渭北黃土高原植被恢復(fù)模式對(duì)土壤理化特性的影響

姚 源，劉 璇，朱慧男，唐德瑞*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100; 2.寧夏枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心;3.寧夏林權(quán)服務(wù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，銀川 750001)

坡耕地撂荒和營(yíng)造人工林是黃土高原水土流失區(qū)和生境破損區(qū)生態(tài)修復(fù)過(guò)程中最常用的技術(shù)手段。國(guó)家實(shí)施退耕還林還草工程以來(lái)，區(qū)域水土流失和生態(tài)系統(tǒng)退化現(xiàn)象得以改善，現(xiàn)有大面積的人工喬木林、灌木林和撂荒草地[1-2]。但針對(duì)該區(qū)域植被重建的研究主要集中在單一模式下植被演替、土壤水分養(yǎng)分特征及生態(tài)功能發(fā)揮等方面[3-4]，而比較不同植被恢復(fù)模型對(duì)土壤理化特性的研究較少。

土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)中的分解者，在養(yǎng)分循環(huán)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中扮演著重要角色[5]。土壤微生物量是指土壤中體積小于5×103μm3細(xì)小微生物的總量，其參與土壤的發(fā)育和形成過(guò)程且對(duì)環(huán)境變化敏感，能指示生態(tài)系統(tǒng)功能的變化[6-7]。土壤微生物量碳、氮周轉(zhuǎn)速率遠(yuǎn)快于植物殘?bào)w碳氮周轉(zhuǎn)速率，是綜合評(píng)估土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[8]。

本研究選取撂荒地、沙棘灌木林地和人工林(刺槐、側(cè)柏和油松林)三種植被恢復(fù)模式，研究不同恢復(fù)模式對(duì)土壤養(yǎng)分、物理特性、化學(xué)計(jì)量和土壤微生物量碳、氮的影響，探究不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，以期為當(dāng)?shù)刂脖恢亟ê蜕鷳B(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原南部地區(qū)—陜西省永壽縣，坐標(biāo)為108°05′～108°10′E,34°47′～34°47′N。該區(qū)域?yàn)榕瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度為10.8 ℃，年均降水為602 mm且主要分布于每年的7-9月份。海拔為1 123～1 417 m，主要土壤類型褐土[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 于2017年8月份在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取棄耕后演變成的撂荒地、灌木林地(沙棘林)和人工林(刺槐、側(cè)柏和油松林)為研究對(duì)象，每種植被類型設(shè)置3個(gè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，并設(shè)置農(nóng)田作為對(duì)照組，共計(jì)18個(gè)樣地。樣地基本信息見表1。

表1 不同植被類型樣地概況

1.2.2 土壤樣品采集及處理 在每個(gè)20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)，沿“S”型用直徑為5 cm的土鉆隨機(jī)取9鉆土，并混合成一份土壤樣品。土鉆取土?xí)r，首先去掉表層枯落物層和未分解的腐殖質(zhì)層，取樣深度為表層土0～20 cm。在每個(gè)樣地內(nèi)，采用環(huán)刀法采集用于土壤含水量和土壤容重測(cè)定的土壤。

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，去除掉石頭、植物根及凋落物等，并分成兩份。一份土樣放于4 ℃冰箱保存，用以測(cè)定硝態(tài)氮(NO3-)、銨態(tài)氮(NH4+)、微生物碳(MBC)和微生物氮(MBN)；另一份土樣風(fēng)干，研磨后過(guò)2 mm篩，用于土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和速效磷(AP)的測(cè)定。

1.2.3 土壤養(yǎng)分與土壤微生物量碳氮分析 土壤有機(jī)碳在用鹽酸除去無(wú)機(jī)組分后，用TOC分析儀(Elementar Liqui TOC Ⅱ analyzer，Elementar Analysensysteme GmBH, Hanau, Germany)進(jìn)行測(cè)定。土壤全氮在凱氏法消解后用全氮儀(Foss Kjeltec 8400 Analyzer Unit, Foss Tecator AB; Hoganas, Sweden)進(jìn)行測(cè)定。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮用1 mol·L-1的KCl浸提后使用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀(AutoAnalyzer3-AA3, Seal Analytical, Mequon, WI)測(cè)定。全磷和速效磷根據(jù)土壤農(nóng)化分析的方法進(jìn)行測(cè)定[10]。土壤微生物量碳和土壤微生物氮使用氯仿熏蒸后分別借助TOC分析儀和AA3流動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定。土壤pH以1∶2.5水土比用pH計(jì)(Sartorius PB-10, Germany)，土壤含水量(SM)和土壤容重(SD)，采用烘干法測(cè)定。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Excel2016整理后，使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

與農(nóng)田土壤相比，草地、灌木和喬木林地等不同植被恢復(fù)模式均顯著改變了包括土壤養(yǎng)分、微生物碳氮等在內(nèi)的土壤理化性質(zhì)(表2)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分高度依賴于外源輸入，在人類頻繁干擾和施肥措施下，農(nóng)田土壤中的速效養(yǎng)分如速效磷和銨態(tài)氮含量顯著高于植被恢復(fù)后的土壤，而有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。在本研究中，盡管土壤速效養(yǎng)分在三種植被恢復(fù)模式間表現(xiàn)出顯著差異，但卻未表現(xiàn)出規(guī)律性且在不同樹種喬木林土壤中差異顯著，表明土壤速效養(yǎng)分不僅受到植被恢復(fù)措施的影響，同時(shí)也受地被植物特性的影響。刺槐作為固氮樹種，其土壤中硝態(tài)氮含量是側(cè)柏和油松林的幾倍到十幾倍，這一結(jié)果充分證明了樹種特性對(duì)土壤養(yǎng)分的影響。土壤有機(jī)碳和全氮含量在撂荒地中顯著高于灌木和喬木林地，而全磷含量顯著低于兩種恢復(fù)模式。不同植被恢復(fù)模式均降低了土壤pH和土壤容重。土壤含水量在農(nóng)田和三種植被恢復(fù)土壤中差異顯著，但未表現(xiàn)出規(guī)律性。土壤微生物量碳氮含量在撂荒地中遠(yuǎn)高于農(nóng)田、灌木和喬木林地，且其在灌木和不同喬木林地間差異不具有規(guī)律性。

表2 不同植被恢復(fù)模式土壤理化特征

2.2 不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量的影響

土壤化學(xué)計(jì)量比反映了土壤碳、氮、磷不同營(yíng)養(yǎng)元素間的供需關(guān)系。盡管土壤C∶N在農(nóng)田和不同植被恢復(fù)類型林地間差異顯著，但其比值均小于10，表明在本研究中碳并不是氮循環(huán)的限制性因素。土壤C∶P和N∶P比值在撂荒地中顯著高于農(nóng)田、灌木和喬木林地，表明磷元素為撂荒地中碳和氮元素循環(huán)的限制性因子。此外，土壤C∶P和N∶P在兩種落葉性木本植物(刺槐和沙棘)林地中高于常綠植物(側(cè)柏和油松)林地中，表明常綠植物和落葉植物對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響存在差異(圖1)。土壤MBC∶N在撂荒地中顯著低于其他植被類型，其最高值出現(xiàn)在油松林地土壤中。

圖1 土壤和土壤微生物化學(xué)計(jì)量特征

2.3 土壤理化性質(zhì)間相關(guān)關(guān)系分析

不同植被恢復(fù)模式下土壤養(yǎng)分、理化特性和微生物量碳氮間表現(xiàn)出復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系(表3)。土壤有機(jī)碳和全氮與微生物量碳氮之間顯著正相關(guān)，而與MBC∶N表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)；土壤全磷與微生物量氮顯著負(fù)相關(guān)，而與MBC∶N顯著正相關(guān)。速效養(yǎng)分硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效磷與土壤容重具有顯著相關(guān)性。土壤含水量與pH顯著負(fù)相關(guān)。土壤C∶P和N∶P與MBC、MBN和MBC∶N間表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，表明土壤微生物在養(yǎng)分供需平衡中發(fā)揮重要作用。

表3 不同植被恢復(fù)模式土壤理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系

3 討論

3.1 恢復(fù)模式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

與農(nóng)田相比，不同植被恢復(fù)模式均提高了土壤有機(jī)碳含量。植物作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳匯過(guò)程的重要參與者，其通過(guò)光合作用將空氣中游離態(tài)碳固定到植物體內(nèi)，并通過(guò)根系分泌物和植物殘?bào)w(枝、葉、根等)輸送到土壤中[11-12]。土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)的分解者，將植物體輸送的有機(jī)組分通過(guò)降解作用轉(zhuǎn)化成土壤有機(jī)碳組分，進(jìn)而提高了土壤有機(jī)碳含量[13-14]。土壤有機(jī)碳含量在撂荒地土壤中顯著高于農(nóng)田、灌木和喬木林地，這可能是撂荒地凋落物以草本為主，其分解速率高于灌木和喬木林地凋落物，而高M(jìn)BC含量也表明微生物在其中發(fā)揮的重要作用。刺槐作為固氮先鋒樹種，其通過(guò)根瘤菌的固氮作用，顯著提高了其參與下的人工林土壤硝態(tài)氮組分，但銨態(tài)氮卻維持在較低水平[15]。本試驗(yàn)中，撂荒地的全氮含量高于人工林土壤，這種機(jī)制尚不明確，但可能與其植被群落中復(fù)雜的物種組成相關(guān)(存在豆科植物)。不同植被類型對(duì)土壤全磷的影響差異顯著，喬木林地土壤全磷含量高于農(nóng)田土壤，而沙棘灌木林地和撂荒地土壤全磷含量低于農(nóng)田土壤，表明撂荒地、灌木林地和喬木林土壤磷循環(huán)存在差異，撂荒地和灌木林地對(duì)磷的消耗速率要高于喬木林地。不同植被恢復(fù)模式中土壤速效磷含量遠(yuǎn)低于農(nóng)田土壤，這與黃土高原速效磷含量低的結(jié)果相一致[16]。

3.2 恢復(fù)模式對(duì)土壤化學(xué)計(jì)量特征的影響

有機(jī)物質(zhì)的分解速率與微生物碳氮比成負(fù)相關(guān)，即分解速率越高時(shí)微生物碳氮比值越低，這與微生物的活動(dòng)有關(guān)[17-18]。撂荒地土壤C∶N的值高于農(nóng)田、灌木和喬木林地土壤，表明其有機(jī)物質(zhì)分解速率快，植物-土壤間的碳氮轉(zhuǎn)換更為迅速。土壤C∶P用以衡量土壤微生物礦化土壤有機(jī)質(zhì)過(guò)程中釋放磷的能力及從周圍環(huán)境中固定磷元素的潛力，其比值越小則土壤微生物礦化有機(jī)組分釋放磷元素的潛力越大；其比值越高表明微生物與植物間對(duì)磷元素產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。本研究中，撂荒地土壤微生物與植物對(duì)磷元素的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度大于農(nóng)田、灌木和喬木林地土壤[19]。土壤N∶P能夠反映生態(tài)系統(tǒng)中的限制性元素指標(biāo)，且其比例相對(duì)比較穩(wěn)定。撂荒地中的N∶P值高于農(nóng)田和其他植被類型，表明其土壤養(yǎng)分循環(huán)中更容易受到磷元素限制[20]。

3.3 不同造林模式下土壤理化性質(zhì)間相關(guān)關(guān)系

土壤物理、化學(xué)和微生物間并非相互獨(dú)立而是以復(fù)雜的互作關(guān)系共同維持土壤養(yǎng)分循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)的分解者，是土壤養(yǎng)分循環(huán)中的主要驅(qū)動(dòng)者之一。本研究中，土壤MBC、MBN和MBC∶N與土壤有機(jī)碳、全氮、N∶P和N∶P間顯著相關(guān)，表明土壤微生物量變化受土壤養(yǎng)分狀態(tài)的影響顯著。此外，土壤MBC∶N可以部分反映土壤微生物的組成和結(jié)構(gòu)，其比值在本研究中分別與有機(jī)碳、全氮、C∶P和N∶P呈負(fù)相關(guān)，與全磷呈正相關(guān)關(guān)系，表明微生物量碳氮比值低的微生物占優(yōu)勢(shì)地位[8,21]。土壤容重與速效養(yǎng)分顯著相關(guān)而pH與全磷顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤物理特性在土壤養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)論

本研究表明在農(nóng)田基礎(chǔ)上的不同植被恢復(fù)模式改變了土壤養(yǎng)分、物理特性和土壤微生物量碳、氮，其影響程度因恢復(fù)方式的不同而不同。除恢復(fù)模式之外，地上植被物種特性同樣顯著影響土壤理化特性。植被恢復(fù)降低了土壤容重、pH和速效磷含量。撂荒措施下土壤有機(jī)碳和全氮含量高于灌木和喬木林恢復(fù)模式，而其土壤全磷含量低于造林。