封育年限對干旱河谷灌叢土壤理化性質的影響

趙 棟, 屠彩蕓, 李丹春

(白龍江林業管理局林業科學研究所， 甘肅 蘭州 730070)

封育年限對干旱河谷灌叢土壤理化性質的影響

趙 棟, 屠彩蕓, 李丹春

(白龍江林業管理局林業科學研究所， 甘肅 蘭州 730070)

[目的] 探討不同封育年限對干旱河谷灌叢土壤理化性質的影響，為該地區的天然植被恢復與管理提供理論依據。 [方法] 采用野外調查和實驗室分析相結合的方法開展研究。 [結果] (1) 封育后灌木層的蓋度、密度、平均冠幅、高度明顯升高，而草本層則相反。 (2) 隨著封育年限的增加，土壤容重呈V形變化，封育13 a達到最小值，而群落植被特征、土壤孔隙度、土壤持水量、土壤養分，呈倒V形變化，封育13 a達到最大值。0—40 cm，封育13 a的土壤平均速效N，P，K較未封育草地分別增加26.42%，107.35%，33.92%；全量N，P，K含量分別增加了168.42%，47.62%和31.12%。 (3) 封育后，土壤理化性質有所改善，具有明顯的表聚現象，土壤固碳能力有所提高，土壤有機碳密度表現為:F13>F22>F30>F5>CK；土壤有機碳儲量表現為:F5>F13>F22>F30>CK，說明在狼牙刺群落封育恢復過程中，土壤環境有較為明顯的改善。 (4) 采取封育措施后，外界干擾減少，狼牙刺灌叢覆蓋度增加，從而增加地上生物量，使生產力得到提升，生物量與封育年限存在線型關系。 [結論] 采取封育措施后，干旱河谷地帶的狼牙刺群落植被特征和土壤理化性質及有機碳密度和儲量均優于未封育，植被自然恢復狀態良好。

干旱河谷； 封育年限； 土壤理化性質； 狼牙刺； 植被特征

文獻參數： 趙棟, 屠彩蕓, 李丹春.封育年限對干旱河谷灌叢土壤理化性質的影響[J].水土保持通報，2017,37(2)：39-44.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.006； Zhao Dong, Tu Caiyun, Li Danchun. Effects of Fencing Time on Soil Physicochemical Properties ofSophoraViciifoliain Semi-arid Valley[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：39-44.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.006

白龍江流域干旱河谷是長江水系北部生態脆弱帶和敏感區，坡陡谷深，降水量偏少，太陽輻射較強，生態系統嚴重退化，泥石流和滑坡等地質災害頻發，水土流失嚴重。原生植被破壞非常嚴重，其灌叢的生產力及生態功能降低，帶來水土流失、泥沙、泥石流和滑坡等一系列地質災害，因此恢復干旱河谷灌叢生產力和生態功能是干旱河谷生態安全屏障建設的重要內容之一[1-3]。封育作為一種主要的植被恢復和重建的措施，為世界各國所廣泛采用[4-9]。國內開展的許多相關研究也均表明封育措施可以顯著提高退化群落物種的多樣性和生物量[10-11]。白龍江林區位于青藏高原東部邊緣與岷山山脈的白龍江和洮河兩大河流上游，屬長江和黃河的源頭地區。大部分經營區在甘南藏族自治州的舟曲、迭部、卓尼、臨潭、合作市及隴南地區的武都、文縣境內，是全國9大重點林區之一。開展植樹造林歷史比較久，但對干旱河谷植被恢復的系統研究時間比較短，相關研究尤其是有關不同封育年限土壤理化特性、有機碳儲量及密度的變化研究尚不多見。本研究采用野外調查采樣和室內分析相結合的方法，以位于甘肅省南部舟曲縣境內的拱壩河流域干旱河谷分布最廣、最典型的地帶性植被狼牙刺(Sophoraviciifolia)灌叢為研究對象，研究不同封育年限下土壤理化特性和有機碳儲量及密度特征，旨在探討不同封育年限對灌叢土壤的長期影響，為指導干旱河谷區的灌木資源管理、天然植被恢復與管理提供理論依。

1 研究區自然概況

研究區位于甘肅省南部舟曲縣境內拱壩河流域中下游，為白龍江林區典型的干旱河谷地帶，河谷較寬，植被稀疏殘敗、地形破碎、土地石漠化及巖漠化嚴重。地理坐標為北緯32°32′-35°50′，東經101°40′-105°20′，流域面積13 667 hm2，海拔600～1 200 m，受下沉氣流的影響，全年多晴朗天氣，冬無嚴寒，夏無酷暑。區內氣候溫暖、干燥，年均氣溫12.7 ℃，年平均相對濕度40%～60%，降水量300～500 mm，平均蒸發量1 740～2 122 m，干燥度1～4，干濕指數3～7，≥10 ℃積溫4 072.2 ℃，無霜期224 d，全年日照時數1 766.3 h 以上[12]。研究區植被類型主要有灌叢和草甸植被以及河谷人工林群落，常見的植物種主要由旱中生小葉落葉具刺灌木及耐旱草本(禾草為主)植物組成。組成群落的建群種或優勢種約有50余種，主要有狼牙刺、岷江柏木(Cupressuschengiana)、密枝圓柏(Sabinaconvallium)、小葉楊(Populussimonii)、烏柳(Salixcheilophila)、橿子櫟(Quercusbaronii)、少齒小檗(Berberispotaninii)、堆花小檗(Berberisaggregata)、西康扁桃(Amygdalustangutlca)、細枝栒子(Cotoneastertenuipes)、華西小石積(Osteomelesschwerinae)、酸棗(Ziziphusjujuba)、川甘亞菊(Ajaniapotaninii)等[13]。狼牙刺灌叢是白龍江干旱河谷常見的次生林灌叢，由于其耐干旱、瘠薄、喜光，對土壤要求不嚴，天然生長狀況良好，形成純林或占優勢的群落。在干旱河谷利用自然力和鄉土種恢復天然生態系統的需求下，不同封育年限對干旱河谷灌叢土壤理化性質的影響，對拱壩河流域干旱河谷植被建設具有重要意義。

2 研究方法

2.1 樣地設置

選擇干旱河谷分布最廣、最典型的地帶性植被狼牙刺群落為研究對象，2012年4—5月根據資料記載與調查訪問，分別選取封育5 a(F5)，13 a(F13)，22 a(F22)，30 a(F30)的狼牙刺灌叢為研究對象，以未封育灌叢為對照(CK)，在不同封育年限的狼牙刺灌叢內設置3個10 m×10 m的調查樣地，在每個樣地梅花狀設置5個1 m ×1 m草本樣方，對其灌木種的株數、高度和冠幅；灌木種的株數、高度和冠幅、地上部分生物量(地上現存生物量在65 ℃下烘干，稱重)行調查。同時記錄樣地所在地海拔高度、地理位置等。灌木蓋度=東西冠幅×南北冠幅×100/樣方面積；密度=植物的總株數/樣方面積。數據采用Excel與SPSS 17.0軟件分析，采用單因素方差分析和Duncan多重比較，對不同樣地間土壤特征值進行比較分析。樣地基本情況詳見表1。

表1 研究區樣地概況

2.2 土樣采集與植被調查方法

在所選的各樣地內設置取樣點5個，去除表層的枯枝落葉，挖掘土壤剖面，用環刀分別取0—20 cm，20—40 cm 土層的原狀土壤，帶回實驗室進行土壤容重、孔隙度的測定，并計算土壤持水量。另外，在每個取樣點分別用土鉆取0—20 cm，20—40 cm的土樣混合后帶回實驗室，經風干去雜后過2和0.149 mm 的土壤篩，測定土壤化學性質。

2.3 壤理化性質測定

采用環刀浸水法測定土壤容重、孔隙度等各項物理指標；土壤有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；速效N用堿解擴散法；速效K采用NH4Ac浸提，火焰光度計測定；速效P用HaCO3浸提，鉬銻抗比色法；全量N，P，K用H2SO4-HClO4-H2O2消化法[14]。

土壤有機碳密度(SOCt，kg/m2)計算公式為：

有機碳儲量(SOC，kg)計算公式為：

SOCs=S·SOCt

式中：K——土壤剖面的土層 數目； Ci——土壤有機碳含量(g/kg)； Di——容重(g/cm3)； Ei——土層厚度(cm)； Gi——>2mm石礫所占的體積百分比(%)； S——區域面積(m2)[15-16]。

3 結果與分析

3.1 不同封育年限狼牙刺灌叢植被特征

植被的蓋度、密度、高度、灌木的平均冠幅及地上生物量都是衡量當地生態功能和生產力的重要指標，其變化特征能夠表明該地群落演替、植被恢復和植物資源利用的重要信息。由表2可以看出，封育對狼牙刺灌叢植被群落特征具有一定的影響。

表2 不同封育年限樣地的植被特征

注：同列不同小寫字母表示不同封育年限干旱河谷土壤同一層深度在0.05水平上差異顯著。下同。

3.1.1 植被蓋度 封育能夠提高干旱河谷狼牙刺群落灌木層的平均蓋度，隨著封育年限的增加，灌木層、草本層蓋度均是先增后降低，呈現出倒V字形，但它們達到最大值時的封育年限不一樣，灌木層的蓋度在封育22 a最大，比CK提高了285.78%，而草木層在封育5 a就達到最大值，比CK提高了18.7%，之后隨著年限的增加逐漸下降。

3.1.2 群落密度 在封育的前22 a，狼牙刺群落平均密度呈增加的趨勢，但以后狼牙刺群落平均密度又呈現下降趨勢；封育后草本層密度在5 a內急劇降低，以后變化不大。與CK相比，封育5 a狼牙刺群落平均密度只增加0.01株/m2，而封育22 a狼牙刺群落平均密度卻增加到0.38株/m2，這與封育后灌叢中動物活動有關，而封育30 a灌木平均密度的下降與灌木幼苗部分死亡相關。

3.1.3 灌木平均冠幅 灌木層平均冠幅隨著時間的推移先增后減，在封育22 a時達到最大值，但變化趨勢不顯著；灌木層冠幅在封育5 a后急劇變小，以后變小趨勢逐漸減緩，封育后各個樣地與CK有顯著的差異，草本層冠幅與灌木層冠幅呈現出負相關，這是由于灌木層冠幅的增加，影響了地面光照有關。

3.1.4 植被高度 封育后灌木層與草本層高度變化呈負相關，隨著封育時間的延長灌木層高度明顯增高，但是在封育5 a與CK差異性不顯著，封育13，22，30 a與CK差異性極顯著，高度分別增加了24.1%，54.2%，56.6%。

總之在采取封育措施后，封育區植被特征均好于未封育區，原因與封育后限制了牲畜和人為活動對植被的破壞有關，為該區植被恢復提供了保障，植被更新良好。但長時間封育有肯能使地面枯落物增多，影響草本層植物的生長。因此，在封育后灌木層的蓋度、密度、冠幅、高度及生物量升高，而草本層的則相反。

3.2 不同封育年限土壤物理特征

土壤物理特性變化能夠直接度量植物與土壤環境的內在關系，通過研究干旱河谷地區封育后植被與土壤環境的關系，為該地區的天然植被恢復與管理提供理論依據。

土壤容重和孔隙度及其分布可以反映土壤結構的好壞，影響著土體中水、肥、氣、熱等諸肥力因素的變化和協調，土壤持水能力是說明土壤水文調節功能強弱的指標[17]。由表3可知，各樣地的土壤容重隨著土層深度的增加而增加，而土壤非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量、毛管持水量和最小持水量則隨著土層深度的增加而減小。未封育、封育5，13，22，30 a樣地的土壤容重在20—40 cm 土層較0—20 cm分別高了2.71%，5.55%，2.53%，2.87%，7.10%；總孔隙度分別降低了3.07%，16.4%，4.81%，4.20%，5.81%；最大持水量分別降低了3.55%，10.36%，29.55%，18.89%，5.06%。隨著封育年限的增加，土壤平均容重呈V字形變化，封育5 a時最小，土壤平均非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量、毛管持水量和最小持水量呈倒V字形變化，在封育13 a時最大。0—40 cm，封育后平均容重迅速降低，隨著封育時間的延長，土壤平均容重逐漸升高，在封育5，13，22 a后土壤平均容重均顯著低于未封育的樣地(p<0.05)，分別降低11.31%，7.47%，5.65%，封育30 a后，土壤平均容重高于未封育樣地；封育后各樣地的土壤平均毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量、毛管持水量和最小持水量均高于未封育樣地，但變化不一致。可見，封育后，林地的土壤物理性質有所改良，使土壤變得疏松，土壤的孔隙度和通氣性較未封育樣地高，這是由于封育后植被蓋度增加，枯落物增多，減緩了水土流失，使得封育后土壤容重顯著下降，孔隙度顯著增加，持水能力也隨之增加[18]。

表3 不同封育年限樣地的土壤物理性質

3.3 不同封育年限土壤養分特征

由圖1可知，各樣地的土壤速效N，P，K和全量N，P，K向表層聚集明顯，表現出植被恢復對土壤養分的表聚作用。在封育和未封育的樣地中，0—20 cm土壤速效N，P，K和全量N，P，K均高于20—40 cm，未封育和封育樣地，土壤速效N和全P含量變化不大，土壤平均速效N，P，K和全量N，P，K均隨著封育年限的增加呈倒V形變化，在封育13 a時最大。0—40 cm，封育13 a的土壤平均速效N，P，K較未封育草地分別增加了26.42%，107.35%，33.92%；全量N，P，K含量分別增加了168.42%，47.62%，31.12%。可見，采取封育措施后，植被得以恢復，覆蓋度增加，減少水土流失，為土壤動物和微生物提供理想的棲息地和活動場所，提高土壤肥力，封育后狼牙刺灌叢逐漸形成“肥島”效應，土壤養分處在擴大的循環中。

圖1 不同封育年限樣地土壤速效N，P，K和全量N，P，K 的變化

3.4 不同封育年限土壤有機碳儲量及碳密度特征

由圖2可知，不同封育年限土壤有機碳具有明顯的表聚現象，0—20 cm，未封育、不同封育年限土壤有機碳含量0—20 cm均高于20—40 cm，隨著封育年限的增加，土壤有機碳儲量先增后降，在封育13 a時達到最大值(圖2)；而土壤有機碳密度則表現為：F5>F13>F22>F30>CK，未封育、封育5，13，22，30 a土壤有機碳儲量值分別為3.31×107kg，0.93×107kg，6.23×107kg，5.54×107kg，4.18×107kg。

在封育后，土壤碳密度均大于未封育樣地。可見封育有助于CO2的積累，干旱河谷灌叢固碳能力有所提升。

圖2 不同封育年限樣地土壤有機碳儲量及碳密度的變化

3.5 植被生物量

圖3表明，封育可提高干旱河谷天然植被的地上部分生物量[19]。從生物量的動態變化看，在封育初期(5 a)生物量的增加特別顯著，比CK增加了91.58%，但隨著封育時間的延長，生物量增加速度變緩，因為后期植被主要以狼牙刺灌木為主，植株變大，生長空間有限，故生物量變化不大。對封育年限與生物量關系進行曲線擬合，嘗試比較了多種函數擬合方法，結果發現，線性(R2=0.868 5)、對數(R2=0.979 4)、多項式(R2=0.997 8)、冪(R2=0.933 3)、指數(R2=0.781 7)擬合度都很高。雖然多項式擬合的相關系數為0.997 8，但隨著擬合次數的增加，高次項的擬合系數越來越小，引起方程的不穩定，因此采用對數擬合(圖3)。即封育年限與生物量最適合對數線性關系為：

y=957.77lnx+1 034.1,R2=0.979 4

4 結 論

(1) 封育能夠降低林地土壤容重，提高毛管孔隙度、總孔隙度、最大持水量、毛管持水量和最小持水量。土壤表層速效N，P，K、全量N，P，K和有機碳明顯高于下層，表現出植被恢復對土壤養分的表聚作用。這一研究結果與單桂連[20]等的研究結果一致。

圖3 不同封育年限樣地植被生物量動態變化

(2) 封育后樣地灌木平均冠幅、高度、蓋度、密度及生物量顯著增加，土壤有機碳密度表現為：F13>F22>F30>F5>CK，土壤有機碳儲量表現為：F5>F13>F22>F30>CK，可見封育后減少牲畜和人為活動對植被的干擾，干旱河谷狼牙刺灌叢植被得到恢并得以擴展，隨著封育年限的增加，凋落物不斷積累，不但可以增加地表覆蓋，還可以改善土壤的理化特性，減少地面徑流和地表蒸發，增加土壤持水能力，土壤養分也隨之增加，土壤有機碳密度和有機碳儲量有所提高。此研究結果與文海燕[21-23]等研究的結果一致。

(3) 土壤平均容重隨著封育年限的增加呈V字形變化，樣地的植被特征、土壤理化性質及有機碳密度和儲量均隨著封育年限的增加呈倒V字形變化。封育13 a草地的植被蓋度、密度、高度、冠幅、生物量及土壤容重、孔隙度、持水量、速效N，P，K、全量N，P，K、有機碳儲量及密度均好于其他樣地，達到最大值，13 a之后開始下降，但都高于CK，表明封育時間并不是越長越好，根據生態系統的可持續發展原理，封育并不是無限期的，在封育一段時間后，進行適當的人為干預。

(4) 封育后樣地生物量均大于CK，分別比CK高出91.58%，124.43%，148.53%和162.32%，可見封育能夠迅速提高地上生物量，但是隨著封育時間的延長，生物量增加變緩，生物量與封育年限存在著一定的多項式關系(R2=0.979 4)。

(5) 封育的最終目的是為了恢復退化植被及合理利用。白龍江干旱河谷地帶的狼牙刺灌木林長期被當地藏民用于放牧與薪材采集。然而，目前還沒有一套狼牙刺灌叢的合理管理與利用制度。為了保護當地環境，實現可持續利用，如何更好地恢復干旱河谷植被有待于今后進一步深入研究。

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Effects of Fencing Time on Soil Physicochemical Properties ofSophoraViciifoliain Semi-arid Valley

ZHAO Dong, TU Caiyun, LI Danchun

(ResearchInstituteofForestryBailongjiangForestryManagementBureau,Lanzhou，Gansu730070,Chian)

[Objective] The effects of different fencing time on physical-chemical property of soil in arid valley shrub were studied to provide theoretical basis for the restoration and management of natural vegetation in this region. [Methods] Field investigation and laboratory analysis were used. [Results] (1) Coverage, density, average canopy and height of the shrub layer were significantly increased after hillsides closing, but it is opposite for the herb layer. (2) With the increase of closing age， soil bulk density showed a V-shaped change and reached the minimum value in 13 a. However, vegetation community characteristics, soil porosity, soil water retention capability and soil nutrient all showed an inverted V-shaped curve, they reached the maximum values around 13 a after the hillsides was closed. As compared with the no closing hillsides, the average soil available N, P, K in 0—40 cm layer increased by 26.42%, 26.42%, 107.35%, respectively; total amount of N, P, K content increased by 168.42%, 47.62% and 31.12%. (3) After closing hillsides to facilitate afforestation was conducted, obvious surface convergence phenomenon was observed. Soil physio-chemical properties and carbon sequestration capacity increased. Soil organic carbon densities of plots(F) with different closing ages(n) showed as the following rank: F13>F22>F30> F5>CK. Soil organic carbon reserves was showed as: F5>F13>F22>F30> CK. It is showed that soil environment had more obvious improvement inSophoraviciifoliacommunity along restoration process. (4) After close hillsides to facilitate afforestation was carried out, interference was decreased, the coverage ofSophoraviciifoliabushes got increased, aboveground biomass and productivity also got increased. There was a positively linear relationship between biomass and closing hillsides to facilitate afforestation age. [Conclusion] After close hillsides to facilitate afforestation was carried out,Sophoraviciifoliacommunity vegetation characteristics, soil physio-chemical properties, soil organic carbon density and reserves were all better than the corresponding ones of no closing hillsides.

semi-arid valley; fencing time; soil physicochemical properties;Sophoraviciifolia; vegetation characteristics

2016-06-23

2016-07-04

甘肅省科技計劃項目“拱壩河流域典型森林類型土壤有機碳及養分空間異質性研究”(1506RJZK179)； 中央財政推廣項目“白龍江干旱河谷鄉土樹種育苗與植被恢復技術推廣示范”([2015]ZYTG03)

趙棟(1985—),男(漢族),甘肅省會寧縣人,碩士,工程師，主要從事森林生態和森林經營工作。E-mail:405694634@qq.com。

A

1000-288X(2017)02-0039-06

S714.2