煤礦復(fù)墾區(qū)土壤理化性質(zhì)對沙棘果葉含水量的影響研究

艾 寧，劉廣全，強大宏，土小寧，劉長海2，

(1.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;2.陜西省區(qū)域生物資源保育與利用工程技術(shù)研究中心,陜西 延安 716000;3.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 陜西 延安 716000;4.水利部水土保持植物開發(fā)管理中心,北京 100038)

沙棘(HippophaerhamnoidesL)具有抗寒、耐旱、抗風(fēng)沙、適應(yīng)性強、生長迅速以及固氮能力等特點[1-4],是我國北方煤礦進行土地復(fù)墾的主要利用樹種,是改善該區(qū)域生態(tài)環(huán)境和恢復(fù)植被的優(yōu)良先鋒樹種和關(guān)鍵樹種,具有其他植物難以替代的地位和作用[5-7]。近年來,隨著沙棘產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,沙棘作為干旱半干旱區(qū)主要的經(jīng)濟樹種,為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)經(jīng)濟建設(shè)和生態(tài)安全發(fā)揮著重要作用[89]。現(xiàn)階段,沙棘果實是沙棘產(chǎn)業(yè)發(fā)展中主要利用的部分,而果實含水量是評價沙棘果實質(zhì)量的重要指標[10-12]。研究表明，果實含水量受到植物生長狀況的影響,植物生長又受到光合作用的影響,而植物葉片又是光合作用進行的重要器官,葉片的含水量將對植物光合作用產(chǎn)生重要影響[13-14]。目前，關(guān)于煤礦復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)地與植被生長關(guān)系的研究較多[15-20],但是對煤礦復(fù)墾區(qū)林地果葉含水量與土壤質(zhì)地相互關(guān)系的研究還較少,尤其是以果實和葉片為主要利用對象的沙棘林地,然而其果葉含水量是影響沙棘果品和生長的重要因素,對其研究為今后的沙棘果實品質(zhì)提高和沙棘良好生長具有重要作用。因此,本文通過對煤礦復(fù)墾區(qū)土壤理化性質(zhì)對沙棘林果葉含水量影響因素進行分析,旨在為今后煤礦復(fù)墾區(qū)植被恢復(fù)重建、沙棘經(jīng)濟林營造與調(diào)節(jié)沙棘果葉含水量提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯東勝區(qū)東部地區(qū)的聚鑫龍煤礦(110°4′2″E,39°54′16″N),海拔高度約1 360m,地勢平坦,水蝕風(fēng)蝕較嚴重;屬于溫帶大陸性氣候,無霜期約135d;降雨年際變化較大,年均降雨量約400mm,且主要集中在7～9月。研究區(qū)于2011年開始,依托高原圣果沙棘制品有限公司進行采煤廢棄地礦區(qū)生態(tài)修復(fù),主要樹種為中國沙棘、大果沙棘和檉柳(TamarixchinensisLour)等,人工種草以芨芨草(Achnatherumsplendens(Trin) Nevski)為主。

1.2 樣地設(shè)置

本實驗數(shù)據(jù)選取2011—2015年復(fù)墾區(qū)栽植,林齡為3a～7a的中國沙棘和大果沙棘的果、葉以及林地土壤理化性質(zhì)為研究對象,通過設(shè)置20 m×20 m標準樣地和樣地每目檢尺,來確定標準木,每個林齡采集標準木(3株)的果葉和標準地土壤數(shù)據(jù)進行分析,本文共選取30株標準木的果葉含水量。樣地詳細信息見表1。

1.3 數(shù)據(jù)來源

果實含水量數(shù)據(jù)通過在標準木的不同方位和部位采集沙棘果實200g,混合后帶回實驗室進行烘干,測定其果實含水量。計算公式為

(1)

xi表示果實濕重,xj表示果實干重。

葉片含水量數(shù)據(jù)通過在不同林齡標準木的不同方位采集沙棘葉片100g和不同部位采集沙棘葉片100g,分別帶回實驗室進行烘干,測定其葉片含水量。計算公式為

(2)

xi表示葉片濕重,xj表示葉片干重。

土壤物理性質(zhì)數(shù)據(jù)獲取，采用烘干法進行土壤水份測定,采用環(huán)刀浸水法進行土壤容重、飽和含水量、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度的測定與計算。

土壤化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)獲取，土壤pH值采用ST3100測定，電導(dǎo)率采用ST300C測定;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法外加熱法測定;速效氮采用堿解擴散法測定;有效磷采用0.5mol/L NaHCO3浸提與鉬藍比色法相結(jié)合的方法測定;全效磷采用NaOH熔融-鉬藍比色法測定。

表1 采樣地基本信息特征Tab.1 Basic information of sampling area

1.4 數(shù)據(jù)分析

本文所有的統(tǒng)計分析和作圖均在SPSS18.0、Origin15和Excel等軟件中完成。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進行數(shù)據(jù)分析,方法如下

1)數(shù)據(jù)的標準化

(3)

2)關(guān)聯(lián)系數(shù)

(4)

(5)

(6)

(7)

3)平權(quán)法計算灰關(guān)聯(lián)度

(8)

式中Γ(ij)為灰關(guān)聯(lián)度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)對沙棘果葉含水量影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

選取中國沙棘與大果沙棘果葉含水量作為參考數(shù)列,林地土壤含水量、土壤容重、飽和含水量、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度等指標作為比較數(shù)列,計算得出參考數(shù)列與比較數(shù)列灰色關(guān)聯(lián)度值,見表2和表3。可以發(fā)現(xiàn),比較序列各個指標因素的灰關(guān)聯(lián)度值大小不同,表明關(guān)聯(lián)度值越大,兩者之間的關(guān)系越緊密[21]。

2.1.1 土壤物理性質(zhì)對中國沙棘果葉含水量影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析 從表2得出,中國沙棘果葉含水量與土壤物理性質(zhì)關(guān)系存在差異。在0～20cm土層中,中國沙棘果實含水量與總孔隙度灰關(guān)聯(lián)度值最大為0.747 9,與毛管持水量灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.609 3,果實含水量與所有物理指標均達到較高關(guān)聯(lián),說明這些指標與果實含水量關(guān)系密切;葉片含水量中,毛管孔隙度關(guān)聯(lián)度值最大為0.692 9,總孔隙度灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.542 3, 且只有毛管孔隙度與葉片含水量達到較高關(guān)聯(lián),其他指標因素均為中等關(guān)聯(lián), 說明除了毛管孔隙度對其影響較大, 關(guān)系密切外, 其他指標對其影響中等, 關(guān)系一般。 在20～40cm土層中, 中國沙棘果實含水量與總孔隙度灰關(guān)聯(lián)度值最大為0.682 9,與毛管孔隙度灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.627 5,與所有物理指標均達到較高關(guān)聯(lián),說明這些指標均對中國沙棘果實含水量影響較大,且關(guān)系密切;葉片含水量中,飽和含水量關(guān)聯(lián)度值最大為0.715 8,土壤含水量灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.513 8,除了土壤含水量與土壤容重與葉片含水量為中等關(guān)聯(lián)外,其他指標均為較高關(guān)聯(lián),對葉片含水量影響較大,關(guān)系密切。在40～60cm土層中,中國沙棘果實含水量與土壤容重灰關(guān)聯(lián)度值最大為0.874 5,與飽和含水量灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.647 7,與所有土壤指標均達到較高關(guān)聯(lián)及以上,特別是土壤容重,與果實含水量達到高關(guān)聯(lián),說明其對果實含水量起到較大影響,且關(guān)系極為密切;葉片含水量中,土壤容重關(guān)聯(lián)度值最大為0.774 4,總孔隙度灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.527 6,與土壤含水量、毛管持水量呈中等關(guān)聯(lián),與其他指標因素均為較高關(guān)聯(lián),說明除了土壤含水量、毛管持水量外,其他指標對其影響較大,關(guān)系密切。

綜合分析發(fā)現(xiàn),在0～60cm土層中,土壤物理指標與中國沙棘果實含水量關(guān)系密切排序為土壤容重>總孔隙度>土壤含水量>飽和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量;葉片含水量關(guān)系密切排序為毛管孔隙度>土壤容重>飽和含水量>總孔隙度>毛管持水量>土壤含水量。

2.1.2 土壤物理性質(zhì)對大果沙棘果葉含水量影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析 從表3得出, 大果沙棘果葉含水量與土壤物理性質(zhì)關(guān)系存在差異。 在0～20cm土層中,大果沙棘果實含水量與總孔隙度灰關(guān)聯(lián)度值最大為0.872 1,與毛管孔隙度灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.646 9,與所有土壤指標均達到較高關(guān)聯(lián)或高關(guān)聯(lián),說明這些指標均對果實含水量影響較大,且關(guān)系密切;葉片含水量中,飽和含水量關(guān)聯(lián)度值最大為0.670 3,毛管孔隙度灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.511 2,其中土壤容重、飽和含水量和總孔隙度三個指標與葉片含水量達到較高關(guān)聯(lián),其他指標因素均為中等關(guān)聯(lián),說明這3個指標對其影響較大,關(guān)系密切外,其他指標對其影響中等,關(guān)系一般。在20～40cm土層中,大果沙棘果實含水量與土壤含水量灰關(guān)聯(lián)度值最大為0.775 5,與總孔隙度灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.619 7,與所有土壤指標均達到較高關(guān)聯(lián),說明這些指標均對大果沙棘果實含水量影響較大,且關(guān)系密切;葉片含水量中,土壤含水量關(guān)聯(lián)度值最大為0.775 2,毛管持水量灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.530 3,除了土壤含水量與土壤容重與葉片含水量為較高關(guān)聯(lián)外對葉片含水量影響較大,關(guān)系密切,其他指標均為中等關(guān)聯(lián)。在40～60cm土層中, 大果沙棘果實含水量與土壤容重灰關(guān)聯(lián)度值最大為0.764 2, 與毛管孔隙度灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.510 4, 其中土壤含水量、 土壤容重和飽和含水量均達到較高關(guān)聯(lián), 說明這些指標對果實含水量起到較大影響, 且關(guān)系極為密切;葉片含水量中, 土壤含水量關(guān)聯(lián)度值最大為0.613 7, 飽和含水量灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.498 0,葉片含水量僅與土壤含水量呈較高關(guān)聯(lián),與其他指標因素均為中等,說明除了土壤含水量外,其他指標對其影響一般,關(guān)系中等。

表2 中國沙棘果葉含水量與土壤物理性質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)分析Tab.2 Gray correlation analysis of Chinese Seabuckthornfruit leaves water content and soil physical properties

表3 大果沙棘果葉含水量與土壤物理性質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)分析Tab.3 Gray correlation analysis of Macro-fruit seabuckthornfruit Leaves water content and soil physical properties

綜合分析發(fā)現(xiàn),在0～60cm土層中,土壤物理指標與大果沙棘果實含水量關(guān)系密切排序為土壤容重>土壤含水量>飽和含水量>毛管持水量>總孔隙度>毛管孔隙度;葉片含水量關(guān)系密切排序為土壤含水量>土壤容重>總孔隙度>飽和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量。

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)對沙棘果葉含水量影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

選取中國沙棘與大果沙棘果葉含水量作為參考數(shù)列, 林地pH值、 飽和導(dǎo)水率、 有機質(zhì)、 堿解氮、 有效磷和全磷等指標作為比較數(shù)列, 計算得出參考數(shù)列與比較數(shù)列灰色關(guān)聯(lián)度值見表4和表5?？梢园l(fā)現(xiàn)，比較序列各個指標因素的灰關(guān)聯(lián)度值大小不同,關(guān)聯(lián)度值越大,其對應(yīng)指標對果葉含水量的影響越大,兩者之間的關(guān)系越緊密。

2.2.1 土壤化學(xué)性質(zhì)對中國沙棘果葉含水量影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析 從表4得出, 中國沙棘果葉含水量與土壤化學(xué)性質(zhì)關(guān)系存在差異。 在0～20cm土層中, 中國沙棘果實含水量與有機質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)度值最大為0.745 0, 與有效磷灰色關(guān)聯(lián)度值最小為0.565 5, 除有效磷外, 與其他指標均達到較高關(guān)聯(lián); 葉片含水量中,電導(dǎo)率灰關(guān)聯(lián)度值最大為0.793 7, 與有機質(zhì)灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.502 1,葉片含水量與pH、有效磷和電導(dǎo)率關(guān)聯(lián)度達到較高關(guān)聯(lián),說明這些指標對葉片含水量影響較大,且關(guān)系密切。在20～40cm土層中,中國沙棘果實含水量與pH灰色關(guān)聯(lián)度值最大為0.737 9,與堿解氮灰色關(guān)聯(lián)度值最小為0.649 0,所有指標均達到較高關(guān)聯(lián),說明這些指標均與中國沙棘果實含水量關(guān)系密切;葉片含水量中,有效磷灰色關(guān)聯(lián)度值最大為0.682 8,達到較高關(guān)聯(lián),且其余指標均沒有達到較高關(guān)聯(lián),說明有效磷對其影響較大,且關(guān)系密切。在40～60cm土層中,中國沙棘果實含水量與有效磷灰色關(guān)聯(lián)度值最大為0.759 1,與全磷灰色關(guān)聯(lián)度值最小為0.571 9,果實含水量除與全磷達到中等關(guān)聯(lián)外,其他均達到較高關(guān)聯(lián);葉片含水量中,與有效磷灰色關(guān)聯(lián)度值最大為0.655 7,與有機質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)度值最小為0.530 2,葉片含水量除了與有機質(zhì)和電導(dǎo)率呈中等關(guān)聯(lián)外,與其他指標均呈較高關(guān)聯(lián),關(guān)系密切。

表4 中國沙棘果葉含水量與土壤化學(xué)性質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)分析Tab.4 Gray correlation analysis of Chinese Seabuckthornfruit leaveswater content and soil chemistry properties

綜合分析發(fā)現(xiàn),在0～60cm土層中,土壤化學(xué)指標與中國沙棘果實含水量關(guān)系密切排序為有機質(zhì)>pH>有效磷>電導(dǎo)率>堿解氮>全磷;葉片含水量關(guān)系密切排序為有效磷>電導(dǎo)率>pH>堿解氮>全磷>有機質(zhì)。

2.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)對大果沙棘果葉含水量影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析 從表5得出, 大果沙棘果葉含水量與土壤化學(xué)性質(zhì)關(guān)系存在差異。 在0～20cm土層中,大果沙棘果實含水量與堿解氮灰色關(guān)聯(lián)度值最大為0.739 6,與電導(dǎo)率灰色關(guān)聯(lián)度值最小為0.565 6,除電導(dǎo)率外,與其他指標均達到較高關(guān)聯(lián);葉片含水量中,pH灰關(guān)聯(lián)度值最大為0.736 0,與全磷灰關(guān)聯(lián)度值最小為0.538 3,葉片含水量與pH、有機質(zhì)和堿解氮關(guān)聯(lián)度達到較高關(guān)聯(lián),說明這些指標對葉片含水量影響較大,且關(guān)系密切。在20～40cm土層中,大果沙棘果實含水量與有機質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)度值最大為0.703 8,與有效磷灰色關(guān)聯(lián)度值最小為0.511 0,與有機質(zhì)、全磷和pH指標呈較高關(guān)聯(lián)性,說明這些指標均與大果沙棘果實含水量關(guān)系密切;葉片含水量中,pH灰色關(guān)聯(lián)度值最大為0.775 2,與電導(dǎo)率灰色關(guān)聯(lián)度值最小為0.548 7,除了電導(dǎo)率外,大果沙棘葉片含水量與其余指標均達到較高關(guān)聯(lián),關(guān)系密切。在40～60cm土層中,大果沙棘果實含水量與有效磷灰色關(guān)聯(lián)度值最大為0.827 3,與電導(dǎo)率灰色關(guān)聯(lián)度值最小為0.584 2,果實含水量與有效磷達到高關(guān)聯(lián),說明其對果實含水量影響較大,關(guān)系密切;葉片含水量中,與pH灰色關(guān)聯(lián)度值最大為0.785 7,與電導(dǎo)率灰色關(guān)聯(lián)度值最小為0.543 1,葉片含水量中與pH、有機質(zhì)和全磷較高關(guān)聯(lián),關(guān)系密切。

綜合分析發(fā)現(xiàn),在0～60cm土層中,土壤化學(xué)指標與大果沙棘果實含水量關(guān)系密切排序為有機質(zhì)>全磷>堿解氮>有效磷>pH>電導(dǎo)率;葉片含水量關(guān)系密切排序為pH>有機質(zhì)>堿解氮>全磷>有效磷>電導(dǎo)率。

表5 大果沙棘果葉含水量與土壤化學(xué)性質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)分析Tab.5 Gray correlation analysis of Macro-fruit seabuckthornfruit leaves water content and soil chemistry properties

3 結(jié)論與討論

1)土壤物理性質(zhì)與中國沙棘果實含水量關(guān)系密切排序為土壤容重>總孔隙度>土壤含水量>飽和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量;葉片含水量關(guān)系密切排序為毛管孔隙度>土壤容重>飽和含水量>總孔隙度>毛管持水量>土壤含水量。土壤物理性質(zhì)與大果沙棘果實含水量關(guān)系密切排序為土壤容重>土壤含水量>飽和含水量>毛管持水量>總孔隙度>毛管孔隙度;葉片含水量關(guān)系密切排序為土壤含水量>土壤容重>總孔隙度>飽和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量。

2)土壤化學(xué)性質(zhì)與中國沙棘果實含水量關(guān)系密切排序為有機質(zhì)>pH>有效磷>電導(dǎo)率>堿解氮>全磷;葉片含水量關(guān)系密切排序為有效磷>電導(dǎo)率>pH>堿解氮>全磷>有機質(zhì)。土壤化學(xué)性質(zhì)與大果沙棘果實含水量關(guān)系密切排序為有機質(zhì)>全磷>堿解氮>有效磷>pH>電導(dǎo)率;葉片含水量關(guān)系密切排序為pH>有機質(zhì)>堿解氮>全磷>有效磷>電導(dǎo)率。

土壤是植物生長的基礎(chǔ)條件,為植物提供必要的水分和養(yǎng)分，植物生長或恢復(fù)過程又可以改變土壤理化生性狀,改善土壤質(zhì)地[15,17,20]。本文結(jié)果分析表明,不同土層沙棘林地土壤理化性質(zhì)與沙棘果葉含水量的關(guān)系密切程度各不相同,沙棘與土壤水分在20～60cm土層,較0～20cm關(guān)系緊密,特別是在果葉含水量較大的大果沙棘林地中,這與楊國敏和王力研究得出的沙棘雨季主要對30～70cm土層的土壤水分進行利用的結(jié)論相似[22]。沙棘葉片是沙棘光合作用發(fā)生的主要場所,果實是沙棘光合作用最有利用價值的產(chǎn)物之一,沙棘光合速率與林地土壤水分間有極顯著的相關(guān)關(guān)系[23]。已有研究表明,隨著土壤含水量的降低,沙棘蒸騰耗水量不斷降低[24]。因此,土壤水分與沙棘果葉含水量關(guān)系密切,尤其是果葉含水量較大的大果沙棘較中國沙棘與土壤含水量的關(guān)系更加密切,可能是由于大果沙棘果葉含水量較高,需要的水分較多,土壤水分是其水分的主要來源，然而,中國沙棘在干旱的適應(yīng)性方面,更具優(yōu)勢,對土壤水分依靠性要小于大果沙棘[25]。本文研究表明,土壤容重與有機質(zhì)分別是土壤物理性質(zhì)和土壤化學(xué)性質(zhì)中與沙棘果實含水量關(guān)系最為密切的兩個指標。因此,今后需要提高沙棘果實含水量時,可以適當(dāng)?shù)母淖兞值赝寥廊葜睾屯寥烙袡C質(zhì)從而進行沙棘果實含水量調(diào)節(jié)。