半干旱風沙草原區(qū)鹽湖植物防護體系土壤理化性狀特征

郭靖捷 任曉萌 蒙仲舉 王濤 祁帥 宋佳佳 寶孟克那順 韓勝利

摘要：為探究植物防護措施對半干旱風沙草原區(qū)土壤的改良效應，以查干淖爾鹽湖植物防護體系為研究對象，采用野外調(diào)查結合室內(nèi)試驗的方法，測定不同區(qū)域土壤理化性質(zhì)，分析0—30 cm深度土壤含鹽量、土壤酸堿度、土壤粒徑組成、土壤有機質(zhì)和氮磷鉀含量的變化。結果表明，查干淖爾鹽湖植物防護體系營造建設20年后，在防護帶阻擋風蝕物質(zhì)和植物改善土壤的協(xié)同作用下，原有高鹽強堿土壤環(huán)境出現(xiàn)了顯著變化。與干涸湖心相比，植物防護體系內(nèi)各樣地pH均有不同程度的降低，堿蓬防護帶內(nèi)土壤含鹽量降低75.34%；堿蓬防護帶內(nèi)土壤粘粒和粉粒含量增幅明顯，較干涸湖心分別增加51.60%和22.14%，粗砂含量較干涸湖心降低72.06%；堿蓬防護帶內(nèi)土壤速效鉀、速效磷、有機質(zhì)含量較高，分別是干涸湖心的86%、39%、55%；過渡帶白刺灌叢速效氮含量較高，為干涸湖心的28%?？傮w上各養(yǎng)分含量與粘粒和粉粒呈顯著相關（P<0.05）。歷經(jīng)20年的營建，堿蓬防護帶內(nèi)土壤速效鉀、速效磷、有機質(zhì)含量較建設初期明顯增長，表明植物防護體系對土壤具有明顯的改良作用。研究成果為鹽湖植物防護體系防護效應評價提供數(shù)據(jù)支撐，并為半干旱風沙草原區(qū)干涸鹽湖風蝕控制和區(qū)域植被恢復重建提供科學依據(jù)。

關鍵詞：半干旱風沙草原區(qū)；植物防護體系；土壤理化性質(zhì)；查干淖爾鹽湖

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0674

中圖分類號：S714.2 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2024）01018211

半干旱風沙草原區(qū)植被覆蓋度較低，風蝕沙化造成該區(qū)域土地生產(chǎn)力下降、土地退化等生態(tài)問題[1]。植被可減緩近地表風速，抑制沙塵釋放，增加沙面地表粗糙度，從而達到防風固沙的效果[2]。不同粒度的土壤顆粒對養(yǎng)分的吸附性存在差異[3]，細粒含量是影響土壤肥力的重要因素，其含量越多，土壤保肥性越強[45]。干涸湖底風蝕物主要是土壤中含有豐富養(yǎng)分的細粒物質(zhì)，這些細粒物質(zhì)會隨著風沙流運移被地表植被攔截，從而形成土壤養(yǎng)分的富集體[6]。此外，植被對土壤微生態(tài)的改善也能通過自身枯落物不斷積累與分解、根系酸性物質(zhì)的分泌以及固氮作用來實現(xiàn)[7]。

研究[89]表明，土壤養(yǎng)分含量與植被聯(lián)系緊密，通過植被營造建設，土壤表層氮、磷、鉀養(yǎng)分含量和有機質(zhì)含量會隨植被建設年限產(chǎn)生變化。營建植被不僅能改良土壤，也會對植被分布產(chǎn)生影響[10]。因此，與使用工程、化學等措施相比，通過植被營造建設措施實現(xiàn)防風固沙和植被恢復，可以有效防治沙害，從長遠上改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境[11]。

查干淖爾鹽湖位于錫林郭勒盟半干旱風沙草原區(qū)與渾善達克沙地的過渡地帶，區(qū)域內(nèi)風沙活動劇烈[12]。由于氣候變化、降水減少、湖泊水分的補給量不及蒸發(fā)量，使得湖泊被天然堤壩分隔為東西2個子湖，東湖由于高格斯臺河水匯入而成為淡水湖，西湖由于失去水源、蒸發(fā)水位下降而成為咸水湖，并于2002年完全干涸，湖盆裸露，干涸湖底形成了大片次生鹽堿地，地表松散富鹽沉積物易被吹蝕，形成“化學塵暴”，已成為鹽塵暴、沙塵暴的發(fā)源地，直接危害當?shù)厝?、畜的正常生活，并且以驚人的速度擴大土地鹽堿化的進程，威脅著周邊地區(qū)乃至京、津、冀地區(qū)的生態(tài)安全[13]。為有效控制沙害，自2003年開始在鹽湖營建1條自東向西的堿蓬防護帶（10 km×4 km），堿蓬防護帶外圍的鹽堿草灘地和白刺灌叢組成鹽湖植物防護體系（圖1）[14]。鹽湖植物防護體系建成20年后，防護體系不同地帶景觀呈現(xiàn)出明顯的改變。因此，本研究將查干淖爾鹽湖植物防護體系這一整體作為研究對象，探究風蝕條件下的植物措施對鹽湖防護體系內(nèi)不同位置土壤結構和養(yǎng)分的防護作用，對于了解查干淖爾鹽湖的生態(tài)環(huán)境狀況、加強該地區(qū)鹽漬化管控十分重要。研究鹽湖植物防護體系不同區(qū)域的土壤理化性質(zhì)及恢復特征，以期為鹽湖植物防護體系防護效應評價提供數(shù)據(jù)支撐，并為半干旱風沙草原區(qū)干涸鹽湖風蝕控制和區(qū)域植被恢復重建提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古高原中東部錫林郭勒盟境內(nèi)呼日查干淖爾鹽湖（43°22′—43°29′N、114°45′—115°04′ E），北鄰錫林郭勒盟西部半干旱草原，南鄰渾善達克沙地，為草原沙地生態(tài)交錯地帶（圖1），行政上隸屬于阿巴嘎旗。湖盆呈狹長形分布，東北到西南方向延伸，湖泊南北約5 km，東西約22 km，地勢東高西低，湖底平均海拔1 010 m左右，多年平均風速約3.5 m·s-1，年蒸發(fā)量約2 100 mm，屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候。鹽湖植物防護體系建設前，即在湖心區(qū)域種植堿蓬前，湖心土壤以鹽堿土和風沙土為主，主要由粘粒和粉粒組成，土壤質(zhì)地輕，含鹽量高，易于形成風沙流；天然形成的鹽堿草灘地和白刺灌叢，其植被類型單調(diào)，群落結構簡單，土壤以沼澤土和沙質(zhì)草甸土為主，土壤肥力低，礦質(zhì)部分以中砂為主；外圍的沙地風蝕坑土壤以風沙土為主，地表以嚴重風蝕為顯著特征[15]。由于查干淖爾鹽湖地區(qū)特定的氣候特征和土壤條件，導致該地區(qū)植被多為耐旱、耐堿的小灌木或草本植物[16]，主要有堿蓬（Suaeda glauca）、鹽爪爪（Kalidium foliatum）、白刺（Nitraria tangutorum）、西利亞蓼（Polygonumsibiricum）、芨芨草（Achnatherum splendens）、堿蒿（Artemisia anethifolia）等。

1.2 樣地設置

試驗于2022年4月在呼日查干淖爾湖進行，根據(jù)查干淖爾鹽湖植物防護體系布設情況劃分調(diào)查樣地，從干涸湖心（dry lake center， DLC）經(jīng)過堿蓬防護帶（alkaline shield， AS）、鹽堿草灘地（saltalkaligrassland， SG）、白刺灌叢（white thorn bushes，WTB），到達防護帶最外圍的沙地風蝕坑（sandwind erosion pit， SWEP），共5 種代表性樣地類型（圖1，表1）。分別在研究區(qū)內(nèi)布設沿西北到東南方向3條樣帶，每條樣帶均具有上述5種樣地類型，總計15個樣地，覆蓋全部植物防護體系，分別在各樣地內(nèi)挖取深度為30 cm 的土壤剖面，按0—10、10—20、20—30 cm分層取土，共3層，做好標記，裝入塑料自封袋中，帶回實驗室用于測定相關指標。

1.3 土壤指標測定

將土樣在室內(nèi)自然陰干，過2 mm土壤篩，以備測定土壤pH、電導率、速效氮、速效磷和速效鉀；使用0.15 mm土壤篩過篩處理，以備測定土壤有機質(zhì)。土壤pH采用pH計（PHS-3 C）測定；水溶性鹽總量的測定采用土水比1∶5配置土壤浸提液，使用電導率儀（DDS-11 A）測定其電導率；土壤全鹽含量通過殘渣法標定[17]，標定結果如圖2所示；土壤經(jīng)過去鹽、去有機質(zhì)等處理后采用激光粒度儀（3000 MU）測定土壤機械組成[18]；速效氮含量采用堿解擴散法測定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法NaHCO3（-0.5 mol·L-1）浸提法測定；速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度計法測定；土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定。

1.4 養(yǎng)分富集率測定

以干涸湖心土壤養(yǎng)分含量為基準，采用下列公式[19]分別計算堿蓬防護帶、鹽堿草灘地、白刺灌叢、沙地風蝕坑各樣地的土壤養(yǎng)分富集率。

式中，C 為土壤養(yǎng)分富集率；m 分別為堿蓬防護帶、鹽堿草灘地、白刺灌叢和沙地風蝕坑各樣地土壤養(yǎng)分含量;m0 為干涸湖心樣地養(yǎng)分含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2007 整理試驗數(shù)據(jù)，使用Origin2019制圖。運用SPSS 26軟件進行單因素方差分析（one-way ANOVA），對不同樣地土壤數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗; 使用Duncan多重檢驗方法進行多重比較，比較不同樣地間和各樣地不同土層深度土壤養(yǎng)分含量的差異性;使用Pearson相關分析方法進行相關性分析，明確土壤養(yǎng)分與土壤機械組成之間的相關關系。

2 結果與分析

2.1 不同下墊面土壤pH 與含鹽量分析

由圖3可知，從干涸湖心到沙地風蝕坑，土壤pH呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，在干涸湖心最高，為9.95，到達過渡帶白刺灌叢時最低，為8.41，較干涸湖心降低18.31%；與干涸湖心相比，植物防護體系內(nèi)各樣地pH均有不同程度的降低。從干涸湖心到沙地風蝕坑，土壤含鹽量整體表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢，其中鹽堿草灘地土壤含鹽量最低，為0.16 g·kg-1，白刺灌叢土壤含鹽量最高，為12.83 g·kg-1；與干涸湖心相比，堿蓬防護帶內(nèi)土壤含鹽量降低75.34%。在垂直方向上，土壤含鹽量呈現(xiàn)隨土層深度增加逐漸減少的趨勢，鹽分分布特征呈現(xiàn)表聚性。

2.2 不同下墊面土壤機械組成

由表2 可知，5 種樣地土壤機械組成類型豐富，堿蓬防護帶和干涸湖心以粉粒為主，白刺灌叢以中砂為主，沙地風蝕坑以粗砂為主，鹽堿草灘地以粗砂和粉粒為主。在垂直方向上，各樣地粘粒和粉粒含量均隨土層深度增加呈先增加后減少趨勢；干涸湖心、堿蓬防護帶中砂和粗砂含量隨土層深度增加呈逐漸減小趨勢，鹽堿草灘地、白刺灌叢、沙地風蝕坑中砂和粗砂含量隨土層深度增加呈先減少后增加趨勢。在0—10 cm土層，從干涸湖心到沙地風蝕坑，粉粒含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，其中，堿蓬防護帶含量最高，為44.41%，沙地風蝕坑含量最低，為5.03%；中砂含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，其中，白刺灌叢中砂含量最高，為53.73%，沙地風蝕坑最低，為2.43%；粗砂含量表現(xiàn)為堿蓬防護帶<白刺灌叢<干涸湖心<鹽堿草灘地<沙地風蝕坑，其中，堿蓬防護帶土壤粗砂含量最低，僅為9.33%，沙地風蝕坑含量最高，為71.38%；堿蓬防護帶內(nèi)土壤粘粒和粉粒含量增幅顯著，較干涸湖心分別增加51.60%、22.14%，粗砂含量較干涸湖心顯著降低72.06%。

2.3 不同下墊面土壤養(yǎng)分分布特征分析

2.3.1 不同下墊面土壤速效鉀、氮、磷含量差異由圖4和表3可知，在0—30 cm土層內(nèi)，土壤速效鉀、速效氮、速效磷含量均值總體表現(xiàn)為在干涸湖心含量最高。其他4種樣地中，沙地風蝕坑土壤速效鉀、速效氮、速效磷含量較低，均值分別為46.67、5.48、5.89 mg·kg-1，是干涸湖心的13%、6%、4%，堿蓬防護帶土壤速效鉀和速效磷含量較高，均值分別為306.63、6.19 mg·kg-1，是干涸湖心的86%、39%，白刺灌叢速效氮含量較高，均值為27.41 mg·kg-1，是干涸湖心的28%。方差分析顯示，與干涸湖心相比，速效鉀、速效氮、速效磷含量在堿蓬防護帶、鹽堿草灘地、白刺灌叢和沙地風蝕坑均表現(xiàn)為顯著降低（P<0.05）。在垂直方向上，隨著土層深度增加土壤養(yǎng)分含量大體表現(xiàn)為減少趨勢，呈現(xiàn)一定的表聚現(xiàn)象。

2.3.2 不同下墊面土壤有機質(zhì)含量差異 由圖5和表4可知，在0—10 cm土層，土壤有機質(zhì)含量表現(xiàn)為在干涸湖心最高。其他4個樣地中，堿蓬防護帶土壤有機質(zhì)含量較高，為9.98 g·kg-1，是干涸湖心的55%，沙地風蝕坑有機質(zhì)含量較低，僅為0.59 g·kg-1，是干涸湖心區(qū)的3%。方差分析顯示，與干涸湖心相比，堿蓬防護帶 、鹽堿草灘地、白刺灌叢、沙地風蝕坑土壤有機質(zhì)含量均顯著降低（P<0.05）。在垂直方向上，有機質(zhì)含量大體上隨土層深度的增加而降低，沙地風蝕坑有機質(zhì)含量無明顯變化。

2.4 土壤養(yǎng)分含量與機械組成的相關分析

由表5可知，土壤pH與粘粒和粉粒含量呈極顯著正相關（P<0.01）；速效氮與中砂含量正相關；速效磷與粘粒和粉粒含量呈顯著正相關（P<0.05）；速效鉀與粘粒和粉粒含量呈極顯著正相關（P<0.01）；有機質(zhì)與粘粒、粉粒和中砂含量正相關。以上結果表明，土壤質(zhì)地條件對土壤養(yǎng)分的積累具有重要影響，整體上各養(yǎng)分含量與粘粒、粉粒之間存在顯著的相關性。

3 討 論

在半干旱風沙草原區(qū)鹽湖防風固沙過程中，土壤含鹽量與酸堿度是表征鹽湖地區(qū)土壤條件的有力參數(shù)，且鹽湖地區(qū)土壤條件與植物生長密不可分，研究其土壤含鹽量與酸堿度參數(shù)對鹽湖植物防護體系效果具有顯著影響[18]。本研究顯示，研究區(qū)土壤pH 為8.41～9.95，堿蓬防護帶土壤含鹽量較干涸湖心顯著降低，與馮亞亞等[19]研究結果一致，可能是由于在半干旱風沙草原鹽湖地區(qū)，土壤中鹽分的來源較為特殊[20]。一方面，在半干旱草原地區(qū)降水少、蒸發(fā)劇烈，土壤水分的運行方向以上行為主，成土母質(zhì)中的可溶鹽類無法淋濾下移，蒸發(fā)作用將地下水中的鹽分上移聚積于表層土壤，長期累積與濃縮形成了鹽化堿化的土壤；另一方面，土壤中可溶性鹽分主要來源于風化物，由于湖泊源頭斷流不能維持湖泊的水量和鹽度，導致湖泊中水分逐漸蒸發(fā)，留下水中溶解的礦物質(zhì)和鹽分無法淋濾下移，地表呈現(xiàn)出大量富鹽沉積物易被風蝕，隨風沙流被搬運到鹽湖周圍的其他區(qū)域。奚薩茹拉[21]研究發(fā)現(xiàn)，查干淖爾干涸鹽湖的土壤pH和可溶性鹽含量的平均值約為10.7和4.2 g·kg-1，但其研究是在2009—2010年進行，查干淖爾鹽湖在2011年開始大面積種植堿蓬，到年底播種總面積已經(jīng)達到4 000 hm2，其研究缺乏堿蓬種植后對該地區(qū)土壤環(huán)境改良的分析。本研究結果顯示，查干淖爾干涸鹽湖的土壤pH和可溶性鹽含量平均約為10.03和3.77 g·kg-1，與奚薩茹拉[21]研究結果有所不同，其原因可能是由于本次調(diào)查是在該地區(qū)通過大面積種植堿蓬“固塵壓堿”的植被營建措施后進行，防護帶內(nèi)種植的堿蓬具有極高的耐鹽性和強大的根系，其根系的生長能從土層深處吸取大量的鹽分貯藏在莖葉中，并通過莖葉上毛孔分泌鹽分，以調(diào)節(jié)土壤中鹽分平衡，經(jīng)過長期的發(fā)展、演替過程使該區(qū)域鹽堿土的土壤條件得到改善。但按照國家土壤鹽漬化分級標準[22]，查干淖爾鹽湖地區(qū)土壤還處于強堿性和中度鹽漬化狀態(tài)，仍需進一步治理。

本研究表明，沿查干淖爾主風方向也就是湖心指向沙地方向，堿蓬防護帶植被覆蓋度為70%～80%，土壤速效鉀、速效磷、有機質(zhì)含量均顯著高于除干涸湖心外的其他樣地，與劉進輝等[23]研究結果相比含量稍高，但整體趨勢相同；并且土壤速效鉀、速效磷、有機質(zhì)含量與2003年堿蓬防護帶營建初期[24]相比明顯增長。其原因可能是由于堿蓬防護帶植被覆蓋程度比較高，導致土壤深層的水分蒸發(fā)量降低，而植物根系又能維持土壤中水分的平衡[25]，潮濕的土壤條件有利于枯落物的降解，促使土壤的養(yǎng)分含量增加；另外，堿蓬防護帶歷經(jīng)20年的營造建設，植被蓋度已由最初的40%～50% 增加至70%～80%，在實地調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)堿蓬防護帶內(nèi)地表枯落物較豐富，由于土壤表面形成結皮層及腐殖質(zhì)層，提高了枯落物的歸還能力，生物小循環(huán)作用也隨之增強，土壤微生物作用強烈，經(jīng)腐殖化作用、礦化作用將枯落物等分解成有機質(zhì)、速效養(yǎng)分等[26]。土壤中速效養(yǎng)分可通過水解、氨化、固化作用等進行轉化[27]；植被作為土壤氮、磷、鉀素吸收利用的主要載體和轉化者，植被根系的生長及其枯落物的分解對土壤氮、磷、鉀素的轉化和吸收有顯著影響，并且隨著枯落物的分解，土壤中的有機質(zhì)含量逐漸升高，而土壤中磷和鉀的含量則依賴于有機質(zhì)的累積和分解，因而在防護帶內(nèi)鉀素、磷素和有機質(zhì)含量都比較高，這與已有研究結論[25-27]相吻合，表明堿蓬防護帶起到了改良土壤、促進土壤發(fā)育的作用，且隨著營造年限的增加增幅明顯。本研究僅通過土壤理化性質(zhì)特征對查干淖爾鹽湖植物防護體系20年建設效果進行客觀評價，后續(xù)可獲取該區(qū)域詳細的植被群落特征數(shù)據(jù)，借助群落多樣性等植被指標進一步評估鹽湖植物防護體系的建設效果。

營造建設植被不但可以借助植被枯落物的分解及根系作用改善土壤環(huán)境，還能利用植被對風沙的阻擋效應起到改良土壤的作用[28]。植物防護體系內(nèi)堿蓬防護帶、鹽堿草灘地、白刺灌叢近地面表現(xiàn)為堆積地貌，干涸湖心和沙地風蝕坑近地面表現(xiàn)為風蝕地貌[29]，由于植物對風沙的阻滯作用，風沙流攜帶的風蝕物質(zhì)堆積于地表，而風蝕物多為粒徑較細的顆粒，對于養(yǎng)分的吸附能力較強[30]。本研究中，沿查干淖爾干涸湖心下風向，植被蓋度逐漸減少，土壤養(yǎng)分含量也隨之降低，與黃娟等[31]研究結果相一致。其原因可能是由于植被覆蓋程度的降低及不同下墊面地表植被構成的差異，使其對風沙的阻截效果也存在差異，植被蓋度較小的區(qū)域對風沙流中細顆粒物質(zhì)攔截也較少，對土壤環(huán)境的改善作用也隨之減弱。因此，在植物防護體系不同位置，植被的阻截效果存在差異，降低過境風速和削弱風沙流攜沙的能力不同，使得細顆粒物質(zhì)在植被間的堆積量也有區(qū)別，從而不同程度的增加土壤養(yǎng)分。本研究發(fā)現(xiàn)，堿蓬防護帶的土壤養(yǎng)分含量較其他樣地顯著提高，這與管雪薇等[32]防護林帶體系的研究結果相一致，說明防護植被體系的建設對土壤養(yǎng)分積累、土壤質(zhì)量改良具有很大作用。此外，干涸湖心近地面表現(xiàn)為風蝕地貌且地表無植被生長，但其土壤有機質(zhì)及氮磷鉀含量遠大于其他區(qū)域，原因可能在于湖心表面的大量鹽結層，阻止底層疏松沉積物與近地面空氣的直接接觸，防止風蝕的發(fā)生，且能夠抑制土壤水分的蒸發(fā)損失，保持土壤水分[33]，使土壤中有機質(zhì)及氮磷鉀養(yǎng)分避免風蝕作用的消耗得以保存，并且植物根系生長對于土壤氮磷鉀的轉化和吸收有顯著影響，但由于研究區(qū)湖心土壤含鹽量較大，使得植被很難存活，因此可以很大限度地減少植被根系對于土壤中養(yǎng)分的吸收，減少土壤中有機質(zhì)及氮磷鉀含量的損耗，使其土壤中有機質(zhì)及氮磷鉀含量維持在較高水平。因此，防護植被的建設不但能通過植被的根系作用改善土壤質(zhì)量，其枯落物的積累與分解也能提供一定養(yǎng)分，長期作用下，改良了土壤環(huán)境，提高了土壤養(yǎng)分含量；而且能通過營建種植的植被增加地表植被覆蓋度，減弱近地表風速，降低風沙流的運移能力，減少細顆粒物質(zhì)的流失，避免了土壤養(yǎng)分的損失，使土壤中細顆粒物質(zhì)和養(yǎng)分不斷積累。

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（責任編輯：胡立霞）