延河流域退耕还林还草工程后土地质量评估

张 静，李鹏展

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075;3.陕西省土地工程建设集团有限责任公司延安分公司，陕西 延安 716000)

1 引言

黄土丘陵区地形支离破碎，是我国乃至全世界水土流失最为严重的地区[1]。植被作为控制水土流失的关键举措，在控制该区水土流失方面起到重要作用。我国于1999年提出退耕还林还草政策，经过这十多年的退耕还林还草工程的大力实施，黄土高原地区植被得到了有效恢复，植被覆盖度得到大幅提高，生态环境状况得以明显改善。在黄土高原地区退耕还林还草过程中，刺槐被看作是植被恢复重建的先锋树种[2, 3]，在各个地区都有大面积成片栽植，甚至一些地区刺槐的造林比例高达造林总面积的85%以上[2]，在保持水土、改善环境方面发挥了重要作用。经过这十多年的退耕还林还草工程，为了巩固生态文明建设的成果，现需要学者们对退耕还林还草工程的效果进行合理评估并及时反馈土壤质量状况，其最主要的就是制定一系列标准评估方法，来评估当时飞播种植刺槐的土壤质量状况以及生态反馈效应。

延河流域是黄土高原退耕还林还草工程及植被恢复重建的核心区，在不同的植被区都分布有大量的人工刺槐林。延河流域从东南到西北，随降雨量减少，温度降低，植被分布呈现明显的地带性规律，可依次划分为森林区、森林草原区和草原区(图1)[4]，植被区的合理划分，能够有针对性的评价不同植被类型区内刺槐林下土壤质量状况，并可以横向比较整个延河流域刺槐土壤质量状况，这为合理评估延河流域退耕还林还草工程后土壤质量提供了基础。

本文通过林下土壤理化性质，林下土壤微生物(多样性、群落结构)等指标，以乡土种为空白对照来研究刺槐引入的生态反馈作用的利弊，对比不同植被区刺槐引入与乡土种之间指标差异变化，探求刺槐引入在森林区、森林草原区和草原区的反馈效果是否一致，亦可能会出现森林区、森林草原区和草原区反馈不一致的情况。如果样地足够丰富，能否得出代表性的结论来论证某一区引入刺槐合适与否，刺槐林土壤质量状况合适与否，为以后的植树造林提供科学参考。

图1 研究区样点分布

2 评价指标

土壤是植被生长最重要的载体，土壤质量的恢复是生态重建的重要内容，土壤质量状况在很大程度上影响甚至决定了退耕还林还草工程植被恢复重建的生态效益[5]。土壤质量评价指标体系包括的土壤物理属性指标、土壤化学属性指标和土壤生物属性指标[5]共同影响着退耕还林还草工程的生态效益，为合理评估退耕还林还草工程土壤质量提供了方向。

2.1 林下土壤理化性质指标

土壤物理化学性质是影响植被生长的主要环境因子之一。在土壤-植被系统中，土壤和植被之间具有相互反馈效应，植被恢复过程是通过增加地表枯落物的腐烂来增加地下有机物的输入最终来影响土壤物理化学性质[6]，反之，土壤物理化学性质的变化也会通过根系吸收利用来影响地上植被恢复状况。特别是在黄土高原地区，其土壤物理化学性质的特殊性，使土壤物理化学性质成为该区域退耕还林还草工程植被恢复的主要限制因子[7]。

土壤物理性质可以间接地反映地上植被恢复进程和恢复效果。土壤容重的降低和团聚体稳定性的增强，能改善土壤持水能力和入渗性能[8]，促进土壤物理性质的恢复以及地上植被的恢复。土壤容重作为指示土壤质量健康状况的一个指标，可以间接反映地上植被恢复状况[9]。土壤团聚体是构成土壤结构的基本单元，能够影响植物生长所需的养分和水分、空气的移动与运输，其稳定性和抗蚀性状况均与植被状况密切相关[10]。

土壤化学性质作为直接影响植物生长的重要因素，很大程度上可以直接反映植被恢复状态与进程。土壤化学性质的变化，表现为土壤C、N、P等元素含量的变化，土壤C、N、P等这些元素能够直接被植物根系吸收，影响植被恢复生长。土壤有机质是衡量土壤肥力状况的一个重要指标，土壤氮元素是植物生长必须的营养元素之一，土壤全磷含量对植被种的分布起到重要作用[11]，这些元素含量的变化对植被生长起到重要作用，能反映地上植被恢复状况。温仲明等[12]研究发现随着植被演替进程的发展，土壤全磷含量呈现出逐渐增大的趋势。周厚成等[13]研究发现随着退耕年限的增加，植被凋落物量呈现增加趋势，土壤氮、土壤磷含量均呈现出不同程度的增加趋势，这进一步促进了植被恢复的发展。同样，大量研究表明在植被恢复的过程中，土壤养分含量和有机质含量均呈现逐渐增加的趋势，土壤养分状况的改善也会进一步促进植被恢复的进程[14～16]。以上研究均表明地上植被恢复状况会影响地下土壤物理化学性质的变化，地下物理化学性质的变化不仅可以反映土壤质量的变化规律，还能间接反映地上植被恢复状况，对合理评估退耕还林还草工程效益提供了有力支持。

随着人工刺槐林的生长，土壤肥力状况也逐渐增加。刘栋[17]研究发现随刺槐生长年限的增加氮素含量呈现出逐渐增加的趋势，经过30年的恢复，土壤氮素肥力得到了很大提高。张杨[17]研究表明随着刺槐恢复年限的增加，全氮、全磷、全钾含量增加，土壤速效氮、速效磷和速效钾含量水平也显著增加，且刺槐土壤容重和土壤含水量也随着恢复年限增加而呈现增加趋势。赵娜等[18]研究发现随着退耕年限的增加，刺槐人工林表层土壤养分的富集作用越来越显著，土壤物理性状得到改善，养分含量增加。胡婵娟等[19]研究发现随植被恢复年限增加，刺槐林的土壤pH值呈现逐渐下降的趋势，但是土壤有机质和全碳呈现逐渐增加的趋势。刘栋等[20]研究发现随着刺槐林恢复年限的逐渐增加，土壤硝态氮、铵态氮以及有机氮含量也呈现增加趋势。

综上所述，土壤物理化学性质的变化能够表征人工刺槐林下土壤质量状况以及刺槐林生长的环境状况，可以通过土壤环境的变化研究来推测刺槐的生长条件，为合理评价退耕还林还草工程土壤质量状况以及生态效益提供方法和思路。

2.2 林下土壤微生物指标

土壤微生物作为土壤生态系统的重要组成部分，也是土壤质量评价的重要指标，不仅能分解矿化有机质、动植物残体，还能促进腐殖质和团聚体的形成，以及在维持土壤生态系统的平衡方面发挥重要作用[21]，同时，对土壤微生物的监测能够很好的反馈植被恢复的效果，便于及时对植被恢复状况作出评价[22]。其中，土壤微生物多样性和活性作为土壤微生物的一个重要指标，是衡量土壤质量状况的关键。土壤微生物生物量较大程度上代表着土壤活性有机质的储量[23]，能够有效的反馈地上植被恢复状况。所以，了解土壤微生物的多样性、活性和生物量，能够更好地理解土壤微生物在植被生长和养分循环过程中的作用，对于黄土高原退耕还林还草工程及植被恢复重建具有重要意义。

以往研究常常忽略了土壤微生物多样性的变化对植被恢复的影响，这很大程度上是因为直接控制微生物群落的物种多样性、丰富度和功能类群的实验操作非常困难。但是，大量研究表明土壤微生物群落的群落结构和功能多样性对生态系统的养分循环起到重要作用[24]，从而一定程度上影响植被恢复。土壤微生物多样性，即指土壤生态系统中所有的微生物种类、基因以及其与环境之间相互作用的多样化程度。一般认为，土壤微生物多样性存在于基因、物种、种群以及群落等4个层面，是土壤生态系统的一个基本生命特征，也是时间和空间的函数[10, 25]。土壤微生物量是土壤中养分的活性部分[26]，在物质养分循环中起到积极促进作用，是植物营养的源和库，此外，还能反映调控土壤物质能量循环和有机物转化的微生物数量。而微生物量碳、氮是表征土壤中的活性有机碳、氮的重要指标，对土壤状态的变化极其敏感和迅速，被作为评价土壤生物质量的指标来反映地上植被恢复情况[27]。

随着退耕还林还草工程的进行以及刺槐人工林的恢复，刺槐林下土壤微生物状况也在逐渐产生变化。赵娜等[18]，薛萐等[28]研究都发现随着退耕年限的增加，刺槐人工林土壤微生物生物量显著提高。曾全超等[29]，胡婵娟等[19]研究均发现人工刺槐林对土壤碳氮库的增加有一定的促进作用。此外，王风芹等[30]研究发现刺槐土壤微生物量碳、氮含量随恢复年限增大而升高，尤其是土壤微生物量氮含量显著提高。刘栋等[20]研究发现随着人工刺槐林生长年限的增加，土壤微生物活性也呈现增加趋势。闵红等[31]研究发现随种植人工刺槐年限增长，土壤微生物数量显著增加，细菌与真菌数量均呈现为先增加后减少，到40年时再增加的变化规律。

综上所述，土壤微生物群落的变化可以表征土壤质量的变化状况，从而反映刺槐林下土壤质量状况以及刺槐林的生长状况，并可以为退耕还林还草工程评价提供合理的评价指标。

3 评价方法

3.1 样地的选择及样品采集

根据水热环境梯度变化和植被类型的地带性差异，在延河流域每个植被区内选择人工刺槐林群落和乡土植物群落(草原区、森林草原区和森林区)作为研究对象，将人工飞播栽植的人工刺槐林与乡土植物进行对比分析，便于合理评估不同植被区内部退耕还林还草工程的生态效益。同时，随着植被梯度的变化，将三个不同植被区之间的人工刺槐林进行比较分析，便于合理评估退耕还林还草工程在不同植被之间的生态效益，为后续植被恢复提供支持。

在每个植被区内至少选择3个立地环境尽量相近(坡位、坡向等)的20 m×20 m的刺槐林群落样地及与其一一对应的乡土植物群落样地，以保证数据的稳定和正确性。在样地内进行土壤样品采集：去除表面植物残体和石头，呈“S”形选取五个同一深度的土壤样品，混合均匀为一个样品。分别选取不同深度土层的土壤样品，过2 mm筛，装入无菌样品袋，用冰盒冷藏带回实验室。一部分风干后用于理化性质的测定，为更好反映土壤理化性质的变化提供依据；一部分储存在4 ℃冰箱，用于土壤微生物功能多样性测定，另一部分储存在-80 ℃超低温冰箱，用于土壤微生物和群落结构的测定，土壤微生物的研究为评价退耕还林还草工程恢复效益提供依据。

3.2 土壤理化性质测定

主要测定土壤全碳(Total Carbon, TC)、全氮(Total Nitrogen, TN)、全磷(Total Phosphorus, TP)、土壤pH值和土壤水分(soil moisture content, SMC)来表征土壤理化性质。具体测定方法参照土壤理化分析一书[32]。

3.3 土壤微生物多样性测定

3.3.1 土壤微生物功能多样性测定

土壤微生物功能多样性用Biolog ECO微孔板方法测定[33]，具体步骤参照李超然等人文章。

3.3.2 土壤微生物群落结构测定

群落结构的测定主要包括土壤宏基因组DNA提取、PCR定量分析、测序数据的处理和分析三步。其中，土壤宏基因组DNA采用MP试剂盒来提取，提取方法参照试剂盒说明书。后续PCR定量分析和测序数据的处理均交由广州基迪奥公司进行处理。

3.3.3 土壤微生物量碳、氮测定

调节新鲜土壤样品含水量至饱和持水量的60%后，将土壤样品置于广口瓶内，用保鲜膜封口，并放于25 ℃恒温培养箱内培养7 d，之后进行微生物量碳、氮的测定。

微生物量碳氮采用氯仿熏蒸-浸提法，微生物量碳和氮用硫酸钾浸提，浸提液中有机碳用全自动有机碳分析仪测定，转换系数取0.38；浸提液中全氮用凯氏法消煮-全自动定氮仪测定。

4 退耕还林还草工程综合评价

针对不同植被区刺槐恢复状况的差异性，分别采用单因素方差分析和Tukey检验将各植被区内刺槐与乡土植物地下土壤理化性质和土壤微生物指标进行比较分析，探明在不同环境梯度下刺槐的生长状况与乡土植物的差别，合理评估退耕还林还草工程中刺槐生长的生态效益。并且，将不同植被区之间的刺槐林下土壤状况及土壤微生物指标进行比较，探索随着环境梯度变化刺槐林土壤质量的变化状况趋势，合理评估刺槐林在不同环境梯度之间的生长状况，为评估退耕还林还草工程生态效益提供思路。

在森林区、森林草原区、草原区三个植被区内，刺槐林与乡土植物林下土壤理化性质和土壤微生物指标的比较，可以得出刺槐在不同植被区内生态效益状况的好坏。假如在草原区，刺槐林的土壤理化性质和土壤微生物指标均好于乡土植物，表明刺槐在草原区的引进是合理的，提高了乡土植物的理化性质和微生物指标，在草原区的退耕还林还草工程中是值得推广的。依次可以来比较三个植被区内退耕还林还草工程的生态效益。

随着植被区从草原区到森林草原区再到森林区的变化，刺槐林下土壤理化性质和土壤微生物指标之间存在一个变化趋势，表明刺槐在不同环境梯度下的生长恢复状况存在差异，为合理评估退耕还林还草工程提供了一种新思路。

5 结语

黄土丘陵区退耕还林还草工程中植被恢复的研究工作从1999年开始，又由于退耕还林还草是植被重建的关键，使得这依旧是众多学者研究的热点。近年来，黄土丘陵区植被恢复工作取得显著成效，水土流失得到有效遏制，植被生长得以恢复，以往评价退耕还林还草工程效果的做法是用土壤理化性质来检验其退耕林地土壤质量，对微生物没有关注度，但本文认为土壤微生物也能够很好的反映土壤质量，在评估其生态效益时也应予以考虑，需综合全面地评价退耕还林还草工程后土壤质量状况。所以，寻找综合评价土壤质量方法和指标来评估退耕还林还草工程实施后土壤质量状况，是非常必要的。

EvaluationofLandQualityAfterReturningFarmlandtoForestandGrasslandProjectinYanheRiverBasin

Zhang Jing1,2, Li Pengzhan3

(1.ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi, 710075,China; 2.InstituteofLandEngineeringandTechnology,ShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi, 710075,China;3.Yan`anBranchofShaanxiProvincialLandEngineeringConstructionGroupCo.,Ltd.,Yan`an,Shaanxi, 716000,China)

Abstract: The returning farmland to forests and grassland project has been implementedin China for more than ten years. Soil erosion has been restrained;the effect of wind and sand fixationhave been remarkable;ecological environment has been restored; and the project have been achieved initially. At present, the evaluation of the project of returning farmland to forests and grasslands tends to be qualitative and unilateral. The methods and indexes for evaluating the ecological benefits of the project of returning farmland to forests and grasslands have not been formed yet. This paper attempts to take Yanhe River basin in the Loess Hilly and Gully Region as a representative area to evaluate the soil physical and chemical properties and soil microbial condition under RobiniaPseudoacacia forest.The above-ground vegetation restoration isreasonably reflected so as to rationally evaluate the land quality of the project of returning farmland to forests and grasslands.

Keywords: RobiniaPseudoacacia;returning farmland to forests and grasslands;evaluation of land quality;Yanheriver basin