人工與自然恢復(fù)方式對(duì)流動(dòng)沙地土壤與植被特征的影響

劉任濤, 朱 凡

(1.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，

寧夏 銀川 750021; 2.巴伊蘭大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 以色列 拉馬特甘 5290002)

人工與自然恢復(fù)方式對(duì)流動(dòng)沙地土壤與植被特征的影響

劉任濤1,2, 朱 凡1

(1.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，

寧夏 銀川 750021; 2.巴伊蘭大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 以色列 拉馬特甘 5290002)

摘要：[目的] 分析不同固沙措施對(duì)土壤—植被系統(tǒng)恢復(fù)的生態(tài)效應(yīng)，為該地區(qū)沙化草地選取合理的固沙措施、草場(chǎng)管理與利用以及沙漠化治理提供依據(jù)。 [方法] 以寧夏地區(qū)鹽池沙地圍封自然恢復(fù)草地和灌叢人工固沙林地為研究對(duì)象，以周圍流動(dòng)沙地為對(duì)照，對(duì)不同處理措施樣地土壤性質(zhì)和地表植被特征進(jìn)行調(diào)查。 [結(jié)果] (1) 兩種恢復(fù)措施均能夠顯著增加土壤黏粉粒含量、土壤有機(jī)碳和全氮含量(p<0.001)，降低土壤溫度、容重和含水量(p<0.05)，并顯著提高草本植物豐富度、個(gè)體數(shù)和平均高度(p<0.05)。(2) 自然圍封草地土壤黏粉粒含量、草本植物個(gè)體數(shù)和豐度分別是人工灌叢林地的2.1，2.8，1.4倍；而其土壤含水量下降幅度是人工灌叢固沙林地的1.7倍。人工灌叢固沙林地土壤有機(jī)碳、全氮含量以及草本植物平均高度分別是自然恢復(fù)草地的2.1，2.0，2.2倍；而其土壤容重下降幅度是自然恢復(fù)草地的2.5倍。 (3) 隨著流動(dòng)沙地固定和草本植被恢復(fù)，植物群落以一年生草本植物為特征逐漸演替到以一年生草本植物為主且伴生有多年生植物的草地生態(tài)系統(tǒng)。但一年生和多年生植物個(gè)體數(shù)和物種數(shù)自然恢復(fù)草地均明顯高于人工灌叢固沙林地。 [結(jié)論] 圍封自然恢復(fù)對(duì)于寧夏地區(qū)鹽池沙地土壤質(zhì)地與植被系統(tǒng)穩(wěn)定性的恢復(fù)質(zhì)量?jī)?yōu)于灌叢人工恢復(fù)措施，人工灌叢固沙因其能夠有效改良土壤營(yíng)養(yǎng)條件亦可作為重要輔助恢復(fù)手段。

關(guān)鍵詞：自然恢復(fù); 人工固沙; 土壤; 植被; 流動(dòng)沙地; 生態(tài)效應(yīng)

在中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)，由于人類活動(dòng)干擾和氣候因素的雙重影響，大面積草地發(fā)生沙漠化[1]。具體表現(xiàn)為生產(chǎn)力下降、生物多樣性喪失、土壤沙化、生態(tài)環(huán)境惡化等，實(shí)質(zhì)上是土壤一植被一土壤生物系統(tǒng)的退化過(guò)程[2]。目前，在生產(chǎn)實(shí)踐中采取圍欄封育自然恢復(fù)或者種植灌叢進(jìn)行人工固沙等各種措施，來(lái)治理沙漠化、恢復(fù)草地植被和提高草地生產(chǎn)力，改善草地環(huán)境[1]。但是，不同的固沙恢復(fù)措施所采用的具體方法不同，將對(duì)退化草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的生態(tài)效應(yīng)和恢復(fù)效果產(chǎn)生不同的影響[3]。所以，研究沙質(zhì)草地兩種主要恢復(fù)措施(即圍封自然恢復(fù)與種植灌叢人工恢復(fù))對(duì)流動(dòng)沙地土壤性質(zhì)和植被群落的影響，對(duì)于揭示區(qū)域沙化草地土壤—植被系統(tǒng)恢復(fù)效果、草場(chǎng)管理、沙漠化防治等均具有重要的理論與實(shí)踐意義。近些年來(lái)，關(guān)于采取固沙恢復(fù)措施對(duì)流動(dòng)沙地土壤—植被系統(tǒng)影響的研究開(kāi)展較多。張金鵬[4]和趙哈林等[5]分別在呼倫貝爾沙地和科爾沁沙地開(kāi)展了退化草地退化進(jìn)行圍欄封育后土壤與植被特征的變化研究。結(jié)果表明，圍欄封育可以促進(jìn)草地植被的正向演替速度，草本植物高度、密度、蓋度、地下根量等顯著提高[4]。王占軍等[6]、蔣齊等[7]和趙哈林等[8]分別在毛烏素沙地及其南緣和科爾沁沙地開(kāi)展了人工種植灌叢對(duì)流沙土壤和植被特征的影響及其固沙效應(yīng)。結(jié)果表明，人工植被恢復(fù)技術(shù)包括栽種冰草、錦雞兒、黃柳等固沙植物，可以快速提高植被覆蓋度，增加地表粗糙度，降低貼地面風(fēng)速，減少風(fēng)沙流對(duì)地表的吹蝕，有利于多種生物的活動(dòng)和繁衍，促進(jìn)土壤的形成，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤肥力，達(dá)到快速防風(fēng)阻沙、固沙的目的[3,6-8]。綜合分析表明，圍封自然恢復(fù)與種植灌叢人工恢復(fù)兩種主要措施均可以有效固定流沙，改良土壤性質(zhì)與恢復(fù)地表植被[9-10]。在寧夏自治區(qū)鹽池沙地，大面積種植灌木人工林被廣泛應(yīng)用于治沙實(shí)踐中進(jìn)行流沙固定與植被恢復(fù)，并由此相繼開(kāi)展了一系列關(guān)于人工林固沙對(duì)土壤性質(zhì)[7]、植被恢復(fù)[6]以及節(jié)肢動(dòng)物群落[11]等方面的研究。同時(shí)，自2003年以后在全縣范圍內(nèi)進(jìn)行退牧還草工程項(xiàng)目建設(shè)，目前圍欄封育草場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)形成，流動(dòng)沙地得到固定，草地植被覆蓋度增加了20%[12]。但是，關(guān)于人工林固沙與自然圍封恢復(fù)措施對(duì)土壤和植被特征的影響比較，以及對(duì)沙質(zhì)草地的恢復(fù)效果及其生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)的報(bào)道較少。鑒于此，在寧夏自治區(qū)鹽池沙地選取圍封自然恢復(fù)草地與人工檸條灌叢恢復(fù)草地為研究樣地，以周圍流動(dòng)沙地為對(duì)照，通過(guò)調(diào)查不同處理樣地土壤性質(zhì)和地表植被特征，旨在揭示不同固沙恢復(fù)措施對(duì)沙化草地土壤—植被系統(tǒng)的恢復(fù)效果，為該地區(qū)沙化草地采取合理的固沙措施、草場(chǎng)管理與利用以及沙漠化治理提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究地區(qū)概況

研究樣地位于寧夏自治區(qū)鹽池縣城東北部10 km處(37°49′N，107°30′E)。該區(qū)域?qū)儆谥袦貛О敫珊祬^(qū)，年平均氣溫7.7 ℃，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2 751.7 ℃。年降水量為280 mm，主要集中在7—9月，占全年降水量的60%以上，且年際變率大，年蒸發(fā)量2 710 mm。年無(wú)霜期為120 d。年平均風(fēng)速2.8 m/s，冬春風(fēng)沙天氣較多，每年5 m/s以上的揚(yáng)沙達(dá)323次。地帶性土壤主要有黃綿土與灰鈣土(淡灰鈣土)；非地帶性土壤主要有風(fēng)沙土、鹽堿土和草甸土等，其中風(fēng)沙土在中北部分布廣泛。研究樣地土壤為風(fēng)沙土。草本植被以沙米(Agriophyllumarenarium)、白草(Pennisetumflaccidun)、沙蒿(Artemisiasalsolodes)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、豬毛菜(Salsolacollina)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、牛枝子(Lespedezapataninii)、草木犀狀黃芪(Astragalusmelilttoides)、牛心樸子(Cynanchummongolicum)等適應(yīng)沙區(qū)生長(zhǎng)的沙生植物為主。灌叢主要包括檸條(Caraganaspecies)，油蒿(Artemisiaordosica)，花棒(Hedysarumscoparium)等。

1.2　研究方法

選擇土壤、地形基本一致且處于圍欄封育狀態(tài)的自然恢復(fù)草地和人工檸條灌叢林地為研究樣地(兩者均已封育16 a)，以周圍流動(dòng)沙地為對(duì)照，各有3個(gè)重復(fù)。在流動(dòng)沙地和自然恢復(fù)草地中各設(shè)置5個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)，在灌叢林地中標(biāo)記4株灌叢(間隔5～8 m)作為調(diào)查樣點(diǎn)。在每個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)，采用樣方法進(jìn)行地表草本植被特征調(diào)查，包括物種數(shù)、個(gè)體數(shù)、高度。同時(shí)在每個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)，利用環(huán)刀(100 cm3)取土樣進(jìn)行土壤容重測(cè)定，利用土鉆另取1混合土樣用于土壤機(jī)械組成、全氮、有機(jī)碳、含水量測(cè)定。在上述調(diào)查前，用溫度計(jì)測(cè)定0—10 cm土層溫度，連續(xù)測(cè)定3 d，取平均值。調(diào)查時(shí)間為2012年7—8月。土壤容重采用環(huán)刀法，土壤機(jī)械組成采用MS 2000激光粒度儀馮爾文法，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱法，土壤全氮采用開(kāi)氏定氮法(意大利產(chǎn)DK6,UDK140分析儀)，土壤含水量采用稱重法進(jìn)行測(cè)定。具體測(cè)定方法參考文獻(xiàn)[13]。

利用one-way ANOVOA進(jìn)行方差分析和post hoc多重比較，統(tǒng)計(jì)分析前先進(jìn)行正態(tài)分布性檢驗(yàn)。采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析地表植被特征與土壤性質(zhì)間的相關(guān)性。所有統(tǒng)計(jì)處理采用SPSS 15.0軟件進(jìn)行，在p<0.05水平上進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1　土壤性質(zhì)

從表1可以看出，圍封自然恢復(fù)和人工灌叢林固沙均對(duì)流動(dòng)沙地土壤性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響，土壤黏粉粒、土壤全氮和有機(jī)碳含量顯著增加(p<0.001)，而土壤溫度、土壤含水量和容重顯著降低(p<0.05)。但不同恢復(fù)方式對(duì)流動(dòng)沙地土壤性質(zhì)的影響程度不同。相對(duì)于流動(dòng)沙地，自然圍封恢復(fù)草地和人工灌叢固沙林土壤黏粉粒含量分別增加23倍和10倍，土壤有機(jī)碳含量分別增加2.6倍和6倍，土壤全氮含量分別增加1.3倍和4倍。但是，兩種恢復(fù)方式下流動(dòng)沙地土壤含水量下降幅度均比較大，自然恢復(fù)和人工灌叢固沙分別下降了82.9%和48.2%；其次是土壤溫度，分別下降了29.7%和22.9%；而土壤容重下降幅度較小，分別下降了3.4%和8.5%。綜合分析，自然圍封恢復(fù)措施對(duì)土壤粒徑組成、土壤含水量和表層土壤溫度的影響較大，而人工灌叢固沙恢復(fù)措施對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮含量以及土壤容重的影響較大。

表1　不同處理樣地土壤基本特性

注：數(shù)值為測(cè)定值±標(biāo)準(zhǔn)差； 同列不同字母表示顯著差異(p<0.05)。下同。

2.2　地表植被

2.2.1植物群落組成與種群分布從表2可以看出，流動(dòng)沙地以沙米為優(yōu)勢(shì)種，個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的89%之多，而兩種恢復(fù)方式均促使地表植物群落組成發(fā)生了顯著變化。自然恢復(fù)草地以豬毛蒿為主，伴生有砂藍(lán)刺頭、蟲(chóng)實(shí)、地錦、叉枝丫蔥和中亞百草等植物種，其個(gè)體數(shù)占其總個(gè)體數(shù)的86%。人工灌叢固沙林地以豬毛蒿和賴草為主，伴生有砂藍(lán)刺頭、豬毛菜、地錦和山苦荬等植物種，其個(gè)體數(shù)占其總個(gè)體數(shù)的87%。其中，流動(dòng)沙地只有一年生植物，人工固沙林有14種一年生植物與7種多年生植物，而自然恢復(fù)草地除了17種一年生植物外，還有9種多年生植物。

2.2.2群落數(shù)量特征從圖1可以看出，隨著流動(dòng)沙地固定和草地植被恢復(fù)，植物平均個(gè)體數(shù)、豐富度和高度均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。但不同恢復(fù)方式對(duì)植物群落數(shù)量特征的影響程度不同，表現(xiàn)為自然圍封恢復(fù)草地和人工灌叢固沙林地植物平均個(gè)體數(shù)分別是流動(dòng)沙地的8.8和3.1倍，植物豐富度分別是流動(dòng)沙地的6.2和4.2倍，而植物平均高度則分別是流動(dòng)沙地的1.4倍和3.1倍。自然圍封措施對(duì)植物平均個(gè)體數(shù)和豐富度的恢復(fù)要憂于人工灌叢固沙措施，而對(duì)植物平均高度的影響要小于人工灌叢林固沙措施。從表1也可以看出，一年生植物密度表現(xiàn)為自然恢復(fù)草地顯著高于人工灌叢固沙林地(p<0.05)，二者均顯著高于流動(dòng)沙地(p<0.05)。多年生植物密度表現(xiàn)為自然恢復(fù)草地顯著高于人工灌叢固沙林地(p<0.05)，而流動(dòng)沙地?zé)o多年生植物個(gè)體出現(xiàn)。

表2　不同處理樣地植物種群密度分布

注：砂藍(lán)刺頭(Echinopsgmelinii)，賴草(Legmussecabinus)，阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)，細(xì)弱隱子草(Cleistogenesgracilis)，狗尾草(Setariaviridis)，草木樨狀黃芪(Astragalusmelilotoides)，遠(yuǎn)志(Polygalatenuifolia)，蟲(chóng)實(shí)(Corispermumdeclinatum)，米口袋(Gueldenstaedtiaverna)，乳漿大戟(Euphorbiaesula)，地錦(Parthenocissustricuspidata)，山苦荬(Ixerischinensis)，稗草(Echinochloacrusgalli)，砂珍棘豆(Oxytropisracemosa)，沙蔥(Alliummongolicum)，叉枝鴉蔥(Scorzoneradivaricata)，中亞白草(Pennisetumcentrasiaticum)，菟絲子(Cuscutachinensis)，老瓜頭(Cynanchummongolicum)，貓頭刺(Oxytropisaciphylla)。

圖1　不同處理樣地植物群落密度、豐富度和高度分布

2.3　土壤性質(zhì)與植物群落間的相關(guān)性

表3為研究區(qū)土壤與植物數(shù)量特征間的相關(guān)系數(shù)。從表3可以看出，地表植物個(gè)體數(shù)與土壤細(xì)沙含量、土壤含水量和土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，而與土壤黏粉粒呈極顯著正相關(guān)(p<0.001)。地表植物物種豐富度與土壤土壤含水量(p<0.05)和土壤溫度呈負(fù)相關(guān)(p<0.01)，而與土壤黏粉粒呈正相關(guān)(p<0.05)。地表植物平均高度與土壤有機(jī)碳和全氮含量呈正相關(guān)(p<0.05)。

表3　土壤與植物數(shù)量特征間的相關(guān)系數(shù)

注：*表示在p<0.05水平顯著相關(guān)，**表示在p<0.01水平顯著相關(guān)，*** 表示在p<0.001顯著相關(guān)。

3討論與結(jié)論

在流動(dòng)沙地采取圍欄封育和人工種植灌叢林等措施均被認(rèn)為是固定流沙、恢復(fù)沙化草地生態(tài)系統(tǒng)的有效手段[6-7,14-15]。在寧夏自治區(qū)鹽池沙地?zé)o論是圍封后自然恢復(fù)，還是人工種植檸條灌叢固沙，均對(duì)沙化草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)產(chǎn)生非常重要的積極作用，表現(xiàn)為土壤粗化度降低、黏粉粒含量增加，土壤養(yǎng)分含量顯著增加，土壤性質(zhì)明顯改善，同時(shí)植物個(gè)體數(shù)和物種豐富度增加。在圍欄封育后，鹽池沙地在280 mm年均降雨量的氣候條件下，排除人為干擾，地表植被的自然恢復(fù)可以有效減少土壤風(fēng)蝕、固定沙地，而植物根系的生長(zhǎng)可以進(jìn)一步促進(jìn)土壤養(yǎng)分的增加和土壤性質(zhì)的改良，如植物根系的定居生存可以降低土壤容重，這與Su等[14]在科爾沁沙地與蔣齊[7]在寧夏自治區(qū)鹽池沙地的研究結(jié)果相吻合。同樣，與流動(dòng)沙地相比，人工灌叢林地土壤有機(jī)碳和全氮含量顯著提高，除了植物豐富度和個(gè)體數(shù)顯著增加外，植物高度亦顯著增加，這與王占軍等[6]和蔣齊等[7]的研究結(jié)果一致。特別是在流動(dòng)沙地檸條灌叢形成“肥島”產(chǎn)生資源島效應(yīng)，加速土壤改良與流沙固定，可以有效促進(jìn)地表植被恢復(fù)[14,16]。相對(duì)于流動(dòng)沙地，兩種恢復(fù)措施下土壤含水量均顯著降低。由于流動(dòng)沙地具有表層的干沙層可以有效阻擋下層土壤水分的蒸發(fā)，因此流動(dòng)沙地土壤水分較高，但是隨著流動(dòng)沙地的固定，土壤含水量均急劇下降，這與地表蒸發(fā)量增加、地表植被蒸騰耗水密切相關(guān)[15]，而地表植被的恢復(fù)和覆蓋度的增加將有效的降低表層土壤溫度[15]。

目前，草地圍欄封育自然恢復(fù)，是人類有意識(shí)調(diào)節(jié)草地生態(tài)系統(tǒng)中草食動(dòng)物與植物關(guān)系，進(jìn)行草地管理的有效手段。由于其投資少，已成為當(dāng)前退化草地恢復(fù)與重建的重要措施之一[3]。人工灌叢植被通過(guò)形成“肥島”和“蟲(chóng)島”以及參與生態(tài)系統(tǒng)演替過(guò)程，能夠形成適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的、改變當(dāng)?shù)匦夂颉⒕哂凶晕艺{(diào)節(jié)能力的穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，能夠快速固定流沙、增加地表覆蓋度而受到歡迎[16]。但是，不同固沙恢復(fù)措施對(duì)流動(dòng)沙地可能產(chǎn)生不同的生態(tài)效應(yīng)[3]，而評(píng)價(jià)與選擇最適合當(dāng)?shù)厣郴莸刂卫韺?shí)際的恢復(fù)模式已成為是當(dāng)前繼續(xù)迫切解決的重大科學(xué)問(wèn)題。

本研究中自然圍封恢復(fù)草地與人工固沙灌叢林對(duì)土壤性質(zhì)的恢復(fù)效果不同，這與2種恢復(fù)措施樣地地表植被覆蓋恢復(fù)及其生態(tài)效應(yīng)密切相關(guān)。相對(duì)于人工灌叢林地，自然圍封恢復(fù)草地土壤風(fēng)蝕降低、較多的一年生和多年生草本植物個(gè)體和物種分布，是主要影響因素。土壤性質(zhì)與植物群落數(shù)量特征間相關(guān)性分析證明了這一點(diǎn)。自然圍封恢復(fù)草地每年大量草本植物根系死亡并歸還土壤，特別是一年生植物補(bǔ)充土壤，促進(jìn)土壤黏粉粒的增加、土壤質(zhì)地的改善，這與Su等[14]和Liu等[15]在科爾沁沙地的研究結(jié)果相一致。檸條人工灌叢林地中，盡管灌叢本身能夠防風(fēng)固沙，促進(jìn)流動(dòng)沙地固定和退化草地系統(tǒng)恢復(fù)[8]，但由于灌叢與草本植物間存在著對(duì)干旱、缺水、缺肥等有限資源條件的激烈競(jìng)爭(zhēng)[17]，相對(duì)于灌叢來(lái)說(shuō)，草本植物的生長(zhǎng)處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)。所以，相對(duì)于人工灌叢林地來(lái)說(shuō)，自然圍封恢復(fù)草地對(duì)土壤黏粉粒的影響要高于人工灌叢林固沙措施，具有相對(duì)較高的地表植被密度和物種豐度，說(shuō)明自然恢復(fù)草地有利于土壤質(zhì)地的改善和草本植物多樣性的提高。同時(shí)，相對(duì)于人工灌叢林地來(lái)說(shuō)，自然恢復(fù)草地中較多草本植被的分布及較高的草本植被覆蓋度亦較大幅度的降低了表層土壤溫度[15]。相關(guān)性分析結(jié)果表明土壤溫度與植物個(gè)體數(shù)與豐度呈顯著負(fù)相關(guān)。實(shí)測(cè)到檸條灌叢林地中灌叢間植被覆蓋度較低，土壤溫度相對(duì)較高可能是灌叢林地相比于自然恢復(fù)草地土壤溫度下降幅度較小的原因之一。

土壤含水量作為土壤重要的理化指標(biāo)，不僅是對(duì)氣候變化較為敏感的環(huán)境因子，也是制約沙區(qū)植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子[1]。土壤含水量受多種因素的影響，其中降水分布、地上植被、土壤類型、人為干擾等均能對(duì)土壤含水量變化產(chǎn)生影響[18]。因此，有關(guān)土壤含水量的研究對(duì)于揭示沙化草地恢復(fù)過(guò)程有重要意義。在自然恢復(fù)草地中，更多淺根性草本植物生存也意味著消耗更多的土壤水分，相對(duì)流動(dòng)沙地，自然恢復(fù)草地土壤水分下降更多。而檸條灌叢具有莖流而產(chǎn)生集流，除了灌叢本身截留和穿透雨外，其莖流則可以有效提高降雨的利用效率[19]，同時(shí)，檸條灌叢本身發(fā)達(dá)的深根性系統(tǒng)在固定流動(dòng)沙地的過(guò)程中，在充分利用資源的同時(shí)保持了較高的土壤含水量[7]，這對(duì)于沙化草地水位循環(huán)過(guò)程及其恢復(fù)進(jìn)程具有重要的作用。相對(duì)于自然恢復(fù)草地，人工檸條灌叢林地土壤水分下降幅度較低，這與蔣齊等[7]人的研究結(jié)果相似。土壤容重作為反映土壤緊實(shí)程度的重要物理指標(biāo)，在表征土壤物理性質(zhì)變化方面發(fā)揮著重要作用。本研究中，相對(duì)于自然恢復(fù)草地，在同樣長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，人工灌叢林地土壤容重下降更多，這一方面說(shuō)明檸條灌叢可以快速改善土壤物理結(jié)構(gòu)，這主要和檸條本身的發(fā)達(dá)根系分布密切相關(guān)[8]。同時(shí)也說(shuō)明了16 a的圍封時(shí)間對(duì)于沙化草地系統(tǒng)自然恢復(fù)來(lái)說(shuō)，土壤結(jié)構(gòu)的變化是個(gè)由急到緩的過(guò)程[4]。隨著容重的逐漸降低，土壤孔隙度增加，其地表土層的保水保肥能力逐步提高，為植物利用土壤資源創(chuàng)造了良好條件，進(jìn)而將會(huì)促進(jìn)了土壤的進(jìn)一步恢復(fù)[1]。

土壤有機(jī)碳是動(dòng)植物殘?bào)w經(jīng)土壤動(dòng)物和土壤微生物共同作用而形成的高分子膠體物質(zhì)，在干旱草原中其主要來(lái)源是根系的死亡和分解[20]，其含量水平是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一。大量研究[1]表明，在干早半干旱區(qū)中，隨著草地風(fēng)蝕的加劇，其土壤養(yǎng)分快速流失，其中土壤有機(jī)碳的損失是直接導(dǎo)致其土壤貧瘠化的重要原因。因此有關(guān)不同恢復(fù)模式沙化草地中土壤有機(jī)碳方面的研究，對(duì)于揭示土壤養(yǎng)分恢復(fù)狀況及土壤發(fā)育情況有重要意義。本研究中，相對(duì)于自然恢復(fù)草地，人工灌叢林地土壤有機(jī)碳含量增加的幅度較大。說(shuō)明寧夏自治區(qū)鹽池沙化草地人工種植灌叢后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的恢復(fù)，土壤有機(jī)碳含量的積累速率高于采用自然恢復(fù)措施，對(duì)于該地區(qū)沙化草地的恢復(fù)治理有重要指示作用[3]。這與呼倫貝爾沙地不同恢復(fù)治理模式研究中灌叢林土壤有機(jī)碳增加幅度最大的結(jié)果[4]相吻合，但與黃土高原人工種植喬木林和自然恢復(fù)的研究結(jié)果[3]相悖。Zhao等[3]研究了近60 a來(lái)黃土高原人工植樹(shù)造林和植被自然恢復(fù)方式下1 m深度土層有機(jī)碳積累和無(wú)機(jī)碳遷移轉(zhuǎn)化的差異，發(fā)現(xiàn)和人工植樹(shù)造林相比，植被自然恢復(fù)更有利于黃土高原表層土壤有機(jī)碳的積累。這可能與沙地和黃土高原具有不同的土壤基質(zhì)、氣候條件以及土壤退還過(guò)程及其內(nèi)在機(jī)制有關(guān)[21]。同樣，土壤全氮含量亦表現(xiàn)為人工灌叢林地增加的幅度要高于自然恢復(fù)草地，這與灌叢本身的生物學(xué)、生理生態(tài)學(xué)[8]特性有關(guān)。檸條灌叢屬于豆科灌叢，其根系分布的根瘤菌具有一定的固氮作用。從土壤水分、容重、有機(jī)碳和全氮含量的變化情況來(lái)看，人工灌叢固沙林地對(duì)土壤的改良效應(yīng)，呈現(xiàn)出“肥島”現(xiàn)象[8]，可能更有利于在灌叢林地間進(jìn)行牧草補(bǔ)播[6-7]，作為促進(jìn)草地有效恢復(fù)的補(bǔ)充措施。

除了對(duì)土壤性質(zhì)和草本植被特征產(chǎn)生較大影響外，不同恢復(fù)措施對(duì)于草本植物物種組成亦產(chǎn)生較大影響。流動(dòng)沙地實(shí)施不同的恢復(fù)措施后，由于外界干擾源的減少或消除，流動(dòng)沙地的固定、生境逐漸穩(wěn)定化，群落自身的再生能力和修復(fù)能力得以恢復(fù)，為群落中己經(jīng)消退的物種再次侵入和群落演替創(chuàng)造了良好的條件[6]。在流動(dòng)沙地，先鋒固沙植物沙米在極端貧乏的養(yǎng)分條件下，利用其寡養(yǎng)型植物的特性，適應(yīng)并成功定居密集生長(zhǎng)，提高了基質(zhì)表面的環(huán)境穩(wěn)定性，為伴生種如賴草、狗尾草等的侵入創(chuàng)造了條件[1]。但受到嚴(yán)酷自然條件的限制，在該樣地中尚無(wú)多年生植物群落出現(xiàn)。在人工灌叢固沙林地中，草本植被以豬毛蒿、賴草為主，伴生有砂藍(lán)刺頭、豬毛菜、阿爾泰狗娃花、細(xì)弱隱子草、乳漿大戟、山苦荬等一年生植物和少量多年生植物如苦豆子與叉枝丫蔥等。在自然圍封恢復(fù)草地中，草本植被以豬毛蒿為主，除了伴生有砂藍(lán)刺頭、蟲(chóng)實(shí)、地錦等一年生植物外，還出現(xiàn)了較多個(gè)體數(shù)的叉枝丫蔥、中亞白草、和砂珍棘豆、牛枝子等一些多年生豆科植物。從群落穩(wěn)定性來(lái)看，自然圍封草地多年生植物的個(gè)體數(shù)顯著高于人工灌叢固沙林地，而且多年生草本植物種類亦較多，這些均說(shuō)明了自然圍封恢復(fù)草地要比人工灌叢林固沙林地對(duì)沙化草地植被系統(tǒng)穩(wěn)定性的恢復(fù)較有明顯的優(yōu)勢(shì)[6]。但這與呼倫貝爾沙地采用圍封+草方格沙障+人工播種組合恢復(fù)措施(播種組合為冰草+羊柴+小葉錦雞兒+小麥，播量比為1∶1∶1∶1) 要優(yōu)于自然圍封恢復(fù)措施的結(jié)果[4]不完全一致。說(shuō)明在寧夏自治區(qū)鹽池沙地除了進(jìn)行人工種植灌叢外，在灌叢間進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪敛萜贩N補(bǔ)播可能是進(jìn)行沙化草地有效恢復(fù)的重要補(bǔ)充[11]。

綜合分析表明，圍封自然恢復(fù)對(duì)土壤質(zhì)地、土壤含水量以及草本植被個(gè)體數(shù)和物種分布影響較大，而人工灌叢林固沙對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮、容重以及草本植被的高度影響較大。相對(duì)于人工灌叢恢復(fù)，自然恢復(fù)草地具有較多的多年生植物分布而具有相對(duì)較高的土壤—植被系統(tǒng)穩(wěn)定性。研究表明，圍封自然恢復(fù)對(duì)于土壤—植被系統(tǒng)的恢復(fù)質(zhì)量?jī)?yōu)于灌叢人工恢復(fù)，而人工灌叢固沙林改善土壤營(yíng)養(yǎng)條件利于林間牧草補(bǔ)播的，成為一種重要輔助手段。

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Effects of Artificial Revegetation and Natural Restoration on Soil and Vegetation Properties in Desert Land

LIU Rentao1,2, ZHU Fan1

(1.MinistryofEducationKeyLaboratoryforRestorationandReconstructionofDegradedEcosysteminNorthwesternChina,NingxiaUniversity,Yinchuan，Ningxia750021,China; 2.TheMina&EverardGoodmanFacultyofLifeSciences,Bar-IlanUniversity,Ramat-Gan5290002,Israel)

Abstract：[Objective] Ecological effects of different measures of revegetation and sand fixation on soil-vegetation system were evaluated to provide some theoretical bases for sand fixation and desertification control, grassland management and utilization. [Methods] In desert land of Yanchi County in Ningxia Hui Autonomous Region, a naturally restored grassland and a manually afforested shrub land were selected as sampling sites, the adjacent shifting sand land was taken as control for comparison. Soil properties and vegetation characteristics were sampled and measured. [Results] (1) In addition to herbaceous plant richness, density and height(p<0.05), soil clay plus silt content, soil organic carbon and total nitrogen content(p<0.001) were markedly increased by the both measures. Whereas soil temperature, bulk density and soil moisture decreased(p<0.05). (2) Soil clay plus silt content, herbaceous richness and density in naturally restored grassland were 2.1, 2.8, 1.4 times greater than those of manually afforested shrub land, respectively. The decreasing rate of soil moisture in naturally restored grassland was 1.7 times more than that of manually afforested shrub land. Soil organic carbon and total nitrogen content, and herbaceous height in manually afforested shrub land were 2.1, 2.0 and 2.2 times greater than those in naturally restored grassland, respectively. The decreasing magnitude of soil bulk density in manually afforested shrub land was 2.5 times more than that in naturally restored grassland. (3) Along with the succession and stabilization of shifting sand land, some annual herbaceous plants were gradually replaced by perennial plants. Herbaceous individual numbers and species richness of both annual and perennial plants were remarkably high in naturally restored grassland in comparison with the corresponding values of manually afforested shrub land. [Conclusion] Naturally restored management overmatched manually afforested management on the stability recovery of vegetation-soil system. The manually afforested management could be considered as an important supplementary way with efficient fertility improvement in desert ecosystems of Yanchi County in Ningxia Hui Autonomous Region.

Keywords:naturally restored management; manually afforested management; soil; vegetation; shifting sand land; ecological effect

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0001-07

中圖分類號(hào)：S154.5

收稿日期：2014-09-25修回日期：2014-11-21

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“荒漠草原土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性及分布對(duì)降雨變化的響應(yīng)”(41101050)； 高校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)基金(20126401110003)； 國(guó)家留學(xué)基金委與巴伊蘭大學(xué)聯(lián)合基金項(xiàng)目； 中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(KLDD-2014-003)

第一作者：劉任濤(1980—),男(漢族),河南省鄧州市人,博士,副研究員,主要從事荒漠生態(tài)學(xué)與土壤生態(tài)學(xué)相關(guān)研究。E-mail:liubarilanu@gmail.com。

試驗(yàn)研究