宋達成，王理德*，吳昊，吳春榮，趙赫然，韓生慧，胥寶一

（1.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省河西走廊森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 武威733000；3.甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室培育基地，甘肅 武威733000）

民勤地區(qū)地處石羊河下游，位于巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠的交匯地帶，生態(tài)戰(zhàn)略地位十分重要。解放初期，由于石羊河下游水量充足，這里曾經(jīng)物種豐富、植被茂密［1?2］。但是20 世紀50?60 年代，隨著石羊河上游對地表水的侵占，使石羊河下游入境水量銳減［3］，加之當?shù)鼐用駥Φ叵滤牟缓侠黹_采，導致區(qū)域地下水水位不斷降低，水體礦質化程度不斷加重，區(qū)域內天然植被大面積死亡［4?5］?，F(xiàn)在民勤地區(qū)已成為我國沙漠化最為嚴重的地區(qū)，也是我國沙塵暴源區(qū)之一［6］。近年來伴隨“關井壓田”措施的實施，區(qū)域大面積土地棄耕撂荒而演變成為次生草地［7］，這些土地如果不加以保護，任由其不斷退化，將進一步造成植被退化，從而導致土地風蝕荒漠化程度加劇，嚴重破壞區(qū)域次生草地土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，怎樣合理保護和恢復民勤退耕區(qū)次生草地關系到區(qū)域經(jīng)濟和民生事業(yè)的發(fā)展，已成為當前石羊河流域生態(tài)治理的重要課題。

土壤作為人類土地生產(chǎn)的對象，土壤質量狀況是土壤生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要因素，也是農(nóng)業(yè)土壤管理的重要評價標準［8］。有研究表明，土壤養(yǎng)分能夠顯著影響植物群落的物種組成及物種多樣性，并且對植被群落的恢復和重建等方面作用巨大［9］，而土壤微生物則在土壤物質循環(huán)、能量流動、系統(tǒng)穩(wěn)定等多個環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要作用，其數(shù)量與活性可以反映土壤肥力，是評判土壤質量的重要指標［10?11］。所以，土壤理化性質和微生物特性是土壤研究過程中重要的組成部分，是恢復與改善地表植被的基礎，也是地表環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的保障［12］。目前已有的研究主要針對區(qū)域沙漠化形成原因［13?14］、防治對策［15?16］、發(fā)展動態(tài)［17?18］等方面，針對土壤特性演變研究，也多以土壤理化性質［19?21］等方面較為廣泛，而對于民勤退耕區(qū)土壤微生物特性的報道較少。

本試驗通過對民勤不同退耕區(qū)次生草地開展研究，分析了不同退耕年限次生草地土壤理化性質和微生物特性的演變規(guī)律及二者的相互關系，并對研究區(qū)土壤質量進行綜合評價，旨在為民勤退耕區(qū)次生草地的恢復與可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地位于石羊河下游的甘肅省民勤縣境內不同退耕區(qū)（圖1），地理坐標為103°35′5″—103°38′2″E、39°01′30″—39°03′55″N，平均海拔為1306 m。研究區(qū)受風沙危害較為嚴重，日照強烈，氣候干燥少雨，蒸發(fā)量大，年均溫度7.5 ℃左右，年平均降水量113 mm，月平均蒸發(fā)量220 mm，土壤類型以灰棕漠土為主，部分存在有沙化現(xiàn)象。樣地中主要以耐旱性植被為主，主要灌木有鹽爪爪（Kalidium foliatum）、小果白刺（Nitraria sibirica）、紅砂（Reaumuria songarica）等，主要草本植物有白莖鹽生草（Halogeton arachnoideus）、堿蓬（Suaeda glauca）、地膚（Kochia scoparia）等［22］。

1.2 樣地設置

對民勤不同退耕區(qū)次生草地的植被組成和土壤特性等影響因素進行綜合考慮，選擇植被分布均勻、受人為因素影響較小的地段作為試驗區(qū)域。并按照退耕年限的不同在研究區(qū)內分別選取退耕1、2、8、13、20 年的5 個面積為1 hm2撂荒地作為試驗樣地，以耕地作為對照樣地（表1）。

1.3 樣品采集

2018 年9 月，分別在5 塊退耕區(qū)次生草地樣地與對照耕地內，采用“S”形取樣法選取5 個具有樣地代表性的區(qū)域作為土樣采集點，各采集點之間相距約70 m，每個采集點分3 次重復，按照0～20 cm 土層深度對土壤樣品進行采集。采集過程中將土壤樣品充分混合后分成兩份，一份直接裝入無菌袋中，另一份裝入無菌袋中并放于帶冰塊的泡沫箱內帶回實驗室，分別用于土壤理化性質及微生物特性等指標的測定。

圖1 研究區(qū)樣地位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample site location in the research area

表1 不同退耕樣地概況Table 1 General situation of different abandoned land samples

1.4 測定指標及方法

1.4.1 土壤理化性質的測定 土壤pH 值采用pH 測定儀（pHS-3S，上海儀電科學儀器股份有限公司）測定；土壤含水率采用恒溫箱烘干法；砂粒含量采用馬爾文激光粒度儀（Malvern Mastersizer 2000）測定；全氮含量采用凱氏蒸餾法測定；速效磷含量采用NaHCO3提取?鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用原子吸收分光光度法測定。

1.4.2 土壤微生物學特性的測定 1）土壤微生物數(shù)量的測定。采用平板表面涂抹法［23］對土壤三大類微生物（細菌、放線菌、真菌）數(shù)量進行測定并計數(shù)，其中細菌選擇牛肉膏蛋白胨作為培養(yǎng)基成分；真菌選擇馬丁?孟加拉紅作為培養(yǎng)基成分；放線菌選擇改良高氏一號作為培養(yǎng)基成分。

2）土壤微生物生物量的測定。采用氯仿熏蒸培養(yǎng)法［24］對土壤微生物生物量（土壤微生物量碳、土壤微生物量氮、土壤微生物量磷）進行測定。

土壤微生物量碳（soil microbial biomass C）：采用K2Cr2O7?H2SO4外加熱法測定。計算公式為：

土壤微生物量氮（soil microbial biomass N）：采用凱氏定氮法測定。計算公式為：

土壤微生物量磷（soil microbial biomass P）：采用鉬藍比色法測定。計算公式為：

式中：Ec、En 和Ep 為熏蒸土壤提取液中有機碳、全氮和磷含量，Ec0、En0和Ep0為未熏蒸土壤提取液中有機碳、全氮和磷含量，kEc、kEn 和kEp 為校正系數(shù)，分別是0.38、0.54 和0.40。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗設置3 次重復，不同退耕樣地間各指標均采用單因素（One-Way ANOVA）Duncan 法進行差異分析，所有數(shù)據(jù)均選用SPSS 19.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用Excel 2010 軟件制作圖表。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

不同退耕區(qū)次生草地土壤理化性質如表2 所示，土壤pH 總體呈弱堿性，變化范圍為7.767～8.187。對照耕地pH 值最高，達到了8.187 左右，退耕后，各樣地間pH 值變化具有一定的波動性，但差異性不顯著；土壤含水率總體呈先下降后上升趨勢，具體表現(xiàn)為退耕8 年<2 年<1 年<20 年<對照耕地<13 年，其中在退耕8 年時降至最低值，僅為對照耕地的53.64%左右，之后開始逐漸回升，并在退耕13 年時與對照耕地保持在同等水平；各樣地土壤砂粒含量隨退耕年限的不同而具有明顯差異，總體呈先上升后下降趨勢，退耕后砂粒含量開始大幅上升，峰值出現(xiàn)在退耕2 年時，達到了86.09%，顯著高于對照耕地，之后開始不斷降低，并于退耕8 年后逐漸趨于穩(wěn)定。退耕后，土壤全氮含量在1～2 年間變化較為明顯，由退耕1 年時的0.024%大幅上漲至退耕2 年時的0.036%，之后開始逐漸下降，并于退耕8 年后趨于穩(wěn)定，且退耕8 年后土壤全氮含量顯著低于對照耕地，僅為對照耕地的69%左右；退耕1～8 年間土壤速效鉀含量變化不大，各樣地間差異性不顯著，于退耕8 年后開始大幅升高，并以退耕13年為節(jié)點，呈先上升（8～13 年）后下降（13～20 年）的趨勢，退耕13 年時土壤速效鉀含量最高，達到了411 mg·kg?1，顯著高于其他樣地，之后開始大幅下降，于退耕20 年時降至200 mg·kg?1，降幅達到了211 mg·kg?1。土壤速效磷表現(xiàn)具有較強的波動性，總體呈先下降（0～1 年）后上升（1～8 年）再下降（8～20 年）的趨勢，高值出現(xiàn)在對照耕地（1.40 mg·kg?1）和退耕8 年樣地（1.48 mg·kg?1），均顯著高于其余樣地。

2.2 土壤微生物學性質

不同退耕區(qū)次生草地土壤微生物數(shù)量變化如圖2 所示，各樣地均表現(xiàn)為細菌數(shù)量>放線菌數(shù)量>真菌數(shù)量。對照耕地三大微生物數(shù)量均高于各退耕樣地，細菌、放線菌、真菌數(shù)量分別為6.11×107、3.49×106、0.36×105cfu·g?1。退耕后，土壤細菌數(shù)量總體表現(xiàn)為先上升（1～8 年）再下降（8～20 年）的趨勢，最高值出現(xiàn)于退耕8 年，達到了201.87×105cfu·g?1，但仍僅為對照耕地細菌數(shù)量的33%，在退耕13 年時降至最低值，為1.75×106cfu·g?1，不到對照耕地的3%。退耕后細菌數(shù)量占總微生物數(shù)量的比例呈不斷上升趨勢，由退耕1 年時的68.59%持續(xù)上升，于退耕20 年后達到99.06%，高于對照耕地的94.55%；放線菌數(shù)量在退耕1～8 年間與對照耕地差異性不顯著，在13～20 年間顯著低于對照耕地，總體保持下降趨勢，且在退耕8 年后開始大幅下降，從退耕8 年時的2.58×106cfu·g?1降至退耕13 年時的0.15×105cfu·g?1，降幅達到了99.4%左右。退耕后放線菌數(shù)量所占比例不斷下降，并且在退耕1 年和退耕8 年時降幅較大，分別下降了19.39%和10.50%，退耕20年后占比為0.92%，顯著低于對照耕地的5.39%；各樣地真菌數(shù)量的變化差異較小，總體保持在0.004×105～0.361×105cfu·g?1。以 退 耕8 年 為 節(jié) 點，退 耕后，真菌數(shù)量所占比例呈先下降（1～2 年）再上升（2～8 年）再下降（8～20 年）的變化趨勢，退耕1 年時真菌占比最高，達到0.25%，其次是退耕8 年，達到0.14%，退耕20 年后降至0.02%，顯著低于對照耕地的0.06%。土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物量磷3 種指標的變化規(guī)律具有一定相似性，均表現(xiàn)為先上升再下降的趨勢（表3）。其中土壤微生物量碳的最高值出現(xiàn)在退耕13 年，達到了459.287 mg·kg?1，約為對照耕地的3.7 倍。之后開始大幅下降，最終于退耕20 年時降至最低，僅為67.245 mg·kg?1，是對照耕地的54%；土壤微生物量氮與微生物量磷含量最高值均出現(xiàn)在退耕2 年時，分別為69.513 與49.471 mg·kg?1，之后均出現(xiàn)不同程度的下降趨勢，退耕13 年時土壤微生物量氮含量為27.824 mg·kg?1，與對照耕地保持在同一水平；土壤微生物量磷含量在退耕20 年時降至9.208 mg·kg?1，顯著低于對照耕地。

表2 不同退耕區(qū)土壤理化特征Table 2 Physical and chemical characteristics of soil in different abandoned areas

圖2 不同退耕年限土壤3 大類微生物數(shù)量變化特征Fig.2 Changes of microorganisms in soil with different years of conversion

2.3 土壤理化性質與土壤微生物學特性的關系

由表4 可知，不同退耕區(qū)次生草地土壤理化性質與微生物數(shù)量間具有不同程度的相關性，而與土壤微生物生物量之間相關性不顯著。其中，土壤放線菌數(shù)量與pH 值和速效磷含量呈顯著正相關關系（P<0.05）；土壤真菌數(shù)量與速效磷含量呈顯著正相關關系（P<0.05），其余各指標間相關性均不顯著。

表3 不同退耕區(qū)土壤微生物生物量特性Table 3 Soil microbial biomass characteristics in different abandoned areas（mg·kg-1）

表4 土壤理化性質與土壤微生物學特性的相關分析Table 4 Correlation analysis between soil physical and chemical properties and soil microbiology characteristics

2.4 土壤肥力質量綜合評價

土壤質量指數(shù)法在土壤質量評價中應用廣泛，能夠為退耕區(qū)的土地保護與恢復提供科學依據(jù)［25］。本研究以土壤理化性質、土壤微生物學特性等指標對民勤退耕區(qū)次生草地進行土壤質量綜合評價，最終綜合得分見表5。具體排序為對照耕地（0.7571）>退耕1 年（0.1304）>退耕13 年（0.0322）>退耕2 年（0.0281）>退耕8 年（?0.0296）>退耕20 年（?0.9183）。說明退耕前期是研究區(qū)土地恢復的重要時期，區(qū)域次生草地在退耕8 年后土壤質量出現(xiàn)不同程度的下降。

表5 不同退耕區(qū)土壤肥力預測評價結果Table 5 Prediction and evaluation of soil fertility in different abandoned areas

3 討論

通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著退耕年限的增加，民勤不同退耕區(qū)次生草地土壤pH 值差異性不顯著，總體處于7.77～8.19，呈弱堿性；土壤含水率變化整體表現(xiàn)為“V”字型趨勢，且各退耕年限樣地均與對照耕地存在差異性。土壤含水率在退耕8 年時達到最低值，這主要是由于退耕初期樣地植被多為一年生草本，根系較淺，而試驗所取土樣均為0～20 cm 的表層土，加之研究區(qū)日照強烈［26］，導致土樣含水率較低。而退耕13 年后樣地優(yōu)勢種逐漸以灌木植被為主，使土壤含水率有所回升；砂粒含量和全氮2 項指標的變化規(guī)律具有一定的相似性，均在退耕2 年時達到最高值，之后開始逐漸下降，最終在退耕8 年后趨于穩(wěn)定。翻耕會把土壤中較細小砂粒從深層帶到表層，加之研究區(qū)受風力的影響較大，強烈的風蝕作用最終導致了土壤砂粒含量逐年減少［27］。而土壤全氮含量在退耕2 年時上升至0.036%，比對照耕地高出約12.5%，之后逐年下降，退耕20 年時出現(xiàn)最低值，比對照耕地降低了46.8%。這主要是因為研究樣地退耕之前多施用羊糞、秸稈等有機肥，且施肥量較大，導致土壤中全氮殘留量較大，而隨著退耕年限的增加，使土壤全氮殘余含量逐漸降低，這一結論與侯賢清等［28］的研究結果一致。速效鉀含量于退耕13 年時顯著升高，之后出現(xiàn)下降趨勢，退耕20 年后跟對照耕地處于同一水平，這可能是由于研究區(qū)表層土壤的淋溶作用與植被根系的釋鉀作用共同影響所致［29］。退耕各年份樣地間速效磷含量呈波動性變化，總體呈下降趨勢，且各退耕樣地均顯著低于對照耕地。梁振春等［30］研究證實，撂荒地的降水徑流量要高于草地和灌木地，而表層速效磷能夠隨水分滲透作用沿土壤大孔隙向深層次淋溶，加之研究區(qū)較強的土壤侵蝕共同導致了這一變化趨勢。

民勤不同退耕區(qū)次生草地土壤微生物數(shù)量變化總體表現(xiàn)為：細菌數(shù)量>放線菌數(shù)量>真菌數(shù)量，這與多數(shù)研究結果一致［31?32］。三大類微生物數(shù)量占總微生物數(shù)量的比例變化情況各不相同，具體表現(xiàn)為：退耕后隨著年限的增加，細菌數(shù)量所占比例不斷上升，放線菌與真菌數(shù)量所占比例不斷下降。退耕20 年后細菌數(shù)量占總數(shù)量的99.06%，而放線菌跟真菌所占比之和不到1%，對比對照耕地，退耕導致土壤微生物群落結構發(fā)生了顯著的改變［33］。陶磊等［34］研究發(fā)現(xiàn)，細菌、放線菌數(shù)量會隨有機肥用量的增加而升高，而真菌數(shù)量則隨有機肥用量的升高而降低，研究區(qū)樣地退耕之前有機肥用量較大，且土壤均偏堿性，更適宜細菌的生長繁殖，而不利于真菌的生存，最終導致細菌數(shù)量遠大于真菌數(shù)量。對比退耕后各樣地，發(fā)現(xiàn)退耕8 年樣地中細菌和真菌數(shù)量均為最高，而放線菌數(shù)量僅低于退耕1 年樣地，這可能是由于退耕初期（1～8 年）土壤養(yǎng)分含量還較高，風蝕影響危害還未凸顯，再加上土壤表層良好的水分條件和通氣狀況綜合所致。

土壤微生物生物量的多少與土壤各相關因子的變化聯(lián)系密切，是反映土壤微生物功能、活性等方面的重要指標。隨著退耕年限的增加，土壤微生物生物量變化趨勢具有一定的相似性，均表現(xiàn)為先上升再下降的趨勢，其中，土壤微生物量碳峰值出現(xiàn)在退耕13 年，而土壤微生物量氮和磷最高值均出現(xiàn)于退耕2 年。這可能是由于退耕初期，伴隨地膚、中亞濱藜等一年生草本植物的入侵及凋亡，草本凋落物歸還土壤表層，微生物可利用的養(yǎng)分增多所致。退耕13 年后，黑果枸杞、小果白刺等灌木植被逐步代替草本植被，樣地群落物種組成較為單一，土壤肥力下降。相關性分析結果也證明，土壤微生物學特性與土壤理化性質間存在不同程度的相關性，這與席軍強等［35］、黃國勤等［36］的研究結果相一致。本研究發(fā)現(xiàn)以退耕8 年為時間節(jié)點，所測土樣在含水率、砂粒含量、全氮、速效磷含量等土壤理化指標以及細菌數(shù)量、放線菌數(shù)量、真菌數(shù)量、土壤微生物量磷含量等土壤微生物學指標中均出現(xiàn)極值或高值，其主要是由于區(qū)域植被變化所致。研究區(qū)樣地在退耕8 年后，植被群落的優(yōu)勢種由草本逐步向灌木種發(fā)生演變，植被伴生種數(shù)量逐漸減少，群落結構逐漸穩(wěn)定。在這一過程中，伴隨植被地上凋落物的分解與養(yǎng)分釋放；地下根系分泌物的產(chǎn)生與調節(jié)以及外界風蝕作用等多因素的共同影響，綜合導致土壤理化性質與土壤微生物群落的結構和功能都發(fā)生了一定的變化，至于哪個因素對這種變化起主導作用還有待于進一步研究。土壤微生物、土壤理化性質以及植被之間關系復雜，共同作用于土壤系統(tǒng)中的養(yǎng)分轉化、能量循環(huán)等多個過程，此外，土壤酶活性變化也會對土壤微生物學特性與土壤理化性質產(chǎn)生重要影響，應該綜合進行考慮與分析。

4 結論

隨著退耕年限的增加，土壤砂粒含量、全氮、速效鉀、土壤微生物量碳、土壤微生物量氮、土壤微生物量磷含量等指標均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢；土壤含水率、速效磷含量、細菌數(shù)量、放線菌數(shù)量均表現(xiàn)出不同程度的下降趨勢；不同退耕年限對土壤pH 值及真菌數(shù)量影響不顯著。土壤理化性質與土壤微生物學特性間具有一定的相關性。土壤肥力質量綜合評價結果表明：對照耕地>退耕1 年>退耕13 年>退耕2 年>退耕8 年>退耕20 年，由此可以推斷退耕8 年之前是民勤退耕區(qū)次生草地治理過程中的關鍵時期。