草灌植被恢复提高坡地土壤水稳性团聚体和碳、氮含量的有效性:退耕年限的影响

刘文祥， 李 勇， 于寒青

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)



草灌植被恢复提高坡地土壤水稳性团聚体和碳、氮含量的有效性:退耕年限的影响

刘文祥， 李 勇*， 于寒青

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

退耕还林还草; 植被恢复年限; 土壤碳、 氮储量; 水稳性团聚体; 黄土高原

soilcarbonandnitrogenstorages;waterstableaggregates;LoessPlateau

在我国西部丘陵坡地退耕还林过程中，随着退耕年限的增加，土壤碳、 氮储量会明显增加[3, 10]。例如，艾泽民等[10]在黄土丘陵区研究了退耕还林对0—20cm土层土壤碳、 氮储量的影响，结果表明，退耕地种植刺槐林后土壤碳、 氮储量并非与退耕年限长短相一致。这些研究在样品采集时主要是选择了山坡某一位置的几个土壤剖面，而没有从全山坡的空间尺度考虑退耕还林的土壤效应，难以反映植被对坡地景观土壤碳、 氮储量效应的总体评价。本研究在我国陕北黄土丘陵区，选择不同退耕还林年限的全坡景观，测定了退耕还林过程中坡耕地表层土壤碳、 氮储量及水稳性团聚体含量的动态变化，旨在揭示退耕还林工程提高坡耕地土壤质量的有效性机理，为我国坡耕地土壤肥力提高措施的选择提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

1.2样点布设与样品采集

为定量评价不同退耕年限草灌植被提高土壤碳、 氮储量及水稳性团聚体的有效性，本研究利用了空间替代时间的方法，即在神木和吴旗退耕还林区，选择了土壤类型和坡度(30°)一致的三个不同退耕年限的全坡地景观(包括坡上部、 坡中部和坡下部)，进行样品采集。在神木，选择退耕已经种植5a和 >10a的苜蓿地; 在吴旗，选择退耕已经种植5a、 >10a的沙棘地。为了比较，将一直为农地的坡耕地退耕年限设为0a。在确定的退耕坡地沿顺坡断面按照坡上部、 坡中部和坡下部进行采样，每个坡位随机选择3个采样点进行0—10cm表层土样的采集，然后把不同坡位的样品进行混合，每个退耕年限的坡地(全坡)总计采集3个混合样品，共计采集了18个混合样品，用于分析土壤碳、 氮储量，同时环刀采集的样品用于测定土壤容重[18]。在采集土壤碳、 氮和容重样品的同时，每个坡位用10cm×20cm的大型铝盒随机采集1个原状土壤样，用于土壤水稳性团聚体的粒级分析，共计采集18个原状土样。

1.3测定方法

土壤速效氮用碱解扩散法[18]; 土壤全氮用凯氏法测定[18]。

水稳性团聚体团粒分级用湿筛法[19]: 取100g土样放在铺有滤纸的大表面皿上，用滴管缓慢滤纸向加去离子水, 直至使土样完全湿润，然后将湿润的土样置于2mm的筛中浸泡5min，使团聚体中残留的空气排出，最大量减少空气对团聚体结构的破坏。振筛时土样通过2mm、 0.25mm、 0.053mm系列筛子。手工振动套筛2min，上下振幅3cm，每分钟25次手工振筛。振筛后将 2mm筛上水中悬浮的枯落物、 根系等杂质捞出。而后将套筛取出，水流尽后，依次将各筛上的土壤颗粒冲洗到铝盘中，冲洗过程中尽量保持团粒的结构。最后将土样在50℃过夜烘干，称重，储存于玻璃瓶。

1.4数据分析

土壤有机碳、 氮密度，即碳、 氮储量是指单位面积一定深度的土层中土壤有机碳或氮的储量，因此草灌坡地土壤碳、 氮储量的计算公式为[20]:

SOCdensity(Ndensity)=CiDiEi(1-Gi)/10

式中，SOCdensity、 Ndensity指土壤有机碳或氮的密度或储量(g/m2); Ci为土壤有机碳、 氮含量(g/kg); Di为容重(g/cm3); Ei为土层厚度(cm); Gi为>2mm的石砾所占的体积百分比(%)。不同退耕年限的坡地土壤碳、 氮储量和水稳性团聚体含量均为3个混合样品的平均值。

利用单因素方差分析LSD法分析草、 灌坡地土壤碳、 氮储量和水稳性团聚体含量平均值在不同年限之间的差异显著性，数据分析用Excel2007。

2　结果与分析

2.1不同退耕年限草灌植被对土壤有机碳储量的提高效应

退耕坡地土壤有机碳储量随退耕年限的增加而增加，但其增加的数量大小因植被类型不同而有明显差异(表1)。在神木研究区，退耕种植10a以上的苜蓿地土壤总有机碳储量显著高于退耕前，提高了70%，而种植5a的苜蓿地土壤总有机碳仅比退耕前提高了40%。在吴旗退耕研究区，退耕坡地种植5a和10a以上的沙棘林地土壤总有机碳储量比退耕前提高了 138%和664%。退耕前，神木研究区农地土壤有机碳储量高于吴旗研究区。种植5a和10a以上的沙棘林坡耕地土壤总有机碳分别是种植5a和10a以上苜蓿地的3.4和9.5倍。

2.2不同退耕年限草灌植被对土壤氮储量的提高效应

尽管退耕坡地土壤全氮储量随退耕年限的增加而增加，但是其增加的幅度显著小于土壤有机碳增加的幅度(表1)。在神木研究区，退耕种植5a和10a以上的苜蓿，其坡地土壤全氮储量比退耕前分别提高了4%和26%。在吴旗退耕研究区，退耕坡地种植5a和10a以上沙棘林地土壤全氮储量分别比退耕前提高了 46%和242%。种植5a和10a以上沙棘林提高坡地土壤全氮储量的效应分别比种植5a和10a以上苜蓿大9倍以上。

种植草灌植被提高土壤速效氮效应的幅度与其提高土壤有机碳的效应相一致，均也随退耕年限的增加呈显著增加。在神木研究区，与坡耕地比较，种植5a和10a以上的苜蓿地土壤速效氮储量分别提高了497%和515%，在吴旗退耕研究区，退耕坡地种植5a和10a以上沙棘林地土壤速效氮储量比退耕前分别提高了 25%和150%。坡耕地种植5a苜蓿提高土壤速效氮的效应是种植5a沙棘林的19.2倍，种植10a以上的苜蓿提高土壤速效氮的效应是种植10a以上沙棘林的3.4倍。

表1不同退耕年限草灌植被土壤有机碳、 全氮和速效氮储量变化

Table1Changeinsoilorganiccarbon,totalnitrogenandavailablenitrogenunderdifferenttimeof

farmlandconversiontograssesandshrubs

采样地点Samplingsites植被类型Vegetationtypes退耕年限(a)Vegetationrestorationtime有机碳储量(g/m2)Soilorganiccarbonstorage全氮储量(g/m2)Totalnitrogenstorage速效氮储量(g/m2)Availablenitrogenstorage神木苜蓿0428.51±88.03b14.11±0.54b0.34±0.11bShenmuAlfalfa5599.96±101.32b14.80±0.83a2.03±0.09a>10728.33±39.13a17.79±0.55a2.10±0.11a吴旗沙棘0257.37±8.28b13.62±3.95b1.68±0.66bWuqiSeabuckthorn5613.15±107.62b19.82±1.32ab2.16±0.22b>101966.87±433.18a46.60±3.94a4.23±0.42a

注(Note): 数据后不同字母表示同一研究区不同退耕年限之间差异达到5%显著水平Valuesfollowedbydifferentlettersatthesamestudysitemeansignificantat5%level.

2.3不同退耕年限灌木植被对土壤水稳性团聚体含量的影响

由于神木研究区位于砂黄土区，土壤缺乏水稳性团聚体结构，因此本研究仅对吴旗退耕坡地土壤的水稳性团聚体进行了分析研究。

3　讨论

本研究发现，草灌植被提高坡地土壤有机碳、 全氮和速效氮储量的效应随退耕年限的增加而增加。薛晓辉等[21]的研究表明，土壤有机质含量随植被的恢复年限增加而增大，但其增长速度并不相同，与本研究的结果相一致。李泽等[22]以黄土高原沟壑区为研究对象，分析了退耕还果对黄土高原土壤氮储量的影响，结果表明，农田退耕为果园20a后，坡地果园土壤氮储量约为农田的1.7倍。贾晓红等[23]的研究也表明，植被恢复下土壤氮素含量随退耕时间的增加而逐渐增加。

总之，退耕还林还草植被对坡地土壤有机碳、 氮库的提高效应会显著增加土壤结构的稳定性，从而提高土壤的抗侵蚀性能，而土壤水稳性团聚体含量的增加会提高土壤的抗侵蚀性能，减少土壤养分和水分流失，提高土壤肥力[28]。因此，草灌植被提高坡地土壤水稳性团聚体和碳、 氮含量的有效性研究，是今后我国退化坡耕地土壤肥力恢复研究中值得重视的课题。

4　结论

本研究发现，草灌植被在提高侵蚀坡地土壤有机碳、 氮储量和稳定土壤结构方面具有重要作用，草灌植被的这些作用均随退耕年限的增加而增加。结果表明，种植 5a沙棘林坡地土壤有机碳、 全氮和速效氮储量相对于退耕前分别提高了1.4、 0.5、 0.3 倍，种植10a以上沙棘林地分别提高了6.6、 2.4、 1.5 倍; 与退耕前相比，种植5a苜蓿使坡耕地土壤有机碳、 全氮和速效氮储量分别提高了0.4、 0.1、 5.0 倍，种植10a以上苜蓿地分别提高了0.7、 0.3、 5.2 倍。种植5a和10a以上沙棘林使坡地土壤 >0.25mm水稳性团聚体含量分别增加了41%和56%，沙棘林对土壤有机碳和全氮的提高效应显著大于苜蓿，而苜蓿对土壤速效氮含量的增加效应显著大于沙棘林。沙棘和苜蓿两种植被类型提高坡地土壤有机碳和全氮储量的差异与退耕前坡地土壤有机碳和全氮储量的初始水平有关，而土壤速效氮储量增加效应的差异与沙棘和苜蓿根系在固氮功能方面的差异密切相关。退耕还林还草植被提高坡地土壤有机碳、 氮库和水稳性团聚体含量的有效性原理，应在选择提高我国坡耕地土壤肥力的措施时予以重视。

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SoilwaterstableaggregatesandcarbonandnitrogenstorageenhancedbyconversionoffarmlandtoshrubandgrassinChinaLoessPlateau:theinfluenceofconversioncultivationtime

LIUWen-xiang,LIYong*,YUHan-qing

(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture， Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

【Objectives】ConversionoffarmlandtoforestsandgrasslandisthemostimportantfactortoaidinthepreventionandcontrolofsoilerosionaswellastorestoresoilfertilityinwesternChina.SitessubjectedtofarmlandconversioninShenmuandWuqicounties(innorthernShaanxiprovinceontheLoessPlateau)wereselectedtostudytheeffectthatconversiontograsses(Alfalfa)andshrubs(Seabuckthorn)hadonsoiloverdifferingtimescales.Inthisstudy,wefocusedspecificallyontheeffectsthatforestconversionhadonthestorageofsurfacesoilorganiccarbon,bothtotalandavailablenitrogenaswellassoilwaterstableaggregates.ThisresearchwaspartoftheGrainforGreenProgram,withtheobjectivetorevealthemechanismsinforestconversionthataffectsoilqualityofslopedland.TheobtainedresultsareexpectedtoprovideascientificbasisforimprovingsoilfertilityofslopedlandsinChina.【Methods】Usingaspatialmethod,weselectedthreedifferenttypesofconversionwithsamesoiltypesandslopegradient.Takingmeasurementsatvariouspointsacrosstheslopedlandscape,weanalyzedorganiccarbon,etcaftercollectingsoilsamples.【Results】Ourresultsshowthatsoilorganiccarbon,availablenitrogenandtotalnitrogenstorageaswellassoilwaterstableaggregatesincreasedsignificantlyalongwiththerestorationtime.Whenthesemeasurementswerecomparedtothosefromcultivatedhillslopes,stocksofsoilorganiccarbon(SOC),totalnitrogen(TN)andavailablenitrogen(AN)allincreasedafterSeabuckthornplantingfor5-yearsby1.4, 0.5and0.5times,respectively.FollowingSeabuckthornplantingfor10years,SOC,TNandANlevelswerefoundtoincreaseby6.6, 2.4, 1.5times,respectively.Whenassessingthe5-yearrestorativeeffectsofalfalfaplanting,SOC,TNandANincreasedby0.4, 0.1, 5.0timeswhencomparedtocultivatedhillslopes,whilstthesemeasurementsincreasedby0.7, 0.3, 5.2timeswhenextendedto10yearsofalfalfaplantingonhillslopes,respectively.SeabuckthornplantingonhillslopessignificantlyimprovedSOCandTNlevelswhencomparedtoslopesplantedwithalfalfa.However,theavailablenitrogeninsoilwassignificantlygreaterinalfalfa-plantedhillslopescomparedtoSeabuckthorn-plantedhillslopes.ThedifferencesinobservedSOCandTNlevelsbetweenSeabuckthorn-andalfalfa-plantedhillslopeswereduetotheinitiallevelsofthesesoilcomponentspriortotheconversiontoforestsandgrassland.WhereasdifferencesobservedinANbetweenseabuckthorn-plantedandalfalfa-plantedhillslopeswereattributedtothedifferingnitrogenfixationmechanismsbetweenthetwoplants.Asalfalfarootnitrogenfixationsweregreaterthanseabuckthorn,theamountofsoilavailablenitrogenincreasedsignificantlyinalfalfa-plantedsoil.Soilwaterstableaggregatecontentin> 0.25mmclassincreasedby41%and56%,respectively,inhillslopesplantedwithSeabuckthornfor5and10years,respectively.Thisenhancedwaterstableaggregateinconvertedforestvegetationisattributedpredominantlytoincreasedparticlesizeof0.25-2mmwaterstableaggregatecontent.【Conclusions】Ourstudysuggeststhatgrassandshrubvegetationplayanimportantroleinenhancingsoilorganiccarbonandnitrogenstoragesaswellascontributingtothestabilityofthesoilstructure.TheseeffectsshouldbeconsideredwhenchoosingmeasurestoenhancesoilfertilityinslopedfarmlandsinChinaanditmustbeacknowledgedhowdifferingmanagementofslopedlandscanaffectsoilorganiccarbonreserveswhenusingspacesubstitutefortimemethodinsmallregionalscale.

conversionfarmlandtoforestsandgrassland;conversioncultivationtime;

2014-12-25接受日期: 2015-04-28

国家自然科学基金项目(41171231); 国家“十二五”支撑计划项目(2013BAD11B03)资助。

刘文祥(1989—)，男，山东泰安人，硕士研究生，主要从事土壤侵蚀与碳循环研究。E-mail:wxliu15153234109@163.com

E-mail:liyong@caas.cn

S152.4;S181

A

1008-505X(2016)01-0164-07