羅文成　李吉玫　張毓?jié)∪~爾江?拜克吐爾漢

摘要 為量化新疆退耕還林所產(chǎn)生的生態(tài)效益，分析了新疆退耕模式、退耕林種和退耕年限對土壤養(yǎng)分的影響。結(jié)果表明，各土層3種退耕模式間土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為退耕地還林>荒山荒造>封山育林;土壤速效氮、速效磷含量均表現(xiàn)為退耕地還林>封山育林>荒山荒造，退耕模式僅對0～20 cm土層土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷含量影響顯著;土壤速效鉀含量表現(xiàn)為退耕地還林>荒山荒造>封山育林，退耕模式對各土層含量影響均顯著。各土層3種退耕林種間土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為經(jīng)濟林>生態(tài)林>灌木林，林種對各土層土壤有機質(zhì)含量影響均顯著;0～20 cm土層土壤速效氮含量均表現(xiàn)為經(jīng)濟林>生態(tài)林>灌木林，20～40和40～60 cm土層表現(xiàn)為經(jīng)濟林>灌木林>生態(tài)林;速效磷含量表現(xiàn)為經(jīng)濟林>灌木林>生態(tài)林;土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為灌木林>經(jīng)濟林>生態(tài)林。退耕地還林在工程實施的第5年土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀明顯增加;封育模式和荒山荒造模式在工程實施的第8年土壤有機質(zhì)開始明顯增加，增加的幅度相對于退耕地還林模式的幅度較低。封山育林模式在工程實施5年土壤鉀含量迅速增加，增加幅度高于退耕地還林。

關(guān)鍵詞 退耕模式;林種;土壤養(yǎng)分;影響

中圖分類號 S 714文獻標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2020）16-0082-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.16.022

Effects of Different Returning Farmland to Forest Patterns on Soil Nutrient in Xinjiang

LUO Wen-cheng1，2，LI Ji-mei2，3，ZHANG Yu-tao2，3 et al

（1.College of Forestry and Horticulture， Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang 830052;2. Institute of Forestry Ecology，Xinjiang Academy of Forestry Sciences，Urumqi，Xinjiang 830063;3.Xinjiang Tianshan Forest Ecosystem National Orientation Observation and? Research Station， Urumqi， Xinjiang 830063）

Abstract In order to quantify the ecological benefits of returning farmland to forest in Xinjiang， the effects of the model， species and years of returning farmland to forest on soil nutrients were analyzed.The results showed that the soil organic matter content among the three types of returning farmland in each soil layer was expressed as returning farmland to forest> barren hills and afforestation> mountain closure and afforestation; soil available nitrogen and available phosphorus contents were all returning farmland to fores>mountain closure and afforestation>barren hills and afforestation.The mode of returning cultivated land had only effect on the content of soil organic matter， available nitrogen and available phosphorus in 0-20 cm soil layer; the content of available soil potassium was now returning farmland to forest> barren hills and afforestation>mountain closure and afforestation， and the returning farmland model had a significant impact on the content of each soil layer.The soil organic matter content of the three types of returning farmland forests in each soil layer was shown as economic forest> ecological forest> shrubbery forest. The forest species had a significant effect on the soil organic matter content in each soil layer. The available nitrogen content in the 0-20 cm soil layer was as follows：economic forest>ecological forest>shrub forest; 20-40 cm and 40-60 cm soil layers appeared as economic forest> shrub forest> ecological forest; available phosphorus content was shown as economic forest> shrub forest> ecological forest; soil available potassium content was shown as shrub forest>economic forest>ecological forest.Soil organic matter， available nitrogen， available phosphorus and available potassium increased significantly in the 5th year of the project after returning cultivated land to forests; soil organic matter in the enclosure mode and the barren mountain and wasteland model began to increase significantly in the 8th year of the project， increasing compared with the model of returning cultivated land to forest， the magnitude of the increase was lower. In the five years after the project was implemented， the soil potassium content increased rapidly， and the increase rate was higher than that of returning farmland to forest.

Key words Returning farmland model;Forest species;Soil nutrient;Effect

基金項目 國家科技支撐計劃子課題（2015BAD07B030304）;林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（200804022c）。

作者簡介 羅文成（1995—），男，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向：森林生態(tài)學(xué)。

*通信作者，副教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，從事植被生態(tài)學(xué)研究。

收稿日期 2020-01-23;修回日期 2020-02-27

退耕還林工程是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的一項重要舉措，在保護或恢復(fù)生態(tài)環(huán)境中起著重要的作用[1-2]。新疆生態(tài)環(huán)境脆弱，干旱少雨，是我國荒漠化和沙化面積最大、分布最廣、危害最為嚴(yán)重的省區(qū)[3]。為改善生態(tài)環(huán)境、減少水土流失、阻止風(fēng)沙危害和增加農(nóng)民收入，2000年新疆被列為退耕還林試點單位，2002年全面啟動。新疆退耕還林工程建設(shè)任務(wù)重點布局在風(fēng)沙、鹽堿危害嚴(yán)重、生態(tài)區(qū)位重要的區(qū)域[4]。通過近20年的工程實施，全區(qū)人工造林面積大幅度增加，帶動了林業(yè)建設(shè)的快速發(fā)展，全區(qū)森林覆蓋率由工程實施之初的1.92%提高到現(xiàn)在的4.24%[4]。同時，與之相關(guān)的科學(xué)研究工作也逐漸增多，主要集中于退耕還林的土壤性質(zhì)[5-9]、植物恢復(fù)途徑[10]、生態(tài)服務(wù)功能評估[11-14]等方面，如楊藝淵等[15]分析了退耕還林工程對林業(yè)碳匯的影響;盧妖虎[16]分析了新疆退耕還林工程的水土保持效益。已有的結(jié)果表明實行退耕還林后，土壤理化性質(zhì)、土壤粒徑分布和分形維數(shù)特征均有變化[17-18]，退耕還林工程可以有效降低土壤侵蝕，達到土壤保護的作用[19-20]。但針對生態(tài)環(huán)境極其脆弱、土地沙化嚴(yán)重、風(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā)的新疆，退耕還林工程實施的生態(tài)效益如何目前缺乏定量研究。

該研究分別選擇新疆北疆的奇臺縣、東疆的托克遜縣和南疆的輪臺縣作為退耕還林工程的典型縣，依據(jù)退耕還林模式、退耕林種和樹種的不同，設(shè)置固定觀測樣地，采集土壤樣品，分析退耕還林工程對土壤養(yǎng)分的影響，以期為客觀評價退耕還林工程的生態(tài)效益評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處我國西北干旱區(qū)，自然特點一是極度干旱，降水稀少，且分布不均，北疆年均降水量150～200 mm，南疆和東疆不足100和80 mm，而年蒸發(fā)量高，北疆年蒸發(fā)量1 500～2 000 mm，南疆2 000～3 400 mm，東疆2 800～3 800 mm。二是熱量資源豐富，日照時間長，晝夜溫差大，東疆和南疆的年均氣溫高于北疆。三是風(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā)，是新疆特色林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展中面臨的主要災(zāi)害之一。四是土壤鹽堿化和鹽漬化高，是全國最大的鹽漬土壤分布區(qū)[4]。3個工程縣自然條件基本信息表1所示。2000—2014年新疆累積退耕還林面積75.85×104 hm2，其中，退耕地還林、荒山荒造和封山育林面積分別為21.40×104、52.89×104和1.56×104 hm2[4]。

1.2 樣地設(shè)置與土壤取樣

2016年在北疆奇臺縣、 東疆托克遜縣和南疆輪臺縣，依據(jù)退耕還林模式、退耕林種和退耕年限（3、5、8、10、15年）的不同，布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)固定樣地。每種退耕還林模式、林種和樹種及退耕年限設(shè)置3個樣地，各縣均為33個樣地，共設(shè)置99個樣地。喬木林和灌木林樣地分別為20 m×20 m和10 m×10 m。采用“S”形布點法在每個樣地設(shè)置3～5個采樣點，并將土壤剖面劃分成0～20、20～40、40～60 cm分層采集混合土樣，同樣地的同層土壤樣品混合作為1個樣品帶回實驗室，測定土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀含量。其中土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀分別采用重鉻酸鉀容量法、氯化鉀浸提-靛酚藍比色法、鹽酸-氟化銨浸提-鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提-火焰光度法測定[21]。各工程縣樣地土壤養(yǎng)分本底及每木檢尺情況見表2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS進行單因素方差分析、獨立樣本t檢驗和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆退耕還林工程不同退耕模式間土壤養(yǎng)分比較

2.1.1 有機質(zhì)含量。從圖1可以看出，各土層3種退耕模式間土壤有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為退耕地還林>荒山荒造>封山育林。方差分析表明，退耕模式僅對0～20 cm土層土壤有機質(zhì)含量影響顯著（P<0.05），對20～40和40～60 cm土層的影響不顯著（P>0.05）。0～20 cm土層退耕地還林的土壤有機質(zhì)含量分別是荒山荒造和封山育林的1.39、1.92倍;20～40 cm土層分別是荒山荒造和封山育林的1.29、1.45倍;40～60 cm土層分別是荒山荒造和封山育林的1.32、1.46倍。同種退耕模式下，隨著土層的增加，土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)不斷降低的趨勢。方差分析表明，退耕地還林模式和荒山荒造模式下，土層對土壤有機質(zhì)含量的影響顯著（P<0.05），但LSD多重比較表明退耕地還林模式下，只有0～20 cm土層與20～40、40～60 cm 土層間的土壤有機質(zhì)含量差異顯著，20～40與40～60 cm 土層間土壤有機質(zhì)含量差異不顯著。封山育林模式下，各土層的差異均不顯著（P>0.05）。

2.1.2 速效氮和速效磷含量。從圖2可以看出，各土層3種退耕模式間土壤速效氮、速效磷含量均表現(xiàn)為退耕地還林>封山育林>荒山荒造，方差分析表明，各土層退耕模式對土壤速效氮含量影響均顯著（P<0.05），但僅對0～20 cm土層土壤速效磷的影響顯著，對20～40和40～60 cm土層土壤速效磷的影響均不顯著。LSD多重比較表明，0～20 cm土層，3種退耕模式間土壤速效氮含量差異均顯著（P<0.05）;20～40與40～60 cm土層只有荒山荒造與其他2種退耕模式土壤速效氮含量差異顯著（P<0.05），其他退耕模式間差異不顯著（P>0.05）。方差分析表明，除荒山荒造模式下土層對土壤速效磷含量的影響不顯著外（P>0.05），其余退耕模式下土層對土壤速效磷含量的影響均顯著（P<0.05）。

2.1.3 速效鉀。從圖3可以看出，各土層3種退耕模式間土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為退耕地還林>荒山荒造>封山育林，且退耕模式對土壤速效鉀含量影響均顯著（P<0.05）。3種退耕模式均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，土壤速效鉀含量逐漸降低。只有退耕地還林模式下各土層間土壤速效鉀含量差異顯著，其余退耕模式下各土層差異均不顯著（P>0.05）。

2.2 新疆退耕還林工程不同退耕林種間土壤養(yǎng)分比較

2.2.1 有機質(zhì)含量。從圖4可以看出，各土層3種退耕林種間土壤有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為經(jīng)濟林>生態(tài)林>灌木林。方差分析表明，退耕林種對各土層土壤有機質(zhì)含量影響均顯著（P<0.05）。0～20 cm土層經(jīng)濟林的土壤有機質(zhì)含量分別是生態(tài)林和灌木林的1.42和1.84倍，20～40 cm土層分別是1.37 和1.80倍，40～60 cm土層分別是1.25和1.74倍，說明隨著土層的加深，退耕林種對土壤有機質(zhì)的影響逐漸降低。同種退耕林種下，隨著土層的增加，土壤有機質(zhì)含量呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，其中經(jīng)濟林各土層間土壤有機質(zhì)含量降低的幅度最大，其次為灌木林。方差分析表明，經(jīng)濟林和生態(tài)林各土層土壤有機質(zhì)含量差異顯著（P<0.05），其余林種土層間差異不顯著（P>0.05）。

2.2.2 速效氮含量。從圖5可以看出，0～20 cm土層3種林種間土壤速效氮含量均表現(xiàn)為經(jīng)濟林>生態(tài)林>灌木林;20～40和40～60 cm土層表現(xiàn)為經(jīng)濟林>灌木林>生態(tài)林。方差分析表明退耕林種對各土層土壤速效氮含量影響顯著（P<0.05）。且LSD多重比較表明，0～20 cm土層3種林種間土壤速效氮含量差異均顯著（P<0.05）。

2.2.3 速效磷含量。

從圖6可以看出，各土層3種退耕林種間土壤速效磷含量均表現(xiàn)為經(jīng)濟林>灌木林>生態(tài)林，方差分析表明，退耕林種對各土層土壤速效磷含量影響均顯著（P<0.05）。0～20 cm土層經(jīng)濟林的土壤速效磷含量分別是生態(tài)林和灌木林的1.42和1.84倍;20～40 cm土層分別是1.37 和1.80倍;40～60 cm土層分別是1.25和1.74倍。多重比較表明，0～20 cm土層只有經(jīng)濟林與其他林種間土壤速效磷含量差異顯著（P<0.05），20～40和40～60 cm土層只有生態(tài)林與其他林種間差異顯著（P<0.05）。

2.2.4 速效鉀含量。從圖7可以看出，各土層3種退耕林種間土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為灌木林>經(jīng)濟林>生態(tài)林，方差分析表明，退耕林種對各土層土壤速效鉀含量影響均顯著（P<0.05）。0～20 cm土層灌木林的土壤速效鉀含量分別是生態(tài)林和灌木林的2.45和1.92倍;20～40 cm土層分別是2.82和2.08倍;40～60 cm土層分別是2.73和1.92倍。多重比較表明，0～20 cm土層只有灌木林與其他林種間土壤速效鉀含量差異顯著（P<0.05）。

2.3 新疆退耕還林工程不同退耕年限間土壤養(yǎng)分比較

從圖8可以看出，退耕地還林在退耕還林工程實施的第5年土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀明顯增加，而且隨著退耕時間的延長，增加的幅度增大;封山育林模式和荒山荒造模式在工程實施的第10年土壤有機質(zhì)開始明顯增加，但增加的幅度相對于退耕地還林模式的幅度較低。退耕還林工程實施的第5年封山育林模式土壤速效磷含量高于退耕地還林。退耕地還林在第10年急劇增加，并逐漸高于封山育林，而后增加速度減慢，趨于均勻增長。封山育林模式從退耕還林工程實施5年后土壤鉀含量迅速增加，增加幅度高于退耕地還林。方差分析表明，退耕年限對土壤有機質(zhì)、土壤速效氮、土壤速效磷和土壤速效鉀含量均有顯著影響（P<0.05）。同時退耕年限和退耕模式交互作用對土壤養(yǎng)分也有顯著影響（P<0.05）。

3 討論

3.1 新疆退耕還林工程對土壤養(yǎng)分的影響

各土層3種退耕模式間土壤有機質(zhì)、土壤速效氮、土壤速效磷和土壤速效鉀均表現(xiàn)為退耕地還林最高。有研究表明，退耕還林具備提升土壤碳庫及其質(zhì)量的潛力[19-21]。實施退耕還林后，退耕地還林土壤有機質(zhì)含量顯著高于其他2種模式，這可能是由于新疆退耕地還林地多為經(jīng)濟林樹種，水肥管理較為精細[16]，樹木長勢較好，生長速度快，根系發(fā)達，凋落物儲量較高，良好的水熱條件有利于微生物的活動，進而促進了凋落物的分解，因此提高了土壤有機質(zhì)含量[22-23]?；纳交脑炷Ｊ较?，造林前土壤立地條件、土壤保水和保肥能力較差，造林后樹木長勢相對較弱，水熱條件也不利于凋落物的分解和有機質(zhì)含量累積，導(dǎo)致土壤有機質(zhì)含量相對于退耕地還林模式較低。而在封山育林模式下，多為天然灌木林和喬木林胡楊及楊樹，水熱條件更為惡劣，因此即使是封山育林后土壤有機質(zhì)含量的累積也不及其他2種退耕模式。

各土層3種退耕模式間土壤速效氮、速效磷含量均表現(xiàn)為退耕地還林>封山育林>荒山荒造。這是由于退耕地還林中水肥管理技術(shù)完善，如在核桃種植過程中，9月中旬開溝施基肥，在花前或展葉期追肥一次，以速效氮為主，葉面肥施尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀等且一年灌溉3次，保證了植株生長的水肥供應(yīng)，增加了土壤速效氮、速效磷含量及葉片中氮磷鉀含量，改善了樹木長勢，通過凋落物分解進入到土壤中的速效氮、速效磷含量也不斷增加。封山育林模式中，缺乏合理的水肥管理，土壤養(yǎng)分在自然循環(huán)狀態(tài)下累積，因而相對于退耕地還林模式較低?；纳交脑炷Ｊ较滤傩У?、速效磷含量低于其他2種模式的原因可能是：①由于在造林前，土壤本地狀況欠佳;②新疆荒造模的樹種主要是灌木梭梭和檉柳，極少地區(qū)為沙棗、紅棗、楊樹，這些樹種中除了紅棗具有一定的經(jīng)濟價值，其余樹種多為生態(tài)價值，因此種植農(nóng)戶管理粗放，且栽植的灌木梭梭、檉柳、沙棗、紅棗等多為2～3年生的幼樹，與封山育林模式中的天然灌木梭梭、檉柳、沙棗林相比，胸徑、樹高、冠幅等都較低，凋落物累積量低，且分解緩慢，因此土壤速效氮、速效磷含量不高[24]。

各土層3種退耕模式間土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為退耕地還林>荒山荒造>封山育林。這可能是由于新疆退耕還林工程中荒山荒造的地塊土壤鉀含量較低，在造林后施鉀肥較導(dǎo)致。

3.2 新疆退耕還林工程中林種對土壤養(yǎng)分的影響

3種退耕林種間土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷含量均表現(xiàn)為經(jīng)濟林最高。同樣，這也與經(jīng)濟林田間管理精細有關(guān)。土壤速效鉀含量表現(xiàn)為灌木林最高。一方面這與新疆灌木林內(nèi)的部分伴生種具有“吸鉀排鈉”的功能有關(guān)，如豬毛菜、花花柴等[25];另一方面與新疆退耕還林地灌木檉柳、梭梭根部接種大蕓有關(guān)。為了提高退耕還林工程的綜合效益，新疆在灌木檉柳、梭梭根部接種大蕓，而大蕓對鉀肥的需求較高[26]。

3.3 新疆退耕年限對土壤養(yǎng)分的影響

新疆退耕還林工程隨著退耕年限延長，林地凋落物逐漸增加，而林地土壤中土壤有機碳和氮的補充和積累主要來自凋落物分解、根系殘體及其分泌物[27-28]。有研究表明，林地通過自身生物量碳的投入顯著增加了土壤碳、氮含量[27]。因此，不同退耕年限對土壤有機碳含量增加有很大的促進作用。土壤有機碳含量隨退耕年限的增加而增大，但其增長速度并不相同。另外，由于新疆干旱少雨，土壤瘠薄，在林業(yè)經(jīng)營活動中，為了提高樹木的成活率、長勢及產(chǎn)量，需采取精細的水肥管理，也導(dǎo)致土壤中速效養(yǎng)分逐年累計，呈現(xiàn)不同的增長趨勢。

4 結(jié)論

3種退耕模式間土壤有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為退耕地還林>荒山荒造>封山育林;土壤速效氮、速效磷含量均表現(xiàn)為退耕地還林>封山育林>荒山荒造，退耕模式僅對0～20 cm土層土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷含量影響顯著。土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為退耕地還林>荒山荒造>封山育林，退耕模式對各土層含量影響均顯著。

各土層3種退耕林種間土壤有機質(zhì)含量均表現(xiàn)為經(jīng)濟林>生態(tài)林>灌木林，退耕林種對各土層土壤有機質(zhì)含量影響均顯著。0～20? cm土層土壤速效氮含量均表現(xiàn)為經(jīng)濟林>生態(tài)林>灌木林;20～40和40～60 cm土層表現(xiàn)為經(jīng)濟林>灌木林>生態(tài)林;3種退耕林種間土壤速效磷含量表現(xiàn)為經(jīng)濟林>灌木林>生態(tài)林;土壤速效鉀含量均表現(xiàn)為灌木林>經(jīng)濟林>生態(tài)林。

退耕地還林在工程實施的第5年土壤有機質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀明顯增加;封山育林模式和荒山荒造模式在工程實施的第8年土壤有機質(zhì)開始明顯增加，增加的幅度相對于退耕地還林模式的幅度較低。封山育林模式在工程實施5年土壤鉀含量迅速增加，增加幅度高于退耕地還林。

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