沙棘不同恢復年限對土壤質量的影響

相里佳菲，路 培

（榆林學院生命科學學院，陜西榆林 719000）

土壤是陸地生態系統的重要組成部分，其動態變化直接影響著陸地生態系統的生產力及穩定性[1]。土壤質量是土壤多個功能指標的綜合體現，是揭示土壤動態條件最敏感的指標，體現了自然因素和人類活動對土壤的影響[2]。沙棘是用以恢復植被的典型樹種，面對內蒙古鄂爾多斯市砒砂巖荒漠治理區植被配置升級、低效林改造的新要求和新形勢，在現有水土保持林體系下，從土壤質量的角度出發，展開對沙棘林土壤質量的研究，利于探明該區域沙棘林土壤質量的特征，對今后該地區生物多樣性保護、植被恢復與重建、低效林改造等林業生態工程建設，以及推進黃河流域的生態保護和高質量發展具有重要的理論和實踐意義[3-6]。本研究以沙棘林土壤為研究對象，旨在探明沙棘林土壤物理和化學性質的變化特征，明確土壤質量隨著沙棘恢復年限延長所呈現的變化規律，對生態恢復和日后調整生態恢復結構具有重大現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古鄂爾多斯市屬北溫帶半干旱大陸性氣候區，東部為半濕潤地帶，西部為半干旱地帶。該地域最主要的特點是日照豐富，年日照時間為2 716～3 194 h；晝夜溫差大，一般可達10 ℃左右，年平均氣溫在5.3～8.7 ℃；降水少且時空分布極為不均[7-9]。

1.2 樣品采集

本試驗在內蒙古鄂爾多斯罕臺鎮沙棘恢復區進行，共選取立地條件一致的3 個沙棘恢復年限（1 a、3 a、5 a）區，每塊樣地設置3 個20 m×20 m 樣方，在樣方內按照五點取樣法設置3個取樣點，挖取各樣點0～20 cm土層土壤為樣本，選取裸地為實驗對照組（CK）。

1.3 指標測定

土壤指標具體測定方法：環刀法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量，堿解蒸餾法測定堿解氮，火焰光度法測定速效鉀，光電比色法測定速效磷，重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量。

1.4 土壤質量評價方法

以各指標經主成分分析后所得的公因子方差占所有指標公因子方差之和的比為指標權重，指標權重越高，表明其在土壤質量評價中的貢獻度越高[10]。

升型分布函數公式：

降型分布函數公式：

式中：F(Xi)為隸屬度值，Xij為各指標的平均值，Ximax和Ximin分別為第i個指標的最大值和最小值。

土壤質量指數的計算公式：

式中：n為指標數量，Wi為指標權重值，F(Xi)為指標隸屬度，SQI為土壤質量指數，該值越高，代表土壤質量越好。

1.5 數據處理與分析

本試驗數據用辦公軟件Microsoft Excel 2021 進行統計與分析，用SPSS 軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 沙棘不同恢復年限土壤指標統計特征

研究區沙棘不同恢復年限土壤理化性質差異顯著（p＜0.05）（表1），土壤容重方面，裸地最高，其次為1 a，5 a 最小；土壤總孔隙度和毛管孔隙度方面隨年限增加呈遞增趨勢，裸地最低，5 a 最高，總孔隙度、毛管孔隙度均在40%左右；土壤田間持水量5 a 的平均值略高于3 a 的平均值，隨著年限的增加土壤田間持水量呈遞增趨勢。土壤化學性質中堿解氮、速效磷、速效鉀能夠高效地反映土壤養分供應的動態與水平。研究區沙棘恢復5 a 土壤堿解氮含量相較3 a 和1 a 分別增加2.05 與3.17 mg·kg-1；土壤速效鉀含量隨著恢復年限的增加呈遞增趨勢，在5 a 到達峰值，其速效鉀含量較裸地增加了49.33 mg·kg-1；土壤速效磷含量由1 a 到3 a、3 a 到5 a 分別增加0.05 mg·kg-1與0.36 mg·kg-1；1 a、3 a 與5 a 相較于裸地土壤有機質分別增加了1.83 g·kg-1、4.43 g·kg-1、5.40 g·kg-1，表明土壤有機質含量與恢復年限呈正相關的變化趨勢，說明研究區土壤養分含量隨著植被恢復呈現不斷上升的趨勢。綜合土壤養分指標來看，5 a 土壤為植被提供養分的能力最高，其次為3 a、1 a，裸地最差。

表1 沙棘不同恢復年限土壤理化性質差異

2.2 沙棘不同恢復年限土壤指標權重分析

計算各指標所占權重，結果表明，速效鉀＞總孔隙度＞毛管孔隙度＞堿解氮＞有機質＞容重＞速效磷＞田間持水量。速效鉀權重最高達到0.135，其含量很大程度上影響了土壤質量。其次是土壤總孔隙度權重為0.134，毛管孔隙度權重為0.133，直接影響土壤結構性能，對土壤水分的保持、入滲具有重要作用，土壤結構性能越好，其抗蝕性、透水性、持水量越大[11]。堿解氮權重為0.132，該指標反映土壤近期供應氮素的能力，是測定土壤氮素有效性指標。有機質權重為0.130，土壤有機質在土壤中必不可少，與土壤礦質成分作為植物營養來源的共同組成部分，對土地生產力和土壤理化性質具有重要影響[12-14]。容重權重為0.128，是土壤質量評價的重要指標。田間持水量、速效磷相較于其他指標對土壤質量影響較小，在0.1 左右。

2.3 沙棘不同恢復年限土壤指標隸屬度分析

隸屬度值越大說明指標歸屬度越高。按公式（1）和（2）計算得出各項土壤指標的隸屬度值，各土壤指標平均隸屬值由大到小依次為田間持水量（0.502）＞有機質（0.489）＞速效鉀（0.456）＞總孔隙度（0.431）＞毛管孔隙度（0.418）＞容重（0.396）＞堿解氮（0.347）＞速效磷（0.274），速效磷隸屬度值最低，表明速效磷是研究區土壤質量評價的主要限制因子。

2.4 沙棘不同恢復年限土壤質量指數分析

圖1 為鄂爾多斯荒漠治理區沙棘不同恢復年限土壤質量指數的變化結果。研究區沙棘不同恢復年限土壤質量指數介于0.038 和0.864 之間。由大到小表現為5 a ＞3 a ＞1 a ＞裸地，結果表明沙棘恢復5 a對土壤質量改良效果最優。恢復5 a 土壤的孔隙度和養分高于恢復1 a 和3 a 的土壤，植被殘體如樹葉、枝、條形成的枯落物層較厚，并且干物質生物量遠遠高于其他土壤。枯枝落葉會形成不同分解狀態的有機殘體或被降解為分子量大小各異的有機化合物，一些枯枝落葉碎屑或化合物可隨降水的攜帶作用及土壤動物和微生物的轉移作用進入土壤，并被土壤層的細顆粒保存下來，也可以進一步轉化為復雜的腐殖質分子，從而降低有機質流失的概率[15-16]。因此，5 a 土壤有機質含量高的原因主要與上覆枯落物層物質的腐解有關，其次為3 a、1 a。土壤質量指數整體隨著恢復年限的增加呈現遞增的趨勢。裸地質量為貧瘠狀態，孔隙度低且養分含量少，田間持水量小，表層裸露，含水量易蒸發，少部分水資源能被植被利用[17]。

圖1 沙棘不同恢復年限土壤質量指數

3 結論與討論

1）不同恢復年限土壤物理性質、化學性質差異顯著（p＜0.05）；隨著恢復年限的增加，沙棘恢復5 a相對裸地土壤容重降低了0.28 g·cm-3，土壤田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、堿解氮、速效鉀、速效磷、有機質分別增加5.88 個百分點、3.83 個百分點、3.48 個百分點、3.41 mg·kg-1、49.33 mg·kg-1、0.40 mg·kg-1、5.40 mg·kg-1，沙棘恢復1 a 整體表現較差。2）土壤質量指數隨沙棘恢復年限增加呈增長趨勢，土壤質量指數由大到小表現為5 a（0.864）＞3 a（0.517）＞1 a（0.239）＞裸地（0.038），恢復5 a 對土壤質量改良效果最優。

土壤質量受土壤特性，水分條件等自然因素和人為因素的綜合影響，在局部地區，立地條件差異不顯著的情況下，不同恢復年限成為影響土壤質量的重要因素。在本研究中，沙棘不同恢復年限對土壤理化性質的改善效果隨著植被恢復年限的延長存在顯著性差異（p＜0.05）。土壤有機質作為指示土壤質量指數的關鍵指標，主要受制于地上植物及其地下根系有機質的輸入與分解[18]。沙棘恢復5 a 的土壤有機質含量大于3 a、1 a 的土壤有機質含量，說明沙棘恢復年限的延長對土壤有機質含量有較大影響。隨著恢復年限的增長，沙棘林下土壤速效磷、速效鉀、堿解氮逐漸增加。這與王曉琳、趙韻美等研究結果基本一致[19-20]。其原因主要是沙棘生長迅速，地上生長量大，大量枯枝落葉能夠歸還土壤，大部分根系密集于表層，殘體及分泌物較多，在腐殖化作用下，有機質及速效營養元素含量能夠不斷增加。測定沙棘不同恢復年限土壤有機質含量是研究土壤性狀特征、判斷土壤質量及恢復情況的重要因素，土壤質量指數受到沙棘恢復年限影響較大，隨著沙棘恢復年限的延長可以增加土壤養分含量，有效提高土壤質量指數。

內蒙古砒砂巖沙棘恢復是長期且復雜的任務。由于沙棘的生長與土地地形地貌、不同干擾強度、氣候、環境、動植物多樣性等因素密不可分，多種因素相互作用影響土壤質量，進而影響沙棘生長。因此，在以后的研究中要綜合考慮各種影響因素，進一步探討干擾強度、環境因素等對沙棘林土壤質量特征的影響，進一步為沙棘林土壤質量評價與恢復、森林可持續發展提供全面科學的數據支撐。