晉北丘陵風沙區(qū)不同植被恢復模式的土壤化學特征與生態(tài)恢復效應

李 青, 狄曉艷

(1.太原師范學院 化學系, 山西 晉中030619, 2.山西大學 黃土高原研究所, 太原 030006)

晉北丘陵風沙區(qū)不同植被恢復模式的土壤化學特征與生態(tài)恢復效應

李 青1, 狄曉艷2

(1.太原師范學院 化學系, 山西 晉中030619, 2.山西大學 黃土高原研究所, 太原 030006)

通過對山西省右玉縣從高家堡鄉(xiāng)至右衛(wèi)鎮(zhèn)的公路兩側喬木林(小葉楊、樟子松、油松和華北落葉松)、灌木叢(沙棘、檸條和烏柳)及各種喬木、喬灌混交林的土壤化學特征分析，評價了喬、灌恢復模式的生態(tài)恢復效應。結果表明：(1) 不同植被恢復模式的生態(tài)恢復效應差異顯著，混交林生態(tài)恢復效果優(yōu)于純林；(2) 灌木沙棘、檸條、烏柳在本區(qū)生態(tài)恢復中的作用突出，特別是豆科植物檸條的生態(tài)恢復效果優(yōu)于其他非豆科植物；(3) 喬木種樟子松、油松，灌木種沙棘、檸條、烏柳耐旱、耐寒，生態(tài)適應性強，在本區(qū)生態(tài)修復中作用明顯，可用于本區(qū)人工植被恢復的植被重建優(yōu)先物種；(4) 本區(qū)土壤潔凈，適宜發(fā)展有機農業(yè)。

人工植被; 恢復模式; 恢復效應; 土壤理化特征

山西省右玉縣所在的晉北丘陵風沙區(qū)與毛烏素沙地正面相對，處在我國沙漠化擴展的前沿，是京津的生態(tài)屏障。該區(qū)氣候干旱、寒冷，植被稀疏，全年風蝕水蝕交替進行，土壤沙化嚴重，是山西省乃至華北地區(qū)典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一[1-3]，也是京津能源、水源和沙源之地，其人工植被生態(tài)恢復關系到當地、首都北京以及華北地區(qū)的生態(tài)安全和持續(xù)發(fā)展。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中諸多生態(tài)過程的載體，是植被恢復的基礎，而植被恢復對土壤養(yǎng)分循環(huán)也會產生顯著影響。近60多年來，右玉縣通過持續(xù)的植樹造林，種植了大量的小葉楊(Populussimonii)、油松(Pinustabulaeformis)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)等人工植被[4-5]，使其自然生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。為評價不同植被恢復模式的生態(tài)恢復效應，篩選出適宜本區(qū)生態(tài)恢復的植被模式，本文對該區(qū)不同植被恢復模式下的土壤理化性質進行研究，旨在為合理調節(jié)該區(qū)人工植物群落結構，促進其生態(tài)恢復效應提供科學依據和參考。

1 研究地區(qū)概況

右玉縣(112°07′18″—112°38′35″E，39°41′18″—40°17′54″N)位于山西省西北端，南北長67.7 km，東西寬45.7 km，總面積1 967 km2。屬黃土高原典型的緩坡丘陵風沙區(qū)和溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，年均氣溫3.68℃，無霜期為104 d，年均降水量443 mm。土壤主要以栗鈣土和風沙土為主，質地較粗，團粒結構性差，抗侵蝕能力差，極易發(fā)生風蝕、水蝕、沙化等現象。土壤類型以栗鈣土和灰褐土為主，地帶性植被屬于溫帶草原帶，自然植被以針茅(Stipacapillata)、百里香(Thymusmongolicus)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、蒿類(Artemisiaspp.)等組成的草原為主，在河流兩岸及低凹灘地有沙棘、烏柳(Salixcheilophila)等灌叢分布，人工植被以小葉楊、油松、新疆楊(Populusalba)、沙棘、檸條錦雞兒等群落為主[6-7]，境內森林覆蓋率達到50%。

2 研究方法

2.1 植物樣地選擇與取樣

在對右玉縣植被詳細踏查的基礎上，2014年9月選擇不同種植模式和生態(tài)恢復年限的人工植被——喬木林(小葉楊、樟子松、油松、落葉松)、灌木叢(檸條、沙棘)和各種喬木、喬灌混交林進行樣方調查，選取沿高家堡鄉(xiāng)至縣城(生態(tài)路)、縣城至右衛(wèi)鎮(zhèn)(省道211)兩側的人工植被樣地16個(表1)，每種植被各選3個標準樣地(喬灌樣方分別為10 m×10 m，5 m×5 m)，共計48個樣方，每個樣方中記錄的內容主要包括：植物種的名稱、蓋度、高度、喬木的胸徑和株數等數量指標及樣方所在地的海拔高度、坡度、坡向等環(huán)境因子。然后在各樣地中，用環(huán)刀取表層土(0—10 cm)，每樣地3次重復，用于測定土壤物理性質；同時采樣“S”取0—10 cm混合土樣0.5 kg，裝入土壤袋，每樣地3次重復，帶回實驗室，用于測定土壤化學性質。

表1 山西省右玉縣人工喬木、喬灌混交林16個調查樣地特征

2.2 土壤理化性質測定

土壤理化性質測定參考國家標準方法[8-9]，根據操作要求，把土樣風干、研磨、過100目篩后備用。土壤pH值測定用玻璃電極法；土壤有機質測定用重鉻酸鉀容量法，外加熱法(執(zhí)行標準NY/T1121.6—2006)；全氮測定用凱氏定氮法(執(zhí)行標準NY/T53—1987)；全鹽量測定用電導法；速效氮測定用1 mol/L NaOH-H3BO3，堿解擴散法(執(zhí)行標準LY/T1 229—1999)；速效磷測定用0.5 mol/L的NaHCO3浸提，紫外可見分光光度法(執(zhí)行標準NY/T1121.7—2006)；速效鉀測定用1 mol/L的NH4OAc浸提，原子吸收分光光度法(執(zhí)行標準NY/T889—2004)；有效銅、錳、鐵、鋅測定均用DTPA(二乙三胺五醋酸)浸提(執(zhí)行標準NY/T890—2004)，原子吸收分光光度法(AAS)；Cd，Pb，Zn和Cu測定均用1 mol/L的HNO3浸提，石墨爐原子吸收光譜法(執(zhí)行標準GB/T17141—1997)；總汞、總砷用原子熒光光譜法(執(zhí)行標準NY/T1 121.10—2006，NY/T1 121.11—2006)；pH值用電位分析法(執(zhí)行標準NY/T1 121.2—2006)，每個樣品做3次平行。

2.3 數據分析

試驗數據采用Excel 2007進行處理，利用SPSS 20.0軟件采用主成分分析方法，對反映土壤肥力變化的12項理化指標分析，綜合評價不同植被恢復模式的生態(tài)恢復效應。計算方法是用每個主成分的特征根作權重加和，用公式表示即為[10]：

(1)

式中：f為綜合評價值；λi為特征根值；fi為主成分值。

3 結果與分析

晉北丘陵風沙區(qū)不同植被恢復模式的土壤理化指標見表2，主要土壤因子的變化特征如下。

3.1 土壤有機質、總氮、速效養(yǎng)分含量變化

土壤有機質是土壤營養(yǎng)的主要來源，可提高微量元素的有效性，直接影響作物的生長[11]。從表2可見，不同植被恢復模式的土壤中有機質、總氮、速效(N，P，K)等養(yǎng)分含量的變化特征為：(1) 混交林土壤中各營養(yǎng)指標均優(yōu)于純林。在5 a生小葉楊與沙棘混交林土壤中有機質含量約為30 a生小葉楊純林的1.6倍，全氮為1.5倍，可提取態(tài)養(yǎng)分中，有效氮為1.8倍，有效磷相近，有效鉀為1.4倍。很明顯，混交林生態(tài)恢復效果優(yōu)于純林；(2) 灌木叢土壤有機質含量明顯高于喬木，豆科植物土壤中有機質含量又明顯高于灌木。本區(qū)沙棘與檸條土壤中有機質含量約為樟子松與油松混交林土壤中有機質含量的1.5倍，說明灌木在本區(qū)生態(tài)恢復中作用突出，豆科植物生態(tài)恢復效果明顯優(yōu)于非豆科植物。

3.2 土壤有效微量元素含量變化

土壤中的微量元素主要包括有效銅、有效鋅、有效鐵及有效錳。鋅是多種酶的組成成分，可參與植物代謝、光合作用，影響蛋白質合成，提高植物抗逆性等。錳是多種酶的活化劑，直接參與光合作用，促進種子的萌發(fā)及幼苗的生長。鐵是合成葉綠素必須的元素，并參與植物的呼吸作用。銅是多種氧化酶的構成成分，超氧化物歧化酶的重要組分，參與氮素代謝，促進花器官的發(fā)育[12-13]。土壤中各種微量元素正常含量范圍分別為：鋅含量0.3～3.0 mg/kg，錳含量1.0～30.0 mg/kg，鐵含量2.5～20.0 mg/kg，銅含量0.1～1.8 mg/kg。

表2 晉北丘陵風沙區(qū)不同植被恢復模式的土壤化學特征

注：OM為土壤有機質；TN為總氮；AN為有效氮；AP為有效磷；AK為有效鉀；SAL為全鹽量；ACu為有效銅；AZn為有效鋅；AFe為有效鐵；AMn為有效錳；Cr為總鉻；Cd為全鎘；Pb為全鉛；Hg為總汞；As為總砷；Se為全硒；SM為土壤水分含量。

從表1可見，不同植被恢復模式的土壤有效微量元素的變化為：(1) 30 a生小葉楊純林土壤中各種微量元素含量均處于中等級別，而5 a生小葉楊與沙棘混交林土壤中有效鋅和有效鐵含量處于高等級別，有效銅和有效錳含量處于中等級別，充分說明混交林生態(tài)恢復效果優(yōu)于純林；(2) 沙棘與檸條灌叢土壤的各種微量元素含量均處于中等級別，在樟子松與油松區(qū)土壤中有效鋅含量處于低等級別，說明在生態(tài)恢復過程中灌木的效果優(yōu)于喬木。

3.3 土壤重金屬含量變化

重金屬包括汞、鎘、鉛、鉻以及兩性元素砷、硒等生物毒性顯著的元素，過量重金屬可引起植物生物功能紊亂、營養(yǎng)失調等[14-15]。重金屬在土壤中移動性很小，易在植物中富集并可通過食物鏈進入人體。重金屬在人體內能與蛋白質及各種酶發(fā)生強烈相互作用并使它們失去活性[16]。也可在人體某些器官中富集，對人體是很大的潛在危害。

與土壤環(huán)境質量標準相比(GB15618—1995)(Ⅰ級標準Cd≤0.20 mg/kg，Cr≤90 mg/kg，Hg≤0.15 mg/kg，As≤15 mg/kg，Cu≤35 mg/kg，Zn≤100 mg/kg，Pb≤35 mg/kg)，不同植被恢復模式的土壤重金屬含量均遠低于國標Ⅰ級，表明研究區(qū)土壤潔凈，適于發(fā)展有機農業(yè)。

3.4 不同植被恢復模式的土壤肥力主成分分析

根據上述公式(1)，篩選上述土壤理化指標中反映不同植被恢復模式土壤肥力變化的12項指標，即土壤pH值，有機質，全氮，堿解氮，速效磷，速效鉀，全鹽量，ACu，AZn，AFe，AMn水分含量，進行主成分分析，計算綜合評價值(表3)，從而可知不同植被恢復模式的生態(tài)恢復效應。

從表3可見，不同植被恢復模式的生態(tài)恢復效應依次為：烏柳+沙棘灌叢(2.01)>小葉楊—沙棘林(0.73)>沙棘+檸條灌叢(0.55)>華北落葉松林(0.38)>華北落葉松+樟子松林(0.10)>檸條灌叢(-0.08)>小葉楊+樟子松林(-0.12)>小葉楊林1(-0.23)>樟子松+油松林1(-0.30)>樟子松+油松林2(-0.32)>油松+華北落葉松林(-0.33)>樟子松林1(-0.39)1>樟子松林2(-0.44)>小葉楊林2(-0.47)>沙棘灌叢(-0.48)>烏柳灌叢(-0.61)。

4 討 論

(1) 不同植被恢復模式的群落結構特征變化。小葉楊、油松、樟子松、華北落葉松、檸條錦雞兒和沙棘是右玉縣主要的造林樹種和人工植被類型，小葉楊在20世紀60—70年代作為防風固沙樹種在本區(qū)被廣泛種植，造林多為純林，造林密度較大。經過50多年演替大多形成疏林，群落退化嚴重，形成大面積“小老樹”。檸條錦雞兒和沙棘在研究區(qū)分布極為廣泛，多以單優(yōu)勢種形成灌叢。90年代以來，隨著我國生態(tài)建設的發(fā)展，本區(qū)逐漸采用喬灌混交造林模式，對退化的小葉楊等純林進行更新改造。總體來看，本區(qū)人工植被群落結構仍較單一，小葉楊等純林退化嚴重，亟待加強科學管護與更新改造。

表3 不同植被恢復模式的土壤肥力綜合評價值及排序

(2) 不同植被恢復模式的土壤理化性質變化。右玉縣不同植物恢復模式的土壤有機質、總氮、速效養(yǎng)分、水分含量、微量元素含量等差異顯著，土壤有機質和水分含量是影響本區(qū)植被恢復的關鍵限制因子。小葉楊—沙棘混交林土壤中各營養(yǎng)指標均優(yōu)于小葉楊純林，烏柳+沙棘灌叢土壤有機質含量明顯高于喬木樟子松林，豆科植物檸條灌叢生態(tài)恢復效應明顯高于非豆科植物，說明灌木在本區(qū)生態(tài)恢復中作用突出，豆科植物的生態(tài)恢復效果明顯優(yōu)于非豆科植物沙棘灌叢、烏柳灌叢。不同植被恢復模式的土壤重金屬含量均遠低于國標Ⅰ級，表明本區(qū)土壤潔凈，適于發(fā)展有機農業(yè)。

5 結 論

(1) 不同植被恢復模式的生態(tài)恢復效應差異顯著，小葉楊—沙棘林的生態(tài)恢復效果優(yōu)于小葉楊林，烏柳+沙棘灌叢的生態(tài)恢復效應優(yōu)于沙棘灌叢、烏柳灌叢，說明混交林生態(tài)恢復效果優(yōu)于純林，在植被配置時應考慮混交造林模式。

(2) 灌木沙棘、檸條、烏柳在本區(qū)生態(tài)恢復中的作用突出，特別是豆科植物檸條的生態(tài)恢復效果優(yōu)于其他非豆科植物。

(3) 喬木種樟子松、油松，灌木種沙棘、檸條、烏柳耐旱、耐寒，生態(tài)適應性強，在本區(qū)生態(tài)修復中作用明顯，可用于本區(qū)人工植被恢復的優(yōu)選先鋒物種。

(4) 本區(qū)土壤潔凈，適宜發(fā)展有機農業(yè)。

[1] 王青杵,王改玲,石生新,莊麗,孫泰森.晉北黃土丘陵區(qū)不同人工植被對水土流失和土壤水分含量的影響[J].水土保持學報,2012,26(2):71-79.

[2] 王孟本,李洪建.晉西北黃土區(qū)人工林土壤水分動態(tài)的定量研究[J].生態(tài)學報,1995,15(2):178-184.

[3] 吳攀升,秦作棟.晉西北土地荒漠化現狀及其分布規(guī)律[J].貴州師范大學學報:自然科學版,2009,27(1):24-28.

[4] 楊治平,張強,王永亮,張建杰,冀瑞瑞.晉西北黃土丘陵區(qū)小葉錦雞兒人工灌叢土壤水分動態(tài)研究[J].中國生態(tài)農業(yè)學報,2010,18(2):352-355.

[5] 李金峰,楊智勇,薛麗萍.晉西北緩坡丘陵風沙區(qū)生態(tài)修復的主要途徑和技術措施探討[J].山西水土保持科技,2009(1):8-10.

[6] 趙德懷,李素清.晉西北丘陵風沙區(qū)人工植被數量分類與排序研究[J].山西師范大學學報:自然科學版,2011,25(1):104-109.

[7] 陳全龍,陳春,張帥.造林綠化建設新農村：山西省右玉縣全面發(fā)展林業(yè)的調查[J].林業(yè)經濟，2007,11(10):44-46.

[8] 劉光崧.土壤理化分析與剖面描述[M].北京:中國標準出版社,1996.

[9] 鮑士旦.土壤農化分析[M].3版.北京:中國農業(yè)出版社,2000.

[10] 王麗艷,韓有志,張成梁,等.不同植被恢復模式下煤矸石山復墾土壤性質及煤矸石風化物的變化特征[J].生態(tài)學報,2011,31(21):6429-6441.

[11] 張偉暢,周清,馮旖,等.地貌和樣點數對耕地土壤有機質插值精度的影響[J].土壤通報,2015,46(6):1290-1298.

[12] 郭軍玲,吳士文,金輝,等.農田土壤微量元素含量的空間變異特征和影響因素[J].水土保持學報,2010,24(1):50-52.

[13] 余存祖,彭琳,劉耀宏.黃土區(qū)土壤微量元素含量分布與微肥效應[J].土壤學報,1981,28(3):317-326.

[14] 周東美,鄧昌芬.重金屬污染土壤的電動修復技術研究進展[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2003(4):505-508.

[15] 戴樹桂,董亮,王臻.表面活性劑在土壤顆粒物上的吸附行為[J].中國環(huán)境科學,1999,19(5):392-396.

[16] 何益波,李立清,曾清如.重金屬污染土壤修復技術的進展[J].廣州環(huán)境科學,2006,21(4):26-31.

SoilChemicalCharacteristicsandEcologicalRestorationEffectsofDifferentRevegetationPatternsintheHillySandyofNorthShanxiProvince

LI Qing1, DI Xiaoyan2

(1.DepartmentofChemistry,TaiyuanNormalUniversity,Jinzhong,Shanxi030619,China;2.InstituteoftheloessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)

We evaluated the ecological restoration effects of different revegetation patterns based on analyzing soil chemical characteristics of planted vegetation of arbor (Populussimonii,Pinussylvestrismongolica,PinustabulaeformisandLarixprincipis-rupprechtii) and shrub species (Caraganakorshinskii,HippophaerhamnoidesandSalixcheilophila) distributing on the two sides of highway from Yuanbaozi to Youweizi regions of Youyu County in Shanxi Province. The results show that: (1) the ecological restoration effects of different revegetation patterns are significantly different, the ecological restoration effects of mixed forests are much better than those of the pure forests; (2) shrubs ofCaraganakorshinskii,HippophaerhamnoidesandSalixcheilophila play important roles in the process of ecological restoration in this area, especially leguminous species ofCaraganakorshinskiiis better than that of non-leguminous species; (3) arbor (PinussylvestrismongolicaandPinustabulaeformis) and shrub species (Caraganakorshinskii,HippophaerhamnoidesandSalixcheilophila) with strong ecological adaptability of drought and cold resistance could be used as the priority species for future revegetation in this region; (4) the high soil quality is good for developing organic agriculture in this region.

planted vegetation; revegetation pattern; restoration effect; soil physical and chemical characteristics

2016-08-04

：2016-08-28

國家自然科學基金面上項目“晉西北城鎮(zhèn)化農民非農生計可持續(xù)性與農地流轉”(41271143)

李青(1962—),女,山西省太原市人,講師,主要從事土壤分析化學研究。E-mail:7120779@163.com

S153;Q948.1

：A

：1005-3409(2017)05-0088-05