毛烏素沙地不同植被類型的土壤顆粒分形與土壤碳氮變化特征1)

張立欣　段玉璽　王偉峰　王博　莎仁圖雅　李曉晶

(內蒙古林業(yè)科學研究院，呼和浩特，010010)

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毛烏素沙地不同植被類型的土壤顆粒分形與土壤碳氮變化特征1)

張立欣段玉璽王偉峰王博莎仁圖雅李曉晶

(內蒙古林業(yè)科學研究院，呼和浩特，010010)

摘要為了探討不同植被類型的土壤碳氮特征，測定了毛烏素沙地不同植被群落土壤0～10、10～20和20～60 cm土層土壤有機質、全氮及土壤顆粒組成的動態(tài)變化，并分析了土壤顆粒組成中沙粒、極細沙和黏粉粒質量分數(shù)變化與土壤有機質和全氮質量分數(shù)間的關系。結果表明，固沙植被的建植顯著提高土壤有機質和全氮質量分數(shù)，而不同植被類型對土壤有機質和全氮質量分數(shù)的影響差異主要發(fā)生在土壤表層(0～10 cm)，深層差異不顯著。而同一植被類型土壤有機質和全氮質量分數(shù)隨土層加深呈下降趨勢，表現(xiàn)出垂直方向的變異。其中樟子松樣地對表層土壤有機質和全氮質量分數(shù)含量影響最大，具有明顯表聚性，隨土層加深土壤有機質和全氮質量分數(shù)含量下降最為顯著，而沙柳+油蒿+楊柴樣地和沙地柏+油蒿樣地土壤有機質、全氮質量分數(shù)隨土層加深無顯著變化。固沙植被的建植顯著提高土壤黏粉粒(<0.05 mm)和極細沙(0.05～0.10 mm)質量分數(shù)，而顯著降低了沙粒質量分數(shù)(0.1～1.0 mm)，不同植被類型樣地各層土壤極細沙和黏粉粒質量分數(shù)由大到小依次為樟子松樣地、沙地柏油蒿樣地、沙柳油蒿楊柴樣地，而沙粒質量分數(shù)與之相反。同一植被類型樣地，隨土層加深沙粒平均質量分數(shù) 均呈增加趨勢，極細沙和黏粉粒質量分數(shù)則呈降低趨勢。土壤顆粒組成與土壤有機質、全氮質量分數(shù)間相關性表明，土壤中黏粉粒和極細沙粒質量分數(shù)分別與土壤有機質和全氮質量分數(shù)呈顯著正相關，而沙粒質量分數(shù)卻與土壤有機質和全氮質量分數(shù)呈顯著負相關(p<0.01)。

關鍵詞毛烏素沙地；植被類型；土壤有機質；全氮質量分數(shù)；顆粒組成

固沙植被的建植在沙漠化防治和治理及土壤改良發(fā)揮重要的作用[1]，土壤有機質及全氮質量分數(shù)是反映土壤肥力和質量變化的重要指標。研究表明，土壤有機質和全氮質量分數(shù)及其動態(tài)變化是影響植物生長繁殖、土壤團粒體結構形成及土壤微生物種類數(shù)量的主要生態(tài)因子[2-5]。土壤性狀的改變通過引起植被結構、組成的變化，進而對植物生產(chǎn)力和凋落物歸還量及其分解產(chǎn)生影響，導致土壤有機質和氮素質量分數(shù)差異[6]。相反，植被類型的不同也會引起土壤性狀的差異，影響土壤有機質和氮素質量分數(shù)的動態(tài)變化[7-8]。此外，土壤有機質和全氮質量分數(shù)與黏粉粒質量分數(shù)呈顯著的正相關[3]，黏粉顆粒對有機質的保護作用因黏粒質量分數(shù)的不同也存在一定差異[9-10]，不同質地的土壤因持水性能和所含黏粒所占比例不同也影響土壤有機質和全氮的分布[11]。

在流動沙地建植不同固沙植被類型后，降水、降塵等輸送的細土物質以及植被生長發(fā)育及凋落物形成和分解對土壤質地產(chǎn)生了影響，改善了土壤成土環(huán)境、加速了生物地球化學循環(huán)過程，特別是使土壤肥力、持水性能等土壤理化性質發(fā)生了改變，促使原來以流動沙丘為主的沙漠景觀演變成了一個復雜的人工—天然荒漠生態(tài)系統(tǒng)[12-13]。研究干旱沙區(qū)不同植被類型土壤有機質和全氮質量分數(shù)的變化及分布，對進一步了解土壤形成過程及其與植被格局互饋機制具有重要的生態(tài)學意義。本文以毛烏素沙地腹地樟子松喬木林、沙柳+油蒿+楊柴混交灌木林和沙地柏+油蒿混交灌木林3種不同植被類型固定沙地及流動沙地為研究對象，研究不同植被類型影響下土壤有機質和全氮質量分數(shù)的差異，分析其與土壤顆粒組成的關系，嘗試闡明不同植被類型的土壤碳氮特征及其與土壤顆粒組成之間的關系提供基礎數(shù)據(jù)和參考。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯高原東南部毛烏素沙地腹地，行政區(qū)劃上屬伊金霍洛旗南部和烏審旗。地理坐標為東經(jīng)108°17′～110°25′，北緯37°38′～39°49′。研究區(qū)屬于溫帶大陸性半干旱季風氣候區(qū)。四季分明，冬季干旱寒冷、夏季高溫多雨。年均氣溫6.6 ℃，極端最高氣溫37.4 ℃，極端最低氣溫-31.4 ℃，年均日照時間2 938.6h，≥10 ℃積溫年均值為3 066.9 ℃，年均降水量為356.7mm，年均蒸發(fā)量2 118mm，年平均干燥度為1.6，無霜期127～150d，植被主要由油蒿(Artemisia ordosica)、楊柴(Hedysarum fruticosum)、沙柳(Salix psammophila)、沙地柏(Juniperus sabina)等植物為主的沙生灌叢和半灌叢所組成。研究區(qū)土壤類型均為風沙土，土壤礦質部分由細砂顆粒組成，剖面層次分化不明顯，僅有淋溶層和母質層，缺乏沉積層，土壤風蝕嚴重。

2研究方法

2.1樣地選擇及設置

研究區(qū)在上個世紀80年代初以前均為流動沙地，植被稀疏。在國家一系列重點工程項目的帶動下，以人工建植樟子松沙柳、飛播油蒿楊柴和典型沙地柏群落保護與栽植為主的生態(tài)建設每年以3.33hm2的規(guī)模快速推進。人工植被建立后經(jīng)過演變，使研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到了有效的改善，原來以流動沙丘為主的沙漠景觀演變成了一個復雜的人工—天然荒漠生態(tài)系統(tǒng)，降水、降塵等輸送的細土物質以及植被生長發(fā)育及凋落物的形成與分解已對土壤質地產(chǎn)生了影響。本文在實地考察基礎上，以流動沙地為對照，選擇位于毛烏素沙地腹地樟子松喬木林、沙柳+油蒿+楊柴混交灌木林和沙地柏+油蒿混交灌木林3種不同林分類型為研究樣地，每種植被類型樣地內分別隨機設置3個20m×20m的調查樣地，樣地信息見表1。

表1　樣地基本信息

2.2土樣采集與分析

2013年8—9月，分別在每塊20m×20m樣地的中心位置挖取1個1.0m×1.0m×0.6m(長×寬×深)土壤自然剖面，分0～10cm，10～20cm，20～60cm3層取樣，每個土層3個重復，取約1kg土壤裝入土壤袋帶回實驗室，風干、去雜、過2mm篩后，部分用于測定土壤顆粒組成，部分篩分土樣研磨后，全部過0.25mm篩，用于測定土壤有機質和全氮質量分數(shù)。用重鉻酸鉀氧化—外加熱法和凱氏法測定土壤有機質和全氮質量分數(shù)，用篩分法測定土壤顆粒組成[14]。

2.3數(shù)據(jù)分析

采用MicrosoftExcel2003進行數(shù)據(jù)整理及圖件繪制，SPSS18.0軟件(SPSSInc.,Chicago,IL,USA)對不同植被類型影響下土壤顆粒組成、有機質和全氮質量分數(shù)進行單因素方差分析，利用LSD法進行多重比較(p<0.05)。

3結果與分析

3.1土壤有機質和全氮質量分數(shù)特征

土壤有機質和氮素質量分數(shù)是反映植被對土壤影響的2個最主要因子，其質量分數(shù)及動態(tài)變化不僅直接影響土壤質量和土地生產(chǎn)力，而且對土壤團粒體結構也有重要的作用。由表2可以看出，同一土層不同植被類型土壤有機質質量分數(shù)具有顯著差異，在0～10cm、10～20cm和20～60cm土層中，從流動沙地到樟子松固定沙地土壤有機質質量分數(shù)分別增加188.17%、72.43%和140.32%；沙柳+油蒿+楊柴固定沙地則分別增加101.58%、67.63%和133.55%；而沙地柏+油蒿固定沙地分別增加106.39%、86.57%和146.71%。方差分析表明，3種植被類型固定沙地各層土壤有機質顯著高于流動沙地(p<0.05)，其中樟子松固定沙地0～10cm土層有機質質量分數(shù)顯著高于沙柳+油蒿+楊柴和沙地柏+油蒿兩塊樣地(p<0.05)，同比分別增加了3.60和3.40g·kg-1，但深層土壤無顯著差異。而同一植被類型土壤有機質質量分數(shù)隨土層加深呈下降趨勢，表現(xiàn)出垂直方向的變異(表2)。其中，樟子松固定沙地10～20cm土層有機質質量分數(shù)下降最為明顯，具有明顯的表聚性，10～20cm、20～60cm土層有機質質量分數(shù)較表層分別下降了41.75%和43.84%，且均達到了顯著差異水平(p<0.05)，而沙柳+油蒿+楊柴固定沙地和沙地柏+油蒿固定沙地土壤有機質質量分數(shù)隨土層加深變化不顯著。

表2　3種植被類型固定沙地與流動沙地不同土層土壤有機質和全氮質量分數(shù)　%

注:不同大寫字母表示同一植被類型不同土層之間差異顯著，不同小寫字母表示不同植被類型同一土層間差異顯著(p<0.05)，表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤。

同土壤有機質質量分數(shù)變化趨勢一樣，同一土層不同植被類型土壤全氮質量分數(shù)具有顯著差異(表2)，在0～10cm、10～20cm和20～60cm土層中，從流動沙地到樟子松固定沙地土壤全氮質量分數(shù)分別增加189.42%、91.38%和54.02%；沙柳+油蒿+楊柴固定沙地則分別增加44.60%、35.83%和44.27%；而沙地柏+油蒿固定沙地分別增加96.65%、77.60%和81.16%。方差分析顯示，3種植被類型固定沙地各層土壤全氮顯著高于流動沙地(p<0.05)，3種植被類型固定沙地間土壤全氮質量分數(shù)差異也是只出現(xiàn)在0～10cm土層(p<0.05)，深層差異不顯著，但隨著土層的加深，3個樣地間全氮質量分數(shù)變異程度也有相應變化，0～10cm、10～20cm土層全氮質量分數(shù)由大到小為樟子松固定沙地、沙地柏+油蒿固定沙地、沙柳+油蒿+楊柴固定沙地，但20～60cm土層沙地柏油蒿固定沙地土壤全氮質量分數(shù)高于樟子松固定沙地和沙柳+油蒿+楊柴固定沙地。而同一植被類型土壤全氮質量分數(shù)隨土層加深呈下降趨勢，其中樟子松固定沙地土壤全氮質量分數(shù)隨土層加深下降最為明顯，分別下降36.23%和56.38%。其次是沙地柏固定沙地，而沙柳+油蒿+楊柴固定沙地隨土層加深土壤全氮質量分數(shù)變化幅度最小。此外，土壤有機質質量分數(shù)與土壤全氮質量分數(shù)具有顯著的正相關關系(見圖1，R2=0.832 3**)。

圖1　土壤有機質與土壤全氮質量分數(shù)間的相關性

3.2土壤顆粒組成特征

由表3可以看出，相對于流動沙地，3種植被類型固定沙地各層土壤沙粒(0.1～1.0mm)質量分數(shù)均呈下降趨勢，而極細沙(0.05～0.10mm)和黏粉粒(<0.05mm)質量分數(shù)均呈增加的趨勢，且除20～60cm土層外均達到了顯著性差異水平(p<0.05)。其中，樟子松固定沙地顆粒組成分布變化最為明顯，0～10cm、10～20cm和20～60cm土層，流動沙地到樟子松固定沙地沙粒平均質量分數(shù)分別降低30.99%、13.48%和7.25%，極細沙平均質量分數(shù)分別增加了16.02%、7.70%和3.99%，黏粉粒平均質量分數(shù)分別增加了14.92%、5.71%和3.20%；流動沙地到沙柳+油蒿+楊柴固定沙地沙粒平均質量分數(shù)分別降低15.76%、2.13%和0.14%，極細沙平均質量分數(shù)分別增加了8.13%、1.35%和-0.41%，黏粉粒平均質量分數(shù)分別增加了7.78%、0.79%和0.46%；而流動沙地到沙地柏+油蒿固定沙地沙粒平均質量分數(shù)分別降低18.77%、5.83%和1.51%，極細沙平均質量分數(shù)分別增加了10.42%、2.98%和0.40%，黏粉粒平均質量分數(shù)分別增加了8.33%、2.76%和0.93%。3種植被類型固定沙地地表顆粒組成的變化顯著大于其下土層。方差分析顯示，樟子松固定沙地各層土壤顆粒組成與沙柳+油蒿+楊柴和沙地柏+油蒿固定沙地均達到了差異顯著性(p<0.05)。

同一植被類型固定沙地，隨土層加深沙粒平均質量分數(shù)均呈增加趨勢，極細沙和黏粉粒質量分數(shù)則呈降低趨勢。樟子松、沙柳+油蒿+楊柴和沙地柏+油蒿固定沙地，土層垂直方向60cm處比表層沙粒平均質量分數(shù)分別增加了23.14%、15.02%和16.66%；極細沙平均質量分數(shù)分別降低了11.21%、7.72%和9.20%；黏粉粒平均質量分數(shù)分別降低了11.81%、7.41%和7.49%。而流動沙地隨土層深度的增加沙粒質量分數(shù)及黏粉粒質量分數(shù)有略微的降低趨勢，而處于中間級別顆粒組成的極細沙有弱的升高。

表3　不同植被類型土壤顆粒組成分布

注：同一列不同字母表示不同植被類型相同土層的差異顯著性，x為取土土層；y為土壤粒徑,表中數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤，n=9。

3.3土壤有機質、全氮與土壤顆粒組成相關性

土壤的細?；^程伴隨著土壤有機質與全氮質量分數(shù)的改善，相關分析表明，土壤有機質、全氮質量分數(shù)與黏粉粒質量分數(shù)和極細沙質量分數(shù)呈顯著正相關，而與沙粒質量分數(shù)呈顯著的負相關(圖2)。且土壤顆粒組成與全氮質量分數(shù)相關性更大。土壤黏粉粒質量分數(shù)每增加1%，土壤有機質和全氮質量分數(shù)就會分別增加約0.454與0.010g·kg-1；土壤極細沙每增加1%，土壤有機質和全氮質量分數(shù)分別增加0.407與0.009g·kg-1；而土壤沙粒每增加1%，土壤有機質和全氮質量分數(shù)分別減少0.216與0.005g·kg-1。表明了土壤黏粉粒和極細沙質量分數(shù)含量的增加和沙粒質量分數(shù)的減少對土壤有機質、全氮質量分數(shù)增加均有重要作用，且土壤黏粉粒和極細沙質量分數(shù)的增加作用大于沙粒質量分數(shù)的減少。

4結論與討論

土壤有機質及全氮質量分數(shù)主要受植被凋落物和死亡根系的影響[15-16]，不同植被類型對土壤養(yǎng)分垂直分布的影響具有明顯差異[17]。本研究結果表明：建植3種植被類型的固定沙地各層土壤有機質全氮質量分數(shù)均顯著高于流動沙地，而3種植被類型對土壤有機質和全氮質量分數(shù)的影響差異主要發(fā)生在土壤表層(0～10cm)，對深層(20～60cm)土壤影響較小，喬木樟子松固定沙地對表層土壤碳氮影響最大，具有明顯表聚性，隨土層加深土壤有機質和全氮質量分數(shù)下降非常顯著，而沙柳+油蒿+楊柴固定沙地和沙地柏+油蒿固定沙地土壤有機質、全氮質量分數(shù)隨土層加深無顯著變化。高郁閉度樟子松固定沙地為林下灌草生長、凋落物生產(chǎn)及截獲及土壤微生物活動提供有力的條件[18-19]，土壤微生物對于土壤肥力的形成與演變、土壤養(yǎng)分有效化以及植被土壤良性關系的維系有重要意義[20]。又因土壤微生物與植被凋落物作用具有明顯表聚效應[21]，因此，3種植被類型對土壤有機質和全氮質量分數(shù)的影響主要發(fā)生在土壤表層(0～10cm)，且樟子松固定沙地對表層土壤養(yǎng)分影響最大，具有明顯表聚性。另一方面，人工固沙植被的建植增加了地面粗糙度，降低了風蝕，大氣中沙塵質量分數(shù)降低，而大氣降塵是土壤質地改變的主要因素，且累計量因地表粗糙度的增加而增加，進而使土壤中極細沙和黏粉粒質量分數(shù)增加[22]。而結果表明細質土比粗質土固定了更多的碳、氮，這與大多數(shù)研究表明土壤碳和氮的穩(wěn)定性主要與土壤中粉粒和黏粒質量分數(shù)有關的結論相一致[23-24]。植被生長過程中土壤顆粒組成中極細沙和黏粉粒質量分數(shù)的增加，改善了土壤的結構和質地，增加了土壤碳、氮與顆粒的結合，對有機質和氮素提供了保護，增加其在土壤中的穩(wěn)定性[25]。從植被恢復或者荒漠化逆轉角度說明了干旱沙區(qū)流沙固定的過程導致的土壤保護性碳組分的增加是土壤碳儲量匯功能增加的體現(xiàn)[26]。

圖2　不同植被類型土壤有機質、全氮質量分數(shù)與土壤黏粉粒、極細沙和沙粒質量分數(shù)的相關性

植被類型的差異導致流沙在固定過程土壤顆粒組成、溫濕度變幅以及養(yǎng)分條件發(fā)生變化[3]，特別是與微生物繁殖與代謝活動有緊密聯(lián)系的有機質及氮素質量分數(shù)的變化。隨著土層加深，土壤沙粒質量分數(shù)增加，土壤的透氣性及可供降解有機質及氮素質量分數(shù)逐漸降低，微生物數(shù)量減少等原因，導致了各樣地土壤有機質和全氮質量分數(shù)垂直方向的變異，盡管受地表影響下層土壤有機質及全氮質量分數(shù)較流動沙地均有增加，但3種植被類型固定沙地間其下土層有機質和全氮質量分數(shù)卻無明顯差異，這與賈曉紅等[26]研究結果一致。不同植被類型固定沙地和流動沙地土壤養(yǎng)分特征的差異主要是由于地上植被建植、演變過程中地表有機物質來源量和土壤顆粒組成的差異共同導致。一方面土壤表層顆粒組成及地上植被的生長改善了土壤結構，增加了土壤易降解有機物質質量分數(shù)，土壤中細質化對有機物質較強的物理保護，影響了好氧菌活動或黏粒與有機質的結合等對有機質提供了保護[27]，影響了有機物質的分解與固存過程，使不同植被類型固定沙地地表土壤有機質和全氮質量分數(shù)高于流動沙地。這與細質土比粗質土能固定更多的碳、氮及土壤中有機質和氮素的穩(wěn)定性主要與黏粒質量分數(shù)有關的結論相同[28]；另一方面，土壤表層顆粒組成及地上植被的生長增加了表層土壤持水和保肥能力，加速了沙面結皮形成與發(fā)育，使固沙區(qū)土壤的養(yǎng)分逐漸積累以及植被土壤系統(tǒng)的良性循環(huán)[29]，最終導致土壤有機質和全氮質量分數(shù)發(fā)生變化。

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第一作者簡介：張立欣，男，1987年2月生，內蒙古林業(yè)科學研究院，助理研究員。E-mail：ZLX-19872002@163.com。 通信作者：段玉璽，內蒙古林業(yè)科學研究院，研究員。E-mail：nmg.dyx@163.com。

收稿日期：2016年1月13日。

分類號Q948.12+2.1

CharacteristicofSoilParticleSizeDistributionandSoilOrganicCarbonandNitrogenDynamicsofDifferentVegetationTypesintheMuUsSandyLand//

ZhangLixin,DuanYuxi,WangWeifeng,WangBo,Sharentuya,LiXiaojing

(InnerMongoliaforestryresearchinstitute,Hohhot010010,P.R.China)//JournalofNortheastForestryUniversity，2016,44(8)：55-60.

Inordertostudythecharacteristicofsoilparticlesizedistributionandsoilorganiccarbonandnitrogendynamicsofdifferentvegetationtypes,wemeasuredthedistributionsofparticlesizefractions,organicmatterandtotalnitrogencontentinsoilsprofileof0-10cm, 10-20cm,and20-40cmatdifferentvegetationtypesintheMuUsSandyLand,andanalyzedtherelationshipsamongthecontentofsiltclay(<0.05mm),finesand(0.05-0.1),sand(0.1-1mm),andthecontentofsoilorganicmatterandtotalnitrogen.Theplantedsandfixingvegetationsignificantlyincreasedsoilorganicmatterandtotalnitrogencontent,theinfluenceofdifferentvegetationtypesonsoilorganicmatterandtotalnitrogencontentmainlyappearedinthesurfacelayer(0-10cm),buttherewasnosignificantdifferenceinthedeepsoillayers.Butinthesamevegetationtype,soilorganicmatterandtotalnitrogencontentweredecreasedwithsoildepthwithverticalvariation.ThePinussylvestrissamplehadthegreatestinfluenceonthesoilorganicmatterandtotalnitrogencontentofsurfacewiththeobvioustablecohesion,themostsignificantlydecreasedwithsoildepth.Butthecontentofsoilorganicmatter,totalnitrogenintheothertwopiecesofsamplehadnosignificantchangewiththesoildepth.Plantedsandfixingvegetationsignificantlyincreasedthecontentofsiltclayandfinesand,butsignificantlyreducedthecontentofsand,andthecontentofsiltclayandfinesandofthedifferentsampleintheorderofPinus sylvestris>Salix psammophila+Artemisia ordosica+Hedysarum fruticosum>Artemisia ordosica+Juniperus Sabina,butcontrarytothecontentofsand.However,thecontentofsandinthesamevegetationtypesamplewasincreasedwithsoildepth,whilethecontentsofsiltclayandfinesandweredecreasedwithsoildepth.Therelationshipsbetweentheparticlesizefractionandthecontentofsoilorganicmatterandtotalnitrogenshowedthatthecontentofsoilorganicmatterandtotalnitrogenhadsignificantlypositivecorrelationwiththecontentofsiltclayandfinesand,butsignificantlynegativecorrelationwiththecontentofsand(p<0.01).

KeywordsMu Us Sandy Land; vegetation type; Soil organic matter; Total nitrogen; Particle size fraction

1)林業(yè)科技創(chuàng)新平臺項目(2015-ZYPT-DW-039)。

責任編輯：潘華。