姜麗娜，楊文斌，* ，盧 琦，姚云峰，藺瑞嵐

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091;2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010019;3.國(guó)家林業(yè)局西北林業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，西安 710048)

營(yíng)造防風(fēng)固沙林是長(zhǎng)遠(yuǎn)地從根本上改造和利用沙地的重要途徑，也是控制和固定流沙，防止風(fēng)沙危害和有效改良沙地性質(zhì)，變沙漠為農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)基地的經(jīng)濟(jì)而有效的措施［1］。固沙植被的建設(shè)模式?jīng)Q定其防風(fēng)固沙與生態(tài)恢復(fù)效果，沙漠地區(qū)干旱環(huán)境限制了固沙林密度和覆蓋度。因此，如何控制防風(fēng)固沙林栽植密度與配置格局變得至關(guān)重要［2-4］。在我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)由于水分條件的制約，經(jīng)過漫長(zhǎng)的自然演替過程，逐步發(fā)育形成了廣泛分布的低覆蓋度植被，其覆蓋度低于40%，這些低覆蓋度植被類型中存在大量的天然喬木疏林或稀疏灌叢，地表處于半流動(dòng)狀態(tài)，而配置成行帶式后，即使覆蓋度降低到20%時(shí)，能夠完全固定流沙［5］，并且不同配置模式下的土壤與植被自然恢復(fù)程度不同。低覆蓋度行帶式固沙林在有限密度、覆蓋度下，在維持了林地水分平衡的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)有效生態(tài)防護(hù)與生態(tài)恢復(fù)作用，是一項(xiàng)成功的固沙植被建設(shè)技術(shù)［5-6］，研究低覆蓋度行帶式固沙林對(duì)土壤與自然植被的恢復(fù)作用，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)低覆蓋度行帶式治沙模式具有一定理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

低覆蓋度行帶式固沙林是指人工營(yíng)造一行或者多行喬灌木，帶是指多行喬灌木之間的空間土地或者叫植被修復(fù)帶。行帶式實(shí)際上是形成了由窄林帶(占地面積15%—25%)與寬的自然植被修復(fù)帶(占地面積75%—85%)相間組合的一種復(fù)合植被模式。這種模式與國(guó)外研究中的“虎斑”結(jié)構(gòu)［7］或二相鑲嵌［8］的天然植被景觀模式相似，國(guó)外研究大多數(shù)側(cè)重于帶狀植被的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)——帶間距與帶寬之比，及其與降水量間相關(guān)性的研究［9-10］。本文是在符合干旱，半干旱地區(qū)水分原理基礎(chǔ)上［11］，研究低覆蓋度行帶式固沙林對(duì)土壤與自然植被的恢復(fù)的作用，進(jìn)而摸清其促進(jìn)帶間土壤、植被修復(fù)的過程與機(jī)理。以往的生態(tài)恢復(fù)研究中，通常集中在植物演替變化及土壤質(zhì)量變化，而對(duì)微生物群落在土壤生態(tài)恢復(fù)與重建中的作用關(guān)注較少，缺乏綜合而簡(jiǎn)單實(shí)用的評(píng)價(jià)方法。本研究以低覆蓋度行帶式固沙林模式為前提，系統(tǒng)綜合的判斷出不同固沙林土壤及植被修復(fù)程度，直觀準(zhǔn)確的判斷出不同帶寬行帶式固沙林恢復(fù)水平，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效固沙與保護(hù)促進(jìn)天然修復(fù)植被有機(jī)銜接，合理規(guī)劃和配置行帶式造林密度最大限度提高生態(tài)恢復(fù)效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域設(shè)在科爾沁沙地南部，地理坐標(biāo)為北緯 41°42′—43°01′，東經(jīng) 119°32′—120°54′;是典型的半干旱地區(qū)，氣候?qū)贉貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，年降水350mm左右，年蒸發(fā)量2400—2600mm，是降水量的6—8倍，年均溫4.9—7.5℃，風(fēng)沙、干旱是主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)。該區(qū)行政區(qū)劃屬內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗，由淺山、丘陵、沙坨及河川平原等地貌單元組成。地勢(shì)由西南向東北傾斜，海拔高度在350—800m之間。主要地貌類型有沙丘、甸子以及少數(shù)剝蝕殘山，地帶性土壤以栗鈣土和碳酸鹽褐土為主，地帶性植被以原生草原為主。依次為淺山丘陵森林草原，位于南部努魯爾兒虎山地，該區(qū)人工植被以水土保持林為主，主要造林樹種為楊樹。中南部為黃土覆蓋的廣大丘陵區(qū)，以旱生草本植物為主，植被稀疏，原生植被較少，只有低矮叢生小灌木及雜草，主要為胡枝子(Lespedeza davurica)、甘草(Glycyrrhiza uralensis)、黃花蒿(Artemisia annua)及1年生禾本科雜草。北部為廣大覆沙地和流動(dòng)、半流動(dòng)的沙丘，地處西遼河平原的西端，是科爾沁沙地中段向南延伸的邊緣部分，以沙生植物為主，主要為黃柳(Salix gordejevii)、沙蒿(Artemisia halodendron)、檸條(Caragana korshinskili)等，原生植被以旱生草本植物為主。本研究利用林地均為采伐跡地或荒坡、荒沙地，地表植被稀疏，主要為甘草(Glycyrrhiza uralensis)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedeza davurica)、針茅(Stipa capillata)及其他雜草。

1.2 樣地設(shè)置

在植被、土壤和地形條件相對(duì)一致的沙地造林地段，選取造林年限相同或相近并且造林一定時(shí)間的低覆蓋度行帶式固沙林，其帶間植被是沒有受到干擾或是已經(jīng)退耕后在完全自然恢復(fù)條件下恢復(fù)的草本植被，沙地完全被固定，以確保帶間植被在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化。選取造林年限相近的3種帶寬的兩行一帶楊樹固沙林樣地，林帶為南北走向，另外再選取1個(gè)流動(dòng)沙丘樣地和1個(gè)曠野對(duì)照樣地CK(選取當(dāng)?shù)氐貛灾脖活愋?，地帶性植被?yōu)勢(shì)種為狗尾草Setaria viridis、白草Pennisetum centrasiaticum等。)進(jìn)行對(duì)比，共5個(gè)樣地，分別為20m樣地、15m樣地、10m樣地、流動(dòng)沙丘樣地和CK樣地。由于研究區(qū)不同配置的行帶式楊樹固沙林在營(yíng)造初期均采用帶間間作撫育措施，因此帶間植被恢復(fù)年限為退耕后未開墾年限，不同樣地固沙林基本特征見表1。

表1 研究區(qū)群落基本特征描述Table 1 Community essential characteristics of experimental region

圖1 取樣示意圖Fig.1 Sampling scheme

1.3 樣品采集與分析

研究區(qū)樣地調(diào)查與樣品采集于2010年6月底進(jìn)行，土壤與植被調(diào)查同步。在已設(shè)研究區(qū)中選取具有代表性的“兩行一帶式”楊樹防風(fēng)固沙林地，按照不同帶間寬度選取樣地進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查造林地立地類型、造林年限、林分密度、樹高、胸徑;各樣地面積大于200m×100m，在每塊樣地面積內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)帶間進(jìn)行土壤和帶間植被的調(diào)查，同一林帶間沿垂直于林帶走向每間隔10m設(shè)置1條平行的樣線，共設(shè)3條，從林帶的一端林下(0m處)開始，每隔2m設(shè)1樣方進(jìn)行植被調(diào)查。該取樣方法采用系統(tǒng)取樣法，取樣的樣品可以用于統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)照樣地與流動(dòng)沙丘研究區(qū)取樣面積為25m×25m，所設(shè)面積內(nèi)隨機(jī)抽取5個(gè)植被樣方進(jìn)行調(diào)查，流動(dòng)沙丘則進(jìn)行土壤取樣調(diào)查。共計(jì)225個(gè)樣方。在所有研究區(qū)中均用1m×1m的樣方對(duì)帶間植被進(jìn)行調(diào)查。其中帶間植被生物量調(diào)查采用全部收獲法，將采集的樣品置于通風(fēng)干燥箱內(nèi)，在85℃恒溫下烘干至恒重，稱重記錄。植物根系調(diào)查采用挖掘法，由于帶間植被還處于植被恢復(fù)階段，大多數(shù)為1、2年生草本植被，根系較集中0—20cm層，為了配合土壤養(yǎng)分變化的研究，因此，在每個(gè)林帶間隨機(jī)設(shè)置5個(gè)50cm×50cm的小樣方，分為0—5cm、5—20cm兩個(gè)土層采集的所有帶間植被根系樣品，不考慮楊樹根系，應(yīng)用系統(tǒng)WinRHIZO對(duì)所采集的植被根系進(jìn)行測(cè)定分析，掃描后的根系樣品置入80℃烘箱中，烘干至恒質(zhì)量，再分別稱量并記錄。

土壤樣品采集采用剖面法，分兩層取樣，分別為0—5cm，5—20cm，取樣點(diǎn)與草本樣方調(diào)查點(diǎn)相同，同一樣地將所有相同土層混勻混合后，最后取3個(gè)重復(fù)，土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)后分3份。1份土樣風(fēng)干過篩，用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)［12］，其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用2molKCI浸提流動(dòng)注射分析儀(FIAstar 5000)測(cè)定法，1份鮮樣在10h之內(nèi)放入冰箱冷藏，用于測(cè)定微生物數(shù)量，并盡快進(jìn)行分析。最后1份在-20℃冰箱保存?zhèn)溆?。微生物?shù)量測(cè)定采用平板活菌計(jì)數(shù)法(CFU)［13］。其中細(xì)菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，固氮菌基礎(chǔ)培養(yǎng)基采用改良的阿須貝(Ashby)無氮瓊脂培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)基為馬丁氏孟加拉紅瓊脂培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)基為高氏1號(hào)培養(yǎng)基，先接種，后倒平板，統(tǒng)計(jì)在平皿上長(zhǎng)出的菌落數(shù)后，計(jì)算求出每克土壤的活菌數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

圖表和基本數(shù)據(jù)處理采用Excel，主成分和典型相關(guān)分析均采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行。

選擇表征群落物種多樣性、均勻度、豐富度和優(yōu)勢(shì)度的4種物種多樣性測(cè)定指數(shù)，以多度為測(cè)度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。選取的多樣性指數(shù)有Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù);均勻度指數(shù)為Pielou均勻度指數(shù);豐富度指數(shù)為Margalef指數(shù)。

式中，S為群落中的總種數(shù);nj為第j種的個(gè)體數(shù)量占總個(gè)體數(shù)量的比例;N為觀察到的總個(gè)體數(shù)。

5)模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算方法

采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法來評(píng)價(jià)不同帶寬行帶式固沙林土壤植被修復(fù)程度。模糊綜合評(píng)價(jià)方法通常建立模糊矩陣，確定各指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行綜合判別［14］。本研究采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法計(jì)算差異性系數(shù)，利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法所得到的差異性系數(shù)稱為指示度。

計(jì)算最后評(píng)判指標(biāo)di(指示度)做出評(píng)價(jià)。其中，對(duì)照樣地為穩(wěn)定草地，d=1;各個(gè)恢復(fù)程度評(píng)價(jià)的系數(shù)在0—1之間，系數(shù)越接近1，該樣地越接近穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 研究區(qū)土壤物理性粘粒(＜0.01mm)含量對(duì)比Fig.2 Comparison of physical particle(＜0.01mm)content of experimental region

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤修復(fù)效應(yīng)

2.1.1 土壤物理性狀變化

不同樣地0—20cm的土壤物理性粘粒的垂直分布變化見圖2。土壤表層物理性粘粒高于下層，0—5cm土層物理性粘粒流動(dòng)沙丘與10m楊樹固沙林差異不顯著，20m和15m楊樹固沙林都與10m楊樹固沙林差異顯著;5—20cm土層物理性粘粒為20m楊樹固沙林與10m楊樹固沙林差異顯著;各土層物理性粘粒含量變化均表現(xiàn)為對(duì)照樣地＞20m楊樹固沙林＞15m楊樹固沙林＞10m楊樹固沙林＞流動(dòng)沙丘，說明行帶式固沙林群落還處于植被恢復(fù)階段，隨著帶寬的增加，土壤物理性粘粒含量有增加趨勢(shì)。

在不同樣地的0—20cm土層中，土壤容重變化表現(xiàn)為流動(dòng)沙丘＞20m楊樹固沙林＞15m楊樹固沙林＞10m楊樹固沙林＞對(duì)照樣地(表2)，從變異系數(shù)可以看出，帶間距為20m楊樹固沙林變異幅度最大，說明該樣地改良土壤作用最明顯。對(duì)照樣地土壤0—20cm土層的平均容重為1.34，而行帶式固沙林的平均容重均高于對(duì)照。這是因?yàn)樾袔焦躺沉滞寥澜Y(jié)構(gòu)較沙土致密穩(wěn)固，土體發(fā)育上層相對(duì)較下層好，而對(duì)照土壤生態(tài)系統(tǒng)基本處于穩(wěn)定而良性循環(huán)狀態(tài)，根系量大且密集，因此土壤容重最小。0—5cm土層土壤容重為20m楊樹固沙林與15m楊樹固沙林差異不顯著，但與10m楊樹固沙林差異顯著;5—20cm土層土壤容重為20m楊樹固沙林與15m楊樹固沙林和10m楊樹固沙林差異均顯著，但與對(duì)照樣地差異不顯著(P＜0.05)。

不同樣地土壤水分含量變化表明(表2);在采樣深度范圍內(nèi)，均表現(xiàn)為表層含水量低于下層，這是表層與大氣環(huán)境接觸，水分受溫度、地表風(fēng)速等影響而交換活躍，蒸散較快，故含水量在表層低，從變異系數(shù)可以看出，帶間距為20m楊樹固沙林土壤含水量的變幅最小且含水量較高，顯著的高于帶間距為15m和10m楊樹固沙林含水量。隨著帶寬的增加土壤含水量有增高的趨勢(shì)。

表2 研究區(qū)土壤容重及水分含量的描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 The descriptive statistics of soil bulk density and water content of experimental region

2.1.2 土壤化學(xué)性質(zhì)變化

當(dāng)退化土地轉(zhuǎn)變?yōu)楣躺沉趾?，隨著行帶式固沙林帶間寬度的變化，不同樣地土壤化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了顯著的變化(表3)。營(yíng)造固沙林后土壤pH隨著帶寬的增加明顯降低，并且與流動(dòng)沙丘和對(duì)照樣地差異均顯著(P＜0.05);土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效鉀含量隨帶寬的增加增大，速效磷含量變化不大。20m楊樹固沙林速鉀含量高于15m和10m楊樹固沙林。行帶式固沙林有機(jī)碳含量與流動(dòng)沙丘和對(duì)照樣地差異均顯著，說明行帶式固沙林明顯增大了有機(jī)碳含量，并且20m楊樹固沙林效果最明顯。同一土層不同行帶式固沙林土壤速效磷含量變化差異不顯著(P＜0.05)。

表3 研究區(qū)不同樣地土壤養(yǎng)分含量及其變化Table 3 The changes of soil nutrient content of experimental region

2.1.3 土壤微生物數(shù)量分布特征

微生物是反映土壤質(zhì)量變化重要的敏感性生物學(xué)指標(biāo)。研究微生物變化有助于揭示研究區(qū)土壤微生物的潛在活性強(qiáng)度、作用方向以及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和釋放機(jī)制［17］。不同樣地的土壤微生物數(shù)量變化顯著(圖3)，其中細(xì)菌(106)數(shù)量占優(yōu)勢(shì)，其次是放線菌(106)和固氮菌(106)，真菌含量最少(103)，與鄧旺秋、閔紅、畢江濤等［18-20］試驗(yàn)結(jié)果一致。研究區(qū)不同樣地土壤微生物的變異幅度整體比較大，微生物總量大小依次順序?yàn)?對(duì)照樣地＞行帶式固沙林＞流動(dòng)沙丘，其中行帶式固沙林中則為15m楊樹固沙林與10m楊樹固沙林相近但都小于20m楊樹固沙林。隨著土壤深度的增加，土壤中的細(xì)菌、放線菌、固氮菌、真菌數(shù)量表現(xiàn)為上層大于下層，而且微生物總數(shù)均表現(xiàn)為上層大于下層。

圖3 研究區(qū)土壤微生物數(shù)量對(duì)比Fig.3 Comparison of soil microbial populations of experimental region

2.2 植被修復(fù)效應(yīng)

2.2.1 不同樣地植被多樣性變化

在大量營(yíng)造人工固沙林中，造林密度對(duì)固沙林的穩(wěn)定性和防風(fēng)固沙效果起著決定性的因素，行帶式防風(fēng)固沙林林帶不僅起到防止風(fēng)蝕的作用，而且大大降低了固沙林的覆蓋度，使得覆蓋度僅為20%的行帶式配置格局的固沙林能夠完全地固定流沙，且?guī)钆渲酶窬值倪呅袃?yōu)勢(shì)明顯，生物多樣性和生產(chǎn)力較高［21-22］。由圖4可見，在調(diào)查的3種不同帶寬的行帶式固沙林中，帶間植被的物種多樣性呈增加趨勢(shì)，但不同帶寬對(duì)帶間植被物種多樣性的增加影響大，其中20m帶寬更加有利于帶間植被的物種多樣性的增加，其增加的速度為20m＞15m＞10m;但是，3個(gè)樣地帶間植被的物種多樣性均小于對(duì)照樣地，這也說明10a左右的行帶式固沙林帶間植被的修復(fù)還處于植被恢復(fù)初期，仍需要一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的修復(fù)才能接近或者達(dá)到地帶性植被。在3種行帶式固沙林中，20m楊樹固沙林最為接近對(duì)照樣地，說明其植被恢復(fù)效果優(yōu)于15m和10m楊樹固沙林。隨著其林下植被的自然恢復(fù)過程，帶間距越寬其多樣性指數(shù)越大，也就是說，密度雖然減小了，但是多樣性指數(shù)增大了，并且穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖4 研究區(qū)不同固沙林樣地物種多樣性變化Fig.4 Biodiversity variety variation of sand fixing forest experimental region

2.2.2 不同樣地植被生物量變化

從研究區(qū)楊樹固沙林的不同配置格局來看(圖5)，20m楊樹固沙林生物量與對(duì)照樣地最為接近，且都大于15m和10m楊樹固沙林，10m楊樹固沙林多樣性指數(shù)最小，正是由于10m楊樹固沙林競(jìng)爭(zhēng)激烈，植物侵入種數(shù)較少，并且生長(zhǎng)量不高造成的。而20m楊樹固沙林可以為更多物種的侵入提供棲息地，生物生產(chǎn)力也高。因此，楊樹行帶式造林不宜太窄和蓋度太大，會(huì)影響帶間植被群落生物生產(chǎn)力的大小。15m楊樹固沙林和10m楊樹固沙林植被蓋度相差大，生物量也高于10m楊樹固沙林，這是因?yàn)?0m楊樹固沙林仍舊不穩(wěn)定造成的。不同帶間距帶間植被生物量有隨著帶寬增加而顯著變大的趨勢(shì)，但都小于對(duì)照樣地。

圖5 研究區(qū)不同固沙林樣地物種生物量變化Fig.5 Herbage biomass variety of the community of different sample areas

2.2.3 不同樣地植被根系變化

研究區(qū)帶間距不同的固沙林帶間植被根系生物量、根系總長(zhǎng)度和根系表面積分布變化總體趨勢(shì)變現(xiàn)為，對(duì)照樣地＞20m楊樹固沙林＞15m楊樹固沙林＞10m楊樹固沙林(圖6)。0—5cm土層，除根系總長(zhǎng)不同樣地根系變化差異顯著;5—20cm土層，20m楊樹固沙林與15m楊樹固沙林根系生物量差異不顯著，但與10m楊樹固沙林和對(duì)照樣地差異顯著。根系總長(zhǎng)與根系表面積不同樣地變化差異均顯著(P＜0.05)。以上結(jié)果說明行帶式造林密度大，帶間距離窄時(shí)會(huì)影響帶間植被根系的生長(zhǎng)，從而影響植被對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)的吸收，不利于植被的生長(zhǎng)和繁衍。

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

3.3.1 主成分分析

為了研究低覆蓋度楊樹固沙林在不同配置格局下植被因子與土壤因子之間的相互影響和選擇判斷不同楊樹林恢復(fù)程度指標(biāo)體系，本文對(duì)不同帶間距楊樹固沙林(20m、15m、10m)和對(duì)照樣地應(yīng)用“典型相關(guān)分析(CCA)”方法，分析植被因子與土壤因子之間的相關(guān)性。將植被因子與土壤因子相關(guān)性最大的指標(biāo)用來構(gòu)建模糊矩陣，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)不同配置行帶式固沙林的土壤植被修復(fù)程度，其中土壤指標(biāo)全部為(0—5cm)土層的指標(biāo)。

首先對(duì)楊樹固沙林在不同配置格局下植被因子指標(biāo)和土壤指標(biāo)構(gòu)成的變量組進(jìn)行PCA分析，在不同配置格局下植物指標(biāo)PCA分析結(jié)果表明(表4)，在前三維主成分上累計(jì)貢獻(xiàn)率分別達(dá)到0.8906(20m)、前兩維主成分上累計(jì)貢獻(xiàn)率分別達(dá)到0.7489(15m)、0.8104(10m)。各變量在前幾維主成分上的因子負(fù)荷量最大者分別是:20m楊樹固沙林:群落地上生物量、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、根系總長(zhǎng)、根系表面積。15m楊樹固沙林:群落蓋度、群落地上生物量、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margelef豐富度指數(shù)、根系總長(zhǎng)。10m楊樹固沙林:群落蓋度、群落地上生物量、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、根系生物量、根系總長(zhǎng)。

圖6 研究區(qū)不同樣地根系變化Fig.6 Root comparison of different plots of experimental region

表4 研究區(qū)不同樣地植被變量主成分分析Table 4 PCA of plant variabe under different plot of experimental region

在不同配置格局下土壤指標(biāo)PCA分析結(jié)果表明(表5)，在前兩維主成分上累計(jì)貢獻(xiàn)率分別達(dá)到0.8247(20m)、0.8194(15m)、0.8598(10m)、0.8976(對(duì)照樣地)。各變量在前2維主成分上的因子負(fù)荷量最大者分別是:20m楊樹固沙林:有機(jī)碳、硝態(tài)氮、速效磷、細(xì)菌數(shù)量、放線菌數(shù)量、固氮菌數(shù)量;15m楊樹固沙林:土壤水分含量、全氮、銨態(tài)氮、速效鉀、放線菌數(shù)量、固氮菌數(shù)量。10m楊樹固沙林:土壤粘粒含量、有機(jī)碳、銨態(tài)氮、速效鉀、細(xì)菌數(shù)量、固氮菌數(shù)量。

表5 研究區(qū)不同樣地土壤變量主成分分析Table 5 PCA of soil variabe under different sample areas

3.1.2 典型相關(guān)分析

根據(jù)以上主成分分析結(jié)果，對(duì)不同樣地植被因子指標(biāo)與土壤因子指標(biāo)典型相關(guān)分析。結(jié)果表明，研究區(qū)不同樣地第一、第二和第三和第四典型相關(guān)累積方差貢獻(xiàn)率均超過80%以上，其中20m楊樹固沙林89.86%、15m楊樹固沙林90.08%、10m楊樹固沙林87.51%、對(duì)照樣地72.92%，說明第一、第二、第三和第四典型相關(guān)變量能夠代表植被和土壤兩組變量組整體的80%以上的信息量。多變量的多種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)也均達(dá)到極顯著水平，20m楊樹固沙林第一、二、三典型相關(guān)、15m楊樹固沙林第一、二、三典型相關(guān)、10m楊樹固沙林第一、二典型相關(guān)達(dá)到極顯著差異(P＜0.01)。因此，不同樣地植被指標(biāo)與土壤指標(biāo)之間的相互關(guān)系可得到如下表達(dá)式:

由表達(dá)式(1)可知，20m楊樹固沙林植被變量的第一、第二和第三典型變量主要由X1(群落蓋度)、X3(Simpson多樣性指數(shù))、X4(Shannon-Wiener多樣性指數(shù))、X5(Pielou均勻度指數(shù))和X9(根系表面積)決定。土壤變量的第一、第二和第三典型變量主要由X14(全氮)、X16(硝態(tài)氮)、X19(速效鉀)和X20(細(xì)菌)決定。由表達(dá)式(2)可知，15m楊樹固沙林植被變量的第一、第二和第三典型變量主要由X1(群落蓋度)、X3(Simpson多樣性指數(shù))、X4(Shannon-Wiener多樣性指數(shù))、X6(Margelef豐富度指數(shù))決定。土壤變量的第一、第二和第三典型變量主要由X15(全氮)、X17(銨態(tài)氮)、X19(速效鉀)和X21(放線菌)決定。由表達(dá)式(3)可知，10m楊樹固沙林植被變量的第一、第二典型變量主要由X1(群落蓋度)、X4(Shannon-Wiener多樣性指數(shù))、X5(Pielou均勻度指數(shù))和X7(根系生物量)決定。土壤變量的第一、第二典型變量主要由X10(土壤粘粒含量)、X14(有機(jī)碳)、X19(速效鉀)和X20(細(xì)菌)決定。

以經(jīng)過上述分析得出的土壤及植被指標(biāo)為因素集，不同恢復(fù)程度為處理集，分別以土壤指標(biāo)、植被指標(biāo)及土壤植被綜合對(duì)敖漢研究區(qū)不同楊樹固沙林恢復(fù)程度進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示(表6)，20m楊樹固沙林土壤發(fā)育程度的指示度為0.6696，即20m楊樹固沙林土壤發(fā)育程度為對(duì)照樣地土壤的66.96%;植被已恢復(fù)到當(dāng)前對(duì)照樣地的75.48%;以植被與土壤特征指標(biāo)為體系的模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果看，20m楊樹固沙林植被和土壤因子是當(dāng)前對(duì)照樣地的68.63%。15m楊樹固沙林土壤發(fā)育程度為對(duì)照樣地土壤的56.52%;植被已恢復(fù)到當(dāng)前對(duì)照樣地的59.40%;以植被與土壤特征指標(biāo)為體系的模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果看，15m楊樹固沙林土壤和植被因子是當(dāng)前對(duì)照樣地的55.01%。10m楊樹固沙林土壤發(fā)育程度為對(duì)照樣地土壤的41.94%;植被已恢復(fù)到當(dāng)前對(duì)照樣地的43.54%;以植被與土壤特征指標(biāo)為體系的模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果看，10m楊樹固沙林植被和土壤因子是當(dāng)前對(duì)照樣地的42.04%。

表6 研究區(qū)不同樣地土壤與植被恢復(fù)程度Table 6 Recovery degree of soil and vegetation under different plots

4 討論

營(yíng)造行帶式固沙林后隨著固沙林的生長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效鉀含量隨帶寬的增加增大。這是由于造林后，林帶間地表覆蓋發(fā)生顯著的變化，隨著地表覆蓋物的增加，土壤微環(huán)境逐漸變?yōu)闈駶?rùn)，土壤的淋溶作用變強(qiáng)，導(dǎo)致土壤pH值降低，同時(shí)由于植被的增加，土壤中CO2的含量增加，根據(jù)巖溶動(dòng)力系統(tǒng)［23］，則土壤中H+含量也增加，導(dǎo)致土壤pH值的降低;隨著地表覆蓋物的增多，枯枝落葉殘?bào)w的增加，土壤有機(jī)質(zhì)的分解速度減慢，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，而有機(jī)質(zhì)含量的增加是土壤全氮的主要來源，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，土壤全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量隨之增加;隨著土壤 pH值的降低，土壤的固鉀能力降低［24］，造成土壤速鉀含量的增加只能是與造林初期帶間間作旱地普遍使用鉀肥相關(guān)，寬行帶式固沙林帶間土壤施肥面積大速鉀含量高。另外，行帶式固沙林全氮含量變化顯示10m楊樹固沙林全氮含量較高，但不代表10m楊樹固沙林恢復(fù)效果最好，這可能與10m楊樹固沙林恢復(fù)年限長(zhǎng)，氮元素的累積量大有關(guān)，在實(shí)際調(diào)查中發(fā)現(xiàn)10m楊樹固沙林帶間植被非常稀疏，帶間距小于10m不利于植被生長(zhǎng)。

土壤微生物的變化與枯枝落葉有密切關(guān)系，在地表聚積大量枯枝落葉，有充分的營(yíng)養(yǎng)源，水熱和通氣狀況較好，利于微生物的生長(zhǎng)和繁殖。微生物主要以植物殘?bào)w為營(yíng)養(yǎng)源，植物的質(zhì)和量的差異必然導(dǎo)致土壤微生物在各植物固沙林中分布的不均一性。帶間距為20m楊樹固沙林與對(duì)照樣地的草本植被蓋度較大，土壤微生物大量集中在淺表層根系區(qū)域，物質(zhì)和養(yǎng)分能夠得到及時(shí)補(bǔ)充，有利的微環(huán)境導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量高。而帶間距為15m和10m楊樹固沙林則由于帶間植被蓋度低，植被物種單一不穩(wěn)定而導(dǎo)致微生物數(shù)量都很低。雖然15m楊樹固沙林植被蓋度大于10m楊樹固沙林，但其微生物數(shù)量卻小于10m楊樹固沙林，這是由于楊樹的落葉為土壤微生物的提供了充足的養(yǎng)分庫，因?yàn)樵趯?shí)際調(diào)查中，其地表植被稀疏，蓋度很低枯落物幾乎都為楊樹落葉，而且10m楊樹固沙林帶間溫度要高于15m楊樹固沙林帶間有利于微生物繁殖。以上表明同一樹種以不同的配置方式營(yíng)造在很大程度上影響著草本植物的恢復(fù)能力、土壤質(zhì)量變化及微生物數(shù)量變化。

行帶式固沙林實(shí)際上是在起到沙障作用的同時(shí)確保自然植物能夠定居;促進(jìn)了帶間自然植被快速修復(fù)和土壤的形成過程。雖然楊樹不適于干旱地區(qū)，但適宜栽植密度的楊樹林帶對(duì)沙地土壤-植被系統(tǒng)自然修復(fù)具有明顯促進(jìn)作用。行帶式固沙林造林以后，在短短的十幾年內(nèi)對(duì)土壤性狀具有明顯的改善作用;同時(shí)，隨著土壤的變化，導(dǎo)致植物種類組成的更替。植被的生長(zhǎng)又為林帶提供了養(yǎng)分和水分補(bǔ)給帶，達(dá)到林草復(fù)合植被優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相互銜接持續(xù)發(fā)育，具有重要的促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)功能。而行帶式固沙林正是通過帶寬的變化來影響和調(diào)節(jié)這種植物與土壤的之間相互作用，窄帶間距固沙林土壤與植被的相互作用則由于造林密度大而受到抑制。

5 結(jié)論

在干旱、半干旱區(qū)，由于水分條件的制約，天然的存在著低覆蓋度(20%—30%)的疏林(或者是稀樹灌叢)，沙地仍處于半固定、半流動(dòng)狀態(tài)，多年來研究得出以相同覆蓋度的行帶式配置格局的固沙林能夠完全固定沙地，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，不同覆蓋度導(dǎo)致固沙林的土壤和植被自然恢復(fù)的程度是不同的，通過上述的實(shí)驗(yàn)資料分析，對(duì)于行帶式固沙林土壤和植被自然恢復(fù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí):

(1)行帶式楊樹固沙林能夠明顯的影響土壤的理化性質(zhì)，隨著帶寬的增加土壤容重減小，水分含量和養(yǎng)分含量有增加的趨勢(shì)，微生物數(shù)量增加，表明當(dāng)固沙林配置格局合理時(shí)，降低栽植密度同樣可以達(dá)到促進(jìn)土壤修復(fù)的目標(biāo)。行帶式固沙林隨帶寬的增加這種促進(jìn)作用增強(qiáng)。20m楊樹固沙林對(duì)土壤修復(fù)的促進(jìn)作用最明顯，是較好的配置模式。

(2)帶間距為20m楊樹固沙林對(duì)植被的恢復(fù)促進(jìn)作用優(yōu)于15m和10m楊樹固沙林。寬行帶式固沙林雖然栽植密度減小了，但是多樣性指數(shù)增大了，對(duì)植被恢復(fù)的促進(jìn)作用也增強(qiáng)了，并且寬帶間距有利于帶間草本植被生物量的積累和根系的生長(zhǎng)，當(dāng)帶間距不足夠?qū)挄r(shí)則會(huì)不利于植被生長(zhǎng)。

(3)不同帶寬行帶式固沙林帶間植被因子與土壤因子之間相關(guān)不一致，模糊綜合評(píng)估結(jié)果表明不同帶寬的行帶式固沙林，雖然恢復(fù)年限相近，但因栽植密度不同導(dǎo)致指示度不同，即恢復(fù)程度不同;土壤修復(fù)程度明顯落后于植被，寬帶間距可以明顯加快土壤及植被修復(fù)的速度，從而縮短土壤及植被修復(fù)的時(shí)間，寬帶間距固沙林縮短土壤及植被修復(fù)時(shí)間的效果更明顯。

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