煤礦復墾區土壤理化性質對沙棘果葉含水量的影響研究

艾 寧，劉廣全，強大宏，土小寧，劉長海2，

(1.中國水利水電科學研究院,北京 100038;2.陜西省區域生物資源保育與利用工程技術研究中心,陜西 延安 716000;3.延安大學 生命科學學院, 陜西 延安 716000;4.水利部水土保持植物開發管理中心,北京 100038)

沙棘(HippophaerhamnoidesL)具有抗寒、耐旱、抗風沙、適應性強、生長迅速以及固氮能力等特點[1-4],是我國北方煤礦進行土地復墾的主要利用樹種,是改善該區域生態環境和恢復植被的優良先鋒樹種和關鍵樹種,具有其他植物難以替代的地位和作用[5-7]。近年來,隨著沙棘產業的發展,沙棘作為干旱半干旱區主要的經濟樹種,為當地生態經濟建設和生態安全發揮著重要作用[89]。現階段,沙棘果實是沙棘產業發展中主要利用的部分,而果實含水量是評價沙棘果實質量的重要指標[10-12]。研究表明，果實含水量受到植物生長狀況的影響,植物生長又受到光合作用的影響,而植物葉片又是光合作用進行的重要器官,葉片的含水量將對植物光合作用產生重要影響[13-14]。目前，關于煤礦復墾區土壤質地與植被生長關系的研究較多[15-20],但是對煤礦復墾區林地果葉含水量與土壤質地相互關系的研究還較少,尤其是以果實和葉片為主要利用對象的沙棘林地,然而其果葉含水量是影響沙棘果品和生長的重要因素,對其研究為今后的沙棘果實品質提高和沙棘良好生長具有重要作用。因此,本文通過對煤礦復墾區土壤理化性質對沙棘林果葉含水量影響因素進行分析,旨在為今后煤礦復墾區植被恢復重建、沙棘經濟林營造與調節沙棘果葉含水量提供數據支撐和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區于內蒙古自治區鄂爾多斯東勝區東部地區的聚鑫龍煤礦(110°4′2″E,39°54′16″N),海拔高度約1 360m,地勢平坦,水蝕風蝕較嚴重;屬于溫帶大陸性氣候,無霜期約135d;降雨年際變化較大,年均降雨量約400mm,且主要集中在7～9月。研究區于2011年開始,依托高原圣果沙棘制品有限公司進行采煤廢棄地礦區生態修復,主要樹種為中國沙棘、大果沙棘和檉柳(TamarixchinensisLour)等,人工種草以芨芨草(Achnatherumsplendens(Trin) Nevski)為主。

1.2 樣地設置

本實驗數據選取2011—2015年復墾區栽植,林齡為3a～7a的中國沙棘和大果沙棘的果、葉以及林地土壤理化性質為研究對象,通過設置20 m×20 m標準樣地和樣地每目檢尺,來確定標準木,每個林齡采集標準木(3株)的果葉和標準地土壤數據進行分析,本文共選取30株標準木的果葉含水量。樣地詳細信息見表1。

1.3 數據來源

果實含水量數據通過在標準木的不同方位和部位采集沙棘果實200g,混合后帶回實驗室進行烘干,測定其果實含水量。計算公式為

(1)

xi表示果實濕重,xj表示果實干重。

葉片含水量數據通過在不同林齡標準木的不同方位采集沙棘葉片100g和不同部位采集沙棘葉片100g,分別帶回實驗室進行烘干,測定其葉片含水量。計算公式為

(2)

xi表示葉片濕重,xj表示葉片干重。

土壤物理性質數據獲取，采用烘干法進行土壤水份測定,采用環刀浸水法進行土壤容重、飽和含水量、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度的測定與計算。

土壤化學性質數據獲取，土壤pH值采用ST3100測定，電導率采用ST300C測定;有機質采用重鉻酸鉀容量法外加熱法測定;速效氮采用堿解擴散法測定;有效磷采用0.5mol/L NaHCO3浸提與鉬藍比色法相結合的方法測定;全效磷采用NaOH熔融-鉬藍比色法測定。

表1 采樣地基本信息特征Tab.1 Basic information of sampling area

1.4 數據分析

本文所有的統計分析和作圖均在SPSS18.0、Origin15和Excel等軟件中完成。采用灰色關聯分析法進行數據分析,方法如下

1)數據的標準化

(3)

2)關聯系數

(4)

(5)

(6)

(7)

3)平權法計算灰關聯度

(8)

式中Γ(ij)為灰關聯度值。

2 結果與分析

2.1 土壤物理性質對沙棘果葉含水量影響因素的灰色關聯分析

選取中國沙棘與大果沙棘果葉含水量作為參考數列,林地土壤含水量、土壤容重、飽和含水量、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度等指標作為比較數列,計算得出參考數列與比較數列灰色關聯度值,見表2和表3。可以發現,比較序列各個指標因素的灰關聯度值大小不同,表明關聯度值越大,兩者之間的關系越緊密[21]。

2.1.1 土壤物理性質對中國沙棘果葉含水量影響因素的灰色關聯分析 從表2得出,中國沙棘果葉含水量與土壤物理性質關系存在差異。在0～20cm土層中,中國沙棘果實含水量與總孔隙度灰關聯度值最大為0.747 9,與毛管持水量灰關聯度值最小為0.609 3,果實含水量與所有物理指標均達到較高關聯,說明這些指標與果實含水量關系密切;葉片含水量中,毛管孔隙度關聯度值最大為0.692 9,總孔隙度灰關聯度值最小為0.542 3, 且只有毛管孔隙度與葉片含水量達到較高關聯,其他指標因素均為中等關聯, 說明除了毛管孔隙度對其影響較大, 關系密切外, 其他指標對其影響中等, 關系一般。 在20～40cm土層中, 中國沙棘果實含水量與總孔隙度灰關聯度值最大為0.682 9,與毛管孔隙度灰關聯度值最小為0.627 5,與所有物理指標均達到較高關聯,說明這些指標均對中國沙棘果實含水量影響較大,且關系密切;葉片含水量中,飽和含水量關聯度值最大為0.715 8,土壤含水量灰關聯度值最小為0.513 8,除了土壤含水量與土壤容重與葉片含水量為中等關聯外,其他指標均為較高關聯,對葉片含水量影響較大,關系密切。在40～60cm土層中,中國沙棘果實含水量與土壤容重灰關聯度值最大為0.874 5,與飽和含水量灰關聯度值最小為0.647 7,與所有土壤指標均達到較高關聯及以上,特別是土壤容重,與果實含水量達到高關聯,說明其對果實含水量起到較大影響,且關系極為密切;葉片含水量中,土壤容重關聯度值最大為0.774 4,總孔隙度灰關聯度值最小為0.527 6,與土壤含水量、毛管持水量呈中等關聯,與其他指標因素均為較高關聯,說明除了土壤含水量、毛管持水量外,其他指標對其影響較大,關系密切。

綜合分析發現,在0～60cm土層中,土壤物理指標與中國沙棘果實含水量關系密切排序為土壤容重>總孔隙度>土壤含水量>飽和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量;葉片含水量關系密切排序為毛管孔隙度>土壤容重>飽和含水量>總孔隙度>毛管持水量>土壤含水量。

2.1.2 土壤物理性質對大果沙棘果葉含水量影響因素的灰色關聯分析 從表3得出, 大果沙棘果葉含水量與土壤物理性質關系存在差異。 在0～20cm土層中,大果沙棘果實含水量與總孔隙度灰關聯度值最大為0.872 1,與毛管孔隙度灰關聯度值最小為0.646 9,與所有土壤指標均達到較高關聯或高關聯,說明這些指標均對果實含水量影響較大,且關系密切;葉片含水量中,飽和含水量關聯度值最大為0.670 3,毛管孔隙度灰關聯度值最小為0.511 2,其中土壤容重、飽和含水量和總孔隙度三個指標與葉片含水量達到較高關聯,其他指標因素均為中等關聯,說明這3個指標對其影響較大,關系密切外,其他指標對其影響中等,關系一般。在20～40cm土層中,大果沙棘果實含水量與土壤含水量灰關聯度值最大為0.775 5,與總孔隙度灰關聯度值最小為0.619 7,與所有土壤指標均達到較高關聯,說明這些指標均對大果沙棘果實含水量影響較大,且關系密切;葉片含水量中,土壤含水量關聯度值最大為0.775 2,毛管持水量灰關聯度值最小為0.530 3,除了土壤含水量與土壤容重與葉片含水量為較高關聯外對葉片含水量影響較大,關系密切,其他指標均為中等關聯。在40～60cm土層中, 大果沙棘果實含水量與土壤容重灰關聯度值最大為0.764 2, 與毛管孔隙度灰關聯度值最小為0.510 4, 其中土壤含水量、 土壤容重和飽和含水量均達到較高關聯, 說明這些指標對果實含水量起到較大影響, 且關系極為密切;葉片含水量中, 土壤含水量關聯度值最大為0.613 7, 飽和含水量灰關聯度值最小為0.498 0,葉片含水量僅與土壤含水量呈較高關聯,與其他指標因素均為中等,說明除了土壤含水量外,其他指標對其影響一般,關系中等。

表2 中國沙棘果葉含水量與土壤物理性質灰色關聯分析Tab.2 Gray correlation analysis of Chinese Seabuckthornfruit leaves water content and soil physical properties

表3 大果沙棘果葉含水量與土壤物理性質灰色關聯分析Tab.3 Gray correlation analysis of Macro-fruit seabuckthornfruit Leaves water content and soil physical properties

綜合分析發現,在0～60cm土層中,土壤物理指標與大果沙棘果實含水量關系密切排序為土壤容重>土壤含水量>飽和含水量>毛管持水量>總孔隙度>毛管孔隙度;葉片含水量關系密切排序為土壤含水量>土壤容重>總孔隙度>飽和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量。

2.2 土壤化學性質對沙棘果葉含水量影響因素的灰色關聯分析

選取中國沙棘與大果沙棘果葉含水量作為參考數列, 林地pH值、 飽和導水率、 有機質、 堿解氮、 有效磷和全磷等指標作為比較數列, 計算得出參考數列與比較數列灰色關聯度值見表4和表5。可以發現，比較序列各個指標因素的灰關聯度值大小不同,關聯度值越大,其對應指標對果葉含水量的影響越大,兩者之間的關系越緊密。

2.2.1 土壤化學性質對中國沙棘果葉含水量影響因素的灰色關聯分析 從表4得出, 中國沙棘果葉含水量與土壤化學性質關系存在差異。 在0～20cm土層中, 中國沙棘果實含水量與有機質灰色關聯度值最大為0.745 0, 與有效磷灰色關聯度值最小為0.565 5, 除有效磷外, 與其他指標均達到較高關聯; 葉片含水量中,電導率灰關聯度值最大為0.793 7, 與有機質灰關聯度值最小為0.502 1,葉片含水量與pH、有效磷和電導率關聯度達到較高關聯,說明這些指標對葉片含水量影響較大,且關系密切。在20～40cm土層中,中國沙棘果實含水量與pH灰色關聯度值最大為0.737 9,與堿解氮灰色關聯度值最小為0.649 0,所有指標均達到較高關聯,說明這些指標均與中國沙棘果實含水量關系密切;葉片含水量中,有效磷灰色關聯度值最大為0.682 8,達到較高關聯,且其余指標均沒有達到較高關聯,說明有效磷對其影響較大,且關系密切。在40～60cm土層中,中國沙棘果實含水量與有效磷灰色關聯度值最大為0.759 1,與全磷灰色關聯度值最小為0.571 9,果實含水量除與全磷達到中等關聯外,其他均達到較高關聯;葉片含水量中,與有效磷灰色關聯度值最大為0.655 7,與有機質灰色關聯度值最小為0.530 2,葉片含水量除了與有機質和電導率呈中等關聯外,與其他指標均呈較高關聯,關系密切。

表4 中國沙棘果葉含水量與土壤化學性質灰色關聯分析Tab.4 Gray correlation analysis of Chinese Seabuckthornfruit leaveswater content and soil chemistry properties

綜合分析發現,在0～60cm土層中,土壤化學指標與中國沙棘果實含水量關系密切排序為有機質>pH>有效磷>電導率>堿解氮>全磷;葉片含水量關系密切排序為有效磷>電導率>pH>堿解氮>全磷>有機質。

2.2.2 土壤化學性質對大果沙棘果葉含水量影響因素的灰色關聯分析 從表5得出, 大果沙棘果葉含水量與土壤化學性質關系存在差異。 在0～20cm土層中,大果沙棘果實含水量與堿解氮灰色關聯度值最大為0.739 6,與電導率灰色關聯度值最小為0.565 6,除電導率外,與其他指標均達到較高關聯;葉片含水量中,pH灰關聯度值最大為0.736 0,與全磷灰關聯度值最小為0.538 3,葉片含水量與pH、有機質和堿解氮關聯度達到較高關聯,說明這些指標對葉片含水量影響較大,且關系密切。在20～40cm土層中,大果沙棘果實含水量與有機質灰色關聯度值最大為0.703 8,與有效磷灰色關聯度值最小為0.511 0,與有機質、全磷和pH指標呈較高關聯性,說明這些指標均與大果沙棘果實含水量關系密切;葉片含水量中,pH灰色關聯度值最大為0.775 2,與電導率灰色關聯度值最小為0.548 7,除了電導率外,大果沙棘葉片含水量與其余指標均達到較高關聯,關系密切。在40～60cm土層中,大果沙棘果實含水量與有效磷灰色關聯度值最大為0.827 3,與電導率灰色關聯度值最小為0.584 2,果實含水量與有效磷達到高關聯,說明其對果實含水量影響較大,關系密切;葉片含水量中,與pH灰色關聯度值最大為0.785 7,與電導率灰色關聯度值最小為0.543 1,葉片含水量中與pH、有機質和全磷較高關聯,關系密切。

綜合分析發現,在0～60cm土層中,土壤化學指標與大果沙棘果實含水量關系密切排序為有機質>全磷>堿解氮>有效磷>pH>電導率;葉片含水量關系密切排序為pH>有機質>堿解氮>全磷>有效磷>電導率。

表5 大果沙棘果葉含水量與土壤化學性質灰色關聯分析Tab.5 Gray correlation analysis of Macro-fruit seabuckthornfruit leaves water content and soil chemistry properties

3 結論與討論

1)土壤物理性質與中國沙棘果實含水量關系密切排序為土壤容重>總孔隙度>土壤含水量>飽和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量;葉片含水量關系密切排序為毛管孔隙度>土壤容重>飽和含水量>總孔隙度>毛管持水量>土壤含水量。土壤物理性質與大果沙棘果實含水量關系密切排序為土壤容重>土壤含水量>飽和含水量>毛管持水量>總孔隙度>毛管孔隙度;葉片含水量關系密切排序為土壤含水量>土壤容重>總孔隙度>飽和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量。

2)土壤化學性質與中國沙棘果實含水量關系密切排序為有機質>pH>有效磷>電導率>堿解氮>全磷;葉片含水量關系密切排序為有效磷>電導率>pH>堿解氮>全磷>有機質。土壤化學性質與大果沙棘果實含水量關系密切排序為有機質>全磷>堿解氮>有效磷>pH>電導率;葉片含水量關系密切排序為pH>有機質>堿解氮>全磷>有效磷>電導率。

土壤是植物生長的基礎條件,為植物提供必要的水分和養分，植物生長或恢復過程又可以改變土壤理化生性狀,改善土壤質地[15,17,20]。本文結果分析表明,不同土層沙棘林地土壤理化性質與沙棘果葉含水量的關系密切程度各不相同,沙棘與土壤水分在20～60cm土層,較0～20cm關系緊密,特別是在果葉含水量較大的大果沙棘林地中,這與楊國敏和王力研究得出的沙棘雨季主要對30～70cm土層的土壤水分進行利用的結論相似[22]。沙棘葉片是沙棘光合作用發生的主要場所,果實是沙棘光合作用最有利用價值的產物之一,沙棘光合速率與林地土壤水分間有極顯著的相關關系[23]。已有研究表明,隨著土壤含水量的降低,沙棘蒸騰耗水量不斷降低[24]。因此,土壤水分與沙棘果葉含水量關系密切,尤其是果葉含水量較大的大果沙棘較中國沙棘與土壤含水量的關系更加密切,可能是由于大果沙棘果葉含水量較高,需要的水分較多,土壤水分是其水分的主要來源，然而,中國沙棘在干旱的適應性方面,更具優勢,對土壤水分依靠性要小于大果沙棘[25]。本文研究表明,土壤容重與有機質分別是土壤物理性質和土壤化學性質中與沙棘果實含水量關系最為密切的兩個指標。因此,今后需要提高沙棘果實含水量時,可以適當的改變林地土壤容重和土壤有機質從而進行沙棘果實含水量調節。