坝上地区如何通过退耕还林工程实现土壤保护

　　下面文章主要以河北坝上地区康保县作为典型研究区，采用野外调查取样和室内实验分析手段，以邻近农田为对照区，分析退耕对土壤理化性质的影响，探讨不同年限退耕工程对土壤的保护作用。从而得知：退耕还林还草能够起到保护地表土壤免遭风蚀的作用，使退耕地的黏粉粒含量高于相邻农田，砂粒所占比重相对降低，有机质和氮等养分含量增加，抑制了土壤进一步粗化、沙化，对增加土壤肥力有积极作用。

　　关键词:退耕还林还草,理化性质,退耕年限,风蚀可蚀性,河北坝上

　　河北坝上地区位于我国北方农牧交错区中心地带，是我国土壤风蚀最严重的区域之一[1]。该地区历史上是典型的草原生态景观，但近200年来，由于人口的大量涌入，大面积草地被开垦为农田，使草原生态系统遭到严重破坏，导致风蚀加剧，土壤沙化[2]。

　　有研究表明，坝上地区土壤风蚀模数达50t·km2·a，风蚀沙化面积达5977.1km2，占土地总面积32.5%[3]。风蚀造成土壤细颗粒，有机质和氮等养分大量流失，地表粗化，土地生产力降低。因此，减轻该区域的土壤风蚀程度，改善土壤质量，对促进当地农业经济的可持续性发展具有重大意义。退耕还林还草被认为是抑制风蚀、改善土壤肥力、恢复草地生态系统服务功能的有效手段之一[4-5]。

　　从上世纪60年代开始，坝上地区被纳入“三北”防护林体系建设范围，该区农田开始逐步退耕并营建农田防护林。2000年以来，随着京津风沙源治理工程的实施，坝上地区的退耕还林还草步伐进一步加快，农田面积大幅减少，退耕林草地面积不断增加，区域生态环境改善[1]。

　　退耕林草地作为一种控制水土流失和防治土壤退化的土地利用方式，改变了地表物质迁移过程，使土壤性质产生变化[6]。张晓霞[7]等研究表明晋西黄土区退耕22年后，土壤容重、孔隙状况和持水能力等物理性质得到有效改善。陈文媛[8]等通过对比不同退耕年限的土壤团聚体特征得出退耕林草地土壤团聚体的稳定性和抗蚀性随退耕时间的增加而增加。

　　王富[9]比较了坝上张北县四种不同退耕植被类型，认为林地对土壤结构的改善作用明显，土壤水文生态效应较好。在土壤的碳汇效应上，许明祥[10]认为不同退耕方式的土壤固碳效应具有明显的差别，其中退耕还林地的土壤碳增汇效应显著;李静[11]通过对退耕草地不同深度土壤的有机质含量比较，发现表层土壤的有机物质增加明显。

　　另外，在侵蚀环境下植被恢复后土壤抗蚀性的变化对土壤质量的影响也有少量研究[12]。然而目前我国已有研究中关于退耕还林还草与风蚀关系的研究鲜见，对退耕措施减轻风蚀与土壤恢复效果这一问题缺乏针对性的研究。

　　基于此，文中选择坝上地区的康保县作为典型研究区，通过比较退耕地和邻近农田的土壤质地、土壤肥力、土壤风蚀可蚀性等差异，分析退耕对土壤理化性质的影响，探讨风蚀、退耕年限等因素在这一过程中的作用，为该区农田土壤风蚀治理措施的制定提供科学参考。

　　1材料与方法

　　1.1研究区概况

　　研究区位于河北坝上地区康保县境内(41°25'24″-42°08'57″N，114°11'21″-114°55'57″E)(图1)。该地属中温带大陆性季风气候，最冷月(1月)平均气温-17.7℃，最热月(7月)平均气温18.4℃。年均降水约为350mm，集中在6～8月。蒸发量较大，年均约为1762.7mm，年干燥度达2.15。该地地处西北风沙侵袭京津的要冲地带，四季均有大风，特别是冬春季风大沙多，年均风速为2.99m/s，最大风速达20.4m/s，平均每年6级以上大风日数为50～70d，沙尘暴天气平均14天/年。

　　地带性土壤为典型栗钙土，黏结性差，质地较粗，结构松散，易风蚀。植被类型属半干旱典型草原，由于人口激增，过度开垦和放牧导致草地面积不断减少，农田面积大幅增加，土壤风蚀问题严重。近年来，在国家退耕还林还草政策的引领下，林草地面积逐年增加，生态环境得到明显改善[1]。

　　1.2采样点选择

　　参考研究区土地利用类型图，并通过野外实地调查，在康保县境内选取了31组典型取样点，每组取样点都包含退耕地和与退耕地相邻的农田2种地类。考虑到当地冬春季的主导风向为西北风，在选择取样点时要求退耕地位于农田的西侧或者北侧，以尽量避免农田产生的风蚀物对退耕地土壤性质产生影响。

　　研究区退耕地可分为退耕还林地(12个点)、退耕还灌草地(8个点)和退耕还草地(11个点)3类，其中，退耕还林是上世纪60-80年代三北防护林建设时期所采取的主要生态措施，退耕年限一般在35-55年之间(具体退耕年限可根据树木年轮判断)，文中称之为35年以上退耕地(共12个样点);退耕还灌草和退耕还草是2000年开始的京津风沙源治理工程所采取的主要生态措施，退耕年限一般在15年左右，文中称之为15年左右退耕地(共19个样点)。本研究对两个退耕年限的退耕地土壤理化性质分别进行研究。

　　1.3采样和分析方法

　　于2016年4月春耕播种之前进行取样。在退耕地和农田两种地类上分别设置10×10m的采样区，要求采样区的间距不超过40m。样区内均匀布设10个采样点，采集的样品混合后取2kg作为该样区内的样品。研究区农田耕作层厚度在20～25cm之间，故退耕地和农田的土样采集深度确定为0～20cm。本次共采集土壤样品62个，退耕地和对应的农田各31个。

　　土壤质地使用马尔文激光粒度分析仪(Mastersizer3000)进行分析，根据国际土壤质地分类标准[13]，将土壤分为黏粒(0～2um)、粉砂(2～20um)、砂粒(>20um);有机碳采用硫酸—重铬酸钾氧化法测定，土壤全N采用凯氏定氮法测定，土壤的干团聚体粒度组成采用平筛筛分法[14-15]，把粒径区间分为>2，2～1，1～0.85，0.85～0.5，0.5～0.1，0.1～0.05和<0.05mm。数据分析采用Excel和SPSS19.0软件，图表绘制采用Excel和Origin9.1软件。2结果分析2.1土壤质地变化土壤质地是土壤中不同大小直径的矿物颗粒的组合状况，对土壤性质和肥力有重大影响[16]。

　　分析结果表明，35年以上退耕地的土壤黏粒、粉砂和砂粒含量分别为0.91%、23.73%、75.36%，其相邻农田的土壤黏粒、粉砂和砂粒含量分别为0.74%、21.67%、77.59%，与农田相比，35年以上退耕地减少了22.9%的土壤黏粒流失，减少了9.5%的土壤粉砂流失，砂粒含量降低了2.9%，但未达到显著性水平(P>0.05)。2.2土壤肥力的变化土壤有机质、氮的动态变化是退耕措施实施后土壤效应和生态服务功能研究的重点内容[17]，因此，本研究对退耕地与邻近农田在有机质和氮素含量上的差异进行比较。

　　35年以上退耕地的土壤有机质含量(23.03g/kg)较相邻的农田土壤中有机质含量(17.58g/kg)增加了31%，且在12个样点中有9个样点均符合此趋势;35年以上退耕地的土壤氮素含量(1.49g/kg)较相邻的农田土壤中氮素含量(1.16g/kg)增加了28.4%，且所有样点都呈此趋势变化(图4b)，但未达到显著性水平(P>0.05)。15年左右退耕地的土壤有机质含量平均为17.96g/kg，全氮含量平均为1.16g/kg，均高于相邻的农田土壤中有机质(15.33g/kg)和全氮平均含量(1.06g/kg)，有机质和全氮含量分别增加了17.22%、9.4%，在19个样点中有14个样点均呈此趋势变化，但未达到显著性水平(P>0.05)。不同退耕阶段土壤有机质和氮素含量均表现出退耕地高于农田的趋势，表明退耕能够提高土壤肥力，但由于养分元素主要富集于黏粉粒等细颗粒物中，土壤质地恢复较慢，从而土壤肥力的提高程度有限，与农田差异不显著。

　　3讨论

　　3.1退耕年限对土壤理化性质的影响

　　土壤肥力随退耕年限的增加而增加。35年以上退耕地土壤中黏粒、粉砂含量，有机质和氮素含量均高于15年左右退耕地和农田，砂粒含量则降低，这说明退耕年限越长，土壤理化性质改善越明显。这与前人[19-20]的随着植被恢复时间的增加，土壤质地变细，养分含量逐渐提高等结论一致。15年左右退耕地的土壤性质与农田相比变化不明显，说明农田风蚀沙化后土壤性质的改善是一个漫长的过程。

　　正如Fryrear[21]的研究，风蚀沙化是一个难以逆转的土地退化过程，自然恢复非常缓慢。本研究的结果表明，即使是退耕时间较长的退耕地(如35年以上退耕地)，土壤性质的改善也没有达到显著性水平，更难以恢复到开垦前状态。因此，应尽量减少现有天然草地的开垦，否则难以恢复。

　　4结论

　　坝上地区退耕地由于植被覆盖，对土壤风蚀起到较好的抑制作用。其中35年以上的退耕地减少了22.9%的黏粒和9.5%的粉砂损失，土壤砂粒含量相应减少了2.9%，有机质和全氮含量分别增加了31%、28.4%。而15年左右退耕地的土壤理化性质与农田相比变化不明显。

　　这说明随着退耕年限的增加，退耕还林还草工程在减轻土壤风蚀，防止土壤进一步粗化、沙化，增加土壤肥力等方面的作用力愈加明显。但退耕地与农田土壤理化性质差异未通过显著性检验(P>0.05)，表明土地风蚀沙化是一个难以扭转的过程，退耕对农田土壤的恢复作用是非常缓慢的。因此，当地应鼓励并长期坚持退耕，并对退耕地植被采取合理的保护措施。否则，一旦退耕地被再次开垦或破坏，其风蚀可蚀性甚至会超过现有农田。

　　参考文献

　　[1]高尚玉.京津风沙源治理工程效益[M].北京:科学出版社，2012:79-80.

　　[2]李玉.河北坝上地区农业生态环境问题及对策[J].地理学与国土研究，1999，15(2):90-92.

　　[3]黄选瑞，姚清亮，鲁少波，等.坝上地区实施退耕还林还草面临的问题与对策[J].中国生态农业学报，2001，9(4):53-55.

　　[4]鲍玉海，贺秀斌，杨吉华，等.三种网格的农田防护林防止土壤风蚀的效应研究[J].水土保持学报，2007，21(2):5-8.

　　[5]ParueloJM，BurkeIC，LauenrothWK.Land-useimpactonecosystemfunctioningineasternColorado，USA[J].GlobalChangeBiology，2001，7(6):631-639.

　　[6]WangL，MuY，ZhangQF，etal.Effectsofvegetationrestorationonsoilphysicalpropertiesinthewind–watererosionregionofthenorthernLoessPlateauofChina[J].ArchivesScienceStudy，2012，40(1):7-15.

　　[7]张晓霞，杨宗儒，查同刚，等.晋西黄土区退耕还林22年后林地土壤物理性质的变化[J].生态学报，2017，37(2):416-424.

　　[8]陈文媛，徐学选，华瑞，等.黄土丘陵区林草退耕年限对土壤团聚体特征的影响[J].环境科学学报，2017，37(4):1486-1492.

　　[9]王富，甄宝艳，董智，等.坝上地区退耕还林地土壤水文生态特征[J].中国水土保持科学，2010，8(4):61-66.

　　[10]许明祥，王征，张金，等.黄土丘陵区土壤有机碳固存对退耕还林草的时空响应[J].生态学报，2012，32(17):5405-5415.

　　推荐期刊：《植物生态学报》(月刊)创刊于1955年，是由中国科学院主管、中国科学院植物研究所中国植物学会主办的我国生态学领域创刊最早的专业性学术刊物。主要刊登：植物生态学领域及与本学科有关的创新性原始论文或有新观点的国际植物生态学研究前沿和动态的综述。