梭梭固沙林演替過程中土壤粒徑與碳氮含量的變化規(guī)律

徐高興，付貴全，張 雯，邱曉娜

(甘肅省治沙研究所，甘肅蘭州 730070)

選取本土優(yōu)良固沙植被去恢復和建立植被是防治荒漠化最有效的首選措施，也是植物治沙的物質條件和理論基礎。梭梭是我國西北地區(qū)優(yōu)良的治沙造林樹種，對干旱、高溫、嚴寒、風蝕和沙埋等脅迫具有很強的適應性，易于繁殖，生長迅速，根系發(fā)達[1]；可作飼料，木材可作燃料，被稱為“沙漠活煤”，是中藥材肉蓯蓉的主要寄主。土壤碳氮在改善土壤質量、生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)等方面起著重要作用。土壤圈作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大碳庫，在影響大氣CO2濃度和全球C平衡方面起重要作用，一直是國內外研究熱點[2-9]。近年來，基于地統(tǒng)計學方法對土壤全氮(TN)空間異質性及其影響因子進行了大量報道[9-14]。干旱區(qū)土壤有機碳(SOC)和TN成為近年來的研究熱點[15-19]，相關學者通過對不同植被類型、植被恢復下不同階段土壤SOC和TN及其影響因子進行研究，揭示了我國在沙區(qū)廣泛開展荒漠化治理對全球大氣CO2匯的貢獻。

甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站地處騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠之間，該站具有不同年代的人工梭梭林固定樣地，是開展長時間序列梭梭林研究的理想場所。筆者通過野外調查分析不同固沙年限梭梭林土壤特征，旨在闡明梭梭固沙林演替過程中土壤粒徑與碳氮含量的變化規(guī)律，為評估荒漠化地區(qū)對全球碳平衡的影響和梭梭林的生態(tài)效益提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)位于石羊河下游的甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，屬溫帶大陸性荒漠氣候，降水稀少(約113 mm)，蒸發(fā)強烈(約2 644 mm)，地下水位深(約23 m)，土壤類型為風沙土。研究區(qū)固沙植被以梭梭(Haloxylonammodendron)為主，分布有少量檸條(Caraganakorshins)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)和沙拐棗(Calligonummongolicum)等固沙灌木。

1.2 研究方法在0、15、35、55年梭梭林固定樣地內隨機布設5個樣方(20 m×20 m)，在每個樣方內用梅花形法取土樣(0～5和5～10 cm)。為便于描述，下文0、15、35、55年梭梭林固定樣地分別簡稱為S0、S15、S35和S55。土壤粒徑組成用馬爾文激光粒度儀(Malvern 2000)測定，黏粒0.01～2.00 μm，粉粒>2.00～20.00 μm，細沙粒>20.00～200.00 μm，粗沙粒>200.00～2 000.00 μm；土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)含量分別用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法和凱氏定氮法測定。采用SPSS進行方差分析，采用Sigmaplot進行方程擬合和作圖。

2 結果與分析

2.1 梭梭林地土壤機械組成變化規(guī)律由圖1和圖2可知，隨人工梭梭林固沙年限增加，林地0～10 cm層土壤顆粒發(fā)生了明顯的變化且土壤黏粒、粉粒、細沙粒、粗沙粒含量與固沙年限可用線性方程進行描述。在時間序列上，隨固沙年限增加，林地0～5和5～10 cm土層中黏粒、粉粒和細沙粒含量呈增加趨勢，粗沙粒含量呈下降趨勢。在0～5 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的黏粒平均含量分別增加214.29%、414.29%和2 000.00%，粉粒平均含量分別增加54.35%、89.49%和577.17%，細沙粒平均含量分別增加1.82%、83.45%和131.45%，粗沙粒平均含量分別減少2.34%、43.20%和91.75%。在5～10 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的黏粒、粉粒和細沙粒平均含量整體增加的幅度比0～5 cm土層小很多，粗沙粒平均含量減小的幅度也不大。在垂直剖面上，隨土層深度加深，黏粒和粉粒平均含量逐漸降低，細沙粒和粗沙粒平均含量逐漸升高，同比升高的幅度與黏粒和粉粒降低的幅度大致趨勢一致。

圖1 不同固沙年限0～5 cm土壤粒徑變化規(guī)律

圖2 不同固沙年限5～10 cm土壤粒徑變化規(guī)律

方差分析表明，在0～5 cm土層，S55的黏粒和粉粒平均含量與S0、S15和S35相比差異顯著；S35和S55的細沙粒平均含量與S0和S15相比差異顯著，S35和S55的細沙粒平均含量相比差異顯著；S0和S15的粗沙粒平均含量與S35、S55相比差異顯著，S35和S55的粗沙粒平均含量相比差異顯著。在5～10 cm土層，S55的黏粒、粉粒、細沙粒和粗沙粒平均含量與S0、S15和S35相比差異顯著。

2.2 梭梭林地土壤有機碳和全氮的變化規(guī)律從圖3和圖4可以看出，隨人工梭梭林固沙年限增加，林地0～10 cm層土壤SOC含量發(fā)生了明顯的變化且與固沙年限可用線性方程進行描述。在時間序列上，隨固沙年限增加，林地0～5和5～10 cm土層中SOC含量呈增加趨勢。在0～5 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的SOC含量分別增加71.43%、228.57%和542.86%，且兩兩相比差異顯著。在5～10 cm土層，S0、S15的SOC含量與S35、S55相比差異顯著。通過線性擬合方程可知，0～5 cm土層的SOC含量隨固沙年限增加的速率比5～10 cm 土層的SOC含量快。

由圖3和圖4可知，隨人工梭梭林固沙年限增加，林地0～10 cm層土壤TN含量發(fā)生了明顯的變化且與固沙年限可用線性方程進行描述。在時間序列上，隨固沙年限增加，林地0～5、5～10 cm土層中TN含量呈增加趨勢。在0～5 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的TN含量分別增加128.57%、133.33%和166.67%；在5～10 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的TN含量分別增加150.00%、271.43%和314.29%。通過線性擬合方程可知，0～5 cm土層的TN含量隨固沙年限增加的速率比5～10 cm土層的SOC含量快。由圖5可知，土壤SOC含量與TN含量符合線性函數(y=0.007 3+0.051 7x，R2=0.715 0)。

圖3 不同固沙年限0～5 cm土壤碳氮含量變化規(guī)律

圖4 不同固沙年限5～10 cm土壤碳氮含量變化規(guī)律

圖5 土壤有機碳和全氮的數量關系

2.3 梭梭林地土壤有機碳和全氮的變化規(guī)律由圖6可知，土壤SOC含量與土壤黏粒、粉粒、細沙粒含量呈線性正相關，與土壤粗沙粒含量呈線性負相關。這說明隨土壤粒徑變小，土壤SOC含量呈增加趨勢，也就是說隨人工梭梭林固沙年限增加，土壤顆粒逐漸變細，同時固定更多的碳。

圖6 土壤有機碳和土壤粒徑的數量關系

由圖7可知，土壤TN含量與土壤黏粒、粉粒、細沙粒含量呈線性正相關，與土壤粗沙粒含量呈線性負相關，但是與土壤SOC含量相比，擬合效果較差。這進一步證明隨土壤粒徑變細，土壤TN含量增加。

圖7 土壤全氮和土壤粒徑的數量關系

3 結論與討論

梭梭在長期的進化中可以很好地適應干旱、風蝕和沙埋，其地上部分可以阻止氣流對地面直接作用，降低近地層風速，庇護表層沙粒和捕獲顆粒物質，加速土壤形成過程；其地下根系發(fā)達，固持土壤能力強，使土壤抗侵蝕能力提升，從而提高沙粒臨界風速值，增強梭梭林對土壤的保護。梭梭林地土壤粒徑隨固沙年限的增加逐漸變細，這主要是由于梭梭地上部分不但可以攔截沙塵暴帶來的沙物質，而且還能捕獲大氣降塵。伴隨著沙漠地區(qū)短歷時的強降雨，梭梭會產生樹干徑流，從而將地上部分所攔截的沙物質和大氣降塵沖刷至土壤表面，這些沙物質和大氣降塵包含有較高的碳氮元素，從而使得土壤的SOC和TN含量增加。梭梭林地在降低風速的同時，捕獲了較多的沙漠植物種子，從而使得梭梭林地成為一個良好的庇護場所，隨固沙年限的增加，梭梭林地逐漸出現了土壤物理結皮、生物結皮以及草本植物，這一方面反映了生境條件的改善，另一方面也為土壤SOC和TN提供了更多的物質來源，使得土壤SOC和TN含量逐年增加。由于植物枯落物等多發(fā)生于地表，隨土層深度的加深，土壤SOC和TN含量以及土壤中黏粒、粉粒呈降低的趨勢。大量研究結果表明，土壤SOC 含量與土壤黏粒呈正相關[17，20-21]，該試驗的研究也證實了這一點。同時，該研究的結果與賈曉紅等[17]的研究結果一致，即土壤SOC、TN含量與土壤黏粒、粉粒、細沙粒含量呈線性正相關，但與土壤粗沙粒含量呈線性負相關。綜上可知，在干旱沙區(qū)開展植被生態(tài)建設有利于流動沙丘的成土過程和碳氮的固定，但需要加強管理過度干擾對表層土壤的破壞。