流沙地表層土壤化學性質對免灌造林的響應——以古爾班通古特沙漠明渠防護林為例

馬學喜, 李生宇, 靳正忠

(1.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所, 新疆 烏魯木齊 830011; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

流沙地表層土壤化學性質對免灌造林的響應——以古爾班通古特沙漠明渠防護林為例

馬學喜1,2, 李生宇1, 靳正忠1

(1.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所, 新疆 烏魯木齊 830011; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

摘要：[目的] 在免灌造林措施下，研究不同種植年限梭梭林下土壤化學性質的變化，為防護林生態(tài)工程建設提供理論依據(jù)。 [方法] 對古爾班通古特沙漠明渠無灌溉條件下防護林地表層的土壤化學性質進行測定，分析林地土壤的結皮層、0—10 cm層，10—20 cm層土壤鹽分和養(yǎng)分的動態(tài)變化規(guī)律。[結果] 建立梭梭防護林后土壤的pH值和全鹽量均高于流沙地，土壤堿化趨勢比較明顯;隨種植年限的增加，各層土壤pH值和全鹽量均表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，8大離子的含量呈增加的趨勢，土壤pH值、全鹽量和8大離子由表層向下遞減。隨種植年限的增加，各層土壤有機質含量先增加后緩慢減小，土壤全N，P和速效P，K呈現(xiàn)總體增加，全K呈減小的趨勢，速效N呈先增加后減小的趨勢，同樣有向下驟減的趨勢。 [結論] 防護林建設有利于風沙土的發(fā)育，土壤質量狀況逐年改善。

關鍵詞：種植年限; 防護林; 古爾班通古特沙漠； 土壤化學性質

干旱和土地荒漠化是全球面臨的世紀性問題之一，在所有自然災害中，由干旱造成的損失遠大于其他的自然災害。尤其在中國西部，干旱更是限制植物生長和經濟發(fā)展的重要因素。因此，在中國西部地區(qū)進行開發(fā)建設過程中，通過對荒漠化的防治以改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，是首先需要解決的一個重大課題[1]。古爾班通古特沙漠是中國最大的固定與半固定沙漠，屬于溫帶干旱荒漠氣候，年降水量70～100 mm，生態(tài)環(huán)境極其脆弱[2-3]。近20 a來，伴隨著大規(guī)模、高強度的工程建設，該區(qū)域植物群落和物種開始減少，生物多樣性開始下降，土壤化學性狀開始劣變，使得原本就已經十分脆弱的生態(tài)環(huán)境面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。為了阻止這種趨勢繼續(xù)發(fā)展并且最大可能地恢復已經被破壞的生態(tài)環(huán)境，該區(qū)已經開展了一系列的人工造林活動。但在荒漠地區(qū)，由于環(huán)境較惡劣，科研工作者總是試圖找出一些特殊的理論和方法來指導荒漠化防治進程中的關鍵技術。目前，最受人們關注的當屬免灌條件下的植物固沙試驗，因為免灌造林是恢復與重建退化荒漠植被的重要和有效途徑之一。

明渠周圍擾動帶的生態(tài)恢復是北疆生態(tài)穩(wěn)定和正常引水的基礎。由于明渠兩側風蝕風積現(xiàn)象十分嚴重，其兩側免灌人工防護林的建設一直受到許多學者的關注[4-5]。一般認為在流沙地營造防護林，既可防止風沙危害，又可改變土壤理化性質，提高土壤肥力，促進土壤演替的加速[6-7]。但在小規(guī)模范圍或者特定區(qū)域，防護林的建設對土壤理化性質的影響尚需進一步的研究，也一直未見在古爾班通古特沙漠建立免灌的梭梭防護林后土壤化學性質變化情況的報道。土壤理化性質作為評級土壤性質的重要指標，缺乏該地區(qū)土壤化學性質的數(shù)據(jù)在一定程度上阻礙了該地區(qū)防護林建設和生態(tài)修復理論的構建。因此，本研究以免灌人工防護林帶內的梭梭林下表層土壤為對象，分析不同定植年限下土壤化學性質的變化，探討免灌人工植被的穩(wěn)定性及對免灌條件的響應，以期揭示沙漠植物在水分匱乏條件下的土壤化學性質變化，并以此判斷防護林建設對當?shù)赝寥阑瘜W性質的影響，預測隨著防護林建設的深入和擴大，古爾班通古特沙漠的土壤性質變化和生態(tài)環(huán)境變化情況，為防護林生態(tài)工程的穩(wěn)定、可持續(xù)利用和維護管理提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于古爾班通古特沙漠南緣，采樣區(qū)地理坐標范圍為44°32′—45°52′N，87°36′—88°17′E。沙丘主要形態(tài)類型為縱向沙壟，長度達數(shù)百米到10 km有余，北走向，高度10～50 m不等。明渠兩側地帶性土壤為白沙巖和淡棕鈣土、風沙土相間分布。氣候屬典型的大陸性干旱、半干旱的沙漠氣候，干旱少雨，光照強烈，冷熱驟變，年平均氣溫15.6 ℃，年日照時數(shù)3 120.5 h，極端最低氣溫-39.5 ℃，極端最高氣溫47 ℃；最大日差32 ℃，多年平均降雨量97.0 mm，多集中于6—9月。冬季有20～30 mm的穩(wěn)定積雪，春季快速消融補給土壤，為植物生長發(fā)育提供良好的水分條件。控制該區(qū)域的風系主要是西風氣流和蒙古高壓形成的NW和NE風系，3—6月為主要風季，其輸沙量占全年總量的69.1%[8]。該區(qū)的地理分布格局和水熱狀況，決定了這里的水平地帶性植被是以超旱生的小喬木、灌木和半灌木為優(yōu)勢種。引水工程于2000年在該區(qū)動工，在、開挖水渠形成了250 m左右寬度的擾動帶。為保護水渠周圍的環(huán)境和防止沙害，在水渠成型后使用1 m×1 m規(guī)格的草方格對兩側的擾動沙面進行固定，并于2001年開始以2 m×2 m間隔栽植了梭梭和沙拐棗，建立草方格和人工林相結合的綜合防護體系。

2研究方法

2.1　采樣方法

2012年5月，在古爾班通古特沙漠南緣的防護林人工植被區(qū)采樣。在種植2～9 a的梭梭防護林帶內分別設置3個典型樣點，調查樣點周圍的植物，同一樣地內樣點間距50 m。每樣點先取結皮層，后開挖20 cm的土壤自然剖面，按0—10(不包含結皮層)和10—20 cm這2個層次采樣，重復3次，渠道北側或東側防護林外無人為干擾區(qū)的自然沙丘樣地作為對照，采樣方法同林地內一致。試驗區(qū)流沙地土壤化學性質組成詳見表1，采樣點立地狀況描述詳見表2。

2.2　指標分析方法

表1　 試驗區(qū)流沙地土壤化學性質

表2　采樣點立地條件描述

注：表中結皮厚度數(shù)據(jù)為平均值+標準差。

2.3　數(shù)據(jù)分析方法

試驗結束后所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 16.0分析軟件的最小顯著數(shù)法LSD(α=0.05)進行顯著性檢驗，采用Excel，Origin Pro 8.0進行數(shù)據(jù)計算處理和制圖。

3結果與分析

3.1　土壤pH值

土壤pH值是土壤重要屬性之一，直接影響著植物的生長和土壤肥力，同時對土壤微生物的活動、有機質的分解等都有密切關系[10]。不同種植年限梭梭防護林土壤pH值如圖1所示。由圖1可以看出，林地土壤表層的pH值均高于流動沙地，均呈堿性，且各層的pH值隨種植年限的增加整體呈增加的趨勢。結皮層土壤pH值隨種植年限的增加總體上表現(xiàn)為先增加后緩慢減小，0—10和10—20 cm的變化趨勢一致，均表現(xiàn)為不規(guī)律的變化。9 a防護林地結皮層、0—10和10—20 cm層pH值分別高出流沙地21.82%，19.04%，18.25%。6 a時各層中pH值增加最顯著(p<0.05)，各層分別是流沙地的1.30，1.27和1.18倍，且各層差異比較顯著(p<0.05)。種植第4~5 a，各層pH值變化均顯著(p<0.05)，結皮層>0—10 cm>10—20 cm。種植8，9 a時pH值隨土層的增加而緩慢增加，0—10和10—20 cm差異不顯著(p>0.05)。

3.2　土壤全鹽量

土壤含鹽量是調查評價土壤鹽漬化程度的指標之一，是限制植物生長的重要因子，土壤全鹽量過高會對植物產生危害，同時鹽分的增加可導致土壤鹽漬化[11-12]。由圖2可知，與梭梭防護林種植前相比，各層全鹽量隨種植年限均有不同程度的增加，變化最顯著的是結皮層，該層土壤的全鹽量隨種植年限總體上表現(xiàn)先增加后減小，在梭梭種植6 a 土壤全鹽量達到了峰值，高于流沙地6.76倍。而0—10和10—20 cm變化的趨勢基本一致，隨種植年限的增加，全鹽含量先逐漸增加后減少，同時也在種植6 a土壤全鹽量達到了峰值，0—10和10—20 cm分別高于流沙地的2.21和0.89倍。不同種植年限梭梭防護林土壤全鹽量由結皮層向下逐漸減少，各層差異比較顯著(p<0.05)，而流沙地結皮層變化比較顯著(p<0.05)，0—10和10—20 cm變化不顯著(p<0.05)。這反映了干旱區(qū)梭梭防護林土壤鹽分在表層集聚的特點。

注：圖中小寫字母表示不同土層之間差異顯著水平(p<0.05)。下同。

圖1研究區(qū)不同年限梭梭防護林土壤pH值變化

圖2　研究區(qū)不同年限梭梭林地土壤全鹽量變化

該區(qū)域梭梭林下表層土壤的含鹽量最高可達1.81 g/kg，但梭梭可以正常生長，這可以為高鹽分土壤的地區(qū)引進梭梭提供依據(jù)。在干旱區(qū)，強烈的蒸發(fā)使土壤里的鹽分聚集在地表，形成結皮層，已有研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的土壤結皮層含鹽量高于下層，根系分布層內的土壤高鹽分會造成植物的生理干旱，但是突發(fā)性強降雨可使結皮層中的鹽分向下淋溶，如果淋溶深度恰好到達植物主要根系分布層，那么這可能導致植物的生長受到抑制甚至引起植物的死亡[13-15]，因此該區(qū)域土壤表層鹽分過高對植物生長不利。

3.3　土壤離子組成分析

圖3　研究區(qū)不同土層各種植年限梭梭土壤離子含量變化

免灌條件下不同定植年限防護林不同層次風沙土各離子含量以結皮層變化最為明顯，結皮層、0—10和10—20 cm 土層各離子含量均表現(xiàn)出隨著防護林定植年限的增加而逐漸增加的趨勢，這種趨勢似乎意味著隨著防護林年限的增加，該地區(qū)土壤因為較高的鹽分會導致其越來越不適合植物生長，這對于繼續(xù)進行防護林的建設十分不利，如果想保持防護林地帶植物生存的有利條件，需要通過采取相應措施來降低土壤中的鹽分含量。

3.4　土壤有機質變化

土壤有機質是土壤中含碳有機化合物的總稱，一般占固相總重量的10%以下，是土壤形成的主要標志[16]。營造人工梭梭林后，土壤有機質發(fā)生了明顯的變化(圖4)。流沙地無植被覆蓋，黃沙裸露，0—10 cm和10—20 cm土層土壤有機質含量普遍偏低，但結皮層有機質含量較高，可能與大氣降塵的不斷積累有關。結皮層有機質含量隨梭梭種植年限表現(xiàn)為雙峰曲線，在種植4 a土壤有機質第1次達到了峰值，之后緩慢減小，在7 a達到了最大值，高于流沙地的1.31倍。而0—10 cm和10—20 cm土層土壤有機質含量隨種植年限表現(xiàn)為單峰曲線，在種植6 a土壤有機質達到了最大值，分別高于流沙地的5.38和5.88倍，表明梭梭防護林枯落物增多，分解加快，腐殖質大量累積，肥力上升，土壤質量有所提高。從土層深度上看，結皮層的有機質含量最大，遠遠高于0—10 cm和10—20 cm土層土壤有機質，0—10 cm和10—20 cm土壤有機質變化的趨勢一致，變化不明顯。這是由于梭梭林表層大量枯落物是土壤有機質的主要來源，也是梭梭林地表層有機質含量高于流沙地、梭梭林有機質含量隨土層深度增加而遞減。

梭梭防護林—土壤系統(tǒng)的演變，地表土壤溫度、水分和微生物繁殖等的改變，加速了土體中的物化反應和礦物分解過程，豐富了植物所需的營養(yǎng)條件[17]。但由于地表受大氣過程(如降塵、降雨等)所攜帶養(yǎng)分的保存及大量植物細根和許多未分解凋落物等在淺表層的聚集，土壤有機質往往呈現(xiàn)出空間上的變異性[18]。防護林通過樹木殘落物是營養(yǎng)物質從生物圈歸還到土壤中，使土壤中的有機質含量增加從而使土壤結構得到改善，土壤抗風蝕的能力同時也得到增加[19]。但由于起風頻繁，表層有機物容易被吹走，所以表層有機物一直處于動態(tài)的變化過程當中，以至于表層有機物變化較大，呈現(xiàn)出無規(guī)律的變化狀態(tài)，但如果從一個總體和較大范圍的趨勢來看，土壤有機質含量隨著防護林種植年限的增加呈遞增趨勢。

圖4　不同種植年限梭梭防護林土壤有機質變化

3.5　土壤氮磷鉀的變化

土壤中氮、磷、鉀含量是土壤肥力的重要標志，是樹木生長所需的3大養(yǎng)分，直接參與樹木的生理活動，同時由于氮素的惰性、磷的難溶和難移動性，氮、磷素成為許多土壤限制植物生長的重要元素[20-21]。營造梭梭防護林后，土壤氮、磷、鉀元素發(fā)生了變化，具體測定結果如圖5所示。全氮在土壤結皮層隨種植年限呈先增加后減小的趨勢，在種植7 a達到最大值，高于流沙地的1.45倍，在0—10 cm和10—20 cm土層土壤全氮隨種植年限先增加后減小，在種植6 a達到了峰值，分別高于流沙地的7.42和6.98倍。從土層來看，全氮含量由高到低表現(xiàn)為：結皮層>0—10 cm>10—20 cm，由于區(qū)域內降雨少，長期得不到雨水淋洗，而該地溫度高，氮素隨水分蒸發(fā)而從土壤中下層向上移動，造成全氮積累在土壤表層，下層氮素得不到補充而隨種植年限增加而降低。土壤全磷結皮層、0—10 cm和10—20 cm均隨種植年限的增加呈先增加后降低又增加的趨勢。土壤全鉀結皮層、0—10 cm和10—20 cm均隨種植年限的增加表現(xiàn)為先降低后增加又降低的趨勢。土壤速效氮結皮層、0—10 cm和10—20 cm均隨種植年限的增加先增加后減小，在種植7 a達到了最大值。土壤速效磷結皮層、0—10 cm和10—20 cm均隨種植年限的增加表現(xiàn)增加的趨勢，種植第5 a速效磷含量大小順序表現(xiàn)為：結皮層>0—10 cm>10—20 cm，在種植9 a結皮層速效磷達到了最大值。土壤速效鉀總體隨種植年限的增加呈增加的趨勢，結皮層速效鉀的含量變化較大，遠高于0—10 cm和10—20 cm。

4結 論

土壤是植物生長發(fā)育的載體，土壤化學性質是土壤質量的重要指標之一[20]。明渠擾動帶內的沙層受到了人為活動的擾動，10 a來通過建設防護林，使原來以流動沙丘的沙漠景觀逐漸演變成了一個較為復雜的人工—天然的荒漠生態(tài)系統(tǒng)，在此過程中，土壤的鹽分和養(yǎng)分發(fā)生了變化。

研究表明，不同種植年限防護林各層土壤pH值與流沙地相比均有不同程度的增加，土壤均呈堿性。結皮層、0—10 cm和10—20 cm土層土壤pH值隨防護林種植年限的增加先增加后逐漸減小，且各層變化比較顯著(p<0.05)。張瑾等[22]通過研究北疆荒漠植被梭梭林地土壤的pH值發(fā)現(xiàn)其值在8.3～10.3之間，而本文研究的人工梭梭防護林土壤pH值在8.37～10.05之間變化，可以看出免灌條件下與野生梭梭的土壤pH值變化比較接近。種植梭梭防護林后表層土壤pH值均高于流沙地，土壤堿化趨勢顯著，由于觀測時間有限，土壤的pH值如何變化，需要長時間的觀測。與防護林種植前相比，土壤全鹽量有不同程度的增加，但各層全鹽量均隨防護林種植年限的增加波動性的變化，但總體呈增加的趨勢，且不同種植年限防護林土壤全鹽量由結皮層向下逐漸減少，變化比較顯著(p<0.05)。表層土壤各離子含量均隨著防護林定植年限的增加而逐漸降低，而結皮層、0—15 cm和10—20 cm 土層各離子含量均隨著防護林定植年限的增加而逐漸增加。

免灌下防護林各層風沙土有機質含量均隨著防護林定植年限的增加總體呈增加趨勢，除結皮層外部分年限有機質含量低于流沙地，但在0—10 cm和10—20 cm土層，不同種植年限的土壤有機質均高于流沙地，并且有機質含量自結皮層向下層逐漸減少。具體規(guī)律為單峰曲線的特性，即隨著種植年限的增加，下層土壤有機質含量逐年增加，但是達到一定年限后，土壤有機質含量達到最大，隨著種植年限的繼續(xù)增加，土壤有機質含量反而呈現(xiàn)遞減趨勢。梭梭防護林有助于荒漠化地區(qū)土壤有機質的形成，但是腐殖化作用只限于表層，對中層、下層土壤影響較小，這與常慶瑞等[23]研究相同。但是這種土壤有機質的增加效益似乎只在一定時間內更為明顯，一般6~7 a的種植對土壤有機質的積累效果最佳，不管在結皮層還是在0—20 cm表土層。與表層結皮層不同的是：0—10 cm和10—20 cm范圍的兩個土層，由于受風蝕和降塵影響較小，土壤有機質隨著種植年限的增加表現(xiàn)出了一定的規(guī)律。研究結果表明全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分均表現(xiàn)出隨種植年限的增加而增加的趨勢，只有全鉀隨種植年限的增加呈降低趨勢，那么這意味著隨著防護林建設的深入和時間增加，可以在防護林地帶多種植一些吸收N，P含量比較高的植物而避免種植那些對K要求比較高的植物。

圖5　研究區(qū)不同種植年限梭梭防護林全量和速效養(yǎng)分的變化

在對環(huán)境擾動后營造免灌梭梭防護林，使簡單的沙漠景觀逐漸演變?yōu)閺碗s的人工林—天然的荒漠生態(tài)系統(tǒng)，減少了引水渠兩側沙源入渠。降塵、風蝕和降水等輸送的物質對土壤化學性質產生了重要影響，防護林的枯落物和有機殘體不斷的積累、微生物的繁殖加速了土壤中物質的轉化，從而直接影響著土壤的養(yǎng)分的輸入和輸出，促進了土壤的發(fā)育。同時對沙地土壤的發(fā)育有促進作用，從而提高了土壤的肥力，改善了沙漠的生態(tài)環(huán)境。

通過研究不同種植年限的梭梭防護林土壤的變化規(guī)律，認識梭梭隨種植年限的增加對土壤肥力、土壤質量的作用，可對荒漠區(qū)梭梭林的可持續(xù)管理和利用提供理論依據(jù)。極端干旱區(qū)免灌條件下土壤鹽分動態(tài)及分布與土壤特性、氣溫、風速和人為管護措施等諸多自然因素和人為因素有關，許多問題有待深入研究，此外降塵和風蝕對土壤表層的鹽分和養(yǎng)分有影響，而其影響究竟有多大，還需要開展進一步的工作進行深入研究。

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Response of Soil Chemical Properties to Afforestation in Surface of Shifting Sand -A Case Study on Shelterbelt of Open Channel in Gurbantunggut Desert

MA Xuexi1,2, LI Shengyu1, JIN Zhengzhong1

(1.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi,Xinjiang830011,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract：[Objective] Under the condition of sandy afforestation, change of soil chemical properties under Haloxylon ammodendron forest with different planting year was examined in order to provide theoretical basis for construction of shelter forest ecological engineering. [Methods] The soil chemical property of non-irrigated conditions shelter forest land surface was investigated in the Gurbantunggut Desert. Dynamic variation of soil crusts, 0—10 cm, 10—20 cm layer soil salt and nutrient were analyzed and compared. [Results] The soil pH value and total salt content were higher than those in sand land after establishment of Haloxylon ammodendron forest. The soil alkalization trend is quite evident. The soil pH value and the total salt content increased firstly and then decreased with shelterbelt ages. 8 ion content was increased with shelterbelt ages. The soil pH value and the total salt content and eight ions reduced from the top to deeper layer. Soil organic matter content increased firstly and then decreased with the shelterbelt ages. Soil total nitrogen, phosphorus and available phosphorus, potassium increased with shelterbelt ages, while soil total potassium decreased and available nitrogen increased firstly and then decreased with shelterbelt ages. [Conclusion] The construction of the shelter forest is conducive to the development of sandy soil, and soil quality has been improved.

Keywords:cultivating ages; shelter forest; Gurbantunggut Desert; soil chemical property

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0206-07

中圖分類號：S153

通信作者：李生宇(1975—),男(漢族),河北省宣化縣人,博士,副研究員,碩士生導師,主要從事風沙地貌與風沙災害治理。E-mail:lishy_hb@163.com。

收稿日期：2014-05-28修回日期：2014-06-18

資助項目：新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項課題“新疆沙區(qū)交通水利工程沙害綜合防治新技術新材料研發(fā)與應用”(201130106-3)

第一作者：馬學喜(1987—),男(漢族),甘肅省環(huán)縣人,碩士研究生,研究方向為風沙災害治理與荒漠化防治。E-mail:maxx1207dc@163.com。