植物沙障不同種植模式對川西北沙地的恢復(fù)效應(yīng)

茍小林，劉文輝，陳有軍，周蓉，周青平

(1.青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海省青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧810016;2.西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都610041;3.阿壩州茂縣農(nóng)業(yè)畜牧和水務(wù)局，四川 阿壩623200)

沙化土地的治理一直是退化生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)的重要內(nèi)容，特別是在我國沙漠化問題嚴(yán)峻的背景下，沙化土地的防治成為關(guān)系國計(jì)民生的重大生態(tài)問題[1-2]。在長期的沙化恢復(fù)研究中，諸多學(xué)者提出了生物沙障防治、草灌方格防治、自然封育等措施，并且取得了卓越的成效[3-6]。如在科爾沁沙地使用了蒿屬(Artemisia)植物和麥草秸稈方格進(jìn)行沙化治理[4]，能夠有效改善沙漠生境;利用黃耆屬(Hedysarum)等對低海拔干旱的騰格里沙漠進(jìn)行治理[3]，對生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)具有正向的促進(jìn)作用;在高緯度的古爾班通古特沙漠利用草方格進(jìn)行沙化防治，有效地阻止了沙粒移動，促進(jìn)了沙面環(huán)境穩(wěn)定[6]。生物沙障已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于沙化治理中，但現(xiàn)階段主要的應(yīng)用模式是通過草灌方格進(jìn)行沙化治理，種植模式的研究較為缺乏[6];同時(shí)研究區(qū)域也主要針對低海拔地區(qū)的寒、旱沙漠和退化生態(tài)系統(tǒng)，而高海拔寒冷地區(qū)相關(guān)研究較少[7-8]。高海拔寒冷地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重，也面臨著沙漠化急劇擴(kuò)張等問題[7-9]。針對高寒沙化區(qū)域的沙漠化防治勢在必行，但現(xiàn)階段沙化防治手段較為缺乏，而利用生物沙障必然受到獨(dú)特的環(huán)境條件的影響。如高寒地區(qū)海拔較高，每年植物生長周期較短[10]，生物沙障的物種篩選需要適應(yīng)該地區(qū)的短暫的生長周期，并且需要考慮沙化防治的效果;特別是篩選植物的種植模式可能受寒冷環(huán)境(漫長的冬季、雪被、頻繁地凍融)的影響，從而對植物的生長和繁殖產(chǎn)生影響[11-12]，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物更新和演替過程，從而影響沙化防治。但高海拔寒冷地區(qū)生物沙障不同種植模式下沙化防治的研究極為缺乏，對高寒地區(qū)沙化防治工作開展不利，亟待研究。

青藏高原東南緣的川西北地區(qū)是典型的高海拔寒冷地區(qū)，該地區(qū)是我國重要的高寒牧區(qū)，同時(shí)也是長江和黃河的重要源頭區(qū)域[13]，但是該區(qū)域生態(tài)環(huán)境退化嚴(yán)重，部分地區(qū)沙漠化急劇擴(kuò)張，該區(qū)域的環(huán)境保護(hù)和沙化治理問題已經(jīng)刻不容緩[14]。川西北沙化地區(qū)主要分布于半濕潤氣候條件下，形成的沙地主要以固定和半固定的沙丘為主[15]。綜合考慮川西北生境和本土植物分布，發(fā)現(xiàn)可采用適生的灌木、中藥材、牧草作為生物沙障進(jìn)行沙化防治，如該區(qū)域適生的披堿草屬(Elymus)牧草，大面積種植的燕麥(Avena sativa)[16]等;但是利用這些草本作為沙化防治的相關(guān)研究極少，特別是利用復(fù)合草本在不同種植模式下對川西北沙化地的適用性和對沙地的防治效果沒有明確的結(jié)論。為了明確復(fù)合草本不同種植模式在川西北地區(qū)沙地上種植對沙地的防治效應(yīng)，本研究在前期工作的基礎(chǔ)上，以川西北高海拔寒冷沙地為研究基礎(chǔ)，分析燕麥、垂穗披堿草(Elymus nutans)和中華羊茅(Festuca sinensis)為復(fù)合草本不同種植模式下沙地地表植被變化情況，土壤水分、容重、養(yǎng)分等變化情況，探究復(fù)合草本不同種植模式對高寒沙地的防治效應(yīng)，為沙化防治提供基礎(chǔ)研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于四川省阿壩州紅原縣日干喬生態(tài)保護(hù)區(qū)(33.18°N，102.62°E，海拔3470 m)。日干喬生態(tài)保護(hù)區(qū)屬于青藏高原東南緣，為半濕潤氣候[15]，年降水量在750 mm左右，2017年降水量為725 mm，該區(qū)域處于高海拔寒冷區(qū)域，近5年的年平均氣溫為2.55℃，雨熱集中。生長季節(jié)較短，每年的5-9月為生長季節(jié)，春、秋二季短暫，冬季較為漫長，具有分布不一的雪被覆蓋，土壤在經(jīng)過頻繁的凍融條件后進(jìn)入和結(jié)束冬季過程[14-15]。土壤表層主要為高寒草甸土和沼澤泥炭土，沙化地區(qū)以風(fēng)沙土為主[17]。該區(qū)域主要受到人為干擾(如過度放牧)的影響，大量沼澤和泥炭地干涸，土壤退化。該地區(qū)退化形成的沙地夏季溫差極大，太陽直射沙地表面溫度可達(dá)50℃以上，夜間溫度可低至5℃左右(圖1)，而冬季受地形因素影響，具有大小不等的雪被覆蓋，凍融情況尤為明顯。沙地周邊地表植物主要以適應(yīng)高寒環(huán)境的中國沙棘(Hippophae rhamnoides subsp.sinensis)、西藏沙棘(Hippophae thibetana)、奇花柳(Salix atopantha)、沙蒿(Artemisia desertorum)、鵝絨委陵菜(Potentilla anserina)、高山蒿草(Kobresia pygmaea)、四川蒿草(Kobresia setschwanensis)等為優(yōu)勢植物。

圖1 研究區(qū)空氣和沙地地表每2小時(shí)溫度Fig.1 Temperature of air and sand land surface in every two hour

1.2 復(fù)合草本種植

于2014年4月末在研究區(qū)域選擇地形相似的封育沙地，按照不同的種植模式進(jìn)行混合草種的種植，并以相鄰的空白沙地作為對照組。混合草種選用一年生的燕麥、多年生的垂穗披堿草和中華羊茅，將選擇的種子按照重量標(biāo)準(zhǔn)，以燕麥∶垂穗披堿草∶中華羊茅=10∶3∶3均勻混合，混合后的種子用于播種。為保障一年生草本的發(fā)芽和成活率，播種量以燕麥大田播種量為基準(zhǔn)[18]，保障種植面積內(nèi)燕麥達(dá)到450萬株·hm-2，所以混合種子的播種量為160 kg·hm-2。行播:利用開溝器開10 cm寬的淺溝，在淺溝內(nèi)種植混合草種，覆土5 cm，10 cm寬的淺溝交錯(cuò)為50 cm×50 cm的草方格，種植區(qū)域?yàn)?.5 km×2 km。帶播:在沙地上劃分寬為1 m的條帶，條帶之間間隔為1 m，在條帶內(nèi)均勻撒播混合種子，利用沙土覆蓋，覆土5 cm，種植區(qū)域?yàn)? km×2 km。撒播:在1 km×2 km的范圍內(nèi)進(jìn)行混合種子的撒播，撒播種子人工平耙，使混合種子覆土在3～5 cm。根據(jù)沙化地實(shí)際分布情況，每個(gè)處理有平坦的兩塊沙地(坡度2°～4°)和一塊緩丘(坡度11°)，共計(jì)3個(gè)重復(fù)，重復(fù)之間有柳樹灌叢阻隔，阻隔帶在50～100 m之間。

1.3 樣地設(shè)置和調(diào)查

于2014年8月在植物的生長旺季，調(diào)查一年生燕麥的成活率和生長情況。在3種種植模式的重復(fù)樣地中，隨機(jī)選擇3塊10 m×10 m的樣方，每塊樣方之間相互水平間隔100 m以上，調(diào)查燕麥的生長情況，在每塊10 m×10 m的樣方中，隨機(jī)選擇3塊1 m×1 m的小樣方，在小樣方中按照燕麥生長株數(shù)，計(jì)算燕麥的成活率，并隨機(jī)選擇10株燕麥調(diào)查燕麥的株高、抽穗情況。3塊小樣方的數(shù)據(jù)平均計(jì)算為一個(gè)重復(fù)，每個(gè)種植模式3個(gè)重復(fù)。為了不破壞沙地的治理效果和后期的持續(xù)恢復(fù)，所以不采集一年生的燕麥進(jìn)行生物量、生物養(yǎng)分、土壤養(yǎng)分的分析。在治理4年后，于2017年8月的生長旺季，調(diào)查混合草本種植后沙地植物的分布情況，調(diào)查種植后土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分變化情況。在空白樣地和3種種植模式的樣地中，分別隨機(jī)選擇3塊10 m×10 m的樣方，在每個(gè)樣方中隨機(jī)選擇3個(gè)2 m×2 m的小樣方，用于調(diào)查植物種類、株數(shù)、蓋度、株高，將3個(gè)小樣方內(nèi)的調(diào)查結(jié)果平均為一個(gè)重復(fù);由于一年生和多年生草本在4年的治理下，植物根系和地表凋落物對土壤表層影響較大，為了研究表層和相對較深的沙土性質(zhì)變化，在3個(gè)小樣方內(nèi)利用直徑為5 cm的土鉆分別取種植地下0～10 cm和10～20 cm的沙土，將3個(gè)小樣方中的土壤混合為一個(gè)重復(fù)，將土壤保存于自封袋中，放入裝有冰袋的泡沫盒;并利用內(nèi)徑為5 cm，容積為100 cm3的環(huán)刀，分別取0～10 cm土壤剖面0～5 cm、3～8 cm、5～10 cm和10～20 cm土壤坡面10～15 cm、13～18 cm、15～20 cm的原狀土壤用于土壤容重測定，將所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析;每個(gè)模式3個(gè)重復(fù)。

1.4 植物多樣性分析

利用恢復(fù)4年后樣方內(nèi)調(diào)查的植物物種和分布情況，對物種的豐富度指數(shù)(Species richness，R)、生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)(Simpson diversity index，D)、物種多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener index，H′)、均勻度指數(shù)(Pielou index，E)進(jìn)行分析，比較不同恢復(fù)模式下植物多樣性的變化情況。

群落物種豐富度指數(shù)[19]:R=S

式中:S為群落中的總物種數(shù)。

生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)(Simpson指數(shù))[20]:D=

式中:N為群落中全部種的總個(gè)體數(shù)，Ni為第i種的個(gè)體數(shù)，S為群落中的總物種數(shù)。

物種多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener指數(shù))[21]:

式中:Pi=Ni/N，Pi為群落中第i種個(gè)體數(shù)占群落中全部種總個(gè)體數(shù)的比例，S為群落中的總物種數(shù)。

均勻度指數(shù)(Pielou指數(shù))[20]:E=H′/ln S

式中:H′為Shannon-Wiener指數(shù)，S為群落中的總物種數(shù)。

1.5 土壤樣品分析

將采集回的土壤樣品在室溫下過孔徑為1 mm篩，去除沙土中的石子和草根。取部分土壤風(fēng)干，進(jìn)行土壤樣品p H、有機(jī)碳、全氮、全磷及有效磷含量測定，新鮮土壤進(jìn)行土壤水分、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的測定，環(huán)刀土樣測定土壤容重[22]。土壤水分利用105℃烘干至恒重進(jìn)行測定[22];土壤硝態(tài)氮利用稀鹽酸在220和275 nm的差值進(jìn)行測定[22];銨態(tài)氮利用靛酚藍(lán)方法進(jìn)行測定[22]。土壤p H利用水電位法進(jìn)行測定(PHS-3E)，土水比為1∶1[22];土壤有機(jī)碳利用酸性K2Cr2O7加熱消煮，亞鐵鹽滴定測定[22];利用凱氏半微量法測定土壤全氮含量[22];利用HCl O4-H2SO4在高溫下消解風(fēng)干土壤樣品，然后利用鉬銻抗比色法進(jìn)行測定土壤全磷含量[22];利用NH4FHCl浸提風(fēng)干土壤樣品，然后利用鉬銻抗比色法進(jìn)行測定土壤有效磷含量[22]。土壤容重利用環(huán)刀(內(nèi)徑5 cm，容積100 cm3)在105℃下加熱進(jìn)行測定[22]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析(One-way ANOVA)方法和最小顯著差異法(LSD)分析一年生燕麥不同種植模式之間成活率、株高之間的差異，分析不同種植模式之間植被蓋度、豐富度、生態(tài)優(yōu)勢度、物種多樣性、均勻度的差異，分析每個(gè)土壤層不同種植模式之間土壤水分、p H、容重、有機(jī)碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷、有效磷之間的差異，顯著水平為0.05。并利用Pearson相關(guān)分析不同種植模式下物種多樣性和每個(gè)土壤層土壤性質(zhì)之間的關(guān)系。利用主成分(PCA)分析方法分析各土壤層土壤指標(biāo)的主成分效應(yīng)。所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 19.0分析，利用Origin-Pro 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥生長情況及地表植被變化

在不同的種植模式下，復(fù)合草本中一年生燕麥的成活率并沒有顯著差異，但帶播和撒播的燕麥生長情況較好(表1)。行播、帶播、撒播3種模式下的燕麥成活率都超過了50%，并且沒有顯著差異，而3種模式下帶播和撒播種植的燕麥株高都超過了30 cm，葉長勢也優(yōu)于行播。

表1 不同模式下燕麥和植物群落的變化特征Table 1 Changing of oats and plant community under different models

不同種植模式下植物物種多樣性和蓋度增加，均勻度減少(表1，圖2)。3種播種模式下，種植4年后植物群落蓋度顯著增加，并且撒播模式蓋度顯著高于對照和其他種植模式，達(dá)到84%。復(fù)合草本種植后的植物物種豐富度顯著高于對照組，并且撒播的物種豐富度最高，達(dá)到9種;生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)在3種播種模式之間沒有顯著差異，但顯著高于對照組;物種多樣性指數(shù)3種播種模式顯著高于對照組，并且撒播模式下顯著高于其他模式;而復(fù)合草種播種降低了植物群落均勻度，并且?guī)Рズ腿霾ワ@著低于對照組。播種4年后一年生燕麥已經(jīng)退出生態(tài)系統(tǒng)，原生賴草一直存在于生態(tài)系統(tǒng)中，人工種植的垂穗披堿草和中華羊茅也在生態(tài)系統(tǒng)中生長良好。一年生的灰綠藜、菥蓂、播娘蒿等物種入侵了恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)，其他多年生的草本如早熟禾、以禮草等分布不一。

2.2 土壤理化性質(zhì)

圖2 不同種植模式下植物多樣性指數(shù)Fig.2 Comparisons of plant diversity indexes under different plant models

圖3 不同種植模式下土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分的比較Fig.3 Comparisons of soil physical,chemical and nutrition under different plant models

4年復(fù)合草本種植增加了土壤水分，減少了土壤容重，增加了土壤中養(yǎng)分含量(圖3)。3種種植模式下，行播明顯減少了10～20 cm層的土壤水分，撒播卻顯著增加了兩個(gè)土層的土壤水分，帶播顯著增加了10～20 cm層的土壤水分含量(圖3Ⅰ)。4年的帶播和撒播都明顯減少了兩個(gè)土層的土壤容重(圖3Ⅱ)。行播和帶播明顯減小了土壤p H值(圖3Ⅲ)。帶播和撒播明顯增加了兩個(gè)土層中的有機(jī)碳含量，行播卻減少了土壤0～10 cm的有機(jī)碳含量(圖3Ⅳ)。3種播種模式都增加了土壤中全氮含量，帶播和撒播增加明顯，撒播明顯增加了土壤中硝態(tài)氮含量，撒播和行播顯著增加了土壤中銨態(tài)氮含量(圖3Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ)。帶播和撒播明顯增加了土壤中全磷含量，而3種種植模式都顯著增加了土壤中有效磷含量(圖3Ⅷ，Ⅸ)。

2.3 土壤理化性質(zhì)和植物群落關(guān)系

不同種植模式下，0～10 cm土壤層的土壤水分、有效磷、全氮、全磷、銨態(tài)氮和植物群落蓋度、豐富度、生態(tài)優(yōu)勢度、物種多樣性、均勻度密切相關(guān);10～20 cm土壤層的容重、有效磷、有機(jī)碳、全氮、全磷、硝態(tài)氮和植物群落蓋度、豐富度、生態(tài)優(yōu)勢度、物種均勻度密切相關(guān)(表2)。土壤中養(yǎng)分含量和物種豐富度均呈正相關(guān)關(guān)系，土壤水分和物種豐度顯著正相關(guān)，土壤容重和豐度呈顯著負(fù)相關(guān)，p H值和豐富度關(guān)系不顯著。土壤p H值和容重都與物種生態(tài)優(yōu)勢度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是只有10～20 cm土層顯著，其余都呈正相關(guān)關(guān)系。整個(gè)土壤層只有全氮、全磷、有效磷和物種多樣性指數(shù)及群落蓋度顯著相關(guān)。整個(gè)土壤層的有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷、銨態(tài)氮和植物群落的物種多樣性呈顯著正相關(guān)。整個(gè)土壤層的有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷和群落均勻度顯著負(fù)相關(guān)，并且表層土壤水分和植物群落均勻度也呈極顯著負(fù)相關(guān)。整個(gè)土壤層的水分含量、有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷、硝態(tài)氮和植物群落蓋度顯著正相關(guān)，而整個(gè)土壤層的土壤容重和植物群落蓋度顯著負(fù)相關(guān)。

表2 土壤性質(zhì)和植物群落之間的相關(guān)關(guān)系Table 2 Pearson’s correlations between soil properties and plant community

不同種植模式下土壤各指標(biāo)主成分分析后得分前3的為有機(jī)碳＞全氮＞p H，容重和其他土壤指標(biāo)在第一主成分下變異較大(圖4)。0～10 cm土壤層土壤性質(zhì)各指標(biāo)第一主成分達(dá)66.48%，第二主成分達(dá)14.29%，綜合達(dá)80.77%;10～20 cm土壤層土壤性質(zhì)各指標(biāo)第一主成分為63.32%，第二主成分為20.49%，綜合達(dá)83.81%。兩個(gè)土壤層除容重外，其余指標(biāo)在第一主成分上的投影皆為正值，其中前3的得分排序?yàn)橛袡C(jī)碳＞全氮＞p H。在兩個(gè)土壤層中，容重和其余指標(biāo)在第一主成分上分布情況完全相反，其他指標(biāo)在第二成分分布差異較大，特別是p H值在第二成分上的分布完全相反。對照組土壤各指標(biāo)在第一主成分上的分布和3個(gè)處理組也明顯不同。

圖4 不同種植模式下兩個(gè)土壤層土壤成分的主成分分析Fig.4 Principal components analysis of soil properties in two soil layers under different plant models

3 討論

以一年生(燕麥)和多年生(垂穗披堿草、中華羊茅)混合草本對川西北高寒半濕潤沙地進(jìn)行沙化治理，不同的種植模式并沒有對燕麥的成活率產(chǎn)生明顯的影響，但是燕麥在當(dāng)年生長后，行播的燕麥長勢(株高、葉等)劣于帶播和撒播的燕麥(表1)。川西北地處高海拔，生長季節(jié)主要為水、熱集中的5-9月，該時(shí)期日照時(shí)間較長，并且太陽輻射較大[23]。在高寒沙地上生長的燕麥由于地表植被較少，采用行播方式形成的燕麥區(qū)域單位面積密度小于帶播和撒播的燕麥，在受到生長季節(jié)強(qiáng)日照后，地表溫度極高，而夜間溫度較低(圖1)，極大的晝夜溫差對當(dāng)年的燕麥生長造成了影響[24-25]，而帶播和撒播的燕麥單位面積內(nèi)生長密度較大，植株之間可以相互保護(hù)，避免地表高溫[26]，因此帶播和撒播的燕麥長勢要優(yōu)于行播的燕麥。種植4年后，一年生的燕麥退出了生態(tài)系統(tǒng)，在不同種植模式中均未調(diào)查到燕麥，燕麥在該生態(tài)系統(tǒng)中不能完成繁殖過程，從該生態(tài)系統(tǒng)中消失。這可能是由于該區(qū)域的生長季節(jié)短暫，同時(shí)燕麥需要忍受較大的環(huán)境變化(較大的溫差、干旱、貧瘠等)，因此選用的燕麥品種在該區(qū)域沒有完成繁殖過程，不適應(yīng)此生態(tài)環(huán)境，逐漸退出了該生態(tài)系統(tǒng)，人工選擇的燕麥在生態(tài)系統(tǒng)植被演替中是一種前期物種[27]。但是燕麥在生長過程中，特別是在種植初期，當(dāng)年的生長可能為多年生草本提供了保護(hù)效果，如遮陰、地表水分保持等[28-29]，并且死亡后地表形成的枯落物和殘茬也可能對多年生草本幼苗安全度過冬季起到保護(hù)作用[30]，但是其機(jī)理仍然需要進(jìn)行深入研究。

不同種植模式下，經(jīng)過4年的沙化治理，植物群落蓋度顯著增加，并且撒播種植模式下的植物群落蓋度增加量最多。撒播模式下植物群落物種多樣性和物種豐度最高，并且增加的物種涵蓋了菊科、黎科、十字花科、景天科等，其中對水分要求較高的川西景天(景天科)只分布于撒播模式下，因此撒播模式下水分條件可能優(yōu)于其他模式。帶播和撒播模式下物種均勻度分布明顯小于對照和行播模式，帶播和撒播模式下入侵物種數(shù)目增加，而增加了的各物種在短時(shí)期內(nèi)可能還沒有形成較多的個(gè)體分布，導(dǎo)致了均勻度減少[31-32]，因此帶播和撒播種植模式下物種恢復(fù)情況要優(yōu)于未治理和行播模式。未治理沙地上的優(yōu)勢物種賴草，在不同種植模式下的生態(tài)系統(tǒng)中均生長良好，并沒有退出生態(tài)系統(tǒng)，賴草對該區(qū)域沙化環(huán)境適應(yīng)性良好。而選用的垂穗披堿草和中華羊茅都在3種模式中生長良好，因此選用的多年生草本也適應(yīng)該生態(tài)系統(tǒng)。一年生較為耐旱的短命植物菥蓂、灰綠藜等入侵恢復(fù)樣地，并且在3種模式下都廣泛分布，耐旱的短命植物對該生態(tài)系統(tǒng)有較好的適應(yīng)能力，這可能是由于短命植物在較短的生長周期內(nèi)能夠完成生命史，并且在該時(shí)期內(nèi)充分利用較為集中的降水[33-35]。

由于川西北高寒沙地土壤養(yǎng)分含量較低，土壤貧瘠，而利用一年生燕麥和多年生草本進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，集中的淺層根系和地表凋落物主要影響表層土壤，特別是在0～10 cm表土層。因此在分析過程中，選擇了0～10 cm和10～20 cm土壤層作為本研究對比分析對象，能夠基本反映土壤性質(zhì)變化情況。在實(shí)際試驗(yàn)中，不同種植模式4年的治理后，帶播和撒播顯著增加了土壤層0～10 cm的含水量，帶播和撒播模式明顯改善了土壤水分條件，一方面，川西北地區(qū)降水集中于生長季節(jié)，該時(shí)期較高的地表植被蓋度緩解了受到太陽直射引起大量水分蒸發(fā)[36-37];另一方面，地下密集的根系和死亡后的植物殘?bào)w可能改善了土壤條件(如容重減小、有機(jī)質(zhì)含量增加，圖3Ⅱ，Ⅳ)，從而增加了土壤持水能力[38-40];并且川西景天在撒播模式下生長，也側(cè)面反映了撒播模式下較好的水分環(huán)境。經(jīng)過4年的種植，土壤容重減小，土壤有機(jī)碳含量增加;并且?guī)Рズ腿霾ツＪ较滦Ч@著，在這2種模式下，地表植被可能有較多的有機(jī)物反饋至土壤中，增加的土壤有機(jī)質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致土壤容重減小，土壤有機(jī)碳含量增加[41]，這些有機(jī)物主要來源于前期種植的燕麥死亡后地表凋落物歸還，地下根系分解等，這可能得益于帶播和撒播模式下較好的燕麥長勢，因此帶播和撒播模式下對土壤有機(jī)碳的反饋能力高于行播模式。3種模式4年的治理下均顯著增加了土壤中全氮含量，而撒播模式下土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量增加量最為顯著，因此撒播模式下對土壤氮含量的反饋能力最好。撒播和帶播模式下均顯著增加了土壤中全磷含量，因此帶播和撒播模式對土壤中磷的反饋能力也較好。由于土壤中的氮和磷含量相對有機(jī)碳含量較低，并且較為穩(wěn)定，而在川西北地區(qū)沙地土壤中氮和磷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未沙化的草地生態(tài)系統(tǒng)[14]，雖然帶播和撒播模式明顯改善了土壤中的氮和磷含量，但是具體的機(jī)理還需進(jìn)一步的深入研究。

不同種植模式4年的治理后，土壤理化性質(zhì)和地表群落特征密切相關(guān)，地表植被群落恢復(fù)過程引導(dǎo)了地下土壤性質(zhì)的相應(yīng)變化，植物群落蓋度和多樣性的變化影響著土壤水分，容重和養(yǎng)分的變化過程[42-43]，如地表植物蓋度的增加，使地表溫度、水分等環(huán)境條件改善[36]，從而促進(jìn)了地下養(yǎng)分循環(huán)和積累過程，而地表植物年間的死亡和生長過程增加了土壤中養(yǎng)分的來源，并促進(jìn)了物質(zhì)循環(huán)[44-45]，因此土壤性質(zhì)的變化也能夠良好的反映生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程。在已測定的土壤性質(zhì)中，土壤容重和其他指標(biāo)在第一主成分上象限分布不同，不同種植模式下對土壤容重的作用和其他土壤性質(zhì)的作用相反，而其他指標(biāo)得分前3的是有機(jī)碳、全氮、p H值。但是p H值和地表植物群落的相關(guān)性并不顯著，特別是在第二象限上，兩個(gè)土壤層中p H值的分布差異極大，而其他指標(biāo)如有機(jī)碳、有效磷、全磷、含水量分布差異也很大，這些分布差異的原因一方面可能是因?yàn)榈诙鞒煞值慕忉屄侍停?～10 cm和10～20 cm土層分別只有14.29%和20.49%，所以各土壤指標(biāo)在兩個(gè)土壤層下的分布差異較大;另一方面1～10 cm和10～20 cm土層在人工種植草本治理情況下，生長過程受地表(0～10 cm)夏季高溫、冬季低溫、夏季集中降水、冬季更為惡劣的凍融條件影響(圖1)，形成了和10～20 cm極大的環(huán)境差異，而地表更多的集中了凋落物歸還，淺層根系分解，所以環(huán)境的和種植反饋過程的多因素作用差異也可能是造成兩個(gè)土壤層各土壤指標(biāo)差異較大的原因[36，44-45]。因此在進(jìn)行指標(biāo)的綜合考慮過程中，容重可以作為衡量不同種植模式下的指標(biāo)之一，而綜合得分較高的有機(jī)碳、全氮、p H值3種土壤指標(biāo)中，p H值由于和地表植物群落相關(guān)性不高，因此需要單獨(dú)評價(jià)，不適宜在評價(jià)指標(biāo)中作為主要參考因素。因此建議將有機(jī)碳、全氮和容重作為不同種植模式下土壤性質(zhì)變化基本的評價(jià)指標(biāo)。

4 結(jié)論

以一年生和多年生復(fù)合草本對川西北高寒半濕潤沙地進(jìn)行治理，采用行播、帶播、撒播3種模式進(jìn)行沙化恢復(fù)。綜合地上生物特征和地下土壤特征，發(fā)現(xiàn)4年的帶播和撒播種植模式對川西北高寒半濕潤沙地恢復(fù)效果良好。在選擇的恢復(fù)草本物種中，一年生的燕麥無法完成自我繁殖過程，多年后從生態(tài)系統(tǒng)中消退，而多年生草本可以完全適應(yīng)川西北高寒半濕潤生境。帶播和撒播模式明顯增加了地表植物群落蓋度，植物物種多樣性和生態(tài)優(yōu)勢度，明顯減小了地表植物群落均勻度指數(shù);其中效果最佳的撒播模式蓋度增加至80%，植物物種數(shù)增加至9種。帶播和撒播顯著減小了土壤容重，增加了土壤含水量、有機(jī)碳、全氮、全磷、硝態(tài)氮、有效磷含量。不同種植模式地表植物群落特征和地下土壤性質(zhì)具有密切關(guān)系，而地表植物群落變化對土壤各指標(biāo)的影響機(jī)理需要進(jìn)一步深入研究。通過主成分分析后發(fā)現(xiàn)，降維后的土壤指標(biāo)中，土壤容重、有機(jī)碳、全氮可以作為土壤性質(zhì)變化的主要衡量因子，而p H值受限于不同土層極大的環(huán)境差異、物質(zhì)反饋等，暫不建議作為川西北高寒半濕潤沙地草本恢復(fù)土壤的評價(jià)指標(biāo)。