青海湖湖東沙地固沙植物的土壤改良作用

吳汪洋， 張登山， 田麗慧， 沈婷婷， 楊德慧

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.青海大學(xué) 省部共建三江源生態(tài)和高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016)

植物固沙是修復(fù)沙地生態(tài)功能、恢復(fù)土地生產(chǎn)能力的必要措施(Wang，2004；Fan et al.，2001)，其基本要求是改良土壤理化性質(zhì)，因此常根據(jù)土壤理化性質(zhì)變化來評(píng)價(jià)固沙植物的生態(tài)恢復(fù)效益(Li et al.，2013)。在我國(guó)干旱半干旱沙區(qū)，研究者一方面在大尺度空間上采用遙感手段提取沙化土壤和土壤退化指數(shù)來評(píng)析植被區(qū)的荒漠化程度與趨勢(shì)(汪震等，2021；韓飛等，2008)，另一方面關(guān)注具體地域的沙地植物群落的土壤水分、養(yǎng)分特征時(shí)空變化(孫彩麗等，2012；張國(guó)盛，2000；劉冰權(quán)等，2022)。近年來，植物灌叢的“肥島效應(yīng)”，土壤對(duì)自然植物恢復(fù)的“種源作用”、土壤酶活性、團(tuán)聚體分形特征等角度，揭示了植物的土壤改良機(jī)制，提出了更加細(xì)致規(guī)范的植物種篩選、移植等方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(余娜等，2010；張繼義等，2009)。在青藏高原共和盆地、三江源地區(qū)，沙棘、烏柳、沙蒿等固沙植物的土壤改良作用存在顯著的沙丘部位、群落年齡和結(jié)構(gòu)差異，土壤水分與養(yǎng)分的時(shí)空變化揭示了高寒植物緩慢且不穩(wěn)定的土壤改良過程(張登山等，2009)。李清雪(2014)，魯瑞潔等(2015)發(fā)現(xiàn)高寒沙地的沙棘、烏柳等固沙植物在短期內(nèi)能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和水分利用效率。但隨著人工植物群落的壯大和對(duì)水肥資源的消耗與競(jìng)爭(zhēng)，其長(zhǎng)期的水土保持功能存在變動(dòng)，需要開展野外環(huán)境控制實(shí)驗(yàn)和連續(xù)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，高寒沙地固沙植物的土壤改良過程和效益具有地域特色和植物種差異，這影響植物對(duì)高寒風(fēng)沙、干旱環(huán)境脅迫的抗逆性。高寒沙地中2 m深度的凍土層決定了土壤含水率，成為高寒植物抗旱的“生態(tài)埋深”深度(梁四海等，2007)，而土壤有機(jī)碳、氮、磷等養(yǎng)分元素則直接影響高寒植物群落的多樣性(劉君梅，2011)。因此，本次對(duì)比分析青海湖湖東的克土沙地5種主要固沙植物(沙棘Hippophaerhamnoides、烏柳Salixcheilophila、樟子松Pinussylvestris、小葉楊Populussimonii和沙蒿Artemisiadesertorum)在不同移植年齡和不同地形部位的沙丘土壤理化性質(zhì)變化，旨在探究：(1)6 a間，人工固沙植物在高寒沙地是否能產(chǎn)生顯著的土壤改良效益，是否真正加快沙地植物群落的生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程？(2)樟子松和小葉楊作為青海湖沙地率先引進(jìn)的固沙喬木種，在土壤改良效益方面，與該區(qū)主要先鋒固沙物種——沙棘和烏柳以及主要草本沙蒿存在哪些異同？

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

青海湖湖東克土沙地位于北緯36°40′，東經(jīng)100°45′左右，地處青藏高原東北部，北靠銅寶山，西臨青海湖海晏灣，南接倒淌河，位于我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高寒區(qū)的交匯地帶(圖1a)?？送辽车孛娣e約為753 km2，屬高寒地區(qū)極重度、重度沙漠化土地，是湖東面積較大的沙區(qū)，其東南部有較大面積的高大沙山和連綿的流動(dòng)沙丘。據(jù)2011—2017年的克土沙地自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)，克土沙地年均氣溫為0.7 ℃(1月與7月的均溫分別為-11.76 ℃和14.97 ℃)，年均降水量約370 mm(夏季降水量占比56%～70%)。該區(qū)秋末至早春時(shí)段的風(fēng)沙活動(dòng)最強(qiáng)烈，受SW-W-NW風(fēng)向帶的交替控制，平均風(fēng)速5.5 m/s，輸沙量約占全年的90%。該沙地以荒漠土和荒漠植被為主，近年來，沙地引進(jìn)大量人工固沙植物，植物群落組成達(dá)到27科71種(趙以蓮等，2007)。

1.2 樣地設(shè)置

在沙地中部，距離湖東公路東側(cè)2 km內(nèi)，設(shè)置植物治沙實(shí)驗(yàn)觀測(cè)區(qū)，選取2008年移植的沙棘、烏柳、樟子松和小葉楊人工林和直播沙蒿地作為觀測(cè)樣地(圖1b)，各植物觀測(cè)樣地分別設(shè)置2～3個(gè)不同沙丘部位(丘頂、迎風(fēng)坡和丘間地)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)比分析2011年和2017年各植物樣地丘頂?shù)耐寥览砘再|(zhì)隨時(shí)間的變化，以及2017年各沙丘部位的土壤性質(zhì)的空間變化。在植物移植之前，各沙丘均為幾無植被覆蓋的流動(dòng)沙丘，經(jīng)過春季麥鋪設(shè)草方格沙障(1.5 m×1.5 m)和夏季人工移植實(shí)生苗(沙蒿為種子直播)，5～10 a后逐漸演變成半固定或固定沙丘。另外，選取一個(gè)未治理的流動(dòng)沙丘為對(duì)照點(diǎn)(CK)。各樣地具體的立地條件如表1和圖1。

圖1 研究區(qū)概況(a)與樣地位置圖(b)

表1 2008—2009年各觀測(cè)樣地沙丘丘頂?shù)牧⒌貤l件

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

2011年和2017年7月，在沙棘、烏柳、樟子松、小葉楊和沙蒿沙丘各選3株植物，在植株南側(cè)0.3～0.5 m處挖取深度(L)約80 cm的土壤剖面，按表層(L1為0至-10 cm)、中層(L2為-10至-20 cm)和深層(L3為-20至-80 cm)獲取土樣，經(jīng)近兩個(gè)月風(fēng)干后，保存為分析測(cè)試土樣。

(1)土壤顆粒組成。各層選取土樣約100 g，經(jīng)過充分混勻、自然風(fēng)干、去殘過篩(2 mm篩孔徑)后，再?gòu)闹羞x取1～2 g，加水浸泡后先后去除有機(jī)質(zhì)(雙氧水消煮)和碳酸鈣(鹽酸消煮)，反復(fù)清洗溶液直至中性。然后采用蘭州大學(xué)粒度實(shí)驗(yàn)室Mastersize 2000馬爾文激光粒度儀測(cè)定樣品粒度組成。依據(jù)Blott等(2001)的粒度分級(jí)劃分：黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.063 mm)、極細(xì)砂(0.063～0.125 mm)、細(xì)砂(0.125～0.25 mm)、中砂(0.25～0.50 mm)、粗砂(0.50～1.00 mm)、極粗砂(1.00～2.00 mm)。采用Folk等(2001)的圖解法計(jì)算粒度參數(shù)：平均粒徑(SD)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)、偏度(SK)與峰態(tài)(KG)。

(2)土壤容重。采用環(huán)刀法取樣，環(huán)刀(體積為V，cm3)與濕土樣經(jīng)105 ℃烘箱烘干至恒重后，采用千分之一天平稱環(huán)刀和土樣的總干重W2(g)及環(huán)刀重W1(g)，計(jì)算土壤容重ρ(g/cm3)：

(1)

(3)土壤養(yǎng)分含量。在青海大學(xué)分析測(cè)試中心測(cè)定各層土壤有機(jī)質(zhì)(TOC)和氮磷鉀養(yǎng)分含量。其中，風(fēng)干土樣在外送檢測(cè)前需研磨和過篩，測(cè)定pH值的土樣需過1 mm篩，測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量的土樣需經(jīng)研磨過0.50 mm篩后，通過四分法取樣，混合全部通過0.25 mm篩。測(cè)定土壤全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、堿解氮(AN)含量的風(fēng)干土樣需經(jīng)研磨過1.00 mm篩后，再混合通過0.15 mm篩。測(cè)定速效磷(AP)和速效鉀(AK)含量的風(fēng)干土樣需分別經(jīng)過1.00 mm和2.00 mm篩(趙繼剛，2020)。

(4)土壤含水量。采用烘干法，用百分之一電子天平各稱取鋁盒重量g0(g)及土樣濕重g1(g)，然后于105 ℃烘箱內(nèi)烘干(12 h)至恒重，待冷卻后稱其干重g2(g)，計(jì)算重量含水量M：

(2)

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 軟件統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)群落土壤理化指標(biāo)平均值，制作各項(xiàng)指標(biāo)柱狀圖和折線圖。用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和Pearson相關(guān)性分析。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)的時(shí)間變化

2.1.1 土壤粒度與容重

2017年，各植物群落丘頂0～-80 cm土壤剖面的平均粒徑(280～410 μm)比固沙植物移植初期和2011年分別減小18～110μm和12～70 μm，其中烏柳和沙棘沙丘降幅顯著(約70 μm；圖2a)。各沙丘粒徑的分選系數(shù)為0.56～0.80，分選性中等偏好，但均較流沙地差。各沙丘粒徑均處于正偏(0.1

圖2 各個(gè)樣地沙丘2011與2017年的0至-80 cm土層的平均粒徑(a)和土壤容重(b)

2.1.2 土壤含水量

隨著植物群落發(fā)育，固定沙丘的土壤含水量存在顯著年變化(圖3)。2011與2017年，沙棘群落的土壤含水量變化較穩(wěn)定，表層減少量(0.36%)約等于深層增加量(0.17%)的兩倍；烏柳群落表層與深層的含水量增幅超過0.7%；樟子松群落各層含水量增加0.3%～0.5%，沙蒿群落各層增幅較大(0.7%～2.2%)，尤以表層和中層土壤顯著；2017年各植物群落表層(沙棘和樟子松除外)和深層比流沙地均高出0.2%～3.0%，尤以沙蒿各層、沙棘和烏柳深層較為顯著。綜合分析，烏柳和沙蒿的持水能力相對(duì)較強(qiáng)，沙棘和樟子松的表層耗水作用增大。

圖3 各樣地2011年與2017年不同土壤深度層的含水量

2.1.3 植物群落的土壤養(yǎng)分含量變化

(1)土壤有機(jī)質(zhì)。根據(jù)2017年各植物群落土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定結(jié)果(圖4)，各沙丘L1土層含量為1.6～5.2 g/kg，且沙蒿>樟子松>沙棘>烏柳>小葉楊。L2和L3土層的有機(jī)質(zhì)含量分別為1.5～3.3 g/kg 和0.8～2.2 g/kg，這兩層均表現(xiàn)出：沙蒿>樟子松>沙棘>烏柳>小葉楊。沙棘和樟子松群落各層的有機(jī)質(zhì)含量大于烏柳和小葉楊群落，前者發(fā)育有一定厚度的土壤結(jié)皮和枯枝落葉層，根系有根瘤菌；后者枝葉稀疏且具有枝下高度，表土風(fēng)蝕較強(qiáng)。相比2011年，各植物群落L1、L2和L3土層的有機(jī)質(zhì)含量分別增長(zhǎng)0.6～2.1 g/kg，0.0～1.5 g/kg和0.0～0.5 g/kg。相比移植當(dāng)年，各群落L1土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量的增幅最大(增加1.0～3.7 g/kg)。植物群落間，樟子松和沙蒿群落的各層土壤有機(jī)質(zhì)含量增幅較大，而烏柳和小葉楊群落的L3土層則有所下降。

圖4 2011年和2017年各樣地沙丘不同土壤深度層的土壤有機(jī)質(zhì)含量

(2)土壤全氮、全磷、全鉀及其速效養(yǎng)分含量

在克土沙地，土壤氮、磷、鉀的全量與速效養(yǎng)分在0至-80 cm土層普遍稀缺(圖5)。對(duì)照點(diǎn)(CK)各土層的全氮、全磷、全鉀含量在近6 a變化甚小，表層的全氮含量和三個(gè)土層的全鉀含量表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，中下層的全氮和三個(gè)土層的全磷含量則出現(xiàn)輕微下降現(xiàn)象。對(duì)照點(diǎn)的速效養(yǎng)分的土層深度差異較小，速效磷含量在各土層增長(zhǎng)顯著(0.7 mg/kg)。沙棘群落的土壤表層全氮(約0.33 g/kg)、全磷(0.42 g/kg)、全鉀(38 g/kg)含量高于中層和深層，除速效鉀含量之外，速效磷和堿解氮的土壤深度層次差異較小。相比2011年，2017年土壤中層和深層的全磷含量(0.15 g/kg)、表層的全鉀含量(17.0 g/kg)、各層的堿解氮含量(19～26 mg/kg)和表層的速效鉀含量(160 mg/kg)的增長(zhǎng)較為顯著。烏柳群落的土壤全氮、全磷和堿解氮含量的土層差異較大，表層和中層的堿解氮(相差15 mg/kg)、速效鉀(相差120 mg/kg)和中層、深層的速效磷養(yǎng)分(相差0.2～0.8 mg/kg)含量的相對(duì)增長(zhǎng)較快。樟子松群落的全氮、全磷、速效氮和速效磷含量的土層差異相對(duì)較大，且表層和中層的增長(zhǎng)效益較為顯著(其中土壤全磷含量增長(zhǎng)0.2～0.28 g/kg，速效磷含量增長(zhǎng)0.4 mg/kg，堿解氮含量增長(zhǎng)15～33 mg/kg)。小葉楊群落層土壤全量和速效養(yǎng)分含量普遍小于其他植物群落，且增長(zhǎng)效益較小(速效磷含量除外，增長(zhǎng)約1.0 mg/kg)。沙蒿群落除全氮含量之外，其余全量和速效養(yǎng)分在各土層的含量較高，尤以表層的全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著，其增長(zhǎng)效益分別達(dá)到40 g/kg、27 mg/kg、1.3 mg/kg和280 mg/kg。綜合分析，固沙植物群落主要促進(jìn)了土壤表層和深層的全氮、全磷、堿解氮和速效鉀含量的增加，尤以沙棘、烏柳和沙蒿群落最突出。

圖5 2011年和2017年各樣地沙丘的土壤養(yǎng)分在不同土壤深度層的分布

2.2 土壤性質(zhì)的沙丘部位變化

沙丘不同部位的土壤環(huán)境差異主要表現(xiàn)在土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量(表2)。沙棘、樟子松和小葉楊沙丘的土壤含水量均表現(xiàn)出丘間地(4%～7%)>迎風(fēng)坡/丘頂(2.8%～5.5%)，烏柳和沙蒿沙丘的沙丘部位的含水量差異相對(duì)較小(2.5%～4%)。土壤有機(jī)質(zhì)含量的沙丘部位差異在各沙丘均表現(xiàn)出丘間地>迎風(fēng)坡>丘頂，其中丘間地的有機(jī)質(zhì)含量(4～10 g/kg)顯著高于迎風(fēng)坡和丘頂(1～6 g/kg)，除沙棘沙丘外，其余沙丘的丘間地含量比丘頂和和迎風(fēng)坡部位高出40%～70%。各沙丘的丘間地和迎風(fēng)坡的堿解氮含量顯著高于丘頂部位，除小葉楊沙丘外，其余沙丘的丘間地堿解氮含量比丘頂高出35%～60%(增長(zhǎng)7～20 mg/kg)。除烏柳沙丘外，其余沙丘丘間地的速效鉀含量比丘頂高出10%～60%，尤以沙蒿沙丘的差異顯著。雖然丘間地具有較好的風(fēng)沙和降塵沉積環(huán)境，以及較好的植被覆蓋度，但各固沙林地的土壤粒徑和容重的沙丘部位差異較小，其改良效果在短期內(nèi)的空間差異并不顯著。

表2 2017年各樣地不同沙丘部位0至-80 cm土壤深度層的土壤環(huán)境特征

3 討論

沙地植被的恢復(fù)與重建是沙地土壤改良的主要推動(dòng)力。相較于我國(guó)干旱半干旱沙區(qū)和南方土地荒漠化地區(qū)(Young，2000；鄒勇軍等，2019)，青海湖沙地固沙植物的土壤改良過程與效益主要表現(xiàn)出短期改良速度快、長(zhǎng)期變化慢、土壤層次差異大等特點(diǎn)。其中，表層(0～-10 cm)土壤在早期出現(xiàn)粉黏粒比例和氮、鉀含量快速增加的現(xiàn)象，這源于高寒沙地植物早期快速固沙效益和根莖新生作用(沙棘、沙蒿尤為顯著)。在我國(guó)毛烏素沙地、騰格里沙漠的人工植被修復(fù)區(qū)，大于30 a林齡的植物群落已形成穩(wěn)定的土壤-植被生態(tài)系統(tǒng)，土壤從表層到深層均能在復(fù)雜根系網(wǎng)絡(luò)和小氣候反哺作用下實(shí)現(xiàn)保水增肥目標(biāo)(Jian et al.，2014；Li et al.，2016；王彥武等，2016)。

由于青海湖高寒沙地人工植被修復(fù)區(qū)有土壤蒸發(fā)相對(duì)較弱，湖濱裸沙地的地下水位較淺的特征(田麗慧等，2015)，其土壤容重和含水量增幅均高于其他干旱半干旱沙區(qū)的相同植物群落(烏柳、樟子松和沙蒿)。但是，高寒沙區(qū)固沙植物群落的表層土壤含水量(沙棘和小葉楊)隨林齡增加而降低的趨勢(shì)更快。在其他干旱半干旱沙區(qū)，固沙植物表現(xiàn)出強(qiáng)大的根系三維空間拓展能力和主根粗化、中細(xì)根密生的特征，這促進(jìn)了根系對(duì)土壤水分養(yǎng)分的吸收能力，同時(shí)通過有機(jī)物分解、養(yǎng)分吸附等提高了土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，減小了土壤容重。在青海湖沙地，深根性的烏柳和小葉楊的根系發(fā)育以主根和少許粗根的垂向擴(kuò)展為主，且土層中細(xì)根發(fā)育較多，根系的繁殖加強(qiáng)了對(duì)表土細(xì)顆粒物質(zhì)的固定和對(duì)水分的損耗，促進(jìn)了土壤粒徑和容重減小，含水量降幅較大。這促使流動(dòng)沙丘的烏柳和小葉楊在5～8 a后多出現(xiàn)干梢枯死，成為“小老樹”(Lancaster et al.，1998；于洋等，2014；石坤等，2016)。沙棘與沙蒿均為淺根性植物種，0至-50 cm土層的水平根發(fā)達(dá)，中細(xì)根長(zhǎng)而多，且吸水根多，根水勢(shì)較低，根系水分吸收力較強(qiáng)，因而土壤有機(jī)質(zhì)和全氮、全鉀含量增長(zhǎng)明顯。實(shí)驗(yàn)區(qū)移植的樟子松主根分布較淺，大量的下扎細(xì)根與須根扭結(jié)，水平延展能力不足，根水勢(shì)較大，水分吸收能力相對(duì)較弱，從而導(dǎo)致土壤含水量和養(yǎng)分含量增長(zhǎng)局限在根系附近土層(馬明呈等，2006；王輝等，2007；吳夏麗等，2016)。

此外，在青海湖高寒沙地與其他干旱半干旱區(qū)沙地的植物-土壤環(huán)境變化過程中，區(qū)域氣候特征與風(fēng)沙活動(dòng)差異是相同植物群落產(chǎn)生不同土壤改良作用的基本影響因素(Schlesinger et al.，1990；謝亞軍等，2018)。青海湖沙地固沙植物群落前期生長(zhǎng)迅速，風(fēng)沙防護(hù)效益大，土壤顆粒組成變化和水肥保持功能突出。由于高寒沙區(qū)年均溫低，熱量不足，且初始土壤更貧瘠，固沙植物群落缺乏充足的土壤養(yǎng)分，植物生長(zhǎng)難以為繼，因此反過來限制了土壤改良效益的增大(吳汪洋等，2019)。此外，高寒沙區(qū)有更高的起沙風(fēng)風(fēng)頻和風(fēng)速，固沙植物土壤改良過程受到風(fēng)沙活動(dòng)限制更顯著。對(duì)1～3 a的烏柳與樟子松而言，當(dāng)年干旱與大風(fēng)沙事件會(huì)使植物成活率降低30%～50%，樟子松和沙蒿幼苗則在較大風(fēng)沙活動(dòng)中易出現(xiàn)沙埋和莖葉生根響應(yīng)(賀宇等，2013)。觀測(cè)期間，在2013和2016年，因?yàn)榻邓枯^少、起沙風(fēng)速和風(fēng)頻相對(duì)較大，烏柳、樟子松和沙蒿的保存率、高生長(zhǎng)和群落物種多樣性均出現(xiàn)下降現(xiàn)象，沙棘與小葉楊半固定沙丘出現(xiàn)風(fēng)蝕斑塊，這會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，風(fēng)沙活動(dòng)也會(huì)再次增加地表土層的粗砂比重。

4 結(jié)論

在青海湖高寒沙地，固沙植物主要通過減弱地表風(fēng)蝕強(qiáng)度，增加土壤細(xì)顆粒比例，防止土壤水分和養(yǎng)分流失來改善沙地土壤環(huán)境。短期內(nèi)，固沙植物的土壤改良效益主要表現(xiàn)為土壤平均粒徑降低，土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量和氮磷鉀全量的增長(zhǎng)。在沙丘部位差異上，各沙丘的土壤含水量和有機(jī)質(zhì)含量的大小主要表現(xiàn)出丘間地>迎風(fēng)坡>丘頂。

5種植物群落之間，沙棘、烏柳的土壤改良速度較快，良好的防風(fēng)固沙效益促使地表形成結(jié)皮沙堆，養(yǎng)分聚集且不易受風(fēng)沙危害影響；沙蒿的增肥保水效應(yīng)顯著，但根莖部位易受過度風(fēng)蝕或沙埋，改良過程不穩(wěn)定；樟子松短期的固沙、保水增肥能力突出，但深層土壤的改良作用較弱；小葉楊生長(zhǎng)本身對(duì)土壤水分和養(yǎng)分消耗較大，土壤改良作用相對(duì)緩慢和微弱。