郝寶寶, 艾 寧,, 劉廣全, 宗巧魚, 劉 姣, 劉長海
(1.延安大學生命科學學院/陜西省區(qū)域生物資源保育與利用工程技術研究中心,陜西 延安 716000;2.中國水利水電科學研究院,北京 100038)
陜北風沙區(qū)地處農(nóng)牧交錯帶,是一個從沙區(qū)向黃土區(qū)的過渡區(qū)域[1],長期以來,不合理的開墾和風沙危害等問題,使得該區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞,成為我國北方土地沙漠化現(xiàn)象最為嚴重的地區(qū)之一[2-3].近年來,以人工植被建設為主的生態(tài)修復治理措施有效地緩解了風沙危害、水土流失等環(huán)境問題,改善了地區(qū)生態(tài)環(huán)境[4-5].然而,盲目和大規(guī)模栽植單一植被類型會造成土壤生產(chǎn)力下降和植被退化,從而可能產(chǎn)生新的沙化現(xiàn)象[6].土壤為植被生長提供了必要的條件,植被又直接影響土壤的形成方向,植被與土壤之間相互影響、相互促進[7].大量研究表明植被類型對土壤水分[8]、土壤生物[9-10]、土壤酶活性[11]和枯落物含量[12]等存在一定的影響,這些因子的變化間接影響土壤養(yǎng)分形成和分解狀況[13].目前,有關陜北風沙區(qū)植被恢復對土壤養(yǎng)分影響的研究相對缺乏,不同植被類型對沙地土壤養(yǎng)分的影響機制還未明確.本研究通過測定陜北風沙區(qū)不同植被類型土壤養(yǎng)分狀況,并運用土壤肥力綜合評價法比較不同植被類型對恢復區(qū)域土壤改良效果的差異,為今后該區(qū)域生態(tài)恢復建設提供理論數(shù)據(jù).
研究區(qū)位于陜西省榆林市城北3 km處紅石峽沙地植物園,中心地理坐標109°42′43″E、38°20′08″N,四季明顯,屬溫帶大陸性季風氣候,降雨主要集中在7—9月,年平均溫度10.7 ℃,土壤類型主要以風沙土為主.由于不合理開墾、氣候變遷等問題,該地區(qū)曾是世界上沙漠化最為嚴重的地區(qū)之一.20世紀60年代以來,人們大力興建防風林帶,開展系列以植被建設為主的沙漠改造工程.目前,大面積的沙地已被治理,黃河的年輸沙量大大減少,生態(tài)環(huán)境得到顯著改善.研究區(qū)人工造林樹種主要有樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv)、紫穗槐(AmorphafruticosaLinn)、檸條(CaraganakorshinskiiKom)等.
1.2.1 樣品采集與測定 于2018年8月,通過實地踏查后,選取4種典型植被樣地(表1)設置樣方.在每個樣方內(nèi)采用環(huán)刀法(100 cm3)在土壤剖面取樣,共6層(0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm),將土樣做好標記,帶回實驗室風干后參照《土壤農(nóng)化分析》[14]的方法測定土壤化學指標.
表1 樣地基本特征
1.2.2 數(shù)據(jù)處理 利用Excel 2010軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù),用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析,用Origin 8.0軟件繪圖.
土壤肥力綜合評價計算步驟[13]:首先,使用隸屬函數(shù)將各個土壤養(yǎng)分指標的數(shù)據(jù)進行標準化(公式1);其次,采用標準差系數(shù)法計算各個土壤養(yǎng)分指標的權重(公式2、3);最后,得出土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量指數(shù)(公式4).
(1)
(2)
(3)
(4)
式中:μ(Xij)代表各土壤養(yǎng)分指標的隸屬度值;Xij代表土壤養(yǎng)分指標值;Xj,max和Xj,min代表第j項土壤養(yǎng)分指標最大值和最小值;Vj代表標準差系數(shù);Wj代表權重;H代表土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量指數(shù).
從表2可知,pH平均值為7.37,表明該研究區(qū)土壤呈中性.有機質(zhì)平均含量為2.92 g·kg-1,堿解氮、速效磷、速效鉀平均含量分別為2.73、11.94、16.08 mg·kg-1.按照全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標準[15],研究區(qū)有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量屬于6級(很低等級),速效磷含量屬于3級(中上等級).Hu et al[16]按照變異程度的不同,將變異系數(shù)(coefficient of variation, CV)劃分為3個級別:CV≥100%為強變異,10% 表2 研究區(qū)土壤養(yǎng)分統(tǒng)計 隨著土層深度的增加,各植被類型土壤pH呈波動變化趨勢,在0~40 cm土層,除草地外,其他植被類型土壤表層pH略小于底層.有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量總體上呈現(xiàn)為表層較高的特點.其中,有機質(zhì)含量在樟子松地最高,且0~20 cm土層有機質(zhì)含量明顯高于其他樣地,這可能是因為樟子松林腐殖層較厚,有機物分解量較多.在0~60 cm土層,各植被類型土壤中的有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均呈現(xiàn)下降趨勢,具有明顯垂直特性(圖1). 趙文田等[17]把土壤肥力綜合評價值劃分為5個等級:H>0.8為極高級,0.6≤H<0.8為高級,0.4≤H<0.6為中級,0.2≤H<0.4為低級,H<0.2為極低級.由表3可知,研究區(qū)4種植被類型土壤肥力處于中低級水平.各植被類型土壤肥力綜合評價值隨著土層深度增加均表現(xiàn)為下降趨勢,這可能是由于植被根系主要分布在土壤深層,下層養(yǎng)分被優(yōu)先消耗,同時,枯落物分解后形成的養(yǎng)分大量集中在土壤表層.不同植被類型土壤肥力表現(xiàn)為草地>樟子松林地>檸條林地>紫穗槐林地,但差異不顯著(P>0.05),說明不同植被類型對沙區(qū)土壤肥力有一定的影響,但影響不顯著. 表3 不同植被類型土壤肥力綜合評價1) 有研究表明,由于各植被類型林下凋落物的組成和分解狀況不同,導致土壤養(yǎng)分含量存在差異,進而影響了各養(yǎng)分的空間分布格局[18-19].本研究結(jié)果也表明,不同植被類型土壤養(yǎng)分含量在垂直空間分布上有差異且表現(xiàn)出不同的變化趨勢.另外有研究表明,植物根系分布與各土壤養(yǎng)分因子關系密切[20-21],這是造成不同植被類型土壤養(yǎng)分垂直分布差異的原因之一.本研究還發(fā)現(xiàn),各植被類型土壤表層的養(yǎng)分指標大于深層,呈現(xiàn)垂直分布特性,與魏強等[22]和耿玉清等[23]的研究結(jié)果一致,這主要是因為地表凋落物分解所形成的有機物質(zhì)先存在于土壤表層,且表層有機物質(zhì)向下輸送緩慢. 賈培龍等[24]研究表明,黃土高原8個森林地區(qū)的土壤有機碳含量為7.12~42.99 g·kg-1.而本研究中不同植被類型土壤有機質(zhì)含量普遍較低,0~100 cm土層平均有機質(zhì)含量為2.92 g·kg-1,與黃雅茹等[25]對烏蘭布和沙漠東北緣土壤有機質(zhì)含量的測定結(jié)果(2.70±0.43) g·kg-1相似.解倩等[26]研究表明,土壤有機質(zhì)含量與土壤含水量呈正顯著相關;Amador et al[27]也發(fā)現(xiàn),土壤水分和有機碳等養(yǎng)分之間的有機耦合是通過水分影響土壤微生物及其與養(yǎng)分間的生態(tài)交互作用而引起.可見,土壤含水量較低可能是造成研究區(qū)有機質(zhì)含量較低的原因之一. 本研究結(jié)果顯示,樟子松林地和草地的土壤肥力處于中級水平,可能是由于樟子松林地覆蓋度高,且地面累積了較多凋落物和腐殖質(zhì),草地根系淺,土壤養(yǎng)分消耗較低,且地面枯草層較厚;紫穗槐林地和檸條林地土壤肥力處于低級水平,可能是由于紫穗槐和檸條根系發(fā)達,土壤養(yǎng)分消耗較快,且灌木林地覆蓋度低,陽光直射使得地表土壤溫度較高,水分散失和呼吸過程加劇,進而導致土壤養(yǎng)分缺乏[19]. 土壤肥力是保持林地生產(chǎn)力的基礎,科學準確地判斷土壤肥力是指導生態(tài)恢復的重要環(huán)節(jié)之一[28].目前,已有多種數(shù)學模型應用于土壤肥力的評價,但同一研究對象采用不同評價方法可能得到不同結(jié)果[29].本研究采用的評價方法單一,所得結(jié)果有待于通過多種評價方法進行優(yōu)化.2.2 不同植被類型土壤養(yǎng)分垂直變化特征
2.3 不同植被類型土壤肥力綜合評價
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