陕北黄土区退耕还林（草）地土壤质量特征及其对降水的响应

张智勇，艾 宁,，刘广全，刘长海，宗巧鱼，刘 姣，郝宝宝

陕北黄土区退耕还林（草）地土壤质量特征及其对降水的响应

张智勇1，艾 宁1,2※，刘广全2，刘长海1，宗巧鱼1，刘 姣1，郝宝宝1

（1. 延安大学生命科学学院/陕西省红枣重点实验室（延安大学），延安 716000；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）

为了解陕北黄土区退耕还林（草）地土壤质量差异特征及其对降水的响应，该研究沿370～470 mm的降水梯度，选取了陕西省吴起县境内的王洼子（370～395 mm）、大吉沟（440～445 mm）和白豹（460～470 mm）3个降水梯度区作为研究区，并结合土壤质量指数法，定量评价降水梯度区广泛栽植的刺槐林（）、沙棘林（）和草地的土壤物理结构、持水性、盐碱度、碳汇指标以及速效养分指标方面的综合得分，明确植被恢复后土壤质量随降水梯度的变化特征。结果表明：1）降水量、植被类型以及二者的交互作用对土壤指标影响显著（<0.05）。2）在460～470 mm降水量区，刺槐林对土壤质量改良效果最好，其土壤质量综合指数为0.829，其次为沙棘林（0.808），二者土壤质量均达到肥沃水平，且差异不显著，草地土壤质量综合指数最低为0.679，土壤质量为较肥沃水平；在440～445 mm降水量区，刺槐林、沙棘林和草地的土壤质量综合指数分别为0.672、0.764和0.527，其中刺槐林和沙棘林下土壤质量达到较肥沃水平，草地土壤质量等级为中等水平；在370～395 mm降水量区，3种植被类型土壤质量综合指数由大到小表现为沙棘林（0.792）>刺槐林（0.433）>草地（0.270），沙棘林土壤质量等级最高为较肥沃水平，其次为刺槐林和草地，二者土壤质量分别为中等水平和贫瘠水平。3）在370～470 mm降水梯度内，3种植被类型土壤质量综合指数均随着降水量的减少而降低，其中沙棘林土壤质量综合指数变异系数较低为2.34%，刺槐林和草地土壤质量综合指数变异系数较高，分别为25.27%和34.34%。该研究结果可为陕北黄土区不同降水梯度下的植被恢复与重建等林业生态工程实施提供数据支撑与理论支持。

土壤；降水；退耕还林（草）；质量评价；植被类型；降水梯度；陕北黄土区

0 引 言

土壤和植被是陆地生态系统的重要组成部分，二者相互依赖，相互制约[1]。土壤为植被生长发育提供氮、磷、钾等营养元素，是植被生长发育的重要载体[2]，而植被又通过根系的物理作用力以及凋落物等有机物质的归还影响土壤容重、孔隙度、持水能力及养分状况[3]。陕北黄土区位于中国水蚀风蚀交错区，水土流失严重，生态环境脆弱，植被恢复已成为当地解决生态环境问题，提高土壤质量的有效措施[4-6]，然而，由于该地气候干旱，水分已成为此地植被生长发育的主控因子，研究表明，植被对土壤水分的利用方式会导致植被生长状态及分布特征发生变化，改变植被的净初级生产力[7]，这些变化会间接影响土壤质量恢复[8-9]，张志南等[10]研究发现黄土高原天然草地群落物种多样性和丰富度与土壤含水率具有显著正相关性；宋光等[11]发现黄土高原刺槐林（）叶片厚度、根密度等功能性状随着降水量的减少发生适应性改变。孙龙等[12]研究表明黄土丘陵区表层土壤有机碳含量沿着368～591 mm 年均降水量梯度而递增，此外，还有研究指出降水减少会改变土壤团聚体的稳定性[13]，抑制微生物活动和酶活性[14-15]。在黄土高原气候向暖干化态势演变[16]以及植被覆盖度显著增加的生态背景下，了解降水-植被-土壤质量的耦合关系，对于应对气候变化所引起的降水模式改变对生态系统的影响具有重要意义。

目前，有关陕北黄土区退耕还林（草）工程实施过程中，植被对土壤属性改变的研究已有大量报道，但这些研究多集中于一种或少数几种土壤属性[12-13,17,18]，而有关降水样带上不同植被类型土壤质量随降水变化的研究还比较少见。因此，本文在陕北黄土区的3个降水梯度（370～395、440～445和460～470 mm）上选择了刺槐林、沙棘林（）和草地共3种典型植被类型，通过调查取样，利用土壤质量指数法，定量评价研究区不同降水梯度3种植被类型在土壤物理结构、持水性、盐碱度、碳汇及速效养分等方面的综合得分，了解植被恢复后土壤质量对降水变化的响应，以期为今后陕北黄土区林业生态工程建设过程中植被配置与树种选择提供科学依据与数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省延安市吴起县（107°38′57″～108°32′49″E，36°33′33″～37°24′27″N），该县被誉为中国“退耕还林第一县”，总面积为3791.5 km2，盛行半干旱温带大陆性季风气候，年均温为7.8 ℃，地貌以黄土高原梁状丘陵沟壑为主，海拔在1 233～1 809 m之间，土壤多为黄绵土。该县自1998年实施退耕还林还草工程以来，逐渐形成了以侧柏（）、刺槐、油松（）、柠条（）、沙棘、赖草（）、针茅（）、达乌里胡枝子（）、百里香（）、铁杆蒿（）、委陵菜（）刺儿菜（）、苦荬菜（）以及翠雀（）等植被为主的林草地。

1.2 土壤样品采集

课题组于2017年7—9月进行土壤样品采集，并确保每次采集样品前7 d无降水。选取吴起县境内的3个降水梯度区[18]作为研究区，分别为王洼子（370～395 mm）、大吉沟（440～445 mm）和白豹（460～470 mm）（图1）。在每个降水梯度区选取具有相似生境条件（坡度、坡向、海拔以及恢复年限）的刺槐、沙棘和草地3种典型植被类型作为研究对象，在每个研究区的每种植被类型分布区分别布设3块20 m×20 m的独立标准样地，共计27块样地，并记录样地信息（表1），其中每个样地按五点法取样，取样剖面深度为100 cm，去除地表枯落物，自地表垂直向下分为5层，依次为0～20、>20～40、>40～60、>60～80、>80～100 cm，共计135个土壤剖面，采用环刀取样时，同一剖面每层取3个重复，以用于测定土壤物理结构及持水性指标，共计2025个环刀样品，同时将同一样地5个样点相同土层的土壤混合为1个土壤样品，装入自封袋带回实验室自然风干，过筛进行土壤化学性质测定，共计135袋土壤混装样品。

图1 样地点位图

表1 样地基本信息

1.3 土壤指标测定

烘干法测定土壤含水率；环刀法测定土壤容重及计算孔隙度、饱和含水率和毛管持水量等指标[19]；重铬酸钾氧化法测定土壤有机碳含量；火焰光度计法测定土壤速效钾；碱解扩散法测定土壤碱解氮；钼锑抗比色法测定土壤有效磷[20]；土壤pH值和电导率分别由PHS—320高精度智能酸度计和DDS—608多功能电导率仪测定。

1.4 土壤质量指数评价模型

采用加权求和法建立研究区土壤质量评价模型，将单因素评价结果转化为多因素评价结果，以综合评价370～470 mm降水梯度下不同植被类型土壤状况及其变化特征，评价方法步骤如下[21-22]：

1）选择评价指标

本研究综合考虑前人研究成果[23-24]及试验条件，选取了对土壤质量有重要影响的12项土壤理化指标，分别为土壤容重、非毛管孔隙度、总孔隙度、土壤含水率、饱和含水率、毛管持水量、pH值、电导率、有机碳含量、有效磷、碱解氮以及速效钾，以综合评价土壤质量。

将土壤容重、非毛管孔隙度、总孔隙度归为土壤物理结构指标；将土壤含水率、饱和含水率和毛管持水量归为土壤持水性指标；将pH值和电导率归为土壤盐碱度指标；将有机碳含量归为土壤碳汇指标；将有效磷、碱解氮和速效钾归为土壤速效养分指标，

2）计算各评价指标权重

通过相关矩阵确定各指标间的相关系数，求出各评价指标间的相关系数平均值，并将该平均值与所有评价指标的平均相关系数之和的比作为评价指标的权重R[22]。

3）计算各评价指标隶属度

根据土壤指标值对土壤质量评价的正负相关性，本文选择了3种隶属度函数，分别为正相关S型隶属度函数、负相关S型隶属度函数和梯形隶属度函数[21-22]。其中，将土壤非毛管孔隙度、总孔隙度、土壤含水率、饱和含水率、毛管持水量、有机碳含量、有效磷、碱解氮以及速效钾归纳为正相关S型隶属度函数，此类指标值越高，表明评价对象土壤质量越高。将pH值和电导率归纳为梯形隶属度函数，同时参考中华人民共和国农业行业标准（NY/T391—2000）以及前人研究结果[21]确定该地区土壤pH值界点分别为8.1、8.3、8.6和8.8；电导率界点分别为70、90、110和130，此类指标值在中间值范围内，评价对象土壤质量最高。将土壤容重归纳为负相关S型隶属度函数，此类指标值越高，评价对象土壤质量越差。

4）计算土壤质量指数

计算不同植被的各土壤评价指标的隶属度值和权重值，然后将两者相乘并进行累加，即可得到不同植被土壤质量指数，土壤质量指数越大，表明该植被对土壤质量恢复效果越好具体如式（1）所示：

式中SOI为土壤质量评价指数，R为第个指标的权重，代表评价指标个数，=12，Y为各个评价指标的隶属度值。

1.5 数据处理

运用Excel 2016 计算土壤指标权重、隶属度、土壤质量指数及其变异系数；运用ArcMap10.3 和Origin 2018制图；运用SPSS 22.0对数据进行正态分布检验、相关性分析和多因素方差分析，探讨降水量、植被类型以及二者对土壤指标的主效应和交互效应，确定指标之间的相关性与相关系数。

2 结果与分析

2.1 降水量、植被类型以及二者交互作用对土壤指标的影响

多因素方差分析表明，降水量和植被类型对土壤指标存在显著主效应（<0.05），且降水量和植被类型存在显著交互作用的指标占比为 100%，降水量对这些土壤指标在植被类型间的差异具有显著影响（<0.05）（表 2）。

不同植被类型的土壤物理指标随着降水量的变化而表现出显著差异（<0.05），土壤物理指标对降水量的响应程度不同。在370～470 mm降水量区，各植被SWC均随着降水量的减少而降低，但沙棘林SWC显著高于刺槐林和草地（<0.05）。同时，沙棘林TP、SMC和CWC方面也具有明显的优势，表明沙棘林的透气、保水性较好（表3）。

表2 降水量、植被类型对土壤指标的影响及交互作用

注：*在0.05水平上显著相关；**在0.01水平上显著相关。

Note：* Significance(<0.05); **Significance(<0.01).

表3 不同降水梯度区各植被类型下的土壤物理指标

注：不同小写字母表示同一降水梯度下不同植被类型间差异显著（<0.05）；不同大写字母表示同一植被类型下不同降水梯度间差异显著（<0.05）。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences between different vegetation types under the same precipitation gradient (<0.05); Different capital letters indicate significant differences under different precipitation gradients under the same vegetation type (<0.05). Same as below.

不同降水梯度区，植被的土壤化学指标亦具有显著差异（<0.05）。相较于刺槐林和草地，沙棘林的多数土壤化学指标也具有明显优势。在370～470 mm降水量区，沙棘林土壤pH值和OC变化较稳定，且在低降水量区其AN和AK含量均显著高于刺槐林和草地（<0.05），固氮能力较好（表4）。

表4 不同降水梯度区各植被类型下的土壤化学指标

2.2 不同植被类型土壤质量随降水梯度的变化特征

研究区不同土壤指标权重值大小不一，CWC与CMC指标权重值较高，二者在土壤质量评价中具有重要地位（图2）。

图2 土壤各项指标权重

在370～470 mm的降水梯度上，研究区刺槐林、沙棘林和草地的土壤物理结构指标、持水性指标、盐碱度指标、碳汇指标以及速效养分指标得分随降水量的减少，表现出不同的变化趋势（图3）。

刺槐林的物理结构指标、持水性指标、盐碱度指标、碳汇指标以及速效养分指标得分均随降水量的减少而降低，其物理指标和持水性指标得分在460～470和440～445 mm降水量区间差异不显著。各指标得分变异系数分别为9.81%、10.86%、67.25%、59.09%、50.26%，其盐碱度指标、碳汇指标和速效养分指标得分变异性较强。

沙棘林的土壤物理结构指标、持水性指标、盐碱度指标、碳汇指标以及速效养分指标得分变异系数分别为12.4%、7.54%、6.82%、19.29%和19.37%，整体土壤指标得分变异系数较低。随着降水量的减少，其土壤物理结构指标得分表现出显著的上升趋势，速效养分指标得分则表现出显著的下降趋势，持水性指标得分和盐碱度指标得分表现出先下降后上升的趋势，而碳汇指标表现出先上升后下降的趋势。

草地的土壤物理结构指标、持水性指标、盐碱度指标、碳汇指标以及速效养分指标得分的变异系数分别为34.58%、56.48%、59.83%、56.18%、26.18%和34.34%。同刺槐林指标得分变异系数相似，其整体的土壤指标得分变异系数较高。随着降水量的减少，其土壤物理结构指标、持水性指标和碳汇指标得分表现出下降的趋势，而盐碱度指标和速效养分指标得分虽然也呈降低趋势，但二者的波动趋势表现为先下降后有回升的状态。

综合土壤各项指标得分及土壤质量综合指数等级划分标准[25]发现，3种植被类型土壤质量综合指数均表现出随降水量的减少而降低的趋势，其中刺槐林和草地土壤质量的下降趋势最明显，二者的土壤质量综合指数变异系数分别为25.27%和34.34%，而沙棘林的下降趋势较平缓，其土壤质量综合指数变异系数为2.34%。

3种植被类型土壤质量综合指数具有显著差异（<0.05）。在460～470 mm降水量区，刺槐林土壤质量综合指数最高为0.829，其对土壤质量改良效果最好，其次为沙棘林（0.808），二者土壤质量均达到肥沃水平，且差异不显著，草地土壤质量综合指数最低为0.679，其土壤质量为较肥沃水平；在440～445 mm降水量区，沙棘林对土壤改良效果最好，其土壤质量综合指数为0.764，其次为刺槐林（0.672）和草地（0.527），其中沙棘林和刺槐林土壤质量为较肥沃水平，草地土壤质量为中等水平；在370～395 mm降水量区，3种植被的土壤质量综合指数由大到小依次为沙棘林（0.792）、刺槐林（0.433）和草地（0.270），沙棘林土壤质量为较肥沃水平，刺槐林土壤质量为中等水平，草地土壤质量为贫瘠水平（图3f）。

3 讨 论

3.1 土壤质量在不同降水梯度上的空间变异性分析

陆地生态系统对气候变化的敏感性很大程度上源于降水时空格局的变化，特别是在干旱与半干旱地区，降水量是影响植被生长、分布的重要因子[26]，张钦弟等[27]研究指出370 mm降水量以下，水分对物种多样性等生态系统服务的制约会愈加强烈，本研究数据所指出的土壤持水性指标权重值较高，也印证了在干旱半干旱地区水分的限制性特点。吴起县降水量自东南向西北方向逐渐减少[18]，这种水热分布格局控制着植被生物量的多少及枯落物等分解进程，本文在调查取样时也发现，在退耕年限、海拔、坡度以及坡向等立地条件相似的情况下，刺槐林、沙棘林以及草地的相关生物指标值（树高、胸径、基径以及盖度等）会随着降水量的减少而降低，此外，濮阳雪华等[18]在研究吴起县草本植物群落构成时也指出，草本植物群落的物种丰富度、生物量等重要值与降水量表现出显著的正相关性。

降水量减少导致植被生长受干旱胁迫程度变高，植被长势变差，净初级生产力降低[28]，进而导致输入土壤的有机物质减少，抑制土壤养分循环进程及微生物分解活动，同时地表微环境发生变化，植被覆盖率降低，土壤表面易受侵蚀，最终使得退耕还林（草）地土壤质量随着降水量的减少而降低，特别是在370～395 mm降水量较低的区域，土壤质量整体较差。郭宁等[29]在黄土丘陵区进行人工模拟降雨试验时也发现控制降雨量对土壤C含量影响显著，赵珊宇等[30]也指出科尔沁沙地自西向东，随降水量增加，沙地樟子松人工林土壤C、N、P含量也呈现增加趋势，本文研究结果与其相似。

3.2 不同植被类型土壤质量差异性分析

植被在土壤质量恢复过程中起关键作用，其主要通过根系生长[31]、枯落物的累积和分解[32]以及生物活动[33]3个过程来作用于土壤。植被会影响生态系统的结构和功能，进而影响土壤性质及其演化进程，其与土壤相互作用和协同进化成为生态系统能否被成功恢复的关键。本研究发现，不同植被类型土壤质量差异显著（<0.05）。刺槐林和草地的土壤质量随降水量的减少而迅速下降，对降水梯度变化的响应性较强。这可能是由于本文研究对象为乔木（刺槐）、灌木（沙棘）和草地，虽然三者均为黄土高原退耕植被，但是其对水分需求的适应性差异很大程度上决定了其对土壤改良的效果。乔木适宜生长在500 mm以上降水量的地区[34]，结合本研究区的降水梯度，这就解释了在460～470 mm降水量区，刺槐林土壤质量达到肥沃水平的现象，即该降水梯度区接近500 mm降水量线，满足刺槐生长水分需求，进而对土壤质量恢复产生正向作用，而降水量较少的区域不满足其生长需求，导致土壤质量较差，特别是在370～395 mm降水量区，刺槐林的土壤质量与草地相近，均为贫瘠水平（图3）。

研究表明，一般在500 mm降水量以下，属于干旱半干旱地区，天然植被类型为灌木和草地[35]，本研究指出沙棘林在3个降水梯度区对土壤质量改良具有良好的普遍适宜性，对降水梯度变化不敏感，这可能是由于沙棘生理特性对干旱环境的强烈适应能力，浅根系量大且根系伸展范围较宽，根蘖能力强，生长速率高，此外杨建伟等[36]指出，沙棘在严重干旱情况其根冠比均比刺槐要高，且在中度干旱情况下，沙棘的单叶水分利用率（Water Use Efficiency）也是最高的。沙棘群落发展成熟，地表丛生小沙棘幼苗较多，植被郁闭度高，加之地表枯落物的遮盖、截留作用，可以在一定程度上缓解土壤水分的蒸发，且其相比于刺槐、杨树等高大乔木，其生长耗水量低，对土壤水分吸收慢，利于水分保持。

草地根系主要分布在0～30 cm的土壤表层[37]，根系较短，生物量低，对土壤的影响程度较小，导致其在3个降水梯度下对土壤质量改良效果均低于刺槐和沙棘。

植被归还土壤的生物量是影响土壤质量恢复的关键因素，特别是土壤有机碳及N、P、K等营养元素，受植被类型、群落结构、空间区域等条件的影响，植被凋落物及根系分泌物，枯落物蓄积量表现出明显的差异，王忠禹等[38]在研究中指出沙棘林地表枯落物蓄积量高于刺槐林，高于草地，此结论与本研究沙棘林平均土壤有机碳含量高于刺槐林和草地的结果可相互印证。

4 结 论

1）在退耕还林（草）过程中，降水量、植被类型以及二者的交互作用对土壤指标影响显著（< 0.05）。

2）研究区3种植被类型土壤质量综合指数介于0.270～0.829之间。在460～470 mm降水量区，3种植被类型土壤质量综合指数由高到低依次为刺槐林（0.829）、沙棘林（0.808）和草地（0.679），其中刺槐林和沙棘林的土壤质量综合指数差异不显著。在440～445 mm降水量区，3种植被类型土壤质量综合指数差异显著（<0.05），土壤质量综合指数由高到低为沙棘林（0.764）、刺槐林（0.672）、草地（0.527）。在370～395 mm降水量区，土壤质量综合指数由高到低为沙棘林（0.792）、刺槐林（0.433）、草地（0.270）。

3）在研究区370～470 mm的降水梯度下，刺槐林、沙棘林和草地的土壤质量均随降水量的减少而降低，土壤质量综合指数分别介于0.829～0.433、0.808～0.764、0.679～0.270之间。且随着降水量的减少，刺槐林、沙棘林和草地的土壤质量等级的变化分别为肥沃-较肥沃-中等、肥沃-较肥沃-较肥沃和较肥沃-中等-贫瘠，3 种植被类型的土壤质量综合指数变异系数分别为25.27%、2.34%和34.34%，刺槐林和草地的土壤质量对降水量的变化较敏感，而沙棘林土壤质量对降水量的变化不敏感。

4）不同降水梯度区林草地土壤质量差异显著（<0.05），刺槐林和沙棘林的土壤质量显著高于草地。沙棘林在不同降水梯度均具有普遍的适宜性，适合在研究区推广种植。

[1]Oliveira E A D, Marimon-Junior B H, Marimon B S, et al. Legacy of Amazonian Dark Earth soils on forest structure and species composition[J]. Global Ecology and Biogeography, 2020, 29(9): 1458-1473.

[2]Ndou E , Ruwanza S . Soil and vegetation recovery following alien tree clearing in the Eastern Cape Province of South Africa[J]. African Journal of Ecology, 2016, 54(4): 460-470.

[3]Wang Feng, Pan Xubin, Gerlein‐Safdi C, et al. Vegetation restoration in Northern China: A contrasted picture[J]. Land Degradation & Development. 2020, 31(6): 669-676.

[4]Xu Hongwei, Wang Xiukang, Qu Qing, et al. Cropland abandonment altered grassland ecosystem carbon storage and allocation and soil carbon stability in the Loess Hilly Region, China[J]. Land Degradation & Development, 2020, 31(8): 1001-1013.

[5]杨玉婷，石玉林，李战刚，等. 陕北“三北”防护林下草本群落特征及其与林分结构和土壤养分的关系[J]. 生态学报，2020，40(18)：6542-6551. Yang Yuting, Shi Yulin, Li Zhangang, et al. Community characteristics of understory herb layer and its relationships with stand structure and soil nutrient availability in the Three-North shelterbelt of Shaanxi, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2020, 40(18): 6542-6551. (in Chinese with English abstract)

[6]Yu Haiyan, Zha Tonggang, Zhang Xiaoxia, et al. Vertical distribution and influencing factors of soil organic carbon in the Loess Plateau, China[J]. Science of the Total Environment, 2019, 693: 133632.

[7]Chen Guangzhou, Huang Yong, Chen Jun, et al. Spatiotemporal variation of vegetation net primary productivity and its responses to climate change in the Huainan coal mining area[J]. Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 2019, 47(11): 1905-1916.

[8]魏霞，贺燕，魏宁，等. 祁连山区主要植被类型下土壤团聚体变化特征[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：148-155. Wei Xia, He Yan, Wei Ning, et al. Variation characteristics of soil aggregates under main vegetation types in Qilian Mountainous areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 148-155. (in Chinese with English abstract)

[9]Mcguire K L, Treseder K K. Microbial communities and their relevance for ecosystem models: Decomposition as a case study[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2009, 42(4): 529-535.

[10]张志南，武高林，王冬，等. 黄土高原半干旱区天然草地群落结构与土壤水分关系[J]. 草业学报，2014，23(6)：313-319. Zhang Zhinan, Wu Gaolin, Wang Dong, et al. Plant community structure and soil moisture in the semi-arid natural grassland of the Loess Plateau[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(6): 313-319. (in Chinese with English abstract)

[11]宋光，温仲明，郑颖，等. 陕北黄土高原刺槐植物功能性状与气象因子的关系[J]. 水土保持研究，2013，20(3)：125-130. Song Guang, Wen Zhongming, Zheng Ying, et al. Relationships between plant functional traits ofand meteorological factors in Loess Plateau, north Shaanxi, China[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2013, 20(3): 125-130. (in Chinese with English abstract)

[12]孙龙，张光辉，栾莉莉，等. 黄土丘陵区表层土壤有机碳沿降水梯度的分布[J]. 应用生态学报，2016，27(2)： 532-538. Sun Long, Zhang Guanghui, Luan Lili, et al. Distribution of soil organic carbon in surface soil along a precipitation gradient in loess hilly area[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(2): 532-538. (in Chinese with English abstract)

[13]耿韧，张光辉，洪大林，等. 黄土高原农地草地林地土壤团聚体稳定性沿降水梯度的变化特征[J]. 农业工程学报，2019，35(3)：141-148. Geng Ren, Zhang Guanghui, Hong Dalin, et al. Variation characteristics of aggregate stability of cropland, grassland and woodland along precipitation gradient in Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 141-148. (in Chinese with English abstract)

[14]Ilstedt U, Nordgren A, Malmer A. Optimum soil water for soil respiration before and after amendment with glucose in humid tropical acrisols and a boreal mor layer[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(11): 1591-1599.

[15]闫钟清，齐玉春，李素俭，等. 降水和氮沉降增加对草地土壤微生物与酶活性的影响研究进展[J]. 微生物学通报，2017，44(6)：1481-1490. Yan Zhongqing, Qi Yuchun, Li Sujian, et al. Soil microorganisms and enzyme activity of grassland ecosystem affected by changes in precipitation pattern and increase in nitrogen deposition–a review[J]. Microbiology China, 2017, 44(6): 1481-1490. (in Chinese with English abstract)

[16]顾朝军，穆兴民，高鹏，等. 1961-2014年黄土高原地区降水和气温时间变化特征研究[J]. 干旱区资源与环境，2017，31(3)：136-143. Gu Chaojun, Mu Xingmin, Gao Peng, et al. Characteristics of temporal variation in precipitation and temperature in the Loess Plateau from 1961 to 2014[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2017, 31(3): 136-143. (in Chinese with English abstract)

[17]Ye Luping, Fang Linchuan, Shi Zhihua, et al. Spatio-temporal dynamics of soil moisture driven by ‘Grain for Green’ program on the Loess Plateau, China[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2019, 269: 204-214.

[18]濮阳雪华，王春春，苟清平，等. 陕北黄土区植被群落特征与土壤水分关系研究[J]. 草业学报，2019，28(11)：184-191. Puyang Xuehua, Wang Chunchun, Gou Qingping, et al. Relationship between vegetation community and soil moisture in the Loess region of northern Shaanxi Province[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2019, 28(11): 184-191. (in Chinese with English abstract)

[19]卜耀军，朱清科，包耀贤，等. 陕北黄土区微地形土壤质量指标变异性及敏感性[J]. 水土保持学报，2014，28(3)：153-157. Bo Yaojun, Zhu Qingke, Bao Yaoxian, et al. Variability and sensitivities of soil quality indicators of microtopographies in Loess Regions of Northern Shaanxi[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(3): 153-157. (in Chinese with English abstract)

[20]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业出版社，2000：20-114.

[21]李鹏飞，张兴昌，朱首军，等. 植被恢复对黑岱沟矿区排土场土壤性质的影响[J]. 水土保持通报，2015，35(5)：64-70. Li Pengfei, Zhang Xingchang, Zhu Shoujun, et al. Effects of vegetation restoration on soil properties in Heidaigou mine dump[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015, 35(5): 64-70. (in Chinese with English abstract)

[22]李强，许明祥，赵允格，等. 黄土高原坡耕地沟蚀土壤质量评价[J]. 自然资源学报，2012，27(6)：1001-1012. Li Qiang, Xu Mingxiang, Zhao Yunge, et al. Gully erosion soil quality assessment on the cultivated slope land in the Loess Plateau region, China[J]. Journal of Natural Resources, 2012, 27(6): 1001-1012. (in Chinese with English abstract)

[23]李鹏飞，张兴昌，郝明德，等. 基于最小数据集的黄土高原矿区复垦土壤质量评价[J]. 农业工程学报，2019，35(16)：265-273. Li Pengfei, Zhang Xingchang, Hao Mingde, et al. Soil quality evaluation for reclamation of mining area on Loess Plateau based on minimum data set[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 265-273. (in Chinese with English abstract)

[24]于博威，刘高焕，刘庆生，等. 晋西黄土丘陵区不同退耕年限刺槐林土壤养分效应[J]. 水土保持学报，2016，30(4)：188-193. Yu Bowei, Liu Gaohuan, Liu Qingsheng, et al. Effects of soil nutrient inforests with various ages in the Loess Hilly region of Western Shanxi province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(4): 188-193. (in Chinese with English abstract)

[25]庞世龙，欧芷阳，申文辉，等. 广西喀斯特地区不同植被恢复模式土壤质量综合评价[J]. 中南林业科技大学学报：自然科学版，2016，36(7)：60-66. Pang Shilong, Ou Zhiyang, Shen Wenhui, et al. Edaphic characteristics of different regeneration patterns in karst mountainous areas of Guangxi[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology: Natural Sciences Edition, 2016, 36(7): 60-66. (in Chinese with English abstract)

[26]高露，张圣微，朱仲元，等. 干旱半干旱区退化草地土壤水分变化及其对降雨时间格局的响应[J]. 水土保持学报，2020，34(1)：195-201. Gao Lu, Zhang Shengwei, Zhu Zhongyuan, et al. Soil moisture changes in degraded grassland and its response to rainfall temporal pattern in arid and semi-arid areas[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2020, 34(1): 195-201. (in Chinese with English abstract)

[27]张钦弟，卫伟，陈利顶，等. 黄土高原草地土壤水分和物种多样性沿降水梯度的分布格局[J]. 自然资源学报，2018，33(8)：1351-1362. Zhang Qindi, Wei Wei, Chen Liding, et al. Spatial variation of soil moisture and species diversity patterns along a precipitation gradient in the grasslands of the Loess Plateau[J]. Journal of Natural Resources, 2018, 33(8): 1351-1362. (in Chinese with English abstract)

[28]Li Zhen, Pan Jinghu. Spatiotemporal changes in vegetation net primary productivity in the arid region of Northwest China, 2001 to 2012[J]. Frontiers of Earth Science, 2018, 12(1): 108-124.

[29]郭宁，姜基春，王国强，等. 黄土丘陵区不同降水梯度对草地群落化学计量学特征的影响[J]. 水土保持通报，2020，40(2)：1-8. Guo Ning, Jiang Jichun, Wang Guoqiang, et al. Effects of different precipitation gradients on stoichiometric characteristics of grassland communities in Loess Hilly Region[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2020, 40(2): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[30]赵姗宇，黎锦涛，孙学凯，等. 樟子松人工林原产地与不同自然降水梯度引种地土壤和植物叶片生态化学计量特征[J]. 生态学报，2018，38(20)：7189-7197. Zhao Shanyu, Li Jintao, Sun Xuekai, et al. Responses of soil and plant stoichiometric characteristics along rainfall gradients in Mongolian pine plantations in native and introduced regions[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(20): 7189-7197. (in Chinese with English abstract)

[31]郑明新，黄钢，彭晶. 不同生长期多花木兰根系抗拉拔特性及其根系边坡的稳定性[J]. 农业工程学报，2018，34(20)：175-182. Zheng Mingxin, Huang Gang, Peng Jing. Tensile-pullout properties of roots ofin different growth stages and stability of slope with its root[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 175-182. (in Chinese with English abstract)

[32]Giweta M. Role of litter production and its decomposition, and factors affecting the processes in a tropical forest ecosystem: A review[J]. Journal of Ecological and Environment, 2020, 44(8): 339-360.

[33]Liu Guangyao, Chen Lili, Deng Qiang, et al. Vertical changes in bacterial community composition down to a depth of 20 m on the degraded Loess Plateau in China[J]. Land Degradation & Development, 2020, 31(10): 1300-1313.

[34]陈克利，孟敏，张鹏，等. 黄土高原降雨梯度对刺槐不同器官内源激素分布格局及生长的影响[J]. 水土保持研究，2020，27(1)：298-304. Chen Keli, Meng Min, Zhang Peng, et al. Effects of rainfall gradients on the distribution pattern and growth of endogenous hormones in different organs ofon the Loess Plateau[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2020, 27(1): 298-304. (in Chinese with English abstract)

[35]李玲芬，延军平，刘冬梅，等. 干旱—半干旱地区不同植被条件下土壤含水量变化及植被建设途径分析[J]. 水土保持通报, 2009, 29(1)：18-22，27.

Li Lingfen, Yan Junping, Liu Dongmei, et al. Variation of soil moisture in arid and semi-arid areas under different vegetations and the ways of ecological construction[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2009, 29(1): 18-22, 27.

[36]杨建伟，梁宗锁，韩蕊莲. 黄土高原常用造林树种水分利用特征[J]. 生态学报，2006，26(2)：558-565. Yang Jianwei, Liang Zongsuo, Han Ruilian. Water use efficiency characteristics of four tree species under different soil water conditions in the Loess Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(2): 558-565. (in Chinese with English abstract)

[37]白于，苏纪帅，程积民. 黄土区不同封育时期天然草地的根系生物量分布[J]. 草业科学，2013，30(11)：1824-1830. Bai Yu, Su Jishuai, Cheng Jimin. Root biomass distribution of natural grasslands with different enclosing years in the Loess Plateau[J]. Pratacultural Science, 2013, 30(11): 1824-1830. (in Chinese with English abstract)

[38]王忠禹，刘国彬，王兵，等. 黄土丘陵区典型植物枯落物凋落动态及其持水性[J]. 生态学报，2019，39(7)： 2416-2425. Wang Zhongyu, Liu Guobin, Wang Bing, et al. Litter production and its water holding capability in typical plants communities in the hilly region of the Loess Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(7): 2416-2425. (in Chinese with English abstract)

Soil quality characteristics of forests and grasslands returned from farmland and their responses to precipitation in the Loess Region of Northern Shaanxi, China

Zhang Zhiyong1, Ai Ning1,2※, Liu Guangquan2, Liu Changhai1, Zong Qiaoyu1, Liu Jiao1, Hao Baobao1

(1.,(),716000,; 2,100038,)

This study aims to characterize the soil quality of returning farmland to forest (grass) land in the loess region of northern Shaanxi, particularly on its response to the precipitation. Taking Wuqi county, Shaanxi Province as the research area, three precipitation gradients were divided into 370-395, 440-445, and 460-470 mm. Correspondingly, three typical locations were also selected as Wangwazi (370-395 mm), Dajigou (440-445 mm), and Baibao (460-470 mm). A quantitative evaluation was carried out in three precipitation areas, combining with the soil quality index. The comprehensive scores were achieved, including the soil physical structure, water holding capacity, salinity, carbon sink index, and available nutrient index, for the widespread,, and grassland. An attempt was made to clarify that the soil quality characteristics changed with precipitation gradients after vegetation restoration. The results showed that: 1) Precipitation, vegetation types, and their interaction had significant effects on soil indicators (<0.05). 2) In the 460-470 mm precipitation area,forest (0.829) had the best effect on soil quality improvement, followed byforest (0.808). The soil quality of both reached the fertile level, and the difference was not significant. Grassland (0.679) had the lowest soil quality index, and the soil was at a more fertile level. In the 440～445 mm precipitation area, the(0.764)had the best comprehensive soil quality indexes, followed by the(0.672), both of which reached a relatively fertile level, whereas, the grassland (0.479) had the lowest soil quality index at a medium level. In the 370-395 mm precipitation area, the comprehensive soil quality index of the three vegetation types from large to small wasforest (0.792),forest (0.433), grassland (0.270). The soil quality grade offorest was relatively higher.forest and grassland were at the medium and barren level, respectively. 3) Within the precipitation gradient of 370-470 mm, the soil quality index of three planting types all decreased with the decrease of precipitation. Among them, theforest (2.34%) had the lowest coefficient of variation of the comprehensive index of soil quality, whereas, theforest and grassland had higher coefficient of variation (25.27% and 34.34%, respectively). The findings can provide scientific datum and theoretical support to implement ecological forestry projects, with an emphasis on the vegetation restoration and reconstruction under the precipitation gradient of 370-470 mm in the loess area of northern Shaanxi, China.

soils; precipitation; returning farmland to forest (grass); quality evalution; vegetation types; precipitation gradient; Loess Region of Northern Shaanxi

张智勇，艾宁，刘广全，等. 陕北黄土区退耕还林（草）地土壤质量特征及其对降水的响应[J]. 农业工程学报，2020，36(24)：73-80.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.009 http://www.tcsae.org

Zhang Zhiyong, Ai Ning, Liu Guangquan, et al. Soil quality characteristics of forests and grasslands returned from farmland and their responses to precipitation in the Loess Region of Northern Shaanxi, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 73-80. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.009 http://www.tcsae.org

2020-08-21

2020-11-05

“十三五”国家重点研发计划（2016YFC0501602，2016YFC0501705）；国家自然基金项目（32060297）；延安市科技计划项目（2019ZDQY-036）

张智勇，主要从事林业生态工程与水土保持方面的研究。Email：18853813917@163.com

艾宁，博士，讲师，主要从事林业生态工程与水土保持方面的研究。Email：aining_office@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.009

S151.9；S158

A

1002-6819(2020)-24-0073-08