陜北風沙區(qū)不同植被類型土壤養(yǎng)分特征與肥力評價

郝寶寶, 艾 寧,, 劉廣全, 宗巧魚, 劉 姣, 劉長海

(1.延安大學生命科學學院/陜西省區(qū)域生物資源保育與利用工程技術研究中心，陜西 延安 716000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

陜北風沙區(qū)地處農(nóng)牧交錯帶，是一個從沙區(qū)向黃土區(qū)的過渡區(qū)域[1]，長期以來，不合理的開墾和風沙危害等問題，使得該區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，成為我國北方土地沙漠化現(xiàn)象最為嚴重的地區(qū)之一[2-3].近年來，以人工植被建設為主的生態(tài)修復治理措施有效地緩解了風沙危害、水土流失等環(huán)境問題，改善了地區(qū)生態(tài)環(huán)境[4-5].然而，盲目和大規(guī)模栽植單一植被類型會造成土壤生產(chǎn)力下降和植被退化，從而可能產(chǎn)生新的沙化現(xiàn)象[6].土壤為植被生長提供了必要的條件，植被又直接影響土壤的形成方向，植被與土壤之間相互影響、相互促進[7].大量研究表明植被類型對土壤水分[8]、土壤生物[9-10]、土壤酶活性[11]和枯落物含量[12]等存在一定的影響，這些因子的變化間接影響土壤養(yǎng)分形成和分解狀況[13].目前，有關陜北風沙區(qū)植被恢復對土壤養(yǎng)分影響的研究相對缺乏，不同植被類型對沙地土壤養(yǎng)分的影響機制還未明確.本研究通過測定陜北風沙區(qū)不同植被類型土壤養(yǎng)分狀況，并運用土壤肥力綜合評價法比較不同植被類型對恢復區(qū)域土壤改良效果的差異，為今后該區(qū)域生態(tài)恢復建設提供理論數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市城北3 km處紅石峽沙地植物園，中心地理坐標109°42′43″E、38°20′08″N，四季明顯，屬溫帶大陸性季風氣候，降雨主要集中在7—9月，年平均溫度10.7 ℃，土壤類型主要以風沙土為主.由于不合理開墾、氣候變遷等問題，該地區(qū)曾是世界上沙漠化最為嚴重的地區(qū)之一.20世紀60年代以來，人們大力興建防風林帶，開展系列以植被建設為主的沙漠改造工程.目前，大面積的沙地已被治理，黃河的年輸沙量大大減少，生態(tài)環(huán)境得到顯著改善.研究區(qū)人工造林樹種主要有樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv)、紫穗槐(AmorphafruticosaLinn)、檸條(CaraganakorshinskiiKom)等.

1.2 方法

1.2.1 樣品采集與測定 于2018年8月，通過實地踏查后，選取4種典型植被樣地(表1)設置樣方.在每個樣方內(nèi)采用環(huán)刀法(100 cm3)在土壤剖面取樣，共6層(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)，將土樣做好標記，帶回實驗室風干后參照《土壤農(nóng)化分析》[14]的方法測定土壤化學指標.

表1 樣地基本特征

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 利用Excel 2010軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析，用Origin 8.0軟件繪圖.

土壤肥力綜合評價計算步驟[13]：首先，使用隸屬函數(shù)將各個土壤養(yǎng)分指標的數(shù)據(jù)進行標準化(公式1)；其次，采用標準差系數(shù)法計算各個土壤養(yǎng)分指標的權重(公式2、3)；最后，得出土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量指數(shù)(公式4).

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：μ(Xij)代表各土壤養(yǎng)分指標的隸屬度值；Xij代表土壤養(yǎng)分指標值；Xj,max和Xj,min代表第j項土壤養(yǎng)分指標最大值和最小值；Vj代表標準差系數(shù)；Wj代表權重；H代表土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量指數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤養(yǎng)分狀況

從表2可知，pH平均值為7.37，表明該研究區(qū)土壤呈中性.有機質(zhì)平均含量為2.92 g·kg-1，堿解氮、速效磷、速效鉀平均含量分別為2.73、11.94、16.08 mg·kg-1.按照全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級標準[15]，研究區(qū)有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量屬于6級(很低等級)，速效磷含量屬于3級(中上等級).Hu et al[16]按照變異程度的不同，將變異系數(shù)(coefficient of variation, CV)劃分為3個級別:CV≥100%為強變異，10%

表2 研究區(qū)土壤養(yǎng)分統(tǒng)計

2.2 不同植被類型土壤養(yǎng)分垂直變化特征

隨著土層深度的增加，各植被類型土壤pH呈波動變化趨勢，在0～40 cm土層，除草地外，其他植被類型土壤表層pH略小于底層.有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量總體上呈現(xiàn)為表層較高的特點.其中，有機質(zhì)含量在樟子松地最高，且0～20 cm土層有機質(zhì)含量明顯高于其他樣地，這可能是因為樟子松林腐殖層較厚，有機物分解量較多.在0～60 cm土層，各植被類型土壤中的有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均呈現(xiàn)下降趨勢，具有明顯垂直特性(圖1).

2.3 不同植被類型土壤肥力綜合評價

趙文田等[17]把土壤肥力綜合評價值劃分為5個等級：H>0.8為極高級，0.6≤H<0.8為高級，0.4≤H<0.6為中級，0.2≤H<0.4為低級，H<0.2為極低級.由表3可知，研究區(qū)4種植被類型土壤肥力處于中低級水平.各植被類型土壤肥力綜合評價值隨著土層深度增加均表現(xiàn)為下降趨勢，這可能是由于植被根系主要分布在土壤深層，下層養(yǎng)分被優(yōu)先消耗，同時，枯落物分解后形成的養(yǎng)分大量集中在土壤表層.不同植被類型土壤肥力表現(xiàn)為草地>樟子松林地>檸條林地>紫穗槐林地，但差異不顯著(P>0.05)，說明不同植被類型對沙區(qū)土壤肥力有一定的影響，但影響不顯著.

表3 不同植被類型土壤肥力綜合評價1)

3 討論

有研究表明，由于各植被類型林下凋落物的組成和分解狀況不同，導致土壤養(yǎng)分含量存在差異，進而影響了各養(yǎng)分的空間分布格局[18-19].本研究結(jié)果也表明，不同植被類型土壤養(yǎng)分含量在垂直空間分布上有差異且表現(xiàn)出不同的變化趨勢.另外有研究表明，植物根系分布與各土壤養(yǎng)分因子關系密切[20-21]，這是造成不同植被類型土壤養(yǎng)分垂直分布差異的原因之一.本研究還發(fā)現(xiàn)，各植被類型土壤表層的養(yǎng)分指標大于深層，呈現(xiàn)垂直分布特性，與魏強等[22]和耿玉清等[23]的研究結(jié)果一致，這主要是因為地表凋落物分解所形成的有機物質(zhì)先存在于土壤表層，且表層有機物質(zhì)向下輸送緩慢.

賈培龍等[24]研究表明，黃土高原8個森林地區(qū)的土壤有機碳含量為7.12～42.99 g·kg-1.而本研究中不同植被類型土壤有機質(zhì)含量普遍較低，0～100 cm土層平均有機質(zhì)含量為2.92 g·kg-1，與黃雅茹等[25]對烏蘭布和沙漠東北緣土壤有機質(zhì)含量的測定結(jié)果(2.70±0.43) g·kg-1相似.解倩等[26]研究表明，土壤有機質(zhì)含量與土壤含水量呈正顯著相關；Amador et al[27]也發(fā)現(xiàn)，土壤水分和有機碳等養(yǎng)分之間的有機耦合是通過水分影響土壤微生物及其與養(yǎng)分間的生態(tài)交互作用而引起.可見，土壤含水量較低可能是造成研究區(qū)有機質(zhì)含量較低的原因之一.

本研究結(jié)果顯示，樟子松林地和草地的土壤肥力處于中級水平，可能是由于樟子松林地覆蓋度高，且地面累積了較多凋落物和腐殖質(zhì)，草地根系淺，土壤養(yǎng)分消耗較低，且地面枯草層較厚；紫穗槐林地和檸條林地土壤肥力處于低級水平，可能是由于紫穗槐和檸條根系發(fā)達，土壤養(yǎng)分消耗較快，且灌木林地覆蓋度低，陽光直射使得地表土壤溫度較高，水分散失和呼吸過程加劇，進而導致土壤養(yǎng)分缺乏[19].

土壤肥力是保持林地生產(chǎn)力的基礎，科學準確地判斷土壤肥力是指導生態(tài)恢復的重要環(huán)節(jié)之一[28].目前，已有多種數(shù)學模型應用于土壤肥力的評價，但同一研究對象采用不同評價方法可能得到不同結(jié)果[29].本研究采用的評價方法單一，所得結(jié)果有待于通過多種評價方法進行優(yōu)化.