全 文 ：华北低丘山地不同退耕年限刺槐人工林
土壤质量评价*
赵摇 娜1 摇 孟摇 平1,2**摇 张劲松1,2 摇 陆摇 森1,2 摇 程志庆1
( 1中国林业科学研究院林业研究所, 北京 100091; 2国家林业局林木培育重点实验室, 北京 100091)
摘摇 要摇 以华北低丘山地退耕还林区的耕地、农田撂荒地、退耕 10 年刺槐林和退耕 43 年刺
槐林为研究对象,采用土壤质量综合指数探讨退耕措施对土壤质量的影响. 结果表明: 随着
退耕年限的增加,退耕刺槐人工林土壤养分的表层富集作用显著,且 0 ~ 5 cm 土层土壤改良
效果增强;与耕地相比,退耕刺槐人工林的土壤物理性状得到改善,养分含量增加,土壤微生
物生物量显著提高.不同土地利用类型的土壤质量综合指数为退耕 43 年刺槐林(0. 542)>退
耕 10 年刺槐林(0. 536)>撂荒地(0. 499)>耕地(0. 498),说明退耕地人工造林改善了华北低
丘山地退耕地区的土壤质量.
关键词摇 土壤质量摇 退耕还林工程摇 土壤质量综合指数摇 华北低丘山地摇 刺槐
文章编号摇 1001-9332(2014)02-0351-08摇 中图分类号摇 S714. 5摇 文献标识码摇 A
Soil quality assessment of Robinia psedudoacia plantations with various ages in the Grain鄄for鄄
Green Program in hilly area of North China. ZHAO Na1, MENG Ping1,2, ZHANG Jin鄄song1,2,
LU Sen1,2, CHENG Zhi鄄qing1 ( 1Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing
100091, China; 2Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry Administration,
Beijing 100091, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(2): 351-358.
Abstract: Four land use types of cropland, abandoned cropland, 10鄄year鄄old and 43鄄year鄄old
Robinia psedudoacia plantations in the Grain鄄for鄄Green Program in hilly area of North China were
studied to investigate the effects of returning cropland to forestland on soil quality by using integrat鄄
ed soil quality index. The results showed that the nutrients of topsoil increased significantly with in鄄
creasing tree age, and soil properties in 0-5 cm soil layer improved. Compared with the cropland,
soil physical and chemical properties of the two R. psedudoacia plantations improved, and the soil
microbial biomass C and N increased significantly. The integrated soil quality index decreased in or鄄
der of 43鄄year鄄old R. psedudoacia plantation (0. 542) > 10鄄year鄄old R. psedudoacia plantation
(0郾 536)> the abandoned cropland (0. 499) > the cropland (0. 498), suggesting the soil quality
was improved during the conversion from cropland to forestland.
Key words: soil quality; Grain鄄for鄄Green Program; integrated soil quality index; hilly area of
North China; Robinia psedudoacia.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2011BAD38B06)和北京市自然
科学基金项目(6133035)资助.
**通讯作者. E鄄mail: mengping@ caf. ac. cn
2013鄄04鄄25 收稿,2013鄄11鄄14 接受.
摇 摇 土壤质量是指土壤在生态系统范围内,维持生
物生产、保护环境质量及促进动植物健康的能
力[1] .土壤质量作为土壤动态变化最敏感的指标,
其不仅能反映土壤管理的水平,而且能揭示土壤恢
复退化的能力[2] .不同土地利用方式和管理措施影
响着土壤环境变化的方向和幅度[3-4] . 合理的土地
利用措施可以改善土壤质量,增强土壤抗干扰能力,
而不合理的土地利用方式则会破坏土壤的团聚结
构,加速土壤侵蚀,降低土地系统生产力[5] . 因而通
常从土壤生产潜力和环境管理的角度建立土壤质量
评价指标体系,监测和评价土壤质量[2] .
植被恢复是治理土地退化、提高土壤质量的有
效途径[6] .近 20 年来,我国已在生态脆弱区域如黄
土高原、“三北冶、长江中上游等地区全面开展了退
耕还林工程.目前,我国学者已在退耕还林技术、模
式和植被恢复效益等方面开展研究工作[7-9],但关
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 2 月摇 第 25 卷摇 第 2 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Feb. 2014, 25(2): 351-358
于土壤质量的研究多集中于黄土丘陵区[5,10-12] .
华北低丘山地是华北平原的重要生态屏障.华
北山区属石质山地地貌,干旱贫瘠,早期坡地农耕活
动密集,山地植被受到破坏,造成大量山体裸露,土
壤退化显著,存在严重的安全隐患,因而一直是我国
林业生态建设的重点区域. 刺槐(Robinia psedudoa鄄
cia)具有固氮、改良土壤的作用[13],作为主要退耕
造林树种之一,现已在华北低丘地区形成了多龄级
人工林.评价土壤质量及其随时间变化的趋势是土
地可持续管理中一个重要指标[14-15] . 相关研究表
明,刺槐人工林土壤养分含量与利用年限呈显著正
相关[16];但也有人指出,退耕刺槐林土壤养分变化
与树龄无显著相关[17] . 目前,关于华北低山丘陵地
区人工与自然恢复对退耕土壤质量的影响,以及采
取短期还是长期人工植被修复,这些都是退耕工程
建设中亟待解决的科学问题.为此,本文以华北南部
低丘山地退耕还林工程区内退耕 10 年及 43 年刺槐
人工林为对象,采用土壤质量综合指数法,研究不同
退耕年限刺槐人工林土壤物理、化学及生物学性状,
探讨植被恢复过程中的土壤质量演变规律,并利用
土壤质量综合评价法对退耕土壤恢复做出全面合理
的评价,以寻求恢复和改善土壤质量的对策,优化退
耕还林植被恢复方案.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于河南省济源市黄河小浪底森林生态
系统研究站(35毅 01忆 N,112毅 28忆 E),属华北南部低
山丘陵退耕还林工程区,南邻黄河小浪底水利枢纽
工程,北依太行山南麓,是典型的低山丘陵石质山
区.该地区属暖温带大陆性季风气候,全年日照时数
为 2367. 7 h;多年平均降水量 641. 7 mm,其中 6—9
月降水量占全年的 68. 3% ;土壤以石灰岩风化母质
淋溶性褐色土为主,土层厚度为 50 ~ 80 cm;植被类
型以退耕还林典型树种刺槐人工林为主.
2011 年 12 月,遵循试验样地与周边环境的一
致性原则,避开林缘带状区域,在土壤类型、地势起
伏及海拔接近的半阳坡、以 500 m 为半径的圆形研
究区范围内,选取退耕 10 年刺槐林、退耕 43 年刺槐
林、农田撂荒地和耕地为研究对象,在每种土地利用
类型内各设置 3 个 20 m伊33 m、间隔距离不超过 50
m的固定样地.其中,农田撂荒地内主要植物种为构
树( Broussonetia papyrifera)和狗尾草 ( Setaira viri鄄
dis);耕地为小麦 ( Triticum aestivum)与玉米 ( Zea
mays)轮作.各土地利用类型的基本情况见表 1.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 土样的采集及测定摇 2012 年 4 月 26 日,分别
在耕地、撂荒地、退耕 10 年刺槐林和退耕 43 年刺槐
林固定样地内采集土样,用于土壤物理、化学及生物
学性状的测定.
1)土壤物理性质的测定:在每个固定样地内取
3 个土壤环刀及 3 个土壤样本,采样深度为 0 ~ 10
cm,每个土地利用类型共 9 个土样,经风干、去杂、
过筛处理后备用.土壤含水量用烘干法测定;土壤容
重、总孔隙度用环刀法测定;土壤电导率用 WET
Sensor (Delta鄄T,英国) 测定.
2)土壤化学性质的测定:在每个固定样地内按
“S冶型采集 9 个土壤样本,采样深度为 0 ~ 5 cm、5 ~
10 cm、10 ~ 20 cm,每种土地利用类型共 27 个土样,
每 3 个样本混合,经风干、去杂、过筛处理后备用.土
壤有机质用重铬酸钾氧化鄄容量法测定;土壤全氮用
半微量凯式法测定;土壤 NO3 - 鄄N、NH4 + 鄄N 用连续流
动化学分析仪测定(1 mol·L-1氯化钾溶液浸提);
土壤速效磷用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;
土壤速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[18] .
3)土壤生物学性质的测定:在每个固定样地内
按“S冶型采集 9 个土壤样本,采样深度为 0 ~ 5 cm、
5 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm,每 3 个样本混合,每个土地利
用类型共 27 个土样,鲜样去杂、过筛,置于 4 益冰箱
中保存备用.土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸
表 1摇 土地利用类型基本概况
Table 1摇 Basic status of four land use types (mean依SE)
样地
Stand
物种
Species
退耕年限
Age
(a)
平均胸径
Average DBH
(cm)
平均树高
Average height
(m)
林分密度
Stand density
( trees·hm-2)
郁闭度
Coverage
CL 小麦鄄玉米轮作 T. aestivum-Z. mays rotation - - - - -
AL 构树 B. papyrifera 40 3. 61依2. 01 3. 14依2. 22 - 0. 60
R10 刺槐 R. psedudoacia 10 9. 13依2. 17 8. 52依2. 05 1464 0. 75
R43 刺槐 R. psedudoacia 43 10. 45依3. 22 10. 49依2. 61 1667 0. 85
CL:耕地 Cropland; AL:农田撂荒地 Abandoned cropland; R10:退耕 10 年刺槐林 10鄄year鄄old R. psedudoacia plantation; R43:退耕 43 年刺槐林
43鄄year鄄old R. psedudoacia plantation.
253 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
提取法测定[19-20] .
1郾 2郾 2 土壤质量评价摇 土壤质量综合指数是土壤因
子的综合和集成[21],为土壤物理、化学和生物性状
的综合反映.在进行土壤质量评价时,一般会选择易
度量、重现性好的指标. 本研究选取土壤容重、土壤
总孔隙度、土壤电导率、土壤有机质、全氮、硝态氮、
铵态氮、速效磷、速效钾,以及土壤微生物生物量碳
和氮作为土壤质量评价的指标. 由于土壤因子的变
化具有连续性,故采用具有连续性的隶属度函数对
各土壤因子评价指标进行标准化;同时利用主成分
因子负荷量值的正负性来确定隶属度函数分布的升
降性,其中土壤容重指标用“S冶降型函数(式 1)求
隶属度值,其他土壤因子指标则用“S冶升型函数求
隶属度值[21](式 2):
F(X) =
1
0郾 9 伊
Xmax - X
Xmax - Xmin
+ 0郾 1
ì
î
í
ï
ï
ïï
0郾 1
摇
(X 逸 Xmax)
(Xmax 逸 X 逸 Xmin)
(X 臆 Xmin)
(1)
F(X) =
1
0郾 9 伊
X - Xmin
Xmax - Xmin
+ 0郾 1
ì
î
í
ï
ï
ïï
0郾 1
摇
(X 逸 Xmax)
(Xmax 逸 X 逸 Xmin)
(X 臆 Xmin)
(2)
式中:Xmin和 Xmax分别为土壤质量评价指标的阈值,
分别代表测定土壤指标的最小值和最大值.
各个土壤质量指标的重要性不同,通常用权重
系数来表示各指标的重要性程度. 本研究中,运用
SPSS软件中的主成分分析,分别计算土壤质量指标
的主成分负荷量、方差贡献率和积累方差贡献率,进
而计算各土壤质量指标在土壤质量评价中的权重:
Wi = CC i /移
n
i = 1
(CC i) (3)
式中:CC i为第 i项土壤质量因子的因子载荷.
应用模糊数学中的模糊集加权综合方法[22-23]
来建立土壤质量的综合评价数学模型:
SQI =移
n
i = 1
Wi·F(X i) (4)
式中:SQI为土壤质量综合评价指数;Wi为各质量因
子的权重向量;F(X i)为各质量指标的隶属度值.
1郾 3摇 数据处理
采用 SPSS 18. 0 和 Excel 进行数据统计和图形
处理.采用单因素 ANOVA方法,运用 LSD 方法检验
不同土地利用类型同一土层及同一土地利用类型不
同土层间土壤物理、化学及生物学性状间的差异显
著性(琢 = 0. 05).运用双变量相关分析中的 Pearson
相关系数分析各土地利用类型的土壤质量指标间的
相关性.采用主成分分析方法计算不同土地利用类
型间的土壤质量指标.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同退耕年限刺槐人工林的土壤物理性状
各土地利用类型 0 ~ 10 cm 土层的土壤容重大
小排序为:农田撂荒地>退耕 10 年刺槐林>耕地>退
耕 43 年刺槐林. 电导率大小排序为:耕地>农田撂
荒地>退耕 10 年刺槐林>退耕 43 年刺槐林(表 2).
这说明实施退耕还林工程后,刺槐人工林土壤紧实
度和土壤盐分显著下降,改善了土壤的物理状况.
2郾 2摇 不同退耕年限刺槐人工林的土壤化学性状
由表 3 可知,随着退耕年限的增加,退耕 43 年
刺槐林 0 ~ 10 cm土层土壤有机质含量显著增加,且
显著高于其他样地. 此外,退耕 10 年刺槐林、退耕
43 年刺槐林及撂荒地土壤有机质分布具有明显的
表聚性,主要集中于 0 ~ 10 cm 土层;而耕地由于频
繁的翻耕,其土壤有机质含量随土层的变化不明显.
各土地利用类型 0 ~ 5 cm土层土壤全氮含量大
小排序为:退耕 43 年刺槐林>撂荒地>退耕 10 年刺
槐林>耕地,其中,退耕 43 年刺槐林 0 ~ 5 cm土层土
壤全氮含量为耕地的 2郾 7 倍.除耕地外,同一土地利
用类型土壤全氮含量均随土层深度的增加而减少.
退耕还林工程的实施对土壤硝态氮和铵态氮含
量均产生了显著影响.退耕 43 年刺槐林 0 ~ 5 cm土
层土壤硝态氮含量为耕地的 2郾 6 倍,其土壤铵态氮
含量是耕地的 11 倍. 此外,0 ~ 5 cm 土层土壤硝态
氮和铵态氮含量随着退耕年限的增加而逐渐增加,
而耕地 10 ~ 20 cm 土层 NO3 - 鄄N 含量则显著高于其
他土地利用类型.数据分析显示,除耕地外,撂荒地、
表 2摇 不同退耕年限刺槐人工林 0 ~ 10 cm 土层土壤物理
性质
Table 2 摇 Soil physical properties of Robinia psedudoacia
plantations with various ages at 0-10 cm soil layer
样地
Stand
土壤含水量
Soil water
content
(g·g-1)
容重
Bulk
density
(g·cm-3)
总孔隙度
Total
porosity
(% )
电导率
Electric
conductivity
(mS·cm-1)
CL 0. 4c 1. 41b 46. 7b 1. 41a
AL 0. 5bc 1. 57a 40. 7c 1. 21b
R10 0. 5ab 1. 49ab 43. 7bc 1. 15b
R43 0. 6a 1. 13c 57. 2a 1. 05c
同列不同小写字母表示不同土地利用类型间差异显著(P<0. 05)
Different lowercase letters in the same column indicated significant differ鄄
ence among different land use types at 0. 05 level.
3532 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 赵摇 娜等: 华北低丘山地不同退耕年限刺槐人工林土壤质量评价摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 3摇 不同退耕年限刺槐人工林土壤化学性质
Table 3摇 Soil chemical properties of Robinia psedudoacia plantations with various ages (mean依SE)
化学性质
Chemical property
土层
Soil layer (cm)
CL AL R10 R43
有机质 0 ~ 5 15. 26依5. 03Ba 27. 01依4. 68Ba 23. 66依5. 34Ba 59. 79依18. 84Aa
Organic matter 5 ~ 10 11. 81依2. 89Ba 11. 79依3. 38Bb 15. 92依2. 14Ab 17. 16依3. 26Ab
(g·kg-1) 10 ~ 20 12. 88依1. 05ABa 13. 11依2. 31ABb 16. 15依2. 92Ab 12. 06依3. 59Bc
全氮 0 ~ 5 1. 21依0. 08Ca 1. 81依0. 13Ba 1. 56依0. 16Ba 3. 29依0. 97Aa
Total N 5 ~ 10 1. 24依0. 06Aa 1. 12依0. 17Ab 1. 16依0. 08Ab 1. 23依0. 26Ab
(g·kg-1) 10 ~ 20 1. 21依0. 13Aa 1. 03依0. 06Ab 1. 07依0. 14Ab 0. 85依0. 16Bc
NO3 - 鄄N 0 ~ 5 5. 80依1. 55Bab 8. 96依2. 04ABa 8. 01依2. 23ABa 15. 20依7. 91Aa
(mg·kg-1) 5 ~ 10 4. 84依0. 85Ab 4. 50依0. 92Ab 5. 79依1. 09Aab 7. 62依3. 26Aab
10 ~ 20 8. 43依2. 87Aa 2. 90依1. 01Cb 5. 22依0. 82Bb 6. 48依2. 55Bb
NH4 + 鄄N 0 ~ 5 0. 07依0. 05Ba 0. 22依0. 16ABa 0. 54依0. 31Aa 0. 76依0. 54Aa
(mg·kg-1) 5 ~ 10 0. 08依0. 04Ba 0. 06依0. 07Bab 0. 09依0. 16Bb 0. 41依0. 36Aab
10 ~ 20 0. 05依0. 03Ba 0. 03依0. 04Bb 0. 12依0. 14Bb 0. 28依0. 15Ab
速效磷 0 ~ 5 4. 47依0. 51Ac 1. 01依0. 42Ba 1. 39依0. 28Ba 3. 45依1. 52Aa
Available P 5 ~ 10 12. 56依13. 55Ab 2. 60依1. 57Aa 1. 27依1. 29Aa 1. 53依0. 68Ab
(mg·kg-1) 10 ~ 20 16. 88依2. 24Aa 0. 70依0. 54BCa 0. 50依0. 35Ca 1. 18依0. 49Bc
速效钾 0 ~ 5 112. 50依4. 51Ba 141. 50依19. 35ABa 131. 78依18. 63ABa 144. 00依26. 30Aa
Available K 5 ~ 10 112. 25依8. 18Aa 96. 00依8. 21Ab 102. 11依16. 04Ab 95. 89依20. 55Ab
(mg·kg-1) 10 ~ 20 113. 50依8. 74Aa 90. 75依10. 56Bc 81. 89依11. 94Bc 72. 44依20. 54Bc
同行不同大写字母表示同一土层不同土地利用类型间差异显著(P<0. 05),同列不同小写字母表示同一土地利用类型不同土层间差异显著
(P<0. 05) Different capital letters in the same row indicated significant difference among different land use types in the same soil layer at 0. 05 level, and
different lowercase letters in the same column indicated significant difference among different soil layers in the same land use type at 0. 05 level.
退耕 10 年及 43 年刺槐林的土壤硝态氮和铵态氮含
量具显著的表聚现象.
耕地 10 ~ 20 cm土层土壤速效磷及速效钾含量
均高于退耕刺槐林.耕地 0 ~ 5 cm 土层土壤速效磷
含量高于退耕刺槐林,而其速效钾含量却低于退耕
43 年刺槐林.随着退耕年限的增加,退耕刺槐林 0 ~
5 cm土层的土壤速效磷和速效钾含量显著增加.除
耕地外,同一土地利用类型土壤速效磷和速效钾含
量均随土层深度的增加而减少.
2郾 3摇 不同退耕年限刺槐人工林土壤微生物生物量
的变化
由图 1 可知,不同土地利用类型同一土层的土
壤微生物生物量碳(MBC)差异不显著.在 0 ~ 5 cm
土层,各土地利用类型的土壤微生物生物量碳、氮
(MBN)含量分别在 440 ~ 570 mg·kg-1和 29 ~ 76
mg· kg-1,且退耕刺槐林及撂荒地在该土层的
MBC、MBN 含量均高于耕地;在 5 ~ 10 cm 土层内,
MBC、MBN含量分别在 348 ~ 426 mg·kg-1和 25 ~
37 mg·kg-1,且各土地利用类型 MBC 含量差异不
显著,而撂荒地和退耕 43 年刺槐林的 MBN 含量显
著高于耕地,耕地与退耕 10 年刺槐林的 MBN 含量
差异不显著;在 10 ~ 20 cm 土层内,MBC、MBN 含量
分别在 320 ~ 360 mg·kg-1和 17 ~ 28 mg·kg-1,且
各土地利用类型的 MBC、MBN 含量间无显著差异.
数据分析表明,同一土地利用类型的 MBC、MBN 含
量均随着土层深度的增加而减少.
图 1摇 不同退耕年限刺槐人工林土壤微生物生物量碳、氮含量
Fig. 1 摇 Soil microbial biomass C and N contents in Robinia
psedudoacia plantations with various ages.
不同大写字母表示同一土层不同土地利用类型间差异显著( P <
0郾 05),不同小写字母表示同一土地利用类型不同土层间差异显著
(P<0. 05) Different capital letters indicated significant difference among
different land use types in the same soil layer at 0. 05 level, and different
lowercase letters indicated significant difference among different soil layers
in the same land use type at 0. 05 level.
453 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
2郾 4摇 不同退耕年限刺槐人工林各土壤养分指标间
关系
4 种土地利用类型的土壤质量指标 Pearson 相
关分析结果(表 4)表明,土壤硝态氮与铵太氮、全氮
和有机质呈显著正相关,速效钾与全氮和有机质呈
显著正相关.而速效磷与其他养分指标均无显著相
关性.除速效磷外,微生物生物量碳、氮与其他养分
指标均呈显著正相关.
2郾 5摇 土壤质量的综合评价
2郾 5郾 1 评价指标隶属度值及权重的确定摇 本研究应
用统计分析软件中的主成分分析法,对原始试验数
据进行无量纲处理,得到不同退耕年限刺槐人工林
土壤质量指标的隶属度值(表 5).
摇 摇 由表 6 可知,由 9 个土壤理化性质指标和 2 个
土壤微生物生物量指标所表征的土壤质量,其前 3
个主成分特征值均>1,且累计方差贡献率>85% ,即
可用来反映系统的变异信息[24] .从方差贡献率和特
征量来看,各主成分评价土壤质量的影响力大小排
序为:主成分 1>主成分 2>主成分 3,土壤容重、总孔
隙度、硝态氮、全氮、有机质和铵态氮构成了土壤质
量的主要驱动因子.
一般认为,因子负荷越大,变量在相应主成分中
的权重越大[25] .第 1 主成分与土壤容重、孔隙度、硝
态氮、全氮、有机质、铵态氮的因子载荷均>0. 9,其
中容重具有较高的负载荷(>0. 9);第 2 主成分与速
效磷、电导率及速效钾的因子载荷均>0. 8;第 3 主
成分与微生物量氮、碳的因子载荷为 0. 898 和
0郾 829.
2郾 5郾 2不同退耕年限刺槐人工林的土壤质量综合评价
摇 由各土壤质量隶属度值(表 5)及其权重值(表 6),
根据式(4)计算即可得到耕地、撂荒地、退耕 10 年及
退耕 43年刺槐林土壤质量的综合评价指数(图 2).
表 4摇 土壤养分指标间的相关系数
Table 4摇 Correlation coefficients between various soil nutrient indices
NO3 - 鄄N NH4 + 鄄N TN SOC AP AK MBC MBN
NO3 - 鄄N 1
NH4 + 鄄N 0. 418* 1
TN 0. 890** 0. 360 1
SOC 0. 878** 0. 382 0. 986** 1
AP -0. 060 -0. 101 0. 008 -0. 03 1
AK 0. 357 0. 247 0. 546** 0. 480* 0. 131 1
MBC 0. 411* 0. 443* 0. 602** 0. 573** 0. 021 0. 623** 1
MBN 0. 407* 0. 404* 0. 481* 0. 469* -0. 081 0. 673** 0. 559** 1
*P<0. 05; ** P<0. 01.
表 5摇 不同退耕年限刺槐人工林土壤质量因子及其隶属值
Table 5摇 Soil properties and the membership function in Robinia psedudoacia plantations with various ages
土壤属性
Soil property
CL
A B
AL
A B
R10
A B
R43
A B
容重
Bulk density
1. 413 0. 487 1. 571 0. 486 1. 493 0. 612 1. 134 0. 556
总孔隙度
Total porosity
46. 700 0. 488 40. 700 0. 485 43. 700 0. 615 57. 200 0. 555
电导率
Electric conductivity
1. 412 0. 388 1. 210 0. 700 1. 151 0. 608 1. 046 0. 441
有机质
Organic matter
39. 448 0. 560 51. 914 0. 405 55. 735 0. 560 89. 008 0. 501
全氮
Total N
3. 665 0. 660 3. 955 0. 482 3. 783 0. 551 5. 364 0. 525
NO3 - 鄄N 19. 818 0. 465 16. 367 0. 539 19. 023 0. 723 29. 304 0. 490
NH4 + 鄄N 0. 174 0. 570 0. 315 0. 447 0. 751 0. 487 1. 443 0. 431
速效磷
Available P
30. 671 0. 430 4. 315 0. 471 3. 162 0. 397 6. 152 0. 512
速效钾
Available K
337. 600 0. 432 328. 250 0. 507 315. 778 0. 541 312. 333 0. 437
微生物生物量碳
Microbial biomass C
1235. 278 0. 490 1243. 392 0. 457 1151. 823 0. 416 1248. 312 0. 621
微生物生物量氮
Microbial biomass N
83. 111 0. 521 127. 798 0. 562 75. 326 0. 491 85. 011 0. 685
A:土壤质量因子数值 Value of the soil quality factors; B:土壤质量因子隶属度值 Membership function value of the soil quality factors.
5532 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 赵摇 娜等: 华北低丘山地不同退耕年限刺槐人工林土壤质量评价摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 6摇 土壤质量因子主成分分析的因子载荷、权重、特征根
和方差贡献率
Table 6摇 Rotated factor capacity, weight, eigenvalue, and
contribution rates in principal component analysis of soil
quality factors
土壤属性
Soil property
主成分旋转因子载荷
Rotated factor
1 2 3
权重
Weight
容重 Bulk density -0. 994 0. 077 0. 073 0. 108
总孔隙度 Total porosity 0. 994 -0. 076 -0. 077 0. 109
电导率 Electric conductivity -0. 395 0. 918 0. 008 0. 053
有机质 Organic matter 0. 767 -0. 637 0. 073 0. 065
全氮 Total N 0. 866 -0. 448 0. 222 0. 083
NO3 - 鄄N 0. 977 -0. 197 -0. 085 0. 094
NH4 + 鄄N 0. 757 -0. 630 -0. 170 0. 061
速效磷 Available P 0. 115 0. 990 -0. 079 0. 123
速效钾 Available K -0. 403 0. 865 0. 298 0. 055
微生物生物量碳
Microbial biomass C
0. 459 0. 318 0. 829 0. 131
微生物生物量氮
Microbial biomass N
-0. 414 -0. 151 0. 898 0. 118
主成分特征根
Eigenvalue
6. 956 2. 400 1. 645
方差贡献率
Contribution rate of variance (%)
63. 2 21. 8 15. 0
累计贡献率
Cumulative (% )
63. 1 85. 1 100. 0
图 2摇 不同退耕年限刺槐人工林土壤质量综合指数
Fig. 2 摇 Integrated soil quality indices of Robinia psedudoacia
plantations with various ages.
摇 摇 由图 2 可知,耕地、撂荒地、退耕 10 年和退耕
43 年刺槐林的土壤质量综合指数分别为 0. 498、
0郾 499、0. 536 和 0. 542.撂荒地、退耕 10 年和退耕 43
年刺槐林土壤质量综合指数分别比耕地增加了
0郾 2% 、7. 6% 、8. 8% . 随着退耕年限的增加,刺槐人
工林土壤培肥作用增强,土壤质量评价指数逐渐
提高.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 不同退耕年限刺槐人工林的土壤物理性状
本研究表明,退耕刺槐人工林能有效地改善耕
地土壤质地和结构,使土壤的疏松、通气和水分有效
性更加协调,但随着退耕年限的增加,土壤容重反而
增加.这是由于实施退耕工程较短的年限内,林分小
气候及截留作用使林内土壤水分比退耕前充足(表
2),浅根灌草生长迅速,但随着此类植被根部对土
壤水分竞争激烈,导致表土缺水,容重出现先增加后
减小的现象[26] .但此情况会随着退耕年限的增加逐
渐缓解,土壤含水量和孔隙度增加,容重降低,且同
等水分条件下土壤电导率和土壤盐分降低.
3郾 2摇 不同退耕年限刺槐人工林的土壤化学性状
由于退耕还林后枯落物归还量大,有利于土壤
养分的积累[27];且刺槐属豆科植物可自身固氮,为
土壤提供氮源,从而改善土壤的养分状况[28] .因此,
本研究中两种退耕刺槐人工林 0 ~ 5 cm土层土壤有
机质、全氮、硝态氮及铵态氮含量均显著高于耕地.
而退耕 43 年刺槐林 10 ~ 20 cm土层土壤有机质、全
氮、速效磷和速效钾含量却显著低于其他样地,可能
是由于退耕 43 年刺槐林土壤微生物的分解作用使
土壤养分的贮存量减少. 耕地由于长期受到农作活
动的影响,致使 10 ~ 20 cm 土层土壤有机质、全氮、
速效磷和速效钾含量均高于其他样地. 统计分析表
明,本研究退耕刺槐人工林 0 ~ 5 cm 土层土壤养分
含量均随着退耕年限的增加而显著增大. 这是由于
随着植被恢复时间的增加,逐渐增加的林分郁闭度
减缓了枯落物的分解速率,有利于地表生物量的积
累及土壤有机物输入量的增加[29],从而提高了土壤
养分含量,且越靠近地表层,养分差异越显著.此外,
由于作为土壤养分主要来源的枯落物与根周分泌物
均聚集于土壤表层[30],因此,退耕林地及撂荒地的
土壤养分随土层深度的增加而逐渐递减;而耕地土
壤养分随土层深度的变化差异不显著.
3郾 3摇 不同退耕年限刺槐人工林的土壤生物学性状
本研究中,退耕林地与撂荒地 0 ~ 5 cm 土层的
微生物量均显著高于耕地,这是由于这两种土地利
用类型地表存在大量有机物和根际代谢物,而微生
物量的大小及活性与这些输入到土壤中的有机质及
土壤中其他养分的数量和质量密切相关[31],较多的
积累物可为微生物提供代谢能源,增加土壤微生物
量.而由于耕作措施和农作物收获会减少微生物所
需底物,因而耕地土壤微生物量较少.撂荒地 0 ~ 10
cm土层土壤微生物量高于退耕刺槐林人工,而土壤
养分含量却低于退耕刺槐人工林,这说明在撂荒地
表层土壤中存在较多的土壤微生物,其将土壤碳、氮
固存在自身体内.这种方式有利于调节土壤养分供
653 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
应,提高养分利用率[32] .
3郾 4摇 土壤养分与土壤微生物量间的相关关系
土壤质量指标间的相互作用及协调效应能够综
合反映土壤生产力的高低和对逆境的适应能力. 本
研究所选取的土壤质量指标间相互作用显著,故在
质量评价中全部予以考虑. 同时,除速效磷外,微生
物生物量碳、氮与其他指标均呈显著相关,这说明本
研究所选取的生物因子能够反映土壤的生物学性
状,其与土壤肥力和土壤健康有紧密关系[33-34] .
3郾 5摇 不同退耕年限刺槐人工林土壤质量综合评价
本研究利用土壤质量综合指标法探讨了华北低
丘山地退耕还林示范区不同土地利用类型土壤环境
的变化趋势,定量评价了退耕还林工程的实施对土
壤质量的改良效果.结果表明,刺槐作为本研究地区
的退耕先锋树种,自身固氮的同时也为土壤提供有
机物来源,因此与耕地相比,退耕刺槐人工林的构建
有效地改善了土壤物理、化学及生物学形状,提高了
退耕地土壤综合质量;而退耕撂荒地土壤质量综合
指数与耕地间差异较小,说明该地区植被的自然恢
复对土壤质量的影响作用较小. 退耕还林是一个伴
随着地上植被生长、发展的连续过程,随着退耕时间
的延长,地上植被逐渐向顶极群落发展,退耕人工林
的土壤改良效果愈加明显[35] . 因此,在退耕还林生
态治理过程中,应因地制宜地营造人工林进行植被
恢复,并予以加强保护以增加成林年限,最终改善退
耕地区的土壤质量及生态系统功能.
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作者简介摇 赵摇 娜,女,1985 年生,博士研究生.主要从事森
林生态学和土壤生态学研究. E鄄mail: zhaona1019@ 126. com
责任编辑摇 李凤琴
853 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷