李 青, 狄曉艷

(1.太原師范學(xué)院 化學(xué)系, 山西 晉中030619, 2.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 太原 030006)

晉北丘陵風(fēng)沙區(qū)不同植被恢復(fù)模式的土壤化學(xué)特征與生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)

李 青1, 狄曉艷2

(1.太原師范學(xué)院 化學(xué)系, 山西 晉中030619, 2.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 太原 030006)

通過對山西省右玉縣從高家堡鄉(xiāng)至右衛(wèi)鎮(zhèn)的公路兩側(cè)喬木林(小葉楊、樟子松、油松和華北落葉松)、灌木叢(沙棘、檸條和烏柳)及各種喬木、喬灌混交林的土壤化學(xué)特征分析，評價(jià)了喬、灌恢復(fù)模式的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)。結(jié)果表明：(1) 不同植被恢復(fù)模式的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)差異顯著，混交林生態(tài)恢復(fù)效果優(yōu)于純林；(2) 灌木沙棘、檸條、烏柳在本區(qū)生態(tài)恢復(fù)中的作用突出，特別是豆科植物檸條的生態(tài)恢復(fù)效果優(yōu)于其他非豆科植物；(3) 喬木種樟子松、油松，灌木種沙棘、檸條、烏柳耐旱、耐寒，生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，在本區(qū)生態(tài)修復(fù)中作用明顯，可用于本區(qū)人工植被恢復(fù)的植被重建優(yōu)先物種；(4) 本區(qū)土壤潔凈，適宜發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)。

人工植被; 恢復(fù)模式; 恢復(fù)效應(yīng); 土壤理化特征

山西省右玉縣所在的晉北丘陵風(fēng)沙區(qū)與毛烏素沙地正面相對，處在我國沙漠化擴(kuò)展的前沿，是京津的生態(tài)屏障。該區(qū)氣候干旱、寒冷，植被稀疏，全年風(fēng)蝕水蝕交替進(jìn)行，土壤沙化嚴(yán)重，是山西省乃至華北地區(qū)典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一[1-3]，也是京津能源、水源和沙源之地，其人工植被生態(tài)恢復(fù)關(guān)系到當(dāng)?shù)亍⑹锥急本┮约叭A北地區(qū)的生態(tài)安全和持續(xù)發(fā)展。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中諸多生態(tài)過程的載體，是植被恢復(fù)的基礎(chǔ)，而植被恢復(fù)對土壤養(yǎng)分循環(huán)也會(huì)產(chǎn)生顯著影響。近60多年來，右玉縣通過持續(xù)的植樹造林，種植了大量的小葉楊(Populussimonii)、油松(Pinustabulaeformis)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)等人工植被[4-5]，使其自然生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。為評價(jià)不同植被恢復(fù)模式的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)，篩選出適宜本區(qū)生態(tài)恢復(fù)的植被模式，本文對該區(qū)不同植被恢復(fù)模式下的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行研究，旨在為合理調(diào)節(jié)該區(qū)人工植物群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 研究地區(qū)概況

右玉縣(112°07′18″—112°38′35″E，39°41′18″—40°17′54″N)位于山西省西北端，南北長67.7 km，東西寬45.7 km，總面積1 967 km2。屬黃土高原典型的緩坡丘陵風(fēng)沙區(qū)和溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫3.68℃，無霜期為104 d，年均降水量443 mm。土壤主要以栗鈣土和風(fēng)沙土為主，質(zhì)地較粗，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)性差，抗侵蝕能力差，極易發(fā)生風(fēng)蝕、水蝕、沙化等現(xiàn)象。土壤類型以栗鈣土和灰褐土為主，地帶性植被屬于溫帶草原帶，自然植被以針茅(Stipacapillata)、百里香(Thymusmongolicus)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、蒿類(Artemisiaspp.)等組成的草原為主，在河流兩岸及低凹灘地有沙棘、烏柳(Salixcheilophila)等灌叢分布，人工植被以小葉楊、油松、新疆楊(Populusalba)、沙棘、檸條錦雞兒等群落為主[6-7]，境內(nèi)森林覆蓋率達(dá)到50%。

2 研究方法

2.1 植物樣地選擇與取樣

在對右玉縣植被詳細(xì)踏查的基礎(chǔ)上，2014年9月選擇不同種植模式和生態(tài)恢復(fù)年限的人工植被——喬木林(小葉楊、樟子松、油松、落葉松)、灌木叢(檸條、沙棘)和各種喬木、喬灌混交林進(jìn)行樣方調(diào)查，選取沿高家堡鄉(xiāng)至縣城(生態(tài)路)、縣城至右衛(wèi)鎮(zhèn)(省道211)兩側(cè)的人工植被樣地16個(gè)(表1)，每種植被各選3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地(喬灌樣方分別為10 m×10 m，5 m×5 m)，共計(jì)48個(gè)樣方，每個(gè)樣方中記錄的內(nèi)容主要包括：植物種的名稱、蓋度、高度、喬木的胸徑和株數(shù)等數(shù)量指標(biāo)及樣方所在地的海拔高度、坡度、坡向等環(huán)境因子。然后在各樣地中，用環(huán)刀取表層土(0—10 cm)，每樣地3次重復(fù)，用于測定土壤物理性質(zhì)；同時(shí)采樣“S”取0—10 cm混合土樣0.5 kg，裝入土壤袋，每樣地3次重復(fù)，帶回實(shí)驗(yàn)室，用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。

表1 山西省右玉縣人工喬木、喬灌混交林16個(gè)調(diào)查樣地特征

2.2 土壤理化性質(zhì)測定

土壤理化性質(zhì)測定參考國家標(biāo)準(zhǔn)方法[8-9]，根據(jù)操作要求，把土樣風(fēng)干、研磨、過100目篩后備用。土壤pH值測定用玻璃電極法；土壤有機(jī)質(zhì)測定用重鉻酸鉀容量法，外加熱法(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NY/T1121.6—2006)；全氮測定用凱氏定氮法(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NY/T53—1987)；全鹽量測定用電導(dǎo)法；速效氮測定用1 mol/L NaOH-H3BO3，堿解擴(kuò)散法(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)LY/T1 229—1999)；速效磷測定用0.5 mol/L的NaHCO3浸提，紫外可見分光光度法(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NY/T1121.7—2006)；速效鉀測定用1 mol/L的NH4OAc浸提，原子吸收分光光度法(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NY/T889—2004)；有效銅、錳、鐵、鋅測定均用DTPA(二乙三胺五醋酸)浸提(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NY/T890—2004)，原子吸收分光光度法(AAS)；Cd，Pb，Zn和Cu測定均用1 mol/L的HNO3浸提，石墨爐原子吸收光譜法(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T17141—1997)；總汞、總砷用原子熒光光譜法(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NY/T1 121.10—2006，NY/T1 121.11—2006)；pH值用電位分析法(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NY/T1 121.2—2006)，每個(gè)樣品做3次平行。

2.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行處理，利用SPSS 20.0軟件采用主成分分析方法，對反映土壤肥力變化的12項(xiàng)理化指標(biāo)分析，綜合評價(jià)不同植被恢復(fù)模式的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)。計(jì)算方法是用每個(gè)主成分的特征根作權(quán)重加和，用公式表示即為[10]：

(1)

式中：f為綜合評價(jià)值；λi為特征根值；fi為主成分值。

3 結(jié)果與分析

晉北丘陵風(fēng)沙區(qū)不同植被恢復(fù)模式的土壤理化指標(biāo)見表2，主要土壤因子的變化特征如下。

3.1 土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、速效養(yǎng)分含量變化

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤營養(yǎng)的主要來源，可提高微量元素的有效性，直接影響作物的生長[11]。從表2可見，不同植被恢復(fù)模式的土壤中有機(jī)質(zhì)、總氮、速效(N，P，K)等養(yǎng)分含量的變化特征為：(1) 混交林土壤中各營養(yǎng)指標(biāo)均優(yōu)于純林。在5 a生小葉楊與沙棘混交林土壤中有機(jī)質(zhì)含量約為30 a生小葉楊純林的1.6倍，全氮為1.5倍，可提取態(tài)養(yǎng)分中，有效氮為1.8倍，有效磷相近，有效鉀為1.4倍。很明顯，混交林生態(tài)恢復(fù)效果優(yōu)于純林；(2) 灌木叢土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于喬木，豆科植物土壤中有機(jī)質(zhì)含量又明顯高于灌木。本區(qū)沙棘與檸條土壤中有機(jī)質(zhì)含量約為樟子松與油松混交林土壤中有機(jī)質(zhì)含量的1.5倍，說明灌木在本區(qū)生態(tài)恢復(fù)中作用突出，豆科植物生態(tài)恢復(fù)效果明顯優(yōu)于非豆科植物。

3.2 土壤有效微量元素含量變化

土壤中的微量元素主要包括有效銅、有效鋅、有效鐵及有效錳。鋅是多種酶的組成成分，可參與植物代謝、光合作用，影響蛋白質(zhì)合成，提高植物抗逆性等。錳是多種酶的活化劑，直接參與光合作用，促進(jìn)種子的萌發(fā)及幼苗的生長。鐵是合成葉綠素必須的元素，并參與植物的呼吸作用。銅是多種氧化酶的構(gòu)成成分，超氧化物歧化酶的重要組分，參與氮素代謝，促進(jìn)花器官的發(fā)育[12-13]。土壤中各種微量元素正常含量范圍分別為：鋅含量0.3～3.0 mg/kg，錳含量1.0～30.0 mg/kg，鐵含量2.5～20.0 mg/kg，銅含量0.1～1.8 mg/kg。

表2 晉北丘陵風(fēng)沙區(qū)不同植被恢復(fù)模式的土壤化學(xué)特征

注：OM為土壤有機(jī)質(zhì)；TN為總氮；AN為有效氮；AP為有效磷；AK為有效鉀；SAL為全鹽量；ACu為有效銅；AZn為有效鋅；AFe為有效鐵；AMn為有效錳；Cr為總鉻；Cd為全鎘；Pb為全鉛；Hg為總汞；As為總砷；Se為全硒；SM為土壤水分含量。

從表1可見，不同植被恢復(fù)模式的土壤有效微量元素的變化為：(1) 30 a生小葉楊純林土壤中各種微量元素含量均處于中等級別，而5 a生小葉楊與沙棘混交林土壤中有效鋅和有效鐵含量處于高等級別，有效銅和有效錳含量處于中等級別，充分說明混交林生態(tài)恢復(fù)效果優(yōu)于純林；(2) 沙棘與檸條灌叢土壤的各種微量元素含量均處于中等級別，在樟子松與油松區(qū)土壤中有效鋅含量處于低等級別，說明在生態(tài)恢復(fù)過程中灌木的效果優(yōu)于喬木。

3.3 土壤重金屬含量變化

重金屬包括汞、鎘、鉛、鉻以及兩性元素砷、硒等生物毒性顯著的元素，過量重金屬可引起植物生物功能紊亂、營養(yǎng)失調(diào)等[14-15]。重金屬在土壤中移動(dòng)性很小，易在植物中富集并可通過食物鏈進(jìn)入人體。重金屬在人體內(nèi)能與蛋白質(zhì)及各種酶發(fā)生強(qiáng)烈相互作用并使它們失去活性[16]。也可在人體某些器官中富集，對人體是很大的潛在危害。

與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比(GB15618—1995)(Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)Cd≤0.20 mg/kg，Cr≤90 mg/kg，Hg≤0.15 mg/kg，As≤15 mg/kg，Cu≤35 mg/kg，Zn≤100 mg/kg，Pb≤35 mg/kg)，不同植被恢復(fù)模式的土壤重金屬含量均遠(yuǎn)低于國標(biāo)Ⅰ級，表明研究區(qū)土壤潔凈，適于發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)。

3.4 不同植被恢復(fù)模式的土壤肥力主成分分析

根據(jù)上述公式(1)，篩選上述土壤理化指標(biāo)中反映不同植被恢復(fù)模式土壤肥力變化的12項(xiàng)指標(biāo)，即土壤pH值，有機(jī)質(zhì)，全氮，堿解氮，速效磷，速效鉀，全鹽量，ACu，AZn，AFe，AMn水分含量，進(jìn)行主成分分析，計(jì)算綜合評價(jià)值(表3)，從而可知不同植被恢復(fù)模式的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)。

從表3可見，不同植被恢復(fù)模式的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)依次為：烏柳+沙棘灌叢(2.01)>小葉楊—沙棘林(0.73)>沙棘+檸條灌叢(0.55)>華北落葉松林(0.38)>華北落葉松+樟子松林(0.10)>檸條灌叢(-0.08)>小葉楊+樟子松林(-0.12)>小葉楊林1(-0.23)>樟子松+油松林1(-0.30)>樟子松+油松林2(-0.32)>油松+華北落葉松林(-0.33)>樟子松林1(-0.39)1>樟子松林2(-0.44)>小葉楊林2(-0.47)>沙棘灌叢(-0.48)>烏柳灌叢(-0.61)。

4 討 論

(1) 不同植被恢復(fù)模式的群落結(jié)構(gòu)特征變化。小葉楊、油松、樟子松、華北落葉松、檸條錦雞兒和沙棘是右玉縣主要的造林樹種和人工植被類型，小葉楊在20世紀(jì)60—70年代作為防風(fēng)固沙樹種在本區(qū)被廣泛種植，造林多為純林，造林密度較大。經(jīng)過50多年演替大多形成疏林，群落退化嚴(yán)重，形成大面積“小老樹”。檸條錦雞兒和沙棘在研究區(qū)分布極為廣泛，多以單優(yōu)勢種形成灌叢。90年代以來，隨著我國生態(tài)建設(shè)的發(fā)展，本區(qū)逐漸采用喬灌混交造林模式，對退化的小葉楊等純林進(jìn)行更新改造。總體來看，本區(qū)人工植被群落結(jié)構(gòu)仍較單一，小葉楊等純林退化嚴(yán)重，亟待加強(qiáng)科學(xué)管護(hù)與更新改造。

表3 不同植被恢復(fù)模式的土壤肥力綜合評價(jià)值及排序

(2) 不同植被恢復(fù)模式的土壤理化性質(zhì)變化。右玉縣不同植物恢復(fù)模式的土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、速效養(yǎng)分、水分含量、微量元素含量等差異顯著，土壤有機(jī)質(zhì)和水分含量是影響本區(qū)植被恢復(fù)的關(guān)鍵限制因子。小葉楊—沙棘混交林土壤中各營養(yǎng)指標(biāo)均優(yōu)于小葉楊純林，烏柳+沙棘灌叢土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于喬木樟子松林，豆科植物檸條灌叢生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)明顯高于非豆科植物，說明灌木在本區(qū)生態(tài)恢復(fù)中作用突出，豆科植物的生態(tài)恢復(fù)效果明顯優(yōu)于非豆科植物沙棘灌叢、烏柳灌叢。不同植被恢復(fù)模式的土壤重金屬含量均遠(yuǎn)低于國標(biāo)Ⅰ級，表明本區(qū)土壤潔凈，適于發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)。

5 結(jié) 論

(1) 不同植被恢復(fù)模式的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)差異顯著，小葉楊—沙棘林的生態(tài)恢復(fù)效果優(yōu)于小葉楊林，烏柳+沙棘灌叢的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)優(yōu)于沙棘灌叢、烏柳灌叢，說明混交林生態(tài)恢復(fù)效果優(yōu)于純林，在植被配置時(shí)應(yīng)考慮混交造林模式。

(2) 灌木沙棘、檸條、烏柳在本區(qū)生態(tài)恢復(fù)中的作用突出，特別是豆科植物檸條的生態(tài)恢復(fù)效果優(yōu)于其他非豆科植物。

(3) 喬木種樟子松、油松，灌木種沙棘、檸條、烏柳耐旱、耐寒，生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，在本區(qū)生態(tài)修復(fù)中作用明顯，可用于本區(qū)人工植被恢復(fù)的優(yōu)選先鋒物種。

(4) 本區(qū)土壤潔凈，適宜發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)。

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SoilChemicalCharacteristicsandEcologicalRestorationEffectsofDifferentRevegetationPatternsintheHillySandyofNorthShanxiProvince

LI Qing1, DI Xiaoyan2

(1.DepartmentofChemistry,TaiyuanNormalUniversity,Jinzhong,Shanxi030619,China;2.InstituteoftheloessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)

We evaluated the ecological restoration effects of different revegetation patterns based on analyzing soil chemical characteristics of planted vegetation of arbor (Populussimonii,Pinussylvestrismongolica,PinustabulaeformisandLarixprincipis-rupprechtii) and shrub species (Caraganakorshinskii,HippophaerhamnoidesandSalixcheilophila) distributing on the two sides of highway from Yuanbaozi to Youweizi regions of Youyu County in Shanxi Province. The results show that: (1) the ecological restoration effects of different revegetation patterns are significantly different, the ecological restoration effects of mixed forests are much better than those of the pure forests; (2) shrubs ofCaraganakorshinskii,HippophaerhamnoidesandSalixcheilophila play important roles in the process of ecological restoration in this area, especially leguminous species ofCaraganakorshinskiiis better than that of non-leguminous species; (3) arbor (PinussylvestrismongolicaandPinustabulaeformis) and shrub species (Caraganakorshinskii,HippophaerhamnoidesandSalixcheilophila) with strong ecological adaptability of drought and cold resistance could be used as the priority species for future revegetation in this region; (4) the high soil quality is good for developing organic agriculture in this region.

planted vegetation; revegetation pattern; restoration effect; soil physical and chemical characteristics

2016-08-04

：2016-08-28

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“晉西北城鎮(zhèn)化農(nóng)民非農(nóng)生計(jì)可持續(xù)性與農(nóng)地流轉(zhuǎn)”(41271143)

李青(1962—),女,山西省太原市人,講師,主要從事土壤分析化學(xué)研究。E-mail:7120779@163.com

S153;Q948.1

：A

：1005-3409(2017)05-0088-05