蘇永中，劉婷娜

流動(dòng)沙地建植人工固沙梭梭林的土壤演變過程*

蘇永中，劉婷娜

（中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院臨澤內(nèi)陸河流域研究站/中國(guó)科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)-水文研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

固沙梭梭林；種植時(shí)間序列；土壤鹽分；土壤有機(jī)碳；全氮；綠洲邊緣

梭梭（），一種藜科梭梭屬C4荒漠灌木，分布在新疆、內(nèi)蒙、甘肅和青海等西北干旱和極端干旱的荒漠區(qū)域[1]。由于其對(duì)風(fēng)沙、鹽堿、干旱等環(huán)境的適應(yīng)性，育苗、栽植易成活，以及C4植物生長(zhǎng)迅速等特性，成為西北干旱區(qū)沙漠化土地固沙造林的主要樹種[2-3]。隨著西北干旱區(qū)生態(tài)建設(shè)的重視，固沙梭梭林種植面積不斷擴(kuò)大，有關(guān)梭梭生理、生態(tài)特性及其對(duì)環(huán)境的影響研究也逐漸深入。早期的研究主要集中在梭梭光合生理和水分利用等生理特性，以及梭梭富集養(yǎng)分的“肥島”特征研究等[4-7]。近年來，梭梭利用水分來源[8]、固沙梭梭林建立后的土壤環(huán)境效應(yīng)研究得到重視并取得一定進(jìn)展[9-12]，為揭示人工固沙梭梭林退化機(jī)制及群落穩(wěn)定性提供了依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河西走廊中段臨澤平川荒漠－綠洲過渡帶（39°09′～39°19′N，100°02′～100°21′E，海拔1 350～1 380 m）。該區(qū)域?yàn)榈湫偷幕哪畾夂?，年均降雨?17 mm，多集中在7—9 月，年蒸發(fā)量2 390 mm，年均氣溫7.6℃，無霜期165 d。年均風(fēng)速為3.2 m·s–1，大風(fēng)日數(shù)（> 17 m·s–1）超過15 d，風(fēng)沙活動(dòng)主要集中在3—5月，地下水埋藏深度為3～8 m。臨澤平川綠洲北部為礫質(zhì)戈壁，土壤為灰棕漠土；東北部為沙丘景觀，是巴丹吉林沙漠延伸段，也是風(fēng)沙入侵張掖綠洲的通道。綠洲邊緣沙丘地帶分布的天然植被有沙拐棗（）和泡泡刺（）兩種灌木，一年生草本植物有沙蓬（）、霧冰藜（）、白莖鹽生草（）和堿蓬（（Bunge）Bunge）等。沙拐棗主要分布于平緩沙坡，泡泡刺以沙堆形態(tài)集中分布于丘間低地。天然植被的蓋度在3%～15%，總蓋度低于10%。自20世紀(jì)70年代中期開始，綠洲邊緣的沙漠化防治，開始種植以梭梭為主的固沙灌木，2000年以后，多期的固沙造林為主的生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施，逐漸形成了綠洲邊緣至外圍約5 km×10 km范圍不同年代的人工梭梭林景觀[2]。

1.2 調(diào)查取樣

2018年7月中旬，選擇種植年限3年、6年、9年、16年和40年的梭梭林定位樣地，未栽植梭梭的流動(dòng)沙地作為對(duì)照樣地（0年）。由于不同年代梭梭林地栽植時(shí)均為流動(dòng)沙地，土壤質(zhì)地與有機(jī)碳等性狀在不同時(shí)期的測(cè)定結(jié)果基本一致[2,11,18]，近20年來荒漠-綠洲過渡帶地下水位基本維持不變，表明梭梭栽植時(shí)起始的土壤和環(huán)境條件一致。每個(gè)齡級(jí)的梭梭林樣地設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的調(diào)查取樣樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選擇5株梭梭個(gè)體，對(duì)其生長(zhǎng)狀況株高、冠幅、基莖、枯枝比例、葉片生物量進(jìn)行調(diào)查取樣，如表1。土壤取樣方法為：流動(dòng)沙地對(duì)照樣地（0年）在每個(gè)樣方中隨機(jī)選取4個(gè)取樣點(diǎn)，不同種植年限梭梭林樣地在每個(gè)樣方中選擇距離梭梭主莖50 cm的冠層下和冠層外50 cm處各2個(gè)取樣點(diǎn)，用土鉆按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm 6個(gè)層次取剖面樣，4個(gè)取樣點(diǎn)所取土樣按相應(yīng)土層混合為一個(gè)樣，風(fēng)干后，研磨過2 mm篩，取部分樣進(jìn)行土壤粒級(jí)、鹽分組成的測(cè)定；部分樣研磨過0.05 mm篩用于SOC、全氮和全磷含量的測(cè)定。

表1 不同種植年限梭梭生長(zhǎng)特征

1.3 土樣與植物樣品測(cè)定

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行單因變量雙因素（年限和土層）方差分析及顯著性檢驗(yàn)，并進(jìn)行種植年限與土壤屬性值之間的回歸分析。

2 結(jié) 果

2.1 土壤剖面粒級(jí)組成變化

隨著梭梭種植年限的增加，表層土壤（0～10 cm和10～20 cm）砂粒含量逐漸減少、黏粉粒含量逐漸增加，但其顯著差異發(fā)生在栽植9 a以上的梭梭林地。40 a梭梭林地0～10 cm土層黏、粉粒含量較未種植梭梭相鄰流動(dòng)沙地分別提高6.8%和7.0%，10～20 cm土層分別提高5.3%和5.2%。20～40 cm土層黏粒含量隨種植年限的增加而出現(xiàn)較小幅度的增加趨勢(shì)，但40 cm以下土層粒級(jí)組成并無變化（圖1）。

2.2 土壤有機(jī)碳和氮磷含量的變化

隨固沙梭梭林栽植年限的增加，表層SOC和全氮含量呈指數(shù)增加，3 a、6 a梭梭林地與無植被沙地相比表層SOC有一定程度的增加，但差異不顯著，生長(zhǎng)9 a以后的梭梭林地，SOC與0 a、3 a和6 a樣地差異達(dá)極顯著水平，9 a、16 a和40 a梭梭林較無植被沙地表層SOC含量分別增加了2.7倍、3.3倍和、5.7倍。10～20 cm土層SOC與全氮含量隨梭梭生長(zhǎng)年限的增加，也表現(xiàn)出不同程度的增加，但只有40 a梭梭林地SOC和全氮含量顯著高于其他樣地。隨土層深度的增加，不同林齡梭梭林地SOC和全氮含量差異逐漸減小，40 cm以下土層已無明顯差異（圖2）。相對(duì)于SOC和全氮含量，土壤剖面中全磷含量變化較小，只有0～10 cm和10～20 cm土層，40 a梭梭林地全磷含量顯著高于其他樣地，16 a以下各樣地之間并無顯著差異。隨梭梭生長(zhǎng)年限的增加，0～10 cm和10～20 cm土層SOC的增加幅度高于全氮的增加，C/N比隨林齡增加有顯著提高（圖2）。

2.3 土壤剖面鹽分的積累

隨梭梭生長(zhǎng)年限的增加，土壤剖面中鹽分逐漸積累。6 a梭梭林土壤剖面鹽分含量已顯著高于0 a和3 a梭梭林，16 a后鹽分含量成倍增加，6 a、9 a、16 a和40 a年梭梭林0～100 cm土層平均含鹽量分別為未造林流動(dòng)沙地（0 a，1.53 cmol·kg–1）的1.28倍、1.66倍、5.40倍和6.50倍。不同土層鹽分含量變化分析，20～40 cm、40～60 cm 和60～80 cm三個(gè)土層鹽分的積累速率變動(dòng)在0.26～0.29 cmol·kg–1·a–1，高于0～10 cm和10～20 cm表層土壤的累積速率（0.06～0.19 cmol·kg–1·a–1）（表2）。

注：不同字母表示不同種植年限梭梭林土壤砂粒、粉粒和黏粒含量之間的差異顯著（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in sand，silt and clay content between different ages of the Haloxylon ammodendron plant in the same soil layer.

注：不同字母表示不同栽植年限梭梭林土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和碳氮比之間的差異顯著性（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in SOC，total N and P content，and C/N ratio between different ages of the Haloxylon ammodendron plant in the same soil layer.

表2 土壤鹽分積累與梭梭種植年限的關(guān)系

注：不同字母表示不同種植年限梭梭林土壤、Cl– 和含量之間的差異顯著性（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in ，Cl– and content between different ages of the Haloxylon ammodendron plant.

注：不同字母表示不同種植年限梭梭林土壤Ca2+、Na+、Mg2+ 和K+ 含量之間的差異顯著性（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in Ca2+，Na+，Mg2+ and K+ content between different ages of the Haloxylon ammodendron plant.

3 討 論

固沙植被建植后風(fēng)速降低，植被對(duì)降塵的截獲使表層土壤細(xì)粒物質(zhì)不斷積累，導(dǎo)致表層土壤砂粒含量逐漸減少、黏粉粒逐漸增加，土壤質(zhì)地發(fā)生顯著變化，這已被中國(guó)北方不同固沙區(qū)域的研究所證實(shí)[15-17，20]。本研究表明梭梭種植16 a后，亞表層（10～20 cm）黏粉粒含量也有顯著增加，一方面是由于隨著植被生長(zhǎng)，凋落物在冠層下的積累和表層細(xì)粒物質(zhì)的增加、以及風(fēng)蝕作用，冠層下由凋落物及細(xì)粒物質(zhì)膠結(jié)形成的土層逐漸增厚，另一方面，土壤動(dòng)物的擾動(dòng)使表層和亞表層土壤混合，導(dǎo)致亞表層的粒級(jí)組成也發(fā)生變化。土壤黏粉粒含量的增加為土壤結(jié)皮形成提供了膠結(jié)物質(zhì)，也是SOC含量和N、P養(yǎng)分增加的一個(gè)主要方面[16-17，20]。研究結(jié)果表明，表層土壤SOC與全氮含量隨梭梭生長(zhǎng)年限增加而逐漸積累，9 a后差異顯著，而全磷含量只有40 a梭梭林有顯著提高，這與前期對(duì)表層土壤的研究結(jié)果基本一致[11]。在表層以下10～20 cm和20～40 cm土層，SOC和全氮含量只在植被建植40 a后有顯著變化，SOC的變化較全氮的變化更為明顯，固沙植被建植對(duì)土壤P的影響更為微弱。SOC與養(yǎng)分含量在土壤剖面中的分布變化表明了固沙植被建植后，成土的生物作用有所增強(qiáng)，建植40 a后的梭梭林，在表層已形成2～5 cm厚度、由分解和半分解的凋落物、黏粉粒和鹽分膠結(jié)形成的多孔結(jié)皮層特征，有一定程度的腐殖質(zhì)積累和弱發(fā)育的腐殖質(zhì)層的分化，表明土壤已從干旱砂質(zhì)新成土向干旱正常新成土發(fā)育。受限于有限的降雨量（110 mm），流沙固定后未能形成草本植物層，生物土壤結(jié)皮也未能發(fā)育，與沙坡頭地區(qū)流動(dòng)沙地人工植被建植后的土壤演變相比，土壤發(fā)育進(jìn)程明顯緩慢[16]。

在流動(dòng)沙地建植人工固沙梭梭40 a的時(shí)間序列上，土壤黏粉粒、SOC和全N含量的顯著變化主要發(fā)生在表層0～20 cm土壤，而鹽分的積累發(fā)生在0～100 cm土層，鹽分的積累效應(yīng)明顯大于養(yǎng)分的積累。這種梭梭引起的土壤變化可能對(duì)梭梭的自身生長(zhǎng)產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔?，因?yàn)樗笏笫窍←}鹽生植物，其生長(zhǎng)需要吸收養(yǎng)分，也需要大量的鹽分；但對(duì)其他植物種如草本植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生負(fù)反饋?zhàn)饔?，如表層黏粉粒含量增加、結(jié)皮層形成不利于草本植物土壤種子庫(kù)的積累，鹽分的積累對(duì)一些植物的發(fā)育產(chǎn)生抑制[10]。梭梭種植10 a后，處于不斷的自疏和衰退生長(zhǎng)過程，沙面穩(wěn)定后草本植物數(shù)量和蓋度有所增加，出現(xiàn)物種主要是耐鹽的短命植物種如白莖鹽生草和霧冰藜等[11]，40 a后仍未能形成灌木與草本植物結(jié)合的植被生態(tài)系統(tǒng)，人工植被的穩(wěn)定性和植被系統(tǒng)的長(zhǎng)期演變需要更長(zhǎng)時(shí)間尺度的觀測(cè)。

4 結(jié) 論

［1］ Liu J L，Wang Y G，Yang X H，et al. Genetic variation in seed and seedling traits of sixshrub provenances in desert areas of China. Agroforestry Systems，2011，81：135—146.

［2］ Su Y Z，Zhao W Z，Su P X，et al. Ecological effects of desertification control and desertified land reclamation in an oasis–desert ecotone in an arid region：A case study in Hexi Corridor，Northwest China. Ecological Engineering，2007，29：117—124.

［3］ Yang W B，F(xiàn)eng W，Jia Z Q，et al. Soil water threshold for the growth ofin the Ulan Buh desert in arid northwest China. South African Journal of Botany，2014，92：53—58.

［4］ Su P X，Cheng G D，Yan Q D，et al. Photosynthetic regulation of C4desert plantunder drought stress. Plant Growth Regulation，2007，51：139—147.

［5］ Li J，Zhao C，Zhu H，et al. Effects of plant species on shrub of fertile island at an oasis—desert ecotone in the South Junggar Basin，China. Journal of Arid Environments，2007，71：350—361.

［6］ Liu Y H，Yang Y L，Sheng J D，et al. Fertile island characteristics of soil nutrients inland in North Xinjiang. Acta Pedologica Sinica，2010，47（3）：546—554.[劉耘華，楊玉玲，盛建東，等.北疆荒漠植被梭梭立地土壤養(yǎng)分“肥島”特征研究.土壤學(xué)報(bào)，2010，47（3）：546—554.]

［7］ Li C J，Li Y，Ma J. Spatial heterogeneity of soil chemical properties at fine scale induced by（Chenopodiaceae）plants in a sandy desert. Ecological Research，2011，26：385—394.

［8］ Zhu Y J，Jia Z Q. Soil water utilization characteristics ofplantation with different age during summer. Acta Ecologica Sinica，2011，31：341—346.

［9］ Wang G H，Zhao W Z，Liu H，et al. Changes in soil and vegetation with stabilization of dunes in a desert-oasis ecotone. Ecological Research，2015，30（4）：639—650.

［10］ Zhang G F，Zhao L W，Yang Q Y，et al. Effects of desert shrubs on fine-scale spatial patterns of understory vegetation in dry-land. Plant Ecology，2016，217：1141—1155.

［11］ Zhang K，Su Y Z，Wang T，et al. Soil properties and herbaceous characteristics in an age sequence ofplantations in an oasis-desert ecotone of northwestern China. Journal of Arid Land，2016，8（6）：960—972.

［12］ Cao Y F，Li Y，Li C H，et al. Relationship between presence of the desert shruband microbial communities in two soils with contrasting textures. Applied Soil Ecology，2016，103：93—100.

［13］ van der Putten W H，Bardgett R D，Bever J D，et al. Plant-soil feedbacks：The past，the present and future challenges. Journal of Ecology，2013，101：265—276.

［14］ Li F，Zhao W Z. Hydrologic thresholds and changes in NPP of artificial sand-fixing vegetation in a desert-oasis ecotone in Northwest China. Journal of Arid Environments，2017，146：44—52.

［15］ Xiao H L，Li X R，Duan Z H，et al. Succession of plant-soil system in the process of mobile dunes stabilization. Journal of Desert Research，2003，23（6）：605—611. [肖洪浪，李新榮，段爭(zhēng)虎，等. 流沙固定過程中土壤-植被系統(tǒng)演變.中國(guó)沙漠，2003，23（6）：605—611.]

［16］ Su Y Z，Zhao H L. Soil properties and plant species in an age sequence ofplantations in the Horqin Sandy Land，North China. Ecological Engineering，2003，20：223—235.

［17］ Su Y Z，Wang X F，Yang R，et al. Effects of sandy desertified land rehabilitation on soil carbon sequestration and aggregation in an arid region in China. Journal of Environment Management，2010，91：2109—2116.

［18］ Chen L H，Li F X，Di X M，et al. Aeolian sandy soils in China. Beijing：Science Press，1998.[陳隆亨，李福興，邸醒民，等. 中國(guó)風(fēng)砂土. 北京：科學(xué)出版社，1998.]

［19］ Bao S D. Soil and agricultural chemistry analysis. Beijing：China Agriculture Press，2000. [鮑士旦.土壤農(nóng)化分析. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000.]

［20］ Li C J，Lei J Q，Gao P，et al. Research progress of soil forming process of aeolian sandy soil under the effect of artificial shelter-belt. Acta Pedologica Sinica，2012，49（6）：1227—1234. [李從娟，雷加強(qiáng)，高培，等. 人工防護(hù)林作用下風(fēng)沙土成土過程的研究進(jìn)展. 土壤學(xué)報(bào)，2012，49（6）：1227—1234.]

［21］ Xi J B，Zhang F S，Chen Y，et al. A preliminary study on salt contents of soil in root-canopy area of halophytes. Chiese Journal of Applied Ecology，2004，15（1）：53—58. [郗金標(biāo)，張福鎖，陳陽，等. 鹽生植物根冠區(qū)土壤鹽分變化的初步研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào). 2004，15（1）：53—58.]

［22］ Bai X F，Zhu J J，Wang Z L，et al. Relationship between the salt accumulation and the drought resistance in several woody plants in arid zone. Scientia Silvae Sinicae，2012，48（7）：45—49. [柏新富，朱建軍，王仲禮，等. 干旱區(qū)木本植物鹽分積累與其耐旱性的關(guān)系. 林業(yè)科學(xué)，2012，48（7）：45—49.]

［23］ Li C J，Ma J，Li Y. Salt content in the rhizosphere of five psammophytes. Acta Ecologica Sinica，2009，29（9）：4649—4655. [李從娟，馬健，李彥. 五種沙生植物根際土壤的鹽分狀況. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29（9）：4649—4655.]

Soil Evolution processes following establishment of artificial sandy-fixingforest

SU Yongzhong, LIU Tingna

(Linze Inland River Basin Research Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Eco-Hydrology in Inland River Basin, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Sand-fixingplantation; Plantation chronosequence; Soil salt; Soil organic carbon; Total nitrogen; Edge of oasis

S153

A

10.11766/trxb201812290592

蘇永中，劉婷娜. 流動(dòng)沙地建植人工固沙梭梭林的土壤演變過程[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2020，57（1）：84–91.

SU Yongzhong，LIU Tingna.Soil Evolution processes following establishment of artificial sandy-fixingforest[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（1）：84–91.

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0504304）資助Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2017YFC0504304）

蘇永中（1966—），甘肅古浪人，研究員，主要從事干旱區(qū)土壤學(xué)與綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究。E-mail：suyzh@lzb.ac.cn

2018–12–29；

2019–05–05；

2019–07–22

（責(zé)任編輯：檀滿枝）