祁连山浅山区退耕地土壤质量及植被变化研究

董彦丽,陈爱华,祁光增,张 峰,王亚竹,田晋华

(1.甘肃省水土保持科学研究所,兰州 730020；2.兰州海关技术中心,兰州 730010；3.甘肃省水利科学研究院,兰州 730000)

退耕还林工程是我国涉及面最广、工序最复杂的生态建设的标志性工程,也是迄今为止世界上最大的生态修复工程[1],是治理水土流失和土地沙化问题的主要措施,对抑制和扭转西北地区生态环境恶化意义重大,是一条顺应经济社会发展规律、统筹人与自然和谐发展的科学发展道路[2]。2014年,国家启动了新一轮退耕还林工程,对于生态脆弱的西北地区来说,无论改善生态环境还是调整农村产业结构、推动农村经济发展转型和增加农民收入,都具有极其深远的意义[3]。退耕还林草工程的实施对区域内土壤、植被的恢复发挥了重要的促进作用。研究表明,退耕还林实施植被恢复措施可明显改善土壤孔隙度,提高土壤蓄水及持水能力[4],随着退耕年限的增加,总物种数呈减少—增加—减少—增加的趋势,土壤养分含量先减少后增加[5],植被群落优势种由草本植物逐渐转化成灌木植物[6]。刘若莎等[7]定量分析了青海黄土高寒区退耕植被生态功能,结果表明，中位阴坡平缓坡青海云杉、青杨和华北落叶松混交林生态功能综合得分最高,低位阳坡平缓坡的青海云杉和青杨混交林综合得分最低。尚雪等[8]对退耕还林(草)过程中陕北地区NDVI时空变异及其驱动因子的地理探测研究表明,2000—2019年陕北地区中高和高植被覆盖区面积分别增加了25.64%和11.74%,植被覆盖状况整体良好,NDVI空间分布差异显著。

本文以祁连山浅山区山丹县大黄山示范区退耕地为例,针对退耕后不同地类土壤及示范区内植被,对比分析不同类型退耕地土壤理化性质和示范区2017—2020年间植被覆盖度变化情况,以期能够更直观科学地反映退耕还林草后区域内生态效益的变化。

1 研究区概况

研究区位于祁连山浅山区山丹大黄山水土保持技术示范区,地理位置为北纬38°20′～38°30′,101°00′～101°30′,海拔2 800m左右。该区气候干燥、水资源匮乏、水土流失严重；气候属大陆性高寒半干旱气候带,年降雨量428mm左右,降雨主要集中在6—8月份,随海拔高度上升降雨量逐渐增加,气温逐渐降低,生长期变短。>10℃的积温在1 700℃,植物生长期在120d左右[9]。土壤类型包括山地褐色土、灰褐土、轻壤土等,成土母质以坡积、残积母质为主。经过近年退耕还林,植被类型主要有青海云杉、沙棘、祁连圆柏、金露梅、山丹柳、柠条锦鸡儿等[10]。

2 研究方法

2.1 土样采集

2019年4月26日,在山丹县大黄山退耕还林(草)保护技术示范区选择坡向、坡度基本一致的退耕沙棘林地、封育3年草地、未封育草地3种典型退耕模式样地内随机设置3个采样点(表1),在不破坏土壤结构的条件下,按0～10cm,10～20cm,20～40cm,40～60cm土层用铝盒和环刀分别取土样并现场测量铝盒和环刀的湿重,每层取3个重复,同时采集每层原状土样1kg左右,装入采样袋,共计36份。

2.2 土样测定

将样品带回实验室,采用烘干法测定土壤含水量，环刀法测定土壤容重、持水量、孔隙度等物理特性。原状土风干后,利用重铬酸钾-外加热法和凯氏法测定土壤有机碳、全氮，碱解扩散法测定碱解氮，钼锑抗比色法测定有效磷，火焰光度法测定速效钾。

2.3 植被数据来源与处理

综合考虑季节、云量等因素,本研究采用了3期GF-1数据,时间分别为2017年9月23日,2019年8月18日,2020年7月28日。由于2018年没有合适的GF-1数据,因此采用2018年7月9日GF-6数据进行补充分析。空间分辨率为2m,基于ENVI5.3软件对GF-1和GF-6数据全色波段、多光谱波段分别做正射校正,然后再对多光谱波段做辐射校正(包括辐射定标和大气校正),最后将全色波段和多光谱波段进行融合,得到分辨率为2m的多光谱图像。

表1 样地概况

2.4 数据分析

土壤吸持贮水量、滞留贮水量和饱和贮水量由式(1)—式(3)计算:

Wc=1000×Pc×h

(1)

Wo=1000×Po×h

(2)

Wt=1000×Pt×h

(3)

式中:Wc,Wo,Wt分别为土壤吸持贮水量、滞留贮水量和饱和贮水量(mm)；Pc,Po,Pt分别为毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度(%)；h为土层深度(m)[11]。

归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是植物生长状态以及植被空间分布密度的最佳指示因子。NDVI的计算公式如下:

NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)

式中:Red,NIR分别代表红光、近红外波段,分别对应GF-1和GF-6的波段3、波段4。

基于NDVI图像,通过目视解译选择最优阈值对示范区分为林地、草地和裸地3种地类,计算示范区植被覆盖度。

采用Excel 2010处理数据、图表,利用SPSS 21.0软件进行统计分析,采用One-way ANOVA分析显著性差异。

3 结果与分析

3.1 不同类型退耕地土壤物理性质

不同类型退耕地土壤水分、土壤容重如图1所示。3种地类0～10cm表层土壤水分含量最低,后随土壤深度增加，土壤水分亦逐渐增加；土壤平均水分含量表现为封育3年草地(26.68%)>未封育草地(22.09%)>沙棘林(20.88%),封育草地土壤水分要高于未封育草地20.78%。不同退耕地土壤容重随土壤深度增加而降低,平均容重则为未封育草地(1.16g/cm3)>封育3年草地(1.06g/cm3)>沙棘林(1.03g/cm3),沙棘林地土壤容重比未封育草地低12.62%；方差分析3种地类土壤水分、容重差异性不显著(P>0.05)。

图1 不同类型退耕地土壤水分 容重变化特征

土壤最大持水量、毛管持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度等都表现为沙棘林最大、封育3年草地次之、未封育草地最小(图2)；沙棘林地土壤最大持水量和毛管持水量高于封育3年草地的3.33%和3.11%,高于未封育草地的9.48%和8.28%；3种地类土壤持水量、孔隙度差异性不显著(P>0.05)。土壤容重与土壤持水量、毛管孔隙度、总孔隙度呈显著负相关(P<0.05)。

图2 不同类型退耕还林(草)地土壤物理性质

3.2 不同类型退耕地土壤贮水性能

3种退耕地在0～60cm土层深度下,随土壤深度的增加,土壤吸持贮水量和饱和贮水量逐渐增加；沙棘林地土壤吸持贮水量、滞留贮水量和饱和贮水量分别高于封育3年草地的3.58%,13.50%和4.12%,高于未封育草地的5.36%,36.11%和6.81%。3种退耕地的土壤吸持贮水量和滞留贮水量的差异性不显著(P>0.05),沙棘林与未封育草地的土壤饱和贮水量差异显著(P<0.05)(表2)。

表2 不同类型退耕地土壤贮水性

3.3 不同类型退耕地土壤养分特性

由表3可知,封育3年草地电导率、速效钾、速效磷和有机质等土壤养分含量高于沙棘林地和未封育草地,未封育草地土壤pH值和碱解氮含量高于其他地类,沙棘林地土壤全氮含量略高于其他地类；沙棘林地土壤pH值与2种草地差异不显著(P>0.05),但封育3年草地与未封育草地差异显著(P<0.05)；未封育草地土壤有机质与沙棘林地和封育3年草地差异性显著(P<0.05)。

表3 不同类型退耕地土壤养分特性

由图3可看出,3种地类,土壤pH值在0～10cm土层最低,随土层深度增加,略有上升,pH值在8.62～8.33之间；速效钾含量随土层深度增加而逐渐降低；未封育草地不同土层土壤有机质含量基本一致,沙棘林地表层略低于其他土层,封育3年草地土壤表层有机质略高于其他土层土壤；在0～20cm土层,速效钾含量表现为沙棘林地高于封育3年草地,未封育草地最低,20～60cm土层,速效钾含量不稳定；未封育草地不同土层土壤全氮含量基本一致,但沙棘林地和封育3年土壤不同土层全氮含量不太稳定；各地类土壤碱解氮含量基本随土壤剖面深度增加,逐渐增加。

图3 不同类型退耕地不同土层土壤养分变化

3.4 植被覆盖度变化

研究区内2017—2020年植被覆盖情况如图4所示。2017年示范区内最南端以及北侧出现明显的无植被覆盖情况,中部地区植被多数破碎化,植被覆盖度相对较低；2018年植被面积开始增加,主要集中在示范区中部,表现为裸地向草地、林地转变,草地向林地转变；2019年林地、草地面积持续增加；2020年,非植被区相对减少得更多,生态系统更加完善。2017—2020年,非植被区向植被区转变主要集中在中部,经历了由破碎化、杂乱化向系统化、规整化变化的发展模式。如表4所示,对于林地,2017—2020年,林地呈持续增加的趋势,平均每年增加48.74hm2；草地呈持续减少的趋势,平均每年减少21.17hm2；裸地同样呈持续减少的趋势,平均每年减少21.56 hm2。2017—2020年,示范区内植被覆盖度由69%提高到了78.8%,植被覆盖度增加了9.8%,平均每年植被覆盖度增加3.26%。

图4 山丹县大黄山示范区2017—2020年植被覆盖变化

表4 山丹县大黄山示范区2017—2020年植被面积变化

4 讨论与结论

4.1 讨论

1)土壤水分是植被恢复过程中的重要特征,容重、孔隙度则是反映土壤物理性质的主要指标[12-13]。研究区封育草地土壤水分高于未封育草地和沙棘林地,是由于草地根系较浅需水量不高,而沙棘林地冠层郁闭度较高,降雨后一部分水分被冠层截留,造成林地土壤水分较低。沙棘林地土壤容重最小,持水量、孔隙度最大,土壤质量高于草地,是因为沙棘林地围栏封育时间最长,人为、牲畜的干扰较少,基本没有林地破坏,对土壤质量的改良效果较好。土壤贮水量是评价水源涵养功能与植被水分保持的重要指标,与孔隙状况和土层厚度密切相关[14]。有研究表明,禁牧能使土壤贮水量增加,放牧使土壤贮水量减小[15],本研究土壤贮水量沙棘林地最高,封育草地高于未封育草地,这与贺慧丹等[16]研究结果相似。有机质、全氮、碱解氮含量与土壤肥力水平密切相关[17],本研究封育草地有机质、速效钾和速效磷等土壤养分含量高于未封育草地,土地利用方式的转换引起土壤养分变化[18],农地退耕还林后有利于土壤养分恢复[19],是植被恢复重建的重要基础。

2)植被覆盖度反映着生态环境的变化,对植被的动态变化监测具有深远意义[21]。本研究示范区内植被覆盖度逐年提高,在2017—2020年间,植被覆盖度由69%提高到了78.8%,植被覆盖度增加了9.8%。通过实施封育、造林措施,裸地、荒地等逐渐恢复为草地、林地等,人为因素中的退耕还林生态建设工程是导致植被覆盖度增加的主要原因,退耕还林政策实施的重点区域取得了良好的植被恢复效果[22]。

4.2 结论

1)祁连山浅山区退耕草地土壤水分含量和容重高于沙棘林地,但差异性不显著(P>0.05)；沙棘林地土壤持水量、孔隙度及贮水量高于草地。

2)封育3年草地电导率、速效钾、速效磷和有机质等土壤养分含量高于沙棘林地和未封育草地,未封育草地土壤pH值和碱解氮含量高于其他地类,沙棘林地土壤全氮含量略高于其他地类。

3)2017—2020年,山丹大黄山示范区林地面积持续增加,草地和裸地呈减少趋势,示范区内植被覆盖度由69%提高到了78.8%,植被覆盖度增加了9.8%,平均每年植被覆盖度增加3.26%。