王 濤，司萬童，閆瑞強(qiáng)，李海東，林乃峰①，沈渭?jí)?(.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 004；.重慶文理學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 4060)

人工植被恢復(fù)與重建是土地沙化治理中重要的措施之一，人工種植固沙植物不僅能降低風(fēng)速，還能抑制沙粒流動(dòng)。固沙植物對(duì)沙化土壤理化性質(zhì)的影響依然是土地沙化治理的研究熱點(diǎn)。固沙植物發(fā)達(dá)的根系通過改變沙地土壤理化性質(zhì)進(jìn)而影響土壤的通透性、對(duì)水分的吸持能力、緊實(shí)度和黏結(jié)性等諸多方面[1]，而且對(duì)植物的生長發(fā)育有重要作用，對(duì)沙漠化的發(fā)生、發(fā)展及植被恢復(fù)有重要影響[2-3]。同時(shí)，各種養(yǎng)分在土壤中的存在形式和濃度也影響植被生長發(fā)育[4]。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤機(jī)械組成特征對(duì)研究土壤風(fēng)蝕、土地沙漠化、沙塵暴等方面具有重要的意義[5-10]。西藏是我國土地沙化嚴(yán)重的地區(qū)之一[11]，其中雅魯藏布江中游地區(qū)屬于高寒干旱氣候區(qū)，區(qū)域內(nèi)非典型的沙漠環(huán)境植被稀疏[12]，河灘沙質(zhì)沉積物豐富，使得該地區(qū)風(fēng)沙化嚴(yán)重。學(xué)者們對(duì)雅魯藏布江河谷沙地的空間分布[13-14]、風(fēng)沙地貌形成和發(fā)展演化驅(qū)動(dòng)因素[15]、固沙措施和適生植物種篩選方面[16-20]也開展了許多研究。

近年來，隨著雅魯藏布江中游山南寬谷地區(qū)開展重點(diǎn)區(qū)域生態(tài)公益林建設(shè)工程、生態(tài)安全屏障建設(shè)工程、防沙治沙示范區(qū)工程等項(xiàng)目，沙地面積持續(xù)減少，河谷兩岸風(fēng)沙化趨勢明顯好轉(zhuǎn)。但河谷兩岸依然存在較大面積的山坡流動(dòng)沙地，這些沙地不僅海拔高、流動(dòng)性強(qiáng)，而且坡度大、水分條件差、地形條件復(fù)雜，研究表明山坡流動(dòng)沙地僅憑自然力進(jìn)行恢復(fù)非常困難[21-23]，實(shí)施人工造林人力成本和經(jīng)費(fèi)投入也巨大。多年的實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雅魯藏布江中游山南寬谷段山坡流動(dòng)沙地固沙工程以設(shè)置沙障為主，較少開展人工種植植被工程?；ò?Hedysarumscoparium)是西北沙地固沙造林的優(yōu)良先鋒植物，它主、側(cè)根部極發(fā)達(dá)，生長迅速，能在流沙環(huán)境中抗風(fēng)蝕沙埋，同時(shí)還具有耐嚴(yán)寒高溫的特性，但在山南寬谷沙地植被恢復(fù)和重建中較少使用花棒做為治沙人工種植物種。筆者所在研究團(tuán)隊(duì)在北岸山坡流動(dòng)沙地開展多年試驗(yàn)，觀測發(fā)現(xiàn)樣地中花棒能在高寒河谷完成生活史并進(jìn)行繁殖，對(duì)山坡流動(dòng)沙地具有一定的固沙效果。因此選取樣地中人工種植的花棒作為研究對(duì)象，分析多年生花棒對(duì)沙地土壤理化性質(zhì)的影響，旨在為雅魯藏布江中游山坡流動(dòng)沙地治理提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究樣地調(diào)查

試驗(yàn)樣地為雅魯藏布江中游北岸山坡流動(dòng)沙地，位于山南市貢嘎縣雅魯藏布江大橋東側(cè)，隔江與拉薩貢嘎機(jī)場相望，地理位置為29°20′21″ N，90°53′15″ E，試驗(yàn)地海拔3 582 m，最大坡度約40°，坡向?yàn)闁|坡和東南坡，距離雅魯藏布江約400 m。年平均氣溫為4.7～8.3 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)為2 600～3 300 h，年降水量為250～580 mm，年蒸發(fā)量為2 293～2 734 mm，降水主要集中在5—9月。土壤水分主要依靠降水補(bǔ)給，不受河流水位變動(dòng)的影響。山坡沙地坡度大，可劃分為迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡和丘間地，而沙丘頂部不明顯，常與背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡相連。2009年以前試驗(yàn)地初始地貌為流動(dòng)沙地，無植被生長。

試驗(yàn)樣地于2009—2018年開展沙地適生植物種篩選和人工植被恢復(fù)效果研究，試驗(yàn)樣地人工植被恢復(fù)效果前后對(duì)比明顯(圖1)。2009年在試驗(yàn)樣地中種植了花棒、籽蒿(Artemisiasphaerocephala)、楊柴(Hedysarummongolicum)、沙拐棗(Calligonumarborescens)、中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、檸條(Caraganakorshinskii)、中國沙棘(Hippophaerhamnoides)、羅布麻(Apocynumvenetum)和梭梭(Haloxylonammodendron)這9種北方優(yōu)良沙生植物，還有砂生槐(Sophoramoorcroftiana)、變色錦雞兒(Caraganaversicolor)、西藏錦雞兒(Caraganaspinifera)、藏沙蒿(Artemisiawellbyi)、藏龍蒿(Artemisiawaltonii)、西藏沙棘(Hippophaethibetana)和江孜沙棘(Hippophaegyantsensis)這7種西藏鄉(xiāng)土沙生植物種。截至2018年，試驗(yàn)樣地內(nèi)植被平均蓋度達(dá)到38%以上，選取的16種植被只剩下5種，試驗(yàn)樣地內(nèi)花棒、楊柴、籽蒿生長較好。西藏鄉(xiāng)土沙生植物種(藏沙蒿、砂生槐)、原生沙地物種(固沙草、芒草)數(shù)量較少且長勢一般。其中樣地內(nèi)花棒高度最高為410 cm，冠幅為560 cm×520 cm，成為樣地中主要植被類型，楊柴高度最高為261 cm，冠幅為370 cm×410 cm；籽蒿高度最高為122 cm，冠幅為80 cm×110 cm。試驗(yàn)樣地內(nèi)前3 a為保障植被生長每年進(jìn)行補(bǔ)種，2012年以后僅觀測植被蓋度和生物量，試驗(yàn)樣地未進(jìn)行人工補(bǔ)種和施肥澆水，盡量模擬自然條件下的植被生長。

圖1 試驗(yàn)地植被恢復(fù)對(duì)比圖

1.2 研究方法

樣品采集于2018年8月。根據(jù)迎風(fēng)坡高度不同設(shè)置4條樣帶(圖2，高度為H1>H2>H3>H4)，不同高度分別布設(shè)植被種植區(qū)(試驗(yàn)組)和裸地(對(duì)照組)2個(gè)采樣點(diǎn)，4條樣帶共計(jì)8個(gè)采樣點(diǎn)，其中4個(gè)為距花棒根莖半徑20 cm的表層土壤采樣點(diǎn)(試驗(yàn)組)，4個(gè)為無植被生長的土壤采樣點(diǎn) (對(duì)照組)。以四分法對(duì)距花棒根莖半徑20 cm的表層(0～20 cm)土壤進(jìn)行采樣(試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組2、試驗(yàn)組3、試驗(yàn)組4)，在與花棒植株相同高度附近選取無植被生長的表層(0～20 cm)土壤采樣(對(duì)照組1、對(duì)照組2、對(duì)照組3、對(duì)照組4)。土壤樣品采集后帶回試驗(yàn)室，去除植物根系等異物，避光自然陰干，對(duì)每一份樣品磨碎處理，過0.83 mm孔徑土壤篩，裝入自封袋備用。

土壤分析測試指標(biāo)包括pH值，有機(jī)質(zhì)(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)含量，土壤粒度。土壤pH值采用電位法測定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定;土壤全磷含量采用氫氟酸-高氯酸酸溶鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀含量采用氫氟酸-高氯酸酸溶火焰光度法測定；土壤粒度組成由馬爾文激光粒度儀測定，土壤機(jī)械組成按以下分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[4]：石礫(>2.00 mm)、極粗砂粒(>1.00～2.00 mm)、粗砂粒(>0.50～1.00 mm)、中砂粒(>0.25～0.50 mm)、細(xì)砂粒(>0.10～0.25 mm)、極細(xì)砂粒(>0.05～0.10 mm)、粉粒(>0.002～0.05 mm)、黏粒(≤0.002 mm)。土壤養(yǎng)分分級(jí)采用全國第二次土壤普查推薦的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

圖2 采樣點(diǎn)位置示意

表1 土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)樣品均做3次平行試驗(yàn)。所有結(jié)果滿足實(shí)驗(yàn)室質(zhì)控要求，標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在±10%之內(nèi)。利用SPSS 17.0和Excel 2007軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，利用one-way ANOVA進(jìn)行方差分析和顯著性分析。采用Person相關(guān)性分析來分析2個(gè)變量的線性相關(guān)程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量

由圖3可見，花棒生長地土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著高于對(duì)照組，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的變幅分別為2.54～5.32和1.05～1.29 g·kg-1。隨著山坡高度的增加(H4至H1)，有機(jī)質(zhì)含量整體呈先增加后減少的趨勢，這與采樣點(diǎn)的植被覆蓋度有很大關(guān)系，山坡中部花棒覆蓋率較高，土壤中植物根系更加發(fā)達(dá)，生長地土壤表層凋零物更加豐富。花棒生長地土壤全氮含量顯著高于對(duì)照組，表明花棒生長可以顯著提高當(dāng)?shù)赝寥乐杏袡C(jī)質(zhì)和氮肥含量?；ò羯L地土壤pH值表現(xiàn)為對(duì)照組明顯高于試驗(yàn)組，土壤全鉀含量除H4略高于對(duì)照組外，其余高度的花棒生長地土壤全鉀含量均低于對(duì)照組?；ò羯L地土壤pH值和全鉀含量變幅分別為6.67～7.26和17.22～20.37 g·kg-1。分析發(fā)現(xiàn)，就土壤酸堿性而言，花棒生長地土壤接近中性，而對(duì)照組的土壤全部為堿性。表明山坡流動(dòng)沙地人工種植花棒可以在一定程度上降低沙地土壤的堿度，且隨著山坡高度的增加，這種改良效果更加明顯。隨山坡高度的增加，花棒生長地土壤全鉀含量逐漸降低，而對(duì)照組土壤全鉀含量沒有太大變化，可見山坡上部植物對(duì)土壤中的鉀離子吸收和消耗更多?；ò羯L地土壤全磷含量變幅為0.20～0.24 g·kg-1，對(duì)照組土壤全磷含量變幅為0.21～0.25 g·kg-1。同一高度試驗(yàn)組與對(duì)照組土壤之間差異不顯著，全磷含量基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)，說明花棒的生長消耗和根際效應(yīng)讓當(dāng)?shù)乇韺油寥乐腥缀刻幱谝粋€(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，整體影響不顯著。

圖3 各樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分含量和pH值

根據(jù)表1對(duì)各樣地表層土壤養(yǎng)分進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)(表2)，結(jié)果顯示該樣地除了鉀元素外，其余各項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)水平極低。其中有機(jī)質(zhì)與全磷含量均處于6級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。其次為全氮含量，花棒生長地土壤為3級(jí)，對(duì)照組土壤為4級(jí)。土壤全鉀含量的等級(jí)最高，花棒生長地土壤全鉀含量為2級(jí)，對(duì)照組土壤為3級(jí)。整體來講，整個(gè)研究區(qū)域的土壤肥力水平較低，不利于大部分植物的生長。開展人工植被恢復(fù)時(shí)應(yīng)采取合理措施改善當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境，增加土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力，進(jìn)而提高固沙植被成活率，提升山坡流動(dòng)沙地人工植被恢復(fù)效果。

2.2 土壤顆粒組成

不同土壤粒度組成如圖4所示，山坡流動(dòng)沙地土壤的粒度主要以細(xì)砂粒和中砂粒為主，其中花棒生長地土壤中砂粒占比為30.20%～56.15%，細(xì)砂粒占比為41.55%～65.56%。對(duì)照組土壤中砂粒占比為7.43%～92.84%，細(xì)砂粒占比為6.19%～76.60%。石塊占比(0～0.25%)和黏粒占比最少(0.08%～0.57%)，其他土壤粒度分布極少。從山坡底部到山頂，對(duì)照組土壤細(xì)砂粒含量逐漸增多，中砂粒含量逐漸減少。這是自然風(fēng)選的過程，更細(xì)粒徑的砂粒被風(fēng)吹到了更高更遠(yuǎn)的地方，造成極細(xì)砂粒、粉砂粒和黏粒的流失。而花棒生長地土壤細(xì)砂粒和中砂粒含量較為接近，且在不同高度上相對(duì)穩(wěn)定。這是由于花棒的生長有效降低了地面風(fēng)速，從而截留了更多的較細(xì)粒徑砂粒。說明花棒可以在改變土壤粒度組成方面發(fā)揮良好作用。

表2 各樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖4 各樣點(diǎn)土壤粒度組成

2.3 土壤粒度與養(yǎng)分的相關(guān)性分析

由表3可知，山坡流動(dòng)沙地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量及pH值與各級(jí)土壤粒度組成呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。土壤黏粒占比與全鉀、全磷含量之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P<0.05)，與pH值、有機(jī)質(zhì)和全氮含量之間表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(P<0.01)。粉砂粒占比與各養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性水平與黏粒相似。土壤極細(xì)砂粒占比與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與全鉀含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P<0.05)。細(xì)砂粒占比與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P<0.01)，中砂粒占比與全氮、全磷含量分別呈極顯著、顯著正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，但與土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量分別呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表3 土壤粒度組成與土壤養(yǎng)分因子的相關(guān)系數(shù)

3 討論與結(jié)論

人工植被恢復(fù)可以充分利用土壤-植物復(fù)合系統(tǒng)的功能改善局部土壤理化性質(zhì)，在一定程度上改變生態(tài)系統(tǒng)演替的方向和速度，縮短恢復(fù)周期，是恢復(fù)自然生態(tài)系統(tǒng)的有效措施。以往研究表明，隨著沙地植被恢復(fù)程度的不斷提高，表層土壤趨于細(xì)?；痆5]，沙表開始出現(xiàn)生物結(jié)皮[2]，當(dāng)植被數(shù)量和蓋度達(dá)到到一定程度時(shí)，之前的優(yōu)勢物種灌木植被開始衰退，逐漸被草本植被替代，但這是一個(gè)漫長的過程。2009年以前試驗(yàn)地初始地貌是流動(dòng)沙地，無植被生長。對(duì)比開展人工植被恢復(fù)與重建前后的采樣測試分析數(shù)據(jù)(表4)，與2009年試驗(yàn)樣地土壤pH值(7.21～8.30)相比，2018年對(duì)照組土壤pH值(7.67～8.06)變化不大，但花棒生長地土壤pH值(6.67～7.26)明顯下降，表明植被恢復(fù)對(duì)土壤酸堿度有一定的改良作用，進(jìn)而會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)、微生物活動(dòng)以及植物生長發(fā)育產(chǎn)生很大影響?；ò羯L地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量較2009年有較為明顯的變化，山坡流動(dòng)沙地土壤有機(jī)質(zhì)含量整體隨高度的升高呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。土壤全磷含量幾乎不受花棒生長的影響，其變化趨勢平緩；全鉀含量隨高度的增加而逐漸減小；全氮含量隨著海拔的增高有上升趨勢，但增加相對(duì)緩慢?；ò魧?duì)土壤pH值有較好的降低作用，使土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著升高，對(duì)鉀元素利用較高。整個(gè)區(qū)域的土壤養(yǎng)分普遍較低，總體表現(xiàn)為全鉀最優(yōu)，全氮次之，有機(jī)質(zhì)和全磷最差。研究者在雅魯藏布江江當(dāng)寬谷開展的試驗(yàn)結(jié)果表明，固沙區(qū)土壤pH值下降，全氮、有機(jī)質(zhì)含量明顯增加，花棒生長地土壤測試結(jié)果與其一致[16]。花棒生長地土壤全鉀含量變化可能與當(dāng)?shù)厣狡碌叵滤兄苯雨P(guān)系，由于靠近雅魯藏布江，山體地下水基本靠江水滲透供給，水分隨著當(dāng)?shù)貜?qiáng)烈的蒸發(fā)作用上移，水中的鉀離子等金屬離子滯留在山坡底部，谷底的鉀離子供給與當(dāng)前植物的吸收作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，而坡頂?shù)闹脖晃兆饔眠h(yuǎn)大于供給作用，從而導(dǎo)致土壤全鉀含量降低，表明山坡流動(dòng)沙地中種植花棒對(duì)土壤改良有一定影響。

表4 人工植被恢復(fù)與重建前后土壤理化性質(zhì)對(duì)比

在自然狀態(tài)下，土壤粒度組成在影響土壤理化性質(zhì)的同時(shí)，還與植被生長環(huán)境和養(yǎng)分供給有密切關(guān)系?；ò羯L使土壤中顆粒含量增加，這對(duì)于改善土壤機(jī)械組成有較好的作用。土壤養(yǎng)分含量的高低受土壤粒度影響較大，其中粗砂粒、極粗砂粒、石礫這些粒度的土壤占比與土壤養(yǎng)分含量之間均沒有相關(guān)性；而黏粒和極細(xì)砂粒占比對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響較大且相關(guān)性較高。黏粒和極細(xì)砂粒含量增加對(duì)土壤養(yǎng)分含量增加有較大貢獻(xiàn)，是土壤質(zhì)量提高的主要因素，粉粒和細(xì)砂粒對(duì)土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)較小，而大于中砂粒(包括中砂粒)粒徑的土壤顆粒占比增加則對(duì)土壤養(yǎng)分含量有降低效果。風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈的山坡流動(dòng)沙地會(huì)出現(xiàn)土壤養(yǎng)分虧損的現(xiàn)象。試驗(yàn)樣地多個(gè)采樣點(diǎn)的土壤中粉砂含量減小，黏粒消失，并已經(jīng)出現(xiàn)大量中砂粒和粗砂粒，這是導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣衬M(jìn)一步惡化的主要原因之一，而花棒的生長能夠有效緩解這種情況，這對(duì)當(dāng)?shù)厣狡铝鲃?dòng)沙地的植被恢復(fù)具有非常重要的作用。

在我國西北的毛烏素沙地[24]、騰格里沙漠[25]等地區(qū)人工植被恢復(fù)和重建中，花棒作為治沙先鋒物種被大量使用，但雅魯藏布江中游地區(qū)開展人工植被恢復(fù)與重建時(shí)較少種植花棒。筆者在固定樣地的試驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)，人工種植的花棒在山坡流動(dòng)沙地能完成整個(gè)生命周期且能適應(yīng)高寒氣候條件。但是花棒在高寒沙化草地生態(tài)恢復(fù)中所起的綜合作用，及其在改善土壤環(huán)境條件方面的生態(tài)學(xué)原理和內(nèi)在機(jī)制仍不清楚。后續(xù)研究應(yīng)該進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)和示范區(qū)域，以期進(jìn)一步證明花棒在山坡流動(dòng)沙地中種植的廣泛適應(yīng)性，明確花棒在沙化草地恢復(fù)過程中的內(nèi)在機(jī)制及作用的關(guān)鍵因子，這對(duì)于今后在雅魯藏布江流域篩選出高效的治沙植物并推廣應(yīng)用具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。