退耕还林还草对黄土高原坡地磷素的影响

梁振春 李静 吴靖 朱静静

摘要：【目的】探讨不同植被恢复退耕坡面土壤磷素的分布及其迁移特征，为退耕还林还草工程的可持续性及其环境效应评价提供参考。【方法】选取黄土高原中部王东沟小流域退耕年限、土壤和地形条件较一致的柠条灌木地、苜蓿草地和荒地等3种典型植被恢复的长坡面为研究对象，以谷子农地为对照，通过采样测定分析不同植被恢复坡面的植物磷、土壤磷和土壤—植物系统磷库（植物磷库）的差异及其在不同坡位、土层间的空間分布特征。【结果】不同植被恢复样地的地上生物量、植物磷含量和植物磷库均表现为灌木地>草地>农地>荒地，且从坡顶向坡底方向逐渐增加。对于土壤速效磷，灌木坡地在坡面和垂直方向分布较均匀，其他样地则总体表现为坡底速效磷含量较高；不同土层间相比，除草地坡底部位及农地0～20 cm土层外，其余土层土壤速效磷含量整体上随深度增加而增加。0～100 cm土层以上的植物磷库均表现出从坡顶向坡底逐渐增加。土壤全磷分布受退耕植被的影响不明显，主要受土壤母质的影响。【结论】退耕坡面植物磷、土壤磷和土壤—植物系统磷库及其分布受恢复植被措施及其不同水土保持效益的影响；灌木地和草地对退耕坡地磷素具有一定保持作用，能够减少流失的磷素对下游水体的影响，而荒地和农地表现出明显的磷素侵蚀流失趋势。

关键词： 速效磷；全磷；植物磷库；植被恢复；黄土高原

中图分类号： S152.7 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）04-0688-07

Effects of Grain for Green Project on slope phosphorus

in Loess Plateau

LIANG Zhen-chun， LI Jing， WU Jing， ZHU Jing-jing

（Shanghai Xinqiu Environmental Engineering & Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 201311， China）

Abstract：【Objective】This study aimed to explore the distribution and migration of soil phosphorus in different slope lands after vegetation restoration， and provide guidelines to evaluate the sustainability effects and environment effects of Grain for Green Project. 【Method】Long slopes of three different vegetation restoration slopes， including caragana shrub land， alfalfa grass land and fallow land with similar restoration ages as well as soil and topography conditions were selec-ted in Wangdonggou Basin， Loess Plateau. Farm land with millet was selected as control. Diffenrence in plant phosphorus， soil phosphorus and soil-plant system phosphorus pool（plant phosphorus pool） among various slopes and the spatial distribution characteristics in different slope positions and soil layers were analyzed by sampling. 【Result】Aboveground biomass， plant phosphorus content and plant phosphorus pools for different slopes after vegetation restoration showed the following rank： shrub land>grass land>farm land>fallow land， and the amounts increased from slope crest to base of slope. For soil available phosphorus， it distributed evenly along the slope direction and in profile for shrub land， but soil available phosphorus contents in base of slope were higher than other parts in other slopes. Except for the soil layer in base of slope for grass land and 0-20 cm layer for farm land， soil available phosphorus contents increased as soil layer dee-pened. Plant phosphorus pools above 0-100 cm soil layer showed increasing trend from slope crest to base. Soil total phosphorus distribution was not greatly influenced by vegetation restoration， but mainly affected by soil parent materials. 【Conclusion】Plant phosphorus， soil phosphorus as well as soil-plant system phosphorus pools on slopes and the distribution are affected by vegetation restoration measures and different soil and water conservation effects. Shrub land and farm land can conserve soil phosphorus on the slopes at certain extents， and reduce the negative effects of running phosphorus on downstream. On shrub land and farm land， erosion loss of phosphorus is obvious.

Key words： available phosphorus； total phosphorus； plant phosphorus pool； vegetation restoration； Loess Plateau

0 引言

【研究意义】黄土高原沟壑区王东沟小流域在历史上受人为砍伐影响其土壤侵蚀严重，是黄土高原沟壑区水土流失的重要治理区。近年来经过大规模综合治理，特别是实施坡耕地退耕还林还草工程后，该区域的土壤侵蚀模数下降到8.95 t/ha以下（郭胜利等，2009），区域内植被条件明显改善，水土流失量显著降低。土壤磷是植物生长的必需营养元素之一，也是引起水体富营养化的主要元素（王云慧等， 2010），因此，明确退耕还林还草工程实施以来坡面土壤磷素的变化特征及其迁移规律，对坡耕地退耕还林还草工程的可持续性发展及环境效应评价具有重要意义。【前人研究进展】目前，有关土壤磷在不同土层及坡位上的分布已有较多研究。舒英格等（2002）发现，表层土壤磷素水平与径流磷含量呈线性相关；李裕元等（2003）研究发现，黄绵土坡耕地土壤全磷和有效磷含量均随坡长增加呈波浪式增加趋势；Meng等（2008）研究表明，与坡耕地相比，免耕荒地可减少坡面磷素随径流泥沙的流失量，坡面土壤磷素含量的分布与坡位相关。也有相关研究表明，同一区域不同植被中土壤磷含量存在显著差异，如王鑫等（2007）的研究结果表明，人工苜蓿草地坡面浅层土壤平均速效磷含量显著高于沙棘坡地和撂荒坡地；黄土区乔木林坡地土壤速效磷含量高于自然草地和撂荒地（张素霞等，2008）；其原因可能为植被能改变坡面侵蚀水文过程进而影响土壤的磷素水平（王全九等，2016），磷主要通过附着在泥沙颗粒表面发生迁移，因而对下游水体水质会有明显影响（陈世博等，2017）。【本研究切入点】至今，针对黄土高原沟壑区典型植被退耕坡地土壤磷素储量、分布和变化的综合研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】通过采样分析黄土高原沟壑区典型植被恢复坡地植物磷素和土壤磷素含量的空间分布特征，并探讨其迁移规律，为该区域退耕坡地土壤养分状况可持续性评估和养分迁移的生态环境效应评价提供参考。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

研究区位于陕西省长武县洪家乡王东沟小流域，东经107°40′30″～107°42′30″，北纬35°12′16″～35°16′00″，塬面海拔1220 m，流域面积830 ha。王东沟小流域属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，年均气温9.1 °C，多年平均降水量584 mm，其中7～9月的降水量约占全年总降水量的55%，土壤类型以黑垆土和黄绵土为主，土壤母质为深厚的中壤质马兰黄土，土体结构均匀疏松，通透性好，是黄土高原沟壑区典型代表性土壤（马政华等，2016）。

1. 2 试验样地

根据陕西省长武县当地退耕还林还草政策的实施时间，选取退耕年限约15年、土壤和地形条件较一致的3种典型植被恢复退耕长坡面（优势植被分布大于50 m）为研究对象，其中包括以人工柠条林为代表的人工灌木地（简称灌木地）、以紫花苜蓿为代表的人工草地（简称草地）及自然撂荒地（简称荒地），并以连续耕种的谷子农地（简称农地）为对照。选取的4种样地中，灌木地除偶尔有牲口啃食外基本上无人为干扰；草地按当地习俗每年8月进行一次刈割，其余时段均为自然过程；荒地植被为自然恢复无人为干扰，优势物种以长芒草、达乌里胡枝子和茵陈蒿等为主；农地每年5月翻耕种植谷子，同期一次性施用磷酸二氢钾0.5 kg/100 m2、尿素1.7 kg/100 m2。所有水分输入均为天然降水。

1. 3 样品采集与分析

于2016年8月在各样地坡面的坡顶、坡中和坡底进行采样。每个样点采集5层土壤样品（0～20、20～40、40～60、60～80及80～100 cm），并以1 m×1 m的网格收集植物地上部分。采集的土样一部分置于105 ℃下烘干24 h后测定水含量，剩余土样风干碾磨后分别过2.0和0.5 mm筛网后采用硫酸—高氯酸消煮—钼锑抗比色法测定土壤全磷含量，采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量。收集的植物样品在65 ℃下烘干72 h后测定干重，碾磨过20目筛网后采用硫酸—双氧水消煮—钼锑抗比色法测定植物磷含量。每组养分测定重复3次。

1. 4 统计分析

试验数据使用Excel 2007进行处理。数据统计分析使用SPSS 16.0，采用Post-Hoc检验进行不同植被样地磷元素差异的方差分析。

2 结果与分析

2. 1 不同植被恢复坡地的地上生物量和植物磷含量

从表1可看出，灌木地和草地的地上生物量较高，其平均值分别为0.405和0.376 kg/m2，两者间无显著差异（P>0.05，下同），但均显著高于农地和荒地（P<0.05，下同）；荒地的地上生物量最低，为0.043 kg/m2。从植物磷含量来看，依次为灌木地柠条（4.901 g/kg）>草地苜蓿（2.168 g/kg）>农地谷子（1.303 g/kg）>荒地植被（0.906 g/kg）。植物磷库平均值与地上生物量和植物磷含量的排序相同，即灌木地（1.985 g/m2）>草地（0.804 g/m2）>農地（0.155 g/m2）>荒地（0.038 g/m2）。

从表1还可看出，不同坡位间相比，不同植被恢复样地的地上生物量、植物磷含量和植物磷库总体上均表现为从坡顶向坡底方向逐渐增加的趋势，但不同坡位间无显著差异。在黄土高原地区，水分是植物生长的主要限制因子（胡良军和邵明安，2002），在重力作用下，下坡位的水分条件通常较好，因此植被生长状况也较好，其地上生物量、植物磷素含量和植物磷库较上坡位高。

2. 2 不同植被恢复坡地的土壤磷含量

2. 2. 1 速效磷含量 灌木地、草地、荒地和农地样地0～100 cm土层土壤速效磷平均含量分别为1.024±0.066、0.966±0.125、0.736±0.197和1.066±0.268 g/m3。由图1-A可看出，不同坡位的灌木地土壤速效磷随土层深度的增加呈波动变化，并以40～60 cm土层最高，且除坡顶40～60和60～100 cm及坡中0～20和40～60 cm以外，不同坡位不同深度的土壤速效磷含量间无显著差异。除坡顶0～20 cm土层外，草地坡顶和坡中坡位的土壤速效磷含量随土层深度增加而增加，而坡底0～60 cm土层土壤速效磷含量较60～100 cm土层高，且速效磷在0～60和60～100 cm土层中均呈增加趋势（图1-B）。除坡底40～60和60～80 cm土层外，荒地土壤速效磷含量在不同坡位均随土层深度的增加而增加（图1-C）。农地土壤速效磷含量在各坡位均表现为在0～20 cm土层最高，在坡顶位置显著高于20～40 cm土层，在坡中位置显著高于20～60 cm土层，在坡底位置显著高于其他土层；在各坡位20～40 cm土层均最低，显著低于表层（0～20 cm）及80～100 cm土层；20 cm土层以下土壤速效磷含量整体上表现为随深度的增加而逐渐增加（图1-D）。

2. 2. 2 全磷含量 从图2可看出，不同植被恢复坡地土壤全磷含量沿坡长方向表现不同。总体上，灌木地和农地呈增加的趋势，在坡底含量最高（二者从坡顶至坡底的0～100 cm土层平均含量分别为0.699、0.710、0.725 mg/kg和0.700、0.719、0.732 mg/kg）；林地和荒地呈先增加后减少的趋势，以坡中含量最高（二者从坡顶至坡底的0～100 cm土层平均含量分别为0.711、0.726、0.708 mg/kg和0.703、0.710、0.705 mg/kg）。

在垂向方向，灌木地和草地土壤全磷含量总体上随土层深度增加呈增加的趋势，且以60～100 cm土层最高；荒地土壤全磷在剖面上呈波动变化，分布相对较均匀；农地土壤全磷含量在0～40 cm土层呈先增大、在40 cm以下逐渐减小的趋势，并在20～40 cm土层最高。总体而言，灌木地、草地、荒地和农地0～100 cm土层范围内的土壤全磷平均含量无显著差异，全磷平均含量分别为0.712±0.069、0.715±0.106、0.706±0.107和0.717±0.099 mg/kg。由此可见，研究区土壤全磷受植被影响较小，主要影响可能来源于土壤母质。

2. 3 土壤—植物系统磷库

由0～100 cm土层内不同植被恢复坡地植物磷库（图3）可知，不同植被样地均表现出从坡顶向坡底逐渐增加的趋势。相对而言，灌木地和草地的植物磷库在各坡位分布较均匀，各坡位间差异不明显；荒地坡底的植物磷库显著高于坡中和坡顶；农地坡底的植物磷库显著高于坡顶，与荒地和农地较弱的水土保持功效和较高的径流侵蚀系数密切相关。各植被恢复坡地20 m坡长0～100 cm深度的平均植物磷库依次为18.2±2.4、18.4±2.3、15.5±1.8和19.0±2.0 kg，荒地显著低于其他3种坡地类型。灌木地和草地坡面的植物磷库较高与其固氮作用对土壤养分的提升有关，农地则受施肥的影响。

3 讨论

本研究结果表明，不同样地土壤速效磷的分布和不同植被类型的吸收作用和水土保持效应相关，较强的土壤侵蚀会导致表层土壤速效磷在坡面的迁移。Zeng等（2011）研究表明，柠条灌木林的径流系数和侵蚀模数为0.06和12 t/（km2·a），苜蓿草地为0.13和19.8 t/（km2·a），自然恢复坡面为0.22和76.5 t/（km2·a），坡耕地分别为0.24和85.2 t/（km2·a），与本研究从土壤有效磷坡面分布分析得出的不同植被样地的水保功效结果一致。Chen等（2007）的研究结果也表明，撂荒地的降雨产流径流量要高于草地和灌木地。此外，速效磷能够沿土壤大孔隙向深层移动（Geohring et al.， 2001），使得表层土壤速效磷随水分向深层淋溶（Fortune et al.， 2005），表现出土壤速效磷随深度增加而增加的趋势，在本研究中得到进一步证实。

磷在植物系统中的累积可有效减少土壤速效磷随地表径流的损失量，有利于磷素在土壤—植物系统中的保持。本研究结果表明，灌木地和草地的地上生物量相似，但均显著高于农地，自然荒地最低。此前也有相关研究发现，人工灌木地和草地拥有较高的地上生物量，可通过植物的吸收和减流减沙作用对坡面土壤磷素产生影响（Chen et al.，2007）。本研究中不同植物的磷含量差异显著，柠条含量最高，其次为苜蓿和谷子，自然恢复植被最低，其与不同植物对磷的吸收特性有关。本研究中柠条和苜蓿具有一定的固氮作用，且根系发达，可有效改善根系层土壤磷素状况（陶林，2005）；农地中由于经常耕作，施肥时输入磷，表层土壤速效磷含量较高，但在较高的侵蚀强度下浅层土壤速效磷易随径流和侵蚀泥沙颗粒流失污染下游河流，或随着土壤淋溶进入深层地下水。

不同植被恢复样地间土壤速效磷存在差异的原因可能是灌木地地表存在一层枯枝落叶层，其主根深度在40～60 cm土层，受枯枝落叶层腐化和根系活动的影响0～20和40～60 cm土层的土壤速效磷含量相对较高。与灌木地相比，其他样地植被根系分布相对较浅，草地由于每年刈割，地表落叶相对较少，苜蓿草地虽然和柠条灌木林地均具有较好的水土保持作用，但从土壤速效磷的坡面分布来看，二者的水土保持作用机理可能存在一定差异；柠条地上枝叶发达，枝叶和地表枯枝落叶层对降雨雨滴动能的减弱和对降雨的截留作用减少坡面产流产沙，因此不同坡位间土壤速效磷平均含量相差较小（坡顶、坡中和坡下部分0～100 cm深度平均值分别为0.974、1.026和1.072 mg/kg）；而苜蓿的地上枝叶相对较小，且不同种植行间有一定的空隙，对降雨的产流产沙削弱作用相对有限，其水土保持功效主要通过不同种植行间对产流和泥沙颗粒的节节拦截，泥沙颗粒在坡底汇聚，因此其坡底部及淺层土壤速效磷含量相对较高（坡顶、坡中和坡下部分0～100 cm深度平均值分别为0.801、0.872和1.225 mg/kg）。荒地由于地上植被生物量较少，土壤速效磷从坡顶到坡底呈逐渐增加的趋势，但在坡底的汇聚作用不明显（坡顶、坡中和坡下部分0～100 cm深度平均值分别为0.667、0.730和0.812 mg/kg）。农地受施肥措施的影响，其表层（0～20 cm土层）土壤速效磷含量显著较高，其坡顶部的平均含量相对较低，坡中与坡底部位平均含量相近（坡顶、坡中和坡下部分0～100 cm深度平均值分别为0.890、1.140和1.168 mg/kg）。

本研究中灌木地土壤的速效磷含量在垂向和坡向方向上分布较均匀；草地土壤速效磷总体上表现为坡底>坡中>坡顶；荒地土壤速效磷含量总体上表出随深度和坡长的增加而升高的趋势；灌木地和坡地各土层土壤速效磷含量相似，但两者浅层土壤速效磷含量显著高于荒地。马琨等（2006）的研究结果也表明，柠条林地和自然荒坡表层土壤速效磷无明显差异，但均低于坡耕地。尽管农地有施肥措施，但除表层（0～20 cm）外，其他土层土壤的速效磷含量并无显著高于、甚至其20～60 cm的含量低于其他植被坡面。农地由于有施肥、翻耕、种植和收获等措施，能够改变磷的含量和分布（慕韩锋等，2008），使得其土壤速效磷的垂向分布特征与其他样地不同；20～60 cm土层土壤速效磷受作物根系吸收和淋溶损失（Jobbágy and Jackson， 2001），含量显著低于0～20和60～100 cm土层。一般而言，土壤全磷由土壤母质、气候和时间等成土因素决定，相对变化较小。此外，土地利用方式和地形特征引起的不同侵蚀的水文环境可影响土壤全磷的含量和分布（Stevens et al.， 2009）。本研究结果表明，土壤全磷主要受土壤母质的影响，受植被影响不明显。

4 结论

在受土壤水分限制的黄土高原地区，退耕坡面植物磷、土壤磷和土壤—植物系统磷库及其分布受恢复植被措施及其引起的不同水土保持效益的影响，灌木地和草地对退耕坡地磷素具有一定保持作用，能够减少流失的磷素对下游水体的影响，而荒地和农地表现出明显的磷素侵蚀流失趋势。

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（责任编辑 邓慧灵）