人工梭梭林對沙地土壤理化性質和微生物的影響

席軍強,楊自輝*,郭樹江,王強強，張劍揮,王多澤

(1.甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，甘肅 民勤 733300;2.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070)

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人工梭梭林對沙地土壤理化性質和微生物的影響

席軍強1，2,楊自輝1，2*,郭樹江1,王強強1，張劍揮1,王多澤1

(1.甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，甘肅 民勤 733300;2.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070)

選取民勤生長20年的人工梭梭林沙丘和流動沙丘為對象，研究梭梭林發育過程中沙丘土壤理化性質、微生物數量的變化以及二者之間的相關性，旨在探討人工梭梭林對沙丘土壤形成的影響，為干旱區沙化土地治理提供科學依據。結果表明，營造梭梭林使其林內土壤得到較好的改善。1)土壤粘粒、粉粒和細砂粒含量分別增加71.51%，70.64%，12.09%；有機質、全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效鉀、速效磷和CaCO3含量均增加；2)細菌、放線菌數量分別增加38.43%，32.52%，真菌數量減少75.38%，土壤堿化程度得到緩解；3)在50～100 cm土層，梭梭蒸騰消耗使土壤水分含量相對減少；4)土壤微生物和土壤理化性質均具較好的相關性，尤其是真菌和放線菌數量與pH值呈顯著的負相關關系(P<0.05)，有機質含量與細菌和真菌數量呈顯著的正相關關系(P<0.05)；土壤微生物數量與土壤粒度大小、土壤含水量之間呈線性關系且不顯著(P>0.05)?？梢?，梭梭林的建立有利于改善土壤物理結構，提高土壤肥力，加快沙地成土進程。

土壤微生物；土壤理化性質；沙地；人工梭梭

梭梭(Haloxylonammodendron) 廣泛分布在固定、半固定沙丘、沙地上，具有耐干旱、耐貧瘠、耐沙埋風蝕、耐鹽堿、容易成活、生長快等優勢，在我國西北干旱荒漠區防沙治沙中得到廣泛應用。20世紀60年代從新疆引入民勤[1]，已成為人工防風固沙林主栽樹種，固沙造林面積3萬多hm2，形成了民勤綠洲防風固沙林體系的基本骨架[2-5]。多年來，學者們對梭梭的生物學與遺傳特征[6-9]、抗旱抗寒機理和光合水分生理特征[10-14]、梭梭群落分布與其生長特征[15-18]、梭梭育苗與造林技術[19-21]、梭梭林地水分平衡[22-24]和梭梭林衰退原因[25-28]等多方面進行了研究。另外，國內對梭梭林地的研究主要集中在土壤物理組成、土壤容重、孔隙度、土壤水文過程、土壤養分[29-31]及土壤結皮[32]等方面，針對不同年代人工梭梭林沙地土壤微生物及其與理化性狀相關性等方面的研究尚未見有報到。

土壤微生物是評價土壤質量的生物學指標[33]，它與植物營養和土壤理化性狀密切相關，并能預測土壤發育趨勢。微生物在凋落物分解、土壤腐殖質形成、養分循環利用和能量流動等方面起著重要的作用[34-35]。土壤微生物和理化性質對土壤的改良和促進風沙土形成土壤具有重要的影響。

本文對栽植在流動沙丘上生長20年的梭梭人工林土壤微生物和理化性質進行了研究，旨在探討梭梭人工林對流動沙丘風沙土的改善能力，以及對促進沙地土壤形成的影響，了解流動沙丘梭梭造林后的風沙土成土過程以及梭梭林在沙地生態系統中所起的作用，為沙化土地治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區選在民勤綠洲荒漠過渡帶，該區位于石羊河內陸河下游，屬于巴丹吉林沙漠的東南邊緣， 地理位置在102°03′-104°03′ E，38°05′-39°06′ N 之間。東、北、西三面被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍，屬于我國典型荒漠地區。其特點為：氣候干燥、降水稀少、蒸發強烈、風大沙多、氣候環境十分惡劣；多年平均氣溫7.6℃，年均日較差15.2℃；≥10℃年積溫為3036.4℃，無霜期176 d；多年平均降水量為113 mm，主要集中在每年的6-9月，占年均總降水量的60%以上；多年平均蒸發量為2664.0 mm，年≥8級大風日數為27.8 d；研究區地下水位都在20 m以下，植物生長和存活完全依靠天然降水。

民勤荒漠綠洲過渡帶植被主要是人工梭梭林群落，都是20世紀 60年代以來陸續在流動沙丘上營造的防風固沙林，伴生植物種主要有唐古特白刺(Nitrariatangutorum)、 沙蒿(Artemisiaordosica)、黃花磯松(Limoniumau-reum)、鹽生草(Halogetonglomeratus)、五星蒿(Echinopilondivaricatum)、畫眉草(Eragrostispilosa)、豬毛菜(Salsolacollina)及沙米(Agriopyllumsquarrosum)等。 地貌類型主要以固定沙丘、半固定沙丘和流動沙丘為主，相間分布有粘質平灘地、平緩假戈壁和礫石質低山等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置 研究樣地設在甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站(簡稱民勤國家野外站)沙漠到綠洲過渡帶，在人工梭梭林和流動沙地100 m×100 m的綜合觀測場分別設10 m×10 m的9個固定樣地，樣品分別在兩種類型樣地中采集。

1.2.2 樣品采集 土壤取樣于2014年7月進行，在樣地內運用土壤剖面法和多點混合取樣法分別采集0～2 cm， 2～10 cm， 10～20 cm土樣，各采樣點相同土層混合后取樣，9個樣地的土樣作為重復，然后挑取石塊、植物殘根等雜物后分兩份裝入無菌塑料袋，一份帶回實驗室放入4℃冰箱供土壤微生物類群數量測定，一份供土壤粒度組成和土壤理化性質等的測定分析。

1.2.3 測試方法 真菌數量測定采用馬丁-孟加拉紅培養基，以平板表面涂抹法計數[36-37]。即稱取土壤鮮樣10 g，在無菌條件下用無菌水配成不同濃度梯度懸浮液，取稀釋度為10-2，10-3，10-4的土壤懸浮液各1 mL，接種于盛有滅菌的馬丁-孟加拉紅培養基的培養皿中，用無菌刮刀涂抹均勻。每個濃度3個重復，恒溫(25℃)培養5～7 d，選取每皿菌落數為15～150的1個稀釋度統計菌落數，按下列公式計算真菌數量。

菌數(cfu/g)=菌落平均數×稀釋倍數×10/干土

放線菌數量測定采用高氏一號培養基，以平板表面涂抹法計數[36-37]。取稀釋度為10-3，10-4，10-5的土壤懸浮液各1 mL接種于盛有滅菌的高氏一號培養基，其余與真菌數量測定方法相同。恒溫(28℃)培養7～10 d，按上述方法和公式統計菌落數并計算放線菌數量。

細菌數量測定采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，以平板表面涂抹法計數[36-37]。取稀釋度為10-6，10-7，10-8的土壤懸浮液各1 mL接種于盛有滅菌的牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，恒溫(28℃)培養3 d,統計菌落數，其余與放線菌數量測定方法相同。

土壤理化性質分析方法[38]：土壤粒度組成采用Malvern 2000型激光粒度儀測量粘粒(0.01～2 μm)，粉粒(2～20 μm)，細砂粒(20～200 μm)，粗砂粒(200～2000 μm)；全氮采用半微量凱氏法；全磷采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法；全鉀采用堿熔-火焰光度法；有機質采用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法；水解氮采用堿解擴散法；速效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法；土壤碳酸鈣采用快速中和滴定法；pH采用玻璃電極法。

土壤水分測定方法：在研究區選擇典型的人工梭梭林沙丘和流動沙丘各1個作為試驗樣地，在每個樣地埋設深150 m的水分探頭并安裝JY2PC-2S型土壤濕度監測儀，探頭埋設的深度分別為10，30，50，70，90，110，130，150 cm，并定時記錄8個土層的土壤體積含水量，每隔60 min監測1次，從每年的5月初到9月底，連續2年(2012-2014年)。

1.2.4 數據處理與分析 基本數據分析和繪圖采用Microsoft Excel進行，采用SPSS 17.0軟件One-way ANOVA法進行方差分析，采用DPS軟件的Duncan法進行顯著性檢驗，微生物數量和理化因子之間的相關性分析采用Pearson相關，所有數值以平均值±標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 人工梭梭林地土壤粒度特征

經Spearman相關關系檢測，SMILE組和FS-LASIK組在手術前后角膜光密度的變化量與手術前后角膜厚度、曲率、眼壓、等效球鏡的改變量無明顯相關關系。

圖1 人工梭梭林地與流動沙丘土壤粒度組成Fig.1 Composition of soil particles in H. ammodendron plantation sand and flowing sand

在研究區內選擇20年人工梭梭林地和流動沙丘2種沙地類型，對其土壤粒徑進行對比分析。如圖1所示，2種沙地的土壤粒徑分布有明顯的不同，人工梭梭林地主要以細砂粒為主(占56.1%)，流動沙丘以粗砂粒為主(占46.7%)。在土壤表層(0～2 cm)和2～10 cm，粘粒、粉粒和細砂粒含量人工梭梭林地遠高于流動沙丘，梭梭林與流動沙丘土壤表層粘粒分別占7.5%，1.0%，粉粒占22.5%，3.0%，細砂粒占67.0%，39.0%，粗砂粒占3.0%，57.0%。在垂直方向上，隨土層深度的增加，人工梭梭林地粘粒、粉粒和細砂粒含量逐漸減小，粗砂粒含量增加；而流動沙丘粘粒和粉粒含量基本保持不變，細砂粒含量逐漸增加，粗砂粒含量減少。可以看出，流動沙丘梭梭造林對土壤的形成作用非常明顯。

2.2 人工梭梭林地土壤微生物數量特征

表1表明，梭梭林的營造對土壤微生物的生長和發育有顯著的促進作用，表現為人工梭梭林地土壤微生物總數量明顯高于流動沙丘；在梭梭林和流動沙丘中微生物類群數量特征為：細菌>放線菌>真菌；梭梭人工林地的細菌和放線菌數量顯著高于流動沙丘，而真菌數量明顯低于流動沙丘。

在土層垂直分布上，細菌和放線菌數量在梭梭林地各土層差異顯著(P<0.05)，隨著土層深度增加細菌數量先增大后減小、放線菌數量逐漸增大；而在流動沙丘各土層細菌和放線菌數量差異不顯著(P>0.05)；真菌數量在梭梭林地差異不顯著(P>0.05)，而在流動沙丘差異顯著(P<0.01)，隨著土壤深度增加依次增大?？梢?，在流動沙丘上營造梭梭林，對土壤微生物的影響較大，梭梭林對流動沙丘風沙土形成土壤具有重要的作用。

表1 人工梭梭林地土壤微生物區系

注:表中值為平均值±標準誤，同列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01),不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: The table is the mean value±standard error, different capital letters have a extremely significant difference (P<0.01) and different lowercase letters have a significant difference (P<0.05) in the same column, the same below.

2.3 人工梭梭林地土壤化學特性

由表2 可知，隨著流動沙丘上人工梭梭林的生長發育，土壤養分含量發生顯著變化。梭梭林地土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效磷和速效鉀含量都較流動沙丘有較大幅度的提高，另外，梭梭林隨沙地的逐漸固定，土壤的堿化度得到一定程度的緩解，梭梭的防風固沙作用，細顆粒物質和大氣降塵在表層土壤得到積累，CaCO3含量有所增加。

在土層垂直分布上，梭梭林地和流動沙丘有機質和水解氮含量各土層差異顯著(P<0.01)；全氮、全磷和全鉀差異不顯著(P>0.05)；而速效磷和速效鉀在梭梭林地各土層差異顯著，在流動沙丘差異不顯著；此外，有機質、全氮、水解氮和速效鉀的含量在2～20 cm內含量顯著高于表層土壤(0～2 cm)，這說明植物根系本身對土壤養分的影響較大。

2014年5-9月各月平均降水量為6.6，17.3，37.5，34.6，6.0 mm，7和8月為高降水量月份。由表3可知，在流動沙丘上營建梭梭人工林后，高降水量月份表層土壤含水量高于低降水量月份，但在0～50 cm土層范圍內，低降水量月份，土壤含水量隨土層深度的增加含水量增加，而高降水量月份，土壤含水量隨土層深度的增加含水量減小，最后兩者含水量基本達到同一水平；50～100 cm范圍內，5-8月土壤含水量逐漸減小并達到最低，其原因是該期為梭梭生長期，梭梭根系主要分布范圍在50～100 cm，梭梭的蒸騰作用消耗了土壤水分；100～150 cm范圍內，5-8月土壤含水量逐漸升高并在130 cm之后基本保持穩定。5-8月土壤含水量變化幅度比較大，而9月，土壤含水量變化幅度較小。可見，降水量的多少對0～50 cm土層影響較大，而對下層土壤基本沒有影響，另外，隨季節的變化各土層含水量變化不同，夏季末期和秋季初期(5月底-8月初)的多雨季節各土層水分含量變化較大，而秋季中、末期(8月底-9月底)的少雨季節變化較小。

表2 人工梭梭林地土壤化學特性

2.5 人工梭梭林地土壤微生物數量與土壤化學性狀之間的相關性分析

梭梭林地中的細菌、真菌和放線菌數量與土壤化學因子之間均具有一定的相關性(表4)。真菌、放線菌數量與pH值呈極顯著的負相關關系(P<0.01)，細菌與pH值呈正相關關系且不顯著(P>0.05)；細菌數量與全氮、全鉀、CaCO3和水解氮含量呈負相關關系且不顯著，與土壤有機質含量呈極顯著的正相關關系；真菌數量與全氮、有機質、水解氮、速效鉀和CaCO3含量呈正相關關系且與有機質、水解氮和速效鉀顯著(P<0.05)，與全磷、全鉀和速效磷呈負相關關系且與速效磷極顯著；放線菌數量與水解氮和速效磷含量呈極顯著的正相關關系，與全氮、全磷、有機質和速效鉀呈正相關關系且不顯著，與全鉀和CaCO3含量呈負相關性且不顯著。

2.6 人工梭梭林地土壤微生物數量與土壤物理性狀之間的線性關系

20年的人工梭梭林地，土壤微生物數量隨土壤粒度的增大而減小，隨土壤含水量增大而增加(圖2)，但土壤微生物數量與土壤粒度大小、土壤含水量之間相關性不顯著(P=0.567，P=0.124)。

表3 人工梭梭林地土壤水分分布特征

表4 人工梭梭林地土壤微生物數量與土壤化學性狀之間的相關性分析

注：**為P<0.01，極顯著相關；*為P<0.05，顯著相關。

Note: **forP<0.01, extremely significant correlation; * forP<0.05, significant correlation.

圖2 人工梭梭林地土壤微生物數量與土壤物理性狀之間的線性關系Fig.2 Relationship between soil microbial quantity and soil physical properties in H. ammodendron plantation sand

3 結論與討論

流動沙丘營造梭梭林對促進土壤的形成作用明顯。土壤是由大小、形狀不同的固體組分和孔隙以一定形式連結所形成的多孔介質，固體組分的大小、數量、形狀及其結合方式決定著土壤的質地與結構，進而影響土壤水分、微生物、理化性狀及養分循環和能量交換[39]，尤其在干旱區沙地土壤物理組成直接影響著沙地土壤形成以及成土過程的快慢[31]。本研究發現，流動沙丘上梭梭林的營造以及人工植被的發育和沙丘固定年限的延長，流動沙丘得以固定，土壤物理組成發生了顯著的變化，粘粒、粉粒和細砂粒含量相對流動沙丘明顯增高，相反，粗砂粒含量減少，尤其表層土壤粘粒、粉粒含量遠遠高于其他土層。原因在于梭梭枝系構型本身的特性和群體梭梭林分的特征[40]，改變了局部環境，消弱了沙丘的風蝕程度。同時由于在梭梭林內風速降低，植被蓋度較大，使粘粒、粉粒和細顆粒物質沉降在土壤表面，不斷的積累，從而形成1層結皮，使粗砂粒所占比重減少[41]。盡管土壤下層不受風的影響，但表層風積細砂粒隨降水的淋溶作用以及下層粗砂粒通過植物根系分泌物生物和化學作用的影響，從而使粗砂粒和大顆粒物質的含量產生一定的變化，但這種變化是一個長期的過程[42-44]。可見土壤物理組成的變化是由多種因素組成的，但與人工植被減弱風速后風積沙塵有直接關系。

流動沙丘營造梭梭林對土壤微生物的生長和發育有顯著的促進作用。在民勤綠洲-沙漠過渡帶流動沙丘上營造梭梭林，封育20年后，土壤微生物數量顯著增多，尤其細菌和放線菌數量；微生物類群數量依次為：細菌>放線菌>真菌。另外，土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、水解氮、速效磷、速效鉀和CaCO3含量提高，土壤的養分含量得到改善；土壤堿化程度得到緩解，這與劉乃君[31]的研究結果基本一致。主要是由于人工植被建立后，地表植被覆蓋度增加，局部區域風沙活動減弱，大氣降塵沉積積累，同時每年有大量植被枯落物進入土壤，在水熱條件和土壤微生物的作用下，植被枯落物和植物根系分泌物、殘留物發生一系列的化學反應，地表逐漸形成生物結皮，結皮的形成使土壤理化性質發生很大變化，加快了土壤的形成[42,45]；這一變化同時也為沙地植被向更高階段的演變創造了有利條件，林冠下層及林間空地天然植被也逐漸發育起來，地上現存生物量逐漸增加，植被對土壤的生物改造作用逐漸增強；這種局部小環境的形成為地表微生物的生長發育提供了有利條件，下層土壤隨著梭梭及伴生灌木植物根系橫向和縱向的生長，其根系分泌物和殘留物為土壤微生物的繁殖提供了營養物質，這樣土壤顆粒-微生物-養分-微環境形成了局部生態系統，相互依賴，相互促進，加快了成土過程。

本研究發現梭梭生長期，土壤含水量在50～100 cm處顯著低于其他土層。梭梭林地在0～50 cm土層范圍內，土壤含水量增加并保持較高，50～100 cm范圍內，土壤含水量減小并達到最小值；100～150 cm范圍內，土壤含水量逐漸升高并在130 cm之后基本保持穩定，這與流動沙丘土壤含水量的變化恰好相反。主要是由于梭梭林的營造，改變了局部小環境氣候、梭梭遮陰、林冠截留作用以及夏季末期和秋季初期的自然降水[46]，使0～50 cm土壤含水量較高；而50～100 cm范圍內，梭梭主根和側根水平分布范圍較廣[12,47]，為保證其自然生長根系吸收大量水分[28]，進而土壤含水量較低；100 cm以下，根系分布較少以及內部環境的穩定可能使土壤含水量有所增加并保持穩定。另外，研究還發現0～50 cm范圍內較高的土壤含水量促進了草本植物、天然紅砂(Reaumuriasoongorica)種群和沙拐棗(Calligonumarborescens)等小灌木的萌芽、生長、發育和更新，提高了植物種類多樣性，加快了植被恢復[28]。

另外，20年人工梭梭林地土壤微生物數量與土壤養分含量、物理組成和水分含量具有一定的相關關系，彼此之間存在相互依從，相互制約的互作關系。尤其有機質含量與細菌和真菌呈顯著正相關關系；真菌和放線菌數量與pH值呈極顯著的負相關關系，與水解氮呈顯著的正相關關系；速效鉀含量與真菌數量呈顯著正相關關系，而與細菌數量呈極顯著的負相關關系。近年來，民勤沙區梭梭林隨地下水位的下降嚴重退化，沙地土壤風蝕嚴重，林下灌木植物紅砂、沙拐棗的生長發育受到威脅，如何促進退化的梭梭林更新恢復，是今后研究的課題。

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Effects ofHaloxylonammodendronplanting on soil physico-chemical properties and soil microorganisms in sandy dunes

XI Jun-Qiang1,2, YANG Zi-Hui1,2*, GUO Shu-Jiang1, WANG Qiang-Qiang1, ZHANG Jian-Hui1,WANG Duo-Ze1

1.GansuMinqinNationalFieldObservation&ResearchStationonEcosystemofDesertGrassland,Minqin733300,China; 2.CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China

In this research, the soil microbe populations, soil physical and chemical properties, and the correlation between microbe populations and soil properties of a 20-year oldHaloxylonammodendronplantation in sandy dunes and moving sandy dunes in Minqin were studied. The research aimed to explore the influence ofH.ammodendronplanting on soil formation on sand dunes and provide a scientific basis for desert land management in arid areas. The results showed that soil in theH.ammodendronplantation was much improved. Soil clay, silt and fine sand contents were increased 71.51%, 70.64%and 12.09%, respectively, compared to nearby unplanted areas. The contents of organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, hydrolytic nitrogen, potassium, available phosphorus and CaCO3were increased as well. In addition, the quantities of bacteria and actinomycetes were increased by 38.43% and 32.52%, respectively, while presence of fungi was decreased by 75.38%. Soil alkalinity was also reduced. Soil moisture contents were reduced which can be attributed to transpiration withdrawal of water byH.ammodendronin the 50-100 cm soil depth. Soil microbe populations were highly correlated with soil physical and chemical properties, especially fungi and actinomycetes, which showed a strong negative correlation with pH value (P<0.05); and soil organic matter level displayed an obvious positive correlation with numbers of bacteria and fungi (P<0.05). Soil microbe quantities have a linear relationship with soil particle size and soil moisture content but without significance (P>0.05). In summary,H.ammodendronplantating improves soil physical structure, increases soil fertility and accelerates the process of soil formation.

soil microbes; soil physical and chemical properties; sandy land;Haloxylonammodendronplantation

10.11686/cyxb20150506

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-11-25；改回日期：2015-01-04

國家重大林業公益性行業科研專項(201404306)，國家自然科學基金項目(31260200)，國家973項目(2012CB723203)，甘肅省技術研究與開發專項(1105TCYA037)和中央財政林業推廣項目(2012ZYTQ1)資助。

席軍強(1988-)，男，甘肅會寧人，在讀碩士。E-mail：junqxi@163.com *通訊作者Corresponding author. E-mail：zihyang@126.com

席軍強, 楊自輝, 郭樹江, 王強強, 張劍揮, 王多澤. 人工梭梭林對沙地土壤理化性質和微生物的影響. 草業學報, 2015, 24(5): 44-52.

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