沙棘不同恢復(fù)年限對(duì)土壤質(zhì)量的影響

相里佳菲，路 培

（榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，陜西榆林 719000）

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其動(dòng)態(tài)變化直接影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及穩(wěn)定性[1]。土壤質(zhì)量是土壤多個(gè)功能指標(biāo)的綜合體現(xiàn)，是揭示土壤動(dòng)態(tài)條件最敏感的指標(biāo)，體現(xiàn)了自然因素和人類活動(dòng)對(duì)土壤的影響[2]。沙棘是用以恢復(fù)植被的典型樹(shù)種，面對(duì)內(nèi)蒙古鄂爾多斯市砒砂巖荒漠治理區(qū)植被配置升級(jí)、低效林改造的新要求和新形勢(shì)，在現(xiàn)有水土保持林體系下，從土壤質(zhì)量的角度出發(fā)，展開(kāi)對(duì)沙棘林土壤質(zhì)量的研究，利于探明該區(qū)域沙棘林土壤質(zhì)量的特征，對(duì)今后該地區(qū)生物多樣性保護(hù)、植被恢復(fù)與重建、低效林改造等林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)，以及推進(jìn)黃河流域的生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義[3-6]。本研究以沙棘林土壤為研究對(duì)象，旨在探明沙棘林土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的變化特征，明確土壤質(zhì)量隨著沙棘恢復(fù)年限延長(zhǎng)所呈現(xiàn)的變化規(guī)律，對(duì)生態(tài)恢復(fù)和日后調(diào)整生態(tài)恢復(fù)結(jié)構(gòu)具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古鄂爾多斯市屬北溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，東部為半濕潤(rùn)地帶，西部為半干旱地帶。該地域最主要的特點(diǎn)是日照豐富，年日照時(shí)間為2 716～3 194 h；晝夜溫差大，一般可達(dá)10 ℃左右，年平均氣溫在5.3～8.7 ℃；降水少且時(shí)空分布極為不均[7-9]。

1.2 樣品采集

本試驗(yàn)在內(nèi)蒙古鄂爾多斯罕臺(tái)鎮(zhèn)沙棘恢復(fù)區(qū)進(jìn)行，共選取立地條件一致的3 個(gè)沙棘恢復(fù)年限（1 a、3 a、5 a）區(qū)，每塊樣地設(shè)置3 個(gè)20 m×20 m 樣方，在樣方內(nèi)按照五點(diǎn)取樣法設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，挖取各樣點(diǎn)0～20 cm土層土壤為樣本，選取裸地為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組（CK）。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

土壤指標(biāo)具體測(cè)定方法：環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量，堿解蒸餾法測(cè)定堿解氮，火焰光度法測(cè)定速效鉀，光電比色法測(cè)定速效磷，重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

以各指標(biāo)經(jīng)主成分分析后所得的公因子方差占所有指標(biāo)公因子方差之和的比為指標(biāo)權(quán)重，指標(biāo)權(quán)重越高，表明其在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的貢獻(xiàn)度越高[10]。

升型分布函數(shù)公式：

降型分布函數(shù)公式：

式中：F(Xi)為隸屬度值，Xij為各指標(biāo)的平均值，Ximax和Ximin分別為第i個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。

土壤質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算公式：

式中：n為指標(biāo)數(shù)量，Wi為指標(biāo)權(quán)重值，F(xiàn)(Xi)為指標(biāo)隸屬度，SQI為土壤質(zhì)量指數(shù)，該值越高，代表土壤質(zhì)量越好。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)用辦公軟件Microsoft Excel 2021 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，用SPSS 軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙棘不同恢復(fù)年限土壤指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征

研究區(qū)沙棘不同恢復(fù)年限土壤理化性質(zhì)差異顯著（p＜0.05）（表1），土壤容重方面，裸地最高，其次為1 a，5 a 最小；土壤總孔隙度和毛管孔隙度方面隨年限增加呈遞增趨勢(shì)，裸地最低，5 a 最高，總孔隙度、毛管孔隙度均在40%左右；土壤田間持水量5 a 的平均值略高于3 a 的平均值，隨著年限的增加土壤田間持水量呈遞增趨勢(shì)。土壤化學(xué)性質(zhì)中堿解氮、速效磷、速效鉀能夠高效地反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)的動(dòng)態(tài)與水平。研究區(qū)沙棘恢復(fù)5 a 土壤堿解氮含量相較3 a 和1 a 分別增加2.05 與3.17 mg·kg-1；土壤速效鉀含量隨著恢復(fù)年限的增加呈遞增趨勢(shì)，在5 a 到達(dá)峰值，其速效鉀含量較裸地增加了49.33 mg·kg-1；土壤速效磷含量由1 a 到3 a、3 a 到5 a 分別增加0.05 mg·kg-1與0.36 mg·kg-1；1 a、3 a 與5 a 相較于裸地土壤有機(jī)質(zhì)分別增加了1.83 g·kg-1、4.43 g·kg-1、5.40 g·kg-1，表明土壤有機(jī)質(zhì)含量與恢復(fù)年限呈正相關(guān)的變化趨勢(shì)，說(shuō)明研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量隨著植被恢復(fù)呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)。綜合土壤養(yǎng)分指標(biāo)來(lái)看，5 a 土壤為植被提供養(yǎng)分的能力最高，其次為3 a、1 a，裸地最差。

表1 沙棘不同恢復(fù)年限土壤理化性質(zhì)差異

2.2 沙棘不同恢復(fù)年限土壤指標(biāo)權(quán)重分析

計(jì)算各指標(biāo)所占權(quán)重，結(jié)果表明，速效鉀＞總孔隙度＞毛管孔隙度＞堿解氮＞有機(jī)質(zhì)＞容重＞速效磷＞田間持水量。速效鉀權(quán)重最高達(dá)到0.135，其含量很大程度上影響了土壤質(zhì)量。其次是土壤總孔隙度權(quán)重為0.134，毛管孔隙度權(quán)重為0.133，直接影響土壤結(jié)構(gòu)性能，對(duì)土壤水分的保持、入滲具有重要作用，土壤結(jié)構(gòu)性能越好，其抗蝕性、透水性、持水量越大[11]。堿解氮權(quán)重為0.132，該指標(biāo)反映土壤近期供應(yīng)氮素的能力，是測(cè)定土壤氮素有效性指標(biāo)。有機(jī)質(zhì)權(quán)重為0.130，土壤有機(jī)質(zhì)在土壤中必不可少，與土壤礦質(zhì)成分作為植物營(yíng)養(yǎng)來(lái)源的共同組成部分，對(duì)土地生產(chǎn)力和土壤理化性質(zhì)具有重要影響[12-14]。容重權(quán)重為0.128，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。田間持水量、速效磷相較于其他指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量影響較小，在0.1 左右。

2.3 沙棘不同恢復(fù)年限土壤指標(biāo)隸屬度分析

隸屬度值越大說(shuō)明指標(biāo)歸屬度越高。按公式（1）和（2）計(jì)算得出各項(xiàng)土壤指標(biāo)的隸屬度值，各土壤指標(biāo)平均隸屬值由大到小依次為田間持水量（0.502）＞有機(jī)質(zhì)（0.489）＞速效鉀（0.456）＞總孔隙度（0.431）＞毛管孔隙度（0.418）＞容重（0.396）＞堿解氮（0.347）＞速效磷（0.274），速效磷隸屬度值最低，表明速效磷是研究區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要限制因子。

2.4 沙棘不同恢復(fù)年限土壤質(zhì)量指數(shù)分析

圖1 為鄂爾多斯荒漠治理區(qū)沙棘不同恢復(fù)年限土壤質(zhì)量指數(shù)的變化結(jié)果。研究區(qū)沙棘不同恢復(fù)年限土壤質(zhì)量指數(shù)介于0.038 和0.864 之間。由大到小表現(xiàn)為5 a ＞3 a ＞1 a ＞裸地，結(jié)果表明沙棘恢復(fù)5 a對(duì)土壤質(zhì)量改良效果最優(yōu)。恢復(fù)5 a 土壤的孔隙度和養(yǎng)分高于恢復(fù)1 a 和3 a 的土壤，植被殘?bào)w如樹(shù)葉、枝、條形成的枯落物層較厚，并且干物質(zhì)生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他土壤?？葜β淙~會(huì)形成不同分解狀態(tài)的有機(jī)殘?bào)w或被降解為分子量大小各異的有機(jī)化合物，一些枯枝落葉碎屑或化合物可隨降水的攜帶作用及土壤動(dòng)物和微生物的轉(zhuǎn)移作用進(jìn)入土壤，并被土壤層的細(xì)顆粒保存下來(lái)，也可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的腐殖質(zhì)分子，從而降低有機(jī)質(zhì)流失的概率[15-16]。因此，5 a 土壤有機(jī)質(zhì)含量高的原因主要與上覆枯落物層物質(zhì)的腐解有關(guān)，其次為3 a、1 a。土壤質(zhì)量指數(shù)整體隨著恢復(fù)年限的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。裸地質(zhì)量為貧瘠狀態(tài)，孔隙度低且養(yǎng)分含量少，田間持水量小，表層裸露，含水量易蒸發(fā)，少部分水資源能被植被利用[17]。

圖1 沙棘不同恢復(fù)年限土壤質(zhì)量指數(shù)

3 結(jié)論與討論

1）不同恢復(fù)年限土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)差異顯著（p＜0.05）；隨著恢復(fù)年限的增加，沙棘恢復(fù)5 a相對(duì)裸地土壤容重降低了0.28 g·cm-3，土壤田間持水量、總孔隙度、毛管孔隙度、堿解氮、速效鉀、速效磷、有機(jī)質(zhì)分別增加5.88 個(gè)百分點(diǎn)、3.83 個(gè)百分點(diǎn)、3.48 個(gè)百分點(diǎn)、3.41 mg·kg-1、49.33 mg·kg-1、0.40 mg·kg-1、5.40 mg·kg-1，沙棘恢復(fù)1 a 整體表現(xiàn)較差。2）土壤質(zhì)量指數(shù)隨沙棘恢復(fù)年限增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，土壤質(zhì)量指數(shù)由大到小表現(xiàn)為5 a（0.864）＞3 a（0.517）＞1 a（0.239）＞裸地（0.038），恢復(fù)5 a 對(duì)土壤質(zhì)量改良效果最優(yōu)。

土壤質(zhì)量受土壤特性，水分條件等自然因素和人為因素的綜合影響，在局部地區(qū)，立地條件差異不顯著的情況下，不同恢復(fù)年限成為影響土壤質(zhì)量的重要因素。在本研究中，沙棘不同恢復(fù)年限對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善效果隨著植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)存在顯著性差異（p＜0.05）。土壤有機(jī)質(zhì)作為指示土壤質(zhì)量指數(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)，主要受制于地上植物及其地下根系有機(jī)質(zhì)的輸入與分解[18]。沙棘恢復(fù)5 a 的土壤有機(jī)質(zhì)含量大于3 a、1 a 的土壤有機(jī)質(zhì)含量，說(shuō)明沙棘恢復(fù)年限的延長(zhǎng)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量有較大影響。隨著恢復(fù)年限的增長(zhǎng)，沙棘林下土壤速效磷、速效鉀、堿解氮逐漸增加。這與王曉琳、趙韻美等研究結(jié)果基本一致[19-20]。其原因主要是沙棘生長(zhǎng)迅速，地上生長(zhǎng)量大，大量枯枝落葉能夠歸還土壤，大部分根系密集于表層，殘?bào)w及分泌物較多，在腐殖化作用下，有機(jī)質(zhì)及速效營(yíng)養(yǎng)元素含量能夠不斷增加。測(cè)定沙棘不同恢復(fù)年限土壤有機(jī)質(zhì)含量是研究土壤性狀特征、判斷土壤質(zhì)量及恢復(fù)情況的重要因素，土壤質(zhì)量指數(shù)受到沙棘恢復(fù)年限影響較大，隨著沙棘恢復(fù)年限的延長(zhǎng)可以增加土壤養(yǎng)分含量，有效提高土壤質(zhì)量指數(shù)。

內(nèi)蒙古砒砂巖沙棘恢復(fù)是長(zhǎng)期且復(fù)雜的任務(wù)。由于沙棘的生長(zhǎng)與土地地形地貌、不同干擾強(qiáng)度、氣候、環(huán)境、動(dòng)植物多樣性等因素密不可分，多種因素相互作用影響土壤質(zhì)量，進(jìn)而影響沙棘生長(zhǎng)。因此，在以后的研究中要綜合考慮各種影響因素，進(jìn)一步探討干擾強(qiáng)度、環(huán)境因素等對(duì)沙棘林土壤質(zhì)量特征的影響，進(jìn)一步為沙棘林土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)與恢復(fù)、森林可持續(xù)發(fā)展提供全面科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。