黄土丘陵典型草原土壤理化性质对生态恢复措施的响应

2019-04-23宿婷婷马红彬1周瑶贾希洋张蕊张双乔胡艳莉

草业学报 2019年4期

宿婷婷，马红彬1,*，周瑶，贾希洋，张蕊，张双乔，胡艳莉

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏银川 750021；2.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；3.宁夏云雾山草原自然保护区管理处，宁夏固原 756000)

土壤是植物生长、动物生存和微生物活动的主要场所[1]。土地肥力是土壤的基础[2]，植物生长所需营养元素由土壤供给，同时地上植被的分解转化可提高土地肥力[3]。生态恢复可促进植物生长，对土壤性状及生态环境的改善具有积极作用[4]。研究表明，草地的管理和生态恢复方式影响着土壤理化性状。退化草场在封育、浅耕翻和耙地改良后土壤碳、氮增加[5]；沙化草地经过草本植物、灌木及灌草结合恢复模式能降低土壤容重，增加孔隙度和土壤含水量[6]；黄土丘陵区人工植被恢复提高了土壤可溶性氮组分含量[7]；灌草间作模式可增加沙化草地土壤总有机碳含量[8]。土壤质量是土壤在生态系统界面内维持生产、保障环境质量、促进动植物健康的能力[9]。生态恢复建设的成效取决于土壤质量的演变，只有土壤质量逐步提高，才能使系统达到较高的生态平衡和良性循环[10]。前人研究发现华北低丘山地人工造林改善了土壤质量[11]；库布齐沙地自然恢复的油蒿(Artemisiaordosica)群落对土壤质量的改良效果显著优于人工种植的中间锦鸡儿(Caraganaintermedia)群落[12]；黄土丘陵沟壑区水平阶整地种植欧李(Cerasushumilis)土壤质量高于油松(Pinustabulaeformis)林地[13]。土壤理化性质是土壤质量的重要指标，良好的土体结构有利于水分的蓄积，影响植物对有效养分的利用[14]。可见，不同恢复措施对草地土壤影响明显，研究生态恢复措施对草地土壤理化性质和土壤质量的影响对草地生态建设具有重要意义。

由于气候变化和长期超载放牧等原因，黄土高原丘陵区植被破坏严重，草地退化导致生产力和多样性降低，水土保持能力减弱，土地肥力下降[7]。宁夏黄土高原丘陵区地处宁夏南部山区，地形起伏大，主体植被为典型草原。在生态保护和恢复中，宁夏黄土丘陵区在典型草原实施了围栏封育、水平沟及鱼鳞坑工程措施来恢复植被。研究发现，封育能增加草地植被盖度、提高草地生产力、改善土壤结构、促进土壤肥力使草地得以恢复[15-16]，是退化草地生态恢复的有效方法[17]。水平沟工程措施在一定程度上改变了局部的小环境，表层土壤养分流失更少[18-19]。鱼鳞坑的拦蓄能力高于草地[20]，其生境的异质性促成了较高的植物群落多样性[21]。目前，有关黄土丘陵区水平沟或鱼鳞坑措施对土壤植被变化已开展了一些研究[18,20-22]，但对恢复时间较长的水平沟、鱼鳞坑措施下的土壤理化性状变化、土壤质量方面的研究报道较少，还需进一步深入研究。为此，基于黄土丘陵区草地生态建设实践，本研究以封育、鱼鳞坑和水平沟恢复措施下黄土丘陵典型草原土壤颗粒组成、持水性、孔隙状况、土壤养分、土壤质量变化等进行研究，以期为该区退化草地生态建设提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于宁夏固原市原州区东北云雾山国家草原自然保护区，地处东经106°21′-106°27′，北纬36°10′-36°17′，属黄土高原丘陵区。海拔1800～2100 m，属于典型的中温带大陆性气候。年均气温5 ℃，≥0 ℃的年积温2882 ℃，无霜期137 d，年降水量445 mm。地带性土壤为山地灰褐土，地带性植被为典型草原，主要植物有本氏针茅(Stipabungeana)、大针茅(Stipagrandis)、伴生有百里香(Thymusmongolicus)、铁杆蒿(Artemisiasacrorum)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、赖草(Leymussecalinus)、西山委陵菜(Potentillachinensis)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。多年的生态建设，使该区分布有大量的水平沟和鱼鳞坑。

1.2 样地选择

在实地调查的基础上，海拔、坡度和坡向相近地段，选取放牧草地(对照)、封育、水平沟和鱼鳞坑生态恢复实施15年的草地为研究对象，共4个处理，其中水平沟和鱼鳞坑整地后辅以封育。各处理样地坡度为25°～30°，其他基本情况见表1。在每个处理样地中，沿等高线等距设置3个100 m×100 m调查样地。

表1 样地基本情况Table 1 Sample ground conditions

1.3 样品的采集与测定

于2016年8月分别在每个调查样地内采集土样。采集时沿等高线等距设置5个采样点，用环刀分0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm土层取样，用于容重、持水量和孔隙度测定；用土钻在各点分层取土，剔除土样中植物根系、石块等非土样组成部分，带回实验室自然风干，均匀混合后按照四分法分别取土样进行研磨、过筛处理，用于土壤粒径分布和养分的测定。土壤取样的同时，在各调查样地内沿等高线等距设置3个1 m×1 m样方，记录植物组成，测定植物的盖度和地上生物量，其中盖度采用针刺法，生物量采用刈割法[21]。

土壤容重、毛管持水量、饱和持水量和田间持水量采用环刀法采集原状土带回实验室测定[22]。将环刀(带垫有滤纸的孔盖)有孔一端向下放置在一盆中，盆中加水至环刀上沿，浸润12 h称量可得土壤饱和含水量，然后将环刀放置在平铺的干砂上2 h称重，得毛管持水量，继续放置在平铺的干砂上24 h称重，得田间持水量。最后将环刀在105 ℃烘干至恒重称量得土壤容重。

采用油浴重铬酸钾氧化法测定土壤有机质含量，采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量，采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量，采用钼锑抗比色法测定土壤全磷含量，采用火焰光度计法测定土壤速效钾含量；采用Microtrac S3500激光粒度分析仪(美国麦奇克有限公司)测定土壤颗粒组成[23]。

1.4 数据处理与分析

用Excel 2010初步处理数据和制图，用DPS 7.05软件进行单因素方差分析，结果均以“均值±标准误”表示；根据测定数据，计算以下指标：

1.4.1土壤粒径分形维数采用王国梁等[24]推导的体积分形维数公式，其推导式为：

(1)

式(1)两边同时取对数得

(2)

式(2)中左边为纵坐标，右边为横坐标做拟合方程，求出斜率值，分形维数值(D)为3与斜率的差值。式中：V为小于粒径R的土壤累积体积；VT为测定的土壤总体积；R为表示粒级间粒径的平均值；λV为土壤粒径分级中最大粒径，本研究中土壤最大粒径为2000 μm。

1.4.2土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度[25]

非毛管孔隙度=(饱和持水量-毛管持水量)×土壤容重×100%
毛管孔隙度=毛管持水量×土壤容重×100%
总孔隙度=非毛管孔隙度+毛管孔隙度

1.4.3土壤质量评价指标选择及综合指数(soil quality index,SQI)计算土地肥力的变化取决于植被与土壤的相互作用和植被根系对土壤结构的改善。因此，本试验基于土壤理化性状变化，参考许明祥等[26]和白文娟等[27]的研究结果，依据土壤质量指标的有效性和敏感性，选择容重、颗粒组成、田间持水量、毛管孔隙度、总孔隙度、有机质、全氮、碱解氮、全磷和速效钾作为土壤质量评价指标。由于土壤因子的相互作用，用具有连续性的隶属度对各土壤因子指标进行标准化处理，同时用主成分评价因子作用的正负性来确定隶属度的升降型，其中土壤容重、砂粒采用降型函数(4)式，其他土壤因子指标则用(3)式。

首先对所选指标进行无量纲化处理，

Q(Xi)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(3)

Q(Xi)=1- (Ximin-Xij)/(Ximax-Ximin)

(4)

式中：Q(Xi)为第i项土壤质量评价指标的隶属度值；Xij为各土壤质量评价指标测定值；Ximax和Ximin分别为第i项土壤质量评价指标测定值中的最大值和最小值。

各个土壤质量指标的重要性不同，用权重系数来表示各指标的重要性程度。运用主成分分析法，分别计算各土壤质量指标的主成分负荷量、特征值、方差贡献率和累计方差贡献率，进而计算各土壤质量指标在土壤质量评价中的权重(Wi)[28]：

(5)

式中：Component capacityi是第i项土壤质量因子的因子负荷量；n为敏感性评价指标的个数。

对土壤质量指标值进行加乘合成，计算不同恢复措施草地土壤质量综合指数(SQI)：

(6)

式中：n为敏感性评价指标的个数；m为所选主成分个数；k为第j个主成分的方差贡献率。

2 结果与分析

2.1 不同恢复措施土壤粒径分布和分形维数

土壤粒径分布是土壤物理基本特征之一，通过定量描述土壤粒径，可以研究土壤的形成和结构。分形维数(D)是判别土壤质地的重要指标，一般来说土壤分形维数越大，土壤抗侵蚀能力越强[29]。由表2可知，试验区土壤粒径分布以粉粒为主，黏粒最低。各处理下，0～40 cm土壤黏粒以水平沟措施黏粒含量最高，其他3个处理间无显著差异；土壤粉粒以放牧草地最高，鱼鳞坑最低；土壤砂粒含量以鱼鳞坑最高。除水平沟和鱼鳞坑措施下土壤黏粒含量分别以0～10 cm、10～20 cm较低外，其他处理下土壤粒径分布垂直变化不显著(P>0.05)。0～40 cm土层土壤颗粒体积分形维数依次为水平沟>封育>鱼鳞坑>放牧。

表2 不同恢复措施下土壤粒径分布及其分形维数特征Table 2 Characteristics of soil particle size distribution and fractal dimension under different restoration measures

注：数据均以平均值±标准误表示；同列不同大写字母表示不同处理间差异显著，同列不同小写字母表示同一处理不同土层间差异显著(P<0.05)。

Note: Data are expressed as mean±standard error; different capital letters in the same column indicate significant differences among different treatments, and different lowercase letters in the same column represent significant differences among different soil layers (P<0.05).

2.2 不同恢复措施对土壤容重、持水性和孔隙度的影响

土壤容重反映土体的结构、持水性和透气性，与土壤质地、有机质含量以及管理方式密切相关[30]。由表3可以看出，0～40 cm土层放牧草地容重最高，为1.14 g·cm-3，土壤毛管持水量、饱和含水量、田间持水量以及总孔隙度放牧草地最低，其他3个处理间无显著差异；各处理下土壤非毛管孔隙度和毛管孔隙度无显著差异(P>0.05)。除封育草地毛管持水量、饱和含水量、田间持水量和总孔隙度在30～40 cm土层较低外，其他处理下土壤容重、持水性和孔隙度垂直变化差异不显著(P>0.05)。

2.3 不同恢复措施对土壤养分含量的影响

不同处理下土壤养分含量变化各异(图1)。0～40 cm土层土壤有机质、全氮和碱解氮含量为封育>放牧>鱼鳞坑>水平沟，全磷含量变化为放牧≈封育>鱼鳞坑>水平沟，速效钾含量变化为放牧>封育>水平沟>鱼鳞坑(P<0.05)。垂直变化方面，除鱼鳞坑碱解氮在10～20 cm土层较高、水平沟全氮在10～20 cm较高外，其他处理下0～40 cm土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效钾含量总体随土层加深而下降(P<0.05)。

表3 不同恢复措施草地对土壤容重、持水性和孔隙度的影响Table 3 Effects of different restoration measures on soil bulk density, water holding capacity and porosity

注：数据均以平均值±标准误表示；同行不同大写字母表示处理间差异显著，同列不同小写字母表示同一处理不同土层差异显著(P<0.05)。

Note: Data are expressed as mean±standard error; different capital letters in the same row represent significant differences among treatments, and different lowercase letters in the same column represent significant differences among different soil layers (P<0.05).

图1 不同恢复措施下土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷和速效钾含量Fig.1 The content of soil organic matter, total nitrogen, alkaline nitrogen, total phosphorus and available potassium under different restoration measures 不同大写字母表示不同处理间0～40 cm土层差异显著，不同小写字母表示同一处理不同土层差异显著(P<0.05)。Different capital letters indicate significant differences in 0-40 cm soil among different treatments, and different lowercase letters indicate significant differences in the same treatment with different soil layers (P<0.05).

2.4 土壤质量的综合评价

2.4.1评价指标隶属度值和权重的确定应用主成分分析法，对土壤理化指标进行无量纲化处理，得到不同恢复措施下土壤质量指标的隶属度值(表4)。对各评价指标进行降维，确定主成分，其2个主成分特征值均>1，计算不同主成分土壤指标权重(Wi)[1,28]，如表5所示。从特征值和方差贡献率得出，各主成分评价指标的影响大小为主成分1>主成分2。一般认为，因子的负荷量越大，其在对应主成分中的权重也越大[11]，土壤容重、田间持水量、毛管孔隙度、总孔隙度和速效钾含量指标为土壤质量的驱动因子。

2.4.2不同恢复措施下土壤质量评价不同处理下土壤理化性状变化不尽相同，体现了土壤因子变化的复杂性。为了更加直观、综合反映不同处理对土壤理化性状影响的综合效果。根据土壤指标隶属度值(表4)及权重值(表5)，依据(6)式计算不同恢复措施下土壤质量综合指数，结果表明(图2)，放牧、封育、水平沟和鱼鳞坑措施土壤质量综合指数为0.337、0.719、0.348和0.281。可见相对于对照(放牧草地)，封育更有利于草地土壤理化性质的改善，水平沟措施作用效果不明显，而鱼鳞坑措施土壤质量低于放牧草地。

表4 不同恢复措施下土壤质量因子及其隶属度Table 4 Soil quality factors and their degree of membership under different restoration measures

A：土壤质量因子数值Value of the soil quality factors; B：土壤质量因子隶属度值Membership function value of the soil quality factors.

表5 主成分贡献率与土壤指标权重Table 5 Values of component capacity and weights of the soil indexes

3 讨论

土壤颗粒组成、容重、持水性和孔隙度是表征土壤水分及物理性质的重要指标，决定着土壤中水、气、热和生物状况，封育是草地的自我修复、维持生态平衡和实现草地恢复的主要措施[31]。目前关于封育对草地恢复过程中群落结构、植被物种组成以及土壤理化性状的研究已有大量报道[32-34]。普遍得出，封育能增加地上生物量，对土壤理化性状的改善具有积极作用，也有报道发现，长期封育凋落物的积累造成生物多样性的减少[35]。草地地上植被与土壤相互作用形成统一的整体。本研究结果表明，不同恢复措施下，土壤理化性质差异显著。水平沟土壤颗粒组成分形维数增加明显，封育草地次之，可见水平沟对土壤颗粒有明显的拦截作用，能增加土壤中黏粒含量比例，起到蓄水保土的作用[18,36]。放牧草地家畜采食降低草地植物群落的高度和叶片面积，植物对降水的截留减小，径流增加，草地土壤抗蚀性减弱；鱼鳞坑也有拦蓄截流的作用，其效果不如封育草地显著，可能与地上植被的盖度有关[37]。

图2 不同恢复措施下土壤质量综合指数Fig.2 Comprehensive index of soil quality under different restoration measures

前人研究发现随着封育年限的增加，草地枯落物量和厚度呈递增趋势，枯落物的返还使得土壤容重减小[35]。本研究中，相比放牧草地，封育、水平沟和鱼鳞坑恢复措施土壤容重均降低，持水性和总孔隙度增加，说明封育排除家畜采食和蹄践作用，草地自然更新增加地上生物量和枯枝落叶的积累，促进了植物根系生长，改善土壤物理特性[38-39]。草地干扰因素的减小有利于草地的自我修复[40]。有研究表明，封育时间的延长能增加土壤有机质、全氮及碱解氮含量，但对全磷含量影响较小[41]。本研究中，封育能显著的增加土壤有机质、全氮、碱解氮含量，与前人的研究并不完全一致[42]。但与王玉红等[16]研究发现草地土壤干扰越小，越有利于土壤养分的增加结果较为一致。放牧草地虽然有机质、全氮和碱解氮含量低于封育草地，但高于水平沟和鱼鳞坑，而且全磷含量与封育草地接近，速效钾含量显著高于封育草地，这与家畜采食促进了土壤养分的转化[43]、排泄物的返还增加了土壤养分[44]有关。土壤肥力的增加主要来源于动植物残体和根系分泌物，在适宜水热状况下，经过微生物的分解作用重新返还土壤，因此土壤养分在土壤中的分布呈“具表效应”[45-46]，但本研究中，由于水平沟和鱼鳞坑整地使土层结构发生了改变，土壤养分垂直变异性下降。

土壤质量是土壤各因子的综合体现，土壤质量评价以土壤功能为基础，能体现自然因素和人类活动对土壤的综合影响[47]。在土壤质量定量评价方法中，以主成分的方法应用最为广泛[48]。土壤质量的变化受凋落物和人类干扰的影响，本研究中封育草地的土壤质量得分最高，主要与地上植物枝、叶的返还量有关。水平沟和鱼鳞坑整地破坏地上原有植被，植物生长对土壤养分的需求增加，此外植被枯落物的返还量小，呈现“供”“还”关系的不平衡，致使水平沟和鱼鳞坑处理土壤质量评价得分低于封育草地。这与前人研究发现人工造林生态恢复和植被自然恢复对土壤质量的影响结论相似[10]。

水平沟和鱼鳞坑整地是宁夏黄土丘陵区乃至周边地区在典型草原采取的较为普遍生态恢复工程措施，这是因为他们能够拦蓄坡地径流、减少水土流失。土壤质量评价结果表明封育措施最优，这说明在黄土丘陵区草地恢复过程中，应当全面考虑，合理实施封育、水平沟和鱼鳞坑措施。本研究基于生产实践，对宁夏黄土丘陵区恢复时间较长的水平沟、鱼鳞坑措施下的土壤理化性状和土壤质量进行了进一步深入研究，对当地退化草地生态建设具有重要意义，但由于客观原因，土壤微生物及酶活性等生物学性状没能测定，还需要今后进一步研究。