平茬對毛烏素沙地飛播楊柴林土壤養(yǎng)分與顆粒組成的影響

李卓凡，楊海峰，白 艷，楊 芹，高孝威，

李梓豪1,2，洪光宇1,2，張 雷1,2，王曉江1,2

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 內(nèi)蒙古大青山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原有害生物防治檢疫總站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 4. 內(nèi)蒙古阿拉善左旗林業(yè)和草原病蟲害防治檢疫站，內(nèi)蒙古 阿拉善左旗 750300)

楊柴(Hedysarummongolicum)具有耐旱、耐寒、耐高溫、耐瘠薄、抗風(fēng)沙等特點，是沙區(qū)飛播造林的主要樹種[1]。飛播楊柴林多以純林為主，其林分密度較高，飛播多年后楊柴長勢衰退，自然枯死嚴重，生產(chǎn)力下降[2]。平茬撫育是灌木林經(jīng)營管理中重要手段之一，針對灌木林平茬撫育已有很多相關(guān)研究，多集中于植物生長變化情況，如閆志堅等[3]研究表明，平茬植株基部新生枝條數(shù)比未平茬植株增加 1.91 倍，平茬不僅復(fù)壯植株個體，提高產(chǎn)量，而且提高家畜可食部分的比例；張錦春等[4]對人工梭梭(Haloxylonammodendron)進行全平茬處理后，明顯促進了梭梭枝條生長和萌發(fā)；劉偉等[5]研究表明平茬2 a不同留茬高度處理檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)的株高、冠幅和地徑均隨時間增加呈增長趨勢；王霞等[6]探討了檉柳(Tamarixramosissima)在全面平茬、團狀平茬、隔株平茬3種方式下生長狀況的差異性；鄭士光等[7]研究認為平茬不僅可以促進植物地上部分生長，還可以大幅度提高植物根系的生長。但針對平茬撫育后灌木林地土壤養(yǎng)分及顆粒組成變化特征的研究則較少，而土壤理化性質(zhì)與植被恢復(fù)具有重要相關(guān)性[8]。本文以毛烏素沙地飛播楊柴林為研究對象，選取4種預(yù)留蓋度的平茬撫育林，并以未平茬楊柴林為對照，分析平茬撫育后土壤有機質(zhì)、全氮、速效養(yǎng)分以及土壤顆粒組成的變化特征，旨在為楊柴林分結(jié)構(gòu)調(diào)控和可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地東南部烏審旗烏蘭陶勒蓋治沙站境內(nèi)，地理坐標為38°51′57″N，109°15′34″E，海拔1 307 m 。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6～8 ℃，全年日照時長2 000～3 000 h，年降水量350～400 mm，多集中在7—9月，年蒸發(fā)量2 200～2 800 mm，無霜期125～135 d，年平均風(fēng)速 3.5 m·s-1，大風(fēng)多出現(xiàn)在4—5月，以西北風(fēng)為主。研究區(qū)主要有楊柴、北沙柳(Salixpsammophila)、油蒿(Artemisiaordosica)、花棒(Hedysarumscoparium)、檸條錦雞兒等旱生灌木[9-10]。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

選擇沙地迎風(fēng)坡2002年飛播造林的楊柴林樣地，2018年5月開展不同預(yù)留蓋度的帶狀平茬試驗。試驗樣地大小均為40 m × 50 m，留茬高度均為0 cm。作業(yè)區(qū)平茬處理前灌木平均高度 67.89 cm，平均地徑 5.00 mm，平均株數(shù) 14.17 株·m-2，平均枯枝率 45.38%。根據(jù)前人研究成果[11-13]，選擇預(yù)留蓋度 10%(T1)、20%(T2)、30%(T3)、40%(T4)4種平茬強度，即保留帶寬為1 m，平茬帶寬分別為 9.0 m、4.0 m、2.5 m和 1.5 m。同時，以未平茬楊柴林作為對照(CK)。

2.2 樣品采集

2019年9月，分別在T1、T2、T3、T4樣地平茬帶內(nèi)，根據(jù)楊柴生長狀況選擇具有代表性的3個位置開挖剖面，按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm土層，分別采集土壤樣品500 g，每土層取3個重復(fù)樣品，裝入自封袋并帶回實驗室，充分風(fēng)干后，過60目土壤篩去除植物殘體等雜質(zhì)，測定土壤有機質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量。各土層另采集土壤樣品500 g，供土壤顆粒組成測定。

土壤有機質(zhì)采用外加熱-重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用元素分析儀測定；速效氮采用堿解擴散法測定；速效鉀采用醋酸銨溶液浸提，原子吸收儀測定；速效磷采用碳酸氫鈉溶液浸提，分光光度計比色測定。采用CLY-2000激光粒度分析儀測定土壤機械組成，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標準，將土壤顆粒組成劃分為黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～1.0 mm)3級[14-15]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過Excel 2016對數(shù)據(jù)進行整理，使用 SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，表中數(shù)據(jù)均采用“均值 ± 標準差”的表示形式。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同平茬強度樣地土壤養(yǎng)分變化特征

3.1.1土壤有機質(zhì)、全氮變化特征

由表1可知，飛播楊柴林不同平茬強度0～20 cm土層土壤有機質(zhì)含量差異不顯著，其中T3平茬強度最高，較CK提高了 6.29%，T1、T2和T4平茬強度土壤有機質(zhì)含量低于CK。不同平茬強度與CK差異不顯著，這可能是由于平茬后，環(huán)境的改變促進了土壤微生物的活動，加速了土壤有機質(zhì)的分解，當(dāng)平茬為T3強度時土壤有機質(zhì)的增加量高于其他平茬強度。研究發(fā)現(xiàn)，T1、T2和T3平茬強度0～20 cm土層土壤全氮含量顯著高于CK，其中T2平茬強度對提高土壤全氮含量效果最好，較CK提高了 137.50%。這可能是因為楊柴為豆科灌木，根系長有根瘤具有較強的固氮功能，平茬促進了楊柴根系的萌蘗生長，從而提高了固氮能力。

垂直剖面結(jié)構(gòu)上，土壤有機質(zhì)含量0～5 cm土層顯著高于其它土層，其中T3平茬強度最高，較CK提高了 17.64%；平茬提高了 5～10 cm土層土壤有機質(zhì)含量，T1、T3和T4略優(yōu)于CK，其中T4平茬強度高于CK 44.09%。土壤全氮含量T2平茬強度各土層均為最高，且顯著大于CK；T1、T2和T3平茬強度0～5 cm土層土壤全氮含量顯著高于其他土層。土壤有機質(zhì)、全氮含量總體上隨土層深度的增加呈下降趨勢，土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出一定的表聚效應(yīng)，這與前人研究結(jié)果相一致[16-18]。

表1 不同平茬強度樣地土壤有機質(zhì)、全氮變化特征Tab.1 Variation characteristics of soil organic matter and total nitrogen in different stubble intensity plots

3.1.2土壤速效養(yǎng)分變化特征

由表2可知，飛播楊柴林不同平茬強度間速效氮含量差異較小，在 8.51～9.85 mg·kg-1范圍；T1平茬強度速效磷含量為 2.25 mg·kg-1，T2、T3和T4平茬強度含量較少，均在2 mg·kg-1以下；T1和T3平茬強度速效鉀含量在40 mg·kg-1以上，T2平茬強度含量最少。垂直剖面結(jié)構(gòu)上，不同平茬強度和CK在0～5 cm土層的速效氮、速效磷含量均高于其他土層，其中T1、T3和T4平茬強度0～5 cm土層速效磷含量與其他土層差異顯著。不同樣地土壤速效鉀含量主要集中在0～10 cm土層內(nèi)，垂直剖面結(jié)構(gòu)上沒有明顯的規(guī)律性。不同平茬強度土壤速效氮、速效磷、速效鉀的含量均低于CK，這可能是由于衰退楊柴林枝條老化，生產(chǎn)力下降，而平茬后灌木根系生長及土壤微生物活動較為活躍，楊柴充分吸收利用土壤養(yǎng)分，提高其生長量，增加了灌木林單位面積內(nèi)株叢數(shù)量、活枝數(shù)量和生物量[7,11,17-18]。

表2 不同平茬強度樣地土壤速效養(yǎng)分變化特征Tab.2 Variation characteristics of soil available nutrients in different stubble intensity plots

3.2 不同平茬強度樣地土壤顆粒組成變化特征

由表3可知，飛播楊柴林平茬撫育能夠提高土壤黏粒和粉粒含量，在0～20 cm土層深度內(nèi)較CK分別提高了 74.43% 和 37.43%，砂粒含量降低了 2.17%。 T2、T3和T4平茬強度能夠提高土壤黏粒和粉粒含量，降低粗砂粒含量，其中T2平茬強度效果最好，黏粒和粉粒含量較CK分別提高了 205.68% 和 144.97%，砂粒含量降低了 7.65%。垂直剖面結(jié)構(gòu)上，平茬撫育可提高0～10 cm土層黏粒和粉粒含量，不同強度平茬后0～5 cm土層黏粒和粉粒含量較CK分別提高了 105.87% 和 52.70%，5～10 cm土層提高了 105.63% 和 82.11%，其中T2平茬強度增加量均最大。黏粒和粉粒含量總體上隨土層深度增加而減少，砂粒含量隨土層深度增加而增加。這可能與灌木林單位面積內(nèi)株叢數(shù)量和活枝數(shù)量以及冠幅等生長特征有關(guān)，CK枯枝率較高，衰退嚴重，灌叢疏透度較大，風(fēng)蝕作用相對強烈，土壤細粒物質(zhì)被吹蝕。楊柴林平茬后可增加單位面積株叢數(shù)量和活枝數(shù)量[11]，降低了疏透度，同風(fēng)速下可以有效減弱風(fēng)蝕，使大量的風(fēng)積物質(zhì)沉降在土壤表層，而預(yù)留蓋度10%則可能是平茬強度較大，風(fēng)蝕作用較強，土壤黏粒和粉粒含量減少較多，這與已有研究結(jié)果基本一致。如卞瑩瑩等[18]研究結(jié)果表明，檸條錦雞兒人工林平茬后砂粒含量減少了 3.29%，粉粒和黏粒含量分別增加了 1.93% 和 10.53%；張小菊等[19]研究發(fā)現(xiàn)，各平茬處理土壤粒徑組成均以粉粒、極細砂粒、細砂粒為主，含量分別在 24.05%～39.39%、23.02%～28.32%、25.62%～38.62%，并認為保留3帶平茬3帶模式更適宜于寧夏荒漠草原飼用檸條錦雞兒林的平茬復(fù)壯，其土壤粉粒含量較未平茬林增多，黏粒含量隨土層加深而減少。

表3 不同平茬強度樣地土壤粒徑組成變化特征Tab.3 Variation characteristics of soil particle size composition in different stubble strength plots

4 結(jié)論

(1)毛烏素沙地飛播楊柴林預(yù)留蓋度10%～30% 平茬提高了0～20 cm土層土壤全氮含量，預(yù)留蓋度20% 平茬較對照提高了 137.50%；平茬對土壤有機質(zhì)含量影響不顯著，預(yù)留蓋度30% 平茬較對照提高了 6.29%；4種平茬強度土壤速效養(yǎng)分含量均小于對照，預(yù)留蓋度30%平茬較對照降低較??；同時，平茬提高了土壤黏粒和粉粒含量，降低了砂粒含量，預(yù)留蓋度20% 平茬黏粒和粉粒含量較對照提高了 205.68% 和 144.97%，砂粒含量降低了 7.65%。

(2)垂直剖面結(jié)構(gòu)上，預(yù)留蓋度20%～40% 平茬0～5 cm土層土壤全氮含量顯著高于其它土層；平茬提高了5～10 cm土層土壤有機質(zhì)含量；平茬后0～10 cm土層黏粒和粉粒含量較對照分別增加了 105.90% 和 58.96%。

(3)基于改善土壤理化性質(zhì)考慮，建議在毛烏素沙地飛播楊柴林平茬撫育中選擇預(yù)留蓋度為20%～30% 進行作業(yè)。