无定河流域植被恢复对土壤团聚体及碳固定的影响

董莉丽，李晓华，杨波

（咸阳师范学院资源环境与历史文化学院，陕西咸阳712000）

无定河流域植被恢复对土壤团聚体及碳固定的影响

董莉丽，李晓华，杨波

（咸阳师范学院资源环境与历史文化学院，陕西咸阳712000）

对无定河流域坡耕地和4、5、10、30、50年植被恢复样地土壤水稳性团聚体含量，全土样及不同直径水稳性团聚体中的有机质、速效磷含量进行了测定分析，计算了土壤有机碳密度，旨在评价植被恢复对土壤结构、养分及土壤固定的影响。结果表明：各样地全土样有机质和速效磷含量分别介于6.73～31.83 g·kg－1和1.93～14.72 mg·kg－1之间，不同直径团聚体有机质和速效磷含量分别介于7.15～26.03 g·kg－1和3.71～16.64mg·kg－1之间。相对农地，植被恢复能明显增加表层土壤有机质含量和有机碳密度，杜梨群落增加幅度最高，增加值分别为24.93 g· kg－1和91.98mg·cm－2；水稳性团聚体以＜0.05mm和0.05～0.1mm为主，含量分别在37.06%～57.22%和21.71%～29.76%之间；不同直径水稳性团聚体中有机质含量表现为＞2 mm至0.2～0.5 mm之间，直径愈小，有机质含量愈高，0.2～0.5mm至＜0.05mm之间，粒径愈小，有机质含量愈低；除1～2mm团聚体中的速效磷含量最高外，＞2 mm至＜0.05mm团聚体之间，粒径愈小，速效磷含量愈低。土壤有机碳密度与植被恢复年限呈线性正相关关系。相对于土壤碳固定，土壤抵抗水力侵蚀的能力需更长时间才能显著提高。相对慢速湿润，快速湿润条件下各直径水稳性团聚体有机质含量均较高。研究区大雨或暴雨是造成该区域土壤结构恶化和有机碳损耗的主要原因。

植被恢复；土壤有机碳密度；水稳性团聚体；无定河流域

农田撂荒后的植被再生是退化生态系统侵蚀控制和生态恢复的一个重要策略［1］。农田撂荒后植被进行自然演替过程［2］，该过程促进了土壤的发展［3］，能有效地控制水土流失和防治土壤退化，对陆地生态系统碳循环与全球气候变化有重要意义［4］。土壤有机质是大气中CO2巨大的源和汇，对全球碳素循环的平衡起着重要作用［5］。有报道［6－7］评估了我国黄土高原地区植被恢复对土壤有机碳储量的影响。土壤结构和团聚体稳定性可作为土壤抗蚀性指标，是影响土壤性质的关键要素［8］，是土壤肥力的物质基础［9］。水稳性团聚体的保护机制与土壤碳固定密切相关［10］，研究有机质在大小不同的团聚体中的分布特征，可为碳的固定和矿化提供重要信息［8］。有学者对土壤有机碳在团聚体中分布状况做了大量研究，但所得结果不一，有研究［11－13］得出＞0.25 mm水稳性团聚体有机质含量高，而也有研究［14］认为有机碳在＜0.25 mm团聚体中含量达到最高。

无定河流域的黄土丘陵沟壑区水土流失严重，年土壤侵蚀模数高达16 000～18 000 t·km－2［15］。1949年以来，该区域实施了大面积的退耕还林还草等生态环境建设工作，使大面积农田撂荒。有关该区域植被恢复对土壤团聚体稳定性及碳固定和养分的影响少见报道。本文分析无定河流域黄土高原丘陵沟壑区农田撂荒后土壤团聚体水稳性，揭示植被恢复过程中土壤碳储量及养分恢复特征，探明不同直径土壤水稳性团聚体中有机质和速效磷的分布特征，对阐明土壤团聚体稳定性机制及其与碳库固定和保持养分的相关性具有十分重要的科学意义，并对评价该区域植被恢复后土壤碳储量、土壤肥力改善及保持水土等具有一定的参考意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于无定河流域，干流全长491.2 km，流域内总面积为3 0261 km2，属温带大陆性半干旱气候，日照充足，年均气温9.7℃，年降水量486 mm左右，集中于7—9月，多暴雨。地带性土壤类型为黄土母质上发育的黑垆土，非地带性土壤为黄绵土，土壤质地为壤土。退耕还林还草工程实施以来，境内的植被覆盖率明显增加，逐步形成以落叶阔叶及灌木草丛为主的次生植被类型。根据当地实际植被状况，选择7种优势植物群落为研究对象，并选择农地作为对照，详见表1。

1.2 样品采集与分析

野外采样于2013年8月进行，每个样地按S型布设5个样点，每个样点取0～5 cm土壤样品，将采集的5个样点土壤样品混合均匀，按四分法分3袋装，带回实验室，自然风干后，过0.25mm和1mm筛的土壤分别用于测定有机质和速效磷含量。利用环刀法测定表层土壤容重，并采集表层（0～5 cm）原状土样品，带回实验室自然风干后，过5 mm和3 mm套筛，取5～10 g 3～5 mm的土壤团粒，利用LB方法［16］中的快速湿润和慢速湿润法测定不同组分土壤水稳性团聚体含量，并计算土壤水稳性团聚体的分形维数［17］、平均质量直径和几何平均直径［18－19］。

土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法（外加热法），土壤密度（BD）采用环刀法测定。根据参考文献［20］，0～5 cm土壤有机碳密度SOCD（mg· cm－2）的计算公式为：SOCD＝SOM×BD×0.58×5，式中，BD为表层的土壤容重（g·cm－3），SOM为表层有机质含量（g·kg－1），5为表土层的厚度（cm），0.58为将有机质含量换算为有机碳含量的系数。另外，将各样地同一直径土壤水稳性团聚体样品混合后研磨，过0.25mm筛，用于测定不同直径（＜0.05、0.05～0.1、0.1～0.2、0.2～0.5、0.5～1.0、1.0～2mm和＞2 mm）土壤水稳性团聚体中的有机质和速效磷含量。速效磷的测定采用0.5M碳酸氢钠浸提比色法。

1.3 数据分析

利用Excel2003和SPSS13.0软件对数据进行统计分析，并采用方差分析（ANOVA）中的最小显著差异（LSD）进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 植被恢复对土壤水稳性团聚体分布及稳定性的影响

以LB方法中的快速湿润（FW）为例，研究不同植物群落土壤各直径水稳性团聚体（WSA）百分含量，结果见图1。由图1可知，0.1～0.2、0.2～0.5 mm和0.5～1 mm三个直径WSA含量较低，而0.05～0.1 mm和＜0.05 mm含量较高，1～2 mm和＞2 mm含量居中，可见，不同植物群落表层土壤WSA大致呈偏V字形分布。其中，0.5～1 mm的WSA含量最小，为0.52%～3.60%；＜0.05 mm的WSA含量最大，为37.06%～57.22%。农地土壤＞2 mm的WSA含量最低，仅为3.69%，而该值在其他各样地均有不同程度提高；杜梨群落＜0.05 mm的WSA含量最低。可见农地退耕使＞2 mm水稳性团聚体的含量增加，这主要是通过将较小直径的水稳性团聚体聚合来实现的。

图1 不同植物群落土壤水稳性团聚体分布特征Fig.1 Distribution features of soilwater-stable aggregation under different plant community

由于不同直径水稳性团聚体分布较为复杂，出现了很多的方法简化它的数值。团聚体平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和分形维数（D）是主要指标。其中，MWD和GMD越大，D值越小，说明水稳性大团聚体含量增多，团聚体稳定性好。从表2可知，MWD在0.27～0.87 mm之间，在农地最低；GMD在0.07～0.15 mm之间，在杜梨群落显著最高，而在其他各样地较低，且变化不大。D在2.83～2.91之间，在杜梨群落最低。可见，退耕50年的杜梨群落土壤稳定性得到明显提高。

表2 不同群落类型下土壤各属性特征Table 2 Soil properties under different typesof plant community

2.2 植被恢复对土壤有机质、碳固定和速效磷的影响

由表2可以看出，表层土壤容重在农地最小，在植被恢复样地，土壤容重不同程度增加，可见退耕还林还草可增加土壤紧实度。表层土壤有机质介于6.73～31.83 g·kg－1之间，杜梨和柠条群落较高，相对农地分别增加了3.61和2.39倍，冰草、小蓟、黄花蒿土壤有机质次之，相对农地分别增加了0.70、0.29和0.27倍。酸枣、铁杆蒿和农地土壤有机质含量小，且差异不显著，分别为7.15、6.73 g·kg－1和6.90 g·kg－1。本文应用土壤有机碳密度（SOCD）这一指标来表明植被恢复对土壤有机碳储量的影响。不同植物群落对土壤有机碳密度的影响与土壤有机质相似。SOCD在杜梨群落最高，为113.59 mg·cm－2，在柠条样地次之，为85.48 mg·cm－2，在农地最小，为21.61 mg·cm－2，土壤有机碳密度与退耕年限呈线性正相关关系（见图2）。速效磷含量在1.93～14.72mg·kg－1之间，在退耕10年的冰草群落最低，在退耕50年的杜梨群落最高，相对农地增加了2.72倍。而农地速效磷含量居中，与退耕5年的酸枣群落相同。可见，植被恢复过程中，速效磷含量与恢复时间关系不大密切。根据全国第二次土壤普查养分分级标准中的有机质分级标准，杜梨、柠条和冰草群落土壤肥力质量分别为二、三和四级，而其他各样地表层土壤肥力质量为五级，肥力质量较差。可见，在该区域通过退耕还林提高土壤质量水平需要较长的时间。

图2 植被恢复年限与土壤有机碳密度之间的关系Fig.2 Relationship between vegetation restoration years and soil organic carbon density

2.3 不同直径水稳性团聚体中有机质和速效磷含量

由图3可以看出，快速和慢速湿润条件下，不同直径水稳性团聚体有机质含量分别介于7.58～26.03 g·kg－1和7.15～22.00 g·kg－1之间。不同直径水稳性团聚体中有机质含量的变化趋势表现为，在快速湿润条件下：［0.2～0.5 mm］＞［0.5～1 mm］＞［1～2mm］＞［＞2mm］＞［0.1～0.2 mm］＞［0.05～0.1mm］＞［＜0.05mm］；慢速湿润条件下：［0.2～0.5mm］＞［0.5～1 mm］＞［1～2 mm］＞［0.1～0.2 mm］＞［＞2mm］＞［0.05～0.1 mm］＞［＜0.05mm］。快速湿润条件下水稳性团聚体中速效磷含量的变化趋势为：［1～2 mm］＞［＞2 mm］＞［0.5～1 mm］＞［0.2～0.5mm］＞［0.1～0.2mm］＞［0.05～0.1mm］＞［＜0.05mm］。

图3 不同直径水稳性团聚体中有机质和速效磷含量（FW：快速湿润；SW：慢速湿润）Fig.3 Content of soil organicmatter and available phosphorus in water stable aggregateswith different diameter（FW：fastwetting，SW：slow wetting）

3 讨论

地上植物的枯枝落叶是土壤有机碳的主要来源之一，地表植物的生长状况和生物量大小影响土壤有机碳含量［21］。本研究得出，农地退耕可显著增加土壤有机质含量，这与前人［1，22］的研究相一致。退耕4～5年后，土壤有机质含量有所提高，但不显著，与农地同属五级，而退耕10、30年和50年后，土壤有机质显著提高，从五级分别提升为四级、三级和二级。可见，自然植被生长需要较长的时间恢复生态系统属性［1］。这与贺少轩等［1］研究认为坡耕地撂荒后，土壤有机碳含量在草地演替的后期显著升高的结论一致。杨丽霞等［23］研究陕北黄土丘陵沟壑区安塞县境内30年撂荒地土壤有机质为24 g·kg－1，郭曼等［2］研究宁夏云雾山区退耕75年的土壤有机质含量为32.22 g·kg－1，这与本文得出的30年柠条和50年杜梨群落土壤有机质含量分别为23.38 g· kg－1和31.83 g·kg－1的结果相近。土壤有机碳密度（SOCD）和有机质在各样地的变化趋势一致，农地退耕4～5年的样地SOCD在23.52～32.46mg·cm－2之间，相对农地的增幅较小，在8.83%～50.20%之间，退耕10、30年和50年后，SOCD增幅较大，分别为83.57、295.56mg·cm－2和425.64 mg·cm－2。这与李俊超等［20］研究认为林草地SOCD显著大于坡耕地，并认为延安市燕沟流域退耕还林方式下SOCD的增幅为72.7%的结论接近。可见，农地退耕后的短期内土壤碳汇效益不明显，而10年后土壤碳汇效益明显提升。农田土壤有机碳密度最低，因此，在黄土丘陵沟壑区广泛开展的退耕还林还草工程将会产生巨大的碳固定效益。土壤有机碳密度与退耕年限呈线性正相关关系，这与王琼芳等［24］研究认为土壤有机碳密度随退耕年限的增加而增加的结论一致。

土壤团聚体作为土壤结构的基本组成单位，对土壤侵蚀有重要的影响作用［25］，水稳性团聚体含量是研究土壤抵抗水力侵蚀的主要指标之一［9，26］，曾全超等［27］利用水稳性团聚体的几何平均直径计算土壤可蚀性。水稳性团聚体几何平均直径和平均质量直径越大，土壤结构越稳定［28］，而分形维数较高的样地正在遭受更加严重的土壤侵蚀［9］。退耕50年杜梨群落水稳性团聚体分形维数最低，平均质量直径和几何平均直径最高。可见，植被恢复50年后，土壤结构稳定性才能显著提高。本文研究认为相对土壤养分和有机碳密度而言，土壤抗蚀性的提高需要更长时间。

土壤碳固定的团聚体保护机制研究在西方甚为活跃，团聚体的形成被认为是土壤碳保护最重要的机制［29］。较高的土壤有机碳含量有利于土壤结构的稳定和土壤环境的改善［21］。同时，土壤团聚体是土壤养分的“贮藏库”，其数量的多少，与土壤中碳含量有着密切的联系，也一定程度上反映了土壤供储养分能力的高低［30］。相关研究表明，有机质含量在各粒径团聚体中分布规律不一［31］，一些研究发现，土壤大团聚体中的有机质含量更高，例如俞月凤等［13］认为＞2 mm团聚体的有机碳储量最高；刘晓利等［32］认为有机碳、全氮主要分布在＞5 mm、5～2 mm和2～1 mm的较大水稳性团聚体中，而土壤全磷均匀分布。而也有研究表明，土壤团聚体有机质含量随团聚体直径的减小而增加，例如周纯亮等［10］研究认为从＞5 mm至0.25～0.5 mm团聚体直径越小，有机碳含量越高；侯晓静等［33］认为＞5 mm至0.5～1 mm团聚体之间，直径愈小，有机碳含量愈高。也有研究表明土壤团聚体有机质含量呈现“V”型分布，如王静娅等［31］研究认为土壤团聚体有机质含量在0.25～0.053 mm最低，而在＞0.25 mm和＜0.053mm中最高。本研究认为以0.2～0.5 mm为界，直径较大的团聚体，直径越小有机质含量越高，这与前人［10，33］研究结果相吻合，而直径较小的团聚体，直径越小有机质含量越低。因此，土壤团聚体中有机质含量可以抽象为“倒偏V”型分布。其中，0.2～0.5 mm的水稳性团聚体有机质含量最高，有研究［8］认为0.25～0.5 mm水稳性团聚体中的土壤有机碳含量是影响团聚体稳定性的主要变量。这主要由于该团聚体中高度腐殖质化的惰性组分含量较高，使其不易分解而积累［34］。程曼等［22］也认为不同团聚体有机碳呈现中间高两边低的变化趋势。除［1～2 mm］水稳性团聚体速效磷含量大于［＞2 mm］水稳性团聚体外，速效磷在直径小的水稳性团聚体中含量低。而宋春等［35］研究认为速效磷在＞0.053mm各直径水稳性团聚体中均匀分布，而在＜0.053 mm显著降低。因此，有关速效磷在水稳性团聚体中的分布规律需进一步研究。

4 结论

本文以农地为对照，研究不同退耕年限植物群落土壤各属性特征及不同直径水稳性团聚体中的速效磷和有机质含量，得出如下结论：

1）退耕10、30年和50年后，土壤质量从五级分别提升为四级、三级和二级，说明陕北黄土丘陵沟壑区通过植被恢复提高土壤质量水平需要较长时间。土壤有机碳密度与退耕年限呈线性正相关关系，且10年后土壤碳汇效益明显提升。可见，植被的恢复过程有助于提高土壤的固碳能力，黄土丘陵沟壑区植被恢复提高土壤碳固定的空间很大。各植被恢复样地土壤速效磷含量的变化规律不同于有机质。

2）农地自然撂荒可改善土壤物理结构，提高土壤抗侵蚀性，但50年的杜梨群落才有显著改善。相对土壤养分和有机碳密度，土壤抗蚀性的提高需要更长时间。快速湿润条件下各直径水稳性团聚体中的有机质浓度大于慢速湿润条件下的，说明有机质与团聚体稳定性密切相关。

3）在水稳性团聚体中，有机质的变化规律为：0.2～0.5 mm为界，直径较大的团聚体，直径越小有机质含量越高，而直径较小的团聚体，直径越小有机质含量越低；除［1～2 mm］水稳性团聚体速效磷含量大于［＞2mm］水稳性团聚体外，速效磷在直径小的水稳性团聚体中含量低。

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Effects of vegetation restoration on soil aggregates and carbon sequestration in Wuding River catchment

DONG Li-li，LIXiao-hua，YANG Bo
（College of Resources＆Environmentɑnd History＆Culture，Xiɑnyɑng Normɑl University，Xiɑnyɑng，Shɑɑnxi 712000，Chinɑ）

Content of soilwater stable aggregates with different diameter，soil organic matter，and available phosphorus in whole soil samples and in aggregations of differentdiameterweremeasured in order to evaluate the effectof vegetation restoration on soil structure，nutrients and soil carbon sequestration.Soil sampleswere collected from slope cropland and vegetation restoration areas experiencing cropland abandonment4，5，10，30，50 years in Wuding river catchment.The results showed that the contentof soilorganicmatter and available phosphorus，was6.73～31.83 g·kg－1and 1.93～14.72mg·kg－1in whole soil samples，and 7.15～26.03 g·kg－1and 3.71～16.64 mg·kg－1in aggregations with different diameters.Top-soil organicmatter and soil organic carbon densitywere increased significantly by vegetation restoration compared with cropping land，whose increases were most obvious at Pyrus betulaefolia community and increased by 24.93 g·kg－1and 91.98 mg·cm－2.Soil water stable aggregatesweremainly＜0.05 mm and 0.05～0.1 mm，with the ratios being 37.06%～57.22%and 21.71%～29.76%respectively.The aggregate-associated organic matter contentwas the highest in 0.2～0.5mm，which increased with decrease of diameter from＞2mm to 0.2～0.5 mm but decreased with decrease of diameter from 0.2～0.5 mm to＜0.05 mm.The aggregate－associated available phosphorus content decreased with decrease of diameter from＞2 mm to＜0.05 mm except 1～2 mm whose value was the highest.Linear positive correlationwas observed between soilorganic density and vegetation restoration years.It takesmore years for the ability of soilwater erosion resistance to be improved significantly compared to the improvementof soil carbon sequestration.The aggregate-associated organicmatter contentwas the higher under fastwetting than slow wetting.Heavy rain or rainstorm may be the primary cause destroying soil structure and decomposing soil organic carbon at the area.

vegetation restoration；soil organic carbon density；water stable aggregates；Le Bissonnais method；Wuding river catchment

S152.4

：A

1000-7601（2017）01-0277-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.41

2016-01-10

陕西省教育厅重点科研项目（16JZ089）；陕西省普通高等学校优势学科建设项目（0602）

董莉丽（1979—），女，陕西扶风人，副教授，博士，主要研究方向为生态修复和环境效益评价。E-mail：527172621＠qq.com。