沙地柏人工林和天然林風沙土特性研究

拓 飛, 董治寶, 南維鴿, 楊樹俊, 武玉葉, 李 強

(1.榆林市綠化委員會辦公室, 陜西 榆林 719000;2.陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710119; 3.榆林職業技術學院 林學院, 陜西 榆林 719001;4.大同市第一中學校, 山西 大同 037008; 5.榆林學院 陜西省陜北礦區生態修復重點實驗室, 陜西 榆林 719001)

近年來，毛烏素沙地系列重大生態工程取得了舉世矚目的成果，但生態修復過程中部分引種植被耗水量過高，導致地下水衰退和植被退化等問題，而沙地柏作為毛烏素沙地鄉土樹種彰顯出優勢樹種的特征，再次成為人們關注的焦點[1-2]。沙地柏(SabinavulgarisAntoine)又名臭柏、叉子圓柏、新疆圓柏，屬柏科匍匐灌木，高50～100 cm，枝細而密，斜向上伸展，耐寒、耐旱、耐瘠薄，根系強壯，根基部易生不定根，固土保水力強，是干旱、半干旱地區防風固沙和水土保持的優良樹種[3-4]。沙地柏分布區形成以沙地柏占優勢的單優群落[5]，其灌叢群落覆蓋度可達70%～95%，在毛烏素沙地，沙地柏是唯一的天然常綠針葉灌木，生長旺盛，百年經久不衰，鑲嵌于毛烏素沙地中，形成阻止流沙的天然屏障，被譽為“沙漠衛士”[6]。盡管沙地柏在毛烏素沙地集中成片分布總面積只有621.7 km2，占毛烏素沙地總面積的0.86%，但它保持了生長與水分的良好平衡，對區域的荒漠化防治和生態環境的改善發揮了極其重要的作用[7-8]。

土壤是控制生態系統生態過程的關鍵生態因子，是植物生存的主要環境因子，與植被的恢復演替協調發展。土壤是植被生長最重要的載體，在植被恢復生態系統中，土壤和植被相互依存，植被影響土壤演化，土壤制約植被生長，二者相互聯系、協同發展[9-10]，而土壤質量直接影響著植被的生長發育，可作為判定植被恢復生態效應的重要的依據[11-12]，因此，沙地柏人工林和自然林灌叢下風沙土質量可反映植被恢復與土壤環境的互動效應。目前關于沙地柏研究多集中在扦插育苗和引種栽培、樹種自身的抗旱性、耗水性、根系等生理特性和生態功能[13-15]，也有研究指出沙地柏灌叢下具有明顯的成土過程[7,16]，關于沙地柏林下風沙土的特性及演變特征鮮有報道。鑒于此，本文選取毛烏素沙地東南緣沙地柏的人工林地和天然林地，研究林下土壤顆粒組成及養分含量，以期闡明沙地柏生長過程對風沙土質量改良的影響，旨在為區域進一步防沙治沙和植被生態修復提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于陜西省神木沙地柏自然保護區(38°13′—39°27′N，109°40′—110°54′E)，總面積7 666 hm2，沙地柏灌叢林面積為2 200 hm2，地處毛烏素沙地東南緣，平均海拔1 200 m，境內多固定和半固定沙丘，屬大陸性半干旱氣候。冬春干旱多大風少，年均氣溫7.6℃，年均降雨量394.7 mm，降雨多發生在夏季，多年平均蒸發量為2 484.5 mm，土壤以風沙土和黃綿土為主[16-17]。沙地柏是當地鄉土灌木，目前天然林和人工林并存。本試驗自然林位于神木市大保鄉內，人工林地位于自然保護區5 km范圍內。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集

于2018年5月，在研究區選擇具有典型代表性的沙地柏天然林和人工林樣地各2塊，在緩坡地，隨機布置3個重復樣地，樣地間距至少100 m，每塊樣地大小為10 m×10 m，每塊樣地內對角線法采集0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm土層樣品各3份。同一樣區不同樣點相同土層的樣品均勻混合后放入樣品袋中，帶回實驗室，去除植物根系、碎石等雜質，自然風干后，分析土壤顆粒組成和基本性狀指標(表1)。本試驗人工林地種植初期無灌溉和施肥措施。

表1 試驗樣地概況

2.2 粒度測定

2018年7月對風沙土樣采用激光衍射儀(Laser Diffraction,LD)進行實驗室分析。稱取2 g風干沙樣置于500 ml的燒杯中，采用過氧化氫溶液和熱處理除去有機質，稀鹽酸和熱處理除去碳酸鈣膠結物，然后將六偏磷酸鈉加入促使土粒分散，預處理完畢后；采用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer-2000，Malvern Instrμments Ltd.)進行土壤顆粒粒徑分布分析。

土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤有效氮采用堿解法測定；土壤速效鉀采用火焰光度計測定；土壤速效磷采用Olsen法測定；土壤陽離子交換量(CEC)采用1 mol/L NaOAC法測定；土壤pH值采用電位法測定；土壤鹽分采用電導法—土壤鹽分速測儀測定；土壤全氮采用凱氏蒸餾法測定。

2.3 數據分析處理

土壤粒級按照USDA制標準劃分：黏粒(0～2 μm)、粉粒(2～50 μm)、極細砂(50～100 μm)、細砂(100～250 μm)、中砂(250～500 μm)、粗砂(500～1 000 μm)和極粗砂(1 000～2 000 μm)，作為土壤粒度組成和粒度體積分數計算依據。此外，粒級的劃分還采用Udden-Wentworth粒級劃分法，獲取粒度參數，其沉積物粒徑單位用Φ值表示[18]，系統輸出土壤顆粒體積分數為1%，5%，10%，16%，25%，50%，75%，84%，90%，95%，99%所對應的沙粒粒徑，試驗采用Krumbein對數轉換法計算，Φ=-lnd，其中d(mm)為土壤粒徑。平均粒徑Mz>5Φ為中粉砂(Mz<31 μm)，4～5Φ為粗粉砂(31～63 μm)，3～4Φ為極細砂(63～125 μm)，2～3Φ為細砂(125～250 μm)，1～2Φ為中砂(250～500 μm)，0～1Φ為粗砂(500～1 000 μm)，Mz<0Φ為極粗砂(Mz>1 000 μm)。4個主要粒度參數采用Folk-Ward提出的計算方法求解[19-20]，并使用其相應的粒度參數分級標準，各參數計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Mz為土壤顆粒平均粒徑；Φx為土壤粒度頻率累計為x%所對應的土壤粒度Φ值；σ為分選系數；SK為偏度；KG為峰度。

采用Excel 2010，SPSS 24.0和Sigmaplot 12.5軟件對數據進行計算、統計分析及制圖。

3 結果與分析

3.1 沙地柏天然林和人工林的土壤粒度特征

3.1.1 土壤顆粒組成 土壤顆粒組成大都繼承了母質的一定特征，并綜合了環境變化的影響，因此能較好地揭示土壤演變過程。由表2可知，研究區沙地柏林下土壤顆粒組成中砂粒含量最高(97.09%)，粉粒次之(2.74%)，黏粒最少(0.17%)，而砂粒中以中砂為主(50.26%)，其次細砂(23.57%)和粗砂(21.03%)，再次極細砂(2.09%)和極粗砂(0.18%)。比較不同林地土壤粒級，黏粒含量是16 a林地(0.18%)>7 a林地(0)，天然林迎風坡(0.17%)>背風坡(0)，粉粒含量16 a林地(5.51%)>7 a林地(0.33%)，天然林迎風坡(4.04%)>背風坡(1.09%)，極細砂粒含量16 a林地(4.42%)>7 a林地(0.44%)，天然林迎風坡(2.70%)>背風坡(1.02%)，細砂含量16 a林地(22.43%)<7 a林地(30.36%)，天然林迎風坡(15.72%)<背風坡(25.77%)，粗砂粒16 a林地(21.32%)>7 a林地(15.4%)，天然林迎風坡(25.33%)>背風坡(22.07%)，中砂含量16 a林地(46.21%)<7 a林地(53.37%)，天然林迎風坡(51.88%)>背風坡(49.60%)。總之，16 a林地土壤黏粒、粉粒、極細砂粒含量和粗砂粒含量均大于7 a林地，而16 a林地土壤細砂粒和中砂粒含量均小于7 a林地；天然林地，迎風坡土壤黏粒、粉粒和極細砂粒含量均大于背風坡，迎風坡土壤細砂粒小于背風坡。各土層均表現為(圖1)：垂直剖面上隨土層深度增加，土壤粉粒含量減少，砂粒含量增加。

3.1.2 土壤粒度參數 本研究采用Folk等[19]提出的沉積物粒度參數計算方法，粒徑2Φ和1Φ分別對應250，500 μm。研究中樣地土壤平均粒徑16 a林地(1.67Φ)與7 a林地(1.66Φ)無差異，天然林迎風坡(1.53Φ)<背風坡(1.61Φ)。垂直剖面上，土壤平均粒徑沒有顯著變化(圖2)，分選系數表示顆粒大小均勻程度的參數，沙地柏林下土壤粒度的分選系數均大于0.60，各林地土壤顆粒大小均勻，但7 a林地和天然林背風坡分選較差，天然林迎風坡分選中等，16 a林地土壤分選較好。偏度衡量粒度分布的對稱程度，16 a林地土壤偏度均值為-0.31，屬于負偏，7 a林地土壤偏度均值為-0.04，屬于近對稱，天然林迎風坡土壤偏度均值為-0.22，屬于負偏，背風坡偏度均值為-0.08，屬于近對稱。顯而易見，16 a林地和天然林迎風坡林地土壤粒度呈現細偏，7 a林地和天然林背風坡土壤粒度分布均勻，分選較好至中等。峰度衡量粒度頻率曲線尖銳程度參數，反映頻率曲線中粒度分布集中分散狀況。16 a林地土壤顆粒峰度均值為1.39，呈現窄尖，7 a林地峰度均值0.94，屬于中等正態，天然林迎風坡土壤顆粒峰度均值為1.31，呈現窄尖，背風坡峰度均值為0.99，屬于中等正態，表明16 a林地和迎風坡土壤顆粒物細化趨勢，7 a林地和背風坡土壤粒度分布集中，風蝕、沉積環境穩定。

本試驗結果表明，研究區沙地柏林下土壤粒徑較粗，以中砂為主、分選稀疏有較大區別、偏度近于對稱分布至負偏、峰度中等至窄。16 a林齡土層細粒物質所占比重增加，土壤粒度粗細分配朝向細化趨勢，天然林地迎風坡土壤表現出粗細顆粒分化。

表2 不同類型沙地柏林地土壤顆粒組成分層特征

圖1 沙地柏林下土壤粒度組成

3.2 土壤性狀特征

土壤有機質是衡量土壤質量的重要指標之一，不僅含有植物生長所需要的各種營養元素，還對土壤物理、化學和生物學性質有著深刻的影響。土壤有效氮、速效鉀、速效磷是表征土壤肥力質量的主要指標，含有植物生長必需的3大營養元素。本試驗土壤養分數據見表3，不同沙地柏林下0—100 cm土壤有機質含量為2.22 ～ 8.08 g/kg，表現為16 a林地(6.82 g/kg)>7 a林地(3.12 g/kg)，迎風坡(5.64 g/kg)>背風坡(2.98 g/kg)；不同樣地土壤有效氮平均含量為17.70～21.18 mg/kg，16 a林地(21.19 mg/kg)>7 a林地(19.68 mg/kg)，天然林迎風坡(20.74 mg/kg)>背風坡(17.70 mg/kg)；土壤速效鉀平均含量為22.59～49.96 g/kg，表現為16 a林地(49.96 mg/kg)>7 a林地(22.59 mg/kg)，迎風坡(47.33 mg/kg)>背風坡(24.79 mg/kg)；土壤速效磷平均含量為0.85～1.25 mg/kg，表現為16 a林地(0.92 mg/kg)>7 a林地(0.85 mg/kg)，迎風坡(1.25 mg/kg)>背風坡(1.07 mg/kg)。土壤全氮含量為0.04～0.07 g/kg；CEC含量為12.89～13.18 cmol/kg；pH值為7.50～7.60，土壤呈弱堿性；鹽分含量為0.10～0.20 g/kg，低于0.3%，土壤屬于非鹽漬土。

圖2 沙地柏林下土壤粒度參數

總而言之，沙地柏16 a林地土壤有機質、有效氮、速效鉀和速效磷含量普遍高于7 a林地，而自然林各養分指標普遍迎風坡高于背風坡。土壤有機質、有效氮、速效鉀和有效磷在土壤剖面上均先增加再降低，而土壤有機質、有效氮和速效鉀在0—40 cm土層顯著高于60—100 cm土層(p<0.05)，土壤速效磷、CEC、鹽分、全氮含量和pH值在不同林地及不同土層均沒有差異，表明土壤中部分養分具有表層聚集特征。

3.3 土壤粒度與土壤性狀指標的相關性

由表4可知，土壤有機質、速效鉀、鹽分、pH值與黏粒、粉粒、極細砂含量呈顯著(p<0.05)和極顯著正相關性(p<0.01)，與細砂粒、中砂粒呈顯著和極顯著負相關性，土壤有機質、速效鉀、pH值、鹽分與粗砂粒、極粗砂粒含量沒有顯著關系，且土壤全氮、有效氮、速效磷、CEC與土壤各粒度也沒有顯著相關性。由此可見，較細沙物質(粒徑<100 μm)含量的增加能夠提高土壤質量，而細砂粒和中砂粒(100～500 μm)含量增加則會導致土壤質量下降。

4 討 論

沙地柏林下土壤粒度集中分布在砂粒區間，體積分形維數為94%～99%，其次是粉粒和黏粒，土壤粒度頻率分布以中砂(250～500 μm)為主形成單峰曲線。本研究土壤平均粒徑1.31～1.78Φ，顯著低于Yang等[21]報道的裸地平均粒度(2.31Φ)，研究中砂含量(250～500 μm)為46.21%～53.37%明顯高于Yang等[21](29.82%)和齊雁冰[22](31.66%)研究結果，這可能與我們的測定方法(激光衍射法可能低估黏粒、粉粒含量)[23]或者與土壤風化、侵蝕、搬運、沉積等有關[24-25]。土壤顆粒平均粒徑在林齡16 a和7 a沒有顯著差異，但林齡16 a土壤中細粒物質含量顯著增加，砂粒含量顯著減少，顆粒偏度負偏、峰度較窄，林齡7 a土壤偏度近對稱、峰度中等，這顯然與沙地柏生長、土壤顆粒中黏粒、粉粒含量增加有關，其原因可能是沙地柏通過降低風速阻礙地面表層細粒物質吹蝕，或通過攔截地表大氣中懸浮的粉塵粒子所致[15-16]。天然林迎風坡土壤中的黏粒和粉粒含量均高于背風坡，粒度分布集中，迎風坡土壤顆粒負偏、峰度較窄，背風坡土壤顆粒偏度近對稱、峰度值中等，表明天然林土壤顆粒迎風坡呈現粗細顆粒分化，并朝細化趨勢發展，證實了沙地柏的固沙作用還受地形影響。而土壤各粒度參數呈現天然林的土壤劣于16 a人工林地土壤，這主要可能與天然林邊緣土壤收集有關，天然林蔓延的新枝拓展的區域，林齡較小，導致土壤依舊遭受較強的風蝕篩選。此外，背風坡0—20 cm土壤粒度參數與20—100 cm有所不同，0—20 cm土壤分選系數中等，細偏，峰度尖窄，表明背風坡表層土壤顆粒存在細化趨勢。

表3 沙地柏林下土壤養分含量

表4 土壤各粒級含量與土壤性狀的相關性

參考全國第2次土壤普查土壤肥力狀況分級標準，研究區土壤肥力屬于5～6級，土壤養分含量極低。但與神木裸地風沙土相比(表5)，沙地柏灌叢土壤有機質、有效鉀含量顯著高于文獻報道，而速效磷、全氮和pH值含量均低于文獻報道[26-27]，其CEC含量高于齊雁冰[22]研究結果(5.77 cmol/kg)，表明沙地柏生長過程，風沙土已有明顯的C的累積和有效K的積累，土壤養分得到改善，土壤肥力有所提升，而磷素和氮素與前人研究的差異，可能與氮素、磷素的消耗有關[17]。隨土層深度增加，各養分指標含量先增加再降低，土壤有機質、有效氮和速效鉀在0—40 cm土層顯著高于60—100 cm土層(p<0.05)，顯示了土壤養分存在表層聚集現象，主要是由于沙地柏遮蔭降低沙漠表層土壤溫度，促進有機物質富集。此外，野外樣品收集時觀測到不同林地土壤結皮厚度見表1，也證實了淺層土壤質地得到良好的改善。天然林迎風坡養分含量高于背風坡；人工林地則隨造林時間增加，養分含量增加，土壤碳儲量顯著提高，這與眾學者在榆林沙地柏林地研究結果一致[28-30]。一般沉積物中細沙物質含量增加伴隨土壤養分含量增加[31-32]，本研究中土壤黏粒、粉粒、極細砂粒徑<100 μm，細砂和中砂粒徑為100～500 μm，土壤有機質、速效鉀、鹽分含量和pH值與土壤顆粒(粒徑<100 μm)呈顯著線性正相關，而與土壤顆粒(100～500 μm)呈顯著線性負相關，這與伊利河谷研究的結論一致[33]，由此可見，細顆粒物質能夠鎖住土壤中的C和K，并增加土壤的鹽分含量，而100 μm粒徑成為該區域土壤各粒徑體積分形維數的分界值，此結果不同于賈曉紅等[11]學者研究結果：50 μm粒徑為土壤各粒徑質量分形維數的分界值，關于二者間的關系還需進一步深入研究。

表5 榆林裸地土壤養分含量

綜合分析土壤的顆粒組成和土壤養分，發現土壤細粒物質所占比重增加，土壤結構得到優化，隨造林時間增加，效果愈明顯；沙地柏林下土壤存在較明顯的優勢粒徑級別，且顆粒的粗細分配趨于良好趨勢發展，生態環境趨于好轉[34-35]；在沙丘迎風坡和背風坡，其固沙作用也存在一定的差異，這與目前眾多學者研究結果一致[36-37]。本研究也印證了沙漠地區沙地柏與土壤質量間存在正向互作效應，即植被生長促進細粒物質含量增加，增加土粒養分含量、改善風沙土質量，進而反推植被生長，加速土壤演變。

5 結 論

沙地柏灌叢下土壤顆粒以中砂為主，弱堿性，土壤養分含量總體水平低，且具有明顯0—40 cm聚集特征。灌叢下土壤有機質、速效鉀、鹽分含量和pH值與土壤顆粒(粒徑<100 μm)含量顯著線性正相關，而與土壤顆粒(100～500 μm)含量顯著線性負相關。由此推斷，100 μm粒徑成為該區域土壤各粒徑體積分形維數的分界值。隨沙地柏生長灌叢下土壤中細沙粒物質和養分含量增加，土壤堿性減弱，其天然林地迎風坡土壤質量優于背風坡，人工林地造林時間增加，土壤顆粒的粗細分配趨于良好態勢發展，土壤結構優化，土地荒漠化進程減緩，因此，沙地柏可作為毛烏素沙地防風固沙及生態恢復工程的優良灌木。