關于退耕還草對于土壤水分變化影響的研究
水分、養分是反映土壤質量變化的重要指標，退耕還草對土壤水分、養分的影響各有大量的報道。但依據兩方面研究結果對土壤質量的判斷卻常常相互矛盾。例如，土壤水分方面的研究結果表明，常年生長苜蓿、沙打旺等豆科牧草的土壤，會導致土壤水分干層的形成，惡化土壤環境，不利于土壤質量的維持。土壤養分方面的研究結果卻顯示，豆科牧草會顯著提高土壤肥力，改善土壤理化性質，改善土壤質量。這一矛盾現象表明，目前退耕還草對土壤質量影響的過程和機理尚不清楚。本研究以定位試驗（1984～1998年）為基礎，使用土壤水分監測系統分析了退耕還草條件下土壤水分、養分變化及其二者對土壤質量的相互影響。
1 材料與方法
1.1 研究地點自然概況研究在長武王東溝小流域進行，該流域位于陜甘交界處，東經107°40′30″～107°42′30″，北緯35°12′～35°16′。土地面積8.3 km2,塬、溝、坡各占土地面積的1/3,溝壑密度為2.78 km/km2,塬面海拔1 220 m,流域內從塬面到溝底最大高差為280 m,屬典型的黃土高原溝壑類型區。大陸性季風氣候，年均氣溫9.1℃，≥10℃積溫3 029℃，多年平均降水量584 mm,季節性分布不均，7～9月降水占總量的55%。土壤為粘壤質黑壚土，土壤有機碳含量6.50g/kg、全氮量0. 80 g/kg、pH 8. 4、CaCO3含量10.5%、粘粒含量（<0.002 mm）24%,田間持水量22.4%,凋萎濕度9.0%。
1.2 田間試驗定位試驗起始于1984年9月，布置了10種作物種植方式與7種施肥制度的組合（不完全設計）共36個處理，3次重復，隨機區組排列。小區面積10.3m×6.5 m;小區間距0.5 m,區組間距和周邊寬各1m。本研究選取其中的冬小麥連作和苜蓿（MedicagosativaL.）連作共6個處理（表1）。供試小麥每年于9月撒播，品種、播量、播期及田間管理同當地大田。
苜蓿于1985年撒播，此后一般每年收割2次。氮磷肥分別為尿素和三料磷肥或過磷酸鈣，有機肥（M）為牛糞。小麥處理的全部肥料作基肥于每年9月一次翻入耕作層，苜蓿施肥撒入地表（不耕翻）。
表1 從長武站長期定位試驗選擇的6個典型處理
1.3 采樣與分析利用長期試驗采集的歷年土壤樣品，風干后，研磨過0.25 mm篩孔，用于有機碳（外加熱重鉻酸鉀氧化法和全氮的分析。典型處理定期測定土壤水分（烘干法）。
1.4 氣象數據來源試驗期間年降水量資料來源于國家氣象局長武縣氣象站（距離試驗區最近處僅5 km）。
2 結果與分析
2.1 試驗期間年降水量1984～1998年期間，最高年降水量為811 mm（1988年），最低為327 mm（1995年），年降水量的變異系數為23.8%,平均年降水量562.8 mm,較多年平均值584 mm降低3.6%。
圖1 試驗期間（1984～1998年）年降水量變化
2.2 退耕還草對土壤水分演變的影響試驗期間，1989年、1993年和1998年的年降水量基本接近，這3年土壤水分與試驗前1984年時土壤水分含量差異反映了耕地土壤水分的演變特征。
由圖2可知，因施肥對耕地土壤水分含量變化具有顯著的影響。不施肥小麥連作區， 0～300 cm剖面的土壤水分含量與1984年相比沒有呈現顯著的降低趨勢，并且上下土層分布較一致（圖2）。但在NP或NPM處理的小區，0～80 cm土層水分接近，80～300 cm剖面的土壤水分隨著時間的延長有顯著的降低趨勢，并且在80～200 cm土層這一趨勢最顯著（圖2）。由此表明，在目前施肥條件下休閑季節的降水只能補充0～80 cm土層的作物耗水，而80～300cm土層的水分會因施肥增強了作物對其的耗竭作用。
圖2 小麥連作區0～300 cm土層土壤水分演變
圖3 1984年農田改種苜蓿后0～300 cm土層土壤水分演變
與小麥連作區土壤水分的變化不同，退耕種植苜蓿后土壤水分演變和分布發生顯著改變。在0～300cm土層內，上下土層的含水量接近，并且整個剖面的土壤水分隨著時間延長逐年降低。退耕種植苜蓿14年后（1998年）土壤水分含量即使在雨季后也只有8%左右，而農田土壤水分含量不施肥區雨季后得到恢復，施肥區0～100 cm土層水分含量得到恢復（圖3）。
2.3 退耕還草對土壤有機碳、氮積累的影響無論施肥種植小麥還是退耕種植苜蓿，0～300cm土層中有機碳氮含量的差異主要表現在0～20cm（圖4、圖5）。與試驗開始前（1984年）時的有機碳含量相比，不施肥處理小麥連作土壤有機碳含量基本穩定在6.50 g/kg水平。增施化肥或化肥與有機肥配施土壤有機碳含量逐漸提高，其中施用NP肥條件下，土壤有機碳含量比1984年提高19%;施用NPM肥時，提高64%。
圖4 土壤有機碳（A）、氮（B）在苜蓿地土壤剖面中的分布特征
圖5 土壤有機碳（A）、氮（B）在小麥地土壤剖面中的分布特征
圖6結果顯示，1984年農田改種苜蓿后，隨著時間的延長土壤有機碳、氮的含量逐漸增加，其增加幅度顯著高于同樣施肥處理的小麥連作。與試驗開始前（1984年）時的土壤有機碳含量相比，不施肥處理土壤有機碳含量14年后大約提高23%,比施用NP處理小麥連作土壤還高4%。施用NPM肥條件下，有機碳含量提高幅度達77%,比相應施肥處理的小麥連作處理提高10%。連續種植小麥或由小麥改種苜蓿后土壤全氮的變化與其相應的土壤有機碳相似（圖7）。這些結果表明，退耕種植苜�？娠@著改善土壤有機碳、氮含量。
圖6 退耕還草對土壤有機碳演變的影響（A:不施肥；B:NPM肥）
圖7 退耕還草對土壤全氮演變的影響（A:不施肥；B:NPM肥）
3 討論與結論
本試驗結果表明，在同一個土壤剖面中水分、養分的變化并不一致。水分變化涉及土壤整個剖面，而養分變化主要集中在耕層。在小麥連作時，不施肥小區土壤水分和有機碳氮同時保持相對穩定，這一現象反映了不施肥條件下土壤-小麥系統水分和養分的相對穩定效應。而施肥使得同一植被條件下土壤水分和養分呈現相反的變化趨勢。地表植被由作物改為苜蓿后這種趨勢更顯著。耕層土壤有機碳氮增加幅度越大，整個剖面水分降低幅度就越大。
水分和有機物輸入量是影響土壤有機質周轉的重要因素。在黃土高原溝壑區提高水分的利用率是提高有機物輸入量的基礎，而土壤水分降低會限制土壤微生物活性從而影響有機質的礦化分解。因此，在有限降水條件下，水分有效利用是提高土壤有機物輸入的基礎，水分含量的降低又進一步導致耕層土壤有機物積累的加速。土壤水分利用效率的提高成為影響土壤水分和養分呈現相反變化的重要因素。小麥和苜蓿地土壤有機碳氮積累的差異與此密切相關。例如，春季隨著氣溫回升，小麥和苜蓿地的蒸散逐漸增強，此時雨季尚未到來，耕層水分逐漸降低，到6月底達到一年中最低值。7月當地進入雨季，由于小麥此時已經收獲麥地土壤水分得到一定程度恢復，而苜蓿此時仍處于旺盛的生長時期，苜蓿地的蒸散作用依然強烈，土壤水分恢復低于小麥地，致使苜蓿地的土壤水分在4月～10月微生物活動旺盛時期低于小麥連作地。