水分、养分是反映土壤质量变化的重要指标，退耕还草对土壤水分、养分的影响各有大量的报道。但依据两方面研究结果对土壤质量的判断却常常相互矛盾。例如，土壤水分方面的研究结果表明，常年生长苜蓿、沙打旺等豆科牧草的土壤，会导致土壤水分干层的形成，恶化土壤环境，不利于土壤质量的维持。土壤养分方面的研究结果却显示，豆科牧草会显着提高土壤肥力，改善土壤理化性质，改善土壤质量。这一矛盾现象表明，目前退耕还草对土壤质量影响的过程和机理尚不清楚。本研究以定位试验（1984～1998年）为基础，使用土壤水分监测系统分析了退耕还草条件下土壤水分、养分变化及其二者对土壤质量的相互影响。
　　1　材料与方法
　　1.1　研究地点自然概况研究在长武王东沟小流域进行，该流域位于陕甘交界处，东经107°40′30″～107°42′30″，北纬35°12′～35°16′。土地面积8.3 km2,塬、沟、坡各占土地面积的1/3,沟壑密度为2.78 km/km2,塬面海拔1 220 m,流域内从塬面到沟底最大高差为280 m,属典型的黄土高原沟壑类型区。大陆性季风气候，年均气温9.1℃，≥10℃积温3 029℃，多年平均降水量584 mm,季节性分布不均，7～9月降水占总量的55%。土壤为粘壤质黑垆土，土壤有机碳含量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%,田间持水量22.4%,凋萎湿度9.0%。
　　1.2　田间试验定位试验起始于1984年9月，布置了10种作物种植方式与7种施肥制度的组合（不完全设计）共36个处理，3次重复，随机区组排列。小区面积10.3m×6.5 m;小区间距0.5 m,区组间距和周边宽各1m。本研究选取其中的冬小麦连作和苜蓿（MedicagosativaL.）连作共6个处理（表1）。供试小麦每年于9月撒播，品种、播量、播期及田间管理同当地大田。
　　苜蓿于1985年撒播，此后一般每年收割2次。氮磷肥分别为尿素和三料磷肥或过磷酸钙，有机肥（M）为牛粪。小麦处理的全部肥料作基肥于每年9月一次翻入耕作层，苜蓿施肥撒入地表（不耕翻）。
　　表1　从长武站长期定位试验选择的6个典型处理

　　1.3　采样与分析利用长期试验采集的历年土壤样品，风干后，研磨过0.25 mm筛孔，用于有机碳（外加热重铬酸钾氧化法和全氮的分析。典型处理定期测定土壤水分（烘干法）。
　　1.4　气象数据来源试验期间年降水量资料来源于国家气象局长武县气象站（距离试验区最近处仅5 km）。
　　2　结果与分析
　　2.1　试验期间年降水量1984～1998年期间，最高年降水量为811 mm（1988年），最低为327 mm（1995年），年降水量的变异系数为23.8%,平均年降水量562.8 mm,较多年平均值584 mm降低3.6%。
　　图1　试验期间（1984～1998年）年降水量变化

　　2.2　退耕还草对土壤水分演变的影响试验期间，1989年、1993年和1998年的年降水量基本接近，这3年土壤水分与试验前1984年时土壤水分含量差异反映了耕地土壤水分的演变特征。
　　由图2可知，因施肥对耕地土壤水分含量变化具有显着的影响。不施肥小麦连作区， 0～300 cm剖面的土壤水分含量与1984年相比没有呈现显着的降低趋势，并且上下土层分布较一致（图2）。但在NP或NPM处理的小区，0～80 cm土层水分接近，80～300 cm剖面的土壤水分随着时间的延长有显着的降低趋势，并且在80～200 cm土层这一趋势最显着（图2）。由此表明，在目前施肥条件下休闲季节的降水只能补充0～80 cm土层的作物耗水，而80～300cm土层的水分会因施肥增强了作物对其的耗竭作用。
　　图2　小麦连作区0～300 cm土层土壤水分演变

　　图3　1984年农田改种苜蓿后0～300 cm土层土壤水分演变

　　与小麦连作区土壤水分的变化不同，退耕种植苜蓿后土壤水分演变和分布发生显着改变。在0～300cm土层内，上下土层的含水量接近，并且整个剖面的土壤水分随着时间延长逐年降低。退耕种植苜蓿14年后（1998年）土壤水分含量即使在雨季后也只有8%左右，而农田土壤水分含量不施肥区雨季后得到恢复，施肥区0～100 cm土层水分含量得到恢复（图3）。
　　2.3　退耕还草对土壤有机碳、氮积累的影响无论施肥种植小麦还是退耕种植苜蓿，0～300cm土层中有机碳氮含量的差异主要表现在0～20cm（图4、图5）。与试验开始前（1984年）时的有机碳含量相比，不施肥处理小麦连作土壤有机碳含量基本稳定在6.50 g/kg水平。增施化肥或化肥与有机肥配施土壤有机碳含量逐渐提高，其中施用NP肥条件下，土壤有机碳含量比1984年提高19%;施用NPM肥时，提高64%。
　　图4　土壤有机碳（A）、氮（B）在苜蓿地土壤剖面中的分布特征

　　图5　土壤有机碳（A）、氮（B）在小麦地土壤剖面中的分布特征

　　图6结果显示，1984年农田改种苜蓿后，随着时间的延长土壤有机碳、氮的含量逐渐增加，其增加幅度显着高于同样施肥处理的小麦连作。与试验开始前（1984年）时的土壤有机碳含量相比，不施肥处理土壤有机碳含量14年后大约提高23%,比施用NP处理小麦连作土壤还高4%。施用NPM肥条件下，有机碳含量提高幅度达77%,比相应施肥处理的小麦连作处理提高10%。连续种植小麦或由小麦改种苜蓿后土壤全氮的变化与其相应的土壤有机碳相似（图7）。这些结果表明，退耕种植苜蓿可显着改善土壤有机碳、氮含量。
　　图6　退耕还草对土壤有机碳演变的影响（A:不施肥；B:NPM肥）

　　图7　退耕还草对土壤全氮演变的影响（A:不施肥；B:NPM肥）

　　3　讨论与结论
　　本试验结果表明，在同一个土壤剖面中水分、养分的变化并不一致。水分变化涉及土壤整个剖面，而养分变化主要集中在耕层。在小麦连作时，不施肥小区土壤水分和有机碳氮同时保持相对稳定，这一现象反映了不施肥条件下土壤-小麦系统水分和养分的相对稳定效应。而施肥使得同一植被条件下土壤水分和养分呈现相反的变化趋势。地表植被由作物改为苜蓿后这种趋势更显着。耕层土壤有机碳氮增加幅度越大，整个剖面水分降低幅度就越大。
　　水分和有机物输入量是影响土壤有机质周转的重要因素。在黄土高原沟壑区提高水分的利用率是提高有机物输入量的基础，而土壤水分降低会限制土壤微生物活性从而影响有机质的矿化分解。因此，在有限降水条件下，水分有效利用是提高土壤有机物输入的基础，水分含量的降低又进一步导致耕层土壤有机物积累的加速。土壤水分利用效率的提高成为影响土壤水分和养分呈现相反变化的重要因素。小麦和苜蓿地土壤有机碳氮积累的差异与此密切相关。例如，春季随着气温回升，小麦和苜蓿地的蒸散逐渐增强，此时雨季尚未到来，耕层水分逐渐降低，到6月底达到一年中最低值。7月当地进入雨季，由于小麦此时已经收获麦地土壤水分得到一定程度恢复，而苜蓿此时仍处于旺盛的生长时期，苜蓿地的蒸散作用依然强烈，土壤水分恢复低于小麦地，致使苜蓿地的土壤水分在4月～10月微生物活动旺盛时期低于小麦连作地。