流動沙地建植人工固沙梭梭林的土壤演變過程*

蘇永中，劉婷娜

流動沙地建植人工固沙梭梭林的土壤演變過程*

蘇永中，劉婷娜

（中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院臨澤內(nèi)陸河流域研究站/中國科學院內(nèi)陸河流域生態(tài)-水文研究重點實驗室，蘭州 730000）

固沙梭梭林；種植時間序列；土壤鹽分；土壤有機碳；全氮；綠洲邊緣

梭梭（），一種藜科梭梭屬C4荒漠灌木，分布在新疆、內(nèi)蒙、甘肅和青海等西北干旱和極端干旱的荒漠區(qū)域[1]。由于其對風沙、鹽堿、干旱等環(huán)境的適應性，育苗、栽植易成活，以及C4植物生長迅速等特性，成為西北干旱區(qū)沙漠化土地固沙造林的主要樹種[2-3]。隨著西北干旱區(qū)生態(tài)建設的重視，固沙梭梭林種植面積不斷擴大，有關(guān)梭梭生理、生態(tài)特性及其對環(huán)境的影響研究也逐漸深入。早期的研究主要集中在梭梭光合生理和水分利用等生理特性，以及梭梭富集養(yǎng)分的“肥島”特征研究等[4-7]。近年來，梭梭利用水分來源[8]、固沙梭梭林建立后的土壤環(huán)境效應研究得到重視并取得一定進展[9-12]，為揭示人工固沙梭梭林退化機制及群落穩(wěn)定性提供了依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河西走廊中段臨澤平川荒漠－綠洲過渡帶（39°09′～39°19′N，100°02′～100°21′E，海拔1 350～1 380 m）。該區(qū)域為典型的荒漠氣候，年均降雨量117 mm，多集中在7—9 月，年蒸發(fā)量2 390 mm，年均氣溫7.6℃，無霜期165 d。年均風速為3.2 m·s–1，大風日數(shù)（> 17 m·s–1）超過15 d，風沙活動主要集中在3—5月，地下水埋藏深度為3～8 m。臨澤平川綠洲北部為礫質(zhì)戈壁，土壤為灰棕漠土；東北部為沙丘景觀，是巴丹吉林沙漠延伸段，也是風沙入侵張掖綠洲的通道。綠洲邊緣沙丘地帶分布的天然植被有沙拐棗（）和泡泡刺（）兩種灌木，一年生草本植物有沙蓬（）、霧冰藜（）、白莖鹽生草（）和堿蓬（（Bunge）Bunge）等。沙拐棗主要分布于平緩沙坡，泡泡刺以沙堆形態(tài)集中分布于丘間低地。天然植被的蓋度在3%～15%，總蓋度低于10%。自20世紀70年代中期開始，綠洲邊緣的沙漠化防治，開始種植以梭梭為主的固沙灌木，2000年以后，多期的固沙造林為主的生態(tài)恢復和建設項目實施，逐漸形成了綠洲邊緣至外圍約5 km×10 km范圍不同年代的人工梭梭林景觀[2]。

1.2 調(diào)查取樣

2018年7月中旬，選擇種植年限3年、6年、9年、16年和40年的梭梭林定位樣地，未栽植梭梭的流動沙地作為對照樣地（0年）。由于不同年代梭梭林地栽植時均為流動沙地，土壤質(zhì)地與有機碳等性狀在不同時期的測定結(jié)果基本一致[2,11,18]，近20年來荒漠-綠洲過渡帶地下水位基本維持不變，表明梭梭栽植時起始的土壤和環(huán)境條件一致。每個齡級的梭梭林樣地設置3個20 m×20 m的調(diào)查取樣樣方，在每個樣方內(nèi)隨機選擇5株梭梭個體，對其生長狀況株高、冠幅、基莖、枯枝比例、葉片生物量進行調(diào)查取樣，如表1。土壤取樣方法為：流動沙地對照樣地（0年）在每個樣方中隨機選取4個取樣點，不同種植年限梭梭林樣地在每個樣方中選擇距離梭梭主莖50 cm的冠層下和冠層外50 cm處各2個取樣點，用土鉆按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm 6個層次取剖面樣，4個取樣點所取土樣按相應土層混合為一個樣，風干后，研磨過2 mm篩，取部分樣進行土壤粒級、鹽分組成的測定；部分樣研磨過0.05 mm篩用于SOC、全氮和全磷含量的測定。

表1 不同種植年限梭梭生長特征

1.3 土樣與植物樣品測定

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進行單因變量雙因素（年限和土層）方差分析及顯著性檢驗，并進行種植年限與土壤屬性值之間的回歸分析。

2 結(jié) 果

2.1 土壤剖面粒級組成變化

隨著梭梭種植年限的增加，表層土壤（0～10 cm和10～20 cm）砂粒含量逐漸減少、黏粉粒含量逐漸增加，但其顯著差異發(fā)生在栽植9 a以上的梭梭林地。40 a梭梭林地0～10 cm土層黏、粉粒含量較未種植梭梭相鄰流動沙地分別提高6.8%和7.0%，10～20 cm土層分別提高5.3%和5.2%。20～40 cm土層黏粒含量隨種植年限的增加而出現(xiàn)較小幅度的增加趨勢，但40 cm以下土層粒級組成并無變化（圖1）。

2.2 土壤有機碳和氮磷含量的變化

隨固沙梭梭林栽植年限的增加，表層SOC和全氮含量呈指數(shù)增加，3 a、6 a梭梭林地與無植被沙地相比表層SOC有一定程度的增加，但差異不顯著，生長9 a以后的梭梭林地，SOC與0 a、3 a和6 a樣地差異達極顯著水平，9 a、16 a和40 a梭梭林較無植被沙地表層SOC含量分別增加了2.7倍、3.3倍和、5.7倍。10～20 cm土層SOC與全氮含量隨梭梭生長年限的增加，也表現(xiàn)出不同程度的增加，但只有40 a梭梭林地SOC和全氮含量顯著高于其他樣地。隨土層深度的增加，不同林齡梭梭林地SOC和全氮含量差異逐漸減小，40 cm以下土層已無明顯差異（圖2）。相對于SOC和全氮含量，土壤剖面中全磷含量變化較小，只有0～10 cm和10～20 cm土層，40 a梭梭林地全磷含量顯著高于其他樣地，16 a以下各樣地之間并無顯著差異。隨梭梭生長年限的增加，0～10 cm和10～20 cm土層SOC的增加幅度高于全氮的增加，C/N比隨林齡增加有顯著提高（圖2）。

2.3 土壤剖面鹽分的積累

隨梭梭生長年限的增加，土壤剖面中鹽分逐漸積累。6 a梭梭林土壤剖面鹽分含量已顯著高于0 a和3 a梭梭林，16 a后鹽分含量成倍增加，6 a、9 a、16 a和40 a年梭梭林0～100 cm土層平均含鹽量分別為未造林流動沙地（0 a，1.53 cmol·kg–1）的1.28倍、1.66倍、5.40倍和6.50倍。不同土層鹽分含量變化分析，20～40 cm、40～60 cm 和60～80 cm三個土層鹽分的積累速率變動在0.26～0.29 cmol·kg–1·a–1，高于0～10 cm和10～20 cm表層土壤的累積速率（0.06～0.19 cmol·kg–1·a–1）（表2）。

注：不同字母表示不同種植年限梭梭林土壤砂粒、粉粒和黏粒含量之間的差異顯著（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in sand，silt and clay content between different ages of the Haloxylon ammodendron plant in the same soil layer.

注：不同字母表示不同栽植年限梭梭林土壤有機碳、全氮、全磷和碳氮比之間的差異顯著性（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in SOC，total N and P content，and C/N ratio between different ages of the Haloxylon ammodendron plant in the same soil layer.

表2 土壤鹽分積累與梭梭種植年限的關(guān)系

注：不同字母表示不同種植年限梭梭林土壤、Cl– 和含量之間的差異顯著性（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in ，Cl– and content between different ages of the Haloxylon ammodendron plant.

注：不同字母表示不同種植年限梭梭林土壤Ca2+、Na+、Mg2+ 和K+ 含量之間的差異顯著性（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in Ca2+，Na+，Mg2+ and K+ content between different ages of the Haloxylon ammodendron plant.

3 討 論

固沙植被建植后風速降低，植被對降塵的截獲使表層土壤細粒物質(zhì)不斷積累，導致表層土壤砂粒含量逐漸減少、黏粉粒逐漸增加，土壤質(zhì)地發(fā)生顯著變化，這已被中國北方不同固沙區(qū)域的研究所證實[15-17，20]。本研究表明梭梭種植16 a后，亞表層（10～20 cm）黏粉粒含量也有顯著增加，一方面是由于隨著植被生長，凋落物在冠層下的積累和表層細粒物質(zhì)的增加、以及風蝕作用，冠層下由凋落物及細粒物質(zhì)膠結(jié)形成的土層逐漸增厚，另一方面，土壤動物的擾動使表層和亞表層土壤混合，導致亞表層的粒級組成也發(fā)生變化。土壤黏粉粒含量的增加為土壤結(jié)皮形成提供了膠結(jié)物質(zhì)，也是SOC含量和N、P養(yǎng)分增加的一個主要方面[16-17，20]。研究結(jié)果表明，表層土壤SOC與全氮含量隨梭梭生長年限增加而逐漸積累，9 a后差異顯著，而全磷含量只有40 a梭梭林有顯著提高，這與前期對表層土壤的研究結(jié)果基本一致[11]。在表層以下10～20 cm和20～40 cm土層，SOC和全氮含量只在植被建植40 a后有顯著變化，SOC的變化較全氮的變化更為明顯，固沙植被建植對土壤P的影響更為微弱。SOC與養(yǎng)分含量在土壤剖面中的分布變化表明了固沙植被建植后，成土的生物作用有所增強，建植40 a后的梭梭林，在表層已形成2～5 cm厚度、由分解和半分解的凋落物、黏粉粒和鹽分膠結(jié)形成的多孔結(jié)皮層特征，有一定程度的腐殖質(zhì)積累和弱發(fā)育的腐殖質(zhì)層的分化，表明土壤已從干旱砂質(zhì)新成土向干旱正常新成土發(fā)育。受限于有限的降雨量（110 mm），流沙固定后未能形成草本植物層，生物土壤結(jié)皮也未能發(fā)育，與沙坡頭地區(qū)流動沙地人工植被建植后的土壤演變相比，土壤發(fā)育進程明顯緩慢[16]。

在流動沙地建植人工固沙梭梭40 a的時間序列上，土壤黏粉粒、SOC和全N含量的顯著變化主要發(fā)生在表層0～20 cm土壤，而鹽分的積累發(fā)生在0～100 cm土層，鹽分的積累效應明顯大于養(yǎng)分的積累。這種梭梭引起的土壤變化可能對梭梭的自身生長產(chǎn)生正反饋作用，因為梭梭是稀鹽鹽生植物，其生長需要吸收養(yǎng)分，也需要大量的鹽分；但對其他植物種如草本植物的生長發(fā)育產(chǎn)生負反饋作用，如表層黏粉粒含量增加、結(jié)皮層形成不利于草本植物土壤種子庫的積累，鹽分的積累對一些植物的發(fā)育產(chǎn)生抑制[10]。梭梭種植10 a后，處于不斷的自疏和衰退生長過程，沙面穩(wěn)定后草本植物數(shù)量和蓋度有所增加，出現(xiàn)物種主要是耐鹽的短命植物種如白莖鹽生草和霧冰藜等[11]，40 a后仍未能形成灌木與草本植物結(jié)合的植被生態(tài)系統(tǒng)，人工植被的穩(wěn)定性和植被系統(tǒng)的長期演變需要更長時間尺度的觀測。

4 結(jié) 論

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Soil Evolution processes following establishment of artificial sandy-fixingforest

SU Yongzhong, LIU Tingna

(Linze Inland River Basin Research Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Eco-Hydrology in Inland River Basin, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Sand-fixingplantation; Plantation chronosequence; Soil salt; Soil organic carbon; Total nitrogen; Edge of oasis

S153

A

10.11766/trxb201812290592

蘇永中，劉婷娜. 流動沙地建植人工固沙梭梭林的土壤演變過程[J]. 土壤學報，2020，57（1）：84–91.

SU Yongzhong，LIU Tingna.Soil Evolution processes following establishment of artificial sandy-fixingforest[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（1）：84–91.

* 國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0504304）資助Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2017YFC0504304）

蘇永中（1966—），甘肅古浪人，研究員，主要從事干旱區(qū)土壤學與綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)學研究。E-mail：suyzh@lzb.ac.cn

2018–12–29；

2019–05–05；

2019–07–22

（責任編輯：檀滿枝）