鹽池縣不同沙化草地土壤特性

李 俠，李 潮，蔣進(jìn)平，許冬梅

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021)

沙漠化是當(dāng)今世界面臨的主要環(huán)境問題之一，對生態(tài)安全、人類生存、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步都構(gòu)成了巨大的威脅，我國是受沙漠化影響嚴(yán)重的國家之一[1]。沙漠化主要發(fā)生在干旱半干旱地區(qū)，由于風(fēng)蝕作用加以人類不合理的經(jīng)濟(jì)活動造成土地退化[2]，表現(xiàn)為原有生態(tài)系統(tǒng)被破壞后植被衰退或消失使地表裸露，風(fēng)蝕作用使土壤沙化的過程[3]。

沙漠化的主要表現(xiàn)形式之一是草地退化，而沙漠化的一個重要指征就是土壤特性的變化[4-5]。隨沙漠化程度的加重，土壤理化性質(zhì)、生物學(xué)特性都發(fā)生一系列的變化，綜合影響地上植被生長、發(fā)育和分布。研究表明，隨草地沙化的加劇，土壤水分、養(yǎng)分含量降低，土壤生物酶活性均相應(yīng)的下降[6-12]，進(jìn)而造成地上植被生物量的減少和結(jié)構(gòu)的簡單化、家畜可食牧草的減少和有毒有害草類的增加。因此，土壤理化性質(zhì)及生物學(xué)特性是表征草地沙化的重要指標(biāo)。此外，土壤養(yǎng)分狀況還可以作為度量生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)與維持的關(guān)鍵指標(biāo)，這主要是因?yàn)橥寥绤⑴c了營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、凋落物分解、水分平衡調(diào)節(jié)等生態(tài)系統(tǒng)中的許多生態(tài)過程[13]。

鹽池縣天然草原面積5 190.71 km2，占全縣土地面積的60%，其中可利用草原面積4 440.7 km2，占全縣土地面積的55%[14]。近年來，由于脆弱的地理環(huán)境，加之干旱多風(fēng)的氣候?yàn)轱L(fēng)蝕荒漠化提供了有利條件，而濫墾濫挖、過度放牧等不合理的利用使草地沙化更為嚴(yán)重[15]。草地沙化已經(jīng)嚴(yán)重影響著人們的生活品質(zhì)且制約著經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本研究通過對鹽池縣境內(nèi)不同沙化程度草地土壤特性的分析，探討草地沙化過程中土壤理化性質(zhì)和酶活性的變化，以期為動態(tài)變化的草地的安全評價與監(jiān)測預(yù)警提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)自然概況 鹽池縣地處寧夏回族自治區(qū)東部，位于37°04′～38°10′ N，106°30′～107°47′ E，面積8 661.3 km2。地勢南高北低，海拔1 295～1 951 m，南部與黃土高原相臨，北部與毛烏素沙地相連，是黃土高原向鄂爾多斯臺地的過渡地帶。氣候?yàn)閺陌敫珊祬^(qū)向干旱區(qū)的過渡，土地利用類型是從農(nóng)區(qū)向牧區(qū)的過渡。降水是限制該縣土地生產(chǎn)力的主要因素之一，年降水量250～350 mm，主要集中在7、8、9月(約占全年降水的60%)。年平均氣溫8.1 ℃。年均風(fēng)速北部2.8 m·s-1，南部4.1 m·s-1，大風(fēng)(風(fēng)速大于17 m·s-1)天氣較多，且多發(fā)生在春季。鹽池縣地帶性土壤為黃綿土、灰鈣土及淡灰鈣土。黃綿土易遭受水蝕，主要分布在黃土丘陵區(qū)；灰鈣土含沙量大，易遭受風(fēng)蝕，主要分布在鄂爾多斯緩坡丘陵區(qū)。非地帶性土壤主要有風(fēng)沙土、鹽堿土和草甸土等。該縣境內(nèi)土壤質(zhì)地多為壤土、沙壤土和沙土，結(jié)構(gòu)松散，肥力較低[16-18]。植被以荒漠草原為主，主要植物種類有黑沙蒿(Artemisiaordosica)、豬毛蒿(A.scoparia)、長芒草(Stipabungeana)、短花針茅(S.breviliora)、賴草(Leymussecalinus)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)和貓頭刺(Oxytropisaciphylla)等。

1.2材料與方法

1.2.1樣地選擇與土壤樣品采集 以鹽池縣5條主要流沙帶為研究對象，在每條流沙帶及其毗鄰區(qū)域，根據(jù)地表裸露沙丘面積和植被狀況將各流沙帶劃分為潛在、輕度、中度、嚴(yán)重和極嚴(yán)重5種不同沙化程度草地。對每種沙化程度草地，分別設(shè)置60 m×60 m的樣地。在每個樣地，對草本植物群落分別布設(shè)1 m×1 m的樣方，對灌木植物群落分別布設(shè)10 m×10 m的樣方，重復(fù)3次。

采用多點(diǎn)混合法采集土壤樣品，在每個1 m×1 m的樣方內(nèi)，利用直徑為5 cm的土鉆，按照三角形采集3個0-20 cm土壤樣品，混合均勻后裝袋保鮮帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)風(fēng)干后挑去土壤中的石塊、根莖及侵入體，磨細(xì)，分別過2、1和0.15 mm篩，用于土壤性狀的測定。

1.2.2土壤理化性質(zhì)的測定 土壤水分測定采用烘干法[19]；土壤有機(jī)碳測定采用重鉻酸鉀法；土壤全氮測定采用凱氏定氮法，土壤堿解氮含量測定采用堿解擴(kuò)散法；土壤全鉀含量測定采用NaOH熔融-火焰光度計(jì)法；土壤速效鉀含量測定采用NH4OAc浸提-火焰光度計(jì)法；土壤全磷含量測定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；土壤速效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法[20-21]。

1.2.3土壤酶活性的測定 蔗糖酶活性采用硫代硫酸鈉滴定法(以對照與實(shí)驗(yàn)試劑滴定消耗的0.1 mol·L-1Na2S2O3毫升數(shù)之差表示)[22]。過氧化氫酶活性采用KMnO4(0.1 mol·L-1)滴定法，以單位土質(zhì)量消耗的KMnO4體積數(shù)(對照與試驗(yàn)測定差值，mL)表示[23]。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)通過Excel整理后采用DPS v7.05進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析。

2 結(jié)果

2.1不同沙化程度草地土壤水分的變化 不同沙化程度草地土壤含水量總體較低，最高的潛在沙化草地平均土壤含水量為3.12%，隨沙化程度加重，土壤水分含量逐漸下降，可以看出草地在沙化初始階段土壤水分含量下降幅度較大，輕度沙化草地土壤水分含量較潛在沙化草地下降了1.16個百分點(diǎn)，至極嚴(yán)重沙化草地土壤含水量下降至1.59%(P<0.05)，但是，自潛在沙化草地至嚴(yán)重沙化草地，各沙化程度草地之間土壤含水量差異不顯著，自輕度沙化草地至極嚴(yán)重沙化草地，各沙化類型草地之間土壤含水量差異不顯著(P>0.05)(圖1)。

圖1 不同沙化程度草地土壤水分的變化Fig.1 Soil moisture of different types of desertification grassland

2.2不同沙化程度草地土壤養(yǎng)分含量的變化 不同沙化程度草地各土壤養(yǎng)分含量總體隨沙化程度的加重而降低(表1)。其中有機(jī)碳含量為潛在沙化草地>中度沙化草地>極嚴(yán)重沙化草地>輕度沙化草地>嚴(yán)重沙化草地。全氮、堿解氮、全磷、速效磷、速效鉀含量均自潛在沙化草地至極嚴(yán)重沙化草地逐漸降低。對于土壤全氮和堿解氮含量，潛在沙化草地顯著高于其它沙化程度草地，極嚴(yán)重沙化草地顯著低于除嚴(yán)重退化草地外的其它沙化程度草地(P<0.05),而輕度沙化草地、中度沙化草地、嚴(yán)重沙化草地之間差異不顯著(P>0.05)。土壤全磷含量在0.24～0.40 g·kg-1，潛在沙化草地、輕度沙化草地與中度沙化草地之間差異不顯著(P>0.05)，輕度沙化草地、中度沙化草地與嚴(yán)重沙化草地之間差異不顯著(P>0.05)，嚴(yán)重沙化草地與極嚴(yán)重沙化草地之間差異不顯著(P>0.05)。速效磷含量表現(xiàn)為潛在沙化草地與輕度沙化草地之間差異不顯著(P>0.05)，中度沙化草地、嚴(yán)重沙化草地和極嚴(yán)重沙化草地之間差異不顯著(P>0.05)。速效鉀含量在76.04～200.96 mg·kg-1，自潛在沙化草地至中度沙化草地，各草地之間差異不顯著(P>0.05)，中度沙化草地與嚴(yán)重沙化草地之間、嚴(yán)重沙化草地與極嚴(yán)重沙化草地之間差異不顯著(P>0.05)。

表1 不同沙化程度草地土壤養(yǎng)分含量Table 1 Soil nutrient contents of different desertification grasslands

2.3不同沙化程度草地土壤蔗糖酶和過氧化氫酶活性的變化 土壤蔗糖酶隨著草地沙化程度的加劇而降低，且變化幅度較大，從潛在沙化草地的0.18 mL·g-1·d-1Na2S2O3下降至極嚴(yán)重沙化草地的0.01 mL·g-1·d-1Na2S2O3。其中潛在沙化草地蔗糖酶活性顯著高于其它沙化程度草地(P<0.05)，而輕度與中度沙化草地之間、嚴(yán)重與極嚴(yán)重沙化草地之間蔗糖酶活性差異不顯著(P>0.05)(圖2A)。

過氧化氫酶活性表現(xiàn)為潛在沙化草地>中度沙化草地>輕度沙化草地>嚴(yán)重沙化草地>極嚴(yán)重沙化草地。其中，自潛在沙化草地至嚴(yán)重沙化草地，各類型草地之間差異不顯著(P>0.05)，極嚴(yán)重沙化草地土壤過氧化氫酶活性顯著低于潛在、輕度和中度沙化草地(P<0.05)(圖2B)。

2.4草地土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān) 除過氧化氫酶活性與有機(jī)碳含量相關(guān)不顯著(P>0.05)外，土壤酶蔗糖酶及過氧化氫酶活性與各土壤養(yǎng)分之間均呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)相關(guān)(表2)。說明土壤酶活性與土壤肥力關(guān)系密切，在草地沙化演變過程中，土壤酶活性與其它土壤養(yǎng)分變化一致。

圖2 不同沙化程度草地土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性Fig.2 Soil catalase and invertase activity of different types of desertification

表2 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficient of soil enzyme activity and soil nutrients

3 討論與結(jié)論

隨草地沙化程度的加劇，土壤水分含量呈遞減趨勢，潛在沙化草地與輕度、中度、嚴(yán)重、極嚴(yán)重沙化草地的水分含量差異顯著，但輕度、中度、嚴(yán)重、極嚴(yán)重沙化草地之間差異不顯著。說明在草地由潛在沙化開始退化時，有一個明顯的水分失衡過程，而后的水分流失不單單是對沙化程度的響應(yīng)，可能還與超載過牧、植被結(jié)構(gòu)等有關(guān)[24]。土壤水分是氣候土地因素等自然條件的反映，是影響草地沙化的重要因子，對草地生態(tài)系統(tǒng)的水熱平衡起決定作用[25-26]。因此，土壤水分是研究草地沙化的一個重要因素。

隨草地沙化程度的加劇，土壤各養(yǎng)分含量總體呈下降趨勢，但各養(yǎng)分對沙化程度的響應(yīng)不同，其中土壤全氮、堿解氮、速效鉀含量隨草地沙化程度加劇差異顯著，對土壤變化敏感，能較好地反映草地的沙化程度，可以作為草地沙化的監(jiān)測指標(biāo)。土壤有機(jī)碳含量則表現(xiàn)為潛在>中度>極嚴(yán)重>輕度>嚴(yán)重，存在不確定影響因素，在反映土壤沙化程度方面還有待于更進(jìn)一步研究。土壤養(yǎng)分狀況是度量生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能維持的關(guān)鍵指標(biāo)之一[27]。趙哈林等[9]和蘇永中等[28]對農(nóng)田沙漠化演變中土壤性狀特征及其空間變異性進(jìn)行分析，得到沙漠化導(dǎo)致土壤理化性狀的嚴(yán)重惡化，其過程是土壤性狀逐漸惡化的過程。宋炳奎[29]在沙漠化對土壤肥力的影響的研究中認(rèn)為，沙化程度越高，土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的含量越低，與本研究結(jié)果一致。

土壤酶是土壤的重要組成成分，是土壤有機(jī)體的代謝動力，在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中扮演著重要的角色[30]。土壤酶主要來源于土壤微生物、土壤植物和動物，而土壤沙化首先威脅土壤生物的生存和繁衍。本研究中隨沙化程度的加劇，蔗糖酶與過氧化氫酶活性均呈下降趨勢，且下降趨勢各不同，其中蔗糖酶含量隨沙化加劇下降明顯，而過氧化氫酶含量表現(xiàn)為潛在>中度>輕度>嚴(yán)重>極嚴(yán)重。除過氧化氫酶與有機(jī)碳相關(guān)不顯著外，兩種酶與其它養(yǎng)分含量均顯著相關(guān)，表明土壤酶能較好地反映土壤肥力。土壤酶作為土壤質(zhì)量的生物活性指標(biāo)，可以作為草地沙化的監(jiān)測指標(biāo)。

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