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  中国水土保持科学   2021, Vol. 19 Issue (2): 61-70.  DOI: 10.16843/j.sswc.2021.02.008
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引用本文 

王添乐, 郭青霞, 王海斌, 丁一, 杜轶, 陈水英. 岔口流域不同退耕还林地土壤养分分析[J]. 中国水土保持科学, 2021, 19(2): 61-70. DOI: 10.16843/j.sswc.2021.02.008.
WANG Tianle, GUO Qingxia, WANG Haibin, DING Yi, DU Yi, CHEN Shuiying. Analysis of soil nutrient in different lands after Returning Farmland to Forests in Chakou Watershed[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2021, 19(2): 61-70. DOI: 10.16843/j.sswc.2021.02.008.

项目名称

山西省哲学社会科学项目"乡村振兴背景下退耕还林可持续生态补偿研究"（2019B435）；国家自然科学基金"基于AnnAGNPS模型的岔口小流域土地利用生态风险评价"（41071345）

第一作者简介

王添乐(1994-), 男, 硕士研究生。主要研究方向:土地资源可持续利用。E-mail:1396762042@qq.com

通信作者简介

郭青霞(1969-), 女, 博士, 教授。主要研究方向:土地资源可持续利用。E-mail:gqx696@163.com

文章历史

收稿日期：2020-02-13
修回日期：2020-10-25
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
岔口流域不同退耕还林地土壤养分分析
王添乐 , 郭青霞 , 王海斌 , 丁一 , 杜轶 , 陈水英     
山西农业大学资源环境学院, 030801, 山西晋中
收稿日期：2020-02-13; 修回日期：2020-10-25
项目名称：山西省哲学社会科学项目"乡村振兴背景下退耕还林可持续生态补偿研究"（2019B435）；国家自然科学基金"基于AnnAGNPS模型的岔口小流域土地利用生态风险评价"（41071345）
第一作者简介：王添乐(1994-), 男, 硕士研究生。主要研究方向:土地资源可持续利用。E-mail:1396762042@qq.com
通信作者简介：郭青霞(1969-), 女, 博士, 教授。主要研究方向:土地资源可持续利用。E-mail:gqx696@163.com
摘要：为了探究不同退耕还林地的土壤养分保持特征，以黄土高原丘陵沟壑区岔口流域不同退耕还林地为研究对象，对实施退耕还林后的生态林地（刺槐、柏树）、经济林地（核桃林地）土壤样品进行采集，并以坡耕地土壤样本为对照，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）的方法进行不同样地0~20和20~40 cm土层养分含量的多重比较，以皮尔逊相关系数进行土壤养分间的相关分析性，并以修正的内梅罗公式对不同退耕还林样地土壤养分进行评价。结果表明：1）岔口流域退耕还林土壤养分含量多属于中等变异，表层（0~20cm）土壤的各养分含量均高于20~40 cm土层；2）不同样地土壤养分含量总体上表现为生态林 > 经济林 > 坡耕地；3）退耕还林样地土壤的有机质与全氮、速效氮及速效钾含量呈显著相关；4）流域生态林土壤养分综合评价为"中"，经济林为"差"。该研究显示，岔口流域退耕还林地土壤养分保持效益总体上优于坡耕地，但不同退耕还林地土壤的各养分保持特征呈现出一定的差异性，对于生态林地与经济林地的土壤养分进行综合研究，可为不同模式退耕还林地土壤生态修复提供依据。
关键词：退耕还林    生态林    经济林    土壤养分    
Analysis of soil nutrient in different lands after Returning Farmland to Forests in Chakou Watershed
WANG Tianle , GUO Qingxia , WANG Haibin , DING Yi , DU Yi , CHEN Shuiying     
College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, 030801, Jinzhong, Shanxi, China
Abstract: [Background] The project of Returning Farmland to Forests is the largest ecological project in China and even in the world. The study on the soil nutrient characteristics of different land after Returning Farmland to Forests will provide the basis for soil remediation and improvement of different land where Returning Farmland to Forests is conducted. [Methods] In order to explore the characteristics of soil nutrient in different lands where Returning Farmland to Forests was conducted, taking the different lands after Returning Farmland to Forests in the Chakou Watershed in the loess hilly and gully region as study object, soil samples of ecological forest land (Robinia pseudoacacia, Platycladus orientalis) and economic forest land (Juglans regia) were collected. Taking soil samples of existing slope cropland as the reference substance, multiple comparisons of nutrients in soil layers of 0-20 cm and 20-40 cm in the different plots were conducted by one-way ANOVA, correlation analysis of soil nutrients by Pearson correlation coefficient, and the modified Nemerow formula was used to evaluate the soil nutrients in different plots. [Results] 1) The soil nutrient contents of lands after Returning Farmland to Forests in Chakou Watershed was mostly moderate variation, variation coefficient of each nutrient content was concentrated in 20%-30%, nutrient content in the topsoil (0-20 cm) was higher than that in the 20-40 cm soil layer, reflecting the surface aggregation effect of forest soil, among them, the surface aggregation effect of organic matter and available nutrients were more obvious, the soil nutrient content of 0-20 cm soil layer was generally 30% more than that of 20-40 cm soil layer. 2) Soil nutrient content in different plots ranked in the order of ecological forest > economic forest > slope cropland on the whole, however, we found that there was no significant difference in total phosphorus content among different plots, it may be related to the parent material in the soil. 3) The correlation between the contents of total nitrogen, available nitrogen and potassium with organic matter was positively significant. 4) The soil comprehensive fertility index of R. pseudoacacia, P. orientalis and J. regia were 0.9 (intermediate level), 0.85 (intermediate level), and 0.74 (low level), this showed that the soil nutrient status of ecological forest was better than that of economic forest. [Conclusions] On the whole, the benefit of soil nutrient conservation for land where Returning Farmland to Forests was conducted were better than those of existing slope cropland in Chakou Watershed, however, the characteristics of soil nutrients in different plots varied. The comprehensive study on soil nutrients of ecological forest and economic forest will provide basis for soil ecological restoration of different models of returning farmland to forest.
Keywords: Returning Farmland to Forests    ecological forest    economic forest    soil nutrients    

水土流失是黄土高原各类生态问题的集中体现，严重威胁着区域生态安全[1], 为此，我国于1999年开始实施退耕还林工程，随着工程的不断开展，退耕还林地的土壤养分特征逐渐成为学术界关注和研究的热点，但大都针对退耕还林工程下的生态林地土壤养分进行研究，对生态林地与经济林地土壤养分进行综合研究则鲜有报道。对于生态林和经济林养分特征开展综合研究，有助于对退耕还林工程水土保持效益展开全面综合的评价，进而更好地维护还林成果。

岔口流域主体位于临汾市永和县，有关政府考虑到农民的收入问题，在陡坡耕地上栽植刺槐(Robinia pseudoacacia)、柏树(Platycladus orientalis)等生态林的同时，亦栽植了部分以核桃(Juglans regia)为主的经济林，而不同林地类型下土壤理化性质会存在明显差异[2-3]，进而影响不同退耕还林地的养分特性。

对岔口流域退耕还林工程下生态林地与经济林地的土壤养分含量进行多重对比分析，采用皮尔逊相关系数来探究各养分含量与有机质含量的关系，并以修正的内梅罗公式对不同类型退耕还林地养分等级做出评价，旨在对岔口流域不同退耕还林地的养分保持进行综合分析与评价，为岔口流域乃至黄土高原地区不同退还林模式下的土壤养分管理与生态修复提供借鉴。

1 研究区概况

岔口小流域(E 110°38′01″~110°50′02″，N 36°47′26″~36°57′14″)位于山西省西南部的永和县、隰县与石楼县的交界地带。属于黄土高原腹地范围，生态环境脆弱，水土流失严重，气候属于暖温带半干旱大陆性季风气候，年均降水量为510mm左右，降水集中于6—9月, 约占全年降水量的74%，以旱作农业为主，玉米为当地主要种植作物，年产量约5000kg/hm2，于2000年开始进行退耕还林，截止2018年，共完成退耕面积950hm2左右，其中经济林(以核桃林为主)约占1/4，其余均为生态林(以柏树、刺槐林为主)。主要退耕年限为2000—2002年，其退耕面积占迄今为止退耕总面积的70%左右。

2 材料与方法 2.1 取样设计与实验

以岔口流域不同退耕还林样地为取样对象，以坡耕地为对照，笔者于2019年4月中旬(作物施肥前)对流域刺槐、柏树(生态林地)、核桃(经济林地)以及坡耕地进行土壤取样(表 1)，每种取12块样地，每块样地采用“S”型布点法均匀采取5~6个样点，用土钻进行0~20和20~40cm的取样后分层混合。土样风干后研磨并过筛待测[4]。

表 1 样地描述 Tab. 1 Description of characteristics of plot land

实验于2019年5月初在山西农业大学资源环境学院土壤实验室开始进行。土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定，全氮采用半微量凯氏定氮法测定，全磷采用氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法测定，全钾采用氢氧化钠熔融分光光度法测定，速效氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定，速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度法[5]。

2.2 数据处理 2.2.1 不同样地土壤养分多重比较及相关性分析

采用统计分析软件SPSS 22.0的多重比较(one-way ANOVA)进行不同样地土壤养分含量差异的多重比较及显著性检验[6]，以Pearson相关系数进行退耕还林样地土壤养分的相关性分析。

2.2.2 土壤养分评价

土壤养分等级评价借助修正的内梅罗[7-9]公式

$ E = \sqrt {\frac{{E_{平均}^2 + E_{{\rm{min}}}^2}}{2}} \times \frac{{n - 1}}{n}。$ (1)

式中：E为土壤综合肥力系数，量刚为1；E平均为参评的各养分指标之间的平均肥力系数, 量刚为1；Emin为各养分指标间的肥力系数最小值, 量刚为1；n为参评养分指标数, 量刚为1。

各养分指标的分肥力系数(Ei)计算参考已有研究成果[7-9]。

$ {E_i} = \left\{ \begin{array}{l} {S_i}/{X_{\rm a}}\\ 1{\rm{ + }}\left( {{S_i} - {X_{\rm a}}} \right)/\left( {{X_{\rm c}} - {X_{\rm a}}} \right)\\ 2 + \left( {{S_i} - {X_{\rm c}}} \right)/\left( {{X_{\rm p}} - {X_{\rm c}}} \right)\\ 3 \end{array} \right.\begin{array}{*{20}{c}} {\left( {{S_i}<{X_{\rm a}}} \right),此时{E_i} \le 1}\\ {\left( {{X_{\rm a}}<{S_i} \le {X_{\rm c}}} \right),此时1<{E_i} \le 2}\\ {({X_{\rm c}}<{S_i} \le {X_{\rm p}}),此时2<{E_i} \le 3}\\ {\left( {{S_i}>{X_{\rm p}}} \right)} \end{array} $ (2)

式中:Ei为各养分指标的肥力系数(i为参评养分指标)；Si为各养分指标的实际测定值；Xa、Xp、Xc为计算肥力系数时的分级标准，参考阙文杰等[8]研究成果。该方法计算后，1个突出的特点是各养分指标的肥力系数介于0~3之间，反应出土壤肥力对于植被来说不是越高越好[7]。

3 结果与分析 3.1 土壤养分含量统计特征描述

受母质、气候、植被覆盖类型等的影响，土壤养分含量变异范围较宽，可以以变异系数来衡量流域退耕还林地的变异程度。如表 2所示，总体而言，流域退耕还林地的土壤变异系数多集中在20%~30%之间，属于中等变异，反映出流域退耕还林地土壤养分含量总体上比较稳定[10]。

表 2 岔口流域退耕还林地养分特征描述 Tab. 2 Nutrient characteristics of lands via Returning Farmland to Forest in Chakou Watershed

由表 2可见，表层土(0~20cm)的各养分含量不同程度的高于下层土(20~40cm)，体现林地土壤的养分表聚效应。林地土壤表层所聚集的枯落物可分解转化为大量的营养元素并富集在其土壤表层[11-12]，研究普遍表明土壤养分含量多会随着土层深度的增加有所下降[13]。其中，表层土(0~20cm)的有机质、全氮、全磷、全钾含量较20~40cm土层分别高出71.3%、28.6%、5.1%、9.1%；速效氮、速效磷、速效钾含量则分别高出34.2%、33.0%和37.3%。不难发现，全磷含量在这2个土层的差异较其他指标而言较小，与李占斌等[14]对黄土丘陵沟壑区的研究结果一致，可能与磷的难移动性有关[15]。

3.2 土壤养分含量对比分析 3.2.1 土壤有机质含量分析

由图 1可见，4种样地在表层土(0~20cm)的有机质含量表现为刺槐>柏树>核桃>坡耕地，其中，刺槐和柏树林(生态林地)的有机质含量极显著(P < 0.01)高于核桃林(经济林)和坡耕地，生态林地之间的差异并不显著(P > 0.05)，核桃林(经济林)土壤有机质含量在这一土层要高于坡耕地，但差异较小(P > 0.05)。在20~40cm土层, 4种样地之间土壤的有机质含量差异呈现出与表层土一致的变化。

不同土层不同大写字母表示差异极其显著(P < 0.01)，不同土层上不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)，下同。 Different capital letters in different soil layers represent very significant differences (P < 0.01), while different lowercase letters in different soil layers represent significant differences (P < 0.05). The same below. 图 1 不同样地间土壤有机质含量变化特征 Fig. 1 Variation characteristics of soil organic matter contents in different plots

总体而言，岔口流域退耕还林地土壤有机质含量的变化呈现出生态林地>经济林地>坡耕地的现象。有研究表明，土壤有机质含量随着地表枯落物积累的增多而提高[16]，刺槐为阔叶树种，枯落物相对充足，有机质含量较高[17], 柏树次之。而流域核桃林(经济林)历年所施肥料主要以化肥为主，几乎不施有机肥料，造成其有机质含量并未因施肥得到提高，加之受到经济效益的影响，林内易受到人和机械的踩踏、镇压，土壤易出现板结，一定程度上延缓了有机质的分解，此外，水分在核桃林的生长发育过程中起着十分关键的作用，而岔口流域属于半干旱气候，以旱地为主，林木生长靠天然降水，又经常受季节性冻灾影响，导致了核桃林的正常生长发育受限，林木枯落物的回归进一步减少，受到人为干扰与自然条件的双重限制，流域经济林有机质含量显著低于生态林。对于坡耕地而言，除了耕作影响以及没有足够的枯落物回归土壤外，还与其有机肥料施用过少有关，据调研得知，与经济林施肥情况类似，流域坡耕地施肥主要以化学肥料为主，导致其有机质以及其他养分含量偏低。

3.2.2 土壤N含量分析

由图 2可见，4类样地土壤的全氮含量的对比关系与有机质含量趋于一致，其中，刺槐林地和柏树林地(生态林地)在表层土均极显著(P < 0.01)的高于核桃林地(经济林)和坡耕地，而刺槐林地和柏树林地之间的差异并不显著(P > 0.05)，核桃林地在表层土中的全氮含量要显著高于坡耕地(P < 0.05)；核桃林地与坡耕地在20~40cm土层中土壤的全氮含量差异并不显著(P > 0.05)。与全氮对比稍显不同的是，柏树、核桃林地在20~40cm土层中的速效氮含量差异并不显著(P > 0.05)。

图 2 不同样地间土壤氮含量变化特征 Fig. 2 Variation characteristics of soil nitrogen contents in different plots

可以得出，经济林地(核桃林地)和坡耕地的土壤氮含量总体而言显著低于生态林地(刺槐林地、柏树林地)，这与经济林地和坡耕地的土壤机质含量偏低有关，更深层次的原因归结于其土壤中的生物量积累较生态林而言不足[10]。此外，在调研过程中发现流域经济林与坡耕地历年存在施用化肥(不施有机肥)现象，但在采样时(4月中旬)并未施肥，经过长时间的挥发、淋溶以及作物的吸收利用，导致经济林与坡耕地的土壤氮素含量显著低于生态林，而经济林地由于其地表生物量和腐殖质高于坡耕地，土壤中氮素含量也高于坡耕地。

3.2.3 土壤P含量分析

由图 3可以发现，4类样地在2个土层的全磷含量差异并不显著；生态林与经济林地在表层土中的速效磷含量要高于坡耕地，其中，核桃林地表层土速效磷含量要显著(P < 0.05)高于坡耕地，略高于生态林地但并不显著(P>0.05)；20~40cm土层中各类样地的速效磷差异与表层土一致。

图 3 不同样地土壤磷含量变化特征 Fig. 3 Variation characteristics of soil phosphorus contents in different plots

通过对4种样地的土壤磷含量分析发现，流域不同退耕还林样地的磷含量，尤其是全磷含量差异并不突出。对于岔口流域土壤中的全磷养分来说，其含量主要受黄土母质影响，导致各样地间全磷含量差异并不显著[18]。而对于速效磷来说，一方面由于林木吸收，另一方面由于养分内循坏机制的存在[19]，使得其速效磷含量相对较低[20]，经济林地的速效磷含量虽然在5%的显著性水平下高于坡耕地，但经济林与生态林地、生态林与坡耕地之间土壤的速效磷含量在5%的显著性水平下皆不显著。研究区经济林地、坡耕地虽往年存在施肥现象，但所施化肥是以复合肥(含磷量 < 10%)和氮肥为主，加之采样时间距离上一年施肥时间较长，在土壤中存留量有限，以上因素可能是其磷含量没有显著高于生态林的原因之一。

3.2.4 土壤K含量分析

由图 4可见，流域生态林地的全钾含量略高于核桃林(经济林)地和坡耕地，但不同样地间的差异相对较小；与全钾含量不同的是，生态林地土壤的速效钾含量总体上极显著(P < 0.01)高于坡耕地。

图 4 不同样地土壤钾含量变化特征 Fig. 4 Variation characteristics of soil potassium contents in different plots

可以得出，全钾含量在各类样地间的差异并不明显，表明研究区全钾含量主要与母质有关，退耕还林并没有能够显著增加钾的绝对含量[15]，对于速效钾而言，林木及林下微生物活动能够促进矿物态钾向有效钾的转化[21]，加之有机质的吸附作用[15, 17], 使退耕还林地，特别是生态林地的土壤的速效钾含量高于坡耕地。

3.3 土壤各养分与有机质的相关关系

现有研究多表明，土壤有机质含量与其他养分含量特别是氮含量间存在一定的相关关系，为了探究岔口流域退耕还林地土壤养分的相关性，进而更合理地引导对于林地管护，对流域退耕还林地土壤养分做相关分析。流域退耕还林地各养分与有机质之间的相关性如表 3所示。

表 3 土壤各养分之间的相关系数 Tab. 3 Correlation coefficients among soil nutrients

如表 3所示，有机质含量与全氮、速效氮及速效钾含量呈显著相关，与类似研究结果[13, 15, 22-23]一致。

3.4 土壤养分评价

通过修正的内梅罗综合指数法对流域生态林地与经济林地土壤的有机质与速效养分进行综合评价。计算结果见表 4。

表 4 养分等级评价表 Tab. 4 Nutrient rating scale

参考魏志红等[7]对于土壤养分的分级标准，流域刺槐林地的土壤综合肥力系数为0.90，柏树林地为0.85，二者皆介于0.8和1.6之间，其养分等级均为“中”；核桃林地则为0.74，小于0.8，其养分等级为“差”。

4 讨论 4.1 土壤养分含量的表聚特征

通过对岔口流域退耕还林地2个土层的养分含量进行对比发现，0~20cm土层土壤的各养分含量总体上高于20~40cm土层，这与目前大多数的研究结果一致，体现林地土壤的“表聚效应”[18, 24-29]，但是其差异程度在不同养分指标间存在不同，其中，全磷含量的差异性最小(表层土含量仅比下层土高出5.1%)，与李占斌等[14]对于黄土丘陵区的研究结果一致，有研究认为可能与磷的难移动性有关[15]。

4.2 生态林样地土壤养分含量特征

通过对不同样地土壤养分含量的多重比较得出，流域生态林地土壤养分含量总体上显著(P < 0.05)高于经济林和坡耕地，这可能与生态林地土壤的枯落物与腐殖质积累较多有关，大量的林木枯落物是土壤有机质的主要来源之一[16]，有机质含量的提高能够不同程度的影响其他养分含量，对其他养分含量的提高亦有贡献[30-31]。岔口流域生态林不存在施肥现象，其林木生长主要靠土壤自然肥力，在此过程中，林木以根系分泌物和枯落物的形式提供土壤肥力[32]。此外，在流域调研时发现流域生态林(刺槐林地和柏树林地)因无法带来直接的经济效益，很少存在不同形式的人工扰动，有效地保护了土壤的养分积累。廖晓勇等[30]认为人工扰动少的林地土壤氮、磷、钾及有机质含量高。

4.3 经济林地与坡耕地土壤养分含量特征

与人工林草地不同，经济林地缺乏大量的林木枯落物回归土壤[10]，而且据调研得知，受水分和管理因素的限制，加之3、4月经常出现的“冻灾”影响，导致流域经济林(核桃林)正常生长受限，其产生的凋落物和植物残体较生态林而言更加匮乏，此外，受经济效益的影响，经济林地土壤的人工扰动频繁，不利于养分的正常积累，综合造成其土壤养分较生态林而言较为贫瘠[18]。而对于坡耕地来说，除了人为干扰以及回归土壤的生物量少之外，还由于流域深处黄土高原丘陵沟壑区，水土流失严重，加之没有林木进行固土保肥，是导致其有机质及其他部分养分含量较低的主要原因[33]。岔口流域经济林地和坡耕地都存在施肥现象，但所是肥料皆以氮肥和复合肥等化学肥料为主，不施有机肥料，而化学肥料本身存在易挥发、淋溶、被作物吸收等特性，加之采样时当年并无施肥，且距上一次施肥时间跨度将近一年，导致经济林地和坡耕地的土壤有机质及其他养分含量不高。

4.4 不同样地土壤的磷含量分析

通过不同退耕还林样地养分含量对比还可以发现，全磷含量在不同样地植被覆盖下的差异并不显著。李文斌等[13]对陕北风沙区黄土高原与鄂尔多斯高原过渡带不同植被的全磷含量进行研究后发现全磷含量在不同植被覆盖下的差异并不显著，李占斌等[14]对黄土高原区各植被的土壤养分进行对比研究后发现其全磷含量在不同生态恢复措施下的差异性也没有达到显著性水平，与本文的研究结果一致，研究区全磷含量可能主要受黄土母质的影响[18]，全钾含量也有类似的特点[15]。对于速效磷来说，蔡立佳等[20]认为，一方面由于林木吸收，另一方面由于养分内循坏机制的存在[19]，使得林地土壤速效磷含量普遍相对较低。

岔口流域各类退耕还林样地土壤养分保持的差异性进一步论证不同植被类型会对土壤养分状况产生一定的影响[34]，具体而言，植被类型与土地利用方式的不同，导致了各类样地土壤中林木枯落物及其他生物量积累程度产生差异，也造成了不同形式的人工扰动, 由此影响和改变了岔口流域不同退耕还林地的土壤养分保持特征[35-36]。

5 结论

1) 研究区退耕还林土壤各养分体现出不同程度的表聚效应，其中有机质和速效养分(速效氮、速效磷、速效钾)的表聚效应更为明显，表层(0~20cm)土壤的以上各养分含量均比下层(20~40cm)高出30%以上。

2) 通过不同退耕还林地土壤养分含量的多重比较以及对各养分指标进行修正的内罗公式评价，发现研究区退耕还林地土壤养分含量高于坡耕地，但生态林、经济林地之间土壤养分含量存在较大差异，其中，生态林地的土壤有机质含量、N含量总体上显著(P < 0.05)高于经济林。受母质影响，不同退耕还林地与坡耕地土壤的全P含量在0~20、20~40cm土层差异均不显著(P > 0.05)。

笔者通过对岔口流域不同退耕还林模式下的土壤有机质、速效养分、全量养分进行综合分析，可为退耕还林地的土壤养分管理与生态修复提供一定参考，但我国退耕还林工程涉及地域广袤、林种多样，更加全面细致的研究仍有待开展。

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