不同封育管理對沙質(zhì)草地土壤與植被特征的影響

王蕙，王輝，黃蓉，馬維偉

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

＊圍欄封育是當(dāng)前退化草地主要的植被恢復(fù)和重建措施之一［1－3］。它是人類有意識(shí)調(diào)節(jié)草地生態(tài)系統(tǒng)中草食動(dòng)物與植物的關(guān)系以及管理草地的手段［4］，也是治理和控制土地沙漠化的一項(xiàng)行之有效的措施［5－7］。圍封能使植物群落組成和主要群落類型發(fā)生明顯變化，從而提高植物群落的生物量和生產(chǎn)力、增加生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性和促進(jìn)沙質(zhì)草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)［8－11］；也能夠顯著改善沙質(zhì)草地土壤理化性質(zhì)，并對土壤種子庫的物種組成產(chǎn)生重要影響［12，13］。近年來，退化草地自然恢復(fù)過程中的土壤理化特性動(dòng)態(tài)變化、植被分布與土壤特性的關(guān)系，以及不同退化程度草地的恢復(fù)模式研究受到了土壤、環(huán)境、全球變化等研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注［14－18］。但由于封育沙質(zhì)草地分布的廣泛性和復(fù)雜性，關(guān)于封育管理措施和土壤理化特性及植被特征之間的關(guān)系尚無統(tǒng)一的定論。但從近期的文獻(xiàn)［19－22］可以得出：草原生態(tài)系統(tǒng)中植被與土壤之間構(gòu)成一個(gè)相互作用、相互影響、相互制約協(xié)調(diào)發(fā)展的統(tǒng)一系統(tǒng)，草地開墾引發(fā)了強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用，使富含營養(yǎng)的細(xì)微顆粒被吹蝕，導(dǎo)致有機(jī)碳和氮磷養(yǎng)分的損失，采取圍封措施后，植被的恢復(fù)對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生明顯的截存和保護(hù)效應(yīng)；然而圍封后植被的建立改變了原來沙質(zhì)草地的水循環(huán)，大范圍沙地造林甚至?xí)?dǎo)致已有相鄰的濕地萎縮或草地退化，因此固沙植被根系分布受到土壤干旱脅迫的影響而趨于淺層化。

沙質(zhì)草地是中國北方干旱半干旱地區(qū)重要的土地資源，超過1.34×108hm2的沙質(zhì)草地分布在北方的廣大地區(qū)［23］，其嚴(yán)重的退化／沙漠化已成為中國北方主要的生態(tài)環(huán)境問題［4，10，19－21］。目前，對退化沙質(zhì)草地實(shí)行圍欄封育是區(qū)域生態(tài)重建的一項(xiàng)重要舉措。位于中國西北干旱地區(qū)的甘肅景泰綠洲邊緣沙質(zhì)草地屬于我國蒙新高原草原區(qū)的一部分，這里生態(tài)環(huán)境極其脆弱，對人為干擾及氣候變化的反應(yīng)敏感而維持自身穩(wěn)定的可塑性極小，是長期實(shí)施封育管理的一個(gè)典型區(qū)域，且該地區(qū)沙質(zhì)草地在不同封育管理措施下土壤理化特性及植被特征的變化尚缺乏系統(tǒng)的研究報(bào)道。本試驗(yàn)研究了甘肅景泰綠洲邊緣沙質(zhì)草地在不同封育管理?xiàng)l件下土壤物理、化學(xué)特性和植被特征，旨在探討不同封育管理對沙質(zhì)草地土壤—植被系統(tǒng)的長期影響，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)在退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程中的作用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省中部的景泰縣北部沙漠邊緣地區(qū)。景泰縣地處河西走廊東端，甘、蒙、寧三省（區(qū)）交界處，地理位置為103°33′～104°43′E，36°43′～37°38′N，為古絲綢之路重鎮(zhèn)，全縣總土地面積5 432 km2，境內(nèi)地勢西南高東北低，地形地貌大致分為中低山地、洪積沖積傾斜平原、石質(zhì)剝蝕丘陵和風(fēng)沙地貌4種類型。土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土。地處季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)過渡地帶，縣境內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的大陸性氣候特征，年平均氣溫8.2℃，極端最高氣溫36.6℃，極端最低氣溫－27.3℃，日照時(shí)數(shù)2 726 h，無霜期192 d，年均降水量185 mm，且主要集中在7－9月，年均蒸發(fā)量3 038 mm，為降水的16倍多，年平均相對濕度49%，年均風(fēng)速2.5 m／s，年8級以上大風(fēng)28 d，最大風(fēng)速21 m／s，主要災(zāi)害性天氣有干旱、風(fēng)沙、干熱風(fēng)、霜凍、冰雹等。境內(nèi)自然植被簡單，常見植物種有小葉錦雞兒（Caraganamicrophylla）、貓兒刺（Ilexpernyi）、白刺（Nitrariasibirica）、沙蒿（Artemisiadesertorum）、沙冰草（Agropyrondesertorum）等，呈零星狀分布。為促進(jìn)沙區(qū)植被恢復(fù)，防治風(fēng)沙危害，自20世紀(jì)90年代起，該縣開始對北部流動(dòng)沙地實(shí)施封育措施，主要采用天然植被圍欄封育法、人工種植＋圍欄封育法。其中天然植被圍欄封育措施是在流動(dòng)沙丘區(qū)采用鐵絲網(wǎng)圍欄，完全排除家畜的采食以及人為干擾，以促進(jìn)沙區(qū)自然植被的恢復(fù)；人工種植＋圍欄封育措施則是在流動(dòng)沙丘區(qū)先鋪設(shè)1 m×1 m的麥草方格沙障，待沙面初步穩(wěn)定后，再定植旱生灌木檸條（Caraganakorshinskii）、梭梭（Haloxylonammodendron）、花棒（Hedysarumscoparium）等［24］，并進(jìn)行圍欄封育，以保護(hù)和促進(jìn)人工灌木林的存活和生長繁育。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 研究樣地選擇在甘肅省治沙研究所景泰試驗(yàn)站附近的沙質(zhì)草地圍欄封育區(qū)。2011年7－8月，根據(jù)資料記載與調(diào)查訪問，選取不同封育管理措施的典型沙質(zhì)草地為研究對象，同時(shí)選取流動(dòng)沙地為對照，各典型樣地又按照空間位置分為上坡（US）、中坡（MS）、下坡（FS）3個(gè)坡位，共12個(gè)樣地（表1）。

1.2.2 土樣采集與植被調(diào)查方法 每種樣地設(shè)置3個(gè)5 m×5 m樣方，每個(gè)樣方設(shè)置取樣點(diǎn)10個(gè)，去除枯落物層后每個(gè)點(diǎn)用土鉆取0～20 cm深土柱（直徑7.5 m）5個(gè)，混合后裝入土壤袋內(nèi)。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，經(jīng)自然風(fēng)干并過2 mm篩，一部分供土壤機(jī)械組成分析，一部分進(jìn)一步磨細(xì)用于土壤化學(xué)性質(zhì)的分析。另外用環(huán)刀（100 cm3）按同樣層次取樣用于土壤容重、孔隙度和持水性能的測定（15次重復(fù)）。緊實(shí)度用土壤緊實(shí)度儀（國產(chǎn)TJSD－750數(shù)顯式土壤緊實(shí)度儀）測定（30次重復(fù)）。

每個(gè)樣方內(nèi)梅花狀設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的小樣方調(diào)查植被特征，包括：1）灌木種的株數(shù)、高度和冠幅；2）草本植物的蓋度和高度；3）地上現(xiàn)存生物量在65℃烘干，稱重。同時(shí)記錄樣方所在地海拔、坡度、坡向等。灌木蓋度＝東西冠幅×南北冠幅／樣方面積；密度＝植物的總株數(shù)／樣方面積。

1.2.3 樣品分析方法 土壤理化性質(zhì)的測定均采用常規(guī)分析方法［25－28］。粒度用濕篩加比重計(jì)法；有機(jī)碳用重鉻酸鉀氧化－外加熱法；全氮用半微量凱氏法；速效氮用堿解擴(kuò)散法；全磷用高氯酸、硫酸消化－鉬銻抗比色法；速效磷用碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法；全鉀用碳酸鈉熔融－火焰光度法；速效鉀用乙酸氨浸提－火焰光度法；p H值和電導(dǎo)率用1∶5土水比浸提液。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用Excel、SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，采用單因素方差分析和Duncan多重比較對不同樣地間植被特征值、土壤特征值進(jìn)行比較分析，用Pearson相關(guān)分析描述土壤理化性質(zhì)及植被特征之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同封育管理對植被特征的影響

采取封育恢復(fù)措施后，沙質(zhì)草地植被高度、密度、冠幅、蓋度、生物量都呈增加趨勢（表2）。封育19年沙質(zhì)草地（人工撫育19年）上、中、下坡的植被高度與流沙上、中、下坡比較分別增加341.4%，265.6%，228.6%，蓋度分別增加233.6%，270.7%，252.4%，生物量分別增加145.6%，175.2%，186.8%。多重比較結(jié)果顯示，植被高度、密度、冠幅、蓋度、生物量在不同封育管理沙質(zhì)草地之間具有顯著差異（P＜0.05）。不同坡位比較結(jié)果顯示，封育沙地植被特征受坡位影響比流動(dòng)沙地顯著（P＜0.05）。封育19年沙質(zhì)草地中，人工撫育19年樣地的植被特征各指標(biāo)均高于人工撫育5年的，原因是封育減少了牲畜對植被的啃食與踐踏，人工撫育措施又加速改善了沙質(zhì)草地簡單的群落結(jié)構(gòu)，給沙質(zhì)草地恢復(fù)提供了保障。

表1 研究樣地描述Table 1 Description of the experiment sites

2.2 不同封育管理對土壤物理性質(zhì)的影響

隨著沙質(zhì)草地封育年限的增加，土壤中砂粒含量明顯減少，粘粒含量明顯增加，土壤容重趨于降低，土壤總孔隙度和最大含水量都顯著增加（表3）。和流沙相比，封育19年沙質(zhì)草地（人工撫育19年）0～20 cm土層0.05～2 mm砂粒含量在上、中、下坡分別減少21.2%，3.7%，29.5%，平均減少14.2%；＜0.005 mm粘粒含量分別增加144.6%，62.0%，316.8%，平均含量增至11.68%；容重分別降至1.66，1.63，1.57 g／cm3，平均值為1.62 g／cm3；土壤總孔隙度分別增加10.4%，14.6%，16.9%，平均值為38.78%；最大含水量分別增加32.7%，9.0%，80.6%，平均值為25.37%。多重比較結(jié)果顯示，砂粒、粉粒、粘粒含量、土壤容重、總孔隙度、最大含水量和緊實(shí)度在不同封育管理沙質(zhì)草地之間具有顯著差異（P＜0.05）。不同坡位比較結(jié)果顯示，封育沙地土壤物理性質(zhì)受坡位影響比流動(dòng)沙地顯著（P＜0.05）。沙質(zhì)草地實(shí)施封育管理后，植被覆蓋隨恢復(fù)時(shí)間的增加使風(fēng)蝕作用降低，并對土壤及其周圍環(huán)境產(chǎn)生明顯的保護(hù)作用；同時(shí)也截獲了大量的風(fēng)蝕細(xì)微顆粒和降塵，這些細(xì)粒物質(zhì)進(jìn)入表層土壤后，使0～20 cm土層＜0.005 mm的粘粒含量顯著增加。

土壤容重是表征土壤質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。盡管由于均一的沙質(zhì)結(jié)構(gòu)，但封育19年沙質(zhì)草地（人工撫育19年）0～20 cm層土壤容重較其他3種樣地顯著降低，平均值為1.62 g／cm3。說明實(shí)施天然＋人工封育措施后，由于放牧家畜踐踏的禁止，土壤結(jié)持能力和抗風(fēng)蝕能力的增加，沙化程度的降低，以及地下生物量的增加都是導(dǎo)致容重降低的主要原因。另外，容重的變化會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致土壤水分入滲和保持、孔隙分布等其他影響植物生長的土壤性狀的改變。

表2 不同封育管理沙質(zhì)草地植被特征Table 2 Vegetation characteristics of the sandy grassland of different exclosure management

表3 不同封育管理沙質(zhì)草地土壤物理性質(zhì)的變化Table 3 Changes of soil physical properties on the sandy grassland of different exclosure management

2.3 不同封育管理對土壤養(yǎng)分狀況的影響

沙質(zhì)草地封育后，氮磷鉀全量和速效養(yǎng)分含量的變化與土壤有機(jī)碳（SOC）的變化有基本一致的趨勢（P＜0.05）（表4）。隨著封育時(shí)間的增長和人工撫育的實(shí)施，從流沙到封育19年沙質(zhì)草地（人工撫育19年）SOC和養(yǎng)分含量明顯增加，SOC增加380.0%，全N、全P和全K分別增加238.9%，75.0%和59.6%，速效N、P、K分別增加171.7%，229.5%，60.6%，說明沙質(zhì)草地的天然封育和人工撫育過程也就是SOC和養(yǎng)分的累積及增長過程。多重比較結(jié)果顯示，SOC、氮磷鉀全量、速效N、P、K在不同封育管理沙質(zhì)草地之間具有顯著差異（P＜0.05）。不同坡位比較結(jié)果顯示，封育沙地土壤養(yǎng)分特征受坡位影響比流動(dòng)沙地顯著（P＜0.05）。封育沙質(zhì)草地SOC、氮磷鉀全量和速效養(yǎng)分含量沿上坡到下坡呈增加趨勢，而流動(dòng)沙地中沒有表現(xiàn)出相同的趨勢。土壤p H廣泛影響著土壤的其他性質(zhì)，但其變化較為緩慢，其變動(dòng)范圍在8.9～9.1，且電導(dǎo)率EC＜0.1 MS／cm，結(jié)果顯示各封育沙質(zhì)草地的p H和EC均無顯著差異（P＞0.05）。

表4 不同封育管理沙質(zhì)草地土壤化學(xué)性質(zhì)的變化Table 4 Changes of soil chemical properties on the sandy grassland of different exclosure management

不但封育年限影響土壤理化性狀的改善（表3，4），而且人工撫育措施也對土壤理化性狀提高有較大影響，其變化趨勢為：人工撫育19年＞人工撫育5年＞自然恢復(fù)。說明封育沙質(zhì)草地后，人工撫育促使植物向高層空間和深層土壤擴(kuò)充與分布，植被得以很快恢復(fù)，植被的覆蓋作用降低了表層土壤發(fā)生風(fēng)蝕的幾率，也使大量的風(fēng)蝕細(xì)微顆粒和降塵被截存，同時(shí)大量枯落物留存于地表，這些都是SOC、氮磷鉀全量和速效養(yǎng)分含量增加的主要原因，而植被對降塵和風(fēng)蝕細(xì)粒物質(zhì)的截存也有利于土壤物理性質(zhì)的改善。

2.4 相關(guān)分析

相關(guān)分析結(jié)果表明，封育沙質(zhì)草地SOC和全N含量的升高與土壤粘粉粒含量的增加呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而與砂粒含量的減少呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）（表5），回歸分析進(jìn)一步表明它們之間緊密的聯(lián)系（表6）。SOC與全N、全K之間呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），說明在養(yǎng)分貧瘠的沙質(zhì)土壤環(huán)境中，SOC對保持土壤養(yǎng)分有著極其重要的作用，特別是采取天然＋人工封育措施后，土壤養(yǎng)分處在擴(kuò)大的循環(huán)中。以上結(jié)果從另一方面支持了蘇永中等［12］、Lal［29］和Lowery等［30］的觀點(diǎn)。同時(shí)，SOC、全N、全K與植被高度、冠幅、生物量等特征呈極顯著（P＜0.01）和顯著（P＜0.05）正相關(guān)；容重、砂粒含量與植被高度、冠幅、生物量等特征間呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。研究人員對內(nèi)蒙古干旱半干旱典型草原植被與土壤特征的研究表明［20］，重度退化草地采用生長季圍封恢復(fù)措施后群落地上現(xiàn)存量、蓋度、密度、根系生物量、地表凋落物現(xiàn)存量及土壤養(yǎng)分含量顯著增加，土壤容重、緊實(shí)度及＞0.25 mm的粗顆粒含量顯著降低，群落結(jié)構(gòu)優(yōu)化，土壤環(huán)境改善。本研究也證明沙質(zhì)草地采取天然＋人工封育措施后，植被的恢復(fù)促使土壤養(yǎng)分含量增加和土壤質(zhì)量提高，這些反過來又為植被生長提供營養(yǎng)物質(zhì)，植被與土壤間逐漸形成一個(gè)相互作用的良性循環(huán)系統(tǒng)，退化草地正向演替。

表5 土壤理化性質(zhì)與植被特征間的Pearson相關(guān)分析Table 5 Pearson correlation coefficients between soil physicochemical properties and plant characteristics

表6 土壤有機(jī)碳（SOC）、全N（TN）與土壤粘粉粒（＜0.05 mm）含量（X）的擬合方程Table 6 Regression equations between soil organic carbon，total N and silt＋clay（＜0.05 mm）content（X）

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，對沙質(zhì)草地采取天然封育和人工撫育措施后，植被得以恢復(fù)，其高度、密度、冠幅、蓋度、生物量都呈增加趨勢。一方面植被的覆蓋作用和大量枯落物的歸還使土壤抗風(fēng)蝕能力增強(qiáng)，另一方面植被可以截獲細(xì)粒物質(zhì)和降塵，表層土壤粒級分布發(fā)生了明顯變化。流動(dòng)沙質(zhì)草地經(jīng)過19年天然封育和人工撫育后，0～20 cm土層0.05～2 mm的砂粒含量平均減少14.2%；＜0.005 mm的粘粒平均含量增至11.68%，土壤容重平均值降至1.62 g／cm3，土壤總孔隙度平均值增至38.78%。沙質(zhì)草地的封育也使SOC和氮磷鉀養(yǎng)分大量回歸，0～20 cm土層SOC、全N、全P和全K分別增加380.0%，238.9%，75.0%和59.6%，向高質(zhì)量土壤性狀演變。封育沙質(zhì)草地不僅可以有效地恢復(fù)植被，而且也能改善土壤養(yǎng)分和減少土壤侵蝕，這也印證了天然封育＋人工撫育是環(huán)境脆弱的沙質(zhì)草地改善土壤質(zhì)量和降低土壤風(fēng)蝕的主要措施，其影響和改善程度高于純天然封育措施。SOC的增加使土地生產(chǎn)力增強(qiáng)，也使荒漠系統(tǒng)具有了較穩(wěn)定的物質(zhì)基礎(chǔ)。若繼續(xù)采取這種天然＋人工的封育措施，隨著時(shí)間的推移，沙漠化的逆轉(zhuǎn)是必然的趨勢［31］。

研究結(jié)果也表明，封育沙地植被特征和土壤理化性質(zhì)受坡位影響具有顯著差異，而流動(dòng)沙地各特征值受坡位影響不顯著（P＜0.05）；封育沙質(zhì)草地SOC、氮磷鉀全量和速效養(yǎng)分含量沿上坡到下坡呈增加趨勢，而流動(dòng)沙地中沒有表現(xiàn)出相同的趨勢。根據(jù)Wolde等［32］的研究，在5和10年的封育區(qū)中土壤有機(jī)質(zhì)、全N和全P均在下坡達(dá)到最大值。風(fēng)蝕沉積過程中，因?yàn)樯掀卤戎衅潞拖缕赂U(xiǎn)峻、更容易受到風(fēng)蝕的侵?jǐn)_，而中坡和下坡是接受上坡風(fēng)蝕土壤沉積的主要部位，因而土壤養(yǎng)分較上坡高。

對沙質(zhì)草地進(jìn)行封育管理是引起植被恢復(fù)和土壤理化性質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)的主要原因，且草地植被與土壤基質(zhì)之間的相互關(guān)系非常密切，退化草地在恢復(fù)過程中植被與土壤之間形成一個(gè)相互作用、相互影響的統(tǒng)一系統(tǒng)［33－37］。研究結(jié)果也表明，SOC、全N、全K與植被高度、冠幅、生物量等特征呈極顯著（P＜0.01）和顯著（P＜0.05）正相關(guān)；容重、砂粒含量與植被高度、冠幅、生物量等特征間呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；植被的恢復(fù)促使土壤養(yǎng)分含量增加和土壤質(zhì)量提高，這些反過來又為植被生長提供營養(yǎng)物質(zhì)，植被與土壤間逐漸形成一個(gè)相互作用的良性循環(huán)系統(tǒng)。有鑒于此，在研究區(qū)應(yīng)堅(jiān)決實(shí)施天然封育＋人工撫育的沙質(zhì)草地恢復(fù)方式，對未禁牧而不適于發(fā)展牧業(yè)的沙質(zhì)草地應(yīng)盡快進(jìn)行封育管理。

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