宁夏南华山草地造林对土壤质量的影响

Effect of grassland afforestation on soil quality in Nanhua Mountain， Ningxia

摘要

为探究山地草地造林的生态效益，明确造林年限对土壤质量的影响，以宁夏南华山自然保护区的不同年限青海云杉人工林（10，20，30 a造林）和天然草地为研究对象，调查了不同年限造林地0~40 cm土层中土壤理化性质以及土壤酶指标，并基于最小数据集（MDS）和土壤质量指数（SQI）对不同年限造林地的土壤质量进行综合评价。结果表明，造林地的土壤综合质量均高于天然草地，并随着造林年限的增加而显著提升；人工林地的土壤pH、氨态氮质量分数、碱性磷酸酶、碱性蛋白酶、过氧化氢酶、β-1，4-葡萄糖苷酶和蔗糖酶活性均高于天然草地；20 a造林地的全氮质量分数和土壤体积含水量最高，而10 a造林地的硝态氮质量分数最高；天然草地中脲酶的活性显著高于所有造林地。本研究为山地草地造林的生态效益提供了科学依据，表明造林活动能够有效改善土壤质量，促进生态系统功能的恢复和提升。

Abstract

To investigate the ecological benefits of afforestation in mountainous grasslands and to clarify the impact of afforestation age on soil quality， this study examined the physicochemical properties and enzyme activities of the 0~40 cm soil layer in Qinghai spruce （Picea crassifolia） plantations of varying ages （10， 20， and 30 years） and natural grassland within the Nanhua Mountain National Nature Reserve， Ningxia， China. It employed a minimum data set （MDS） and a soil quality index （SQI） to conduct a comprehensive evaluation of soil quality across different plantation ages. The results show that the overall soil quality in afforested areas is superior to that of natural grasslands and improves significantly with longer afforestation periods. Notably， soil pH， ammonia nitrogen content， alkaline phosphatase， alkaline protease， hydrogen peroxide， β-1， 4-glucosinase， and sucras activities were higher in afforested areas compared to natural grasslands. Specifically， the 20-year afforestation site exhibited the highest total nitrogen and soil moisture content， while the 10-year site recorded the highest nitrate nitrogen content. Conversely， urease activity was significantly greater in natural grasslands than in all afforested sites. This study provides scientific evidence supporting the ecological benefits of grassland afforestation in mountainous regions， demonstrating that afforestation can effectively enhance soil quality and facilitate the recovery and improvement of ecosystem functions.

关键词

草地造林 / 土壤质量 / 评价体系 / 造林年限 / 南华山

Key words

grassland afforestation / soil quality / evaluation system / afforestation age / Nanhua Mountain

草地生态系统作为陆地生态系统中面积最为广袤的类型^[1]，同时也是地球重要的碳储库之一^[2]，在物质循环（如氮、磷等元素）、水分循环，以及维持全球及区域性生态平衡方面发挥着至关重要的作用^[3]。然而，气候变化和人类活动（如开垦和过度放牧）的干扰，已经导致草地生态系统的土壤特性发生显著变化^[4]，物种数量急剧下降，生物多样性受到严重威胁^[5]，人类因此面临着一系列严峻的生态环境挑战。据统计，全国范围内因过度放牧导致的土壤退化面积占总退化面积的比例高达34.5%，而因农业活动引发的土壤退化面积占总退化面积的比例也达到了28.2%。在2.27 亿hm²可利用的草原牧区中，盐渍化、退化和沙化土壤总面积占比达到1/3^[6]。张扬建等^[7]研究进一步揭示，每年因荒漠化而退化的草场面积约为4万hm²，相当于内蒙古自治区总面积的3.6%。

为了提升生态环境质量和生物多样性，草地向林地的转化已成为一种被广泛采用的土地利用策略^[8]。许多研究认为，草地造林能够在一定程度上改善土壤的理化性质^[9]，并提高土壤酶活性及养分含量^[10-11]。例如，郑永林等^[12]的研究表明，种植国槐和油松可以显著提升土壤的理化性质；刘云震等^[13]对科尔沁沙地的研究发现，在造林初期，樟子松人工林的土壤碳、氮、磷质量分数及酶活性等指标均有所下降，但随着林龄的增长，这些指标逐渐恢复，表明造林在长期过程中对土壤化学和生物学性状具有积极影响。

然而，也有研究持相反观点，认为草地造林可能对土壤环境产生不利影响，如导致土壤容重增加、持水能力减弱、通气性变差^[14]、碳储量降低^[15]、肥力下降^[16]、微生物生物量减少，以及土壤生态服务功能降低^[17]。胡亚林等^[18]对半干旱区沙质退化草地的研究发现，经过32 a的樟子松造林后，土壤碳、氮、磷质量分数、脲酶和蔗糖酶活性均显著降低，这表明造林可能加速生态系统的退化而非改善。

综上所述，关于干旱和半干旱地区退化草地是否适合通过造林来加以改善，这一问题仍然存在争议。而且，目前的研究大多仅从单一维度或指标分析造林对土壤质量的影响，造林对土壤环境整体效应的研究仍然缺乏。因此，迫切需要综合考虑多个关键指标，采用多维度的综合评价方法，为科学决策提供更可靠的理论支持。

南华山位于宁夏南部山区的海原县，地处中温带半干旱大陆性气候区，其气候特征表现为冬季寒冷、夏季凉爽、昼夜温差大、降水稀少且多云雾^[19]。由于自然环境的脆弱性和人类活动的过度干扰，该地区的草地生态环境较为脆弱。20世纪90年代，为了改善当地生态环境，地方政府开始在南华山实施人工造林工程^[20]。这些造林措施在改善土壤质量的同时，也可能对林下植物群落的特征产生影响。然而，目前尚未有研究对南华山地区造林后的土壤质量进行全面评估。因此，本研究以海原县南华山天然草地为对照，分析不同造林年限的青海云杉人工林对土壤质量的影响，以期为南华山植被恢复、生态重建，以及生态资源的合理利用提供科学指导。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

南华山自然保护区位于宁夏海原县城南部约7.5 km处，是六盘山余脉，地理坐标为东经105°30′30″—105°44′11″，北纬36°20′06″—36°32′30″。保护区呈西北—东南走向，长约35 km，宽约25 km，总面积约为28 000 hm²。主峰马万山海拔2 955 m，保护区平均海拔高度约为2 600 m。该地区的气候特征为气温较低、年温差和日温差较大、降雨量较大、蒸发量小、相对湿度较高^[21]；地表土壤肥沃^[20，22]。

1.2 样地设置及土样采集

本研究选取种植年限为10，20，30 a的青海云杉人工林为研究对象，并以天然草地为对照进行实验。每个不同造林年限的林地和天然草地均设置3 个20 m×20 m的大样方，共计12 个样方。在每个大样方内，进一步设置3个1 m×1 m的草本植物样方。调查并记录样地的经纬度、海拔、树高、胸径、株行距、郁闭度、坡度和坡向等基本信息，具体见表1。

土壤取样采用直径为5 cm的土钻，在每个样方内按照三点取样法对0~40 cm的土层进行取样，并将采集的样品混合均匀。将采集的土壤样品去除植物残根等杂物后，密封带回实验室，并均分为两份：一份用于测定土壤的理化性质指标，另一份用于测定土壤酶活性指标。

1.3 土壤理化性质测定方法

pH采用酸度计法测定；含水率（水的体积分数）采用烘干法测定；容重采用环刀法测定；有机质采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定；全氮采用全自动凯氏定氮仪测定；速效磷采用碳酸氢钠提取法测定；硝态氮采用双波长比色法测定；氨态氮采用靛酚蓝比色法测定；有机碳采用重铬酸钾外加热法测定。以上指标的测定方法均参照《土壤农化分析》^[23]进行。净氮矿化速率采用室内有氧培养法测定^[24]。

1.4 土壤酶活性测定方法

β-1，4-葡萄糖苷酶活性采用对-硝基苯-β-D-吡喃葡萄糖苷比色法测定；碱性蛋白酶活性采用磷钼酸比色法测定；碱性磷酸酶活性采用2，6-二溴苯醌氯亚胺比色法测定；过氧化氢酶活性采用过氧化氢比色法测定；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定^[25]。

1.5 土壤质量评价体系的构建

1.5.1 土壤质量评价最小数据集的建立

土壤质量评价最小数据集（MDS）的建立公式^[26-30]如下：

N_{ik}=\sqrt[]{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^k}\left({\mu }_{ik}^{\mathrm{2}}\cdot {\lambda }_k\right)}。（1）

式中：N_{ik}为第i个指标在特征值≥1的前k个主成分上的综合载荷；{\mu }_{ik}为第i个指标在第k个主成分上的载荷；{\lambda }_k为第k个主成分的特征值。

1.5.2 土壤质量评价体系的建立

MDS各主成分的得分y_i的计算公式为：

y_i=u_i\times f\left(x_i\right)。（2）

式中：u_i 为各主成分的特征向量；f\left(x_i\right)为MDS中各指标的隶属度。

MDS各主成分标准化的权重w_{N_i}计算公式为：

w_{N_i}=w_i/{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{w}_i。（3）

式中：n为主成分的个数；w_i 为第i项土壤指标的权重。

土壤质量指数（soil quality index，SQI）的计算公式为：

\mathrm{S}\mathrm{Q}\mathrm{I}={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{y}_i\cdot w_{N_i}。（4）

式中：y_i为各主成分的得分；w_{N_i}为各主成分标准化的权重。

1.6 数据分析方法

数据分析采用SPSS 22.0软件。利用单因素方差分析（one-way ANOVA）对数据进行分析，并通过Duncan多重比较法进行组间差异检验，显著性水平设为P<0.05。利用SPSS 22.0软件对土壤质量相关指标进行主成分分析（PCA），并采用Pearson双变量相关性分析，显著水平分别设定为P<0.01和P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同年限草地造林地的土壤理化特征

不同年限草地造林地的土壤理化性质见表2。可知，不同样地的土壤容重差异不具有统计学意义（P>0.05）。然而，土壤体积含水量在不同样地差异具有统计学意义（P<0.05）。其中，20 a造林地的土壤体积含水量最高，而10 a造林地最低。土壤pH在6.83~8.56，10 a和20 a造林地pH最高，天然草地的pH最低。土壤全氮质量分数在3.59~4.24 g·kg^-1，天然草地和20 a造林地的全氮质量分数最高，而30 a造林地最低。硝态氮质量分数在5.33~8.53 mg·kg^-1，10 a造林地的硝态氮质量分数最高；氨态氮质量分数在1.62~4.36 mg·kg^-1，天然草地的氨态氮质量分数显著低于其他造林地。有效磷质量分数、有机碳质量分数、有机质质量分数和净氮矿化速率在不同样地间差异不具有统计学意义（P>0.05）。

2.2 不同年限草地造林地的土壤酶活性特征

不同年限草地造林地的土壤酶活性特征如表3所示。南华山不同样地土壤酶活性表现出明显的差异。过氧化氢酶活性由高到低的样地依次为10、30、20 a造林地，天然草地，酶活性均值范围为20.97~43.97 U·g^-1。蔗糖酶活性由高到低的样地依次为10、20、30 a造林地，天然草地，酶活性均值范围为7.95~18.80 U·g^-1。碱性磷酸酶活性由高到低的样地依次为10、20、30 a造林地，天然草地，酶活性均值范围为5.48~65.82 U·g^-1。对于脲酶活性，天然草地显著高于造林地（P<0.05），酶活性均值范围为1 038.20~5 566.98 U·g^-1。对于β-1，4-葡萄糖苷酶活性，造林地普遍高于天然草地，酶活性均值范围为13.00~25.66 U·g^-1。碱性蛋白酶活性由高到低的样地依次为10、20、30 a造林地，天然草地，酶活性均值范围为1.60~2.19 U·g^-1。

2.3 不同年限造林地土壤质量的评价

2.3.1 不同年限造林地土壤质量评价MDS的筛选

根据Pearson双变量相关性分析，对不同年限造林地的15个土壤性质指标进行分析，共得到98对相关系数（表4）。其中，15对相关性系数达到极显著水平（P<0.01），6对达到显著水平（P<0.05），总计21对显著相关。

为进一步降低冗余程度，采用PCA进行筛选，结果见表5。有8 个变量（GLU、IA、TN、AN、pH、MC、AP、N_min）对公因子的贡献率在60%~90%，有7 个变量（ALPT、CAT、ALP、UE、AN、SOM、SOC）的贡献率超过90%。特征值λ>1的主成分共有5 个，其累积方差贡献率达到84.86%。

根据主成分分配原则，将各主成分的载荷调整至小于0.50之后，将剩余指标分配至与各成分载荷最大值相关性较低的组别。最终，第一主成分包含ALPT、pH、UE、NN、ALP、GLU和CAT；第二主成分包含MC；第三主成分包含N_min、SOM和SOC；第四主成分包含TN和IA；第五主成分包含AN和AP。

进一步，根据MDS的归一化值（Norm）筛选原则，从主成分分析筛选出的关键指标中，最终确定CAT、MC、N_min、TN和AP作为最小数据集指标。这些指标在综合反映土壤质量方面具有代表性，且能有效简化数据集，便于后续分析和应用。

2.3.2 不同年限造林地的土壤质量指数（SQI）

在计算MDS的5个指标的相关性时，发现各指标之间的相关系数均低于0.5，表明这些指标之间不存在显著的多重共线性。因此，可以进行SQI的计算。MDS指标的PCA结果显示（表6），主成分1和主成分2的累计方差贡献率为69.33%，其中，主成分1和主成分2在评价体系中的权重分别为0.58和0.24。

基于MDS指标权重和隶属度函数值，对不同年限造林地的土壤质量进行综合评价，结果见表7。评价结果表明：在0~40 cm土层，不同年限造林地的SQI最大值出现在30 a造林地中（0.83），而最小值出现在天然草地中（0.24）。此外，随着造林年限的增加，SQI逐渐呈上升的趋势。这说明，随着人工林生长年限的延长，其林下土壤综合质量逐渐提高，即长期造林对土壤质量的改善具有显著的积极影响。

3 结论与讨论

3.1 结论

造林年限对山地草地土壤质量的影响均显著，具体结论如下：

1）不同年限造林地的土壤体积含水量随着造林年限的增加而增加，其pH高于天然草地，全氮和速效磷质量分数则低于天然草地，而硝态氮、氨态氮、有机碳和有机质质量分数整体高于天然草地，净氮矿化速率不同样地间差异不具有统计学意义。

2）不同年限造林地的土壤脲酶活性低于天然草地，而过氧化氢酶、碱性磷酸酶、碱性蛋白酶、蔗糖酶和β-1，4-葡萄糖苷酶活性高于天然草地。

3）不同年限造林地的土壤质量高于天然草地，且随着造林年限的增加而显著提高。

3.2 讨论

3.2.1 不同年限草地造林地的土壤理化特征

土壤理化性质是衡量土壤肥力和土壤质量的重要指标^[31]。本研究发现，20、30 a造林地的土壤体积含水量高于天然草地，而10 a造林地的土壤体积含水量低于天然草地。土壤体积含水量受植被、地形特征、土壤质地，以及土地的利用方式等多种因素的综合影响。植被类型的改变会导致树木蒸腾速率、树冠截流和地表径流等过程发生变化^[32]。10 a造林地土壤体积含水量较低，可能是因为造林初期的整地措施破坏了土壤的原有结构，导致土壤对水分的保持能力下降，且青海云杉生长初期的郁闭度较低，蒸腾作用较强，进一步降低了土壤体积含水量^[7]。相比之下，20、30 a造林地的土壤扰动已经相对稳定，植物根系发达，具有良好的固土保湿作用^[33]，且青海云杉郁闭度较高，蒸腾作用较弱^[34]。

不同年限造林地的土壤pH均高于天然草地，且差异具有统计学意义。这可能是因为青海云杉偏好中性土壤，造林后土壤性质发生改变，导致土壤从酸性向中性转化。天然草地中全氮和速效磷质量分数普遍高于造林地，这一结果与Groenendijk等^[35]的研究一致。此外，Zhao等^[36]也发现，在半干旱区沙地造林后，土壤速效磷质量分数低于造林前。然而，本研究发现，草地的土壤硝态氮、氨态氮、有机碳和有机质质量分数总体低于造林地，且不同造林年限间也存在差异，但净氮矿化速率总体差异不显著。这与邵水仙等^[37]的研究结果一致，即造林后土壤有机质和有机碳高于造林前。然而，这与胡亚林等^[18]的研究不一致，他们发现半干旱区沙质退化草地造林后，土壤氨态氮质量分数高于草地，而硝态氮质量分数低于草地，且净氮矿化速率在草地和造林后差异不具有统计学意义。这种差异可能来源于不同土壤利用方式和不同植被覆盖类型。这些因素导致植物对无机氮的吸收和转化率不同，进而使得本研究中的土壤无机氮的质量分数和存在形式与文献[38—39]存在差异。

3.2.2 不同年限造林地土壤酶活性分布特征

土壤酶是土壤生态系统的重要组成部分，通过测定特定土壤酶的活性，可以有效评估土壤中营养物质的转化情况和土壤肥力状况^[40]，进而预测和指示土壤生态系统的功能变化^[17]。本研究发现，除脲酶外，其余5种土壤酶（过氧化氢酶、碱性磷酸酶、碱性蛋白酶、蔗糖酶和β-1，4-葡萄糖苷酶）在造林后土壤中的活性普遍高于天然草地，这与舒媛媛等^[16]的研究结果类似。脲酶在土壤氮循环中起着关键作用，能够将有机氮转化为无机氮^[41-42]。这一结果表明，造林后氮元素的循环和转化显著加快，有机氮向无机氮的转化比例增加，从而提高了植物对氮素的吸收和利用效率。

碱性磷酸酶能够加速有机磷向无机磷的转化，影响土壤中磷元素的循环方向与强度；过氧化氢酶通过分解氧化氢促进土壤中的氧化还原反应，进而提高土壤肥力^[27]。β-1，4-葡萄糖苷酶与天然有机质密切相关，参与土壤中不稳定有机碳的分解，是土壤碳循环的重要水解酶^[41，43]。碱性蛋白酶和蔗糖酶在土壤中发挥着关键作用，它们不仅促进氮素转化和有机质的矿化，还能更灵敏地反映环境变化，为碳氮循环提供重要的支撑^[42，44-46]。

3.2.3 不同年限造林地土壤质量评价

本研究中，样地按SQI由大到小排序为30、20、10 a造林地，天然草地，表明造林年限越长，森林对土壤质量的提升作用越显著。然而，土壤体积含水量、净氮矿化速率和过氧化氢酶对土壤综合指数的贡献较低，这与陈立新^[47]的研究结论不一致。这种差异可能源于陈立新的研究区为落叶松农田防护林，其土壤富含有机质，与本研究的生态环境显著不同。总体而言，30 a青海云杉林土壤质量最优，而10 a造林地的土壤质量最低。这可能是由于青海云杉生长过程中大量消耗水分和养分，且其凋落物也分解缓慢，95%的凋落物完全分解需要长达23 a^[48]，从而打破了土壤养分库的平衡。尽管如此，本研究表明，草地种植青海云杉林不仅不会降低土壤质量，反而随着人工林生长年限的增加，林下土壤综合质量逐渐提高，有利于区域生态系统的稳定和质量提升。

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基金资助

宁夏南华山植物群落监测项目

2023年中央财政林业草原生态保护恢复资金资助项目