人工檸條灌叢密度對荒漠草原土壤養分空間分布的影響

楊陽，劉秉儒，宋乃平，楊新國

（寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川750021）

檸條錦雞兒（Caraganakorshinskii）是豆科錦雞兒屬（Caragana）旱生落葉灌木［1］，主要分布于黃土高原和西北等荒漠地區［2］，具有防風固沙和保持水土等抗逆特性［3］，能形成大面積的人工固沙植被群落，對荒漠地區植被建立和生態恢復等方面發揮著重要作用［1，4］，也是我國北方農牧交錯帶具有極大推廣意義的固沙植物。

寧夏東部荒漠草原特殊的地理位置和惡劣的環境條件，是我國典型的生態脆弱區。人工種植檸條灌叢能夠提高荒漠草原物種的豐富度［4－5］，是遏制其退化的有效途徑之一，合理篩選檸條灌叢密度成為遏制荒漠草原退化的關鍵，檸條灌叢密度與荒漠草原土壤養分空間分布格局的關系顯得尤為重要。近年來關于荒漠草原檸條灌叢與土壤性質的研究已有不少報道，主要集中于檸條根系與土壤水分、土壤性質演變規律等［6－9］，但其內在養分關系及空間格局影響機理尚未得到揭示，因此，在荒漠草原研究人工檸條灌叢密度對其土壤養分空間分布影響，對于合理構建固沙植被有著重要而深遠的意義。本文以封育狀態下的荒漠草原相同立地條件10年人工檸條灌叢為研究對象，將其劃分為不同密度等級（高密度HD、中密度MD、低密度LD），按照水平方向和垂直方向系統展開檸條灌叢密度對土壤養分空間分布的影響，為荒漠草原退化草地的恢復和可持續利用、荒漠植物生長和恢復合理配置格局提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區自然概況

研究區為寧夏中東部鹽池縣典型荒漠草原區，位于毛烏素沙地南緣，該區屬于中溫帶半干旱區，歐亞草原區、中部草原區的過渡地帶，是典型的鄂爾多斯臺地，具有毛烏素沙地的典型氣候特征，氣候類型屬于溫帶大陸性季風，年均溫度7.6℃，年積溫2944.9℃，無霜期138d，干燥度3.1，年均風速2.8m/s，每年5m/s以上的揚沙達323次，年平均降雨量在180～300mm，主要集中在7－9月，約占全年的60%以上，年蒸發量在1221.9～2086.5 mm。該地區具有典型荒漠植被明顯的沙生特征，土壤類型主要是沙化灰鈣土，土壤質地多為輕壤土、沙壤土和風沙土，結構松散、肥力較低等，與檸條灌叢的伴生種為中亞白草（Pennisetumcentrasiaticum）、蒙古冰草（Agropyronmongolicun）、短花針茅（Stipabreviflora）、豬毛蒿（Artemisiascoparia）等，將其按照密度等級劃分為高密度（HD）、中密度（MD）、低密度（LD），帶間距分別為1.5，3.0和6.0m；對應密度為4530，3670和2560叢/hm2的3種造林模式。

1.2 樣品采集

2012年10月上旬在寧夏東部鹽池典型荒漠草原區，以臨近的荒漠草原作為對照（CK），分別研究HD、MD和LD檸條灌叢根圍、灌緣、灌叢間土壤養分分布規律及對荒漠草原土壤養分含量空間的影響，水平方向分灌叢根圍、冠緣和灌叢間，垂直方向分為0～10cm，10～20cm，20～40cm，40～60cm，60～80cm，80～100cm土層，系統展開人工檸條灌叢密度對荒漠草原土壤養分空間分布影響，選取的4種樣地重復取樣3次，在每個取樣點采取五點取樣法取混合土樣，同時在取土樣地附近挖剖面，取相應土層的環刀樣品。

1.3 樣品測定方法

土壤樣品經自然風干后，去除植物根系等雜物，通過2mm篩。土壤容重采用環刀法測定［10］；土壤含水量采用烘干法測定；土壤pH采用電極電位法測定（5∶1水土比浸提液）；土壤電導率采樣P4多功能測定儀（Multiline P4Universal Meter，WTM公司，Germany）測定；有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；全磷（TP）采用NaOH堿溶－鉬銻抗比色法測定；有效磷（AP）采用NaHCO3浸提－鉬銻抗比色法測定；全氮（TN）采用半微量凱氏定氮法測定；堿解氮（AN）采用NaOH－H3BO3法測定［11］。

1.4 數據分析

利用Excel 2003和SPSS 13.00軟件對數據進行分析，采用Origin 7.5作圖，單因素方差進行分析（One－Way ANOVA），采用LSD法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤剖面養分分布比較

如圖1所示，4種樣地在不同深度有機碳含量垂直分布明顯不同，垂直分布規律表現為，隨著土層深度增加，呈現先上升后下降趨勢，均以80～100cm土層最低；LD和MD檸條灌叢有機碳含量最高值出現在40～60cm土層；CK和HD檸條灌叢有機碳最高值在20～40cm土層；表層有機碳含量大小依次為HD＞MD＞CK＞LD，10～20cm土層有機碳含量大小依次為CK＞HD＞MD＞LD；40cm土層以下LD、MD和HD檸條林有機碳含量均明顯高于CK。

隨土層深度的增加，4種樣地0～100cm土層土壤全氮、全磷和堿解氮含量依次降低，在60～100cm土層變化基于平穩，相同土層全氮、全磷和堿解氮含量基本表現為HD＞MD＞LD＞CK，局部土層出現波動性；0～20 cm土層3種檸條灌叢土壤全氮含量均高于CK，與CK的含量差變化較均勻，20cm土層以下HD和MD檸條林全氮含量基本接近，但均明顯高于CK和LD檸條林；表層3種檸條灌叢土壤全磷含量高于CK，與CK的含量差異變化較均勻，10～20cm土層MD和HD檸條林全磷含量明顯高于LD和CK，20cm土層以下3種檸條灌叢土壤全磷含量基本接近，但均高于CK；表層3種檸條灌叢土壤堿解氮含量均明顯高于CK，20cm土層以下堿解氮含量基本接近；由土壤表層向深層3種檸條灌叢有機碳、全氮、全磷和堿解氮含量趨于并接近CK。

2.2 土壤剖面平均養分含量對比分析

由表1可知，隨檸條灌叢密度的變化，檸條灌叢與CK土壤養分變化不同，4種樣地土壤有機碳、全氮、全磷、有效磷和堿解氮含量均高于CK，表現為HD＞MD＞LD＞CK，且與CK差異均達到顯著水平。HD與MD檸條灌叢有機碳、全氮、全磷含量差異并不顯著，但與LD和CK達到顯著差異，MD和LD檸條灌叢有效磷、堿解氮含量差異并不顯著，與HD和CK差異顯著；相對于CK，檸條灌叢由高密度到低密度變化過程中，有機碳含量分別增加了15.88%、14.39%、12.41%；全氮含量分別增加了28.20%、17.02%、15.38%；全磷含量分別增加了73.53%、58.82%、23.53%；有效磷含量分別增加了100.00%、33.33%、27.78%，堿解氮含量分別增加了29.86%、21.01%、13.37%，表明檸條灌叢在密度逐漸增大的過程中，0～100cm土層土壤有機碳、全氮、全磷、有效磷和堿解氮含量依次增加，均明顯高于CK，且HD檸條灌叢增加效果最佳，灌緣、灌叢間次之，其中以有效磷的變化最為敏感。

圖1 4種樣地不同深度土壤養分含量比較Fig.1 Soil nutrients in different soil depth of four samples

表1 4種樣地土壤剖面（0～100cm）平均養分含量Table 1 The 0－100cm average of soil nutrients of four samples

2.3 不同土層深度根圍、灌緣、灌叢間養分含量比較

2.3.1 不同土層深度根圍、灌緣、灌叢間有機碳含量比較 從整個土壤剖面來看，表2顯示了4種樣地不同土層深度根圍、灌緣、灌叢間有機碳含量變化，CK與檸條灌叢根圍、冠緣和灌叢間垂直變化規律總體上一致，呈先上升后下降趨勢；3種檸條灌叢相同土層有機碳含量大小所表現出的規律為：根圍＞灌緣＞灌叢間，局部出現波動性；HD檸條灌叢表層有機碳含量較高，其根圍表層有機碳含量“營養富集”較為明顯；垂直方向0～10cm土層，HD和MD檸條灌叢根圍土有機碳含量高于對照，3種檸條灌緣和灌叢間有機碳含量均低于對照；10～20cm土層3種檸條灌叢根圍、灌緣和灌叢間有機碳含量均低于對照；20～100cm土層3種檸條灌叢根圍、灌緣和灌叢間有機碳含量明顯高于對照；0～100cm根圍平均有機碳含量高出對照33.75%、26.80%、24.81%，灌緣平均有機碳含量高出對照13.15%、14.39%、14.14%，HD和 MD檸條灌叢間平均有機碳含量分別高出對照1.0%、2.6%，LD檸條灌叢間平均有機碳含量低于對照1.7%。

表2 不同土層深度根圍、灌緣、灌叢間有機碳含量比較Table 2 The soil organic carbon of RS，MS，IS of different soil depth of four samples g/kg

2.3.2 不同土層深度根圍、灌緣、灌叢間全氮含量比較 表3反映了3種檸條灌叢根圍、灌緣、灌叢間與CK全氮含量在土壤剖面上的變化規律，CK與檸條灌叢根圍、灌緣和灌叢間垂直變化規律總體上一致，呈下降趨勢，隨土層深度的增加下降趨勢逐漸減弱；HD檸條灌叢表層全氮含量明顯高于下層，表層全氮含量“營養富集”作用較明顯。相同土層3種檸條灌叢全氮含量均表現為：根圍＞灌緣＞灌叢間＞CK，3種檸條灌叢0～100cm根圍平均全氮含量高出對照101.52%、73.74%、40.91%，灌緣高出對照75.76%、63.64%、32.32%，灌叢間高出對照75.76%、53.03%、8.08%；隨檸條灌叢密度的增加，3種檸條灌叢根圍、灌緣、灌叢間全氮含量均表現為：HD＞MD＞LD＞CK，隨土層深度的增加這種變化規律基于平穩，80～100cm土層3種檸條灌叢間全氮含量幾乎接近于CK，與CK并沒有顯著差異，說明水平方向這種增加效應按照根圍、灌緣、灌叢間方向依次減弱。

2.3.3 不同土層深度根圍、灌緣、灌叢間全磷含量 表4為4種樣地不同土層深度根圍、灌緣、灌叢間全磷含量的測定結果，從表4可以看出，整個土壤剖面由對照到HD檸條灌叢全磷含量依次增加，但這種增加趨勢隨土層深度逐漸減弱，沒有明顯的深度差異。相同土層3種檸條灌叢全磷含量均表現為：根圍＞灌緣＞灌叢間＞對照，0～100cm 根圍平均全磷含量高出對照101.52%、73.74%、40.91%，灌緣高出對照75.76%、63.64%、32.32%，灌叢間高出對照75.76%、53.03%、8.08%；對照與檸條灌叢根圍、冠緣和灌叢間全磷含量垂直變化規律總體上一致，呈下降趨勢，隨土層深度的增加下降趨勢逐漸減弱，同層相比3種檸條灌叢全磷含量均表現為：根圍＞灌緣＞灌叢間＞對照，這種趨勢隨土層深度增加而減弱，80～100cm土層3種檸條灌叢間全磷含量與對照差異并不顯著。

表3 不同土層深度根圍、灌緣、灌叢間全氮含量比較Table 3 The total nitrogen of RS，MS，IS of different soil depth of four samples g/kg

表4 不同土層深度土層根圍、灌緣、灌叢間全磷含量比較Table 4 The total phosphorus of RS，MS，IS of different soil depth of four samples g/kg

2.3.4 不同土層深度根圍、灌緣、灌叢間堿解氮含量 表5反映了堿解氮含量在土壤剖面上整體水平表現為HD＞MD＞LD＞CK，隨檸條灌叢密度的增加0～100cm土層平均堿解氮含量逐漸增加，但這種增加趨勢隨土層深度的加深逐漸減弱，表現出明顯的深度差異；3種檸條灌叢0～100cm根圍平均堿解氮含量高出對照77.33%、37.15%、24.43%，灌緣高出對照10.47%、32.43%、15.35%，灌叢間低于對照3.80%、12.26%、0.17%；相同土層3種檸條灌叢堿解氮含量基本表現為：根圍＞灌緣＞對照，表明相同土層根圍土對堿解氮的增加效應最明顯，這種增加效應隨土層深度的增加而減弱，而0～100cm土層3種檸條灌叢間堿解氮含量與對照差異并不顯著，且基本低于對照，3種檸條灌叢間土壤堿解氮并沒有出現增加效應。

2.4 各指標相關性分析

荒漠草原人工檸條灌叢土壤養分與土壤理化屬性間存在不同的相關關系，表6的結果表明：土壤有機碳與全氮和水分呈極顯著正相關（P＜0.01），與全磷、堿解氮呈顯著正相關（P＜0.05），與pH呈極顯著負相關（P＜0.01），與容重呈顯著正相關（P＜0.05），與有效磷沒有相關性；土壤全氮與全磷、堿解氮、有效磷、容重呈極顯著正相關（P＜0.01），與pH和電導率呈極顯著負相關（P＜0.01）；堿解氮與pH和電導率呈極顯著負相關（P＜0.01）；有效磷與全氮和全磷呈極顯著正相關（P＜0.01），與堿解氮呈顯著正相關（P＜0.05）；全氮、全磷、有效磷、堿解氮均與土壤水分沒有相關性。

表5 不同土層深度根圍、灌緣、灌叢間堿解氮含量比較Table 5 The alkali－hydro nitrogen of RS，MS，IS of different soil depth of four samples mg/kg

表6 人工檸條灌叢土壤養分與理化因子相關性分析Table 6 Correlation analysis of soil nutrients with physical and chemical factors of artificial Caragana

3 討論與結論

本試驗研究了人工檸條灌叢密度對荒漠草原土壤養分空間分布的影響，結果顯示隨著人工檸條灌叢密度的增加，0～100cm土層土壤養分含量有增加趨勢，綜合表現出高密度檸條灌叢對荒漠草原的增加效應最為顯著，中密度和低密度檸條灌叢次之；從土壤所含養分的增加幅度來看，有效磷的增幅最大，其根圍土增幅達到100%，表現最為敏感。這種結果與檸條灌叢根系分布及根系分泌物有關，植物對其所處環境的適應性，在很大程度上取決于植物根系的形態和結構特性［12］。有研究表明：檸條的蓋度隨密度的增加而增大，與密度呈對數關系［13］，地表徑流隨密度的增加而減少，隨土層加深根系分布不斷地減少［14］，加上土壤表層枯落物的累積、根系的穿透及分泌物改變了土壤水分及養分，密度越大其凋落物積累越多，歸還土壤的養分明顯要高于低密度的檸條灌叢，因此，3種檸條灌叢對土壤養分的積累均明顯高于對照。

本研究在垂直方向3種檸條灌叢對全氮、全磷、有效磷、堿解氮含量增加效應集中于表層以下，以表層土壤養分的增加效應最為明顯，對有機碳的增加效應集中于20cm土層以下，且增加效應隨土層深度加深逐漸減弱。檸條擁有龐大的根系，側根發達的主要部位集中在距地表0～20cm土層中，根系總數由表層向深層逐級遞減［4，14］，這種根系結構特點有利于檸條根系吸收不同土壤層次的水分和養分，檸條灌叢密度越大根系總數分布越多，根系在生長過程中改善了土壤物理條件，因此，荒漠草原引入檸條灌叢后土壤容重降低，土壤養分會有所增加，并且在土壤表層增幅最大，底層增幅最小［15］。上述結果還表明，檸條灌叢對土壤養分的增加效應主要源于檸條主根，側根會影響檸條灌叢對有機碳的增加效應。

荒漠草原區水分是植物生存、分布和生長的一個重要限制因子，是決定生態系統結構與功能的關鍵因子［16－17］，水分的匱乏造成了荒漠草原區土壤貧瘠，土壤養分有效性較差，而人工檸條灌叢卻不受此影響，其機理源于檸條灌叢根系分泌物可通過直接或間接作用來影響和改善植物根圍土的養分有效性，根系分泌的有機酸降低了根圍土的pH，活化根圍土壤難溶性養分，從而提高了養分有效性［18］。有研究表明［2，19－20］，檸條根圍土的多樣性指數較高，表現出從根圍、灌緣、灌叢間微生物到荒漠草原微生物類群的過渡，同時檸條灌叢枯落物的分解和礦化，誘發了土壤微生物的多樣性和數量的增加，加速了土壤養分循環。因此，本研究在相同土層檸條灌叢土壤養分表現為：根圍＞灌緣＞灌叢間＞對照，根圍土出現“養分富集”，與其他學者［19－20］的研究結果一致，也即檸條灌叢根圍土增加養分效應最明顯，灌緣、灌叢間次之，在80～100cm土層3種檸條灌叢間的土壤養分與荒漠草原接近，表明這種增加效應隨土層深度的增加逐漸減弱，并且向遠離根的方向減弱。

王占軍等［21］研究表明隨著檸條帶間距的增加，適宜的造林密度能夠改善土壤有機質、全氮含量；曲衛東等［22］研究土壤有機碳與全氮之間呈極顯著正相關關系，本研究荒漠草原檸條灌叢土壤有機碳與全氮呈極顯著正相關（P＜0.01），與前人的研究結果相吻合，表明檸條灌叢可通過改變土壤起到增加土壤有機碳的作用，檸條灌叢（豆科固氮植物）根系的生長和固氮更有利于土壤有機碳和氮的積累和固定積累，這種特性導致了檸條灌叢土壤有機碳與全氮呈極顯著正相關。本研究還發現，在同一土壤母質條件下，檸條灌叢土壤含水量與土壤有機碳呈極顯著的正相關（P＜0.01），而與土壤其他養分并不相關，說明了荒漠草原檸條灌叢土壤含水量是決定土壤有機碳含量的主要因素之一，與安韶山和黃懿梅［18］的研究結果一致，初步表明了檸條灌叢協調碳和水分的能力較強，因此，檸條灌叢側根作用協同土壤含水量共同增加了土壤有機碳含量。

3種檸條灌叢全磷含量均高于對照，但與對照沒有明顯的深度差異性，說明全磷不僅來源于枯落物分解，同時還來源于檸條灌叢的根系分泌物，土壤深層的分泌物與根系的垂直分布不同程度干擾了全磷的垂直分異，而有效磷卻呈現出明顯的深度差異，表明了在一定條件下，檸條灌叢可通過增加有機酸的分泌以促進植物對磷的吸收，這是檸條灌叢適應干旱環境、提高土壤磷素有效性的一種機制［23］，加之檸條根系極其發達和有較高的固氮能力，表現出極強的生態適宜性，提高了養分吸收的有效性。表6各指標相關性分析中pH與土壤養分呈顯著的負相關，更加說明了檸條根系分泌的適量有機酸對土壤養分的貢獻作用，因此，綜合分析荒漠草原引入檸條灌叢仍可增加其土壤養分含量。

荒漠草原引入3種不同密度的檸條灌叢，其根圍、灌緣、灌叢間的土壤養分分布規律與荒漠草原保持一致。綜合分析比較，排除外界環境因子等影響，引入檸條灌叢對荒漠草原土壤養分的空間分布有增加效應，但荒漠草原土壤養分垂直分布格局總與檸條灌叢保持一致，無論垂直方向還是水平方向檸條灌叢并未影響到荒漠草原土壤養分的垂直分布格局，而只是在此格局基礎上不同程度地增加了其養分含量；從長遠時期來看，荒漠草原人工檸條灌叢在密度增加的過程中，土壤養分的消耗與吸收之間存在平衡點，此平衡點的密度即為荒漠草原土壤養分對引入檸條灌叢后的承載閾值，深層分析荒漠草原土壤養分對檸條灌叢的養分承載閾值及影響因素是未來研究檸條灌叢對荒漠草原土壤養分空間分布影響的方向，這為荒漠草原區灌叢與草地的土壤養分空間分布格局及規律提供了一定的參考價值。

［1］ 牛西午.檸條的栽培與利用［M］.太原：山西科學教育出版社，1988.

［2］ 張薇，胡躍高，黃國和，等.西北黃土高原檸條種植區土壤微生物多樣性分析［J］.微生物學報，2007，47（5）：751－756.

［3］ Dhillion S S，Zak J C.Microbial dynamics in arid ecosystem－desertification and the potential role of mycorrhizas［J］.Revista Chilena de Historia Natural，1993，66：253－270.

［4］ 劉任濤，李學斌，辛明，等.半干旱沙地草場地面節肢動物群落對封育措施的響應［J］.草業學報，2012，21（1）：66－74.

［5］ 張麗珍，牛偉，牛宇，等.檸條對鹽堿地植被組成及土壤特性的影響［J］.生態學報，2009，29（9）：4693－4699.

［6］ 郭忠升，邵明安.人工檸條林地土壤水分補給和消耗動態變化規律［J］.水土保持學報，2007，21（2）：119－123.

［7］ 劉任濤，楊新國，柴永青，等.荒漠草原區檸條林地地面節肢動物功能群對補播牧草和平茬措施的響應［J］.草業學報，2013，22（3）：78－84.

［8］ 劉任濤，楊新國，宋乃平，等.荒漠草原區固沙人工檸條林生長過程中土壤性質演變規律［J］.水土保持學報，2012，26（4）：108－112.

［9］ 張志山，李新榮，張景光，等.用 Minirhizotrons觀測檸條根系生長動態［J］.植物生態學報，2006，30（3）：457－464.

［10］ 魯如坤.土壤農業化學分析方法［M］.北京：中國農業科技出版社，2000.

［11］ 鮑士旦.土壤農化分析［M］.北京：中國農業出版社，2000.

［12］ 韓鳳朋，鄭紀勇，張興昌.黃土退耕坡地植物根系分布特征及其對土壤養分的影響［J］.農業工程學報，2009，（2）：50－55.

［13］ 郭忠升.黃土高原半干旱區水土保持植被恢復限度——以人工檸條林為例［J］.中國水土保持科學，2009，7（4）：49－54.

［14］ 畢建琦，杜峰，梁宗鎖，等.黃土高原丘陵區不同立地條件下檸條根系研究［J］.林業科學研究，2006，19（2）：225－230.

［15］ 呂海波.黃土高原退耕檸條林對土壤理化性質的影響研究［J］.生態環境學報，2013，22（1）：47－49.

［16］ 邵新慶，沈禹穎，王堃.水土保持耕作對夏種大豆光合，蒸騰及水分利用效率的影響［J］.草業學報，2006，15（6）：82－86.

［17］ 胡小文，王彥榮，武艷培.荒漠草原植物抗旱生理生態學研究進展［J］.草業學報，2004，13（3）：9－15.

［18］ 安韶山，黃懿梅.黃土丘陵區檸條林改善土壤作用的研究［J］.林業科學，2006，42（1）：70－75.

［19］ 張強，程濱，楊治平，等.蘆芽山鬼箭錦雞兒灌叢營養特征及土壤養分分布規律［J］.應用生態學報，2006，17（12）：2287－2291.

［20］ 任雪，褚貴新，宋日權，等.準噶爾盆地南緣綠洲－荒漠過渡帶梭梭“肥島”效應特征［J］.土壤通報，2010，41（1）：100－104.

［21］ 王占軍，蔣齊，潘占兵，等.寧夏干旱風沙區不同密度人工檸條林營建對土壤環境質量的影響［J］.西北農業學報，2012，21（12）：153－157.

［22］ 曲衛東，陳云明，王琳琳，等，黃土丘陵區檸條人工林土壤有機碳動態及其影響因子［J］.中國水土保持科學，2011，9（4）：72－77.

［23］ Hoffland E，Findenegg G R，Nelemans J A.Solubilization of rock phosphate by rapeⅡ.Local root exudation of organic acids as a response to P－starvation［J］.Plant and Soil，1989，113（7）：161－165.