晉南丘陵溝壑區(qū)不同退耕年限刺槐林土壤養(yǎng)分含量變化

郝小玲,周佳佳,張咪咪,吳 潔,張粉果,王永吉

(山西師范大學 生命科學學院,山西 臨汾 041004)

黃土高原是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一,生態(tài)環(huán)境極其脆弱,其環(huán)境的改善治理問題一直以來備受人們關注。由于當?shù)亻L期放牧,濫砍濫伐等人為活動以及自然災害等事件頻發(fā),造成其土壤生產(chǎn)力急劇下降,對生態(tài)環(huán)境造成了極其嚴重的影響[1]。治理表層土流失等生態(tài)環(huán)境問題,需要抓住問題的關鍵,應當把生態(tài)功能的恢復作為生態(tài)恢復的主要目標[2-3]。近年來，該區(qū)域實施了大面積的退耕還林工程,以改善退化生態(tài)環(huán)境,促進生態(tài)恢復[4-5]。土壤作為獨立、完整而又開放的生態(tài)系統(tǒng),承擔著植物生長發(fā)育過程中水分和礦物質供給者這一重要角色,同時土壤養(yǎng)分是植被生長的基礎,土壤養(yǎng)分的變化直接影響植物的生長,是衡量土壤質量的重要指標[6]。為有效改善土壤肥力,促進黃土丘陵溝壑區(qū)人工林的可持續(xù)發(fā)展,選取既能適應當?shù)厣鷳B(tài)條件,又能改善土壤養(yǎng)分狀況的樹種至關重要[7-10]。

刺槐(Robiniapseudoac)屬于豆科植物,可自身固氮,為土壤提供一定的氮源,從而改善土壤肥力[11]。刺槐為淺根性植物,木質好、適應性強、生長迅速、育苗成本低、根蘗更新能力強,可以有效擴展地表覆蓋面,側根以及須根擴展能力強,植株間根系交織成網(wǎng)狀可以在劣質土壤與沙化土壤中正常生長,有效地減緩土壤表層的流失[12-14]。本文以晉南典型丘陵溝壑區(qū)的刺槐林作為研究對象,對不同退耕年限的人工刺槐林土壤養(yǎng)分含量變化進行研究,探究人工刺槐林對改善土壤養(yǎng)分的作用,以期為黃土高原典型丘陵溝壑區(qū)構建適宜植被恢復模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省運城市平陸縣圣人澗鎮(zhèn)，地理位置為34°53′47″～34°53′59″ N,111°6′02″～111°15′50″E。屬于暖溫帶大陸性季風氣候,年平均溫度13.8℃,最熱在7月,極端溫度超過40℃,1月的平均溫度最低,年降雨量在600mm左右,無霜期為238d,在冬季多西北風,其他季節(jié)多東南風,年平均日照為2 272h。該區(qū)屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū),地形破碎,黃土母質,土層深厚。

1.2 樣地設置與土壤測定

1) 樣地設置。在不同退耕年限的林分中分別設3塊樣地,樣地面積設為20m×20m,共計12樣地。對樣地進行每木檢尺,記載每株樹的胸徑、樹高、樹齡、郁閉度、海拔、坡度、坡向與密度,具體統(tǒng)計結果如表1所示。

在樣地的對角線上均勻布設3個土壤拋面調查點,用土鉆在0～60cm 土層深度,分別在0～10cm,10～20cm,20～30cm,30～40cm,40～50cm,50～60cm這6個土層分別取樣,過2mm孔徑土壤篩,用四分法取部分土壤,分別收取1mm和0.25mm土樣,裝袋密封待測。所測土壤養(yǎng)分指標包括有機質、pH、全氮、全磷、氨氮、硝氮、速效磷、速效鉀。

2) 土壤測定。pH采用水浸提-酸度計法測量；全氮采用半微量開氏法測量；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；氨氮與硝氮采用硫酸-混合加速劑消煮-蒸餾法與堿解擴散法測量；速效磷采用NH4F-HCl 浸提-鉬銻抗比色法測量；速效鉀采用NH4OAc 浸提-火焰光度法測量；有機質的含量采用重鉻酸鉀容量法測量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用Excel進行數(shù)據(jù)預處理；運用SPSS 20.0對土壤養(yǎng)分指標進行ANOVA分析,運用LSD法來檢驗同退耕年限不同土層深度或同土層深度不同退耕年限的刺槐林樣地土壤養(yǎng)分指標的差異顯著性(α=0.05)。

表1 調查樣地植株基本參

2 結果與分析

土壤pH的高低會影響土壤肥力,從而影響植物生長。由表2可知在一定恢復年限的刺槐林中,隨土層深度增加,pH值總體呈現(xiàn)升高趨勢,但差異不顯著。隨年限增長0～60cm土層深度下土壤pH值總體呈降低趨勢,差異顯著。并且退耕年限為17年的刺槐林土壤pH顯著低于其他年限,這表明刺槐林可有效改善土壤pH。

表2 不同退耕年限下種植的刺槐林土壤的pH變化

由表3可以看出一定退耕年限下刺槐林的土壤氨氮含量隨土層深度增加而增加且差異顯著。在退耕年限4年,土層深度為30～40cm時達到最大,退耕年限17年各土層深度氨氮含量均達到最低值。不同退耕年限刺槐林在同土層深度下,土壤氨氮含量有顯著降低趨勢,退耕年限17年的刺槐林土壤氨氮含量顯著低于其他年份。

硝氮含量同樣是測定土壤肥力的重要指標。由表4可知,一定恢復年限不同土層深度下土壤硝氮含量差異顯著,退耕年限為4年土層深度為30～40cm時達到最大,而在退耕年限為13年的刺槐林中,土層深度為40～50cm時達到最低。不同退耕年限的刺槐林,在同一土層深度下土壤硝氮含量差異顯著,并呈現(xiàn)降低趨勢。

由表5可知,土壤速效磷含量在一定年限下不同土層深度差異顯著,在退耕年限為13年土層深度為0～10cm時達到最大值。在同一土層深度不同退耕年限比較時,土壤速效磷含量隨年限增加而增加,在退耕年限為4年和9年間差異顯著,而在退耕年限為13年和17年間差異不顯著。

表3 不同退耕年限下種植的刺槐林土壤的氨氮變化

表4 不同退耕年限下種植的刺槐林土壤的硝氮變化

表5 不同退耕年限下種植的刺槐林土壤的速效磷變化

土壤中的速效鉀是鉀素的重要組成成分,在植物呼吸作用,蛋白質代謝過程中具有重要作用,同樣也是土壤肥力的重要指標。由表6可知,相同年限不同土層深度比較,土壤速效鉀含量差異顯著,在退耕年限為9年時,各土層深度下土壤速效鉀含量差異不顯著。在退耕年限為4年的刺槐林中,土層深度為20～30cm時土壤速效鉀含量達到最大值。不同退耕年限相同土層深度比較時,土壤平均速效鉀含量差異顯著,并隨年限增加呈現(xiàn)降低趨勢。

由表7可知,相同年限不同土層深度土壤的全氮變化情況差異顯著,在退耕年限為17年的刺槐林中,土層深度為0～10cm深度時達到最大值；相同土層深度不同退耕年限比較,刺槐林的全氮含量隨年限增加而增加,但差異不顯著。

由表8可知,同退耕年限不同土層深度下,在退耕年限為4年與17年的刺槐林土壤全磷變化差異顯著,而在退耕年限9年與13年間變化不顯著；相同土層深度不同退耕年限比較,土壤全磷含量隨年限增加呈現(xiàn)降低趨勢。

由表9可知,相同土層深度不同退耕年限比較,刺槐林土壤有機質變化差異顯著,并且含量隨退耕年限增加而增加,這表明種植刺槐林能夠有效改善土壤養(yǎng)分,對黃土高原丘陵溝壑區(qū)的土壤環(huán)境治理,具有積極意義。

表6 不同退耕年限下種植的刺槐林土壤的速效鉀變化

表7 不同退耕年限下種植的刺槐林土壤的全氮變化

表8 不同退耕年限下種植的刺槐林土壤的全磷變化

表9 不同退耕年限下種植的刺槐林土壤的有機質變化

3 結論與討論

1) 土壤pH影響植物根系發(fā)育擴展,易使植物吸收養(yǎng)分不足,從而很難成活[15]。研究表明,在一定土層深度下,隨退耕年限增加,刺槐林土壤pH總體呈現(xiàn)降低趨勢。種植刺槐林可以有效改善土壤pH,對土壤恢復以及植物成活具有積極作用。氨氮含量也得到明顯控制,氨氮含量過高會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定的危害。退耕17年的刺槐林土壤中氨氮含量明顯降低,不同退耕年限間土壤氨氮含量差異顯著,在退耕年限為17年土層深度為30～40cm時最低。土層中硝氮含量在相同年限不同土層深度下差異顯著,相同土層深度不同退耕年限比較,土壤硝氮含量隨退耕年限增加呈現(xiàn)降低趨勢。

2) 土壤磷素對植物生長代謝產(chǎn)生重要影響[16],速效磷作為有效磷中最易被植物吸收利用的磷,是衡量土壤肥力的重要標準之一[17]。研究表明土壤速效磷含量在不同年限相同土層深度下差異顯著,且隨退耕年限增加而增加。

3) 鉀素是植物生長不可缺少的養(yǎng)分之一,測定速效鉀的含量可以判斷土壤的供鉀水平,評價土壤肥力[18]。研究顯示,相同年限不同土層深度情況下,土壤速效鉀含量差異普遍顯著,在退耕4年土層深度為20～30cm時土壤速效鉀含量達到最大值,這表明刺槐林的種植可以有效改善晉南典型丘陵溝壑區(qū)土壤速效鉀含量水平。

4) 全氮含量可體現(xiàn)土壤供氮水平,土壤全氮含量與土壤有機質含量呈正相關關系[19]。研究表明,退耕年限相同,土層深度不同的土壤全氮含量變化差異顯著；土層深度相同退耕年限不同時的土壤全氮含量隨年限增加而增加,但差異并不顯著。土壤有機質是土壤養(yǎng)分的重要指標,作為植物營養(yǎng)的主要來源之一,它可以有效地促進植物生長發(fā)育,提高土壤肥力[20]。樣地所選的不同退耕年限的刺槐林中土壤有機質含量隨退耕年限增加呈現(xiàn)增加趨勢,表明刺槐可以有效促進土壤有機質的生成,改善土壤環(huán)境,這與之前諸多研究結果一致[21-25]。本文研究發(fā)現(xiàn),不同退耕年限的刺槐林使土壤養(yǎng)分指標都有所改善，表明刺槐林在植被恢復,改良土壤結構,改善土壤養(yǎng)分狀況具有良好效果,具有較大應用潛力。