甘肅環(huán)縣沙化區(qū)不同植被類型對土壤養(yǎng)分的影響

劉青梅，黃海霞，姚志勇，杜娟，韓俊芳

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.環(huán)縣自然資源局，甘肅 環(huán)縣 745700；3.甘肅白水江國家級自然保護區(qū)管理局，甘肅 隴南 746400)

在生態(tài)系統(tǒng)中，土壤和植被是協(xié)調(diào)發(fā)展的統(tǒng)一體，兩者互為條件，相互制約，相互影響。土壤是植被賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，為植物生長發(fā)育提供養(yǎng)分元素，植被群落又影響土壤結(jié)構(gòu)的形成和肥力狀況。甘肅省環(huán)縣北部生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤風(fēng)蝕、沙化嚴(yán)重，天然植被覆蓋度低，植被恢復(fù)是改善環(huán)縣沙化區(qū)生態(tài)環(huán)境的根本措施[1]，但植被的自然恢復(fù)困難，采用人工途徑植被恢復(fù)是該區(qū)荒漠化防治的有效選擇。通過研究不同人工恢復(fù)植被類型林地土壤養(yǎng)分狀況，闡明植被類型與土壤之間的關(guān)系，對促進林地更新、植被恢復(fù)與重建以及沙化區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有現(xiàn)實意義[2]。

土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)是植被生長發(fā)育的核心元素，能促進土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)；生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是研究C、N、P等化學(xué)元素在生態(tài)過程中的平衡關(guān)系，促進對土壤養(yǎng)分元素的循環(huán)以及平衡機理的認(rèn)識[3]。近年來有關(guān)不同植被類型對土壤養(yǎng)分的研究不斷涌現(xiàn)，研究表明[4-6]，土壤有機碳與氮的空間分布具有相似性，植被恢復(fù)對土壤的改善作用主要集中在上中層，不同植被對土壤養(yǎng)分的積累、貯存和轉(zhuǎn)化存在顯著差異。目前，關(guān)于環(huán)縣沙化區(qū)的研究主要涉及草地肥力[7]、資源利用[8]、風(fēng)沙治理[9]等方面，而植被類型對土壤養(yǎng)分的影響少有報道。河北楊(Populushopeiensis)、檸條(Caraganakorshinskii)、爬地柏(Sabinaprocumbens)都具有耐干旱、耐瘠薄、耐鹽堿等特性，是西北地區(qū)主要的防風(fēng)固沙樹種，也是環(huán)縣沙化區(qū)人工植被恢復(fù)的常用鄉(xiāng)土樹種。因此，本研究以甘肅環(huán)縣古城堡區(qū)河北楊、檸條、爬地柏3種人工植被類型為研究對象，分析不同土層、不同植被類型間的土壤養(yǎng)分含量差異和化學(xué)計量特征變化規(guī)律，探明植被類型對土壤養(yǎng)分狀況的影響，以期為環(huán)縣沙化區(qū)人工植被恢復(fù)選擇適宜的樹種提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地為甘肅省環(huán)縣甜水鎮(zhèn)甜水街村古城堡區(qū)，位于毛烏素沙地西南緣、鄂爾多斯高原和黃土高原的交匯處(E 106°48′48″，N 37°06′21″)，為半干旱和干旱地區(qū)的過渡帶，屬中溫帶季風(fēng)氣候，年均降水量341.1 mm，主要集在中7-9月。年均氣溫6.8 ℃，極端最高溫度37 ℃，極端最低溫度-25 ℃，無霜期135 d。區(qū)內(nèi)受風(fēng)沙侵襲嚴(yán)重，以西北風(fēng)為主，年均風(fēng)速2.4 m/s，林下沙地草本植物均勻分布，蓋度15%，主要有豬毛蒿(Artemisiascoparia)、冰草(Agropyroncristatum)、蒙古蟲實(Corispermummongolicum)、狼毒(Stellerachamaejasme)、無莖委陵菜(Potentillacristatum)、冷蒿(Artemisiafrigida)等[10]。

1.2 試驗方法

1.2.1 土樣采集 供試土樣于2019年8月采自甘肅省環(huán)縣甜水鎮(zhèn)古城堡區(qū)。選擇河北楊、檸條、爬地柏3種類型的林地，分別布設(shè)1個20 m×50 m的樣地(表1)，按對角線法在每個樣地選5個樣點，采集0～20、20～40和40～60 cm土層的土樣，然后仔細(xì)撿除石子、植物殘根和土壤動物等雜物，將同一類型的同層土樣混勻，采用四分法取2份樣品(每份含3個重復(fù))，一份風(fēng)干后過0.15 mm篩用于測定土壤pH值、有機碳、全氮、全磷、速效鉀、速效磷含量，另一份過2 mm篩，存放在4 ℃冰箱用于測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

表1 樣地概況

1.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)的測定方法 pH采用土水比1∶2.5(質(zhì)量比)提取，電位電極法測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定；硝態(tài)氮采用CaSO4浸提-還原蒸餾法測定；銨態(tài)氮采用KCl浸提-蒸餾法測定；全磷采用H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測定；速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用NaOH堿熔-火焰光度法測定、速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法[11]。根據(jù)測得的有機碳、全氮、全磷含量計算化學(xué)計量比C/N、C/P、N/P。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2017進行整理、統(tǒng)計，完成制表和繪圖，運用SPSS 17.0 統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析，多重比較采用Duncan法，檢驗水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被類型對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 土壤pH值、有機碳 3種植被類型的土壤pH值在8.62～8.69(圖1-A)，各土層之間的土壤pH值無顯著差異；在同土層內(nèi)不同植被間土壤pH值差異不顯著。

3種植被的土壤有機碳含量均隨著土層深度增加而下降(圖1-B)。CKF和SVF 0～20 cm土層的有機碳含量顯著高于20～40、40～60 cm土層，分別高出50.0%、84.1%和74.7%、104.8%。3種植被0～60 cm土層有機碳含量大小排序為：CKF>SVF>PHF。在0～20 cm土層，SVF、CKF土壤有機碳含量均顯著高于PHF，分別高出65.1%、58.5%；20～40 cm土層，CKF土壤有機碳含量顯著較PHF高出22.7%。

圖1 不同植被類型土壤的pH值、有機碳含量Fig.1 Changes of soil organic carbon content，pH value in different vegetation types注：大寫字母不同表示同一個植被類型不同土層之間指標(biāo)差異顯著(P<0.05)；小寫字母不同表示同一土層深度不同植被類型之間指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。下同

2.1.2 土壤全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮 3種植被的土壤全氮含量變化與有機碳含量變化一致(圖2-A)。CKF和SVF林地0～20、20～40 cm土層的土壤全氮含量較40～60 cm土層分別顯著高出81.6%、21.1%和108.1%、20.0%。3種植被在0～60 cm土層全氮含量表現(xiàn)為：CKF>SVF>PHF。0～20 cm土層SVF、CKF土壤全氮含量較PHF分別顯著高出65.9%、56.8%；20～40 cm土層，CKF土壤的全氮含量較PHF顯著高出 24.3%。

3種植被類型土壤硝態(tài)氮含量均隨土層加深呈遞減趨勢(圖2-B)。CKF和SVF 0～20 cm土層硝態(tài)氮含量分別較20～40、40～60 cm顯著高出54.4%、152.9%和62.4%、155.7%。3種植被在0～60 cm土層硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為：CKF>SVF>PHF。在0～20 cm土層，CKF、SVF硝態(tài)氮含量較PHF顯著高出29.5%、29.1%；在20～40 cm土層，CKF比PHF的硝態(tài)氮含量顯著高出17.9%，SVF硝態(tài)氮含量處于兩者之間。

圖2 不同植被類型土壤的全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量Fig.2 Changes of soil total nitrogen，nitrate nitrogen，ammonium nitrogen content in different vegetation types

3種植被類型土壤銨態(tài)氮含量均隨著土層深度增加而顯著降低(圖2-C)。隨著土層深度的增加，PHF、CKF和SVF表層(0～20 cm土層)的銨態(tài)氮含量較20～40、40～60 cm土層分別顯著高出30.8%、92.4%，49.7%、147.3%和61.8%、143.7%；3種植被0～60 cm土層銨態(tài)氮含量大小為：SVF>CKF>PHF。在0～20 cm層，SVF銨態(tài)氮含量最高，較CKF顯著高出29.7%；CKF 20～40 cm土層土壤銨態(tài)氮含量較PHF、SVF分別顯著高出9.6%，4.6%；40～60 cm土層不同植被類型土壤銨態(tài)氮含量差異不顯著。

2.1.3 土壤全磷、速效磷 在0～60 cm土壤剖面上，3種植被類型的土壤全磷含量在每個土層的全磷含量均約為0.39 g/kg，不同土層間無顯著差異；不同植被類型間的土壤全磷含量在0～20、20～40和40～60 cm 土層，均差異不顯著(圖3-A)。

3種植被類型0～20 cm土層的土壤速效磷含量最高(圖3-B)，較20～40和40～60 cm土層分別顯著高出43.9%和151.9%(PHF)、59.4%和181.7%(CKF)、71.0%和162.1%(SVF)，“表聚”規(guī)律明顯。3種植被類型0～60 cm層的土壤速效磷含量大小為：SVF>CKF> PHF。0～20 cm土層，SVF速效磷含量較PHF顯著高出26.4%，在20～40和40～60 cm土層植被類型間的速效磷含量差異不顯著。

圖3 不同植被類型土壤全磷、速效磷含量的變化Fig.3 Changes of total phosphorus，available phosphorus content in soil of different vegetation types

2.1.4 土壤全鉀、速效鉀 3種植被類型0～60 cm土層的全鉀含量在42.04～42.17 g/kg，在不同土層的全鉀含量分布無顯著差異；在0～20、20～40和40～60 cm 土層，不同植被類型間的土壤全鉀含量差異也不顯著(圖4-A)。

圖4 不同植被類型土壤全鉀、速效鉀含量Fig.4 Changes of total potassium、available potassium content in soil of different vegetation types

CKF、SVF土壤速效鉀含量隨土層加深顯著下降(圖4-B)，CKF和SVF土壤0～20 cm土層的速效鉀含量較20～40、40～60 cm土層分別顯著高出31.4%、53.0%和15.4%、36.6%。3種植被土壤0～60 cm的速效鉀含量大小為：SVF>CKF>PHF。在0～20 cm土層，SVF和CKF的土壤速效鉀含量均極顯著高于PHF，分別高出 46.4%和38.8%；在20～40 cm土層，SVF的速效鉀較CKF和PHF分別顯著高出20.1%和28.2%。

2.2 土壤C、N、P化學(xué)計量學(xué)特征

3種植被類型土壤的C/N在9.88～10.23，相對穩(wěn)定，在不同土層、不同植被類型之間均差異不顯著；C/P在3.01～6.01、N/P變化在0.29～0.60，均隨土層加深而減小，其中CKF和SVF土壤的C/P和N/P在不同土層間差異顯著；PHF土壤 0～20 cm土層的C/P顯著高于20～40 cm，但N/P在不同土層間無顯著差異。在0～20 cm土層，CKF和SVF的土壤C/P和N/P均顯著高于PHF；在土壤20～40 cm土層，CKF土壤C/P和N/P顯著高于PHF；在40～60 cm土層3種植被的C/P和N/P差異不顯著(表2)。

表2 3種植被類型的土壤化學(xué)計量特征Table 2 The soil stoichiometric characteristics in three vegetation types

2.3 不同植被類型土壤養(yǎng)分主成分分析

2.3.1 土壤養(yǎng)分主成分分析的方差貢獻率 主成分分析中，方差大小表示測定指標(biāo)在主成分方向上的分散程度，方差越大，說明主成分在樣本數(shù)據(jù)分析中的作用越大[12]。對3種植被土壤養(yǎng)分指標(biāo)進行主成分分析，根據(jù)主成分個數(shù)選取原則(特征值>1)，得到3個主成分(表3)，方差累計貢獻率為88.68%，能夠反映出土壤養(yǎng)分88.68%的變異信息。

表3 土壤養(yǎng)分主成分分析的方差貢獻率Table 3 Variance contribution of principal component analysis of soil nutrients

2.3.2 不同植被類型土壤養(yǎng)分的主成分得分 由表4的主成分載荷矩陣可以得出，主成分1與有機碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量的相關(guān)系數(shù)均大于0.8，能很好地代表這些指標(biāo)的信息；主成分2與全鉀含量的相關(guān)性強；主成分3與全磷含量的相關(guān)性強。根據(jù)各指標(biāo)在前3個主成分的得分系數(shù)(表5)，得出土壤養(yǎng)分的前3個主成分的函數(shù)表達式為：

F1=0.173X1+0.175X2+0.184X3+0.183X4-0.024X5+0.172X6+0.069X7+0.17X8-0.012X9

F2=0.01X1+0.03X2+0.002X3-0.005X4-0.079X5-0.081X6+0.672X7+0.132X8+0.503X9

F3=0.114X1+0.092X2-0.059X3-0.067X4+0.802X5-0.05X6-0.267X7-0.062X8+0.341X9

F=0.683×F1+0.178×F2+0.139×F3

式中：X表示土壤養(yǎng)分測定指標(biāo)，X1～X9分別表示土壤有機碳、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀和pH值，F(xiàn)1～F3表示土壤養(yǎng)分主成分的得分值，以表3中土壤養(yǎng)分3個主成分的方差貢獻率作為權(quán)重進行加權(quán)求和，建立植被類型土壤養(yǎng)分綜合評價數(shù)學(xué)模型，即可得到綜合得分F(表5)。

結(jié)果表明，SVF林地土壤養(yǎng)分的綜合得分最高，其次為CKF林地，PHF林地得分最低，說明以爬地柏作為植被恢復(fù)樹種最有利于土壤養(yǎng)分狀況的改善。

表4 不同植被類型土壤養(yǎng)分的主成分載荷及因子得分系數(shù)矩陣

表5 不同植被類型土壤養(yǎng)分綜合評價結(jié)果

3 討論

土壤pH值與土壤養(yǎng)分積累和微生物活動息息相關(guān)，過酸或過堿都會影響土壤的結(jié)構(gòu)改善、水氣狀況協(xié)調(diào)和土壤養(yǎng)分積累并阻礙植物生長發(fā)育[13]。在本研究中，隨土層深度增加，不同土層的pH值變異性很小，并在不同植被間也表現(xiàn)穩(wěn)定，根據(jù)土壤pH值的分級標(biāo)準(zhǔn)[6]，研究區(qū)域壤屬于強堿性(pH值>8.5)，原因一方面是由于試驗區(qū)位于毛烏素沙地邊緣，土壤本身鹽堿化程度高引起[14]，另一方面土壤pH值受氣候條件、水熱條件以及成土母質(zhì)等的綜合影響，是相對穩(wěn)定的土壤指標(biāo)，因而不同土層、不同植被間差異不顯著，這在楊紅等[15]的研究中也得到印證。

土壤有機碳主要來自土壤動植物殘體以及枯落物的分解，對土壤的理化性質(zhì)和生物特性都具有深刻影響，是衡量土壤肥力的重要參數(shù)[16-17]。研究表明，3種植被土壤有機碳隨土層深度的增加而下降，有明顯的“表聚效應(yīng)”，這與閆麗娟等[2]和安靜等[18]的研究結(jié)果相一致，可能是因為植物根系主要分布表層土壤，參與有機質(zhì)分解活動的土壤動物、微生物也主要集中在表層，地表枯落物的分解物隨水或其他介質(zhì)向下淋溶首先進入表層土壤，這些因素共同作用使得表層含量相對較高[19]。本研究CKF林地有機碳含量最高，顯著高于PHF林地，究其原因可能是檸條是豆科灌木，其根部的根瘤菌通過固定空氣中的游離態(tài)氮作用促進了土壤有機碳增加[20]，也可能是不同植被類型的土壤有機質(zhì)的輸入和輸出方式不一樣，致使不同植被林地對有機碳的積累存在差異[21]。

全氮、全磷、全鉀是土壤中各種形態(tài)氮、磷、鉀的總和，速效氮、速效磷、速效鉀是植被直接吸收利用的主要形式[22]。研究發(fā)現(xiàn)3種植被的土壤全氮以及速效養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)上層高于下層的規(guī)律，存在這種現(xiàn)象的原因可能是表層植被根系密集，土壤透氣性強，水熱條件良好，有利于土壤微生物活動，促進了土壤營養(yǎng)元素積累[3]，其中CKF林地全氮和硝態(tài)氮含量最高，SVF銨態(tài)氮較高，這是因為檸條根系的根瘤菌有很強固氮作用，不僅豐富了土壤氮素還有助于改良土壤，另外當(dāng)銨態(tài)氮與硝態(tài)氮同時存在時，銨態(tài)氮會抑制微生物對硝態(tài)氮的吸收[23-24]。有研究表明[17,25]，土壤有機碳的增加會促進氮素的積累，植被恢復(fù)可顯著優(yōu)化土壤有機碳與全氮之間的線性相關(guān)性，本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤全氮含量與有機碳含量呈極顯著正相關(guān)(CKF、SVF、PHF中兩者之間相關(guān)系數(shù)分別為0.994、0.997、0.983)。土壤全磷、全鉀主要源于巖石風(fēng)化，而風(fēng)化是個漫長過程(植被恢復(fù)僅5年)，另外研究區(qū)土壤母質(zhì)和發(fā)育過程基本相同，從而導(dǎo)致全磷和全鉀在不同土層和植被類型間差異不顯著[26]。在0～60 cm土層，土壤速效磷、速效鉀含量表現(xiàn)為SVF>CKF> PHF，一可能是因為爬地柏的根系發(fā)達，萌蘗力強，對鹽堿、干旱、風(fēng)蝕生境適應(yīng)能力強，從而促進了土壤速效養(yǎng)分的積累；二可能是土壤速效磷含量與堿性磷酸酶活性強弱相關(guān)聯(lián)，有可能SVF林地土的壤堿性磷酸酶活性較高，促進了有機磷的水解，全磷的礦化作用提升，因而速效磷增加，另外SVF對土壤速效鉀同質(zhì)作用較強，有積累優(yōu)勢[27-28]；三可能是不同植被類型的生理特性存在差異，對土壤養(yǎng)分的累積、消耗機制不同，也會引起不同，有待今后深入研究。

一般而言，C/N反映土壤有機質(zhì)分解能力強弱，比值低，分解能力強；C/P用于衡量土壤有機質(zhì)礦化釋放磷或吸收固持磷的能力，C/P較高時不利于養(yǎng)分有效磷的釋放；N/P是判斷土壤N和P不足的指標(biāo)，<14時表示植被生長受N限制[29]。本研究的3種植被類型土壤的C/N在9.87～10.23、C/P在2.95～6.00、N/P在0.29～0.60，均低于全國土壤C/N、C/P、N/P平均水平(12.01、25.77、2.15)[2]，依據(jù)國家第二次養(yǎng)分普查標(biāo)準(zhǔn)[30]，土壤磷元素相對碳、氮元素含量偏高，反映出該區(qū)土壤碳、氮含量缺乏，主要原因是該區(qū)長期受風(fēng)沙危害嚴(yán)重，植被退化嚴(yán)重、腐殖質(zhì)含量低，導(dǎo)致林地養(yǎng)分含量低[31]，凸顯了植被恢復(fù)的重要性。研究區(qū)土壤C/N在不同土層、不同植被類型間差異不顯著，土壤C/P和N/P隨土層加深減小，0～40 cm層CKF的C/P和N/P顯著高于PHF，這與朱秋蓮等[32]的研究結(jié)果相似，這種差異可能由兩方面原因造成：一是土壤碳與氮顯著相關(guān)，受環(huán)境影響變化趨勢基本同步[33]，二是不同植被類型養(yǎng)分元素含量存在差異，進而影響C/P和N/P。

不同的土壤養(yǎng)分指標(biāo)之間可能存在相關(guān)性，不同植被類型的土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變化趨勢不盡相同，這不利于評價植被類型土壤養(yǎng)分狀況的好壞。而主成分分析法可將原來多個相互關(guān)聯(lián)的變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個不相關(guān)且包含不重復(fù)信息的綜合指標(biāo)，最大限度地保留了原始數(shù)據(jù)的信息[34]，因此被許多學(xué)者用于土壤質(zhì)量評價[35]或土壤養(yǎng)分狀況評價[12]。本研究通過主成分分析法得出爬地柏林地土壤養(yǎng)分的綜合得分最高，其次為檸條林地，河北楊林地最低，說明同樣的立地條件下，恢復(fù)相同年限時，爬地柏林地的土壤養(yǎng)分改善作用最明顯，可作為該區(qū)植被恢復(fù)的優(yōu)選樹種。

4 結(jié)論

1)3種植被類型的土壤養(yǎng)分總體隨土層深度增加呈下降趨勢，植被類型對土壤養(yǎng)分的影響主要表現(xiàn)在0～40 cm土層。在0～20 cm土層檸條和爬地柏更利于土壤碳氮的累積，而爬地柏林地速效磷水平最高。在20～40 cm土層，檸條林地的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量最高，最有利于土壤氮的礦化作用，而爬地柏林地土壤鉀素供應(yīng)能力最強。

2)植被類型對0～40 cm土層的C/P和N/P影響顯著，檸條和爬地柏林地的碳氮供應(yīng)狀況明顯優(yōu)于河北楊林地。

3)爬地柏林地的土壤養(yǎng)分狀況最好，可作為該區(qū)植被恢復(fù)的最適宜樹種。