花棒(Hedysarum scoparium)對雅魯藏布江中游山坡流動沙地土壤理化性質(zhì)的影響

王 濤，司萬童，閆瑞強(qiáng)，李海東，林乃峰①，沈渭壽 (.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 004；.重慶文理學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 4060)

人工植被恢復(fù)與重建是土地沙化治理中重要的措施之一，人工種植固沙植物不僅能降低風(fēng)速，還能抑制沙粒流動。固沙植物對沙化土壤理化性質(zhì)的影響依然是土地沙化治理的研究熱點。固沙植物發(fā)達(dá)的根系通過改變沙地土壤理化性質(zhì)進(jìn)而影響土壤的通透性、對水分的吸持能力、緊實度和黏結(jié)性等諸多方面[1]，而且對植物的生長發(fā)育有重要作用，對沙漠化的發(fā)生、發(fā)展及植被恢復(fù)有重要影響[2-3]。同時，各種養(yǎng)分在土壤中的存在形式和濃度也影響植被生長發(fā)育[4]。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤機(jī)械組成特征對研究土壤風(fēng)蝕、土地沙漠化、沙塵暴等方面具有重要的意義[5-10]。西藏是我國土地沙化嚴(yán)重的地區(qū)之一[11]，其中雅魯藏布江中游地區(qū)屬于高寒干旱氣候區(qū)，區(qū)域內(nèi)非典型的沙漠環(huán)境植被稀疏[12]，河灘沙質(zhì)沉積物豐富，使得該地區(qū)風(fēng)沙化嚴(yán)重。學(xué)者們對雅魯藏布江河谷沙地的空間分布[13-14]、風(fēng)沙地貌形成和發(fā)展演化驅(qū)動因素[15]、固沙措施和適生植物種篩選方面[16-20]也開展了許多研究。

近年來，隨著雅魯藏布江中游山南寬谷地區(qū)開展重點區(qū)域生態(tài)公益林建設(shè)工程、生態(tài)安全屏障建設(shè)工程、防沙治沙示范區(qū)工程等項目，沙地面積持續(xù)減少，河谷兩岸風(fēng)沙化趨勢明顯好轉(zhuǎn)。但河谷兩岸依然存在較大面積的山坡流動沙地，這些沙地不僅海拔高、流動性強(qiáng)，而且坡度大、水分條件差、地形條件復(fù)雜，研究表明山坡流動沙地僅憑自然力進(jìn)行恢復(fù)非常困難[21-23]，實施人工造林人力成本和經(jīng)費(fèi)投入也巨大。多年的實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雅魯藏布江中游山南寬谷段山坡流動沙地固沙工程以設(shè)置沙障為主，較少開展人工種植植被工程?；ò?Hedysarumscoparium)是西北沙地固沙造林的優(yōu)良先鋒植物，它主、側(cè)根部極發(fā)達(dá)，生長迅速，能在流沙環(huán)境中抗風(fēng)蝕沙埋，同時還具有耐嚴(yán)寒高溫的特性，但在山南寬谷沙地植被恢復(fù)和重建中較少使用花棒做為治沙人工種植物種。筆者所在研究團(tuán)隊在北岸山坡流動沙地開展多年試驗，觀測發(fā)現(xiàn)樣地中花棒能在高寒河谷完成生活史并進(jìn)行繁殖，對山坡流動沙地具有一定的固沙效果。因此選取樣地中人工種植的花棒作為研究對象，分析多年生花棒對沙地土壤理化性質(zhì)的影響，旨在為雅魯藏布江中游山坡流動沙地治理提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究樣地調(diào)查

試驗樣地為雅魯藏布江中游北岸山坡流動沙地，位于山南市貢嘎縣雅魯藏布江大橋東側(cè)，隔江與拉薩貢嘎機(jī)場相望，地理位置為29°20′21″ N，90°53′15″ E，試驗地海拔3 582 m，最大坡度約40°，坡向為東坡和東南坡，距離雅魯藏布江約400 m。年平均氣溫為4.7～8.3 ℃，年平均日照時數(shù)為2 600～3 300 h，年降水量為250～580 mm，年蒸發(fā)量為2 293～2 734 mm，降水主要集中在5—9月。土壤水分主要依靠降水補(bǔ)給，不受河流水位變動的影響。山坡沙地坡度大，可劃分為迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡和丘間地，而沙丘頂部不明顯，常與背風(fēng)坡、迎風(fēng)坡相連。2009年以前試驗地初始地貌為流動沙地，無植被生長。

試驗樣地于2009—2018年開展沙地適生植物種篩選和人工植被恢復(fù)效果研究，試驗樣地人工植被恢復(fù)效果前后對比明顯(圖1)。2009年在試驗樣地中種植了花棒、籽蒿(Artemisiasphaerocephala)、楊柴(Hedysarummongolicum)、沙拐棗(Calligonumarborescens)、中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、檸條(Caraganakorshinskii)、中國沙棘(Hippophaerhamnoides)、羅布麻(Apocynumvenetum)和梭梭(Haloxylonammodendron)這9種北方優(yōu)良沙生植物，還有砂生槐(Sophoramoorcroftiana)、變色錦雞兒(Caraganaversicolor)、西藏錦雞兒(Caraganaspinifera)、藏沙蒿(Artemisiawellbyi)、藏龍蒿(Artemisiawaltonii)、西藏沙棘(Hippophaethibetana)和江孜沙棘(Hippophaegyantsensis)這7種西藏鄉(xiāng)土沙生植物種。截至2018年，試驗樣地內(nèi)植被平均蓋度達(dá)到38%以上，選取的16種植被只剩下5種，試驗樣地內(nèi)花棒、楊柴、籽蒿生長較好。西藏鄉(xiāng)土沙生植物種(藏沙蒿、砂生槐)、原生沙地物種(固沙草、芒草)數(shù)量較少且長勢一般。其中樣地內(nèi)花棒高度最高為410 cm，冠幅為560 cm×520 cm，成為樣地中主要植被類型，楊柴高度最高為261 cm，冠幅為370 cm×410 cm；籽蒿高度最高為122 cm，冠幅為80 cm×110 cm。試驗樣地內(nèi)前3 a為保障植被生長每年進(jìn)行補(bǔ)種，2012年以后僅觀測植被蓋度和生物量，試驗樣地未進(jìn)行人工補(bǔ)種和施肥澆水，盡量模擬自然條件下的植被生長。

圖1 試驗地植被恢復(fù)對比圖

1.2 研究方法

樣品采集于2018年8月。根據(jù)迎風(fēng)坡高度不同設(shè)置4條樣帶(圖2，高度為H1>H2>H3>H4)，不同高度分別布設(shè)植被種植區(qū)(試驗組)和裸地(對照組)2個采樣點，4條樣帶共計8個采樣點，其中4個為距花棒根莖半徑20 cm的表層土壤采樣點(試驗組)，4個為無植被生長的土壤采樣點 (對照組)。以四分法對距花棒根莖半徑20 cm的表層(0～20 cm)土壤進(jìn)行采樣(試驗組1、試驗組2、試驗組3、試驗組4)，在與花棒植株相同高度附近選取無植被生長的表層(0～20 cm)土壤采樣(對照組1、對照組2、對照組3、對照組4)。土壤樣品采集后帶回試驗室，去除植物根系等異物，避光自然陰干，對每一份樣品磨碎處理，過0.83 mm孔徑土壤篩，裝入自封袋備用。

土壤分析測試指標(biāo)包括pH值，有機(jī)質(zhì)(SOM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)含量，土壤粒度。土壤pH值采用電位法測定；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定;土壤全磷含量采用氫氟酸-高氯酸酸溶鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀含量采用氫氟酸-高氯酸酸溶火焰光度法測定；土壤粒度組成由馬爾文激光粒度儀測定，土壤機(jī)械組成按以下分級標(biāo)準(zhǔn)[4]：石礫(>2.00 mm)、極粗砂粒(>1.00～2.00 mm)、粗砂粒(>0.50～1.00 mm)、中砂粒(>0.25～0.50 mm)、細(xì)砂粒(>0.10～0.25 mm)、極細(xì)砂粒(>0.05～0.10 mm)、粉粒(>0.002～0.05 mm)、黏粒(≤0.002 mm)。土壤養(yǎng)分分級采用全國第二次土壤普查推薦的分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

圖2 采樣點位置示意

表1 土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個樣品均做3次平行試驗。所有結(jié)果滿足實驗室質(zhì)控要求，標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在±10%之內(nèi)。利用SPSS 17.0和Excel 2007軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，利用one-way ANOVA進(jìn)行方差分析和顯著性分析。采用Person相關(guān)性分析來分析2個變量的線性相關(guān)程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量

由圖3可見，花棒生長地土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著高于對照組，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的變幅分別為2.54～5.32和1.05～1.29 g·kg-1。隨著山坡高度的增加(H4至H1)，有機(jī)質(zhì)含量整體呈先增加后減少的趨勢，這與采樣點的植被覆蓋度有很大關(guān)系，山坡中部花棒覆蓋率較高，土壤中植物根系更加發(fā)達(dá)，生長地土壤表層凋零物更加豐富?；ò羯L地土壤全氮含量顯著高于對照組，表明花棒生長可以顯著提高當(dāng)?shù)赝寥乐杏袡C(jī)質(zhì)和氮肥含量?；ò羯L地土壤pH值表現(xiàn)為對照組明顯高于試驗組，土壤全鉀含量除H4略高于對照組外，其余高度的花棒生長地土壤全鉀含量均低于對照組?；ò羯L地土壤pH值和全鉀含量變幅分別為6.67～7.26和17.22～20.37 g·kg-1。分析發(fā)現(xiàn)，就土壤酸堿性而言，花棒生長地土壤接近中性，而對照組的土壤全部為堿性。表明山坡流動沙地人工種植花棒可以在一定程度上降低沙地土壤的堿度，且隨著山坡高度的增加，這種改良效果更加明顯。隨山坡高度的增加，花棒生長地土壤全鉀含量逐漸降低，而對照組土壤全鉀含量沒有太大變化，可見山坡上部植物對土壤中的鉀離子吸收和消耗更多。花棒生長地土壤全磷含量變幅為0.20～0.24 g·kg-1，對照組土壤全磷含量變幅為0.21～0.25 g·kg-1。同一高度試驗組與對照組土壤之間差異不顯著，全磷含量基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)，說明花棒的生長消耗和根際效應(yīng)讓當(dāng)?shù)乇韺油寥乐腥缀刻幱谝粋€動態(tài)平衡狀態(tài)，整體影響不顯著。

圖3 各樣點土壤養(yǎng)分含量和pH值

根據(jù)表1對各樣地表層土壤養(yǎng)分進(jìn)行分級評價(表2)，結(jié)果顯示該樣地除了鉀元素外，其余各項土壤肥力指標(biāo)水平極低。其中有機(jī)質(zhì)與全磷含量均處于6級標(biāo)準(zhǔn)。其次為全氮含量，花棒生長地土壤為3級，對照組土壤為4級。土壤全鉀含量的等級最高，花棒生長地土壤全鉀含量為2級，對照組土壤為3級。整體來講，整個研究區(qū)域的土壤肥力水平較低，不利于大部分植物的生長。開展人工植被恢復(fù)時應(yīng)采取合理措施改善當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境，增加土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力，進(jìn)而提高固沙植被成活率，提升山坡流動沙地人工植被恢復(fù)效果。

2.2 土壤顆粒組成

不同土壤粒度組成如圖4所示，山坡流動沙地土壤的粒度主要以細(xì)砂粒和中砂粒為主，其中花棒生長地土壤中砂粒占比為30.20%～56.15%，細(xì)砂粒占比為41.55%～65.56%。對照組土壤中砂粒占比為7.43%～92.84%，細(xì)砂粒占比為6.19%～76.60%。石塊占比(0～0.25%)和黏粒占比最少(0.08%～0.57%)，其他土壤粒度分布極少。從山坡底部到山頂，對照組土壤細(xì)砂粒含量逐漸增多，中砂粒含量逐漸減少。這是自然風(fēng)選的過程，更細(xì)粒徑的砂粒被風(fēng)吹到了更高更遠(yuǎn)的地方，造成極細(xì)砂粒、粉砂粒和黏粒的流失。而花棒生長地土壤細(xì)砂粒和中砂粒含量較為接近，且在不同高度上相對穩(wěn)定。這是由于花棒的生長有效降低了地面風(fēng)速，從而截留了更多的較細(xì)粒徑砂粒。說明花棒可以在改變土壤粒度組成方面發(fā)揮良好作用。

表2 各樣點土壤養(yǎng)分分級評價結(jié)果

土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖4 各樣點土壤粒度組成

2.3 土壤粒度與養(yǎng)分的相關(guān)性分析

由表3可知，山坡流動沙地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量及pH值與各級土壤粒度組成呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。土壤黏粒占比與全鉀、全磷含量之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P<0.05)，與pH值、有機(jī)質(zhì)和全氮含量之間表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(P<0.01)。粉砂粒占比與各養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性水平與黏粒相似。土壤極細(xì)砂粒占比與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與全鉀含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P<0.05)。細(xì)砂粒占比與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量之間表現(xiàn)為顯著正相關(guān)(P<0.01)，中砂粒占比與全氮、全磷含量分別呈極顯著、顯著正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，但與土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量分別呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表3 土壤粒度組成與土壤養(yǎng)分因子的相關(guān)系數(shù)

3 討論與結(jié)論

人工植被恢復(fù)可以充分利用土壤-植物復(fù)合系統(tǒng)的功能改善局部土壤理化性質(zhì)，在一定程度上改變生態(tài)系統(tǒng)演替的方向和速度，縮短恢復(fù)周期，是恢復(fù)自然生態(tài)系統(tǒng)的有效措施。以往研究表明，隨著沙地植被恢復(fù)程度的不斷提高，表層土壤趨于細(xì)粒化[5]，沙表開始出現(xiàn)生物結(jié)皮[2]，當(dāng)植被數(shù)量和蓋度達(dá)到到一定程度時，之前的優(yōu)勢物種灌木植被開始衰退，逐漸被草本植被替代，但這是一個漫長的過程。2009年以前試驗地初始地貌是流動沙地，無植被生長。對比開展人工植被恢復(fù)與重建前后的采樣測試分析數(shù)據(jù)(表4)，與2009年試驗樣地土壤pH值(7.21～8.30)相比，2018年對照組土壤pH值(7.67～8.06)變化不大，但花棒生長地土壤pH值(6.67～7.26)明顯下降，表明植被恢復(fù)對土壤酸堿度有一定的改良作用，進(jìn)而會對土壤理化性質(zhì)、微生物活動以及植物生長發(fā)育產(chǎn)生很大影響?；ò羯L地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量較2009年有較為明顯的變化，山坡流動沙地土壤有機(jī)質(zhì)含量整體隨高度的升高呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。土壤全磷含量幾乎不受花棒生長的影響，其變化趨勢平緩；全鉀含量隨高度的增加而逐漸減小；全氮含量隨著海拔的增高有上升趨勢，但增加相對緩慢?；ò魧ν寥纏H值有較好的降低作用，使土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著升高，對鉀元素利用較高。整個區(qū)域的土壤養(yǎng)分普遍較低，總體表現(xiàn)為全鉀最優(yōu)，全氮次之，有機(jī)質(zhì)和全磷最差。研究者在雅魯藏布江江當(dāng)寬谷開展的試驗結(jié)果表明，固沙區(qū)土壤pH值下降，全氮、有機(jī)質(zhì)含量明顯增加，花棒生長地土壤測試結(jié)果與其一致[16]?；ò羯L地土壤全鉀含量變化可能與當(dāng)?shù)厣狡碌叵滤兄苯雨P(guān)系，由于靠近雅魯藏布江，山體地下水基本靠江水滲透供給，水分隨著當(dāng)?shù)貜?qiáng)烈的蒸發(fā)作用上移，水中的鉀離子等金屬離子滯留在山坡底部，谷底的鉀離子供給與當(dāng)前植物的吸收作用達(dá)到動態(tài)平衡，而坡頂?shù)闹脖晃兆饔眠h(yuǎn)大于供給作用，從而導(dǎo)致土壤全鉀含量降低，表明山坡流動沙地中種植花棒對土壤改良有一定影響。

表4 人工植被恢復(fù)與重建前后土壤理化性質(zhì)對比

在自然狀態(tài)下，土壤粒度組成在影響土壤理化性質(zhì)的同時，還與植被生長環(huán)境和養(yǎng)分供給有密切關(guān)系?；ò羯L使土壤中顆粒含量增加，這對于改善土壤機(jī)械組成有較好的作用。土壤養(yǎng)分含量的高低受土壤粒度影響較大，其中粗砂粒、極粗砂粒、石礫這些粒度的土壤占比與土壤養(yǎng)分含量之間均沒有相關(guān)性；而黏粒和極細(xì)砂粒占比對土壤養(yǎng)分含量的影響較大且相關(guān)性較高。黏粒和極細(xì)砂粒含量增加對土壤養(yǎng)分含量增加有較大貢獻(xiàn)，是土壤質(zhì)量提高的主要因素，粉粒和細(xì)砂粒對土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)較小，而大于中砂粒(包括中砂粒)粒徑的土壤顆粒占比增加則對土壤養(yǎng)分含量有降低效果。風(fēng)沙運(yùn)動較為強(qiáng)烈的山坡流動沙地會出現(xiàn)土壤養(yǎng)分虧損的現(xiàn)象。試驗樣地多個采樣點的土壤中粉砂含量減小，黏粒消失，并已經(jīng)出現(xiàn)大量中砂粒和粗砂粒，這是導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣衬M(jìn)一步惡化的主要原因之一，而花棒的生長能夠有效緩解這種情況，這對當(dāng)?shù)厣狡铝鲃由车氐闹脖换謴?fù)具有非常重要的作用。

在我國西北的毛烏素沙地[24]、騰格里沙漠[25]等地區(qū)人工植被恢復(fù)和重建中，花棒作為治沙先鋒物種被大量使用，但雅魯藏布江中游地區(qū)開展人工植被恢復(fù)與重建時較少種植花棒。筆者在固定樣地的試驗觀測發(fā)現(xiàn)，人工種植的花棒在山坡流動沙地能完成整個生命周期且能適應(yīng)高寒氣候條件。但是花棒在高寒沙化草地生態(tài)恢復(fù)中所起的綜合作用，及其在改善土壤環(huán)境條件方面的生態(tài)學(xué)原理和內(nèi)在機(jī)制仍不清楚。后續(xù)研究應(yīng)該進(jìn)一步擴(kuò)大試驗和示范區(qū)域，以期進(jìn)一步證明花棒在山坡流動沙地中種植的廣泛適應(yīng)性，明確花棒在沙化草地恢復(fù)過程中的內(nèi)在機(jī)制及作用的關(guān)鍵因子，這對于今后在雅魯藏布江流域篩選出高效的治沙植物并推廣應(yīng)用具有極其重要的現(xiàn)實意義。