全 文 ：第26卷第3期
2006年 3月
生 态 学 报
ACTA EC0LOGICA SINICA
Vo1．26．No．3
Mar．．2006
黄土丘陵沟壑区退耕草地土壤质量演变
潘成忠 ，上官周平¨，刘国彬
(1．中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100；
2．中国科学院研究生院，北京 100049)
摘要：以黄土丘陵沟壑区土壤的主要功能为依据，选取 12个代表性土壤指标，采用因子分析方法析取控制土壤质量的公共因
子，分析退耕草地土壤质量的演化机理。结果表明，退耕草地土壤质量的主要影响因子依次为土壤腐殖质因子、水土保持因子
和力学因子。永久草地和退耕 20a荒坡草地的表层(0—10cm)土壤质量最佳，且均随土层深度的增大而降低。农地 40 50era
和0—10cm土层土壤质量最差，但其成因不同，前者主要是腐殖质条件差引起的，而后者主要在于较差的水土保持和力学性能。
与农地相比，草地坡面的土壤质量和水土保持性能均显著增强，且荒坡草地的水土保持性能和0—10cm土层土壤质量均随退耕
年限的延长而提高。退耕年限(3a)相同的荒坡草地土壤质量显著优于人工草地 ，但在水土保持性能上前者显著差于后者，这表
明人工营造牧草植被不失为控制该区水土流失的一种有效途径。
关键词：土壤质量 ；水土保持；退耕草地；因子分析；黄土丘陵沟壑区
文章编号：1000．0933(2006)03—0690。07 中图分类号：S152．7 文献标识码：A
Soil quality evolvement of farming-withdrawn grassland in hily and guly loess
regions
PAN Cheng．Zhong ，SHANGGUAN Zhou．Ping ，LIU Guo Bin (1．Stare Key Lab。 。，y of Soil胁 n D响 。n胁
Loes Plateau，Institute ofSoil andWater Conservation。Chinese Academy ofSciences。Yarl ing Shaanxi，712100，China；2．Graduate School，ChineSeAcademy
ofSc／etwes。100049，China)．Aeta Eeologi．ca Siniea。2006。26(3)：69O一696．
Abstract：It is one of the most important roles of soil in hilly and guly loess regions to reduce or control soil and water loss．The
soil samples were taken from 0—50 cm soil at an interval of 10 cm in permanent grassland，20-year，8-year and 3-year farming—
withdrawn grasslands，3一year artifcial grassland and farmland(Contro1)．Twelve representative soil parameters were chosen to
screen the main faetom affecting soil quality by factor analysis，and therewith analyze the soil quality evolvement of grassland．The
results showed that，soil quality mainly depended on the factors concemed with soil humus，water and soil conservation and soil
mechanics．Permanent grassland showed the best humus conditions in 0～10 am soil and its soil upper layers were beter than its
lower layers in humus conditions．Compared with farmland，farm ing—withdrawn grasslands presented greatly increased soil humus，
especialy in 0～10 cm soil．3-year farm ing—withdrawn grasslan d had beter humus conditions in the soil layer spanning from 20 to
50 am than the other farm ing-withdrawn grasslands．Grasslands clearly got their soil-and water-conserving capability improved，
and the improvement in their water- and soil-conserving capability become weak with increased soil depth
．
The longer the
grasslands were withdrawn from farming，the better they conserved soil and water．Farmland showed the poorest mechanical soil
properties in 0—10cm soil and this was mainly because soil tilage damaged soil cohesion
． Because of its loose soil conditions，
基金项目：国家重大基础研究资助项目(2002CBII1502)；中国科学院知识创新重大资助项目(KZCXI．6)；中国科学院西部之光人才培养计划资助
项 目
收稿日期：2005．04．28；修订日期：2005．08—30
作者简介：潘成忠(1980一)，男，江苏灌云人，博士，主要从事水土保持和生态水文研究．E-mail：mlpcz@sina．corn
*通讯作者 Author for correspondence．E-mail：shangguan@Ils．iSWc．ac，cn
Foundation item：The project was supported by the National Key Basic Research Project(No．2002CB111502)and the CAS Knowledge Innovation Project(No．
KZCXI．6)
Received date：2005-04·28；Accepted da te：2005．08．30
Biography：PAN Cheng-Zhong，Ph．D．，mainly engaged in soil and water conservation and ecological hydrology
． E-mail：mlpcz@sina．com
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3期 潘成忠 等：黄士丘陵沟壑区退耕草地士壤质量演变 691
permanent grassland presented poorer mechanical properties than farming—withdrawn grasslands did．
Permanent and 20一year farming—withdrawn grassland showed the ablest soil quality in 0—10 em soil among the various lands，
and their soil quality declined with soil depth．Farmland showed the poorest soil quMi~ in the soil layer spanning from 40 to 50 em
and 0 tO 10 cm，but the reasons for the poorest soil quali~ difered between them，the former poor quality resulting from poor
humus conditions and the latter being caused by poor soil and water conservation and poor soil mechanical properties．3-．year
farming-withdrawn land presented slightly diferent qualities among diferent soil layer．Both farming—withdrawn and artifcial
grasslands got notably improved in soil quality，especially in 0～20 em soil．Soil quality of farming—withdrawn grasslands got
improved in 0一i0 em soil layer as the farming—withdrawing period continued．Under the same farming—withdrawing period(3
years)，farming-withdrawn grasslands presented better soil quality than artifcial grassland，but the latter capability of soil and
water conservation was notably superior tO the form er’S．This suggested that it should be an effective approach of controling water
and soil losses in the regions to construct artifcial grasslands．
Key words：soil quality；soil and water conservation；farming-withdrawn grassland；factor analysis；hily and gully loess region
土壤质量由其功能所决定，一般意义上土壤质量指土壤肥力质量、环境质量和健康质量 3个方面的综
合 ¨。黄土高原丘陵沟壑区地处我国从半湿润半干旱向干旱荒漠过渡的地带，植被稀少，生产力低下，生态环
境极为脆弱，是世界上水土流失最为严重的地区之一，控制水土流失是该区实现社会与经济可持续发展的首
要问题。因此，衡量该区土壤质量的标准不是传统意义上的土壤肥力，而应充分考虑土壤在控制水土流失中
的环境质量和健康质量。
近年来土壤质量研究取得了明显进展，其内涵和外延都在不断的丰富和拓展 I¨5]。黄土丘陵沟壑区土壤
环境的极端脆弱性给合理评价该区土壤质量问题提出新的挑战 ]，研究表明该区严重的土壤侵蚀导致土壤
物理、化学与生物学特性的退化I8 。随着国家生态环境工程的实施，草地应作为该区植被建设中的先锋植物
得到恢复和营建-9]。草地植被恢复对土壤质量的影响如何，是采取人工营造还是进行自然修复，这些都是目
前生态环境建设中亟待解决的科技问题。因此研究退耕草地土壤质量的演化，通过土壤质量对退耕草地土壤
恢复做出全面合理的评价并寻求恢复和改善土壤质量的对策，对该区生态环境建设及社会经济的可持续发展
均具有重要的理论与实践意义。
本文通过对黄土丘陵区不同退耕年限的荒坡草地与人工草地土壤观测指标进行因子分析，利用方差最大
正交旋转方法提取影响该IX+壤质量的公共因子，进而阐明退耕草地土壤质量的演化以及影响机理，其结果
不仅可以丰富土壤学研究的内涵，而且可为黄土区生态恢复重建提供理论依据。
1 材料与方法
1．1 研究区概况
试验样地选在中国科学院安塞水土保持生态站，位于黄土高原中部，属典型的梁峁状丘陵沟壑区，海拔
1068～1039m，区内年均气温8．8~C，年内总辐射量552．68kJ／cm2，多年平均降雨量541mm。土壤为黄绵土，植被
类型为暖温带森林草原，天然森林植被已全部破坏。
1．2 供试材料
测定样地为该站定位观测场不同退耕年限草地以及三龄沙打旺人工草地，以目前耕种农地为对照(表
1)。每一样地从表层开始每隔 10cm取样，共取 5层分别进行指标测定。
1．3 土壤观测指标选择与测定
针对研究区水土流失严重的特点以及土壤的主要功能，本研究除选取土壤的一些常规理化指标外，还选
取了反映土壤侵蚀性能的指标，如土壤渗透系数、抗冲性、抗蚀性以及与土壤坡面滑塌有关的抗剪强度
等 ¨ ，共 12个原始观测指标(表 2)，以期较为全面地对该区的土壤质量进行评判，并进一步阐明不同退耕
草地土壤质量的演变规律。
(1)物理特性 土壤容重采用环刀法测定。水稳性团聚体分>5mm、5～2mm、2—1mm、1～O．5mm和O．5
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0．25ram等5个等级，采用改进的Yoder法测定。平均质量直径指各粒级水稳性团粒直径以其质量百分比
为权重而求得的平均值。
衰 1 研究样地特征
Table1 The characteristics ofthe studied samplelands
荒坡草地-Uncultivated grasaland；农地-Farmland；人-E草地-Artificial grassland
(2)生物化学特性 土壤腐殖质物质主要包括：腐殖质、胡敏酸、有机质和富啡酸，均采用科诺诺娃提出
的快速测定法 ¨。全氮用半微量开氏法测定。
(3)抗冲性能 土壤的抗冲性测定采用原状土冲刷槽法进行测定n 。
(4)渗透性能 土壤的入渗性能采用大型渗透桶法测定h ，并根据试验时的水温换算成 10cC条件下的
渗透系数 K
(5)抗剪性能 土壤的抗剪强度 s 利用直剪仪采用固结快剪法测定，土壤的凝聚力 G利用剪应力与垂
直荷载进行回归分析确定。 ·
衰 2 黄土丘陵沟整区土壤质量观测指标
Tahie 2 Determined soil Indexes of soil qtmlity in hily and gully loess re,on
2 结果与分析
2．1 土壤质量评价指标析取
2．1．1 土壤质量观测指标的因子分析 因子1占总方差的比重远大于其它3个因子，其控制总变异的60％
以上(表 3)。
衰3 土壤质量因子分析方差解释
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3期 潘成忠 等：黄土丘陵沟壑区退耕草地土壤质量演变
4个因子的累计方差贡献率达90．82％，说明采用4个彼此独立的因子可以反映各土壤各指标分量总变
异的 90％以上。
除 z、 和 指标外，其它各变量的共同度均在 85％以上(表4)，说明该 4个因子不仅能有效地反映原
观测指标的总变异，而且能很好地代表各分量的变异信息。
在不损失总变异信息的基础上，采用方差最大法对载荷阵进行正交旋转变换，从而使各析出因子具有更
加明确的土壤学意义。
裹4 土壤质量分析中前4个因子的再生相关阵和旋转后矩阵的圈子荷藏
Table 4 Extraction and retated componentmatrtxin factor analy~ of sell qeallty
2．1．2 土壤质量公共因子析取 因子 1的方差贡献率为44．963％，在全部因子中处于最重要的地位(表 3)。
因子 1主要综合了腐殖质 、胡敏酸 、富啡酸 。、有机质 ．和全氮 这 5个指标的变异信息，它们在因
子 1上的载荷依次为 0．8649、0．8836、0．8464、0．8649和0．8630(表4)。因子 1主要反映了土壤生物化学特性，
特别是腐殖质物质对土壤质量的作用，为此把因子 1称作腐殖质因子(F．)。
因子 2的方差贡献率为 23．046％(表 3)，它主要综合了团聚体平均质量直径 ，、渗透系数 墨、大于
0．25mm团聚体百分含量 和抗冲性 ：的变异信息(表4)。在4个指标中，其中 和 为土壤团聚状况
指标，且它们均是表征土壤抗蚀性的指标之一 ¨ ，而渗透系数 蜀 和抗冲性 ：分别是衡量土壤的保水和保
土性能指标，所以，把因子2称为水土保持因子(F，)。
因子 3和因子4的方差贡献率分别为 12．712％和 10．098％(表 3)，二者相差较小，且与前两个因子相比，
重要性显著减弱。因子 3主要综合了抗剪强度 和凝聚力 指标的变异信息。它们在其上的荷载分别为
0．9409和 0．5084(表4)，而因子4主要综合了容重 。和凝聚力 的变异信息。可见，因子 3和 4对凝聚力
指标进行了分解，使得对各因子的解释显得不很清晰。由于试验样地相邻，土壤的成土条件相似，土壤容重
。 近似反映了土壤的抗压性能，而抗剪强度 和凝聚力 主要反映了土壤的抗剪性能。同时，考虑 X。、X
和 X，对原主因子均表现的正向效应以及两个因子相近的方差贡献率。采用土壤力学因子(F )以综合考虑
因子 3和4对土壤质量的影响。
上述分析表明，土壤腐殖质因子、水土保持因子和力学因子不仅反映了原 12个指标变量总变异的
90．82％，而且能很好地代表各分量的变异信息，且它们均具有较为清晰的土壤学内涵。遂采用上述三个公共
因子对退耕草地土壤质量演变进行分析。
2．2 退耕草地土壤质量演变机理
2．2．1 退耕草地土壤评价方法 通过表 5的因子得分系数矩阵，分别计算不同样地土壤在因子 1、2、3和4的
平导分 YI、y2、y3和 y4。女Ⅱ，YI=一O．044XI 一O．040X2 一0．102X3 一0．115X +⋯ +0．238Xl +
O．236X。 ，其中 置 为标准化后的指标变量。
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生 态 学 报 26卷
不同样地土壤在腐殖质因子(F，)和水土保持因
子(F：)上的差异利用 y，和 进行评判，而在力学因
子( )和综合质量上的得分分别采用 F，= +
l，4和 E= Y + y2+ Y3+ y4计算，其中， 为
旋转后的因子i的方差贡献率。
最后，对不同样地土壤在不同因子上的得分进行
正规化处理，进而分析土壤质量差异的形成原因。
2．2．2 退耕草地土壤的腐殖质条件 图 1表明永久
荒坡草地表层土壤的腐殖质条件最佳，而人工草地 30
40 cm土层最差，且不同样地上层土壤的腐殖质条
件较下层好。
与农地相比，退耕 3a荒坡草地各土层土壤腐殖
衰5 土壤质量因子分析中旋转后的因子得分系数阵
Table 5 Factor~12ore coeficientmatrixInfactor蛐IalysIs of舯ll qnamy
质条件显著改善，这与阿拉善荒漠恢复初期草地与封育前相比0—20cm与 20～40cm层土壤有机质和全氮含
量显著增加的结论一致_2 。与农地相比，退耕 20a和永久荒坡草地土壤腐殖质条件的改善主要表现在 0—
10cm土层。退耕 3a荒坡草地的20～50cm土层土壤腐殖质条件均优于退耕年限更长的荒坡草地，其原因可
能是：草地坡面地上和地下生物量随着退耕年限的增大而增加，进而它们需要消耗更多的土壤养分，而腐殖质
物质的产生速率没有消耗的快，因而使得土壤下层的腐殖质条件降低。与农地相比，人工草地土壤腐殖质条
件并未得到改善。退耕年限相同的荒坡草地腐殖质条件显著优于人工草地。
2．2．3 退耕草地土壤的水土保持性能 永久草地和退耕 20a荒坡草地的 10—20cm土层水土保持性能最佳
(图2)，这主要在于其较好的团聚性能和抗冲性能。退耕 3a荒坡草地的40—50em和农地表层的保持水土能
力最差，但其成因不同，前者主要与其较差的入渗性能有关，而后者在于其抗蚀抗冲性差。草地坡面保持水土
能力显著强于农地，尤其是在0～20em土层。
1．0
0．8
娄
瞳
0．4
圄
0．2
0
U( UG20 UG8 UG3 C Ao3
样地类型Land n8e
图 1 不同样地土壤的腐殖质状况
Fig．1 Soil humus conditions of the diferent sample lands
l·。
。．8
萎
跫m4
圜
。·2
0
UOF Ua2O UG8 UO3 C AG3
样地类型LandUSC
图2 不同样地土壤水土保持状况
Fig．2 Soll and water conservation conditions of the different sample lands
草地保持水土性能随土层深度的增大呈减弱趋势(图2)，这可能主要与根系含量随土层深度增大而减小
有关 。荒坡草地的保持水土性能随着退耕年限的增大而增强(图 2)。退耕年限(3a)相同人工草地的水
土保持作用显著优于荒坡草地，这可能与人工草地的土壤中根系含量明显高于荒坡草地有关 ，试验测定人
工草地对应土层的根系表面积含量分别是荒坡草地的2．3 16．5倍。
2．2．4 退耕草地土壤力学状况 退耕 3a荒坡草地的 40 50cm土层的土壤力学状况最佳(图 3)。农地表层
(0—10era)土壤力学条件最差，这主要是由于农业耕作对表层土壤的扰动破坏了土壤的凝聚性能。农地表层
(0—10cm)的土壤凝聚力(0．026 kg／cm2)比退耕 3a荒坡草地 40～50era土壤(0．455 kg／cm~)减少 94．3％。
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3期 潘成忠 等：黄土丘陵沟壑区退耕草地土壤质量演变 695
永久荒坡草地的土壤力学特性较其它退耕年限草地差，这主要与其疏松的土壤条件有关。与农地相比，
不同草地表层土壤力学性能显著增强。荒坡草地土壤力学性能随退耕年限变化趋势不明显。除4o 50。m土
层外，退耕年限相同的荒坡草地与人工草地的土壤力学性能差异较小(图3)。
2．2．5 退耕草地土壤质量评价 永久草地和退耕 20a荒坡草地的表层土壤质量最佳(图4)。这与其较好的
土壤腐殖质和水土保持性能有关(图1和图2)。农地40～50era土壤质量最差，其次为农地表层土壤，但其成
因不同，前者主要由于该层较差的土壤腐殖质条件引起的，而后者主要在于其较差的水土保持和力学性能(图
2和图 3)。
1．0
0．8
』i o．6
跫。一4
圜
0．2
0
U0F UG20 UG8 U03 C A03
样地类型 Landuse
图3 不同样地土壤力学状况
Fig．3 Soil mechanics conditions of the diferent sample lands
1．0
O．8
l0．
跫。一4
0．2
0
U0F UG20 UG8 UG3 C A03
样地类型Landme
图4 不同样地土壤质量状况
Fig．4 Soil quality conditions of the diferent sample lands
与农地相比，不同草地的土壤质量显著改善，尤其在 0—20cm土层(图4)。Wu和 Tiesen对中国甘肃高山
退化草地研究也表明，草地的退化和开垦不仅加速了土壤侵蚀 ，而且降低了土壤肥力 。
永久草地和退耕 20a荒坡草地的土壤质量随土层深度的增大而下降，这主要是由于土壤腐殖质因子和水
土保持因子所共同引起的(图 1和图2)。土壤质量随土层的变化与根系含量变化趋势一致，二者的相关系数
分别为0．943和0．962。这也间接说明，对于退耕年限较长的草地，根系不仅增强了其水土保持性能，还同时
改善了土壤的腐殖质条件⋯ 。退耕 3a荒坡草地土壤质量在不同土层上差异较小，且与其腐殖质条件变化一
致，这是由于其水土保持性能与力学性能互为消长的结果。退耕年限(3a)相同的荒坡草地土壤质量显著优于
人工草地，这主要是由于土壤腐殖质因子引起的，而在保持水土的功效上前者甚至比后者差。
3 结论
本文以黄土高原丘陵沟壑区土壤的主要功能为依据，选取 l2个代表性土壤指标对该区退耕草地的土壤
质量演变进行分析。研究表明，影响该区土壤质量的因子按权重由大到小依次为土壤腐殖质因子、水土保持
因子和力学因子。永久草地和退耕 20a荒坡草地的表层土壤质量最佳，且随土层深度的增大而降低。农地40
～ 50cm和0～lOcm土层土壤质量最差，但成因不同，前者是由于土壤的腐殖质条件差引起的，而后者在于其
较差的水土保持和力学状况。荒坡草地 0～lOcm土层的土壤质量随着退耕年限的增大而提高。退耕 3a荒坡
草地不同土层间的土壤质量和腐殖质条件差异较小 ，而其相同土层的水土保持与力学性能互为消长。
永久荒坡草地表层土壤的腐殖质条件最佳，而人工草地3O～40 cm土层最差。与农地相比，退耕 3a荒坡
草地各土层土壤腐殖质条件显著改善，而人工草地的土壤腐殖质条件并未明显改善。退耕 3a荒坡草地的20
～ 50cm土层腐殖质条件均优于退耕年限更长的其它荒坡草地。草地坡面的水土保持性能与农地相比显著增
强，且荒坡草地的水土保持性能随着退耕年限的增大而增强。草地保持水土能力随土层深度的增大而降低，
这主要与根系分布有关。不同草地表层土壤力学特性较农地显著增强。荒坡草地土壤的力学性能随退耕年
限变化趋势不明显，且永久荒坡草地土壤力学特性较其它草地差。
退耕年限(3a)相同的荒坡草地土壤质量显著优于人工草地，这主要是由于土壤腐殖质差异所引起的，而在
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保持水土的功效上前者显著差于后者。因此，人工营造牧草植被仍不失为控制该区水土流失的一种有效途径。
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