陜北黃土區(qū)衰退沙棘人工林改良土壤的作用

劉蕾蕾，朱清科，趙維軍，姚文俊，馬 歡，陳文思，卜耀軍，2

（1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083；2.榆林學(xué)院，陜西 榆林719000）

黃土高原是中國新構(gòu)造運動比較活躍的地區(qū)，加之地形破碎，植被稀少，暴雨強(qiáng)烈，特別是受黃土層深厚、巖性松軟的影響，土壤侵蝕十分嚴(yán)重。同時由于降水不足，土壤水分虧缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被恢復(fù)困難較大［1－2］。沙棘（Hippophae rhamnoides）有抗旱、抗寒、抗瘠薄的自然特性，并具有較強(qiáng)的防風(fēng)固沙、保持水土及固氮培土的生態(tài)作用，且因其果實及種子等具有一定經(jīng)濟(jì)收益，為中國干旱半干旱地區(qū)主要生態(tài)經(jīng)濟(jì)樹種，在“三北”干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)及林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有重要的地位［3－4］。據(jù)李敏等［5］研究，截至2005年，在前20a多中國平均每年營造沙棘人工林8.00×104hm2，至2005年全國的總面積己達(dá)2.00×106hm2，成為世界沙棘種植大國。但中國沙棘人工林衰退乃至死亡現(xiàn)象時有發(fā)生。例如1998—2001年連續(xù)4a干旱，“三北”部分地區(qū)的沙棘林長勢衰退，導(dǎo)致沙棘木蠢蛾在老齡林中大面積爆發(fā)，造成近67 000hm2沙棘林死亡［6］，僅遼寧省建平縣2002年就有33 000hm2沙棘林成片死亡。水分匱乏、氣候、立地類型選擇等均可導(dǎo)致森林衰退［7］。干旱脅迫是沙棘人工林衰退的主導(dǎo)因子，而繁殖和生長能力下降是中國沙棘人工林衰退的根本原因［3］。2010年以來，陜北吳起縣退耕還林工程形成的沙棘人工林也出現(xiàn)了衰退及至死亡現(xiàn)象，由此人們不僅對沙棘的適應(yīng)性及沙棘人工林能否實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營產(chǎn)生質(zhì)疑，同時衰退的沙棘人工林是否具有改良土壤功能，為后續(xù)植被恢復(fù)重建創(chuàng)造條件也需要研究確認(rèn)。雖然，前人對沙棘林土壤進(jìn)行了很多研究，李代瓊等［8］研究了沙棘林對氮素、磷素年累積量，阮成江等［9］對沙棘林1m以上土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效磷含量進(jìn)行研究，劉增文等［10］、王佑民［11］研究了黃土高原沙棘群落的營養(yǎng)元素吸收、累積、分配與循環(huán)，張偉華等［12］研究了青海大通中國沙棘人工林對土壤有機(jī)質(zhì)的影響，盧建利等［13］研究了不同林齡沙棘林土壤狀況。但是，針對不同衰退乃至死亡的沙棘人工林對土壤是否已產(chǎn)生了改良作用未見研究報道。為此，本研究選取吳起縣不同衰退類型沙棘人工林為研究對象，探究沙棘人工林的改良土壤功能。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省延安市西北部的吳起縣，地理坐標(biāo)為107°38′57″—108°32′49″E，36°33′33″—37°24′27″N，總面積3 791.5km2，海拔1 233～1 809m。吳起縣地處黃河中游、北洛河和無定河上游，處于黃土高原腹地，屬于森林草原過渡地帶。地貌屬于黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū)，主要土壤類型為黃綿土。氣候?qū)儆谥袦貛О霛駶?、半干旱區(qū)，具有明顯的半溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征。年平均氣溫7.8℃，多年平均降雨量483.4mm，雨季集中在7—9月，此期降水量多達(dá)全年降水量的50%～80%，無霜期為83～136d。

由于長期的人類經(jīng)濟(jì)活動，吳起縣原生植被幾乎不復(fù)存在，目前主要是建國后栽種的人工林。植被類型表現(xiàn)為中溫帶森林灌叢草原植被向草原化森林灌叢草原植被過渡特征。喬木樹種主要有河北楊（Populus×hopeiensis Huet chow）、小葉楊（Populus simonii）、旱柳（Salix matsudana）等；灌木狀樹種主要有沙棘、檸條（Caragana korshinskii）等；草本植物主要有茭蒿（Artemisia giraldii）、冷蒿（Artemisia frigida）、茵陳蒿（Artemisia capillaris）、針茅（Stipa capillata）、早熟禾（Poa annua）等。陜西省吳起縣是目前中國沙棘人工林面積最大的縣，沙棘人工林面積達(dá)8.00×104hm2，占該縣土地總面積的21.1%以上，以沙棘純林為主，沙棘混交林主要是沙棘油松混交林，沙棘山杏混交林，沙棘刺槐混交林等。

1.2 樣地選擇和土壤采樣點的布設(shè)

該地區(qū)沙棘人工林均于1999年栽植，即沙棘人工林的林齡均相同。數(shù)據(jù)調(diào)查在2012年7月中旬進(jìn)行，根據(jù)吳起縣2009年快鳥影像確定吳起縣周邊沙棘人工林主要分布位置，包括合溝流域、袁溝流域、柴溝流域、楊青川流域、金佛坪流域，對各流域分別進(jìn)行全面踏查，了解該地區(qū)沙棘人工林所分布立地類型、生長狀況等，并在以上幾個流域內(nèi)采用典型隨機(jī)抽樣法在沙棘人工林（純林）內(nèi)選擇有代表性的50個5m×5m標(biāo)準(zhǔn)樣方，并用GPS定位記錄經(jīng)緯度、海拔以便找尋。同時記錄樣方內(nèi)沙棘的總叢數(shù)及死亡叢數(shù)，計算出樣方的沙棘死亡率。在每個樣方的對角線方向，用鐵鍬近等距地挖3個深度達(dá)60cm土壤剖面，分0—10，10—20，20—40和40—60cm共4層采集混合樣品，3處的土壤充分混合后取500g裝入布袋，用于測定土壤養(yǎng)分指標(biāo)。選取與沙棘林栽植前與沙棘林同屬一面坡的荒山坡上取對照樣點，因此沙棘林栽植前與對照樣點在立地類型、植被模式等生態(tài)特征一致，即土壤本底值一樣，樣方數(shù)與沙棘林地一致，以作對照。

1.3 測定指標(biāo)與方法

選取土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、速效磷、速效鉀和pH值6個土壤養(yǎng)分指標(biāo)，進(jìn)行室內(nèi)測定，測定方法如下：有機(jī)質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀—濃硫酸氧化法；全氮測定采用凱氏定氮法；有效氮的測定采用堿解擴(kuò)散法；速效磷的測定采用0.5mol／L NaHCO3浸提，鉬藍(lán)比色法；速效鉀的測定采用NH4OAc浸提——火焰光度法；pH值的測定采用電位法［14］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

以死亡率作為沙棘人工林衰退程度的表征指標(biāo)，根據(jù)沙棘林死亡率，將沙棘林樣地分為3個衰退類型，將死亡率0～30%沙棘人工林定義為輕度衰退沙棘人工林，輕度衰退沙棘人工林樣方數(shù)16個；死亡率30%～70%沙棘人工林定義為中度衰退沙棘人工林，中度衰退沙棘人工林樣方數(shù)17個；死亡率70%～100%沙棘人工林定義為重度衰退沙棘人工林，重度衰退沙棘人工林樣方數(shù)17個。各樣方的調(diào)查相對獨立，因此各樣本是相對獨立的隨機(jī)樣本，且經(jīng)過驗證，各樣本符合正態(tài)分布，因此可采用方差分析的方法進(jìn)行顯著性分析。土壤化學(xué)性質(zhì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)用Excel 2007軟件及SPSS 19.0進(jìn)行系統(tǒng)處理，采用Origin 8.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 輕度衰退沙棘人工林地土壤養(yǎng)分

土壤質(zhì)量是自然因素和人為因子共同作用的結(jié)果，土壤養(yǎng)分是影響植物生長的重要因素，而植物的生長水平反過來也影響著土壤狀況［15－16］。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，不僅為植物生長提供所需的營養(yǎng)元素，同時對土壤結(jié)構(gòu)的形成、土壤保水功能的維持等具有重要的作用［17］。土壤pH值土壤鹽堿性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。輕度衰退沙棘人工林與對照坡面土壤養(yǎng)分各指標(biāo)含量如表1所示。由表1可以看出，輕度衰退沙棘人工林土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、速效鉀含量均隨著土層深度增加而逐漸降低，速效磷含量先降低再增加，在20—40cm土層達(dá)到最小值0.76mg／kg，而土壤堿性先增大再減小，20—40cm土層堿性最大。較對照坡面，輕度衰退沙棘人工林土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量及20cm以下土層土壤全氮、有效氮含量均有所提高，且土壤堿性增大。沙棘人工林土壤有機(jī)質(zhì)含量增幅，隨土層加深，先增大后減小，20—40cm 土層取得最大值，增幅達(dá)68.35%，且20cm以下土層增幅與20cm以上相差很大。土壤速效磷含量均高于對照坡面，0—10和10—20cm均達(dá)到顯著水平，分別由0.88mg／kg增長到1.27mg／kg，0.71mg／kg增長到1.03mg／kg，且增幅則隨著土層加深，先減小后增大，20—40cm取得最小值13.59%。土壤速效鉀含量均高于對照坡面，20—40和40—60cm土層達(dá)到顯著水平，增幅隨土層加深，先增大后減小，20—40cm土層取得最大值，達(dá)53.78%。輕度衰退沙棘人工林土壤和對照坡面土壤均呈堿性，沙棘林土壤堿性略大。輕度衰退沙棘人工林20cm以上土層土壤全氮、有效氮含量低于對照坡面，20cm以下則相反。土壤全氮含量降低程度0—10cm土層高于10—20cm土層，有效氮則相反。20cm以下土層，土壤全氮含量隨著土層加深而增大，有效氮反之。20cm以下土層，土壤有效氮含量高于對照坡面，20—40cm土層達(dá)到極顯著水平（p＝0.005），40—60cm達(dá)到顯著水平（p＝0.045）。

表1 輕度衰退沙棘人工林土壤養(yǎng)分含量

2.2 中度衰退沙棘人工林土壤養(yǎng)分

中度衰退沙棘人工林與對照坡面土壤養(yǎng)分各指標(biāo)含量如表2所示。由表2可知，中度衰退沙棘人工林土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、速效鉀含量均隨著土層加深而降低。土壤速效磷含量則先降低而后又增加，在20—40cm土層取得最小值0.90mg／kg，而土壤堿性則隨土層加深逐漸增大。中度衰退沙棘人工林土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量及20cm以下土層土壤全氮、有效氮含量均有所提高，且土壤堿性略有增大。土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于對照坡面，20—40和40—60cm土層達(dá)到顯著水平，分別由4.10g／kg增加至5.56g／kg，3.83g／kg增加至4.76g／kg，同時增幅隨土層加深，先增大后減小，在20—40cm取得最大值39.75%。土壤速效磷含量增幅則隨著土層加深逐漸減小。土壤速效鉀含量增幅隨土層加深，先增大后減小，且20—40和40—60cm達(dá)到顯著水平，p值分別為0.046和0.041。與輕度衰退沙棘人工林一致，中度衰退沙棘人工林20cm以上土層土壤全氮、有效氮含量低于對照坡面，20cm以下則相反。土壤全氮、有效氮含量降低程度0—10cm土層低于10—20cm土層。20cm以下土層，土壤全氮含量增幅隨著土層加深而增大，有效氮反之。20—40和40—60cm土層有效氮含量顯著高于對照坡面，增幅分別為47.64%，15.27%。

表2 中度衰退沙棘人工林土壤養(yǎng)分含量

2.3 重度衰退沙棘人工林地土壤養(yǎng)分

重度衰退沙棘人工林與對照坡面土壤養(yǎng)分各指標(biāo)含量如表3所示。由表3可以看出，重度衰退沙棘人工林土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮、速效鉀含量均隨著土層加深而減小。速效磷、速效鉀含量提高，土壤堿性略有增大的同時，20cm以下土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮含量卻均有所下降。重度衰退沙棘人工林土壤速效磷含量增幅隨土層加深，先增大后減小，10—20cm土層取得最大值22.70%。土壤速效鉀含量增幅，隨土層加深而逐漸增大。

土壤pH值較對照坡面仍有所增大，而隨土層加深，增幅越來越小。土壤有機(jī)質(zhì)含量20cm以上土層低于對照坡面，且隨土層加深，降低程度越大，10—20cm土層由6.83g／kg增加至7.74g／kg。20cm 以下土層土壤有機(jī)質(zhì)含量高于對照坡面，且隨著土層加深，增幅減小。

表3 重度衰退沙棘人工林土壤養(yǎng)分含量

重度衰退沙棘人工林20cm以上土層土壤全氮、有效氮含量低于對照坡面的同時，20—40cm土壤全氮含量亦低于對照坡面，而20—40cm土層土壤有效氮增幅卻最大，這證明此土層氮素的有效化的轉(zhuǎn)化過程相對活躍。且0—10和10—20cm土層全氮含量顯著低于對照坡面，含量分別由0.61g／kg降低至0.49g／kg，由0.52g／kg降至0.35g／kg。有效氮含量降低程度0—10cm土層高于10—20cm土層，全效氮剛好相反。20cm以下土層，土壤有效氮含量增幅隨著土層加深而減小。

2.4 各類型衰退沙棘人工林地土壤養(yǎng)分比較

3種衰退類型沙棘人工林對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響有所異同，土壤各養(yǎng)分指標(biāo)增幅比較結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，對0—10cm土層的改良作用主要體現(xiàn)在土壤速效磷和速效鉀上，且改良作用輕度衰退沙棘人工林最好，其次是中度，最后是重度。10—20cm土層與0—10cm土層基本一致，但3種衰退類型沙棘人工林對土壤速效鉀的提高作用大小順序有所不同，表現(xiàn)為輕度衰退沙棘林最大，其次是重度衰退沙棘林。3種衰退沙棘人工林20cm以下土層土壤各化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均高于對照坡面。

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀均表現(xiàn)為輕度衰退沙棘人工林增幅最大，重度衰退沙棘人工林最小，有效氮則表現(xiàn)為輕度最大，中度最小，說明中度衰退類型沙棘人工林對有效氮的消耗較高。速效磷20—40cm土層表現(xiàn)為中度衰退沙棘人工林最大，其次是輕度衰退沙棘林，原因可能是由于中度衰退人工沙棘林能進(jìn)行磷素的積累和再分配，造成有效磷含量增加。而黃土高原普遍富鉀缺磷，因此對磷素的提高作用應(yīng)引起關(guān)注。

圖1 各類型衰退沙棘人工林各土層土壤養(yǎng)分指標(biāo)增幅比較

3 結(jié)論

3種衰退類型沙棘人工林對各層土壤速效磷、速效鉀均有改良作用，土壤堿性略有增大。輕度和中度衰退類型沙棘人工林對土壤有機(jī)質(zhì)含量及20cm以下土層全氮、有效氮含量有提高作用。重度衰退類型沙棘人工林對20cm以下土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮含量有提高作用，而對土壤全氮改良作用僅表現(xiàn)在40—60cm土層，與阮成江等［9］的研究結(jié)果一致。主要是因為沙棘根系發(fā)達(dá)，有非豆科的根瘤菌，能有效固氮，對土壤氮素含量有提高作用，但沙棘根系屬于淺層水平根，主要集中在20cm上下的土層中［18－19］。趙護(hù)兵等［20］研究結(jié)果顯示，沙棘較檸條、狼牙刺、雜灌木的灌木樹種，其氮素和磷素的年存留量最大，與本文研究結(jié)果契合。衰退沙棘人工林對土壤有明顯改善作用，這為后續(xù)樹種創(chuàng)造了條件，在物種演替和生態(tài)修復(fù)過程中發(fā)揮了作用，因此通過營造沙棘人工林進(jìn)行植被恢復(fù)是有意義的。

養(yǎng)分元素循環(huán)與平衡直接影響生產(chǎn)力的高低，并關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和持續(xù)［20］。輕度衰退沙棘人工林對20cm以下土壤有效氮有顯著提高作用，同時對20cm以上速效磷有顯著提高作用。重度衰退沙棘人工林對20cm以下土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮有顯著提高作用。而氮素是土壤基本元素，同時黃土高原普遍富鉀缺磷，因此此研究結(jié)果對沙棘人工林的營造意義提供了依據(jù)，這與趙護(hù)兵等［20］對黃土高原地區(qū)生態(tài)建設(shè)提出的重視氮磷化肥尤其磷肥投入的建議相吻合。

3種類型沙棘人工林土壤有機(jī)質(zhì)，全氮，有效氮，速效鉀含量均隨著土層深度增加而逐漸降低，這與盧建利等［13］的研究相一致。3種衰退類型沙棘人工林對0—20cm的表層土壤的改良作用主要體現(xiàn)在土壤速效磷和速效鉀上，而對20—60cm土層土壤養(yǎng)分各指標(biāo)均有提高作用。3種衰退類型沙棘林對土壤速效磷含量均有提高作用，20—40cm土層表現(xiàn)為中度衰退沙棘人工林提高最大，其次是輕度衰退沙棘林。其他土層則表現(xiàn)為隨著衰退程度加深，提高作用減弱。因此，在該地區(qū)生態(tài)建設(shè)工作中，若考慮將衰退沙棘林地進(jìn)行改造，需考慮沙棘衰敗程度，建議于中度衰退時期進(jìn)行整改。

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