不同植被恢復(fù)模式對(duì)紅原沙化草地土壤理化性質(zhì)的影響

何 群，席 歡，萬 婷

(1. 阿壩州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 阿壩 624000；2.四川省自然資源科學(xué)研究院，成都 610090)

·生態(tài)環(huán)境·

不同植被恢復(fù)模式對(duì)紅原沙化草地土壤理化性質(zhì)的影響

何 群1，席 歡2，萬 婷2

(1. 阿壩州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 阿壩 624000；2.四川省自然資源科學(xué)研究院，成都 610090)

草地沙化是川西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的顯著問題之一,紅原縣是川西北草地沙化的代表。土壤理化性質(zhì)在沙化治理過程中變化顯著，能表征治沙效果的好壞。通過研究草本紅景天、灌木(沙棘)、灌草結(jié)合紅柳和沙棘及燕麥草混植三種植被恢復(fù)模式恢復(fù)一年對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，分析了不同的植被類型對(duì)沙化草地的恢復(fù)效果，為進(jìn)一步優(yōu)化沙化草地植被恢復(fù)的群落結(jié)構(gòu)，提高植被恢復(fù)的有效性提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：草本植物、灌木及灌草結(jié)合三種植被修復(fù)模式均能明顯增加土壤孔隙度、含水量、pH、有機(jī)質(zhì)、含氮量、含磷量和含鉀量，降低土壤容重，以增加土壤肥力，其中灌草結(jié)合的植被恢復(fù)模式對(duì)土壤修復(fù)的效果最好。

草地沙化；人工植被恢復(fù)模式；土壤理化性質(zhì)

1 引 言

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。同時(shí)草地在改善環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中起著重要的作用。但占我國(guó)國(guó)土面積40%的草地正面臨著沙化的威脅[1-2]。草地沙化對(duì)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定都會(huì)帶來嚴(yán)重問題[3]，甚至威脅人類的生存與發(fā)展[4]。

近年來，我國(guó)荒漠化出現(xiàn)了向川西北高原擴(kuò)展的新動(dòng)向，在四川省阿壩州若爾蓋、紅原等縣的一些地方已經(jīng)出現(xiàn)了以前只有在北方沙區(qū)才能見到的大面積流動(dòng)沙丘。草地沙化已成為川西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化的顯著問題之一，目前已引起全社會(huì)的共同關(guān)注。僅紅原縣的沙化草地由1974年的155 6 hm2增加到了2002年的5 483 hm2[5]，沙化威脅到紅原生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源安全和畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。該區(qū)域目前還處于草地沙化過程的初級(jí)階段，但沙化情勢(shì)嚴(yán)峻，濕地不斷退化、草地不斷地向沙漠化的方向演變，草地沙化的初級(jí)階段有利于沙化治理工作的展開，應(yīng)在當(dāng)前加大治理力度，防治沙化情況進(jìn)一步惡化。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)沙化草地植被恢復(fù)技術(shù)主要包括草場(chǎng)圍封、機(jī)械沙障、人工植被恢復(fù)3種模式[6-7]。其中，人工植被恢復(fù)模式可供選擇的植被種類繁多，采取不同種類的人工植被所產(chǎn)生的恢復(fù)效果參差不一，因此，在植被種類的選擇和模式構(gòu)建上需要更進(jìn)一步研究。研究樣地所在的川西北地區(qū)，在人工植被類型的選擇中考慮其產(chǎn)業(yè)化和經(jīng)濟(jì)效益，將草地沙化治理工作與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，以生態(tài)經(jīng)濟(jì)支持治沙產(chǎn)業(yè)，使草地植被恢復(fù)和土壤修復(fù)工作更具有可持續(xù)性。

沙化草地的人工植被修復(fù)，即種植草、灌、喬植物進(jìn)行植被恢復(fù)是當(dāng)前川西北地區(qū)沙化治理采取的主要措施之一，植被恢復(fù)過程中植被群落的構(gòu)建、植物種類的選擇、植被恢復(fù)的長(zhǎng)效性和可持續(xù)性等問題是沙化草地恢復(fù)所面臨的主要技術(shù)問題。在沙化治理過程中，土壤理化性質(zhì)變化明顯，不同治理措施，如用不同的植被治理沙化，土壤理化性質(zhì)變化差異顯著。近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)土地沙化趨勢(shì)、治理措施等方面研究較多，而對(duì)人工植被恢復(fù)沙化過程中土壤理化性質(zhì)的變化研究相對(duì)較少[8]。因此，本研究通過草本(紅景天)治沙模式、灌木(沙棘)治沙模式、灌草結(jié)合(紅柳+沙棘+燕麥草)治沙模式三種類型模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，研究不同的植被類型對(duì)沙化草地的恢復(fù)效果，解決沙化土壤恢復(fù)過程中植物種類的選擇問題，進(jìn)一步優(yōu)化沙化草地植被恢復(fù)的群落結(jié)構(gòu)，提高植被恢復(fù)的有效性，有利于沙化草地恢復(fù)治理工作持續(xù)開展。

2 研究地區(qū)和方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩藏族羌族自治州紅原縣，地處青藏高原東部邊緣、四川省西北部，地理坐標(biāo)為北緯31°51′～33°19′、東經(jīng)101°51′～103°23′(圖1)。全縣幅員面積8 400 km2，屬高原寒冷地區(qū)，海拔3 210～4 857 m，氣候特點(diǎn)冬長(zhǎng)無夏，春秋短，寒冷干燥，日照充足，晝夜溫差大，無絕對(duì)無霜期，年平均氣溫1.1℃，極端最高氣溫26℃，極端最低氣溫-36℃，年均降水量753 mm，全年日照2 418 h，日照率55%。該區(qū)域?qū)儆诖ㄎ鞅备咴鄥病⒉莸榈貛魻柹w高原植被地區(qū)中的阿、若、紅植被小區(qū)，植被組合以亞高山草甸為主，沼澤草甸與沼澤植被較為發(fā)達(dá)，植物群落外貌鮮艷，富有季相之變化。因長(zhǎng)期受嚴(yán)寒的高原氣候影響，該區(qū)域亞高山草甸土、高山草甸土和沼澤土壤分布較廣泛，高山寒漠土、石灰?guī)r土和風(fēng)沙土的巖成土壤亦有分布，且近年來風(fēng)沙土的范圍不斷擴(kuò)大。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖Fig.1 The geographical location of research area

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)置四種不同的處理：CK以未采取恢復(fù)治理措施的沙化草地作為對(duì)照，1#代表草本植物紅景天植物修復(fù)模式，2#代表灌木沙棘植物修復(fù)模式，3#代表灌草結(jié)合(紅柳+沙棘+燕麥草)植物修復(fù)模式。用草本植物紅景天、灌木沙棘、灌草結(jié)合(紅柳+沙棘+燕麥草)3種植物修復(fù)模式分別在紅原瓦切示范基地的沙化草地進(jìn)行一年半恢復(fù)治理，取土壤樣品進(jìn)行理化性質(zhì)測(cè)試分析。每一類型樣地隨機(jī)布設(shè)6個(gè)樣方，在每個(gè)樣方的四角和中部共選設(shè)5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)用環(huán)刀取0～20cm深土，均勻混合后裝入密封袋內(nèi)，分類標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定其化學(xué)性質(zhì)，包括pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀。另用環(huán)刀在每一類型樣地取土樣3個(gè)，現(xiàn)場(chǎng)稱鮮重并記錄，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干后記錄其干重，用于測(cè)定土壤容重、含水量等物理特征。

2.3 測(cè)定方法

土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定均采用常規(guī)分析方法，土壤pH值的測(cè)定采用電位測(cè)定法(上海雷磁pHS-3C型酸度計(jì))，土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法，土壤中全氮、銨態(tài)氮含量采用重鉻酸鉀-硫酸消化法和堿解擴(kuò)散法測(cè)定，全磷、速效磷采用硫酸-高氯酸消煮法和碳酸氫鈉法測(cè)定，全鉀、速效鉀采用NaOH熔融-火焰光度計(jì)法和醋酸銨-火焰光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定，其中我院不具備測(cè)試分析條件的數(shù)據(jù)委托中科院南京土壤研究所紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站理化分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試分析。

環(huán)刀所取土壤用于測(cè)定其物理性質(zhì)，使用精度為0.1 g的電子天平對(duì)土樣進(jìn)行稱重，除去環(huán)刀重量后記為土壤鮮重W1；將樣本連同環(huán)刀放入水中浸泡4 h，取出稱重，除去環(huán)刀重量后記為飽水重W2；土壤樣本放入恒溫干燥箱中于105℃條件下烘干至恒重，取出稱量記為烘干重W3。計(jì)算土壤含水量、容重、土壤孔隙度等物理特征。相關(guān)公式包括：

土壤含水量計(jì)算公式：

土壤容重計(jì)算公式：

式中：Pb—土壤容重，g/cm3

V—環(huán)刀體積，cm3，本項(xiàng)目采樣時(shí)使用環(huán)刀體積為100cm3。

土壤孔隙度計(jì)算公式：

式中：f—土壤孔隙度，%

Ps—土壤比重常數(shù)，g/cm3，一般取2.65g/cm3

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用EXCEL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

本研究中草本植物、灌木、草灌木結(jié)合這三種人工植被恢復(fù)模式使沙化草地土壤容重值較CK均明顯下降，土壤孔隙度均明顯增加，其中草灌結(jié)合修復(fù)模式使土壤容重較其他修復(fù)模式處理明顯降低，使土壤孔隙度較其他修復(fù)處理明顯增加(圖2)。

圖2 不同植被恢復(fù)模式對(duì)沙化草地土壤容重和孔隙度的影響Fig.2 Impact of different vegetation restoration patterns on soil volume-weight and soil porosity of grassland under desertification

3.2 不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤含水量的影響

土壤水分是植物生長(zhǎng)所必須的重要物質(zhì)，參與到了植物生長(zhǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，影響到植物的蒸騰作用和自身代謝過程[9]。由于研究區(qū)域土壤沙化情況較嚴(yán)重，且采取植被恢復(fù)時(shí)間較短，土壤中含水量普遍較低，均在10%以內(nèi)，遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)匚瓷郴莸卦谙嗤竟?jié)土壤40%含水量的水平[10]。本研究中草本植物、灌木、草灌木結(jié)合這三種人工植被恢復(fù)模式使沙化草地土壤含水量較CK均有所增加，且增加幅度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明植被恢復(fù)對(duì)土壤含水量的增加具有積極作用(圖3)。

3.3 不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤pH和有機(jī)質(zhì)的影響

土壤pH是影響植被分布、生長(zhǎng)的重要因素。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的重要來源之一，其含量水平是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一[11]。本研究中草本植物、灌木、草灌木結(jié)合這三種人工植被恢復(fù)模式使沙化草地土壤pH值較CK由偏酸逐漸趨于中性，灌木、草灌木結(jié)合這兩種植被恢復(fù)模式使沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)含量較CK明顯升高(圖4)。

圖3 不同植被恢復(fù)模式對(duì)沙化草地土壤含水量的影響Fig.3 Impact of different vegetation restoration patterns on soil water content of grassland under desertification

圖4 不同植被恢復(fù)模式對(duì)沙化草地土壤pH和有機(jī)質(zhì)的影響Fig.4 Impact of different vegetation restoration patterns on the pH and organic matter of grassland under desertification

3.4 不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

草本植物、灌木、草灌木結(jié)合這3種人工植被恢復(fù)模式使沙化草地土壤全氮含量分別比CK升高了8%、17%、42%，速效氮含量分別比CK升高了8%、8%和132%。表明人工植被恢復(fù)模式均能促進(jìn)沙化草地氮和速效氮的積累，增加土壤生產(chǎn)力，其中灌草結(jié)合的治沙模式固氮效果較單一植物種類的植被恢復(fù)模式更為明顯，尤其是對(duì)植物能直接利用的速效氮(堿解氮)的積累有明顯促進(jìn)作用(圖5)。

草本植物、灌木、草灌木結(jié)合這3種人工植被恢復(fù)模式中土壤全磷含量相比對(duì)照組變化不明顯；速效磷含量呈逐漸升高趨勢(shì)，分別比CK升高了4%、8%和15%，由于研究樣地采取植被恢復(fù)年限時(shí)間較短有關(guān)，短時(shí)間的植被恢復(fù)對(duì)土壤中磷的積累影響不明顯(圖6)。

本研究中研究區(qū)域土壤中全鉀含量在22.91～24.52g/kg之間，根據(jù)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到中等或較豐富水平。草本植物、灌木、草灌木結(jié)合這三種人工植被恢復(fù)模式使沙化草地全鉀和速效鉀含量較CK均升高，全鉀含量分別比對(duì)照組(CK)升高了2%、5%、7%；速效鉀含量分別比對(duì)照組(CK)升高了14%、14%、63%。表明植被恢復(fù)對(duì)土壤中全鉀含量的影響較小，對(duì)土壤中速效鉀的影響比較明顯，其中3#模式對(duì)沙化草地速效鉀積累量較單一模式修復(fù)明顯增加，植物對(duì)鉀的活化作用通過速效鉀含量的明顯增長(zhǎng)體現(xiàn)出來(圖7)。

圖5 不同植被恢復(fù)模式對(duì)沙化草地土壤全氮(A)及速效氮(B)含量的影響 Fig.5 Impact of different vegetation restoration patterns on the soil total nitrogen(A) and available nitrogen contents (B) of grassland under desertification

圖6 不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤全磷(A)及速效磷(B)含量的影響Fig.6 Impact of different vegetation restoration patterns on the soil total phosphorus (A) and available phosphorus contents (B) of grassland under desertification

圖7 不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤全鉀(A)及速效鉀(B)含量變化圖Fig.7 Impact of different vegetation restoration patterns on the soil total potassium (A) and available potassium contents (B) of grassland under desertification

4 討 論

土壤容重和孔隙度作為反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要物理指標(biāo)，在表征土壤物理性質(zhì)變化方面發(fā)揮著重要作用[12]。本研究中草本植物、灌木、草灌木結(jié)合這3種人工植被恢復(fù)模式使沙化草地土壤容重值較CK均明顯下降，土壤孔隙度均明顯增加，其中草灌結(jié)合修復(fù)模式使土壤容重較其他修復(fù)模式處理明顯降低，使土壤孔隙度較其他修復(fù)處理明顯增加。隨著容重降低，土壤孔隙度增加，土壤的保水保肥能力將逐步提高，為植物利用土壤資源創(chuàng)造良好的條件，更有利于植被生長(zhǎng)恢復(fù)，從而促進(jìn)土壤狀況的改善。表明人工植被恢復(fù)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善具有促進(jìn)作用，其中草灌結(jié)合的植被恢復(fù)模式對(duì)土壤修復(fù)的效果最好。

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[13]。本研究中草本植物、灌木、草灌木結(jié)合這3種人工植被恢復(fù)模式使沙化草地土壤含水量較CK均有所增加，表明植被恢復(fù)對(duì)土壤含水量的增加具有積極作用，但僅依靠植被對(duì)土壤產(chǎn)生的修復(fù)作用，其含水量和結(jié)構(gòu)改善速度較慢。灌草結(jié)合的植被恢復(fù)模式具有草本植被的較高蓋度與灌木的發(fā)達(dá)根系相結(jié)合，一方面降低水分蒸發(fā)速率，另一方面從深層土壤中吸收更多水分，兩方面同時(shí)作用更有利于土壤含水量的增加，因此該模式下土壤含水量較之其他兩種模式增長(zhǎng)幅度較高。

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)質(zhì)的損失是直接導(dǎo)致其土壤貧瘠化的重要原因[14-15]。沙化土地治理的根本和關(guān)鍵在于土壤生產(chǎn)和生態(tài)功能的恢復(fù)，而氮、磷、鉀是植物生長(zhǎng)必須的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，其在土壤中的含量是土壤肥力和生態(tài)功能的重要指標(biāo)，而速效氮、磷、鉀作為能被植物直接吸收利用的營(yíng)養(yǎng)元素，其表征意義更為重要[16-17]。本研究中草本植物、灌木、草灌木結(jié)合這3種人工植被恢復(fù)模式使沙化草地土土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、全鉀、速效鉀含量較CK明顯升高，表明植被恢復(fù)措施對(duì)土壤肥力有促進(jìn)作用，僅采用單一的草本治沙模式對(duì)土壤肥力改善影響較小，而灌木與灌草結(jié)合的治沙模式更有利于提高沙化土壤生態(tài)功能的恢復(fù)。有研究表明土壤中速效氮主要來源于土壤有機(jī)質(zhì)的分解，因此其含量變化與有機(jī)質(zhì)含量變化密切相關(guān)[18]，本研究也驗(yàn)證了在該地區(qū)土壤速效氮水平與有機(jī)質(zhì)水平變化趨勢(shì)的一致性，灌草結(jié)合的植被恢復(fù)模式在這兩個(gè)指標(biāo)上的優(yōu)勢(shì)也顯示了該模式對(duì)土壤養(yǎng)分具有一定的綜合恢復(fù)作用。已有研究發(fā)現(xiàn)地表植被蓋度增加，土壤有機(jī)質(zhì)增加，土壤中微生物活性增強(qiáng)，微生物能夠有效促進(jìn)土壤含磷和含鉀礦物的活化分解，并減少交換性磷和鉀的固定，從而增加土壤速效磷和鉀的含量[19]。

5 結(jié) 論

草本植物、灌木、草灌木結(jié)合這3種人工植被恢復(fù)模式使沙化草地土土壤孔隙度、含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、全鉀、速效鉀含量較CK明顯升高，使土壤容重明顯降低，使土壤結(jié)構(gòu)的改善，增加沙化草地土壤生產(chǎn)和生態(tài)功能的恢復(fù)。采用單一的草本治沙模式對(duì)土壤肥力改善影響較小，灌木與灌草結(jié)合的治沙模式更有利于提高沙化土壤肥力的恢復(fù)。

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Impact of Different Artificial Vegetation Restoration Pattern on the Physical and Chemical Properties of Desertification Grassland in Hongyuan County

HE Qun1, XI Huan2, WAN Ting2

(1.AbaEnvironmentalMonitoringCenter,Aba,Sichuan624000,China; 2.SichuanInstitutionofNaturalResourcesScienceResearch,Chengdu610090,China)

Grassland desertification of northwest Sichuan province is one of the most significant problems of ecological environment deterioration, Hongyuan County is the representative in grassland desertification in northwest Sichuan. The change of physical and chemical properties of soil is significant in the process of desertification control, which signifies the effect of desertification control. The effects of three artificial vegetation restoration patterns which are rhodiola rosea (herb), hippophae rhamnoides (shrubs), combination with Tamarix ramosissima and hippophae rhamnoides and tall oat grass on soil physical and chemical properties after one year recovery were analyzed, the impact of different types of vegetation on restoration was analyzed. This work provide theoretical basis for further optimizing community structure of vegetation restoration against grassland desertification, and improving the effectiveness of vegetation restoration. The results showed that three types of artificial vegetation restoration patterns which are herb, shrubs, combination with herb and shrubs can significantly increase soil porosity, pH, organic matter, nitrogen, phosphorus and potassium content in soil, , increase the soil fertility, and decrease soil bulk density. Overall, the combination with herb and shrubs control on desertification grassland has best effect．

Grassland desertification; artificial vegetation restoration pattern; physical and chemical properties of soil

2016-11-03

何 群(1974-)，女，四川理縣人，1997年畢業(yè)于西昌師范?？茖W(xué)?；瘜W(xué)專業(yè)，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工程。

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1001-3644(2017)01-0035-06