保水劑與木質素結皮相結合對沙化土地植被恢復的調控機理

張鈺舒, 吳紅慧, 柯玉廣, 曹遠博, 趙晉靈, 庾 強, 肖春旺

(1.中央民族大學 生命與環境科學學院, 北京 100081; 2.中國農業科學院 農業資源與農業區劃研究所/呼倫貝爾草原生態系統國家野外科學觀測研究站, 北京 100081; 3.中國科學院 植物研究所 植被與環境變化國家重點實驗室, 北京 100093)

土地荒漠化是影響人類生存和發展的全球性環境問題之一，且隨著全球變化和人類活動的增強，脆弱的荒漠生態系統極易發生崩潰[1-2]。荒漠土壤環境和植物是生態系統功能的載體，同樣也是沙地生態系統狀態的指示器。我國沙地面積達1.56×105km2，約占國土面積的1.62 %[3]。隨著人類活動干擾強度的增加，改變了荒漠生態系統的結構、功能和土壤環境，造成水土流失、植被生產力降低、物種多樣性下降等一系列生態問題[4-5]，引起脆弱生態系統的持續退化。我國北方荒漠草原土地沙化近年來得到較大改善，但是形勢依然嚴峻，影響了該地區生態環境及社會經濟的可持續發展[6]。因此，開發和利用科學有效的恢復措施對荒漠草原植被進行生態恢復具有十分重要的意義。目前荒漠草原沙地土壤恢復措施主要包括施用保水劑或在土壤表層營造木質素結皮[7-9]。保水劑具有強大的吸水和保水能力，能夠提高土壤蓄水能力[10-12]；木質素結皮施加于土壤表層后能緩解風蝕和水蝕，具有保土、保肥、穩定地表土壤環境的作用[9,13]。然而，單獨利用保水劑或木質素結皮對沙地植被進行恢復存在各自的缺陷。例如，Huttetmann等人[14-15]發現保水劑施加于土壤淺層，其吸水后會造成土壤地表隆起，增大了土壤水分的蒸發面積，對表層土壤水分的保蓄不利；Yang等人[16-17]發現木質素結皮施加于土壤表層后，雖然在地表保持了少量的水分，也減小了土壤風蝕和水蝕，但是在強烈的沙地地表輻射下，木質素結皮保持在表層的水分極易蒸發，限制植被的恢復。然而，結合保水劑高吸水倍率特性和木質素結皮增強地表穩定性的特性可以彌補以上單一恢復措施的缺陷。保水劑加木質素結皮措施中保水劑施加于土壤淺層后能有效保蓄由結皮保持的地表水分，彌補了木質素結皮保水能力有限的缺點。而木質素結皮能提高土壤表層形態穩定性，避免因保水劑吸水所導致的地表隆起，減少地表水分蒸發[18]。另外，較單一措施而言，保水劑加木質素結皮措施也可能會更有效地避免土壤養分的流失。因為，保水劑通過減少水分滲透量，進而減少了淺層土壤養分的淋溶；而木質素結皮也能夠減少土壤的風蝕和水蝕量，進而減少土壤養分的流失[18]。目前，保水劑加木質素結皮措施對黃土高原地區梯田、荒地以及陡坡等不同立地條件下植被的生長恢復均有顯著作用[19]，但荒漠草原沙地土質粗松、貧瘠、風蝕嚴重，同時沙地植被的恢復受土壤沙化強度、降雨、溫度等環境因素的影響[20]。因此，保水劑加木質素結皮措施對荒漠草原沙地植被的恢復效果及其恢復機制還待探究。

本研究在內蒙古烏拉特荒漠草原沙化土地開展，試驗設置保水劑加木質素結皮措施和對照兩個處理，測定了兩種處理下植物地上生物量、蓋度、土壤含水量、水穩性大團聚體比例、微團聚體比例、土壤水分入滲速率、土壤堿解氮、速效磷、速效鉀的含量。本文旨在研究保水劑加木質素結皮的恢復措施對植物地上生物量和蓋度的影響； 同時通過土壤水分和養分的變化，闡明該恢復措施促進烏拉特荒漠草原沙地植被恢復的具體機制，為荒漠草原沙地植被恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于中國科學院烏拉特荒漠草原生態系統研究站附近的荒漠草原(41°25′N，106°58′E，海拔1 650 m)，自2010年圍封至今，屬大陸性干旱氣候。年平均氣溫5.3 ℃左右，最低氣溫-34.4 ℃，最高氣溫37 ℃，無霜期130 d左右，年平均降水量約180 mm，7—8月的降水量約占全年的70 %。土壤類型以棕鈣土和灰棕漠土為主。優勢物種為小針茅(Stipaklemenzii)、紅砂(Reaumuriasongarica)和芨芨草(Achnatherumsplendens)[21-22]。

1.2 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計方法，在2018年5月12日對所有小區統一平整沙地后，設置2個處理：對照和保水劑加木質素結皮措施，每個處理包含4個重復，共8個8 m×8 m的試驗小區(圖1)。保水劑加木質素結皮措施是綜合施用保水劑(聚丙烯酰胺高吸水樹脂Super Absorbent Polymer)和木質素結皮(木質素磺酸鈉Sodium ligninsulfonate、羥丙基甲基纖維素Hydroxypropyl methyl cellulose)(圖2)。施用方法為：首先剝離5 cm厚地表沙土，條施75 kg/hm2聚丙烯酰胺高吸水樹脂，寬度為10 cm，每條間隔為90 cm，再將5 cm厚沙土回填；然后，將木質素、纖維素和沙土按照1 000 kg/hm2，100 kg/hm2，3 300 kg/hm2的用量混合均勻撒于樣地土壤表層，最后把水(2.5 L/m2)均勻噴灑于土壤表面，以溶解木質素結皮制劑；對照為僅在沙地表面噴灑水2.5 L/m2(與年降水量相比可忽略不計)。

注：CON表示對照，僅在沙地表面噴灑水2.5 L/m2；TRE表示綜合施用保水劑(聚丙烯酰胺高吸水樹脂Super Absorbent Polymer)和木質素結皮(木質素磺酸鈉Sodium ligninsulfonate、羥丙基甲基纖維素Hydroxypropyl methyl cellulose)

圖2 保水劑加木質素結皮措施處理

1.3 數據與方法

2018年9月對地上生物量、蓋度和土壤理化性質等指標進行測定。在植物生物量峰值期，用1 m×1 m的樣方采集各小區中植物的地上部分。植物樣品帶回實驗室于105 ℃殺青1 h，60 ℃烘至恒重后稱重；蓋度百分比估測利用網絡狀樣方格對每個植物種的蓋度進行測定；土壤樣品于2018年9月采集，采用環刀法測定土壤含水量[23]；通過濕篩法測定>0.25 mm和<0.25 mm粒徑土壤團聚體分布情況[24]；使用單環入滲儀測定土壤水分入滲速率和穩滲速率；新鮮土壤樣品在自然風干過2 mm篩后分別測定土壤堿解氮、速效磷、速效鉀的含量。土壤堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用Mehlich3法測定[25]，速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度法測定。

1.4 數據統計分析

利用T檢驗比較植物地上生物量、蓋度、土壤含水量、土壤團聚體比例、入滲速率、穩滲速率以及土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量在兩種處理下的差異，利用Pearson相關分析土壤含水量與土壤團聚體、土壤入滲速率、穩滲速率之間以及地上生物量與土壤含水量、土壤養分含量之間的相關性。所有數據采用IBM SPSS Statistics 25(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)進行統計分析，Origin 2018繪圖。

2 結果與分析

2.1 保水劑加木質素結皮措施對植物地上生物量和蓋度的影響

由圖3可以看出，保水劑加木質素結皮措施顯著增加了植物地上生物量(p<0.05)，作為對照的荒漠草原地上生物量是40.7 g/m2，與對照相比，該措施處理下地上生物量增加了79%，增加到了72.8 g/m2。同時，該措施處理下植被蓋度顯著增加(p<0.05)，植被蓋度值由對照的28%增加到了54%，相對增加了93%。保水劑加木質素結皮措施使荒漠草原地上生物量和蓋度均發生顯著變化，這說明了保水劑與木質素結皮的綜合運用促進了荒漠草原沙地植被的生長。

注：圖中小寫字母代表不同處理下具有顯著差異(p<0.05)。

2.2 保水劑加木質素結皮措施對土壤含水量的影響

保水劑加木質素結皮措施對不同土層土壤含水量的影響基本是一致的(圖4)，均顯著增加。在土層1 cm處，對照與保水劑加木質素結皮措施處理下土壤含水量分別為2.4%，4.1%，與對照相比，保水劑加木質素結皮措施處理下土壤含水量顯著增加了71%(p<0.001)；在土層5 cm處，該措施處理下土壤含水量相比于對照顯著增加了138%，由5%增加到了11.9%(p<0.001)。由圖4可知，在土層10 cm處，該措施處理下土壤含水量由6.4%增加到了6.8%，相對增加了6.3%(p<0.001)。對照中土壤平均含水量為4.6%，該措施處理下土壤平均含水量為7.6%，與對照相比，該措施處理下土壤含水量顯著增加了65%(p<0.001)。通過對比不同土層土壤含水量可以發現，在5 cm處土壤含水量值最高且達到了11.9%，顯著高于其他土層土壤含水量。這是因為保水劑加木質素結皮措施中，保水劑施加于土壤淺層5 cm處，使得土層5 cm處土壤含水量的值要顯著高于其他土層。

圖4 保水劑加木質素結皮措施對不同土層土壤含水量的影響(平均值±標準誤差)

由圖5可知，保水劑加木質素結皮措施處理下，土壤微團聚體(<0.25 mm)比例為58.0%，相比于對照(65.8%)顯著減少了13.4%(p<0.05)，土壤水穩性大團聚體(>0.25 mm)比例為42.0%，相比于對照(34.2%)增加了23%(p<0.05)。土壤水分入滲速率和穩滲速率也均顯著增加(p<0.05)。其中，入滲速率由6.6 mm/min增加到了9.7 mm/min，相比于對照增加了47%；穩滲速率由1.6 mm/min增加到了2.0 mm/min，相比于對照增加了25%。

圖5 保水劑加木質素結皮措施對水穩性團聚體比例、入滲速率和穩滲速率的影響(平均值±標準誤差)

表1列出了保水劑加木質素結皮措施處理下，土壤含水量與初滲速率、穩滲速率、土壤微團聚體比例、水穩性大團聚體比例的相關性。該措施處理下，土壤含水量與初滲速率、穩滲速率以及水穩性大團聚體(>0.25 mm)之間均呈極顯著的正相關關系，相關系數分別為0.981，0.961，0.974(p<0.001)。而土壤含水量與土壤微團聚體(<0.25 mm)之間呈極顯著的負相關關系，相關系數為-0.974(p<0.001)。

表1 土壤含水量與初滲速率、穩滲速率、微團聚體、水穩性大團聚體比例的關系

2.3 保水劑加木質素結皮措施對土壤養分含量的影響

保水劑加木質素結皮措施顯著增加了土壤養分含量。由圖6可知，對照中土壤堿解氮含量為33.3 mg/kg，保水劑加木質素結皮措施處理下堿解氮含量為41.3 mg/kg，顯著增加了24 %(p<0.05)；相比于對照，速效磷含量在該措施處理下顯著增加了43%(p<0.05)，由2.1 mm/kg增加到了3.0 mm/kg；速效鉀含量在對照中為266.8 mm/kg，在該措施下為332.3 mm/kg，顯著增加了25%(p<0.05，圖6)。

圖6 保水劑加木質素結皮措施對土壤養分含量的影響(平均值±標準誤差)

2.4 地上生物量與土壤含水量和土壤養分含量的關系

表2列出了保水劑加木質素結皮措施處理下地上生物量與土壤含水量、土壤養分含量之間的相關性。保水劑加木質素結皮措施處理下，地上生物量與土壤含水量、堿解氮、速效鉀均呈顯著的正相關關系，相關系數分別為0.732，0.848，0.777(p<0.05)，與速效磷之間存在一定的相關關系，但并不顯著(p>0.05)。

表2 地上生物量與土壤含水量和土壤養分含量的關系

3 討 論

3.1 保水劑加木質素結皮措施對植物地上生物量和蓋度的影響

本研究表明，保水劑加木質素結皮措施處理下植物地上生物量和蓋度顯著增加了79%和93%(圖3)。毛思帥等人[26]在保水劑影響沙地燕麥生產的研究中發現，保水劑僅使燕麥地上生物量增加了32%；李丹陽等人[27]在木質素結皮影響沙地植被恢復的盆栽試驗中發現，木質素結皮僅使生物量增加了59%。曹遠博等人[19]在恢復措施對黃土高原公路邊坡植物生物量影響的研究中也發現，單一施用結皮后地上生物量增加了332%，單一施用保水劑后地上生物量增加了349%，但是在保水劑加木質素結皮措施下，生物量增加了415%。本研究中，保水劑加木質素結皮措施結合了保水劑和木質素結皮的優勢特性，較單一措施而言，在保水和改善土壤養分條件上更具優勢[28-31]，從而使得生物量和蓋度的增加量較單一措施的效果更佳。因此，在荒漠草原沙地利用保水劑加木質素結皮措施能更有效地促進植被的恢復。

3.2 保水劑加木質素結皮措施對土壤含水量的影響

保水劑加木質素結皮措施顯著增加了土壤含水量。土壤水穩性大團聚體與土壤的水分保持能力呈正相關[32]，且土壤入滲速率和穩滲速率的提高也會增加土壤的含水量[33-34]。保水劑中含有的大量羥基和羧基在土壤中能夠吸附較小土壤顆粒，從而促進大團聚體的形成[19]，且結皮能夠增加土壤顆粒的粘結能力，易于大團聚體的形成[32]。這在Mao和孫隆祥等人[35-36]的研究中也得到了證實。本研究中，土壤水穩性大團聚體、入滲速率和穩滲速率顯著增加，而土壤微團聚體顯著降低，與土壤含水量的變化顯著相關。這說明保水劑加木質素結皮措施通過增加土壤水穩性大團聚體含量、入滲速率和穩滲速率，減小土壤微團聚體含量，從而提高土壤含水量。

3.3 保水劑加木質素結皮措施對土壤養分含量的影響

保水劑加木質素結皮措施顯著增加了土壤堿解氮、速效磷和速效鉀的含量。在沙地植被中，降低土壤風蝕和水蝕是提高土壤養分的主要機制。木質素結皮能有效減少土壤受風蝕和水蝕的程度，進而減少土壤養分的流失[18]，且保水劑強大的保水、蓄水能力能使土壤淺層截留更多的水分，減少水分滲漏量，進而減少土壤養分的淋失[37-39]。保水劑與木質素結皮的互補利用增加了沙地土壤中速效氮、速效磷、速效鉀的含量[19]，改善了沙地土壤的養分條件。

3.4 保水劑加木質素結皮措施對植被的調控機制

土壤水肥的供給是土壤沙化地帶植被恢復的決定因素[40]。本研究中，保水劑加木質素結皮措施顯著增加了土壤含水量，改善了土壤養分條件。且相關分析顯示土壤水肥條件與植物地上生物量呈顯著的正相關關系。因此，在保水劑加木質素結皮措施下，土壤水肥條件的改善共同驅動了沙地植被的快速恢復。

4 結 論

本試驗以烏拉特荒漠草原沙化土地為例，研究了保水劑加木質素結皮措施對荒漠草原沙地植被恢復的調控機制。本研究中保水劑加木質素結皮措施下的地上生物量遠遠高于未施用該措施的地上生物量。且與其他單一措施的研究結果相比，表現出更好的恢復效果，表明保水劑與木質素結皮的綜合運用能夠更加快速有效地促進沙地植被的恢復。在保水劑加木質素結皮措施下，沙地土壤物理性狀發生改變，土壤水穩性大團聚體比例、土壤入滲速率、穩滲速率升高，從而增加了土壤的含水量；另外，該措施利用木質素結皮克服了因保水劑吸水后膨脹，造成土體隆起，增大土壤水分蒸發表面積的問題，減少了水分蒸發和土壤養分的流失；利用保水劑保水、蓄水的能力彌補了木質素結皮保水能力有限的缺點，減少水分滲漏量，進而減少了土壤養分的流失，促進了土壤養分的積累。因此，保水劑加木質素結皮措施可以通過改善烏拉特荒漠草原沙化土地土壤水肥狀況，有效地促進植被的恢復。

致謝：感謝徐翀、柯玉廣在論文撰寫方面給予的寶貴意見，感謝中國科學院烏拉特荒漠草原生態系統研究站的大力支持。