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民勤沙区退耕地土壤系统演变规律研究

来源：花匠小妙招时间：2024-12-22 14:51

民勤沙区退耕地土壤系统演变规律研究
Study on the Evolution Law of Soil System of Abandoned Farmland in Minqin Sandy Area

1. 引言

民勤沙区曾经是植被茂密、生态环境良好的天然绿洲 [1]。随着人口数量的增加，生产规模不断扩大，工业、农业等对水资源的需求量增加，民勤沙区内的可用水量急剧减少 [2]，造成土地大面积弃耕撂荒或者弃耕 [3] [4]。如果这部分土地退耕时间过长，就会慢慢沙化或者盐渍化，使土壤质量下降，形成恶性循环 [5]，使民勤沙区的生态环境进一步脆弱，沙尘源逐年增加 [6]。如何保护与合理利用民勤沙区退耕地，改善民勤绿洲生态环境是当前面临的一个难题。

保护与合理利用退耕地，必须在系统研究不同年代退耕地土壤理化特性和生物学特性的基础上，深入了解民勤绿洲退耕地土壤系统变化规律、变化机理及演变过程，才能制定出相应的管理方案与对策。目前，有关荒漠干旱绿洲区退/弃耕地土壤生物学性质、土壤酶的变化规律及其驱动机制方面较系统的研究鲜见报道。为此，我们项目组对民勤沙区退耕地植被演替 [7]、土壤理化特征 [8] [9]、土壤酶 [10] [11] [12]、生物学特征 [13] [14] [15] 及土壤系统动态变化过程 [16] 进行了对比研究，阐明了民勤沙区退耕地土壤系统的动态变化规律、过程，揭示了退地土壤系统变化的驱动因素及其机制，提出了民勤沙区退耕地土壤系统的人工干预恢复技术对策 [17]，为民勤沙区退耕地的保护与合理利用及生态环境的保护、修复和改善提供理论依据。

2. 退耕地植被调查和土壤性质研究方法

2.1. 研究区概况

研究区位于石羊河下游的青土湖(图1)，该区域均为退/弃耕地，当地居民已经搬迁或者移民。地理坐标为39˚01'44''~39˚03'28''N、103˚35'58''~103˚37'54''E，海拔1297~1306 m。年平均风速2.3 m/s；年均温度 7.4 ℃ ，极端最高气温 38.1 ℃ ，极端最低气温−28.8℃，昼夜温差大，年日照时数2832.1 h；月平均蒸发量220 mm；年均降水量110 mm，主要降雨量集中在7~9月，分布不均匀；土壤类型为灰棕漠土。灌木种主要有红砂(Reamuria soongoria)，黑果枸杞(Lycium ruthenicum)等；草本植物有盐生草(Halogeton glomeratus)，骆驼蓬(P. harmala)等。

Figure 1. Location of study area schematic plot

图1. 研究区位置示意图

2.2. 研究内容

(1) 退耕地土壤因子的动态变化规律：在民勤沙区，采用时空替代法，选择不同年限退耕土地为演变序列样地，测定样地土壤水分、容重、粒度、养分、盐分、pH值、微生物、酶活性等指标，分析退耕后土壤各因子随着退耕时间及季节动态变化规律。

(2) 退耕地土壤因子的垂直分布规律：测定不同退耕时间0~10，10~20，20~30和30~40 cm土层中各土壤因子的相关值，分析不同土层土壤因子的积累特征，研究土壤因子的垂直变异分布规律。

(3) 退耕地土壤各因子间的数量关系：通过测定不同退耕时间、不同土层深度土壤因子的含量及值的大小，分析研究各相关因子间的互动效应。

(4) 退耕地土壤演变的驱动因素及其机制：调查不同退耕时间土壤生长植被基础上，结合单位已经积累50多年的气候、植被、风蚀、物候等观测资料，研究土壤系统动态变化的驱动因素及其机制。

2.3. 研究方法

(1) 样地选择及植被调查：2011年冬季，走访实验区没有退耕前居住的农户，并查阅青土湖附近退/弃耕地记录。采用空间替代时间的方法，选择地形差异较小，退耕地比较集中，退耕时间分别为1，2，3，4，5，8，15，24和31 a的9个样地(表1)，每个样地面积为1 hm2 (100 m × 100 m)，在每个100 m × 100 m的样地内以S形方法布设5个土样采集点，用GPS定位，并做好标记。2012年9月下旬，在每个100 m × 100 m样地内采用S形方法布设5个10 m × 10 m的植被调查样方，然后再在每个10 m × 10 m的植被调查样方内设置5个1 m × 1 m 草本调查样方，完成植被调查。

(2) 样品采集：2012年9月下旬，在选定的样地内设5个土样采集点，3次重复，按0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm 、30~40 cm四个层次剖面用环刀取土样，用于土壤含水率及容重测定；将同一样地五个土样取3个重复，每个重2 kg左右，采集过程中将土壤样品充分混合后分成两份，一份装入无菌袋中，并放置于带冰块的泡沫箱内，另一份直接装入无菌袋中，将这两份采集的土壤样品带回实验室，分别用于土壤特性及酶活性等指标的测定。

退耕时间

Age BCFF (a)

经纬度

Latitude and longititude

海拔Altitude/m

群落优势种

Dominant plants population

103˚36'03''E，39˚03'28''N

1304

黎+田旋花+五星蒿(Echinopilon divaricatum)

103˚36'09''E，39˚03'25''N

1303

苦苣菜(Sonchus oleraceus) + 独行菜(Lepidium apetalum) + 骆驼蒿

103˚35'58''E，39˚02'39''N

1297

顶羽菊(Acroptilon repens)+盐生草+骆驼蒿

103˚36'09''E，39˚02'36''N

1305

骆驼蒿+骆驼蓬

103˚36'13''E，39˚02'34''N

1304

黑果枸杞+独行菜+盐生草

103˚36'34''E，39˚02'34''N

1304

黑果枸杞+盐生草+骆驼蓬

103˚37'02''E，39˚01'44''N

1304

黑果枸杞+骆驼蒿+盐生草

103˚37'54''E，39˚02'54''N

1306

黑果枸杞+盐爪爪+红砂

103˚37'02''E，39˚01'45''N

1306

黑果枸杞+盐爪爪

Table 1. The status of sample sites

表1. 选定样地位置及植被状况

(3) 土壤分析测定

土壤物理特性相关因子的测定：土壤含水量、粒径和容重测定采用常规方法 [18] 进行。

土壤化学特性相关因子的测定：土壤有机质的测定采用重铬酸钾氧化外加热法 [19]；土壤全氮采用凯氏蒸馏法 [18]；铵态氮采用靛酚蓝比色法 [18]；硝态氮采用紫外分光光度法 [18]；全磷采用氢氧化钠溶液–钼锑抗比色法 [18]；有效磷采用碳酸氢钠浸提–钼锑抗比色法 [20]；土壤全钾、缓效钾和速效钾采用原子吸收分光光度法 [21]；土壤腐殖质采用滴定法 [22]；土壤水溶性盐总量采用电导法 [23]；土壤pH值采用电位法 [24]。

土壤微生物数量测定 [25]：采用平板表面涂抹法 [25] 对土壤三大类微生物(细菌、放线菌、真菌)数量进行测定并计数，其中细菌选择牛肉膏蛋白胨作为培养基；真菌选择马丁–孟加拉红作为培养基；放线菌选择改良高氏一号作为培养基。

土壤微生物量测定 [26]：采用氯仿熏蒸法，即：样品采用氯仿熏蒸后，以0.5 mol·L−1 K2SO4浸提，用滴定法测土壤微生物碳(MBC)，凯氏法测土壤微生物氮(MBN)，钼锑抗比色法测土壤微生物量磷(MBP)。

土壤酶活性测定 [27]：分别采用靛酚蓝比色法、3,5–二硝基水杨酸比色法、容量法、磷酸苯二钠比色法测定脲酶活性、蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性及磷酸酶活性。

(5) 数据处理：采用SPSS 19.0软件对所测数据统计分析，采用单因素方差分析对同一土层不同退耕年限、同一退耕年限不同土层深度处理进行各因子差异性分析，并用Excel 2010制表。

3. 不同年代退耕地植被、土壤理化特性、生物学特性和土壤酶活性变化规律及其结果分析

3.1. 退耕地植被自然演变特征

在民勤沙区退耕地自然演替过程中，植被物种丰富度和多样性指数呈现先增大，后减小的趋势，而均匀度指数呈现出渐渐增大的趋势 [7]。由表2可知，在研究区共出现28种草本、6种灌木，分属14个属24个种。退耕1~3 a样方内以一年生草本植物为群落优势种，多年生草本和灌木随着退耕年限的增加慢慢出现；退耕3~8 a样方内多年生草本演替成为植物群落优势种；退耕8~24 a样方内灌木植物演替为优势种；退耕24~31 a样方内优势种由黑果枸杞和盐爪爪构成，植被自然演替处于相对稳定阶段。

物种species

物种的重要值The important value of species

1 a

2 a

3 a

4 a

5 a

8 a

15 a

24 a

31 a

田旋花

19.02

8.64

0.00

茴香Foeniculum vulgare

40.73

8.36

0.00

地锦Parthenocisus tricuspidata

3.32

10.99

0.00

蒙古雅葱Scorzonera mongolica

4.05

12.37

0.00

苦苣菜

18.28

4.81

0.00

黎

42.32

0.00

萹蓄 polygonum aviculare

17.65

0.00

打碗花Calystegia hederacea

11.98

0.00

五星蒿

36.58

0.00

虫实Corispermum hyssopifolium

13.97

0.00

苜蓿Medicago sativa

20.66

0.00

独行菜

12.13

3.75

0.00

112.84

96.26

0.00

85.36

0.00

碱蓬Suaeda glauca

10.60

9.97

0.00

1.88

0.00

灰绿藜Chenopodium glaucum

18.74

12.86

0.00

1.94

0.00

顶羽菊Acroptilon repens

19.62

8.97

42.38

0.00

虎尾草Chloris virgata

4.05

7.37

3.22

8.57

0.00

芦苇Phragmites communis

8.44

7.78

10.22

0.00

18.97

0.00

8.78

0.00

画眉草Eragrostis pilosa

5.43

6.33

5.96

0.00

骆驼蒿

140.67

215.25

130.68

96.41

65.39

152.57

134.16

0.00

骆驼蓬

91.19

66.56

28.67

30.01

72.66

139.54

18.43

0.00

盐生草

14.65

7.24

102.39

44.12

46.43

120.02

48.64

0.00

黑果枸杞

42.73

76.51

107.22

114.53

210.40

115.90

168.90

97.70

74.23

白刺Nitraria tangutorum

0.00

90.43

40.17

27.68

11.19

盐爪爪Kalidium foliatum

0.00

60.89

71.95

183.97

192.29

芨芨草Achnatherum splendens

0.00

56.38

134.32

9.46

13.79

0.00

枸杞Lycium chinense

0.00

18.29

45.50

34.77

22.94

0.00

群心菜Cardaria draba

0.00

6.95

0.00

沙生针茅Stipa glareosa

0.00

21.25

0.00

蒙古猪毛菜Salsola ikonnikovii

0.00

柽柳Tamarix gansuensis

0.00

121.30

0.00

铁线莲Clematis florida

0.00

1.78

0.00

黄花矶松Limonium aureum

0.00

4.36

0.00

26.42

0.00

红砂Reaumuria soongoria

0.00

11.94

10.43

14.31

8.98

泡泡刺N. sphaerocarpa

0.00

9.55

8.78

Table 2. The change of vegetation community species composition and important value

表2. 植被群落物种组成和重要值

3.2. 退耕地土壤物理性质变化持征

3.2.1. 土壤含水量变化特征

由表3可知：甘肃沙区不同年限退耕地土壤含水量经历了：降低–升高–降低的一个变化过程，且第8 a土壤含水量达到最大值。随土层深度增加表现出先增后减的变化趋势，除第1 a外，第2 a、3 a、8 a、15 a、24 a及31 a随土层加深含水量升高，但第4 a和5 a随土层深度增加含水量影响不大。

土层Soil layer (cm)

不同年限退耕地含水量Water content of reclaimed farmland in different years (%)

1 a

2 a

3 a

4 a

5 a

8 a

15 a

24 a

31 a

0~10

5.85 ± 0.12b

5.66 ± 0.12b

2.90 ± 0.16d

1.32 ± 0.04e

2.92 ± 0.06ad

7.26 ± 0.05a

3.90 ± 0.29c

1.63 ± 0.02e

3.28 ± 0.24d

10~20

7.75 ± 0.11c

7.45 ± 0.10d

6.51 ± 0.07e

3.65 ± 0.03g

6.53 ± 0.19e

9.61 ± 0.09a

7.23 ± 0.06d

4.92 ± 0.08f

8.09 ± 0.10b

20~30

6.52 ± 0.24c

8.00 ± 0.04b

6.74 ± 0.03c

3.28 ± 0.21e

6.87 ± 0.05c

9.19 ± 0.33a

8.12 ± 0.07b

5.03 ± 0.05d

8.25 ± 0.07b

30~40

10.05 ± 1.84a

9.02 ± 0.06a

6.94 ± 0.06bc

2.97 ± 0.41d

6.37 ± 0.06bc

10.00 ± 0.19a

9.30 ± 0.05a

5.11 ± 0.03c

8.27 ± 0.01ab

Table 3. Soil water content

表3. 土壤含水量

注：不同小写字母表示同列不同年限退耕地差异显著(P < 0.05)，下同。

3.2.2. 退耕地土壤机械组成

由图2可知，退耕地土壤机械组成中各样地占比最大的是细砂粒，达到50%以上，粉粒居中，粗砂粒和粘粒最少，均在10%以下。随退耕年限的增加，各粒径占比发生较大变化，土壤粘粒逐渐减少，粉粒逐渐增加，相对来看0~10 cm土层变化幅度较大。

Figure 2. Spatial variation of soil mechanical composition in 0 - 40 cm soil in different years

图2. 不同年限退耕地0~40 cm土层土壤机械组成空间变化

3.2.3. 容重及孔隙度变化

由表4可知，随退耕年限的延长，样地内土壤容重逐渐减小，土壤孔隙度慢慢增大，渗透能力增强；不同土层深度土壤容重及孔隙度变化没有明显的变化规律。

退耕年限(a)

容重(g/cm3)

孔隙度(%)

0~10 cm

10~20 cm

20~30 cm

30~40 cm

平均

0~10 cm

10~20 cm

20~30 cm

30~40 cm

平均

1.53

1.49

1.47

1.43

1.48

44.36

42.37

43.71

46.08

44.13

1.55

1.53

1.50

1.52

41.58

43.45

42.42

42.73

1.25

1.33

1.58

1.59

1.44

52.96

49.74

40.45

39.87

45.76

1.41

1.48

1.46

1.44

46.94

46.82

44.20

44.84

45.70

1.42

1.44

1.51

1.50

1.47

46.56

45.74

43.03

43.40

44.68

1.17

1.07

1.31

1.29

1.21

55.93

59.71

50.71

51.38

54.43

1.56

1.14

1.34

1.39

1.36

41.32

57.04

49.37

47.48

48.80

1.31

1.44

1.46

1.41

50.75

45.62

45.70

44.81

46.72

1.28

1.43

1.46

1.53

1.42

51.71

45.96

44.95

42.43

46.26

Table 4. Soil bulk density and porosity

表4. 土壤容重和孔隙度

3.3. 退耕地土壤化学性质变化持征

随着退耕年限的增加，pH值增大，盐分含量也增大，表聚现象十分明显(图3)。退耕1~5 a之间，土壤含盐量较小，最小值出现在1 a退耕地，为2.70 g/kg，且0~20 cm和20~40 cm含盐量差异很小；退耕8 a左右样地内土壤盐分含量达到最大值，为35.01 g/kg，表层含量明显高于下层，并且随土层深度增大，盐分含量减少。表层0~20 cm含盐量是20~40 cm的1.3倍。

3.4. 土壤微生物变化

3.4.1. 微生物数量变化

1) 细菌数量变化研究

不同年限退耕地同一土层间细菌数量的变化规律不尽相同(表5)，其中，随退耕年限延长土壤细菌数量在0~10 cm土层呈现下降的趋势；在10~30 cm土层中细菌数量呈上升的趋势，退耕8 a、31 a样地分别达到最大值；在30~40 cm土层中呈现出下降趋势，退耕3 a达到最高值。此外，不同土层间土壤细菌数的也出现明显变化，在退耕1 a、 2 a、3 a、4 a、15 a、24 a土地，土壤细菌数量均随土层的加深而降低；退耕5 a、8 a及31 a土地，土壤细菌数量均随土层的加深而升高。

2) 真菌数量的变化研究

同一年限退耕地不同土层间真菌数量的变化规律不尽相同，土壤表层真菌数量最多，可达4.65 × 103 CFU·g−1，其它土层垂直动态总的趋势为随着土层加深呈下降趋势；同时，土壤真菌数量随土层的变化规律不尽相同，除退耕31 a的土地各土层间土壤真菌数量变化差异显著，其它年限的退耕地各土层间土壤真菌数量变化差异不显著。且除表层外真菌数量随退耕年限延长呈上升趋势(表5)。

微生物种类

土层(cm)

退耕年限(a)

细菌

0~10

23.06a

2.22c

2.68c

7.30b

1.11de

0.45e

1.37d

7.71b

0.45e

10~20

2.85b

1.09d

1.94c

2.08c

3.25b

19.39a

0.29e

1.05d

3.16b

20~30

1.44de

0.91f

1.30e

1.75cd

2.26b

2.08bc

0.26g

7.10a

30~40

0.45cd

0.58bc

1.11a

0.64bc

1.30a

0.71b

0.13e

0.26de

真菌

0~10

0.72de

0.52ef

2.16b

4.65a

0.72de

1.10c

0.91cd

0.45f

10~20

0.45d

0.71cd

0.84c

1.30b

1.24b

0.52d

0.58d

2.29a

0.90c

20~30

0.26d

0.91b

0.71c

0.32d

1.03b

0.32d

0.26d

1.69a

0.45d

30~40

0.13b

0.71a

0.32b

0.13b

0.78a

0.26b

放线菌

0~10

1.04de

0.46f

7.69b

0.59ef

8.37a

1.43d

3.63c

0.97def

10~20

0.65ef

1.09e

2.39cd

3.05b

2.15d

6.33a

0.23f

2.82bc

2.20d

20~30

0.52e

2.60a

0.26f

0.91d

1.42c

0.91d

0.19f

0.91d

2.00b

30~40

0.13e

0.71b

0.20de

0.58bc

1.23a

0.32cde

0.13e

0.45bcd

1.04a

Table 5. Change characteristics of microbial quantity of three types of soil in different years (CFU·g−1)

表5. 不同年限退耕地土壤三大类微生物数量变化特征(CFU·g−1)

3) 放线菌数量的变化

表5可知，放线菌数量的变化规律0~10 cm和10~20 cm土层基本一致，且0~10 cm土层放线菌数量最多，表聚现象明显；20~40 cm土壤放线菌数量变化幅度较小。在退耕2 a、3 a、5 a及31 a的土样中亚表层放线菌数量高于表层；在1 a、4 a、8 a、15 a及24 a的土地土壤放线菌数量均随土层的加深而降低。其总的趋势为随着土层加深呈下降趋势，与真菌的变化规律一致。随退耕年限的延长土壤放线菌数量总的趋势呈现出逐渐上升，再缓慢下降，且四层土壤中放线菌数量分别在退耕8 a、8 a、2 a及5 a达到最大值。

通过方差分析可知，土壤微生物数量与退耕年限之间无显著影响，而与土层深度有极显著的影响(P < 0.01)，表层高于深层，特别是退耕1 a样方中表层土壤三大微生物数量分别为最下层土壤中的51、5.6及8.1倍。

3.4.2. 土壤微生物生物量变化研究

1) 土壤微生物碳(MBC)的变化研究

由图4可以看出：同一退耕年限，土壤微生物量碳含量随土层加深而降低，在0~30 cm土层中1~5 a呈下降的趋势，8 a~31 a呈上升趋势，各土层最大值分别为979.13 mg·kg−1、610.00 mg·kg−1、480.22 mg·kg−1，出现在退耕8 a、31 a、31 a的样方中；在30~40 cm土层中退耕1 a土壤微生物量碳含量达到最大值327.74 mg·kg−1，随退耕年限的延长其值逐渐减少。不同年限退耕地不同土层，土壤微生物量碳总体表现为：随着退耕年限的增加呈波动性上升的趋势，各土层土壤微生物碳含量分别在退耕8 a、24 a达到最大值，且表聚现象明显。

Figure 4. Spatial variation characteristics of soil microbial biomass in different years of cultivated land

图4. 不同年限退耕地土壤微生物量空间变异特征

2) 土壤微生物氮(MBN)的变化研究

同一退耕年限不同土层土壤微生物量氮呈先下降后上升的趋势，变化范围在61.39~215.50 mg·kg−1 (图4)；在4~8 a的土壤中除表层外，其它土层随退耕年限的延长，也呈现先下降后上升的趋势，变化范围在30.70~215.50 mg·kg−1之间；8~31 a的土地，随退耕年限的增长，表层土壤微生物量氮呈先上升，后下降的趋势，其它土层则相反，表聚现象十分明显。随退耕年限的增加土壤微生物量氮表现为先上升，在第4 a达到最高值，分别为215.50 mg·kg−1、184.49 mg·kg−1、169.00 mg·kg−1及138.23 mg·kg−1，然后开始下降最后趋于稳定。

3) 土壤微生物量磷(MBP)的变化研究

不同年限退耕地土壤微生物量磷表现为：0~10 cm土层，随退耕年限的增加先上升，退耕第4 a其含量达到最大值为168.35 mg·kg−1，然后慢慢下降(从4 a到31 a)；其它土层表现为随退耕年限的增加先下降，再上升，最后再下降的趋势，总之同一退耕年限随着土层的加深，土壤微生物量磷逐渐减小，其变化趋势与微生物量C、N相似，表聚现象明显(图4)。同时，其时间特征变化为：在退耕较短的年限(1~8 a)微生物量磷随退耕年限增加，呈现有规律的变化趋势，退耕8 a以后微生物量P随退耕年限的增加基本呈下降的趋势。最大值出现在第4 a，最大值为168.35 mg·kg−1，最小值出现在第2 a，最小值为45.72 mg·kg−1。

随土层深度的加深微生物生物量逐渐减小，经方差分析可知，微生物生物量与土层之间存在极显著的差异(P < 0.01)。微生物生物量氮与退耕年限有显著性差异(P < 0.05)，而土壤微生物量碳与微生物量磷与退耕年限影响不大。

3.5. 退耕地土壤酶活性变化特征

3.5.1. 不同年限退耕地过氧化氢酶活性特征

由表6可知，不同年限退耕地过氧化氢酶空间变化特征为：随着土层的加深酶活性逐渐下降，并且表层过氧化氢酶活性在4层该酶活性中占较大的比例。0~10 cm，10~20 cm，20~30 cm，30~40 cm土层之间过氧化氢酶活性基本达到显著水平(P < 0.05)，退耕年限中除1 a，3 a与5 a外，0~10 cm土层中过氧化氢酶活性与10~20 cm，20~30 cm，30~40 cm土层的差异均达到极显著水平(P < 0.01)。而且表层酶活性显著高于其它土层。同时，其时间变化特征为：退耕4 a时过氧化氢酶显著减小；第5 a时，达到最大值；第5 a后变化规律呈逐渐减小的趋势，但在退耕24 a后又出现增大的趋势。总体来看，随着退耕地恢复年限的增加，过氧化氢酶活性没有明显的变化规律，特别是表层土壤过氧化氢酶活性相对稳定。

土层(cm)

退耕年限(a)

0~10

0.94dC

0.95cC

0.90dC

0.76dD

0.97dC

0.93dD

0.90cC

0.80dD

0.94dC

10~20

0.91cC

0.82bB

0.80bB

0.69cC

0.93cC

0.81cC

0.66bB

0.77cC

0.83cB

20~30

0.82bB

0.80aA

0.84cB

0.65bB

0.82bB

0.69B

0.64bB

0.75bB

0.78bB

30~40

0.71aA

0.70aA

0.68aA

0.48aA

0.70aA

0.58aA

0.46aA

0.34aA

0.44aA

Table 6. Distribution of catalase in different soil layers in different years [mL/(g.20 min)]

表6. 不同土层不同年限退耕地土壤过氧化氢酶分布[mL/(g.20 min)]

注：同列不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)，不同大写字母表示差异极显著(P < 0.01)；下同。

3.5.2. 不同年限退耕地蔗糖酶活性特征

不同年限退耕地蔗糖酶呈现出了明显的空时变化(表7)，其空间变化特征为：表层蔗糖酶活性显著高于30~40 cm土层，除退耕2 a的20~40 cm、退耕3 a的10~30 cm土层外，蔗糖酶活性随着土层深度的增加逐渐减小，各土层间存在显著差异；随着退耕年限的增加酶活性呈现出先增大、再逐渐减小的趋势。随着退耕年限的增加，当退耕4 a时，蔗糖酶活性达到同一层的最大值[21.80，20.84，17.399和10.06 mg/(g.d)]，然后随着退耕年限的增加活性逐渐减小；退耕15 a时，表层酶活性增大，深层蔗糖酶活性减小，20~30 cm、30~40 cm土层分别降低到最小值2.06和1.69 mg/(g.d)。

土层(cm)

退耕年限(a)

0~10

8.2340dD

14.34cC

12.89cC

21.80dC

12.22dC

15.02dD

9.71dC

12.67dC

17.39cC

10~20

6.6492cC

12.12bB

9.94bB

20.84cC

9.99cC

12.75cC

6.57cB

7.00cBC

7.639bB

20~30

4.7671bB

5.96aA

9.39bB

17.38bB

6.43bB

8.76bB

5.78bB

4.79bB

2.067aA

30~40

2.9459aA

4.95aA

6.86aA

10.06aA

3.961aA

5.65aA

4.64aA

2.71aA

1.68aA

Table 7. Distribution of sucrase in different soil layers in different years [mg/(g.d)]

表7. 不同土层不同年限退耕地土壤蔗糖酶的分布[mg/(g.d)]

3.5.3. 不同年限退耕地脲酶活性特征

退耕地土壤脲酶活性随退耕年限延长和土层加深变化而变化。由表8可以看出，在0~40 cm土层中，表层土壤脲酶活性总体高于其它土层；除退耕1 a和4 a外，其余各土层间酶活性均达到显著差异水平(P < 0.05)，特别是退耕24 a的样方中相差较大，各层间存在极显著差异(P < 0.01)。同时，脲酶活性表现出随着退耕时间的增加其酶活性慢慢降低，退耕15 a左右趋于相对平稳状态。

土层(cm)

退耕年限(a)

0~10

0.60bB

0.63cC

0.54cC

0.57aA

0.53bB

0.52bB

0.45cC

0.48dD

0.23bA

10~20

0.61bB

0.61bBC

0.43bB

0.56aA

0.42bAB

0.51bB

0.36bB

0.27cC

0.13aA

20~30

0.55bB

0.56aAB

0.26aA

0.53aA

0.41bAB

0.43aA

0.16aA

0.19bB

0.12aA

30~40

0.43aA

0.51aA

0.20aA

0.53aA

0.34aA

0.41aA

0.13aA

0.24bA

Table 8. Distribution of urease in different soil layers in different years [mg/(g.d)]

表8. 不同土层不同年限退耕地土壤脲酶分布[mg/(g.d)]

3.5.4. 不同年限退耕地磷酸酶活性特征

退耕年限和土层深度对土壤磷酸酶活性产生了显著影响(表9)。在空间分布中表现出随着土层深度的增加土壤酶活性逐渐减小，表层磷酸酶活性显著高于其它各层，在4层总酶中占比分别为39%，37%，32%，35%，38%，38%，30%，35%，30%，特别是退耕初期(1~5 a)表层酶活性与其它各层间都存在极显著的差异。随着退耕年限的增加，土壤磷酸酶活性逐渐增加，退耕4 a时达到最大值3.60 mg/(g.d)，然后又逐渐减小，当退耕15 a左右慢慢趋于平稳，土壤磷酸酶活性与最大值相差范围在2.03~3.19 mg/(g.d)。

土层(cm)

退耕年限(a)

0~10

2.55dC

2.88cC

2.01dC

3.60dD

2.17cC

3.36dC

1.58bB

0.85bA

1.24bB

10~20

1.74cB

2.10bB

1.80cB

2.68cC

1.33bB

2.33cBC

1.40abAB

0.68abA

1.09bB

20~30

1.24bA

1.47aA

1.36bA

2.26bB

1.18bcAB

1.86bB

1.18aA

0.49aA

1.06bB

30~40

0.93aA

1.22aA

1.08aA

1.70aA

0.97aA

1.29aA

1.09aA

0.41aA

0.79aA

Table 9. Distribution of soil phosphatase in different soil layers in different years [mg/(g.d)]

表9. 不同土层不同年限退耕地土壤磷酸酶分布[mg/(g.d)]

为了进一步了解不同年限退耕地0~40 cm土层中土壤酶活性变化，将0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm土层中各酶活性分别被进行了加权平均(表10)，结果显示，随着退耕年限的增加，土壤酶活性的变化各有差异。过氧化氢酶活性与蔗糖酶活性总体表现大致相似，随着退耕年限的延长逐渐增大，分别于退耕第2 a、4 a时加权平均值达到最大值1.03 mL/(g.20 min)、16.51 mg/(g.d)，然后逐渐减小。脲酶活性总体表现为随着退耕年限的延长逐渐减小，退耕15 a左右加权平均值的最小值0.12 mg/(g.d)出现，然后脲酶活性趋于稳定。随着退耕年限的延长，磷酸酶活性逐渐下降，退耕3 a时加权平均值的最小值1.42 mg/(g.d)出现，然后渐渐增大，退耕5~8 a时加权平均值最大值3.17 mg/(g.d)出现，最后慢慢减小，磷酸酶活性趋于稳定。总之，各参试土壤酶活性都随土层深度增加逐渐减小，表层土壤酶活性占比较大。研究参试酶的活性，总的趋势是随着退耕地恢复年限的增加，呈波动式下降。

土壤酶

退耕年限(a)

过氧化氢酶[mL/(g.20 min)]

0.97

1.03

0.94

1.02

0.98

1.01

0.99

0.97

脲酶[mg/(g.d)]

0.43

0.44

0.35

0.44

0.42

0.21

0.12

0.21

0.19

蔗糖酶[mg/(g.d)]

8.61

9.02

12.23

16.51

9.14

12.06

16.03

10.48

9.81

磷酸酶[mg/(g.d)］

2.93

2.51

1.42

2.66

3.17

2.39

2.72

2.42

Table 10. Value of soil enzyme activity

表10. 土壤酶活性值

注：表中数值为0~10 cm，10~20 cm，20~30 cm和30~40 cm各土壤酶活性的加权平均值。

3.6. 退耕地土壤系统演变特性

为了更加清楚地认识民勤绿洲退耕地土壤系统演变特性，对测定的土壤理化性质、微生物特性及土壤酶活性等33个土壤因子，退耕31 a左右27个样地4个土层进行聚类分析(图5)。以距离系数阈值10作为分类标准，试验样地可分为二大类：退耕1~8 a左右的次生草地为第一类；退耕15~31 a组成第二类。从聚类分析的这一结果可以看出，退耕地土壤系统演变过程中，退耕1~5 a的土壤特性十分相近，退耕8 a的样地与退耕1~5 a的土壤特性有虽有差别，但不大，可以归为一类；退耕15 a后，土壤特性与前8 a的土壤产生了较大差别，可能发生了质的变化，所以退耕15~31 a的土壤归为另一类。可见，在民勤绿洲退耕地演变过程中，5 a、8 a及15 a左右分别是三个关键时期。

注：图中纵坐标1、2、3……9分别表示退耕1 a、2 a、3 a、4 a、5 a、8 a、15 a、24 a、31 a

Figure 5. Clustering genealogy of cultivated land abandoned in different years

图5. 不同年限退耕地聚类谱系图

从以上分析可知，退耕地土壤物理、化学及微生物学特性的变化主要是由于土壤中的水、肥因素造成的，该地区干旱少雨、土壤非常瘠薄，退耕初期，由于之前农业生产中施入的水、肥尚有残余，因此退耕地土壤性质呈正向发展，但随着退耕年限的延长，残存水、肥逐渐耗减，土壤微生物数量相对较少，植物残体分解缓慢，因而水、肥下降，土壤性质开始呈负向发展。民勤沙区农田退耕后，第5年时，出现了物种丰富度与多样性指数明显下降，土壤养分流失、盐渍化程度变高，机械组成粗化、微生物数量与微生物量减少、酶活性减弱、抗干扰能力减少等诸多问题。因此，在退耕后5年时是个关键时期，应该采用生态与经济的双赢式人工干预，使退耕地土壤系统得到较好的演变。

4. 成果推广应用

本研究坚持“边研究、边示范、边推广”。2012~2018年，先后在民勤湖区退耕地推广应用，对退耕4~5 a的土地进行了人工干预，防止退耕区土地的沙化与盐渍化，种植了节水植物及牧草，并建成濒危动物放养场试验示范区，为退耕区土地的修复及保护起到了科技支撑的作用，使退耕区的生态环境明显改善，取得了良好的效果。

5. 展望

针对石羊河流域中下游不同年限退耕地土壤系统演变特征我们已做了较系统的研究 [28] - [36]，认为土壤粘粒、含水量、pH值、全钾、速效钾、速效磷、硝态氮、Cl−、有机质、微生物生物量磷、脲酶、蔗糖酶等因素是退耕区民勤沙区土壤系统演变的主要驱动因子；其次有效钾、硝态氮、有效磷、钾离子、氯离子、全盐量、微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物数量、碳酸氢根离子、全氮及电导率等因子也与土壤系统演变有显著的相关性；退耕区民勤沙区土壤系统演变过程中，5 a、8 a及15 a左右分别是三个关键时期；在民勤退耕区民勤沙区保护过程中，从退耕第5 a左右就要引起高度重视，进行人工有效干预，否则到第8 a左右就难以修复，到第15 a以后，土壤质量发生了质的变化，进一步加大了修复及保护难度，修复相当困难。

基金项目

国家自然科学基金资助项目(31760709，41801102，31860175，31560128)；甘肃省青年科技基金项目(18JR3RA019)。

NOTES

*第一作者。

#通讯作者。