退耕还林与还草对土壤理化性质及分形特征的影响——以宁夏荒漠草原为例

常海涛，赵娟，刘佳楠，刘任涛*，罗雅曦，张静

(1.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

由于人口、经济增长及长期的土地开发利用，导致我国西部地区大部分草地和耕地退化，致使区域土地生产力下降和生态环境恶化，严重制约了区域经济社会的可持续发展和生态文明建设效益[1]。为改善不利因素对生态环境的影响，我国实施了退耕还林与还草工程，即在对土地资源适宜性评估的基础上，以因地制宜、适地适树为宗旨，将耕地转变为林地或草地，进而实施改善区域生态环境的林草植被恢复措施，促进农村经济结构调整及提高农民生活水平[2-3]。宁夏盐池县荒漠草原是我国水土流失、生态环境脆弱区域，自退耕还林与还草工程实施以来，风沙危害降低，土壤理化性质得到改善，有效遏制了草地退化、水土流失等一系列问题[4-5]，为区域植被恢复及生态环境改善提供了有利条件。其中，退耕还林与还草是区域生态恢复措施的两个不同模式，其不仅与物力、人力的投入情况相关，而且亦将影响到土壤-植被系统的恢复进程与效果。因此，研究宁夏荒漠草原退耕还林与还草对土壤理化性质及分形特征的影响，对于该区域采取合适的生态恢复措施、开展人工林建设、促进退化生态系统有效恢复均具有重要意义。

近年来，国内外学者就退耕还林与还草工程做了一系列研究，主要侧重于土壤结构变化[6]、土壤细菌及微生物[7-8]及土壤侵蚀[9]等诸多方面。于艳华等[10]在遥感和地理信息系统(geographic information system, GIS)技术结合下通过对科尔沁沙地景观结构变化分析得出，当农田退耕为林地与草地时，其土壤结构逐渐向均质、稳定的方向发展。鹿士杨等[8]通过对喀斯特峰丛洼地不同退耕还林还草模式的土壤微生物特性研究表明，不同退耕还林还草模式能改善土壤微生物特性。崔晓临等[9]在研究退耕还林还草工程对洛河流域土壤侵蚀的影响中发现，退耕还林还草工程实施对土壤侵蚀具减缓作用。土壤是植被生长发育的载体，为植物生长提供所需的水分及营养元素，同时植被在生长过程中通过产生凋落物和根系分泌物来调节土壤理化性质，改善土壤肥力[11]。但是，关于宁夏荒漠草原区退耕还林与还草对土壤理化性质影响的研究报道较少。并且，土壤粒径分布(soil particle size distribution, PSD)是土壤重要的物理特性之一[12]。运用土壤粒径分形维数，不仅能反应土壤质地、粒径分布、肥力以及土壤通透性等，还可以模拟和预测土壤水分特征，近年来被广泛应用[13]。目前，已有关于土地利用和地貌类型对土壤分形维数影响的研究报道[14-15]。但是，退耕还林与还草过程中土壤理化性质演变及其分形维数特征尚不清楚。

鉴于此，以宁夏荒漠草原区为研究对象，分别选取了农田、退耕还草地、退耕还林地和天然草地作为研究样地，测定不同土地利用类型的土壤理化性质和土壤粒径分布特征，运用分形模型计算土壤粒径分布的分形维数，阐明退耕还林与还草过程中土壤理化性质演变规律及其分形维数特征，旨在为该区域人工林建设、草地管理与退化生态系统有效恢复提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于宁夏盐池县境内(37°49′ N，107°30′ E)。属典型中温带大陆性季风气候。该区年均气温 7.7 ℃，最热月(7月)平均气温 22.4 ℃，最冷月(1月)平均气温 -8.7 ℃，积温为2751.7 ℃；年均降水量为 289 mm，年际变化率大，降水主要集中在夏季，占全年降水量的60% 以上。年潜在蒸发量2710 mm。年无霜期120 d。年均风速 2.8 m·s-1，春冬两季风沙天气较多，每年5 m·s-1以上的扬沙多达323次。该区域地带性土壤主要有黄绵土、灰钙土和淡灰钙土；非地带性土壤主要有风沙土、盐碱土和草甸土等。地表植被主要包括猪毛蒿(Artemisiascoparia)、山苦荬(Ixerischinensis)、中亚白草(Pennisetumcentrasiaticum)和牛枝子(Lespedezapotaninii)等。

1.2 研究方法

本研究选取的样地土壤类型、坡度等本底条件基本一致，且主要以风沙土为主。农田(玉米田)通常来自土壤肥力较好的天然草地，其开垦后种植作物多为玉米(Zeamays)，但往往在耕作6年之后由于农作物产量下降而导致弃耕，且在干旱风沙条件下易造成土壤退化、沙化。因此，在弃耕后的农田周围设置围栏进行封育而形成退耕还草地；在严重沙化地段，人工种植柠条林进行防风固沙而形成退耕还林地。天然草地则是由于退化草地施行禁牧政策而逐渐恢复形成的一种土地类型。不同土地利用类型地表草本植被的基本情况见表1。

表1 不同土地利用类型草本植被特征Table 1 Herbaceous vegetation characteristics of different land use types

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note: Different small letters in the same column indicate significant differences at theP<0.05 level. The same below.

1.2.2土壤样品处理与测定 用铝盒取部分新鲜土样用于土壤含水量测定。其余土壤样品过2 mm筛，去除其中的杂质，如草根和叶片等，然后在自然状态下风干后，测定土壤pH、电导率、土壤有机碳和全氮含量以及土壤粒径组成。

土壤含水量(%)采用烘干称重法进行测定(105 ℃，24 h)。土壤pH和电导率(μS·m-1)均采用1∶5土水比浸提后，分别使用PHS-3C酸度计及便携式电导率仪(雷磁DDSJ-308F)进行测定[16]。土壤有机碳(%)和全氮(%)通过元素分析仪(意大利DK6,UDK140分析仪)测定其百分含量。土壤粒径组成采用Mastersizer 3000 激光衍射粒度分析仪进行测定。根据美国农业部(USAD)制定的土壤质地分级标准划分土壤质地：粗沙粒(250～1000 μm)、细沙粒(100～250 μm)、极细沙粒(50～100 μm)、黏粉粒(<50 μm)[13]。

Tyler等[17]提出，利用土壤粒径体积分布数据导出的分形模型对计算分形维数更精确且直接。本研究根据此模型计算分形维数，公式为：

D=3-lg[V(r

式中：D是土壤颗粒分形维数；V(r

通过对于某一土壤各级粒径的土壤含量进行整理，并以lg(V(r

1.3 数据处理与分析

采用SPSS 20.0软件进行数据统计分析。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较法(multiple comparison methods)分析不同数据组间的差异，采用Spearman相关系数分析不同指标间的相关性。显著水平为P<0.05。

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2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

2.1.1土壤含水量 由图1可知，农田实施退耕还林与还草工程后，土壤含水量受不同土地利用类型及季节变化的影响，总体表现为农田>退耕还草地>天然草地>退耕还林地，其值变化范围分别为3.32%～8.67%、1.37%～4.73%、0.85%～4.85%和0.66%～3.70%。在春季、夏季和秋季3个季节内，土壤含水量均表现为农田显著高于退耕还草地、退耕还林地和天然草地(P<0.05)，而后3种土地利用类型间则无显著差异。不同季节内， 农田、退耕还林地、退耕还草地和天然草地的土壤含水量均表现为秋季显著高于春季和夏季(P<0.05)，而后2个季节间无显著差异。

图1 随季节变化不同土地利用类型的土壤含水量Fig.1 Soil moisture content of different land use types change with season 不同字母代表不同处理间的差异性(P<0.05).下同。Values with different letters show significant difference among different treatment at the P<0.05 level. The same below.

2.1.2土壤pH和电导率 由图2A可知，退耕还林与还草过程中土壤pH不仅受不同土地利用类型的影响，亦受到季节变化的调控。同一季节不同土地利用类型，春季土壤pH表现为农田、天然草地均与退耕还草地、退耕还林地间存在显著差异(P<0.05)，而后2种土地类型间无显著差异。夏季土壤pH表现为农田、退耕还林地均与退耕还草地、天然草地间存在显著差异(P<0.05)，而后2种土地类型间无显著差异。秋季土壤pH在农田、退耕还草地、退耕还林地和天然草地间均无显著差异(P>0.05)。不同季节内，农田土壤pH表现为春季、夏季和秋季3个季节间差异显著(P<0.05)；退耕还林地表现为夏季显著低于春季和秋季(P<0.05)，后2个季节间则无显著差异；天然草地表现为春季显著低于夏季和秋季(P<0.05)，而后2个季节间亦无显著差异；而退耕还草地则在3个季节内均无显著差异(P>0.05)。

由图2B可知，退耕还林与还草过程中土壤电导率受到不同土地利用类型和季节变化的影响。总体表现为农田>退耕还草地>天然草地>退耕还林地，值变化范围分别为216.16～608.40 μS·m-1、74.14～177.66 μS·m-1、91.92～159.72 μS·m-1和80.70～161.26 μS·m-1。同一季节不同土地利用类型在春季、夏季和秋季3个季节内，土壤电导率均表现为农田均显著高于退耕还草地、退耕还林地和天然草地(P<0.05)，而后3种土地利用类型间均无显著差异。在不同季节内，农田土壤电导率表现为夏季显著高于春季和秋季(P<0.05)，而后2个季节间无显著差异。退耕还草地表现为春季显著高于秋季(P<0.05)，而夏季与春季和秋季间均无显著差异。退耕还林地表现为夏季显著高于秋季，而春季与夏季和秋季间均无显著差异。而天然草地则在3个季节内均无显著差异(P>0.05)。

图2 随季节变化不同土地利用类型的土壤pH和电导率Fig.2 Soil pH and electrical conductivity of different land use types change with season

2.1.3土壤全氮和有机碳 由图3A可知，退耕还林与还草过程中土壤全氮受不同土地利用类型影响较大，而受季节变化的影响较小。总体表现为退耕还草地>农田>退耕还林地>天然草地，值变化范围分别为0.56%～0.65%、0.51%～0.69%、0.40%～0.49%和0.36%～0.46%。同一季节不同土地利用类型，夏季表现为农田、退耕还草地均与退耕还林地、天然草地间存在显著差异(P<0.05)，而后2种土地利用类型间无显著差异；秋季表现为农田、退耕还草地均与退耕还林地存在显著差异(P<0.05)，与天然草地间无显著差异，而退耕还林地和天然草地间亦无显著差异(P>0.05)；春季在农田、退耕还草地、退耕还林地和天然草地间均无显著差异(P>0.05)。在不同季节内，农田土壤全氮含量存在显著差异(P<0.05)，表现为夏季显著高于春季和秋季，而后2个季节间无显著差异；而退耕还草地、退耕还林地和天然草地在3个季节内均无显著差异(P>0.05)。

图3 随季节变化不同土地利用类型的土壤全氮和有机碳Fig.3 Soil total nitrogen and organic carbon of different land use types change with season

由图3B可知，退耕还林与还草过程中土壤有机碳受不同土地利用类型影响较大，而受季节变化的影响较小。总体表现为退耕还草地>农田>天然草地>退耕还林地，值变化范围分别为5.26%～6.57%、4.11%～5.11%、3.41%～4.78%和3.47%～4.58%。同一季节不同土地利用类型，春季表现为退耕还草地显著高于农田、退耕还林地和天然草地(P<0.05)，而后3种土地利用类型间无显著差异；夏季表现为退耕还草地显著高于天然草地(P<0.05)，与农田、退耕还林地间无显著差异，而农田、退耕还林地和天然草地间亦无显著差异(P>0.05)；秋季表现为退耕还草地、天然草地和农田均显著高于退耕还林地(P<0.05)，而前3种土地利用类型间无显著差异。在不同季节内，退耕还草地土壤有机碳表现为春季显著高于夏季(P<0.05)，而秋季与春季和夏季间均无显著差异。而农田、退耕还林地和天然草地在3个季节内均无显著差异(P>0.05)。

由图3C可知，夏季土壤碳氮比表现为农田显著低于退耕还草地、退耕还林地和天然草地(P<0.05)，而后3种土地类型生境间无显著差异。秋季表现为天然草地最高，农田及退耕还草地居中，而退耕还林地最低。而春季则表现为4种土地类型间均无显著差异(P>0.05)。在不同季节内，农田土壤碳氮比表现为夏季显著低于春季和秋季(P<0.05)，而春季和秋季间无显著差异；天然草地则表现为秋季显著高于春季(P<0.05)，而夏季与春季和秋季间无显著差异。退耕还草地和退耕还林地在3个季节内均无显著差异(P>0.05)。

2.1.4不同土地利用类型的土壤粒径分布和分形特征 由表2可知，研究区域内表层土壤颗粒以细沙粒和极细沙粒为主。且不同土地利用类型的土壤粒径分布存在显著差异(P<0.05)。其中，黏粉粒表现为农田、退耕还林地和天然草地间均存在显著差异(P<0.05)，而后两者与退耕还草地间无显著差异。极细沙粒表现为农田和退耕还林地均与退耕还草地及天然草地间存在显著差异(P<0.05)，而农田和退耕还林地间无显著差异。细沙粒表现为天然草地、退耕还林地和农田间均存在显著差异(P<0.05)，而天然草地、退耕还林地和退耕还草地间则无显著差异。粗沙粒表现为天然草地显著高于退耕还草地、退耕还林地和农田(P<0.05)，而后3者间均无显著差异。

根据土壤粒径分形维数模型，对土壤粒径进行分形维数计算，得到该研究区土壤粒径分形维数D值的范围为1.87～2.08。其中，D值从高到低依次为农田(2.08)>退耕还林地(2.01)>退耕还草地(1.94)>天然草地(1.87)。

表2 不同土地利用类型的土壤粒径分布和分形维数Table 2 Soil particle-size distribution and fractal dimension of different land use types

2.2 土壤理化性质、土壤粒径分布和土壤分形维数间的相关性

不同土地利用类型的土壤理化性质、土壤粒径分布和土壤分形维数间的相关性见表3。土壤黏粉粒与土壤电导率达到正相关水平(P<0.05)，与土壤碳氮比为显著负相关关系(P<0.01)。土壤细沙粒与土壤pH为负相关关系(P<0.05)，与电导率为显著负相关关系(P<0.01)，与土壤碳氮比达到显著正相关水平(P<0.01)。土壤极细沙粒和粗沙粒与各指标之间均无相关性(P>0.05)。土壤分形维数与电导率间达到显著正相关水平，与土壤碳氮比为显著负相关关系(P<0.01)。

表3 不同土地利用类型的土壤理化性质与土壤粒径分布的相关性Table 3 Correlation between soil physical and chemical properties and soil particle size distribution of different land use types

**表示在置信度(双侧)为0.01时，相关性显著。*表示在置信度(双侧)为0.05时，相关性显著。

** indicates that the correlation is significant when the confidence (double test) is 0.01. * indicates that the correlation is significant when the confidence level (double test) is 0.05.

由图4可知，农田实施退耕还林与还草工程后，土壤粒径分布分形维数与细沙粒含量呈线性负相关关系(P<0.01，N=60，R2=0.610)，与极细沙粒含量呈线性正相关关系(P<0.01，N=60，R2=0.537)，与黏粉粒含量呈对数相关关系(P<0.01，N=60，R2=0.997)，但与粗沙粒含量未表现出相关性(P>0.05)。

3 讨论

图4 土壤粒径分布与土壤分形维数的相关性Fig.4 Correlation between soil particle size distribution and soil fractal dimension

在宁夏荒漠草原区，由于农民对农业经济的过度依赖，导致大量土壤条件相对较好的天然草地常常开垦为农田。但由于农田通常在耕作6年之后因为农作物产量下降而导致弃耕，致使该区域表层在干旱风沙条件下极易发生退化、沙化[1]。为此，在弃耕后的农田周围设置围栏进行封育以及在严重沙化地段种植人工柠条林等，已成为该区域防风固沙、改善土壤环境和促进植被恢复的重要生态恢复措施[18]。不同的生态恢复措施，如弃耕后自然恢复还是人工林种植恢复，对地表植被恢复进程和土壤质地改善的效果存在显著差异，且对土壤理化性质演变产生深刻影响。研究结果表明，土壤含水量不仅受不同土地利用类型的影响，亦受到季节变化的调控，即土壤含水量在年内季节变化是气候与植被共同作用所导致的[19]。首先，降水是荒漠草原区土壤水分来源的主要途径之一，其季节变化在一定程度上使表层土壤水分也表现出季节变化特征[20]。秋季4种不同土地利用类型的土壤含水量均显著高于春季和夏季，这与该研究区域秋季较高的降水量密切相关[21]。其次，研究中不同土地利用类型的土壤含水量总体表现为农田>退耕还草地>天然草地>退耕还林地。农田土壤含水量显著高于其他3种土地利用类型可能是由于灌溉等管理方式所导致；与天然草地相比，退耕还草地和退耕还林地间土壤含水量无显著差异，这可能是由于地表植被枯落物的堆积，能够有效延缓地表径流，以及柠条林对土壤水分具有保持功能的作用[22]。说明农田实施退耕还林与还草工程后，退耕还草地和退耕还林地中土壤含水量已达到该研究区域自然条件下的正常水平。

土壤酸碱度是土壤基本属性的重要指标之一。本研究中，土壤酸碱度不仅受不同土地利用类型的影响，亦受到季节变化的调控。首先，农田实施退耕还林与还草工程后，土壤pH在春季和夏季均表现为农田显著高于退耕还林地、退耕还草地及天然草地，农田土壤酸碱度偏高可能是由于农作物的自身生长对表层土壤水分的消耗，导致土壤盐分中的碳酸根离子在土壤表层积累，土壤碱性增强[23]；相对于天然草地而言，春季退耕还草地和退耕还林地土壤pH显著较高，是由于植被发育过程中根系的分泌物及其与微生物的相互作用导致的[24]；而夏季退耕还林地的土壤pH显著降低，是因为柠条林枯落物分解过程中释放的有机酸降低了微生境土壤的pH[25]；秋季土壤pH在4种不同土地利用类型间均无显著差异，可能与植被密度、株型、根系及生育期不同有关。土壤溶液的电导率反映了一定水分条件下土壤盐分的实际状况，并且包含了水分含量、土壤盐分及离子组成等信息，且该参数具有简便、快捷、可比性强等特点[26]。本研究结果表明，土壤电导率受到不同土地利用类型和季节的双重影响。首先，秋季不同土地利用类型的土壤电导率较低，是由于该区域秋季降水量增加，导致表层土壤盐分随水分下渗[27]。其次，农田实施退耕还林与还草工程后，3个季节内土壤电导率均表现为农田显著高于退耕还草地、退耕还林地和天然草地。农田土壤电导率显著高于其他3种土地利用类型，可能是灌溉、施肥及农作物自身生长消耗导致盐分在农田土壤表层积累[28]；相对于天然草地而言，退耕还草地和退耕还林地间均无显著差异。分析表明农田实施退耕还林与还草工程后，退耕还草地和退耕还林地土壤表层盐分积累显著低于耕作6年后的农田，但均达到自然条件下的正常水平，更有利于作物的生长[29]。

土壤有机碳、全氮是土壤肥力的重要指标，主要来源于植物地上和地下枯落物的分解，很大程度上受植被、气候、人为活动等的影响[30]。在不同土地利用类型中，表层土壤可以通过植被根系富集土壤养分，通过枯落物和腐根加速土壤中物质的转化，提高土壤有机质和养分含量[31]。在本研究中，农田实施退耕还林与还草工程后，土壤全氮在夏季表现为农田>退耕还草地>退耕还林地和天然草地，有机碳则表现为退耕还草地显著高于退耕还林地、农田和天然草地。这可能是因为农田在耕作时施加大量的有机肥及化肥，导致土壤肥力增加，促使土壤养分含量上升[6]。而与天然草地相比，退耕还林与还草区地表植被覆盖度增加，风沙活动减弱，空气中的尘埃及细粒物质逐渐沉积到土壤表层，导致土壤养分在表层积累[32]。秋季土壤全氮和有机碳则表现为退耕还草地>农田和天然草地>退耕还林地。与天然草地相比，退耕还草地土壤全氮和有机碳含量高，而退耕还林地较低。一方面可能是由于农田退耕后的封育措施促进了退耕还草地的恢复，致使枯落物和有机残体积累以及微生物的繁殖，加速了土壤中物质的转化[31,33-34]；另一方面是由于过度放牧对该区域土壤肥力造成负向作用，导致退耕还林地对于土壤养分的恢复能力有限。而土壤碳氮比值(C/N)是衡量土壤C、N营养平衡状况的指标[35]。本研究中，农田实施退耕还林与还草工程后，土壤C/N比总体表现为：退耕还草地>天然草地>退耕还林地>农田。与天然草地相比，退耕还草地土壤C/N提高，土壤固定有机碳的能力提高，降低了氮的分解矿化[36]；退耕还林地C/N降低，是由于柠条林本身的固氮作用导致土壤表层积累较高土壤氮[37]。分析表明农田实施退耕还林与还草工程后，退耕还草地对于土壤全氮和有机碳的改善效果更显著。

由于该试验研究区属于典型大陆性季风气候，每年5 m·s-1以上的扬沙多达323次，易对退耕还草地和天然草地土壤表层产生风蚀作用，导致细粒物质逐渐损失，粗沙粒得到累积，土壤出现粗化、沙化的现象[36]。而由于人工种植柠条林冠幅较大，能够有效降低风速，促使风积物质沉降在土壤表层，导致退耕还林地土壤黏粉粒和极细沙含量上升。说明农田实施退耕还林与还草工程后，相对于天然草地而言，人工种植柠条林对土壤质地的改善效应更显著。通过分析研究发现，土壤黏粉粒、土壤分形维数均与土壤电导率和碳氮比达到显著相关水平。土壤细沙粒与土壤pH、电导率、土壤碳氮比达到显著相关水平。土壤极细沙粒与粗沙粒和各指标之间均无相关性。这可能与研究区气候、降水条件、放牧以及人为活动对浅层土壤的影响有关[38]。

土壤粒径分形维数不但可以表征土壤颗粒组成及孔隙结构状况，还可以用于描述土壤物理结构特征[37]，是土壤重要的物理性质之一。魏茂宏等[39]对江河源区高寒退化草甸的土壤粒径研究发现，分维值为2.81，是土壤发生侵蚀的阈值。桂东伟等[40]对塔里木盆地绿洲农田的土壤粒径研究发现，分维值为2.11，是区别土壤颗粒分布特征好与差的临界值。本研究中，4种不同土地利用类型的分形维数表现为农田>退耕还林地>退耕还草地>天然草地，说明土壤表层较高的有机质、氮浓度和植被根系生物学活动的发生，均会导致分形维数发生变化[41-42]。说明农田实施退耕还林与还草工程后，退耕还草地和退耕还林地对于土壤质地的改善均具有促进作用。进一步进行相关性分析发现，土壤粒径分布分形维数对各粒级土壤颗粒含量反映程度不同[43]。其中，土壤粒径分形维数与细沙粒含量呈显著负相关，与极细沙粒呈显著正相关，与黏粉粒含量呈对数正相关，说明随着退耕还林与还草工程的实施，土壤细沙粒含量降低，而土壤黏粉粒含量增加，土壤粒径分布发生变化，导致土壤结构亦发生变化，土壤质地得到改善；而与粗沙粒含量未表现出相关性，说明土壤分形维数并不是对每个粒级的变化都反应明显[44]。这与Gao等[45]对土壤分形维数与土壤粒径分布之间的相关性的结论相似。分析表明，土壤黏粉粒和极细沙含量越多其分形维数越大，而细沙粒和粗沙粒含量越多则分形维数越小，即土壤黏粉粒含量决定土壤粒径组成分布的分形维数。

4 结论

在宁夏荒漠草原区实施退耕还林与还草工程，对土壤理化性质、土壤粒径分布和分形维数特征均产生一定的影响。与天然草地相比，退耕还草地和退耕还林地对于农田退耕后而导致的退化、沙化区域土壤的含水量、酸碱度和电导率等性质的改善均达到自然条件下的正常水平。其中，退耕还草地中土壤有机碳和全氮含量显著提高；而退耕还林地中土壤黏粉粒、极细沙粒的分布及分形维数显著上升。综合分析表明，在宁夏荒漠草原区实施退耕还林与还草工程，有利于退耕后的退化、沙化区域土壤质地的改善，促使土壤理化性质向良好的方向发展。