王春杰,朱志梅,張仁慧,楊梅煥

(西北大學(xué)環(huán)境科學(xué)系,陜西西安710127)

沙漠化是當(dāng)前人類(lèi)面臨的重大環(huán)境問(wèn)題之一,對(duì)人民的生產(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成了嚴(yán)重的危害。我國(guó)是世界上受沙漠化影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1],有效地解決沙漠化問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建已迫在眉睫。生態(tài)系統(tǒng)脆弱帶是沙漠化的前沿陣地,因此是防止沙漠化的最關(guān)鍵部位。陜北長(zhǎng)城沿線區(qū)地處毛烏素風(fēng)沙區(qū)向陜北黃土丘陵區(qū)的過(guò)渡地帶,隨著人口的持續(xù)增加、煤炭等礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)力度加大、以及不合理的土地利用方式對(duì)生態(tài)環(huán)境壓力的不斷增強(qiáng),該地區(qū)土地沙漠化擴(kuò)展迅速,且退化程度不斷加劇,目前已發(fā)展成為我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)地區(qū)土地退化最典型和最嚴(yán)重的地區(qū)之一[2]。

沙漠化的產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程首先表現(xiàn)為土壤—植物系統(tǒng)的退化,對(duì)沙漠化過(guò)程中土壤理化性質(zhì)的變化[3-10]、土壤酶活性特征[11-13],國(guó)內(nèi)外學(xué)者均做了相關(guān)研究。不同沙漠化階段土壤與植物的關(guān)系研究也已很多[14-19],但對(duì)自然狀態(tài)下土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性以及與植物總有機(jī)C、全N的相關(guān)性研究報(bào)道較少。本文對(duì)陜北長(zhǎng)城沿線沙漠化過(guò)程中各土壤因子間以及土壤因子與土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、植物有機(jī)C、全N的相關(guān)性進(jìn)行分析,旨在探討沙漠化過(guò)程中土壤與植物的內(nèi)在關(guān)系,為沙漠化地區(qū)土壤—植被系統(tǒng)的修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地東南緣沙質(zhì)草原地帶沙漠化程度明顯的區(qū)域,地處陜西榆林地區(qū),轄神木縣、榆陽(yáng)區(qū)、橫山縣、靖邊縣和定邊縣4縣1區(qū),位于東經(jīng)107°15′—110°54′,北緯 36°49′—39°27′,海拔 1 015～1 400 m;以長(zhǎng)城沿線為界,地貌上可分為北部風(fēng)沙灘地,屬溫帶半干旱和栗鈣土干草原地帶。南部為黃土丘陵溝壑區(qū),是陜北黃土高原的北緣,屬溫帶半干旱半濕潤(rùn)地帶。

該區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,盛行西北風(fēng),年均溫7.6℃,年、日較差大,年均降雨量250～440 mm,降水少且多集中在7—9月,占全年降水的60%～75%,雨量年際變化大,水資源匱乏;年平均無(wú)霜期136～155 d。區(qū)內(nèi)土壤主要為淡栗鈣土、栗鈣土,丘間低地主要為草甸土和風(fēng)沙土等。植被主要以針茅(Stipacapillata),油蒿(Artemisia ordosica)等植物為主,沙生植被,草原、草甸、鹽生植被,鹽生草甸等群落類(lèi)型均易見(jiàn)。

2 研究方法

2.1 樣地的選擇

本文在結(jié)合野外調(diào)查和圖像資料的基礎(chǔ)上將沙漠化過(guò)程分為5個(gè)階段(表1)。在神木縣、橫山縣和靖邊縣具有明顯沙漠化的區(qū)域各選取3個(gè)樣地,每個(gè)樣地基本包括5個(gè)沙漠化階段,在每個(gè)階段隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m的樣方。

2.2 取樣方法

在2008年和2009年7月中旬植物生長(zhǎng)旺盛期采樣。將在所選各區(qū)域以植被覆蓋度與植物類(lèi)型為依據(jù)確定沙漠化空間梯度(表1)。在每個(gè)沙漠化階段按照“隨機(jī)”、“等量”和“多點(diǎn)混合”的原則[20],選擇原始的且植被長(zhǎng)勢(shì)好的樣地布點(diǎn)采集植物樣和土樣,每個(gè)樣地根據(jù)沙漠化梯度不同取1 m×1 m樣方做生態(tài)學(xué)調(diào)查。

表1 沙質(zhì)草原不同沙漠化階段群落類(lèi)型和建群種

(1)植物樣采集。樣方內(nèi)隨機(jī)采集新鮮植物葉片(中部),分種,同種混合,然后清洗、烘干稱(chēng)重,最后用研缽磨碎過(guò)100目篩測(cè)定C和N。

(2)土樣采集。分別在每個(gè)樣地取一個(gè)土壤剖面,分 0—5,5—10,10—15,15—20,25—30 cm 這 5層,測(cè)定土壤含水量、土壤容重并進(jìn)行土壤顆粒組成分析。在每個(gè)樣地重復(fù)取樣3次,將土壤過(guò)100目篩測(cè)土壤有機(jī)C,全N和土壤酶活性。

2.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤顆粒組成采用比重計(jì)法[21];土壤含水量和容重測(cè)定采用烘干稱(chēng)重法;土壤pH值的測(cè)定采用電位法(1 mol/L的氯化鉀溶液與土為5∶1)[22];土壤和植物有機(jī)C測(cè)定采用K2Cr2O7容量法—外加熱法[21];土壤和植物全N測(cè)定采用凱氏定氮法[21]。土壤脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法[23]測(cè)定,以每克土24 h產(chǎn)生的NH3—N毫克數(shù)表示;過(guò)氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法[23]測(cè)定,以每克土消耗 0.1 mol/L KMnO4毫升數(shù)表示。

2.4 數(shù)據(jù)分析

綜合2008,2009年的測(cè)定數(shù)據(jù),利用 Excel和SPSS16.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同沙漠化階段土壤理化性質(zhì)及相關(guān)性分析

3.1.1 不同沙漠化階段土壤理化性質(zhì) 研究區(qū)不同沙漠化過(guò)程中土壤理化性狀變化如表2所示?？梢钥闯?隨研究區(qū)沙漠化程度增加,表層土壤含水量減少,土壤容重變異性不大。在0—30 cm土壤剖面中,表層土壤含水量和容重偏低,各沙漠化階段隨深度增加土壤含水量和容重均有增加趨勢(shì),且沙漠化越嚴(yán)重區(qū)域隨深度增加其含水量增長(zhǎng)幅度越大;隨沙漠化梯度增大,砂粒含量呈線性增加(y=13.734x+30.954,R2=0.987 4,x:沙漠化梯度,y:土壤粒度含量),黏粒含量呈指數(shù)性減少(y=28.249e-0.6143x,R2=0.992 9,同上),粉粒含量也逐漸變小,土壤逐漸以砂粒為主。

研究區(qū)不同沙漠化階段土壤pH值變化于8.10～8.71之間,屬堿性土壤,同一沙漠化階段不同土層的pH值隨深度增加基本呈增加趨勢(shì),但變化不大;沙漠化過(guò)程中,土壤有機(jī)C和全N含量降低,表層變化最大,各階段有機(jī)C和全N含量隨土壤剖面深度增加而減少;隨沙漠化程度加劇,土壤C/N整體呈增加趨勢(shì),隨深度增加呈先增加后降低趨勢(shì)。

表2 不同沙漠化階段土壤因子的變化 %

3.1.2 土壤因子間相關(guān)性分析 沙漠化過(guò)程總是伴隨著土壤因子的有規(guī)律變化,而沙漠化土壤各理化性質(zhì)間也存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系,如黏粒含量較多的土壤,其有機(jī)C和全N含量也相應(yīng)較高;有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤其結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)也相對(duì)穩(wěn)定[19]。

用研究區(qū)每個(gè)土層的數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)做相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),結(jié)果有差異且相關(guān)性規(guī)律不明顯(表3)。對(duì)不同土層的土壤因子求平均值,再做相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)相關(guān)性明顯,且有一定的規(guī)律性:土壤pH值與其它土壤因子相關(guān)性不大(p＞0.05);除土壤容重和C/N與其它指標(biāo)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系外,其它指標(biāo)間均存在正相關(guān)關(guān)系;土壤容重與黏粒含量、有機(jī)C含量和C/N均呈顯著性相關(guān)(p＜0.05),與土壤含水量、全N呈極顯著相關(guān)(p＜0.01),其中,土壤容重與含水量2者相關(guān)系數(shù)最大,達(dá)0.994,取土壤容重作自變量,含水量作因變量,得 2者的擬合曲線為:y=-1.392 4x2+2.450 5x+1.708 4,R2=0.993 1;土壤含水量與有機(jī)C,全N和C/N均呈顯著性相關(guān)(p＜0.05);土壤黏粒,有機(jī)C和全N這3者間互呈極顯著正相關(guān)(p＜0.01)。

表3 不同沙漠化階段土壤各因子間相關(guān)性分析

3.2 不同沙漠化階段土壤酶活性及相關(guān)性分析

3.2.1 土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶的活性 土壤酶是一類(lèi)具有生物化學(xué)催化活性的特殊物質(zhì),參與土壤中許多重要的生物化學(xué)過(guò)程[23],也是評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要生物學(xué)指標(biāo)之一[24-25]。其中脲酶能促進(jìn)施入土壤中的尿素分解,產(chǎn)生的NH3是高等植物的直接氮源,因此,可作為土壤肥力的指標(biāo)之一。過(guò)氧化氫酶能使H2O2分解為O2和H2O,有效防止土壤代謝中產(chǎn)生的H2O2對(duì)生物體造成的毒害,其活性高低表征了土壤解毒能力的強(qiáng)弱。

由圖1和圖2可以看出,隨沙漠化程度加劇,這2種酶活性均減弱,土壤脲酶活性在Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ很低;從垂直分布特點(diǎn)來(lái)看,脲酶活性與其它土壤類(lèi)型基本相似,隨土層深度增加急劇減弱,Ⅰ,Ⅱ梯度尤為明顯.過(guò)氧化氫酶活性在整個(gè)剖面較高,隨剖面深入先降低后升高,在15—20 cm土層轉(zhuǎn)折。這是由于隨沙漠化程度加劇和土層加深,土壤營(yíng)養(yǎng)元素狀況、熟化程度、肥力水平等不利于微生物活動(dòng)與繁殖,從而導(dǎo)致酶活性降低。

3.2.2 土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶的活性與土壤因子相關(guān)性分析 對(duì)研究區(qū)不同沙漠化階段的土壤因子、土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶分別求平均值,然后做相關(guān)性分析,分析結(jié)果如表4所示。

圖1 不同沙漠化階段土壤脲酶活性的變化

圖2 不同沙漠化階段土壤過(guò)氧化氫酶活性的變化

表4 不同沙漠化階段土壤因子與土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶活性相關(guān)性分析

相關(guān)性數(shù)據(jù)顯示,這2種土壤酶活性與pH值相關(guān)性很小,與土壤容重、C/N均呈負(fù)相關(guān)性,其中與土壤容重達(dá)顯著水平,而與C/N未達(dá)到;土壤脲酶活性與土壤含水量、黏粒含量、有機(jī)C、全N均為顯著的正相關(guān)關(guān)系,與有機(jī) C,全N相關(guān)系數(shù)很高(0.956,0.934),說(shuō)明土壤脲酶在土壤C,N轉(zhuǎn)化過(guò)程中作用很大;土壤過(guò)氧化氫酶活性與土壤含水量、有機(jī)C、全N均呈極顯著正相關(guān),這與過(guò)氧化氫酶可使H2O2分解為O2和H2O的機(jī)理相吻合,可能由于有機(jī)C與全N極顯著的相關(guān)性,過(guò)氧化氫酶活性不僅與有機(jī)C有關(guān),受全N影響也較大。

3.3 不同沙漠化階段植物有機(jī)C,全N,C/N變化及相關(guān)分析

相對(duì)不同植物的葉綠素、葉片含水量和質(zhì)膜相對(duì)透性等生理指標(biāo)而言,植物有機(jī)C,全N含量相對(duì)穩(wěn)定,因此對(duì)不同沙漠化階段植物有機(jī)C,全N,C/N進(jìn)行分析(如表5)。由表5可知,隨沙漠化程度加劇,植物有機(jī)C,全N含量降低,C/N呈增加趨勢(shì)。對(duì)研究區(qū)不同沙漠化階段植物有機(jī)C,全N,C/N與土壤酶、土壤因子做相關(guān)性分析,結(jié)果如表6所示。

由表6可知,(1)除植物和土壤C/N、土壤容重與其它各指標(biāo)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系外,其它指標(biāo)間均存在正相關(guān)關(guān)系;(2)植物有機(jī)C,C/N與2種酶相關(guān)性均達(dá)顯著性水平,植物全N與過(guò)氧化氫酶活性呈顯著性正相關(guān),而與脲酶未達(dá)到顯著性水平;(3)植物有機(jī)C,全N,C/N與土壤pH值相關(guān)性均很小,植物有機(jī)C與除pH值外的其它土壤因子相關(guān)性均達(dá)顯著性水平;(4)植物全N與土壤容重、含水量、黏粒含量和有機(jī)C呈顯著性相關(guān)(p＜0.05),與土壤全N呈極顯著正相關(guān);(5)植物C/N與土壤容重呈顯著正相關(guān),與黏粒含量、有機(jī)C和全N達(dá)極顯著負(fù)相關(guān)性。

表5 不同沙漠化階段植物有機(jī)C,全N,C/N變化

表6 不同沙漠化階段植物有機(jī)C含量,全N含量,C/N與土壤酶、土壤因子的相關(guān)性分析

4 結(jié)論

(1)陜北榆林地區(qū)沙漠化演化過(guò)程伴隨著土壤物理性狀、養(yǎng)分含量和土壤酶活性的變化。土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶活性對(duì)反映土壤肥力水平、指示土壤肥力的變化有重要意義。

(2)沙漠化過(guò)程伴隨著土壤因子的有規(guī)律變化。隨沙漠化加劇,同一沙漠化梯度不同剖面的pH值隨深度基本呈增加趨勢(shì);隨沙漠化程度加劇和深度加深,土壤脲酶活性急劇降低;過(guò)氧化氫酶活隨剖面深入先降低后升高,在15—20 cm土層轉(zhuǎn)折。

(3)相關(guān)性分析表明,研究區(qū)土壤pH值與其它因子相關(guān)性均不大,除pH值外的其它各因子間存在著密切的相關(guān)性,除植物和土壤C/N、土壤容重與其它各指標(biāo)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系外,其它指標(biāo)間均存在正相關(guān)關(guān)系。

(4)土壤含水量與有機(jī)C、全N和C/N均呈顯著性相關(guān),土壤黏粒、有機(jī)C和全N這3者間呈極顯著正相關(guān);土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性均與土壤含水量,有機(jī)C,全N呈顯著正相關(guān)性;植物有機(jī)C,C/N與2種酶相關(guān)性均達(dá)顯著性水平,植物全N與過(guò)氧化氫酶活性呈顯著性正相關(guān),與脲酶未達(dá)到顯著性水平。

土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性和植物有機(jī)C,全N都隨沙漠化過(guò)程有不同程度的變化,有關(guān)不同沙漠化階段土壤和植物演變的內(nèi)在機(jī)理以及土壤替變閾值的研究至今較少,在對(duì)該區(qū)的研究中將進(jìn)一步探討這些問(wèn)題,以便運(yùn)用到實(shí)際治沙工作中。

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