宁南黄土丘陵区不同生态恢复模式对土壤养分的影响

温淑红, 李生宝, 许 浩, 蔡进军, 潘占兵, 王月玲

(宁夏农林科学院 荒漠化治理研究所, 宁夏 银川 750002)

宁南黄土丘陵区不同生态恢复模式对土壤养分的影响

温淑红, 李生宝, 许 浩, 蔡进军, 潘占兵, 王月玲

(宁夏农林科学院 荒漠化治理研究所, 宁夏 银川 750002)

[目的] 分析植被恢复过程中土壤养分的变化规律,认识和评价植被生态系统功能恢复,促进植被演替和加快生态恢复的人工调控。 [方法] 通过对宁夏南部山区彭阳县中庄示范区天然草地(封山禁牧)、农耕地(退耕)、人工苜蓿(退耕还林草)3种生态恢复模式进行调查,研究分析不同生态恢复模式对土壤养分的影响。[结果] 宁夏黄土丘陵区不同生态恢复模式效果依次为：天然草地>农耕地>人工苜蓿。随着土层深度的增加,土壤养分含量均呈现降低的趋势。随着植被恢复年限的延伸,土壤养分会逐渐累积而增加。不同恢复年限苜蓿地土壤肥力指数小于农耕地,土壤肥力贫瘠,且随苜蓿种植时间的延长,呈现先增大，再减小的趋势。[结论] 在宁夏黄土丘陵区进行植被恢复,能明显提高土壤养分含量,改善土壤肥力状况,但旱作苜蓿粗放经营(只刈割,不培肥),导致土壤综合肥力指数日趋下降。

土壤养分; 生态恢复模式; 土壤肥力

土壤不仅影响植被群落的发生、发育和演替速度，而且也对生态系统构成、生产力和结构具有重要影响，植物演替过程同时也丰富了土壤资源，增加了其空间异质性，维持了物种间关系、物种的分布格局以及干扰下的群落物种多样性[1]。恢复植被是改善生态环境，防止土地退化，提高土壤肥力和生产能力的有效途径，是黄土高原地区建设生态环境和持续发展的主要战略措施[2]。了解植被恢复过程中土壤养分的变化规律，是认识和评价植被生态系统功能恢复的重要依据，对以促进植被演替和加快生态恢复的人工调控具有重要作用。但是对宁南黄土丘陵区地形复杂、植被生态恢复模式多样化，及其土壤养分环境效应的认识尚不深入。本研究选择宁夏南部山区彭阳县退耕还林区域为研究对象，以土壤主要养分元素的时间空间含量变化为依据，分析土壤养分随着恢复年限延长而发生的动态变化及其规律，以揭示干旱区植被恢复过程中土壤环境变化特征，为干旱区生态恢复重建提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究地区概况

试验研究区位于宁夏南部山区彭阳县中庄村，即E105°9′—106°58′，N34°14′—37°4′，地貌类型属黄土高原腹地梁峁丘陵，区内梁峁相间，沟壑纵横，地形破碎，平均海拔在1 600～1 700 m；土壤类型以黄绵土为主；属温带大陆性气候，夏季潮湿炎热，冬季干燥寒冷，年均气温7.5 ℃，≥10 ℃的积温2 500～2 800 ℃，年平均蒸发量1 360.6 mm，无霜期140～160 d。年均降水量442.7 mm，降水季节分布很不均匀，主要集中在7—9月，占全年降水量的60%[3]，而且降水的年际差异较大，降水量集中月份降水常以暴雨形式出现，局部地区容易发生洪水。水土流失、土地退化等成为该地区主要环境问题[4]。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与处理 通过对宁夏南部山区彭阳县中庄示范区天然草地(封山禁牧)、农耕地(退耕)、人工苜蓿(退耕还林草)3种生态恢复模式进行调查，确定环境因子相近的采样点。本研究区植被类型以草原植被为基础，天然草地主要形成以百里香(Thymusmongolicum)、长芒草(Stipabungeana)、达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)、赖草(Leymussecalinus)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)、冷蒿(Artemisiafrigida)等为优势种的干草原；其次还生长有零星的枸杞(Lyciumchinense)、蕤核(Prinsepiauniflora)、互叶醉鱼草(Buddlejaalternifolia)等灌丛。农地退耕后植被以山桃(Prunusdavidiana)、沙棘(Hippopaerhamnoides)、山杏(Armeniacasibirica)等为主，人工草地主要为紫花苜蓿(Medicagosativa)。对农地退耕，按照S 形随机采样，分别采集表层土样品(0—20，20—40，40—60，60—80和80—100 cm)各5个；在苜蓿地种植年限分别为3，7和19 a的样地(0—20，20—40，40—60，60—80和80—100 cm)各取6个样，每个土样采集1～2 kg，充分混合后装入塑料袋中，密封后带回实验室。

进行土样分析之前，首先去除土样中的石块、草根等杂物后置于通风橱内风干；然后将风干后的土样压碎(不用陶瓷研钵研磨，以防破坏颗粒组成)；并用四分法取样，剩余土样备用；最后分别过18目(1 mm)、60目(0.25 mm)、100目(0.1 mm)筛，用自封袋装好贴上标签，于阴凉处密封保存，待用。其中过18目筛的样品用于速效氮、磷、钾的测定，过60目(0.25 mm)筛的样品用于有机质的测定，过100目(0.1 mm)筛的样品用于全氮、磷、钾的测定。

1.2.2 测定指标与方法 土壤养分测定内容包括土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效钾、速效磷。具体分析方法依照《土壤理化分析》的步骤[5]。有机质采用电热板加热—K2Cr2O7容量法；全氮采用凯氏法；全磷用酸溶—钼锑抗比色法；全钾采用NaOH熔融火焰光度计法；速效氮采用碱解扩散法；速效磷采用0.5 MNaHCO3浸提比色法；速效钾采用浸提—火焰光度计法测定。

2 结果与讨论

2.1 不同生态植被恢复模式对土壤养分的影响

土壤是植物生存与发展的基质，植被对土壤的作用又表现在每年向林下土壤提供大量的凋落物，经微生物腐解后使土壤的养分含量升高。天然草地草种繁多，而且多为一年生植物，每年也有相当量的营养物质回归土壤[6]。而苜蓿作为多年生豆科草本植物，发达的根系能为土壤提供大量的有机物质，并能从土壤深层吸取钙素，分解硫酸盐，改善土壤理化性状，根部大量的根瘤菌可以固定空气中的游离态氮，增加土壤含氮量，提高土壤肥力，加之其枝叶茂盛，对地面覆盖度大，减少水土流失作用显著。

从表1可以看出，天然草地土壤养分含量最高，人工苜蓿和农耕地次之。农耕地0—20 cm土层全氮含量最低0.15 g/kg，差异最为明显，而速效磷含量最高。这与农耕地在前期耕种期间的人为开垦、施肥等因素有关。苜蓿地0—60 cm层有机质、全氮平均含量均随苜蓿种植年限的延长，呈现先降低、再增加的趋势，苜蓿地0—100 cm层土壤速效氮、全磷、速效磷平均含量均随苜蓿种植年限的延长，呈降低的趋势。由此可见，种植苜蓿和草地退牧保持其天然状态，对保持土壤养分均有明显的作用，开垦耕种则明显降低了土壤养分含量。因植被恢复能增强土壤腐殖化作用，促进土壤有机质形成和发育，明显提高土壤中有机质含量，进而改善土壤养分状况。总体而言，不同植被恢复方式，0—40 cm土层，随着土层深度的增加，土壤养分平均含量变化全氮和速效氮含量天然>农耕地>人工；速效磷含量农耕地>天然>人工，速效钾含量天然>农耕地>人工。土壤有机质含量变化人工苜蓿>天然草地>农耕地。土壤速效钾、速效磷含量均有很大程度的增加(表1)。

表1 不同植被类型土壤养分状况

2.2 人工植被恢复中土壤养分的变化特征

以人工苜蓿为例，由表2可知，随着人工植被苜蓿恢复年限的增加，除速效钾外，其余土壤养分均有降低趋势。在第7 a时，土壤养分速效钾含量较退耕3 a时迅速增加，达到最高值98.0 mg/kg。其余养分含量均有下降趋势，但其含量已远远超过了退耕前土壤中各养分的含量。因为植被恢复过程中的养分变化，实际上是植被对养分的消耗与累积的动态过程。植被恢复初期，生物量和凋落物较少，积累养分的能力较低，此时消耗大于累积，土壤养分含量便逐渐减少。植被恢复后期，大量枯枝落叶归还给土壤，经过腐殖化作用形成土壤有机质，矿化分解释放出速效养分。而速效钾表现出较大的差异，促进了植被恢复钾素营养的矿化过程。在第19 a时，土壤养分含量经过一个低谷期后，又逐渐积累。随着植物群落生物量的增加，养分富集作用增加，其有机质和全氮含量较7 a时逐渐升高，而其余养分则为降低。就不同养分的含量变化看，对植被恢复的响应程度从高到低表现为：速效钾>速效氮>有机质>速效磷>全氮>全磷>全钾。速效养分对植被恢复表现出较强的敏感性，其次为有机质和全氮，而全钾几乎没有变化。但随年限的增加，土壤全钾含量始终处于中等水平到丰富状态，平均含量均大于50.0 mg/kg[7]。

2.3 植被恢复过程中土壤养分的垂直分布特征

2.3.1 土壤有机质的变化 在宁夏南部黄土丘陵区，不同植被恢复方式对土壤的腐殖化作用差异显著。几种不同植被恢复方式各层土壤有机质含量均随深度增加而递减，其趋势基本一致。几种不同植被恢复方式土壤有机质均有一定的表聚性，有机质主要分布在0—20 cm深度范围内，其中自然封禁恢复土壤有机质表聚性表现最为明显，而且其对深层土壤有机质培肥效果最好[8]。

在恢复初期，除P元素外，人工植被下的其他土壤养分都较天然植被为高，但当植被恢复到20 a左右，人工植被群落的土壤养分含量则逐渐降低，土壤有机质含量则低于天然植被。但随着演替时间的进行，两者的差距逐渐缩小，自然植被的土壤有机质含量甚至超过了人工植被。3年生苜蓿地剖面40—100 cm层土壤有机质含量平均为7.1 g/kg，苜蓿进入盛产期，土壤有机质含量迅速下降，7年生苜蓿地40—100 cm层土壤平均有机质含量仅为4.0 g/kg，且显著小于坡耕地(p<0.01)[7]。随着苜蓿旱作年限的进一步延长，苜蓿退化越来越严重，天然草成为人工草地的优势植物，苜蓿刈割利用频率减少，土壤有机质开始逐渐积累，到19 a时，苜蓿地40—100 cm土壤平均有机质恢复到6.0 g/kg。

40—100 cm 土层的土壤养分含量，从总体上反映了土壤养分对植被恢复过程的响应，但养分在土壤剖面的分布却具有明显的层次性，随土壤剖面深度发生较大的变化。不同年限苜蓿的土壤养分中有机质含量平均为5.4 g/kg，呈现低水平。土壤有机质含量总体随着土壤剖面深度的增大而不断变化，表层土壤有机质含量最高，向下迅速减小，60 cm 以下变化幅度较小趋于稳定。至80 cm深度后有机质含量又逐渐升高。

2.3.2 土壤氮素的变化 在宁夏南部黄土丘陵区土壤全氮处于偏下水平，苜蓿旱作后，粗放经营，农户对旱作苜蓿的经营方式主要以刈割收草为主，不再施肥，土壤全氮处于偏下水平。随着土层深度的增加，土壤全氮含量由表层(0—20 cm)的中等水平下降到40—60 cm的贫瘠状态。

表2 不同年限苜蓿的土壤养分变化特征

随着苜蓿种植年限的增加，土壤全氮含量先下降再增加。3 年生苜蓿地0—100 cm土壤平均全氮含量较高，随着苜蓿进入盛产期，需要消耗土壤氮素，使0—100 cm土壤平均全氮含量由3年生的0.45 g/kg显著下降到第7 a的0.36 g/kg；旱作19 a时，苜蓿严重退化，此时苜蓿密度、产量明显下降，土壤全氮含量开始恢复，但仍小于坡耕地。土壤速效氮含量也随着苜蓿种植年限的增加而降低。3 a生苜蓿地0—100 cm土壤平均效氮含量最高，为34.4 mg/kg。19 a生苜蓿地0—100 cm土壤平均速效氮含量下降到15.6 mg/kg。旱作苜蓿粗放经营，加剧了苜蓿速效氮的亏缺。

2.3.3 土壤磷素的影响 苜蓿地土壤剖面全磷含量均处于贫瘠状态，随着土层深度的增加，土壤全磷呈下降趋势，但垂直变化较小，变异系数在0.041～0.105之间。随着苜蓿种植年限的增加，土壤全磷也呈下降趋势。3年生苜蓿地0—100 cm土壤平均全磷含量为0.54 g/kg；随着苜蓿进入盛产期，需要消耗土壤磷素，使土壤全磷含量快速下降。7年生苜蓿地土壤平均全磷含量为0.52 g/kg，19年生苜蓿地0—100 cm土壤平均全磷含量为0.50 g/kg，7年生与19年生苜蓿地土壤全磷显著低于坡耕地。可见，苜蓿长期种植，可导致土壤全磷含量下降。土壤速效磷含量均小于5 mg/kg，处于贫瘠且随土层深度的增加而呈现降低的趋势。随着苜蓿种植年限的增加，土壤速效磷也呈下降的趋势。3 a苜蓿地0—100 cm土壤速效磷平均含量较高，为2.38 mg/kg，苜蓿旱作7 a时，随着苜蓿生物产量的增加，土壤速效磷被苜蓿消耗，造成土壤速效磷含量降低为2.36 mg/kg，旱作19 a时，苜蓿明显进入退化期，苜蓿地土壤速效磷下降至1.64 mg/kg。

2.3.4 土壤速效钾的变化 随着苜蓿种植年限的增加，土壤速效钾呈下降的趋势，7 a生苜蓿地0—100 cm层土壤速效钾平均值为98.0 mg/kg，随着旱作时间的增加，土壤速效钾降为19年生苜蓿地的67.0 mg/kg，仍小于CK 83.6 mg/kg。

2.3.5 不同恢复年限植被恢复方式对土壤养分变化的影响

(1) 较短恢复年限内植被恢复方式对土壤养分变化的影响。植被恢复方式对土壤养分积累的影响，可以不同的植被恢复阶段进行观察与识别[9]。退耕年限为7 a时，CK与人工苜蓿的土壤养分含量变化对比分析(表2)，结果表明，退耕7 a左右，在0—60 cm土壤垂直剖面中，人工苜蓿土壤有机质、全氮、有效氮和速效钾等含量均大于CK的土壤养分含量。但随着土层的加深，这种增加的幅度减小；而CK的全磷含量和速效磷含量则较人工植被高。

(2) 较长恢复年限内植被恢复方式对土壤养分变化的影响。植被恢复年限为19 a时，CK与人工苜蓿的土壤养分含量差异则缩小(表2)。植被恢复19 a左右，在0—40 cm土层中，人工苜蓿土壤全氮、有效氮和速效磷等含量均大于CK的土壤养分含量。但在40—80 cm土层，人工苜蓿土壤全氮、有效氮和速效钾等含量均小于CK的土壤养分含量。在0—20 cm土层中，人工干预与CK的土壤有机质含量相当。在20—60 cm土层中，人工干预植被的土壤中有机质含量又小于CK。在0—60 cm土壤垂直剖面中，人工干预植被的土壤中全磷和速效钾含量均小于CK，但总体看，两者的差距随着演替年限的延长逐渐缩小。

2.4 土壤养分关系及土壤肥力评价

2.4.1 不同年限苜蓿的土壤养分随植被恢复的变化 宁夏黄土丘陵区退耕还林地间作苜蓿经营多年后，0—60 cm土层土壤有机质平均含量均低于10.4 g/kg，土壤全磷含量在0.49～0.57 g/kg、速效磷含量在1.64～2.86 mg/kg，均属于贫瘠状态；土壤全氮含量在0.36～0.79 g/kg，速效氮含量在15.6～39.4 mg/kg，速效钾含量在59.2～74.2 mg/kg，属于中等水平。对0—20，20—40，40—60，60—80和80—100 cm的土壤养分变化的相关性分析表明，土壤有机质、全氮、速效氮相互间显著相关，这是由于土壤中的氮素主要以有机质形式存在，土壤中的速效氮主要来自于全氮。全磷与氮养分和速效钾相互间显著相关，但全磷与速效磷、全钾与速效钾相关性较小。

2.4.2 土壤有机质在土壤肥力形成过程中的重要作用 土壤有机质对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面都有着极其重要意义。在植被恢复过程中，随土壤有机质的变化，土壤氮磷钾养分也在发生相应的变化，其中与全氮、速效氮呈显著线性相关，而与钾素和磷素的相关性较低，没有明显的规律性(表2)。

2.4.3 不同坡位旱作苜蓿地土壤综合肥力评价 采用因子分析法、相关分析法、灰色关联法、变异系数法4种方法及计算出的评价因子权重并不一致，但采用修改的內梅罗公式得到的苜蓿地土壤综合肥力指数的变化趋势相同，均随着坡位的降低，苜蓿地土壤肥力指数呈现缓慢增大的趋势；土壤综合肥力指数变化范围在0.848～1.025之间，土壤肥力水平接近坡耕地，处于一般水平(图1)。不同坡位苜蓿地土壤肥力水平更加趋向一致，但旱作苜蓿粗放经营(只刈割，不培肥)，导致土壤肥力贫瘠。

图1 不同坡位苜蓿地肥力指数

2.4.4 苜蓿地土壤肥力的动态变化 从3，7和19 a苜蓿地土壤综合肥力指数计算结果(图2)表明：旱作7 a苜蓿地土壤综合肥力指数最高，其次3 a，19 a土壤综合肥力指数相对降低，仅为0.539。可见半干旱黄土丘陵区旱作苜蓿地土壤肥力随着种植年限的延长，呈现先提高、再降低的趋势，苜蓿连作19 a后，苜蓿地严重退化，为了促进苜蓿地可持续利用，在苜蓿老化时，应对苜蓿地翻拆补种，加强苜蓿地土壤培肥。

图2 不同旱作年限苜蓿地土壤肥力指数

3 结 论

(1) 在宁夏黄土丘陵区进行植被恢复能明显提高土壤养分含量，改善土壤肥力状况，但不同植被恢复方式对土壤的腐殖化作用差异显著。不同生态恢复模式效果依次为：天然草地>农耕地>人工苜蓿。随着土层深度的增加，土壤养分含量均呈现降低的趋势。

(2) 植被恢复过程中土壤养分的变化趋势是随着退耕年限的延伸土壤养分会逐渐累积而增加。退耕后土壤养分具有增加趋势，随着退耕年限的延伸表现出一定的变化规律。就具体的养分变化而言，有机质及氮、磷、钾在时间和空间上都呈现出一定的变化规律，各养分含量逐年升高，这一结果表明退耕还林等植被恢复措施在改善干旱区土壤养分方面效果显著。

(3) 种植苜蓿对土壤理化性质的影响，主要通过土壤养分，土壤酸碱度及土壤可溶性盐等的变化来反映[10]。李小坤等[11]对牧草施肥研究进展进行了综述，而且许多学者[12-15]研究了紫花苜蓿对土地肥力的影响。本试验的研究结果显示，不同旱作年限苜蓿地土壤肥力指数在0.539～0.847，均小于坡耕地，土壤肥力贫瘠，且随苜蓿种植时间的延长，呈现先增大、再减小的趋势，说明宁夏黄土丘陵区旱作苜蓿粗放经营(只刈割，不培肥)，导致土壤综合肥力指数日趋下降。

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Effects of Soil Nutrients on Ecological Restoration Patterns in Loess Hilly Region of Southern Ningxia Hui Autonomous Region

WEN Shuhong, LI Shengbao, XU Hao, CAI Jinjun, PAN Zhanbing, WANG Yueling

(InstituteofDesertificationControl,NingxiaAcademyofAgricultureandForestrySciences,Yinchuan,Ningxia, 750002,China)

[Objective] The objectives of the study are to analyze the changes in soil nutrients with vegetation recovery in order to understand and evaluate the functional restoration of vegetation ecosystem, and to adjust speed the vegetation succession and accelerate the ecological recovery.[Methods] Three ecological restoration patterns, natural grassland(grazing forbidden), farmland(fallow) and planted alfalfa(returning to forest and grassland), were investigated to analyze the influence of ecological restoration on soil nutrients. [Results] The natural grassland has bigger effects than farmland then followed by planted alfalfa on soil. As the soil depth increased, all soil nutrients decreased. With the time of recovery, soil nutrients gradually accumulated. The soil fertility index in alfalfa fields was lower than that in farmland and increased in the early period of recovery and then declined with time. [Conclusion] Vegetation recovery in the loess hilly region in Ningxia would obviously increase the contents of soil nutrients and improve the fertility of soil. But alfalfa, which was extensively managed on dry fields(no fertilizer applied but only mowing), would seriously decrease soil fertility.

soil nutrition; ecology restoration pattern; soil fertility

2014-08-19

2014-09-16

宁夏回族自治区自然科学资助项目“宁南山区土壤养分对不同生态恢复模式的响应”(NZ12246)

温淑红(1971─),女(汉族),宁夏回族自治区银川市人,研究生硕士,助理研究员,主要从事植物保护、退化生态恢复与重建等研究工作。 E-mail:wshh.951@163.com。

潘占兵(1975—),男,宁夏回族自治区惠农县人,副研究员,在职硕士研究生,主要从事荒漠化防治与生态环境建设方面等研究。 E-mail:pan7536@163.com。

A

1000-288X(2015)05-0199-06

S154.1, S551+7