短期圍封對(duì)沙地榆樹(shù)疏林草原土壤碳氮磷含量的影響

李曉蘭 張丹 尹慧來(lái) 趙紅蕊 遲悅 高音 王慧穎

摘 要：以科爾沁沙地榆樹(shù)疏林為研究對(duì)象，分析放牧和短期圍封處理，距離中心榆樹(shù)不同距離和不同方向的土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮和速效磷含量的變化。結(jié)果表明：土壤有機(jī)碳最高值在0-20cm土層和20-50cm土層內(nèi)均出現(xiàn)在圍封樣地，這證明短期圍封對(duì)于有機(jī)碳含量增加具有一定作用，在同一方向上，土壤有機(jī)碳最高值均出現(xiàn)在圍封處理樣環(huán)上。短期圍封對(duì)土壤銨態(tài)氮有顯著影響，圍封處理后土壤銨態(tài)氮明顯增加，短期圍封對(duì)不同方向不同土層的土壤速效磷含量影響不一致。由此可知，短期封育可使榆樹(shù)疏林草地土壤理化性質(zhì)發(fā)生顯著改善，使有機(jī)碳、速效磷和銨態(tài)氮等土壤養(yǎng)分大量回歸，使得草原有向高質(zhì)量土壤性質(zhì)良好演變的趨勢(shì)，但由于封育年限過(guò)短導(dǎo)致土壤銨態(tài)氮和速效磷增加只在表層，深層土壤銨態(tài)氮和速效磷含量增加不明顯。

關(guān)鍵詞：科爾沁沙地;土壤養(yǎng)分含量：圍封;放牧;榆樹(shù)疏林

中圖分類號(hào)：S755 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2021）07-0040-06

1 引言

位于我國(guó)北方的科爾沁沙地是北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的典型代表區(qū)域，也是中國(guó)四大沙地之一，屬遼河中游沖積平原，為干旱半干旱地區(qū)，由于人為因素的影響，特別是超載過(guò)牧等不合理利用，該區(qū)域成為近年來(lái)土地沙漠化最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[1]。該區(qū)退化的草原生態(tài)恢復(fù)吸引了科研工作者和政府管理部門的普遍關(guān)注，也相繼進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)和管理方法研究。沙地榆樹(shù)疏林是科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它是一種極具區(qū)域特色的植被類型，主要分布于溫帶地區(qū)。它的退化會(huì)直接導(dǎo)致沙地生態(tài)系統(tǒng)的退化和荒漠化的擴(kuò)張，因此保護(hù)好榆樹(shù)疏林對(duì)于防止沙漠化擴(kuò)張很有必要[2]。

榆樹(shù)（學(xué)名：Ulmus pumila L.），又名春榆、白榆等，為陽(yáng)性樹(shù)種，喜光，具有很強(qiáng)的耐旱、耐寒、耐瘠薄，不擇土壤，適應(yīng)性很強(qiáng)。根系發(fā)達(dá)，抗風(fēng)力、保土力強(qiáng)。萌芽力強(qiáng)耐修剪。生長(zhǎng)快，壽命長(zhǎng)。能耐干冷氣候及中度鹽堿，但不耐水濕（能耐雨季水澇）。具抗污染性以及葉面滯塵能力強(qiáng)。零散生長(zhǎng)于科爾沁沙地的中北、東北、東南部，且多分布在固定半固定沙丘上，對(duì)防風(fēng)固沙起到了很重要的作用。近年來(lái)，由于氣候變化及人類活動(dòng)的影響，導(dǎo)致該地區(qū)榆樹(shù)大面積減少，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，因此，探討短期圍封對(duì)沙地榆樹(shù)疏林草原土壤養(yǎng)分含量的影響，有利于為科爾沁沙地的治理提供決策依據(jù)已成為擺在我們面前的重要任務(wù)[3]。

本試驗(yàn)以科爾沁沙地烏蘭敖都地區(qū)沙地榆樹(shù)為研究對(duì)象，針對(duì)榆樹(shù)疏林地沙化現(xiàn)象進(jìn)行初步分析和探討短期圍封對(duì)沙地榆樹(shù)疏林草原土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮和速效磷的影響，以期為該地區(qū)開(kāi)展退化沙質(zhì)草地的管理，植被的恢復(fù)重建、沙漠化的防治和農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在科爾沁沙地西部烏蘭敖都試驗(yàn)站，該站地處內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗東部的烏蘭敖都地區(qū)為該沙地中的嚴(yán)重沙化區(qū)，烏蘭敖都地區(qū)位于該沙丘中部偏西地帶，是國(guó)家林業(yè)局荒漠化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)站之一，地處我國(guó)北方半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶科爾沁沙地西部，地理位置119°39'E，43°02'N，海拔高度約480m，屬溫帶半干旱氣候區(qū)，季節(jié)變化明顯;年平均氣溫為5.8～6.4℃≥10℃的積溫為3000～3200℃;年平均降雨量330mm，降雨多集中在6、7、8三個(gè)月份，夏季6-8月降雨量占全年的70%以上，潛在蒸發(fā)量是降雨量的6-7倍，干燥系數(shù)在1.0～1.8之間;春季為西北風(fēng)，風(fēng)速可達(dá)5m，風(fēng)力5～6級(jí)，每遇大風(fēng)能見(jiàn)度不足50m，每年起風(fēng)日數(shù)200d以上，冬春季大風(fēng)發(fā)生頻率約占全年的69%-81%;無(wú)霜期為110-130d[4];冰期由10月初開(kāi)始，翌年4月底解凍，最大凍土深度為1.5m。該站位于我國(guó)北方荒漠地區(qū)，自然環(huán)境脆弱，人為干擾過(guò)度，主要以流動(dòng)沙丘為主[5]，固定沙丘相間的景觀地形。地帶性土壤主要為沙質(zhì)栗鈣土，破壞后退化為流動(dòng)砂土，現(xiàn)在已有70%的土地出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象。

2.2 采樣方法

在科爾沁沙地西部烏蘭敖都地區(qū)，選擇不同干擾措施（圍封和放牧）的重度退化榆樹(shù)疏林草地。圍封樣地時(shí)間為1年，2019年8月，在每個(gè)干擾類型樣地中選擇3株榆樹(shù)標(biāo)準(zhǔn)樣株，選擇主風(fēng)向和垂直主風(fēng)向4個(gè)方位，根據(jù)樹(shù)冠距離設(shè)置取樣和調(diào)查樣點(diǎn)。樣點(diǎn)分別設(shè)置為距離榆樹(shù)樹(shù)干1m、5m和12m距離。土壤取樣分為0-20cm和20-50cm兩層，在每個(gè)距離樣點(diǎn)附近取5點(diǎn)按土壤分層混為一個(gè)土樣。土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室陰干用于測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件和Excel2007等軟件進(jìn)行圍封與自然放牧草地相關(guān)指標(biāo)的差異性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 短期圍封、樣環(huán)、取樣方向和土層對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

從表1可知，四因素方差分析的結(jié)果為：不同處理和樣環(huán)對(duì)土壤有機(jī)碳均有顯著影響（F=507.51，P<0.001和F=14.76，P<0.001）、處理和樣環(huán)的交互作用（F=4.58，P<0.05）、處理和土層的交互作用（F=4.78，P<0.05）、樣環(huán)和土層的交互作用（F=4.63，P<0.05）均對(duì)土壤有機(jī)碳有顯著影響，但四因素的共同作用不顯著（F=0.37，P>0.05）。

從表1可知，四因素方差分析的結(jié)果為：不同處理和樣環(huán)對(duì)土壤銨態(tài)氮有顯著影響（F=10.87，P<0.001和F=3.74，P<0.05），處理和土層的交互作用（F=7.54，P<0.01）、樣環(huán)和土層的交互作用（F=13.21， P<0.001）均對(duì)土壤銨態(tài)氮有顯著影響，處理和樣環(huán)的交互作用（F=2.24，P>0.05）無(wú)顯著差異，但四因素的共同作用顯著（F=5.64，P<0.001）。

從表1可知，四因素方差分析的結(jié)果為：不同處理和樣環(huán)對(duì)土壤速效磷顯著影響不同（F=2.40，P >0.05和F=9.96，P<0.001）、處理和土層的交互作用（F=6.24，P<0.05）、樣環(huán)和土層的交互作用（F=5.26，P<0.05）均對(duì)土壤速效磷有顯著影響，處理和樣環(huán)的交互作用（F=0.30，P>0.05）不顯著，但四因素的共同作用顯著（F=4.03，P<0.05）。

3.2 主要影響因素對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

從表2可以看出，在0-20cm土層，在不同方向上，圍封和放牧處理，樣環(huán)均對(duì)土壤有機(jī)碳均存在極顯著的影響（P<0.01），且二者的交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳也有顯著影響（P<0.01）;在20-50cm土層，圍封和放牧處理在不同方向上均存在極顯著的影響（P<0.01），在西北和西南方向上，樣環(huán)對(duì)土壤有機(jī)碳存在顯著影響顯著，且二者的交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳作用顯著，在東南和東北方向上樣環(huán)對(duì)土壤有機(jī)碳與二者的交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳作用皆不顯著。

通過(guò)對(duì)不同土層的處理和樣環(huán)二因素的結(jié)果進(jìn)行多重比較，結(jié)果如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出，0-20cm土層內(nèi)，在各個(gè)方向上，圍封處理的不同樣環(huán)間均無(wú)顯著差異;0-20cm土層，放牧處理，在東北和西北方向上1m、5m和12m三個(gè)樣環(huán)之間兩兩均有顯著差異;東南方向上，1m與12m樣環(huán)、5m與12m樣環(huán)間均存在顯著差異;在西南方向上，1m和12m樣環(huán)均與5m樣環(huán)存在顯著差異。土壤有機(jī)碳含量最高出現(xiàn)在圍封1m樣環(huán)東北方向上，其含量是10.87g/kg，土壤有機(jī)碳含量最低出現(xiàn)在放牧12m樣環(huán)東南方向上，其含量是0.48g/kg?？傮w而言，圍封處理0-20cm土層土壤有機(jī)碳含量均大于放牧處理。

從圖2可以看出，20-50cm土層內(nèi)，在各個(gè)方向上，圍封處理的不同樣環(huán)間均無(wú)顯著差異;20-50cm土層，放牧處理，東北、西北和西南方向上均無(wú)顯著差異，東南方向上也無(wú)顯著差異。土壤有機(jī)碳含量最高出現(xiàn)在圍封12m樣環(huán)東北方向上，其含量是11.22g/kg，土壤有機(jī)碳含量最低出現(xiàn)在放牧5m樣環(huán)西北方向上，其含量是0.75g/kg。在該土層，圍封處理的土壤有機(jī)碳含量均高于放牧處理。

3.3 主要影響因素對(duì)土壤銨態(tài)氮的影響

從表3可以看出，0-20cm土層，在西北和東北方向上，圍封和放牧處理對(duì)土壤銨態(tài)氮有顯著影響（P<0.05）;在西南方向的0-20cm土層，樣環(huán)對(duì)土壤銨態(tài)氮的影響顯著（P<0.001），且處理與樣環(huán)的交互作用對(duì)土壤銨態(tài)氮也有顯著影響（P<0.01）。20-50cm土層，在西南和東北方向上，圍封和放牧處理對(duì)土壤銨態(tài)氮有顯著影響（P<0.05）。在西南方向的20-50cm土層，處理與樣環(huán)的交互作用對(duì)土壤銨態(tài)氮含量有顯著影響（P<0.01）。

經(jīng)多重比較作圖，如圖3和圖4所示。

從圖3可以看出，0-20cm土層內(nèi)，圍封處理，在東南方向上，5m樣環(huán)和12m樣環(huán)均與1m樣環(huán)存在顯著差異;在西南方向上，1m、5m、12m三個(gè)樣環(huán)兩兩之間均存在顯著差異（P<0.05）;東北和西北方向的各樣環(huán)間均無(wú)顯著差異。放牧處理中，在東北、東南、西北方向上各樣環(huán)間均無(wú)顯著差異;西南方向上，1m與5m和12m樣環(huán)間均存在顯著差異，但5m與12m樣環(huán)間無(wú)顯著差異。土壤銨態(tài)氮含量最高出現(xiàn)在放牧1m樣環(huán)西南方向上，其含量是4.37g/kg，土壤銨態(tài)氮含量最低出現(xiàn)在放牧5m樣環(huán)東南方向上，其含量是1.26g/kg。

從圖4可以看出，20-50cm土層內(nèi)，圍封處理，在東北和東南方向上均無(wú)顯著差異，在西南方向上，1m和12m樣環(huán)與5m樣環(huán)存在顯著差異，但1m與12m樣環(huán)間無(wú)顯著差異，在西北方向上1m和5m樣環(huán)與12m樣環(huán)存在顯著差異，但1m與5m樣環(huán)之間無(wú)顯著差異;20-50cm土層，放牧處理，東北和東南方向上差異均不顯著，在西南和西北方向上，1m和5m樣環(huán)與12m樣環(huán)均存在顯著差異，但1m與5m樣環(huán)之間無(wú)顯著差異。土壤銨態(tài)氮含量最高出現(xiàn)在放牧12m樣環(huán)西北方向上，其含量是4.09g/kg，土壤銨態(tài)氮含量最低出現(xiàn)在圍封5m樣環(huán)東北方向上，其含量是0.99g/kg。

3.4 主要影響因素對(duì)土壤速效磷的影響

從表4可以看出，在東南方向的0-20cm土層，圍封和放牧處理對(duì)土壤速效磷有顯著影響（P<0.01）;在西北和東南方向的20-50cm土層，圍封和放牧處理對(duì)土壤速效磷有顯著影響（P<0.01）。在西北、西南和東南方向的0-20cm土層，西南方向的20-50cm土層，樣環(huán)對(duì)土壤速效磷均有顯著影響（P<0.01）。在0-20cm土層，二者的交互作用對(duì)西南和東北方向的土壤速效磷有顯著影響（P<0.01）;在20-50cm土層二者的交互作用對(duì)所有方向的速效磷均有顯著影響（P<0.05）。

經(jīng)多重比較作圖，如圖5和圖6所示。

從圖5可以看出，0-20cm土層內(nèi)，圍封處理，在東北、東南和西北方向上均無(wú)顯著差異，在西南方向上，1m和12m樣環(huán)與5m樣環(huán)存在顯著差異，但1m與12m樣環(huán)間無(wú)顯著差異;在0-20cm土層內(nèi)，放牧處理，在東北和西南方向上，1m、5m和12m三個(gè)樣環(huán)之間兩兩均存在顯著差異，在東南方向上，1m和12m樣環(huán)與5m樣環(huán)存在顯著差異，但1m與5m樣環(huán)之間無(wú)顯著差異，在西北方向上，放牧5m和12m與1m樣環(huán)存在顯著差異，但5m與12m樣環(huán)之間呢?zé)o顯著差異。土壤速效磷含量最高出現(xiàn)在放牧12m樣環(huán)東南方向上，其含量是7.35g/kg，土壤速效磷含量最低出現(xiàn)在放牧1m樣環(huán)西南方向上，其含量是1.42g/kg。

從圖6可以看出，20-50cm土層內(nèi)，圍封處理，在東北和西南方向上均無(wú)顯著差異，在東南方向上，1m和5m樣環(huán)與1m和12m樣環(huán)差異均不顯著，但5m與12m樣環(huán)差異顯著，在西北方向上，1m與5m和12m樣環(huán)存在顯著差異，但5m與12m樣環(huán)之間無(wú)顯著差異;在20-50cm土層，放牧處理，各個(gè)方向上均存在顯著差異，在東北和西北方向上，1m樣環(huán)與5m和12m樣環(huán)存在顯著差異，但5m與12m樣環(huán)之間無(wú)顯著差異，在東南方向上，5m樣環(huán)與1m和12m樣環(huán)存在顯著差異，但1m與12m樣環(huán)之間無(wú)顯著差異，在西南方向上，12m樣環(huán)與1m和5樣環(huán)存在顯著差異，但1m與5m樣環(huán)之間無(wú)顯著差異。土壤速效磷含量最高出現(xiàn)在放牧12m樣環(huán)西南方向上，其含量是8.64g/kg，土壤速效磷含量最低出現(xiàn)在放牧1m樣環(huán)東北方向上，其含量是1.02g/kg。

4 討論與結(jié)論

試驗(yàn)區(qū)在放牧和圍封措施下土壤性狀變化表明：人為干擾對(duì)土壤性狀產(chǎn)生了影響。相關(guān)研究指出人為干擾不僅影響植被特征，而且對(duì)土壤性狀產(chǎn)生了影響，適度放牧草地土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。封育措施主要是通過(guò)自然力的作用使退化草地的植被與土壤得到恢復(fù)和良性發(fā)展。本試驗(yàn)中封育一年后對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行研究，結(jié)果表明：圍封一年對(duì)于土壤有機(jī)碳含量變化無(wú)顯著差異，但總體圍封地有機(jī)碳含量大于放牧處理樣地，且土壤有機(jī)碳最高值在0-20cm土層和20-50cm土層內(nèi)均出現(xiàn)在圍封樣地，這證明短期圍封對(duì)于有機(jī)碳含量增加具有一定作用，不同處理和樣環(huán)對(duì)土壤有機(jī)碳也均有顯著影響，處理和樣環(huán)的交互作用、處理和土層的交互作用和樣環(huán)和土層的交互作用均對(duì)土壤有機(jī)碳有顯著影響，但四因素共同作用不顯著，在同一方向上，土壤有機(jī)碳最高值均出現(xiàn)在圍封處理樣環(huán)上。圍封一年對(duì)于土壤銨態(tài)氮含量變化有顯著差異，并且由于恢復(fù)措施不同，圍封處理后比放牧處理土壤銨態(tài)氮含量增加明顯，不同處理和樣環(huán)對(duì)土壤銨態(tài)氮有顯著影響，處理和土層的交互作用和樣環(huán)和土層的交互作用均對(duì)土壤銨態(tài)氮有顯著影響，處理和樣環(huán)的交互作用無(wú)顯著差異，但四因素的共同作用顯著。圍封一年對(duì)于速效磷含量有顯著差異，不同處理和樣環(huán)對(duì)土壤速效磷顯著影響不同，處理和土層的交互作用、樣環(huán)和土層的交互作用均對(duì)土壤速效磷有顯著影響，處理和樣環(huán)的交互作用不顯著，但四因素的共同作用顯著。由此可知，在封育樣地內(nèi)，由于缺少對(duì)植被演替的干擾，使榆樹(shù)疏林草地迅速生長(zhǎng)，致使土壤有機(jī)碳含量增加，這與何念鵬等研究結(jié)果[6]相同。不同措施下土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮和速效磷的儲(chǔ)量具有表聚現(xiàn)象，銨態(tài)氮和速效磷0-20cm土層和20-50cm土層最高值均出現(xiàn)在放牧處理中，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于試驗(yàn)時(shí)間短，土壤養(yǎng)分還未徹底深入土層。

土壤質(zhì)量是土壤諸多化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反映[7]。影響土壤質(zhì)量的因子有很多，試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)三個(gè)因子，即有機(jī)碳、速效磷和銨態(tài)氮的分析結(jié)果表明，對(duì)重度退化榆樹(shù)疏林草地采取圍封措施，降低了人為干擾，植被恢復(fù)減少風(fēng)蝕，隨著大量枯落物的歸還及植被對(duì)風(fēng)蝕物和降塵的截獲效應(yīng)，使土壤結(jié)構(gòu)改善，土壤養(yǎng)分含量明顯增加，土壤性狀的好轉(zhuǎn)又會(huì)促進(jìn)植被的發(fā)育，增強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與崔海、張亞紅的研究結(jié)果[8]具有相似性，亦與當(dāng)?shù)貙?shí)際較為相符。

對(duì)退化沙質(zhì)草地的開(kāi)墾和圍封，是引起土壤惡化和逐漸好轉(zhuǎn)的兩個(gè)相反的過(guò)程，開(kāi)展圍封對(duì)退化沙質(zhì)草地土壤-植被的研究不僅是該地區(qū)荒漠化現(xiàn)狀及逆轉(zhuǎn)程度的評(píng)估，還具有對(duì)該地區(qū)采取經(jīng)濟(jì)有效的封育措施的指導(dǎo)意義。所以，退化沙質(zhì)草地不應(yīng)再開(kāi)墾，對(duì)于已開(kāi)墾的地段，應(yīng)棄耕還牧，補(bǔ)播封育，促進(jìn)退耕迅速恢復(fù)植被，盡快還原良好的草原生態(tài)系統(tǒng)。

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