算不同恢复方式及不同植物群落土壤养分的隶属度值，结果见表3，4。通过主成分分析，统计各养分因子的主成分贡献率，计算因子负荷量，即各养分因子在土壤养分综合水平中作用的大小，确定其权重。各养分权重值如下：有机质0.217，全氮0.209，碱解氮0.143，全磷0.200，速效磷0.020，速效钾0.211。可以看出土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效钾均对土壤养分有较大影响，土壤速效磷对土壤养分影响很小。

3.3.2 不同恢复方式土壤养分指数 根据公式(2) 计算各种恢复方式的土壤养分指数，结果见表3。不同恢复方式土壤SNI值大小顺序为：退耕还林(0.814)>退耕还灌(0.659)>弃耕或退耕还草(0.364)>对照农地(0.220)。各恢复方式SNI值均明显高于对照农地，表明植被恢复对黄土丘陵区土壤养分的改善起到了显著作用，三种恢复方式相对于对照农地土壤养分的增幅分别为：退耕还林(3.70倍)、退耕还灌(2.99倍)、弃耕或退耕还草(1.65倍)，表明各种恢复措施中，退耕还林对土壤养分的改善效应最好，其次是退耕还灌，弃耕或退耕还草效果最不明显。

表3 不同恢复方式土壤养分隶属度及SNI值

3.3.3 不同植物群落土壤养分指数 对不同植物群落的土壤养分进行统计分析，结果如表2所示，有机质含量最大的是柠条群落，最小的是大豆群落；全氮含量最大的是柠条群落，最小的是大豆群落；碱解氮含量最大的是柠条群落，最小的是白羊草群落；全磷含量最大的是大豆群落，最小的是铁杆蒿群落；速效磷含量最大的是小叶杨群落，最小的是白羊草群落；速效钾含量最大的是小叶杨群落，最小的是大豆群落，且各养分含量在群落间的离散程度也不相同。可见植物对各土壤养分的吸收和利用存在较大差异。

4 结 论

(1) 生态退耕后，较之对照农地，三种恢复方式下的土壤养分都得到了明显的改善，改善程度最大的是退耕还林方式，其次是退耕还灌方式，弃耕或退耕还草方式对养分改善作用最小。

表4 不同植物群落土壤养分隶属度及SNI值

(2) 除达乌里胡枝子和铁杆蒿，各植物群落的土壤养分较之农田作物大豆群落均有所提高，其中提高最明显的是柠条群落。

(3) 植物群落对土壤中不同的养分作用不同。主要表现在：有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量在不同群落间差异较显著，全磷含量差异不显著。

(4) 同一恢复方式下的植物群落有各自不同的土壤养分效应，突出体现在：退耕还灌的三种植物群落，土壤养分效应差异极显著；柠条群落的综合养分指数最高并在土壤氮素的积累方面具有突出作用；退耕还林、弃耕或退耕还草内部各群落间土壤养分效应差异不明显。

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EffectsofDifferentVegetationRestorationTypesonSoilNutrientPropertiesintheHillandGullyRegionofLoessPlateau

LI Yan, WEI Wei, QIU Yang, LIU Xu-ru, ZHANG Lin

(SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Soil nutrient properties in the Loess Plateau are largely influenced by re-vegetation. By calculating the soil nutrient index (SNI), this study evaluated the quantitative influence of typical plant communities of different re-vegetation types on soil nutrient properties in the hill and gully region of loess. Results of this study showed that the order of SNI among different vegetation types was trees(0.814)> brush(0.659)> grassland(0.364)> crap(0.220). Calculated SNI of different plant communities was in order ofCaraganakorshinski(0.777)>Populussimonii(0.658)>Robiniapseudoacacia(0.545)> Armeniaca(0.510)>Koeleriacristata(0.425)>Artemisiacapillaris(0.310)>Hippophaerhamnoides(0.271)>Bothriochloaischaemum(0.257)>Poasphondylodes(0.249)>Glycinemax(0.227)>Artemisiasacrorum(0.224)>Lespedezadaurica(0.103). The results indicated that different vegetation restoration measures can significantly improve soil nutrient properties. Significant difference in SNI was found among different brush communities. SNI of plant communty was found to be obviously higher than that inGlycinemaxcrop community except forArtemisiasacrorumandLespedezadaurica.

hill and gully region of loess; vegetation restoration; vegetation restoration measures; plant community; soil nutrient

2014-02-26

：2014-03-23

基金项目:国家自然科学基金资助项目(30970503,41171152)；国家自然科学基金重大课题资助项目(41390462)

栗妍(1987—),女,河北邯郸人,硕士研究生在读,主要从事植物地理与景观生态研究。E-mail:hdffly2007@126.com

邱扬(1969—)，男，四川仁寿人，博士，副教授，主要从事景观生态、干扰生态与植物生态、土地侵蚀与水土保持研究。E-mail:qiuyang69@263.net

S158.3

：A

：1005-3409(2014)06-0115-07