毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)特征及土壤性質(zhì)變化

錢 洲 ，俞元春 ，俞小鵬 ，高捍東 ，呂 榮 ，張文英

（1.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市林業(yè)局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市林業(yè)局，內(nèi)蒙古 包頭 014030 ）

毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)特征及土壤性質(zhì)變化

錢 洲1，俞元春1，俞小鵬1，高捍東1，呂 榮2，張文英3

（1.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市林業(yè)局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市林業(yè)局，內(nèi)蒙古 包頭 014030 ）

飛播造林作為沙漠化地區(qū)植被恢復(fù)的重要手段，在沙漠化治理工程中得到廣泛運(yùn)用。以內(nèi)蒙古自治區(qū)毛烏素沙地飛播造林地為對(duì)象，研究了不同植被恢復(fù)年限樣地植被恢復(fù)特征及土壤理化性質(zhì)變化。結(jié)果表明：植被恢復(fù)過程中，植被蓋度、植被密度、地上生物量和地下生物量都有了明顯的增長(zhǎng)，植被恢復(fù)前5 a，植被蓋度年增長(zhǎng)為5.87%，物種密度年平均增長(zhǎng)量為8.20株/m2，植被地上、地下部分生物量分別達(dá)到295.33 g/m2、579.00 g/m2。經(jīng)過17 a的植被恢復(fù)，植被地上、地下部分生物量分別達(dá)到963.83 g/m2、1 741.67 g/m2；0～10 cm土壤的砂粒含量由94.90%下降到57.95%，粗粉粒和物理性黏粒含量分別由3.33%和1.77%增加到29.22%和12.83%，土壤容重由1.48 g/cm3下降到1.33 g/cm3；0～10 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷和速效鉀分別增加了700.54%、254.55%、248.33%、234.84%和203.30%，土壤理化性質(zhì)得到了明顯改善，特別是表層土壤更為明顯。植被蓋度、密度、地上生物量、地下生物量和0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷、速效鉀、粗粉粒、物理性黏粒呈線性正相關(guān)（p＜0.05），和土壤容重、砂粒呈線性負(fù)相關(guān)（p＜0.05），表明在植被恢復(fù)過程中，植被和土壤有著相互促進(jìn)的作用。

毛烏素沙地；飛播造林；植被恢復(fù)；植被特征；土壤性質(zhì)變化

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗（108°26′～ 108°59′E，38°19′～ 38°51′N），是毛烏素沙地的腹地，研究區(qū)屬溫帶極端大陸性氣候，年平均氣溫7.4 ℃，極端最低氣溫-35.2℃，極端最高氣溫38.0℃，年降雨量350～400 mm，降雨季節(jié)性強(qiáng)，夏秋季雨水集中，冬春季降水稀少；土壤以風(fēng)沙土分布最廣，約占全旗土地面積的78.3%，結(jié)構(gòu)松散，易就地起沙；植被以沙生植物為主，地帶性植被破壞殆盡[9]。飛播造林區(qū)海拔最高1 393 m，最低1 217 m，使用楊柴Astragalus mongolicum、檸條Caragana korshinskii、籽蒿Artemisia sphaerocephala、油蒿Artemisia ordosica、沙打旺Astragalus adsurgens、沙米Agriophyllum squarrosum等植物的丸?；N子從1995年開始陸續(xù)進(jìn)行飛播造林。

1.2 樣地設(shè)置、樣方調(diào)查和土壤樣品采集

采用空間代替時(shí)間的方法，選擇飛播造林植被恢復(fù)不同年限（5 a、7 a、9 a、11 a和17 a）飛播區(qū)設(shè)立調(diào)查樣地，以未飛播區(qū)作為對(duì)照，重復(fù)3次。樣地規(guī)格為20 m×20 m，在每塊樣地中，隨機(jī)選取2 m×2 m的樣方5個(gè)，進(jìn)行植被、土壤調(diào)查和樣品采集，以未飛播區(qū)作為對(duì)照。在選取的植被調(diào)查樣方內(nèi)，用網(wǎng)線法測(cè)定蓋度[10]，用計(jì)數(shù)方式測(cè)定植物數(shù)量，計(jì)算各樣方內(nèi)植物密度。用收割法測(cè)定樣方內(nèi)植物地上部分生物量，挖掘法測(cè)定植物地下部分生物量，取部分樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，烘干測(cè)定含水量，計(jì)算出植物地上和地下部分生物量。在調(diào)查樣地內(nèi)，按照0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm分層多點(diǎn)采集土壤混合樣品，環(huán)刀法采集原狀土壤樣品。

1.3 土壤測(cè)定方法

土壤容重用環(huán)刀法，土壤顆粒組成用比重計(jì)法，pH用電位法、有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀-外加熱法、全氮用半微量凱氏定氮法、全磷用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法、水解性氮用堿解擴(kuò)散法、有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、速效鉀用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007和SPSS17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、差異顯著性和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 飛播造林植被恢復(fù)過程中植被特征變化

2.1.1 植被蓋度

飛播造林植被恢復(fù)過程中，植被蓋度隨著恢復(fù)年限的增加而顯著增加（圖1a），未飛播區(qū)和飛播造林植被恢復(fù)5 a、7 a、9 a、11 a、17 a的樣地，植被蓋度分別為2.9%、32.3%、41.4%、55.7%、64.7%、82.3%，不同植被恢復(fù)年限樣地植被蓋度差異極顯著（p＜0.01）。植被恢復(fù)前5 a，植被蓋度顯著增加，年增長(zhǎng)為5.87%；隨著恢復(fù)年限的增加，不斷采取補(bǔ)植措施，植被蓋度穩(wěn)固增長(zhǎng)，植被恢復(fù)第5 a到第11 a，年平均增長(zhǎng)5.41%；植被恢復(fù)第11 a到第17 a，植被蓋度增長(zhǎng)趨勢(shì)有所放緩，年平均增長(zhǎng)2.93%。表明在飛播造林植被恢復(fù)初期，植物群落結(jié)構(gòu)尚未穩(wěn)定，植物生長(zhǎng)迅速，而經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的植被恢復(fù)，植物群落結(jié)構(gòu)趨于相對(duì)穩(wěn)定。

2.1.2 物種密度

飛播造林植被恢復(fù)過程中，物種密度隨著恢復(fù)年限的增加而顯著增加（圖1b），不同植被恢復(fù)年限樣地物種密度差異顯著（p＜0.05）。植被恢復(fù)前5 a，物種密度年平均增長(zhǎng)量為8.20株/m2；植被恢復(fù)第5 a到第9 a，物種密度增加趨勢(shì)明顯放緩，年平均增長(zhǎng)量為4.16株/m2；植被恢復(fù)第9 a到第17 a，物種密度增加趨勢(shì)又有所提高，年平均增長(zhǎng)量為6.83株/m2。這說明沙地進(jìn)行飛播造林植被恢復(fù)，可在短期內(nèi)使物種密度顯著增加；在植物群落結(jié)構(gòu)尚未穩(wěn)定時(shí)，隨著植被的迅速生長(zhǎng)和物種間的競(jìng)爭(zhēng)，物種密度增長(zhǎng)趨勢(shì)有所放緩；在植物群落結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定后，植物生長(zhǎng)環(huán)境得到改善，外界干擾降低，伴隨著補(bǔ)植的不斷進(jìn)行，物種密度會(huì)得到一個(gè)穩(wěn)定的提升。

2.1.3 植被生物量

Environmental Administrative Assistance:Definition,Essentials and Responsibilities Yan Hai&Guo Ge

未飛播區(qū)植被生物量極低（圖1c、1d），隨著飛播造林植被恢復(fù)年限的增加，植被生物量逐漸增加，不同植被恢復(fù)年限樣地植被地上生物量和地下生物量都差異顯著（p＜0.05）。植被恢復(fù)前11 a，隨著植被生長(zhǎng)和植物群落結(jié)構(gòu)的不斷構(gòu)建，植被地上、地下生物量增長(zhǎng)迅速，地上生物量年平均增長(zhǎng)71.82 g/m2，地下生物量年平均增長(zhǎng)124.71 g/m2；植被恢復(fù)第11 a到第17 a，植物群落結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，沙地植被分布趨于平均，植被地上、地下生物量增長(zhǎng)有所放緩，地上生物量年平均增長(zhǎng)26.17 g/m2，地下生物量年平均增長(zhǎng)57.41 g/m2，經(jīng)過17 a的植被恢復(fù)，植被地上部分生物量為963.83 g/m2，地下部分生物量為1 741.67 g/m2。

圖1 飛播造林植被恢復(fù)過程中植被特征變化Fig.1 Vegetation characteristics changes in the process of vegetation restoration by aerial seeding afforestation

2.2 飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤理化性質(zhì)變化

2.2.1 土壤物理性質(zhì)

相關(guān)研究表明，隨著植被蓋度的增加及植被恢復(fù)程度的增強(qiáng)，土壤中的粗粉粒、物理性黏粒含量有顯著的增加，土壤質(zhì)地向著壤質(zhì)化和細(xì)粒化方向發(fā)展[12]，而且表層土壤的恢復(fù)要高于下層土壤[13]。毛烏素沙地費(fèi)播造林植被恢復(fù)過程中土壤顆粒組成也發(fā)生著變化（表2），經(jīng)過17 a的植被恢復(fù)，0～10 cm土壤的砂粒含量由94.90%下降到57.95%，砂粒含量變化達(dá)到極顯著水平（p＜0.01）；粗粉粒和物理性黏粒含量分別由3.33%和1.77%增加到29.22%和12.83%，分別增加了777.48%和624.86%；0～40 cm土壤砂粒平均含量由94.84%下降到77.65%，土壤粗粉粒和物理性黏粒含量分別由3.37%和1.79%增加到15.3%和6.82%。

土壤容重是土壤重要的物理性質(zhì)，對(duì)土壤孔隙狀況及土壤肥力有重要影響[14]。相關(guān)研究表明，在沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中，土壤容重下降，持水能力增強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)不斷改善[15-16]。隨著植被恢復(fù)年限的不斷增加，毛烏素沙地0～10 cm、10～20 cm土壤容重呈下降趨勢(shì)，經(jīng)過17 a的植被恢復(fù)，0～10 cm土壤容重由1.48 g/cm3下降到1.33 g/cm3；0～40 cm土壤容重由1.48 g/cm3下降到1.42 g/cm3，其中0～10 cm土壤容重從第7 a到第9 a，下降幅度達(dá)到顯著水平（p＜0.05），從第11 a到第17 a，下降幅度達(dá)到極顯著水平（p＜0.01），10～20 cm層土壤從第7 a到第9 a下降幅度達(dá)到顯著水平（p＜0.05）（表1）。表明隨著植被恢復(fù)年限的增加，土壤物理性質(zhì)得到改善，特別是表層土壤更為明顯。

2.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)

相關(guān)研究表明，隨著沙漠化逆轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，土壤受到的擾動(dòng)減少，地表植被種類和數(shù)量增加，輸入到土壤中的有機(jī)物質(zhì)增多，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳積累增多[17]。同時(shí)，土壤全氮、水解氮、有效磷和有效鉀也會(huì)在沙漠化逆轉(zhuǎn)過程中顯著增加[18-19]。

表1 飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤物理性質(zhì)變化?Table 1 Soil physical properties changes in the process of vegetation restoration by aerial seeding afforestation

研究表明，隨著植被恢復(fù)年限的增加，毛烏素沙地的土壤化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生著相應(yīng)變化，尤其是0～10 cm土壤，變化更為明顯（表2）。與植被恢復(fù)初期比較，經(jīng)過17 a植被恢復(fù)的樣地0～10 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷和速效鉀分別增加了700.54%、254.55%、248.33%、234.84%和203.30%。其中，0～10 cm層土壤有機(jī)質(zhì)和水解氮含量在6種不同年限樣地的差異性達(dá)到了顯著水平（p＜0.05）。相比于0～10 cm層土壤，10～20 cm、20～40 cm土壤的化學(xué)性質(zhì)變化幅度相對(duì)較小，這說明植被恢復(fù)給土壤帶來的改良效應(yīng)在0～10 cm表層土壤最為明顯，在10～20 cm土壤也有所表現(xiàn)；而20～40 cm土壤，除了全氮和有效鉀經(jīng)過17 a植被恢復(fù)后增長(zhǎng)了100.00%和46.34%，有機(jī)質(zhì)、水解氮和有效磷的變化不明顯。隨著植被恢復(fù)年限的增加，表層土壤pH總體上有增加趨勢(shì)。

表2 飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤化學(xué)性質(zhì)變化?Table 2 Soil chemical properties changes in the process of vegetation restoration by aerial seeding afforestation

各樣地不同層土壤縱向?qū)Ρ?，除了植被恢?fù)初期樣地，各樣地0～10 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷和速效鉀含量均高于10～20 cm、20～40 cm層土壤，經(jīng)過9 a植被恢復(fù)的樣地0～10 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷和速效鉀顯著高于10～20 cm和20～40 cm。不同土層之間pH的變化不明顯。

2.3 飛播造林植被恢復(fù)特征與土壤性質(zhì)的相關(guān)性

毛烏素沙地植被恢復(fù)過程中，0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷、速效鉀、砂粒、粗粉粒、物理性黏粒、容重和植被蓋度、密度、地上生物量、地下生物量有密切關(guān)系（表3）。其中，土壤速效鉀、水解氮、物理性黏粒和植被蓋度、物種密度、地上生物量、地下生物量均呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），土壤有效磷與植被蓋度、地上生物量和地下生物量呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和物種密度呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），而土壤容重、砂粒和植被蓋度、物種密度、地上生物量、地下生物量呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05）。植被特征與土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性聯(lián)系和其他的一些研究相似[20]。

表3 飛播造林植被恢復(fù)過程中植被特征與土壤性質(zhì)的相關(guān)性?Table 3 Correlation coefficients between vegetation characteristics and soil properties

3 結(jié)論與討論

（1）毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)過程中，植被蓋度、物種密度、地上生物量和地下生物量都隨著植被恢復(fù)年限的增加而顯著增加，植被恢復(fù)前5 a，植被蓋度年增長(zhǎng)為5.87%，物種密度年平均增長(zhǎng)量為8.20 株/m2。經(jīng)過17 a的植被恢復(fù)，植被地上、地下部分生物量分別達(dá)到963.83 g/m2、1 741.67 g/m2。

（2）毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤物理性質(zhì)發(fā)生變化，經(jīng)過17 a的植被恢復(fù)，0～10 cm土壤的砂粒含量由94.90%下降到57.95%，粉粒和粘粒含量分別由3.33%和1.77%增加到29.22%和12.83%，土壤容重由1.48 g/cm3下降到1.33 g/cm3；0～40 cm土壤砂粒含量由植被恢復(fù)初期的94.84%下降到77.65%，土壤粗粉粒和物理性黏粒含量分別由3.37%和1.79%增加到15.3%和6.82%，土壤容重由1.48 g/cm3下降到1.42 g/cm3，表明隨著植被恢復(fù)年限的增加，土壤物理性質(zhì)得到改善。

（3）毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)過程中土壤化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，與植被恢復(fù)初期比較，經(jīng)過17 a的植被恢復(fù)，0～10 cm層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷和速效鉀分別增加了700.54%、254.55%、248.33%、234.84% 和 203.30%，10～20 cm、20～40 cm土壤的化學(xué)性質(zhì)也得到不同程度改善，表明植被恢復(fù)給土壤帶來的改良效應(yīng)在0～10 cm層土壤表現(xiàn)最為明顯。各樣地0～10 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、有效磷和速效鉀等含量均高于10～20 cm、20～40 cm層土壤。

（4）毛烏素沙地飛播造林植被恢復(fù)過程中植被特征和土壤性質(zhì)之間存在極為密切的相關(guān)性，說明在植被恢復(fù)過程中，植被和土壤有著相互促進(jìn)的作用，植被生長(zhǎng)固定了土壤，增加了土壤有機(jī)質(zhì)，改善了土壤理化性質(zhì)，一定程度上遏制了土壤的沙漠化，同時(shí)植被的枯落物也對(duì)土壤肥力起到改善作用，進(jìn)而又促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)[21]。

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Changes of vegetation characteristics and soil properties in Mu Us Sandy Land by aerial seeding afforestation

QIAN Zhou1, YU Yuan-chun1, YU Xiao-peng1, GAO Han-dong1, LV Rong2, ZHANG Wen-ying3
(1.College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China; 2. Forestry Bureau of Ordos, Ordos 017000, Inner Mongolia, China; 3. Forestry Workstation of Baotou, Baotou 014030, Inner Mongolia, China)

As an important mean of desertification vegetation recovery, aerial seeding afforestation has been widely used in the desertif i cation control project. The changes of vegetation characteristics and soil properties in Mu Us Sandy Land by aerial seeding afforestation in Inner Mongolia Autonomous Region were studied. The results reveal that in the process of vegetation restoration,the vegetation cover, species density, aboveground biomass and underground biomass increased signif i cantly; In the fi rst 5 years of vegetation restoration, the annual growth of vegetation cover and species density were 5.87% and 8.20 trees/m2, the aboveground biomass and underground biomass of vegetation increased to 295.33 g/m2and 579.00 g/m2respectively; After 17 years revegetation, the aboveground biomass and underground biomass of vegetation reached 963.83 g/m2and 1741.67 g/m2respectively; At the same time,the sand grain content of 0～10 cm soil dropped from 94.90% to 57.95%, the content of coarse silt increased from 3.33% to 29.22% and physical clay increased from 1.77% to 12.83%; Besides, the soil bulk density dropped from 1.48 g/cm3to 1.44 g/cm3; The organic matter,total N, hydrolysable N, available P and available K increased by 700.54%, 254.55%, 248.33%, 234.84% and 203.30% respectively;Indeed, the soil physicochemical property improved greatly, especially in the surface soil. The correlation analysis shows that the vegetation cover, species density, aboveground biomass and underground biomass had significant positive correlation with the soil organic matter, total N, hydrolysable N, available P, available P, coarse silt and physical clay (p＜ 0.05) in 0～20 cm, but the signif i cant negative correlation with the soil bulk density and sand (p＜0.05 ). The findings indicate that there was an interaction between vegetation and soil in the process of vegetation restoration.

Mu Us Sandy Land; aerial seeding afforestation; vegetation restoration; vegetation characteristics; soil property change

2013-10-23

國(guó)家林業(yè)局“948”引進(jìn)項(xiàng)目(2008-4-22)；內(nèi)蒙古林業(yè)廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2010-01)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD)資助

錢 洲（1987-），男，江蘇江陰人，碩士研究生，主要從事水土保持方面的研究；E-mail：qianzhou0827@163.com

俞元春（1961-），男，江蘇南京人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事森林土壤方面的研究；E-mail：ycyu@njfu.com.cn

S728.4

A

1673-923X(2014)04-0102-06

[本文編校：文鳳鳴]