李少華 王學(xué)全 包巖峰

(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京，100093)

共和盆地沙漠位于三江源國家級自然保護區(qū)的東北部，沙珠玉地區(qū)是共和盆地沙漠化最嚴重的地區(qū)之一，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤風(fēng)蝕嚴重，土地比較貧瘠。青海沙珠玉治沙試驗林場始建于1958年，通過圍封858 hm2沙地作為治沙示范區(qū)，對治理流沙、抗逆植物選種及重建沙區(qū)植被等方面進行研究。經(jīng)過近60 a的試驗，選擇具有耐寒、抗旱和耐貧瘠等特點的檸條作為常用的固沙植物。目前，檸條林長勢良好，累計種植面積約400 hm2，檸條林在高寒沙地治理和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)中發(fā)揮了重要作用。但人工檸條林對林地的改良效果，還沒有開展細致的研究。齊雁冰等［1］、劉君梅等［2］分別在高寒沙區(qū)對人工植被恢復(fù)過程中土壤因子性狀進行研究，但均沒有區(qū)分植被種類的影響差異;田麗慧等［3］從土壤機械組成的角度系統(tǒng)分析了高寒沙區(qū)植被恢復(fù)與土壤的相互作用，但沒分析土壤養(yǎng)分狀況;李清雪等［4］在高寒沙區(qū)對12年生的檸條人工林在沙丘不同部位對土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)以及植物群落的影響，沒有考慮區(qū)分林齡的影響。

為此，采用時間代替空間的方法，將不同林齡(3、12、21、30、42、51 a)的人工檸條林地的原始土壤理化性狀看作一樣的，并且以農(nóng)田和沙地土壤為對照。通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析，測定了不同林齡人工檸條林地土壤機械組成及養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)，分析了高寒沙區(qū)人工檸條林對土壤的改良效果，評價了檸條人工林的種植對高寒地區(qū)流沙固定和土壤恢復(fù)過程，進而為高寒沙區(qū)林場采取科學(xué)合理的人工林撫育措施和可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

本研究在青海沙珠玉治沙試驗林場進行，該林場位于青藏高原東北部的共和盆地，屬于高寒干旱草原荒漠區(qū)［5］。采樣點的地理坐標(biāo)為 36°14'～36°16'N，100°13'～100°16'E，海拔為 2 873～2 890 m。該區(qū)年均氣溫2.4℃，無霜期平均91 d，年均降水量246.3 mm，主要集中在7—8月份。該區(qū)風(fēng)沙活動劇烈，沙塵暴頻繁，主要集中在每年的3—4月份，風(fēng)沙活動為制約該地植被恢復(fù)的限制因子之一［6］。經(jīng)過近60 a的造林試驗，人工植被逐漸恢復(fù)，林場內(nèi)植被以耐寒和耐旱生植物為主［7］，主要有檸條(Caragana korshinskii)、烏柳(Salix microstachya)、青楊(Populus cathayana Rehd.)、北 沙 柳 (Salix psammophila)、檉柳(Tamarix chinensis)、賴草(Leymus secalinus)等。

2 研究方法

2015年4月進行野外土壤取樣調(diào)查，以不同種植年限的檸條林地為取樣區(qū)，取樣深度為0～5 cm、＞5～15 cm、＞15～30 cm 三層。在每株檸條灌叢下4個方位距離中心25 cm處，將4點處分別取的土壤按層混為一個樣品，充分混合均勻，作為實驗室分析的樣品，然后各取3組重復(fù)用于方差分析，用GPS測定樣地的海拔和經(jīng)緯度。

室內(nèi)實驗在國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室完成。土壤酸堿性測定采用pH酸度計法;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀—外加熱法測定;全N采用凱氏固氮法測定;全P、全K采用IRIS Intrepid II XSP等離子發(fā)射光譜儀;速效N用堿解擴散法測定，速效P采用鉬銻抗比色法，用0.5 mol/L的碳酸氫鈉浸提法;速效K用火焰光度法測定，用1 mol/L中性醋酸銨浸提［8］。土壤機械組成的測定采用比重計法［9］，粒徑按國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準進行劃分，即:砂粒(2.0～0.02 mm)、粉砂粒(0.02～0.002 mm)、黏粒(0～0.002 mm)。

采用Microsoft Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理、圖表繪制，SPSS統(tǒng)計軟件中的單因素方差分析程序進行統(tǒng)計分析，最小顯著差數(shù)法進行多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 人工檸條林對表層土壤機械組成及pH的影響

由表1可知，隨著檸條林齡變化，人工檸條林的發(fā)育和沙丘固定時間的延長，檸條的灌叢堆效應(yīng)開始顯現(xiàn)，0～5 cm層土壤機械組成發(fā)生顯著變化，土壤顆粒組成總體是:砂粒質(zhì)量分數(shù)＞粉砂粒質(zhì)量分數(shù)＞黏粒質(zhì)量分數(shù)，從21年生的檸條林地到51年生檸條林土壤黏粒和粉砂粒質(zhì)量分數(shù)顯著增加，砂粒質(zhì)量分數(shù)顯著減少;但從3年生到12年生檸條林地土壤機械組成變化不明顯，尤其是3年生檸條林地土壤中黏粒質(zhì)量分數(shù)低于沙地，說明3年生檸條林地土壤質(zhì)地沒有得到明顯改善作用。通過與沙地、農(nóng)田土壤的機械組成相比，檸條林地土壤機械組成在12 a開始逐漸改善，從21 a開始顯著改善，到42 a時已恢復(fù)至農(nóng)田土壤質(zhì)地水平。

本次調(diào)查的土樣 pH 變化范圍在 8.56～8.87，顯堿性;并且林地土壤pH呈現(xiàn)隨著林齡的增加而降低的趨勢，但土壤pH的變異系數(shù)較小，可能與沙地本身有較高的pH值有關(guān)，進而表明植被恢復(fù)過程對土壤的酸堿性影響不明顯;與農(nóng)田pH相比，30年生的檸條林地土壤恢復(fù)到較好水平。

表1 各樣地表層土壤機械組成和pH值

3.2 人工檸條林地土壤全量養(yǎng)分的變化特征

由表2可知，總體上檸條林齡和土層變化對林地土壤全量養(yǎng)分(N、P、K)質(zhì)量分數(shù)的影響顯著，但對各層改良程度差異顯著;沙地土壤全量養(yǎng)分(N、P、K)質(zhì)量分數(shù)較低，并且隨土層深度變化不顯著;農(nóng)田土壤各層全量養(yǎng)分自上而下遞減，呈現(xiàn)平緩變化趨勢。

土壤全N質(zhì)量分數(shù)隨人工檸條林恢復(fù)年限增加而增加，12年生林地土壤表聚性開始顯現(xiàn);0～5 cm層土壤，從檸條林栽植12 a開始土壤全N質(zhì)量分數(shù)顯著增加，從42 a開始極顯著增加;＞5～15 cm層土壤，從檸條林栽植12 a開始土壤全N逐漸增加，從30 a開始顯著增加;＞15～30 cm層土壤，從檸條林栽植12 a開始增加，但不顯著;41—51年生檸條林地0～5 cm層土壤全N質(zhì)量分數(shù)已顯著高于農(nóng)田土壤;30年生林地已恢復(fù)良好水平。

土壤全P質(zhì)量分數(shù)與沙地土壤相比，3年生林地土壤全P質(zhì)量分數(shù)在0～5 cm層略微降低，＞5～15 cm層和＞15～30 cm均顯著降低;12—51年生檸條林地土壤全P質(zhì)量分數(shù)在0～5 cm層顯著增加，在＞5～15 cm層增加緩慢，在＞15～30 cm層基本不變;12年生林地土壤全P表聚性開始顯現(xiàn)，30年生林地已恢復(fù)良好水平。

土壤全K質(zhì)量分數(shù)普遍較高。與沙地相比，各層土壤全K在3年時先略微降低后隨林地生長年限增加而增加;12年生林地土壤全K表聚性開始顯現(xiàn);12—51年生檸條林地土壤K質(zhì)量分數(shù)在0～5 cm層極顯著增加，在＞5～15 cm層顯著增加，在15～30 cm層緩慢增加;42年生林地已恢復(fù)到良好水平。

表2 不同樣地土壤全量養(yǎng)分N、P、K的變化特征

3.3 人工檸條林地土壤速效養(yǎng)分的變化特征

表3顯示了檸條人工植被生長過程中對土壤速效養(yǎng)分(速效N、P、K)的改良作用，可見人工檸條林地土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)隨著檸條生長年限的增加而發(fā)生顯著變化;沙地土壤與3年生檸條林地土壤各土層速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)由大到小的順序均為:＞5～15 cm、0～5 cm、＞15～30 cm 土層;速效(N、P、K)養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)均在12年生檸條林地土壤開始顯現(xiàn)表聚性現(xiàn)象，并且隨著種植年限的增加，越來越明顯。

與農(nóng)田0～5 cm層土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)相比，3—51年生檸條林地土壤速效N質(zhì)量分數(shù)增加顯著，但只有51年生檸條林地中速效N質(zhì)量分數(shù)恢復(fù)到較好水平;速效P質(zhì)量分數(shù)在3—30生檸條林地土壤增加不顯著，42年生檸條林地土壤基本不再增加，總體上均偏低;3—51年生檸條林地土壤速效K質(zhì)量分數(shù)增加顯著，30年生檸條林地土壤就已恢復(fù)到較好水平。與農(nóng)田＞5～15 cm和＞15～30 cm層土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)相比，在3—30年生檸條林地土壤速效N質(zhì)量分數(shù)增加極其緩慢，然后增加顯著;速效P質(zhì)量分數(shù)在3～51年生林地土壤增加不顯著，質(zhì)量分數(shù)均偏低;3—42年生檸條林地土壤速效K質(zhì)量分數(shù)增加不顯著，51年生檸條林地土壤速效K質(zhì)量分數(shù)增加顯著，恢復(fù)到較好水平。

隨著林齡增加，林地土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)增加，在0～5 cm內(nèi)發(fā)生極顯著變化，51年生人工檸條土壤表層速效養(yǎng)分(N、P、K)質(zhì)量分數(shù)是沙地土壤的6～8倍;在生長年限低于30 a的林地土壤速效質(zhì)量分數(shù)在＞5～15 cm土層變化很小;在檸條林生長年限低于42 a的林地，土壤速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)在15～30 cm層變化很小。這說明檸條人工林建立后對土壤速效養(yǎng)分的影響在垂直深度上存在滯后性，進而表明受檸條植物根系的影響不明顯。

3.4 人工檸條林地土壤有機質(zhì)的變化特征

表4顯示了不同林齡的人工檸條林對不同深度土壤有機質(zhì)的影響，沙地和3年生檸條林地土壤深度對土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的影響不顯著，并且它們各層有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)差別不大;12年生檸條林地土壤有機質(zhì)開始顯現(xiàn)表聚性;30—51年生檸條人工林，0～5 cm層土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)顯著高于＞5～15 cm和＞15～30 cm層;0～5 cm層土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)隨著林齡的增加而顯著增加，增加約12倍;＞5～15 cm層土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)從30年生林地開始顯著增加，增加約5.5倍;＞15～30 cm層土壤有機質(zhì)從42年生林地開始顯著增加，共增加約3.5倍;農(nóng)田土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在層間無顯著差異;與農(nóng)田土壤相比，30年生人工檸條林地，在0～5 cm層土壤有機質(zhì)已恢復(fù)至良好水平。

表3 不同樣地土壤速效養(yǎng)分N、P、K的變化特征

表4 不同樣地土壤有機質(zhì)的變化特征

4 結(jié)論與討論

隨著檸條林齡的增加，土壤質(zhì)地得到顯著改善，全N、全P、全K、速效N、速效P、速效K及有機質(zhì)等的質(zhì)量分數(shù)顯著增加(P＜0.05)，因此，檸條可以作為優(yōu)良的固沙植物在高寒沙區(qū)進行推廣。

隨深度增加各土層改良效果存在時間上的滯后性，林地土壤0～5 cm土層恢復(fù)最快;土壤養(yǎng)分出現(xiàn)表聚性的現(xiàn)象是沙地土壤正向演替的標(biāo)志，但不是從造林初期就顯現(xiàn)。

30年生檸條林地，0～5 cm層的土壤機械組成及養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)已恢復(fù)到良好水平，建議實施適度平茬等撫育管理措施，開發(fā)利用檸條資源，提高其生態(tài)經(jīng)濟價值。

在高寒沙區(qū)種植人工檸條林可以改良土壤。隨著林齡增加檸條灌叢形態(tài)發(fā)生變化［10］，植被蓋度增大，形成灌叢堆效應(yīng)使風(fēng)速降低［11］，風(fēng)積物質(zhì)開始沉降在土壤表層，進而影響土壤理化性質(zhì)的變化過程［12］。研究發(fā)現(xiàn)3年生檸條林地土壤質(zhì)地沒有得到明顯改善作用，全P、全K、速效P、速效K質(zhì)量分數(shù)沒增反降，僅全N和速效N略微增加，可能因為檸條根部的根瘤菌具有固氮作用。該區(qū)域海拔高、溫度低、植物生長期短，并且處于半流動沙丘的狀態(tài)，4月初風(fēng)沙活動頻繁，進而導(dǎo)致出現(xiàn)該結(jié)果。從21年生的檸條林地開始土壤機械組成中砂粒質(zhì)量分數(shù)顯著減少，黏粒和粉砂粒質(zhì)量分數(shù)顯著增加，這與趙哈林等［13］在科爾沁流動沙地上人工檸條林種植13 a后土壤粗沙粒質(zhì)量分數(shù)顯著下降，土壤極細沙粒和黏粉粒質(zhì)量分數(shù)增加，存在時間差異，可能因該區(qū)域檸條生長慢和兩處沙地土壤本底性狀的差異性。林地土壤pH值隨著林齡的增加而降低，但變異系數(shù)相對較小，表明植被恢復(fù)過程對土壤的酸堿性影響相對較小。

土壤有機質(zhì)、全N、全P、全K、速效N、速效P、速效K的質(zhì)量分數(shù)狀況是土壤肥力和生產(chǎn)力水平的主要指示性指標(biāo)［14］，檸條人工林對土壤養(yǎng)分的改良效果在垂直深度上存在滯后性，表明檸條植物根系對土壤恢復(fù)的影響不明顯。0～5 cm層土壤全量和速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)在不同年齡林地間均存在顯著性差異，這與劉任濤等［15］在荒漠草原區(qū)研究結(jié)果存在差異，但不能說明各地檸條對土壤養(yǎng)分改良的不一致性，因為土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的變化與沙地土壤本底特性有關(guān)系。因此，各地研究檸條林對土壤的改良效果時，需要以沙地土壤為對照，這樣得出的結(jié)論才有價值。

在高寒沙區(qū)林地恢復(fù)沙地土壤需要較長的時間［16］，與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤相比，該區(qū)域0～5 cm層土壤恢復(fù)至良好水平需要近30 a。土壤養(yǎng)分與黏粒和粉砂粒的質(zhì)量分數(shù)均在21年生的檸條林地開始顯著增加，說明土壤機械組成與養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的變化存在相關(guān)性，這與蔣德明等［17］和張繼義等［18］研究結(jié)果相吻合?？赡芤驗橹脖换謴?fù)形成的灌叢增加地表粗糙度，使細粒物質(zhì)逐漸沉積，并且林下天然草本植物也開始發(fā)育，植被對土壤的改良作用不斷增強，進而土壤的養(yǎng)分狀況得到改善。

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