荒漠草原區(qū)不同年限檸條林表層土壤碳分布及影響因素

劉任濤，朱 凡

（寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川750021）

草地是陸地上最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)之一，在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中起著重要作用［1－2］。目前，由于不合理的人類活動，加之干旱的氣候條件，使草地退化、沙化嚴(yán)重，造成土壤碳的流失，引起土壤粗化和貧瘠化。植被重建可以增加沙漠化地區(qū)土壤有機(jī)碳儲量，提高土壤的生產(chǎn)潛力［3］。目前在沙化草地中，植樹造林和禁牧圍封已成為干旱、半干旱區(qū)兩種重要的碳截存方式［4］。

當(dāng)前國內(nèi)外有關(guān)造林的研究多集中在沙地造林［3，5］、退耕還林［4］及不同造林樹種［6－7］對土壤生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響等方面。李躍林等［7］對鶴山幾種不同人工林土壤碳儲量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明植樹造林是增加土壤有機(jī)碳積累的有效措施，其中以營造鄉(xiāng)土樹種木荷林效果為最好。尚雯等［5］對科爾沁沙地流動沙丘造林后表層土壤有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳的變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)流動沙丘造林對表層土壤LFOC的影響大于SOC。陳銀萍等［8］探討了流動沙丘造林對土壤物理組分有機(jī)碳分配的影響，發(fā)現(xiàn)流動沙丘造林后，輕組有機(jī)碳儲量的變化比總有機(jī)碳的變化更為明顯，粗沙組分中非保護(hù)性有機(jī)質(zhì)的增加是引起土壤總有機(jī)碳變化的主要原因。Powers和Schlesinger［9］利用空間嵌套設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究了熱帶雨林土壤C分布與生物物理因素之間的關(guān)系，結(jié)果表明，海拔變化引起的環(huán)境條件變化顯著影響土壤C儲量在空間上的分布。綜合分析表明，人工林建設(shè)可以促進(jìn)土壤C含量和儲量的增加，但人工林生長過程中土壤C儲量的變化規(guī)律，尚不清楚。在退化草地上營造穩(wěn)定的可持續(xù)利用的人工草地以發(fā)揮其對土壤C庫的貢獻(xiàn)，就需要加強(qiáng)人工林生長過程中土壤C含量和儲量的研究。

檸條（C．intermedia）因其耐旱、耐寒、耐高溫，在肥力極差、沙層含水率極低的流動沙地和丘間低地以及固定、半固定沙地上均能正常生長，已成為我國西北、華北、東北西部水土保持和固沙造林的重要樹種之一［10］。截至2006年，在寧夏鹽池荒漠草原區(qū)已有人工檸條林13．3萬hm2。以往關(guān)于檸條林地的生態(tài)效應(yīng)研究主要集中于其對土壤水分［10］、土壤肥力［11］和林間植被［12］的影響，但是關(guān)于荒漠草原區(qū)檸條人工林發(fā)育過程中表層土壤C含量和儲量變化特征的研究較少；關(guān)于檸條林發(fā)育過程中表層土壤C分布的影響因素，尚不清楚。

鑒于此，本文以生長年限分別為6，15，24，36a的檸條人工林為研究對象，通過調(diào)查林下和林間土壤機(jī)械組成和土壤C含量及儲量，分析人工林發(fā)育過程中土壤C分布特征及其影響因素，旨在揭示檸條人工林發(fā)育過程對土壤C的截存效應(yīng)，為荒漠草原區(qū)人工林建設(shè)、生態(tài)環(huán)境評估和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏鹽池縣境內(nèi)東北部10km處（37°49′N，107°30′E），屬于中溫帶半干旱區(qū)，年平均氣溫8．1℃，最熱月（7月）平均氣溫22．4℃，最冷月（1月）平均氣溫－8．7℃；≥10℃的年積溫990℃。年降水量為289mm，主要集中在7—9月，占全年降水量的60%以上，且年際變化率大，年蒸發(fā)量2 014mm。年無霜期為165d。年平均風(fēng)速2．8m／s，冬春風(fēng)沙天氣較多，每年5m／s以上的揚(yáng)沙達(dá)323次。研究區(qū)樣地土壤為風(fēng)沙土，植被類型為種植有大面積人工檸條林而形成的半人工草地。檸條林帶間距5～7m，株距1m。主要草本植物包括豬毛菜（Salsolacollina）、山苦荬（Ixerischinensis）、白草（Pennisetumcentrasiaticum）和牛枝子（Lespedezapotaninii）等。

該樣地分布于東南向西北延伸的坡梁上，由于放牧和人為活動的影響，沙化嚴(yán)重。從20世紀(jì)70年代開始營造人工檸條林用于防風(fēng)固沙。本文選擇1975年、1987年（調(diào)查年份之前已平茬過）、1996年和2005年人工種植的檸條林為研究對象，每塊林地面積為40～60hm2。自2006年以來寧夏回族自治區(qū)開始實(shí)施全區(qū)禁牧圍封政策，草地逐漸得到恢復(fù)。目前，在1987和1975年種植的檸條林周圍還分布有流動沙丘（地），面積達(dá)2．33～2．66hm2。

1．2 樣品采集與分析

選擇生長年限分別為6，15，24，36a的人工檸條林地為研究樣地，每個樣地設(shè)3個重復(fù)。在每個樣地中設(shè)置取樣點(diǎn)6個，林下和林間各3個。每個取樣點(diǎn)采取五點(diǎn)取樣法取混合土樣，取樣深度0—20cm。同時，測定取樣點(diǎn)土壤溫度，用環(huán)刀法（200cm3）測定土壤容重（g／m3）。混合土樣帶回室內(nèi)風(fēng)干處理后，采用MS 2000激光粒度儀—馬爾文法測定土壤機(jī)械組成，采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定土壤有機(jī)碳（g／kg）。

在每個樣地林下和林間各隨機(jī)設(shè)置6個1m×1m草本樣方，調(diào)查地表草本植被種類、密度、蓋度和平均高度。在每個樣地中設(shè)置5個10m×10m的樣方調(diào)查檸條灌叢的密度、高度、冠幅、分枝數(shù)和基徑。由于24a樣地在調(diào)查之前2a已經(jīng)平茬過，所以灌叢高度和冠幅較15a樣地低。

1．3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

土壤C儲量用土壤有機(jī)碳含量與土壤容重的乘積表示［9］。所有數(shù)據(jù)采用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析（One－way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）比較不同生長年限林地間的差異，采用2個獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)來比較灌叢內(nèi)外的差異性，利用回歸曲線分析土壤C分布和林齡間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2．1 植被特征

由表1可知，6a檸條林冠幅、高度、分枝數(shù)和基徑均顯著低于其他3個樣地（P＜0．05）。24a林地檸條冠幅、高度和基徑均顯著低于15a和36a林地（P＜0．05）；除檸條冠幅15a和36a林間無顯著差異外，檸條高度和基徑均表現(xiàn)為15a林地顯著低于36a林地（P＜0．05）。檸條分枝數(shù)則表現(xiàn)為15a林地顯著低于24a林地（P＜0．05），而前兩者均與36a林地間無顯著差異性（P＞0．05）。對于地表草本植被來說（表1），隨林齡增加，林間地表草本物種數(shù)呈波動變化，在15a和36a林地呈現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，而在24a林地中出現(xiàn)低谷；林下地表草本物種數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。林間和林下草本植物密度均呈現(xiàn)出波動增加趨勢，而林間和林下地表植被蓋度及高度均在較低水平上呈現(xiàn)波動變化。

2．2 土壤機(jī)械組成

由圖1可見，林間和林下土壤質(zhì)地差異較小，因此，不再區(qū)分林間和林下。從整個林地來看，隨著林齡增加，土壤粗沙（R＝－0．56，F(xiàn)＝10．16，P＜0．01）和細(xì)沙含量（R＝－0．73，F(xiàn)＝24．70，P＜0．000）單調(diào)遞減，而土壤極細(xì)粉沙（R＝0．53，F(xiàn)＝8．69，P＜0．01）和黏粉粒含量（R＝0．78，F(xiàn)＝34．97，P＜0．000）則單調(diào)遞增。

表1 檸條灌叢和地表草本植被特征

圖1 不同年齡林地土壤機(jī)械組成

2．3 表層土壤C含量和儲量

從圖2可以看出，隨著林齡的增加，在林下，表層土壤有機(jī)碳（R＝0．85，F(xiàn)＝25．53，P＜0．000）和儲量（R＝0．74，F(xiàn)＝12．26，P＜0．01）呈單調(diào)遞增，表層土壤C／N（R＝－0．64，F(xiàn)＝6．85，P＜0．05）和容重（R＝－0．69，F(xiàn)＝9．39，P＜0．05）呈單調(diào)遞減；在林間，表層土壤有機(jī)碳含量、儲量和C／N均無顯著變化，而表層土壤容重呈現(xiàn)單調(diào)遞減（R＝－0．71，F(xiàn)＝10．19，P＜0．05）。從整體上看，隨著林齡增加，檸條林地表層土壤C含量（R＝0．59，F(xiàn)＝11．73，P＜0．01）和儲量（R＝0．55，F(xiàn)＝9．54，P＜0．01）單調(diào)增加，表層土壤容重（R＝－0．41，F(xiàn)＝4．40，P＜0．05）呈單調(diào)遞減，而表層土壤C／N無顯著變化。說明檸條林發(fā)育過程中可以增加表層土壤C含量和儲量，降低土壤容重。雖然表層土壤C／N呈現(xiàn)出下降趨勢，但和林齡間不存在線性關(guān)系。

圖2 不同林齡檸條林地土壤C分布和土壤容重

2．4 表層土壤C分布與環(huán)境因子的關(guān)系

由表2看出，表層土壤C含量與檸條灌叢高度和分枝數(shù)間均存在正相關(guān)關(guān)系（P＜0．05），而表層土壤C儲量和C／N、檸條冠層特征間均無相關(guān)性（P＞0．05），說明檸條高度和分枝數(shù)影響著表層土壤C含量分布。

表2 土壤C分布與檸條冠層間相關(guān)關(guān)系

由表3可以看出，在林間，表層土壤有機(jī)碳含量與土壤細(xì)沙含量呈負(fù)相關(guān)（P＜0．05），而與土壤黏粉粒含量（P＜0．01）和地表草本物種數(shù)（P＜0．05）呈正相關(guān)；表層土壤有機(jī)碳儲量與土壤黏粉粒含量和地表草本物種數(shù)呈正相關(guān)（P＜0．05）；土壤C／N與土壤機(jī)械組成及地表植被特征間均無相關(guān)性（P＞0．05）。在林下，表層土壤有機(jī)碳含量與粗沙和細(xì)沙含量呈負(fù)相關(guān)（P＜0．05），而與極細(xì)沙和黏粉粒含量以及地表草本蓋度間呈正相關(guān)（P＜0．05），而且表層土壤有機(jī)碳含量與土壤極細(xì)沙含量間相關(guān)性達(dá)到顯著水平（P＜0．01），土壤有機(jī)碳含量與土壤細(xì)沙和黏粉粒含量間相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（P＜0．001）；表層土壤C儲量與土壤細(xì)沙含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0．01），而與土壤極細(xì)沙和黏粉粒含量呈正相關(guān)（P＜0．05），而且表層土壤C儲量與土壤黏粉粒含量間相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（P＜0．0001）；表層土壤C／N比與土壤容重和細(xì)沙含量呈正相關(guān)（P＜0．05），而與土壤極細(xì)沙含量及地表草本個體數(shù)間呈負(fù)相關(guān)（P＜0．05），而且表層土壤C／N比與土壤容重間相關(guān)性達(dá)到顯著水平（P＜0．01）。

總體而言，檸條林地表層土壤有機(jī)碳含量與土壤容重、粗沙和細(xì)沙含量呈負(fù)相關(guān)（P＜0．05），而與土壤極細(xì)沙粒和黏粉粒以及地表草本個體數(shù)呈正相關(guān)（P＜0．05），而且表層土壤有機(jī)碳含量與土壤容重間相關(guān)性達(dá)到顯著水平（P＜0．01），與土壤細(xì)沙和黏粉粒間相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平（P＜0．001）；表層土壤C儲量與土壤容重、細(xì)沙含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)（P＜0．05），而與土壤黏粉粒含量和地表草本物種數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P＜0．001），而且表層土壤C儲量與土壤細(xì)沙含量間相關(guān)性達(dá)到顯著水平（P＜0．01），與土壤黏粉粒含量間相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（P＜0．0001）；表層土壤C／N則和土壤容重呈顯著正相關(guān)（P＜0．01），而與土壤黏粉粒間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0．05）。

表3 土壤C分布與土壤和地表草本植被間相關(guān)關(guān)系

3 討論與結(jié)論

隨著檸條林的發(fā)育生長，檸條冠幅、高度、分枝數(shù)和基徑明顯增加，顯著影響了地表草本植被和土壤質(zhì)地特征。本研究中，隨著檸條林齡的增加，林下地表草本物種數(shù)和個體數(shù)顯著增加，這與林下地表草本物種數(shù)和個體數(shù)增多密切相關(guān)（表1），反映了沙化草地生境中檸條灌叢堆形成的“資源島”有利于檸條林下地表草本植被的生長［13］，這與科爾沁沙地中的研究結(jié)果［14］相吻合。

同樣，在檸條林地發(fā)育過程中，林間和林下表層土壤粗沙和細(xì)沙含量均呈現(xiàn)出單調(diào)減少，而表層土壤極細(xì)沙和黏粉含量呈現(xiàn)出單調(diào)增加（圖1），而且林間和林下土壤質(zhì)地差異趨于減小，說明檸條林發(fā)育和灌叢堆形成有利于林下和林間表層土壤質(zhì)地的改善［14－15］，且在改善林下表層土壤質(zhì)地的同時，林間的表層土壤質(zhì)地亦發(fā)生了變化，結(jié)果在林間亦呈現(xiàn)出表層土壤粗沙和細(xì)沙含量減少而表層土壤極細(xì)沙和黏粉粒含量增加的現(xiàn)象，林間表層土壤質(zhì)地條件的改變影響了地表植被，使地表草本植物個體數(shù)隨著林齡的增加而增加（圖1）。

伴隨著檸條灌叢特征的改變和地表植被及土壤質(zhì)地的改善，表層土壤C分布亦發(fā)生了顯著改變（圖2）。隨著林齡的增加，林下表層土壤C含量和儲量表現(xiàn)出一致的變化趨勢，表現(xiàn)為林下表層土壤C含量和儲量隨著林齡的增加而增加，說明檸條林發(fā)育生長有利于表層土壤C含量和儲量的增加，這與前人在科爾沁沙地流動沙丘種植樟子松人工林后，表層SOC含量和儲量顯著增加，且林齡越長，SOC含量和儲量越高［3－4］的結(jié)論相吻合。顧峰雪等［16］對塔克拉瑪干沙漠腹地的研究發(fā)現(xiàn)，在流沙上建立人工植被后，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，土壤肥力得到提高，并且這種變化隨植被建立時間的延長而逐漸增大。

相關(guān)關(guān)系分析表明（表2—3），檸條冠層高度和分枝數(shù)、土壤粗沙、細(xì)沙、極細(xì)沙和黏粉粒含量以及地表植被蓋度影響林下表層土壤有機(jī)碳含量和碳儲量的分布，而且土壤細(xì)沙、極細(xì)沙和黏粉粒含量的影響更為顯著。分析其原因，發(fā)現(xiàn)其與檸條林地發(fā)育過程中對大氣中碳的截存效應(yīng)有關(guān)［3－4］。在檸條林生長發(fā)育過程中，隨檸條冠層郁閉度和地表草本植被的增加，大量極細(xì)沙和黏粉粒顆粒沉積下來，粗沙和細(xì)沙含量相對減少，同時每年有大量的枯枝落葉進(jìn)入土壤，在微生物和動物的共同作用下［15］，地表凋落物及植物根系的殘留物逐漸分解，使林下土壤有機(jī)質(zhì)含量增加［17］。隨著林地的發(fā)育，林下土壤容重逐漸降低，這與林下土壤質(zhì)地的改善有關(guān)［15］。同時林下土壤C／N亦隨林齡的增加而逐漸降低，說明雖然林下表層土壤有機(jī)碳含量增加，但林下表層土壤N的積累要快于C的積累，這與檸條本身是豆科植物能夠固定大氣中的N 有關(guān)［10－11］。

在檸條林間，表層土壤有機(jī)碳含量、儲量和C／N均無顯著變化，說明隨著檸條林的發(fā)育生長，對林間土壤C分布的影響有限。但土壤容重在林間呈現(xiàn)出降低趨勢，這與檸條林間土壤粗沙和細(xì)沙含量降低，而土壤極細(xì)沙和黏粉粒增加密切相關(guān)［14－15］。另外，隨著檸條林齡增加和林地發(fā)育，林間和林下表層土壤有機(jī)碳含量和儲量差異趨于減小趨勢，反映出檸條林的發(fā)育過程可以促進(jìn)表層土壤C儲量在林下和林間更為均勻分布，這與檸條林具有輻射效應(yīng)有關(guān)。檸條林發(fā)育過程中林間地表植被個體數(shù)增加和土壤質(zhì)地改善（圖1），增加了林間表層土壤C含量和儲量，相關(guān)分析結(jié)果（表3）亦證明了這一點(diǎn)。除此之外，檸條根系向林間延伸亦增加了林間表層土壤有機(jī)物質(zhì)的輸入［3］，也可能是一個重要原因。

從整個檸條林地來看，表層土壤C含量和儲量均呈現(xiàn)出隨林地的發(fā)育而逐漸增加的趨勢，說明檸條林地發(fā)育過程可以促進(jìn)表層土壤有機(jī)碳含量和儲量的增加。結(jié)合以上分析可知，這主要與林下表層土壤有機(jī)碳含量和儲量的增加直接相關(guān)，隨著檸條林地土壤質(zhì)地改善和地表草本植被恢復(fù)，土壤容重逐漸降低，整個林地表層土壤有機(jī)碳含量和儲量逐漸增加［13－15］。相關(guān)分析表明，土壤容重、機(jī)械組成和地表草本個體數(shù)影響表層土壤有機(jī)碳含量的分布，土壤容重、細(xì)沙粒和黏粉粒含量及地表草本物種數(shù)影響土壤有機(jī)碳儲量的分布。但表層土壤C／N隨林齡增加無顯著變化，說明檸條林地的36a的發(fā)育過程并未對土壤C／N產(chǎn)生顯著影響，這是檸條林地發(fā)育過程中表層土壤有機(jī)碳增加的同時，表層土壤全氮含量亦在積累的緣故［17－19］。

綜合分析表明，在檸條林生長發(fā)育過程中，隨著檸條灌叢特征的改變，地表草本植被恢復(fù)和土壤質(zhì)地改善，土壤容重降低。在小尺度上，林下表層土壤C含量和儲量單調(diào)增加，而表層土壤C／N單調(diào)降低；林間表層土壤有機(jī)碳含量、儲量和C／N均無顯著變化；而且林間與林下表層土壤C分布的差異性逐漸變小。林下小尺度表層土壤C分布決定了整個林地表層土壤C的分布。在荒漠草原區(qū)，檸條林發(fā)育在增加林下表層土壤C的分布的同時，對林間具有一定的輻射效應(yīng)，可以增加林間土壤C分布，整個林地表層土壤有機(jī)碳含量和儲量隨著林齡的增加而增加；同時由于檸條林發(fā)育有利于表層土壤全氮的積累，導(dǎo)致在檸條林發(fā)育過程中土壤C／N無顯著變化。

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