平茬對(duì)荒漠草原區(qū)人工檸條林地土壤理化性質(zhì)的影響

卞瑩瑩， 陳 林， 王建明， 柳博文， 王家銳

(1. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學(xué)西部生態(tài)與生物資源開發(fā)聯(lián)合研究中心, 寧夏 銀川 750021)

荒漠草原是寧夏地區(qū)面積最大的天然草地類型，約占全區(qū)草地總面積的55%，由于其處于草原向荒漠的過渡區(qū)域，是干旱半干旱的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，因此受到干旱氣候和人為活動(dòng)的雙重影響，該區(qū)域?qū)夂蜃兓瘶O為敏感，草地沙化、土壤退化問題十分嚴(yán)重[1-4]。2003年，寧夏全面實(shí)施退耕還草、草地圍封禁牧和休牧，具體措施有退化草地圍封和補(bǔ)播、灌叢引入等[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前寧夏種植的天然檸條林和人工種植檸條林的面積為44.59萬hm2，生物量高達(dá)77.03萬t，人工檸條林面積占總林木面積的60%[6]。為了提高檸條林地的生產(chǎn)力，在其生長一定年限后必須進(jìn)行平茬撫育，以防止其出現(xiàn)嚴(yán)重的木質(zhì)化現(xiàn)象[7]。土壤理化性質(zhì)對(duì)植被恢復(fù)具有重要作用[8]，研究結(jié)果表明平茬措施對(duì)檸條生理特征的影響因其生長發(fā)育階段而異[9]，檸條地上部分枝條去除后具有一定的生殖補(bǔ)償能力[10]，可大幅度提高檸條根系的生長[11]，平茬檸條林地土壤容重和pH降低，土壤養(yǎng)分含量有效提高[12]，此外，平茬林地降雨損耗率明顯高于未平茬林地[13]。然而，這些研究多集中在半干旱黃土丘陵區(qū)，有關(guān)檸條平茬的研究報(bào)道在寧夏荒漠草原區(qū)，僅見平茬對(duì)人工檸條林間生境及檸條營養(yǎng)成分的影響[14-15]。

本研究以2011年種植，2014年平茬的人工檸條林地為研究對(duì)象，以同年種植的未平茬人工檸條林地為對(duì)照，分析平茬前后土壤機(jī)械組成、土壤養(yǎng)分、水分、pH值的變化特征及土壤機(jī)械組成與土壤因子之間的相關(guān)性，以期揭示實(shí)施平茬措施后檸條人工林土壤性質(zhì)的演變特征，對(duì)于在荒漠草原科學(xué)種植人工檸條林具有重要的理論與實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)鹽池縣花馬池鎮(zhèn)四墩子行政村(37°04'～38°10' N，106°30'～107°47' E)，位于毛烏素沙地西南緣，是黃土高原向鄂爾多斯臺(tái)地過渡地帶。該區(qū)域海拔在1 380～1 600 m，年平均氣溫7.7℃，≥10℃的年積溫為2 949.9℃·d，年均無霜期162 d左右，年降水量289.4 mm，主要集中在7—9月，年蒸發(fā)量2 131.8 mm，是典型大陸型氣候。研究區(qū)內(nèi)的主要土壤類型為干旱土，部分區(qū)域的土壤pH值超過9.0，土壤礦化度較高。該區(qū)域植物群落結(jié)構(gòu)簡單，主要以草本和小灌木為主，屬荒漠草原，主要植被有牛枝子(Lespedezapotaninii)、老瓜頭(Cynanchumkomarovii)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冰草(Agropyroncristatum)、針茅(Stipacapillata)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、貓頭刺(Oxytropisaciphylla)和中間錦雞兒(Caraganaintermedia)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年9月上旬，在研究區(qū)選擇相鄰的、立地條件基本相同的帶間距為6 m，林齡為6 a的人工檸條林地為研究對(duì)象，分別建立面積為150 m×150 m的平茬人工檸條樣地(PACI)和未平茬人工檸條樣地(ACI，2014年平茬)，樣地基本特征如表1所示。將每個(gè)樣地劃分為 30 m×30 m的網(wǎng)格，在每一網(wǎng)格內(nèi)選取檸條灌叢1叢，共選擇灌叢50 叢，分別在已選好的檸條灌叢下和行帶間(距離檸條灌叢3 m處)，用土鉆按 0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～40 cm不同土層取樣。研究區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)來自區(qū)域內(nèi)設(shè)置的自動(dòng)氣象站。

1.3 研究方法

1.3.1土樣采集 分別在已選好的檸條灌叢下和行帶間(距離灌叢下3 m處)，采用剖面法按 0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～40 cm土層取樣，各土層 3個(gè)重復(fù)，分層取樣后相同層均勻混合，共取120個(gè)土樣。所有土樣挑去活體根系，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，仔細(xì)除去其中可見植物殘?bào)w及土壤動(dòng)物，過60目篩，供室內(nèi)分析使用，用于pH、有機(jī)碳、全氮等理化性質(zhì)的測定(表1)。

表1 人工檸條林樣地基本特征Table 1 Description of investigated plots

1.3.2土壤理化指標(biāo)的測定 土壤有機(jī)碳(organic carbon，OC)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[16]；土壤全氮(total nitrogen，TN)采用元素分析儀(Elementar Vario MACRO)測定；土壤pH采用蒸餾水(土水比1∶2.5，W/V)浸提15 min，用Mettler To-ledo 320pH計(jì)測定；堿解氮(Available nitrogen，Available N)采用堿解擴(kuò)散法測定，有效鉀(available potassium，Available K)采用乙酸銨提取法，速效磷(available phosphorus，Available P)測定采用0.5 mol·L-1NaHCO3法測定[16]；土壤機(jī)械組采用激光粒度分析儀(Mastersizer 3000)測定，土壤粒徑分級(jí)采用《國際制土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值。

1.3.3土壤質(zhì)量含水率測定 土壤質(zhì)量含水率測定采用烘干法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析和作圖采用Microsoft Excel 2007軟件，方差分析及相關(guān)性分析采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差法(Least-significant difference，LSD)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，用Pearson相關(guān)系數(shù)判定數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工檸條林地土壤機(jī)械組成

如表2所示，0～5 cm土層ACI、PACI灌叢下和行帶間的土壤機(jī)械組成差異顯著(P<0.05)，其中砂粒和粘粒含量差異極顯著(P<0.01)；PACI灌叢下和行帶間土壤砂粒含量無差別；ACI灌叢下和PACI灌叢下土壤粉粒含量無差別，ACI行帶間與PACI灌叢下土壤粘粒含量無差別。5～10 cm土層，ACI、PACI灌叢下和行帶間的土壤機(jī)械組成差異顯著(P<0.05)，其中土壤粉粒含量差異極顯著(P<0.01)；ACI灌叢下和PACI灌叢下土壤粉粒、粘粒含量有差異，ACI行帶間和PACI行帶間土壤粉粒、粘粒含量有差異。10～20 cm土層，ACI、PACI灌叢下和行帶間的土壤機(jī)械組成差異極顯著(P<0.01)；ACI灌叢下和PACI灌叢下土壤砂粒、粉粒、粘粒含量有差異，ACI行帶間和PACI行帶間砂粒、粉粒、粘粒含量有差異。

2.2 人工檸條林地土壤pH值

ACI和PACI檸條灌叢下和行帶間各土層土壤pH值無顯著差異(P>0.05)。與ACI相比，PACI0～40 cm土層，灌叢下土壤平均pH值降低，行帶間土壤pH值升高(表3)。

表2 未平茬檸條灌叢與平茬檸條灌叢的土壤機(jī)械組成Table2 Soil texture of Caragana Intermidia bush before and after prune measure

注：同列不同小寫字母表示差異顯著：*表示不同處理間差異顯著(P<0.05)；**表示不同處理間差異極顯著(P<0.01)

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 levels

表3 未平茬人工檸條林地與平茬人工檸條林地的土壤pH值Table 3 Soil pH of artificial Caragana Intermidia bush before and after prune measure

2.3 人工檸條林地土壤養(yǎng)分

如圖1所示，0～5 cm土層，ACI灌叢下和行帶間土壤養(yǎng)分含量高于PACI；ACI與PACI檸條灌叢下和行帶間土壤有機(jī)碳、有效磷和速效鉀含量有顯著差異(P<0.01)，全氮、堿解氮含量無差異(P>0.05),5～10 cm土層，ACI與PACI檸條灌叢下和行帶間土壤全氮、堿解氮、有效磷含量有顯著差異(P<0.01)，有機(jī)碳、速效鉀含量無差異(P>0.05)；PACI灌叢下土壤養(yǎng)分含量高于ACI，PACI行帶間全氮、有機(jī)碳和速效鉀含量高于ACI，堿解氮和有效磷含量低于ACI,10～20 cm土層，ACI與PACI檸條灌叢下和行帶間土壤全氮、有機(jī)碳、堿解氮和有效磷含量有顯著差異(P<0.01)，速效鉀含量無差異(P=0.551)；PACI灌叢下土壤養(yǎng)分含量高于ACI，PACI行帶間土壤全氮、有機(jī)碳和速效鉀含量低于ACI，堿解氮和有效磷高于ACI,20～40 cm土層，ACI與PACI檸條灌叢下和行帶間土壤全氮、堿解氮和速效鉀含量有顯著差異(P<0.01)，有機(jī)碳、有效磷含量無差異(P>0.05)；PACI灌叢下和行帶間土壤全氮、有機(jī)碳、堿解氮、有效磷和速效鉀含量高于ACI，PACI行帶間土壤速效林含量高于ACI。

圖1 人工檸條林地不同土層土壤養(yǎng)分含量變化Fig.1 Soil nutrient content changes of different soil layers in artificial Caragana Intermedia forest

2.4 土壤水分

研究區(qū)降雨量從2018年4月開始逐月升高，8月份最高，為14.83 mm，8月后降雨量逐漸下降。ACI與PACI土壤平均含水量與降雨量的變化趨勢相同。ACI和PACI灌叢下和行帶間土壤0～40 cm土壤水分有顯著差異(P=0.04)；PACI灌叢下和行帶間土壤質(zhì)量含水量均高于ACI,5～10 cm,10～20 cm和20～40 cm土層，PACI灌叢下土壤質(zhì)量含水率高于ACI灌叢下。ACI行帶間土壤質(zhì)量含水率表現(xiàn)為表層最高后隨土層的增加而降低。PACI行帶間土壤體積含水率隨土層的增加而逐漸降低(圖2)。

2.5 土壤顆粒組成與土壤因子之間的相關(guān)性

如表4所示，ACI灌叢下土壤堿解氮、有效磷、水分與粉粒含量有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。ACI地行帶間土壤全氮、有機(jī)碳含量與土壤砂粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤有效磷含量與土壤粘粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，水分與粉粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。PACI灌叢下土壤水分與砂粒顯著正相關(guān)(P<0.05)，與粉粒含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，土壤速效鉀含量與粘粒含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。PACI行帶間土壤有機(jī)碳與砂粒含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)與粘粒含量顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖2 人工檸條林地土壤質(zhì)量含水率隨土層變化Fig.2 Soil water content changes with soil layer in artificial Caragana Intermedia forest

表4 人工檸條林地土壤機(jī)械組成與土壤因子間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between soil texture and soil factors in artificial Caragana Intermedia forest

土壤因子Soil factor0～40cm土層不同粒徑組成Different particle sizes of 0～40cm soil layer砂粒Sand content0.05～2 mm/%粉粒Silt content0.01～0.05 mm/%粘粒Clay content<0.01 mm/%未平茬人工檸條灌叢下全氮TN-0.040.54-0.03Under the artificial Caragana Intermedia bushes有機(jī)碳OC-0.250.510.21堿解氮Available N0.120.74**0.13有效磷Available P0.360.80**-0.14速效鉀Available K-0.39-0.310.39pH值pH0.270.27-0.12土壤水分Water0.170.78**0.02未平茬人工檸條行帶間全氮TN-0.80**0.480.04Between the rows of artificial Caragana 有機(jī)碳OC-0.88**0.460.14Intermedia bushes堿解氮Available N0.21-0.210.46有效磷Available P0.230.080.73**速效鉀Available K-0.10-0.040.08pH值pH0.08-0.170.02土壤水分Water0.32-0.70*-0.38平茬人工檸條灌叢下全氮TN-0.400.310.31Under the pruned artificial Caragana有機(jī)碳OC-0.110.19-0.19Intermedia bushes堿解氮Available N0.21-0.14-0.56有效磷Available P0.30-0.16-0.44速效鉀Available K0.36-0.17-0.61*pH值pH0.26-0.23-0.24土壤水分Water0.68*-0.64*-0.36平茬人工檸條行帶間全氮TN-0.30-0.380.49Between the rows of artificial pruned Caragana 有機(jī)碳OC-0.73**-0.180.79**Intermedia bushes堿解氮Available N0.050.050.25有效磷Available P-0.09-0.080.46速效鉀Available K0.060.23-0.15pH值pH0.09-0.06-0.07土壤水分Water0.290.11-0.08

注：*表示不同處理間差異顯著(P<0.05)；**表示不同處理間差異極顯著(P<0.01)

Note:*indicate significant differences at the 0.05 level;**indicate significant differences at the 0.01 level

3 討論

3.1 平茬對(duì)人工檸條林地土壤機(jī)械組成的影響

種植人工檸條林使得土壤粗沙粒含量顯著下降，土壤極細(xì)沙粒和粘粉粒含量增加，改善土壤質(zhì)地，促進(jìn)荒漠草原區(qū)植被恢復(fù)和土壤改善，且顯著影響土壤性質(zhì)的演變過程[17-19]；行帶式灌叢內(nèi)0.5 m高度處的防風(fēng)效果最好，同風(fēng)速下輸沙率隨著高度的增加而減小[20]，本研究中PACI檸條灌叢株高為65.5±3.03 cm，接近50 cm，可以有效減弱風(fēng)蝕，使大量的風(fēng)積物質(zhì)沉降在土壤表層，促進(jìn)檸條林地土壤表層發(fā)育，使檸條灌叢下土壤砂粒含量明顯減少，粉、粘粒含量明顯增加，這與前人的研究結(jié)果相吻合[17,21-22]。

3.2 平茬對(duì)人工檸條林地土壤養(yǎng)分的影響

隨著檸條的生長表現(xiàn)出植被恢復(fù)對(duì)土壤養(yǎng)分的表聚作用，“灌叢肥島”效應(yīng)不同程度的發(fā)生[23-24]，PACI和ACI灌叢下土壤粉粒、黏粒含量與土壤全氮、有機(jī)碳含量間的呈正相關(guān)關(guān)系，平茬人工檸條灌叢下土壤有機(jī)碳、全氮含量高于未平茬人工檸條灌叢下，可能是由于隨著檸條林的生長發(fā)育過程中，檸條灌叢冠幅、高度、分枝數(shù)的增加，使枯落物得數(shù)量增加，在土壤中動(dòng)物和微生物的作用下，在天然表層形成的灰褐色結(jié)皮[19]，經(jīng)過長時(shí)間的腐殖質(zhì)化過程，土壤養(yǎng)分養(yǎng)分狀況得到改善[25]。土壤有效磷、速效鉀、堿解氮含量在平茬與未平茬檸條灌叢下無顯著差異性，說明實(shí)施平茬措施與否對(duì)于這些指標(biāo)的影響不大，原因還需要進(jìn)一步研究。

3.3 平茬對(duì)人工檸條林地土壤水分含量的影響

人工檸條林地土壤水分含量同降雨量趨勢相同，表明降水對(duì)植物的生長和發(fā)育影響顯著[2]。本研究中平茬人工檸條林土壤含水量高于ACI，此結(jié)果與李耀林、楊永生等人的研究結(jié)果不同，甚至相反[9,13]，這可能是由于平茬措施使檸條地上組織受到很大破壞，地上葉面積大幅減少，進(jìn)而導(dǎo)致根系生物量的減少，植物通過根系吸收土壤水分和養(yǎng)分的能力減弱的原因[26-27]。

3.4 平茬對(duì)人工檸條林地土壤pH、容重的影響

平茬人工檸條林灌叢下土壤pH值和容重下降，這與前人的研究結(jié)果一致[13]。有可能是由于平茬后檸條根系有機(jī)酸的分泌的增加以及和微生物的相互作用導(dǎo)致土壤pH下降[18,28]。

4 結(jié)論

平茬措施對(duì)荒漠草原區(qū)人工檸條林地土壤理化性質(zhì)的改變產(chǎn)生積極的影響，平茬措施可以有效改善荒漠草原區(qū)人工檸條林地的土壤質(zhì)地，使土壤pH值和容重下降，砂粒含量減少，粉、粘粒含量增加；平茬措施增加了人工檸條林地土壤表層有機(jī)碳和全氮的含量，增加了人工檸條林地0～40 cm土層土壤的水分含量，減少了人工檸條林的耗水量。