寧夏風沙區不同人工固沙灌叢林土壤質量評價

羅雅曦, 劉任濤

(1.寧夏大學 農學院, 銀川 750021; 2.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, 銀川 750021)

沙漠化是我國北方干旱風沙區草地生態系統退化的極端表現形式之一[1]，其發生面積、危害程度遠遠超出其他類型的土地退化[2]。在寧夏中北部地區，退化與沙漠化草地面積占草地總面積的96.9%[3]，扎設草方格、人工灌叢林建設已經成為該區域防沙治沙、生態恢復的重要措施，對沙漠化防治與土壤質量的改良起著重要作用[4]。隨著灌叢的生長發育，風沙活動減弱，加之細粒物質、枯枝落葉、根際分泌物等在灌叢周圍及土壤中沉積[5]，逐漸改變土壤容重、養分及團粒結構等變化，提高了土壤質量[6]。并且，土壤質量的改善和提高可為微生物及其他物種生長繁衍提供良好的環境[7]，增加灌叢凋落物產量，提高分解速率，進一步改善土壤成土環境，使土壤理化性質發生重要改變[8]。因此，土壤理化性質的變化，可以反映人工灌叢林對土壤的改良和植被生態恢復效果，而土壤質量評價又是評判生態系統達到生態平衡和良性循環、土地可持續管理的重要指標之一，其具有非常重要的現實意義。

目前，有關人工林建設對土壤性質變化與土壤質量方面的研究開展的較多。在沙地生境中，張立欣等[4]研究了不同人工固沙灌叢林土壤養分變化特征，發現灌叢建設均有利于土壤有機質、全氮等養分含量的積累，并對土壤恢復效果進行綜合評價，進一步發現不同人工固沙灌叢林的建設均能提高沙漠土壤質量，其中營造油蒿+楊柴混交林對提高土壤綜合質量效果最好。在華北低丘山地退耕還林區，趙娜等[9]研究了不同退耕年限刺槐林土壤理化性質演變特征并計算了退耕地土壤質量綜合指數，指出隨著退耕年限的增加，刺槐人工林土壤質量指數逐漸提高。在山西陽高縣，王改玲等[10]選取了6種不同人工植被的8項理化性質進行分析，并計算了土壤質量指數，最終提出苜蓿和檸條改善土壤質量效果最好。研究表明，人工林的建設，有助于改善土壤質量，促進土壤生態恢復。但是，在干旱風沙區關于人工林建設對土壤性質演變特征與土壤質量評價鮮見有相關研究報道，對于寧夏鹽池風沙區草方格人工林建設初期灌叢幼苗定居生長過程中土壤性質變化特征及土壤質量恢復效果，尚不清楚。

鑒于此，本研究選擇2 a單種油蒿、花棒、沙拐棗和檸條4種草方格人工固沙灌叢林為研究對象，以周圍流動沙地為對照，通過調查每種固沙灌叢林土壤理化性質變化特征，探討不同灌叢固沙過程中的土壤質量演變規律，并采用土壤質量綜合指數法對土壤恢復質量做出合理評價，以尋求恢復和改善土壤質量的對策，為寧夏鹽池風沙區乃至整個北方荒漠化旱區土地沙漠化恢復方案優化設計、人工林建設管理及防沙治沙提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究地區概況

研究區位于寧夏鹽池縣東北段風沙區(37°50′N，107°28′E)。本區氣候屬于典型的暖溫帶大陸性氣候，年均氣溫8.2 ℃，年均無霜期165 d。年均降水量280 mm，60%以上的降雨集中在7—9月，年潛在蒸發量2 710 mm。地帶性土壤主要以灰鈣土為主，非地帶性土壤主要以風沙土為主。土壤結構松散，肥力較低。該地區的植被類型包括草甸、沙地植被和荒漠植被。群落中常見的植被主要以旱生和中旱生類型為主。優勢植物種主要有苦豆子(Sophoraalopecuroides)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、中亞白草(Pennisetumcentrasiaticum)、草木樨狀黃芪(Astragalusmelilotoides)、牛枝子(Lespedezapotanini)和阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。由于干旱少雨，基質較差，在過度放牧干擾下，該區域植被覆蓋度低于3%，植物群落結構單一，植物生長矮小，裸露流動沙地分布較多，土地生產力地下，土壤沙粒含量在98%以上[3]。

2011年5月，在流動沙地扎設1×1 m2草方格，同時劃分為不同種類的灌叢林營造區，分別種植包括油蒿、花棒、沙拐棗和檸條幼苗4種灌叢林；種植模式均為每隔1行種植灌叢幼苗1株，株距為1.5 m，行距為3 m。將每種灌叢林地的人工林生長狀況和地表草本恢復情況進行調查作為研究背景，詳見表1。

表1 樣地基本信息

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 選擇油蒿、花棒、沙拐棗、檸條4種固沙灌叢林地為研究樣地，同時在周圍未扎設草方格未營造灌叢林地為對照樣地。每種樣地設6個重復樣區，面積為1.2～1.7 hm2，間距20 m左右。每個重復樣區布設取樣點1個取混合土樣，包括灌叢下和灌叢間微生境。

1.2.2 土壤樣品采集 于2013年8月，在每個調查樣點，按照“M”形用100 ml環刀采集新鮮原狀土樣5個(土壤深度：0～10 cm)，混合均勻后用自封袋取500 g土樣帶回實驗室進行相關指標測定。1/4新鮮土樣用于土壤含水量的測定，剩余土樣經自然風干后，過2 mm土壤篩除去樹根、葉片等雜物，用于土壤顆粒組成及土壤理化性質的測定。同時，在上述采樣點附近利用100 ml環刀取原狀土樣1個，測定土壤容重。

1.2.3 土壤指標的選擇與測定 本研究中土壤質量主要從易度量、重現性好的土壤顆粒、持水能力等理化性質與有機碳等肥力質量考慮。基于針對性、有效性、敏感性以及穩定性兼顧的原則，參考已有研究成果[9-11]，選取土壤物理指標中的土壤容重、含水量及顆粒組成，化學指標中的土壤pH、電導率、有機碳和全氮作為土壤質量評價指標。所選擇的土壤理化性質可以反映土壤肥力狀況和土壤形成與發育過程，土壤養分可以反映與植物吸收利用的關系。

土壤含水量(%)和土壤容重(g/cm3)采用烘干稱重法測定。土壤顆粒組成(%)利用英國馬爾文公司的激光粒度儀(Mastersizer 3000)測定。采用美國農業部分類系統對土壤顆粒進行分級：粗砂粒(250～1 000 μm)、細砂粒(100～250 μm)、極細砂粒(50～100 μm)、黏粉粒(<50 μm)[12]。土壤pH值(水土比懸液為2∶1)和土壤電導率(水土比浸提液為5∶1；μS/m)用P4多功能測定儀器測定(Muiti-line P4 Universal Meter，WTW公司，Germany)。土壤有機碳(g/kg)和土壤全氮(g/kg)分別用重鉻酸鉀氧化外加熱法和開氏定氮法測定。

1.2.4 灌叢幼苗生長特征和地表植被調查 在每個灌叢幼苗種植區域，布設5×5 m2樣方，調查灌叢幼苗個體數(株/m2)、高度(cm)、冠幅(cm2)等指標。同時，在每個調查灌叢林地中調查地表草本植被特征，包括個體數(株/m2)、高度(cm)和物種數(株/m2)，作為研究樣地背景指標(表1)。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 土壤質量指數 利用主成分分析法，以各土壤指標特征值貢獻率為權重，加權計算不同人工固沙灌叢林土壤性質及養分指標值，運用土壤質量指數法對不同林地土壤質量進行綜合評價[4]。

1.3.2 統計處理 應用SPSS 22.0統計軟件進行數據分析處理。單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)用于比較不同數據集之間的差異。通過Spearman相關系數分析指標之間的相關性，并通過雙尾檢測檢測顯著性(p=0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同人工固沙灌叢林土壤理化性狀

由表2可以看出，土壤細砂和極細砂含量較高，分別為55.71%～85.41%，11.69%～31.07%，其平均值分別為70.11%和24.17%。土壤粗砂含量居中，為1.90%～8.40%，其平均值為3.73%。而土壤黏粉粒含量較低，在4.82%以下，其平均值僅為1.99%。

由表2可知，土壤粗砂表現為油蒿樣地含量顯著高于花棒、沙拐棗、檸條和流動沙地，而后4者之間無顯著差異性；土壤細砂表現為沙拐棗含量顯著高于流動沙地，而檸條、花棒和油蒿與流動沙地之間無顯著差異性；土壤極細砂表現為沙拐棗含量顯著低于油蒿、花棒、檸條和流動沙地，而后4者之間無顯著差異性；土壤黏粉粒表現為油蒿樣地含量顯著提高，花棒和沙拐棗顯著降低，而檸條無顯著變化。

表2 不同固沙灌叢林土壤顆粒分布特征

注：同列不同小寫字母表示不同灌叢類型之間存在顯著差異(p<0.05)。

由圖1可以看出，不同固沙措施對土壤理化性質產生了顯著影響。土壤容重表現為沙拐棗(1.48±0.01)顯著增大，而油蒿(1.16±0.03)顯著減小，花棒(1.42±0.03)和檸條(1.38±0.02)較流動沙地(1.37±0.02)無顯著變化；土壤pH表現為沙拐棗(9.43±0.03)顯著增大，而油蒿(9.31±0.03)、花棒(9.39±0.01)和檸條(9.35±0.02)較流動沙地(9.32±0.01)均無顯著變化；土壤含水量、電導率、有機碳、全氮和碳氮比指標均表現為油蒿(分別為6.64±0.83，69.50±1.82，4.23±1.12，0.27±0.03，14.45±2.43)較流動沙地(分別為3.72±0.61，60.00±2.00，0.70±0.24，0.11±0.04，6.36±0.49)顯著提高，而花棒(分別為2.94±0.29，57.33±0.88，0.44±0.03，0.12±0.02，4.12±0.61)、沙拐棗(分別為2.42±0.06，58.33±0.67，0.36±0.01，0.07±0.01，5.44±0.64)和檸條(3.51±0.21，58.83±0.31，0.77±0.30，0.10±0.02，6.92±1.02)以上5項指標與流動沙地均無顯著差異。

注：不同小寫字母表示不同灌叢類型之間存在顯著差異(p<0.05)。

圖1 不同固沙灌叢林土壤理化性質特征

2.2 不同人工固沙灌叢林各土壤理化性質間的相關性

土壤各因子間相關性密切(表3)。具體表現為極細砂粒與細砂粒顯著負相關(p<0.01)；黏粉粒與粗砂和極細砂均呈顯著正相關(p<0.05)，與細砂顯著負相關(p<0.01)；含水量與極細砂和黏粉粒顯著正相關(p<0.01)，與細砂顯著負相關(p<0.01)；容重與細砂顯著正相關(p<0.01)，與粗砂、極細砂、黏粉粒和含水量均呈顯著負相關(p<0.05)；電導率與粗砂、黏粉粒和含水量顯著正相關(p<0.01)，與細砂和容重顯著負相關(p<0.01)；pH與細砂、容重顯著正相關(p<0.01)，與極細砂、黏粉粒、含水量和電導率顯著負相關(p<0.01)；有機碳和全氮與其他指標間均表現出了顯著相關性(p<0.05)；除了極細砂和全氮以外，碳氮比與其他指標也表現出顯著的相關性(p<0.05)。

表3 土壤理化性質間的相關關系

注：**在0.01水平(雙側)上顯著相關，*在0.05水平(雙側)上顯著相關。

2.3 不同人工固沙灌叢林土壤質量綜合評價

按照特征值>1且累積貢獻率>85%的原則抽取了2個主成分(表4)。可以看出，不同固沙灌叢林土壤質量綜合評價指標結果為：第1主成分的特征值為7.616方差貢獻率為69.238%，第2主成分的特征值為1.882，方差貢獻率為17.108，第1和第2主成分的特征值之和為9.498，累計方差貢獻率達到86.346%，說明第1和第2主成分可以代表不同固沙灌叢林土壤質量的變異信息。其中，第1主成分可以解釋原11個土壤綜合質量因子信息的69.238%，說明所選取的土壤質量綜合評價指標在土壤質量評價中均起著重要作用；第2主成分可以解釋原土壤綜合質量的17.108%，反映的主要為細砂、極細砂和pH等指標的綜合變量。

根據不同固沙灌叢林土壤質量因子特征向量得出土壤質量評價系統主成分方程分別為：

Y1=0.31x1-0.27x2+0.2x3+0.32x4+0.31x5-0.34x6+0.33x7-0.25x8+0.33x9+0.32x10+0.3x11

Y2=0.06x1+0.33x2-0.42x3-0.19x4+0.17x5-0.05x6+0.14x7+0.22x8+0.02x9+0.22x10+0.24x11

式中：x1—x11分別代表粗砂、細砂、極細砂、黏粉粒、含水量、容重、電導率、pH、有機碳、全氮、碳氮比，xi為各指標標準化數據

最后，得出綜合主成分值Y=69.238%×Y1+17.108%×Y2。根據綜合主成分值方程計算各固沙灌叢林土壤質量。由圖2可知，沙拐棗、花棒、檸條、流動沙地和油蒿土壤質量綜合指數分別為：-1.54，-1.05，-0.56，-0.03，3.15。油蒿土壤質量綜合指數比流動沙地增加了106%，而沙拐棗、花棒和檸條分別減少了50.3%，34%和17.7%。顯著性檢驗結果顯示，與流動沙地相比，土壤質量綜合指數表現為油蒿顯著增加，沙拐棗顯著降低，檸條和花棒無顯著變化。

表4 不同固沙灌叢林土壤質量因子負荷量、權重、特征根與貢獻率

3 討 論

3.1 不同人工固沙灌叢林土壤理化性狀

在流動沙地扎設草方格和建植人工固沙灌叢后，流動沙丘表面逐漸固定，大氣塵埃沉積量逐漸增加，生物過程加強，共同促進了沙地地表土壤性質演變[13]。其中，人工固沙灌叢建設以后土壤性質是否得到改善以及改善程度是評價人工固沙造林沙地生態恢復效果的主要標準，也是沙漠化逆轉的重要指征[13]。本研究表明，草方格扎設及固沙灌叢生長過程對土壤理化性質產生了一定影響，但不同灌叢土壤性質存在較大差異。

圖2 不同固沙灌叢林土壤質量綜合指數

土壤顆粒分布影響土壤水力特性，土壤肥力狀況和土壤侵蝕等，是土壤重要物理性質之一[14]。本研究結果顯示，油蒿樣地粗砂含量顯著提高，這與夏江寶等[15]研究結果相似。油蒿樣地草本植物豐富(表1)，但是草本植物生物量較小，根系較淺且不發達，土壤易粗粒化[15]。沙拐棗細砂含量顯著提高，極細砂含量顯著降低，這可能與其樹體高大，并且近地層分枝少且稀疏，使其易受風蝕影響，土壤表面較細顆粒和凋落物均不易積累有關[16]。黏粉粒含量僅在油蒿樣地顯著提高。這與油蒿灌叢較高的覆蓋度以及根系發達均有較大關系[15]。但總體上，4種固沙灌叢林的建設對土壤顆粒影響較小。沙地的成土過程因風蝕與堆積而極不穩定，加之有機物質積累較少，并且缺乏物理性黏粒，因此成土作用極其微弱[16]。李裕元等[17]也指出，短期內(<30 a)植被恢復對土壤顆粒組成無顯著影響。這也意味著土壤一旦出現沙化將很難逆轉。但是，從測定結果來看(表2)，油蒿樣地黏粉粒含量顯著增加，這些物理性黏粒將沉積在半分解或已分解的枯落物中，在后期形成一層結皮，這對固沙改土將起到積極推動作用[16]。

土壤容重可以有效地指示土壤質量和土壤生產力，是最重要的物理性質之一[18]。本研究結果顯示，油蒿土壤容重顯著降低，有效地改善了風沙土壤質地和結構，使土壤的疏松、通氣和水分有效性更加協調[9]。其原因可能是油蒿較強的繁殖能力及其根系在淺層土壤的連續活躍活動造成土壤疏松多孔從而對土壤有一定改善作用所致[19]。但是沙拐棗土壤容重顯著增大。這與張曉娜等[20]等研究結果相吻合。表層土壤中的細粒物質(表2)遭受風力吹蝕得以損失，從而增大土壤容重，細粒物質的缺失不利于形成土壤團粒結構，降低土壤含水量，增大土壤侵蝕[20]。但或許也與成土母質有關。鄭紀勇等[18]指出，成土母質的影響使土壤容重具有非常大的變異。不同母質由于其礦物組成和理化性質的差異影響了其風化速率，造成容重較大變化。檸條和花棒均無顯著變化，這可能與土壤容重本身變異較小有關[19]。

土壤pH主要受植被覆蓋度、地質背景和地塊大小等的影響[21]。本研究中，沙拐棗土壤pH顯著增大，其他3種灌叢林均無明顯變化。這與李從娟等[21]在古爾班通古特沙漠的研究結果相似。李從娟等[21]指出，沙漠固沙植物梭梭生長緩慢，加之荒漠生態系統生物地球化學循環速率較小，因而短期內對土壤pH影響較小。本研究結果的可能解釋在于本研究區域土壤酸堿性受母質、氣候以及生物等共同作用，其中氣候又起著近乎決定性的作用。在干旱半干旱地區，干旱少雨，土體淋溶弱，廣泛分布著中性至堿性土壤[22]。例如，本研究區域流動沙地土壤pH為9.32，說明其土壤呈強堿性。另外，由于研究區域風大沙多，并且常年無凋落物積累，且母質含鹽基豐富，導致土壤偏堿性。其次，固沙灌叢類型本身可能對土壤pH作用較小，再加上成土時間短，鹽基淋失少，均可能導致對土壤酸堿度影響較小。沙拐棗pH顯著高于流動沙地，土壤堿化趨勢顯著，可能因為鹽基淋溶少，相反土壤水分蒸發量大，下層的鹽基物質易隨著毛管水的上升而聚集在土壤上層，使土壤具有石灰性反應所致[23]，但具體緣由還有待于進一步研究。

淺層土壤水分受降水入滲補給和蒸散作用的共同影響[24]。本研究中，僅油蒿林土壤含水量顯著增加，其他3種灌叢林土壤含水量均無顯著變化。油蒿樣地因其較高的植被覆蓋(表1)可以減少表層土壤水分蒸散，改善土壤表層有機質，增強表層土壤保水能力[24]；其次，油蒿根系雖然在0—30 cm土層均有分布，但是直根系對淺層水分的利用率相對較低[25]。有研究表明，在干旱半干旱地區，能夠有效濕透較深土層的一次降水強度為10 mm[26]，因此，在降水輸入較少時，表層土壤含水量較低，而花棒、檸條和沙拐棗樣地植被稀疏(表1)，加大了風對淺層土壤水分的蒸散干擾[27]，同時，也因遮蔭不足導致土壤溫度偏高[28]，土壤水分蒸發更加強烈。這可能是花棒、檸條和沙拐棗表層土壤含水量與流動沙地差異較小的原因。再加上花棒、沙拐棗和檸條為深根系植物，主要依賴深根從較深土層吸收水分，因此對淺層土壤水分的消耗相對較小[29]。在植被恢復過程中，當深層含水量逐漸被消耗又得不到降水的補充，深根系的灌叢生長勢將減弱甚至衰亡不利于植被恢復和防風固沙。此試驗結果潛在反映出草方格固沙造林恢復過程中植被與土壤間的相互作用關系。同時，也說明在灌叢建設早期，需對深根系和缺乏自然更新的灌叢加強撫育管理[30]。

本研究結果顯示，油蒿林土壤電導率顯著增大。這可能與油蒿林地相對較高的植被覆蓋有關(表1)。地表植被恢復導致覆蓋度增大，加上常年高溫干旱、蒸發強烈，自然狀態下的水熱平衡發生改變，土壤未得到雨水充分淋洗，導致鹽分積聚在土壤表層[31]，致使土壤電導率逐漸升高。而其他3種灌叢林土壤電導率均無顯著變化，這可能與當地惡劣的氣候條件有關。較短的固沙與成土時間未能對土壤電導率產生影響。

土壤養分主要來源于聚集在土壤表層的枯落物和根際分泌物[11]。本研究中，不同灌叢林土壤有機碳和全氮含量差異顯著。表現在油蒿土壤有機碳、全氮含量和碳氮比均顯著提高，但是，其他3種灌叢林均無顯著變化。這與張立欣等[4]研究結果相似。油蒿是研究區分布廣泛的優勢群落，是增長型年齡結構，中幼齡個體多于老齡個體，對區域環境具有較強的適應性[32]，由于生長旺盛、更新周期快、根系分泌物轉化土壤環境能力強，并且冠層結構致密低矮易于捕獲和保存枯枝落葉和細粒物質，對土壤養分的富集作用較為明顯，經過植被—土壤微生物的相互作用，使其土壤養分明顯提高[32]。其次，相較于其他3種灌叢，油蒿樣地群落覆蓋度較大(表1)，其林下草本茂盛，物種豐富，植物根系主要集中在表土層(0—30 cm)，因此，細根生物量和質量均可能高于其他樣地，促進了細根的周轉速率，對土壤碳氮進行了一定補充[33]。說明，油蒿灌叢林的建植在短期內即能提高土壤養分。而其他3種灌叢林無明顯變化，這可能是因為林內植被稀少(表1)，林分凋落物構成單一，質量差。再加上其相對稀疏的冠層結構，捕獲凋落物和較細顆粒能力較弱，不利于養分積累，所以，短期內未能對土壤有機質進行及時供給[33]。

3.2 不同人工固沙灌叢林土壤質量綜合評價

土壤質量指標間的相互作用及協調效應能夠綜合反映土壤生產力的高低和對逆境的適應能力。本研究所選取的土壤質量指標間相互作用顯著，故在質量評價中全部予以考慮[11，34]。

本研究利用土壤質量綜合指數法探討了寧夏鹽池風沙區不同人工固沙灌叢林土壤環境的變化趨勢，定量評價了不同人工灌叢固沙措施對土壤質量的改良效果。結果表明，油蒿作為本研究地區的優勢灌叢，結構致密低矮，易于捕獲沙塵，且需水量低，易天然更新，繁殖力強[32]，其自身生長繁衍的同時也為土壤提供有機物來源，并促進了地表草本植物的恢復，因此與流動沙地相比，人工油蒿林的構建有效地改善了土壤理化性狀，提高了風沙土土壤綜合質量。而花棒和檸條林土壤質量綜合指數與流動沙地之間差異較小，說明該地區花棒和檸條的恢復對土壤質量的影響作用較小。但是，沙拐棗土壤質量綜合指數較流動沙地明顯降低，說明在該地區利用沙拐棗灌叢固沙并未對土壤質量恢復起到積極作用，反而有一定的輻射作用。這可能與其本身特性以及大量消耗土壤深層水分有關[16]。例如：沙拐棗近地面層分枝少，透風系數大，因而防風固沙效果差；并且沙拐棗為深根系種，耗水量較大，當深層水分虧缺又無法得到降水補充從而影響了生命活力[16]，降低了固沙效果。灌叢固沙是一個伴隨著地上植被生長、發展的連續過程[9]，隨著固沙時間的延長，地上植被逐漸向頂極群落發展，人工灌叢林的土壤改良效果愈加明顯[9]。因此，在干旱半干旱地區風沙治理過程中，應因地制宜地營造人工灌叢林進行植被恢復，并加強撫育以增加成林年限，最終改善風沙地區的土壤質量及生態系統功能。

4 結 論

(1) 寧夏鹽池風沙區土壤主要以細砂和極細砂粒為主要成分，僅油蒿對提高黏粉粒、含水量、有機碳、全氮、碳氮比，降低土壤容重效果明顯。

(2) 土壤理化性質間表現出一定的顯著性相關，表明其關系較為密切。

(3) 土壤質量綜合指數為：油蒿(3.15)>流動沙地(-0.03)>檸條(-0.56)>花棒(-1.05)>沙拐棗(-1.54)，油蒿灌叢土壤質量總體較優，在短期內有利于提高風沙土壤質量，而其他造林固沙效果有限。