盧 鑫，周向睿，杜明新，周志宇，陶曉慧，趙 萍，李金輝，金 茜，周媛媛

(1.草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

毛烏素沙地位于陜西省榆林市和內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯(伊克昭盟)之間，面積達(dá)4.22萬(wàn)km2。伴隨著土地沙漠化的加劇，沙化區(qū)環(huán)境惡化，植被覆蓋度降低，植物種類減少，土地利用率下降，對(duì)人類生存造成巨大威脅。土壤沙漠化和地被植物的退化密切相關(guān)，植被退化致使地表裸露，更容易引發(fā)風(fēng)蝕和水蝕。而風(fēng)蝕和水蝕又破壞了地被植物的生存條件，加劇了地被植物地退化[1]。土地沙漠化不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，而且加劇了我國(guó)西部地區(qū)的貧困程度，阻礙了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，如何阻止沙漠化進(jìn)一步擴(kuò)展和改善沙化地環(huán)境就是當(dāng)前沙區(qū)治理的迫切任務(wù)，其中，營(yíng)造固沙防護(hù)林是防治荒漠化有效且重要的組成部分之一。

紫穗槐(Amorphafruticosa)耐鹽堿[2]、耐干旱、抗風(fēng)沙、耐嚴(yán)寒且對(duì)土壤要求不高，具有改良鹽堿地、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力、保持水土以及解決“三料俱缺”等多重功效。解放初期(1951年)，紫穗槐被大量栽培在我國(guó)陜北靖邊沙化地區(qū)，用作防風(fēng)固沙和沙化治理。國(guó)內(nèi)對(duì)于紫穗槐的研究主要集中在逆境中其自身抗逆性變化和根瘤菌固氮效應(yīng)方面，主要探討了紫穗槐在干旱脅迫、鹽脅迫和低溫脅迫等條件下自身對(duì)逆境適應(yīng)性和生理變化[3-6]，而對(duì)于紫穗槐對(duì)土壤改良效應(yīng)的研究則非常稀少，葉竹林和劉世舉[7]曾對(duì)樟子松(Pinussylvestnis)和紫穗槐混交林造林效果進(jìn)行過(guò)少量研究，但是也沒有涉及紫穗槐到對(duì)土壤的改良效果。因此，本研究以毛烏素沙地南緣沙漠化臨界區(qū)域所種植的紫穗槐為研究對(duì)象，探討紫穗槐對(duì)沙化土壤的改良效應(yīng)，以期為深入研究沙漠化臨界區(qū)域生態(tài)恢復(fù)和加強(qiáng)沙化臨界區(qū)域生態(tài)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 試驗(yàn)區(qū)位于榆林市靖邊縣毛烏素沙南緣，107°28′～11°15′ E，36°57′～39°34′ N，海拔980～1 534 m。平均溫度7.9 ℃，絕對(duì)最高37.6 ℃，絕對(duì)最低-27 ℃，無(wú)霜期150 d，年均降水量438.4 mm。地貌主要為流動(dòng)、半固定或固定沙地，土壤類型為各類風(fēng)沙土，植被類群主要為沙生灌木沙柳(Salixpsammophila)、雜交楊(Populusspp.)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、沙蒿(Artemisiaordosica)、沙蔥(Alliummongolicum)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、花棒(Hedysarumscoparium)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、柳樹(Salixbabylonica)、檸條(Caraganakorshinskii)和沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等。本研究中4個(gè)年份種植的紫穗槐采樣地分布區(qū)域較為接近，均分布在黃蒿界鄉(xiāng)區(qū)域內(nèi)，地勢(shì)較為平坦，樣地內(nèi)多種固沙植物共存，覆蓋度較高。

表1 不同株齡紫穗槐的植株生長(zhǎng)情況Table 1 Growth condition of Amorpha fruticosa with different planting years

1.2土壤樣品采集 于2011年8月在毛烏素沙地南沿榆林市靖邊縣，選取1951年(60年株齡)、1976年(35年株齡)、1983年(28年株齡)及2005年(6年株齡)種植的紫穗槐樣地各3個(gè)，對(duì)照為周圍沒有任何植物的沙地。在每塊樣地內(nèi)隨機(jī)選取5株中等大小樣株，進(jìn)行土壤采樣。采樣方法為：在每種灌木的灌叢下4個(gè)方位距離中心20～30 cm處分別取0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土壤。4點(diǎn)的土壤按層分別混合為一個(gè)樣品，作為分析樣品之用。

1.3實(shí)驗(yàn)室分析 將野外帶回的樣品敞開放置在干燥通風(fēng)的室內(nèi)自然風(fēng)干。樣品風(fēng)干后，揀去動(dòng)、植物殘骸，雜質(zhì)，根系和石塊，研細(xì)并全部通過(guò)1 mm孔徑的篩子，裝袋后封袋儲(chǔ)藏備用。分析項(xiàng)目包括土壤粒徑組成、pH值、有機(jī)碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷以及土壤全量N、P、K。粒徑測(cè)量采用馬爾文2000型激光粒度儀測(cè)定；土壤樣品分別用采用強(qiáng)酸加熱消化，以及2 mol·L-1KCl浸提后，分別用FIAstar 5000(FOSS)全自動(dòng)流動(dòng)注射儀測(cè)定全氮、全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定；土壤pH值采用電位法(土水比1∶2.5懸液)測(cè)定；全鉀采用火焰分光光度法測(cè)定；速效磷用NaHCO3法提取，鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理均采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同年份紫穗槐土壤機(jī)械組成 該地區(qū)的沙土主要由粒徑0.05～0.25 mm的細(xì)沙粒組成，0.25～0.50 mm粒徑范圍的中沙粒次之，粒徑小于0.05 mm內(nèi)的沙土含量最少，而0.50～1.00 mm范圍內(nèi)的沙粒幾乎沒有，細(xì)沙粒和中沙粒并沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性(表2)。而對(duì)于小于0.05 mm的沙塵粒，0～10 cm土層的沙塵粒含量為1951年>1976年>1983年>2005年>對(duì)照，10～20 cm土層沙塵粒含量為1951年>1983年>1976年>2005年和對(duì)照，20～30 cm土層沙塵粒含量為1983年>1951年和1976年>2005年和對(duì)照。

2.2不同年份紫穗槐土壤酸度特征 從1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層pH值分別在7.87～8.21、7.86～8.23和8.04～8.29、8.02～8.23和8.00～8.24(圖1)。不同種植年限的紫穗槐土壤pH值與對(duì)照相比除1951年和1983年20～30 cm土層外均表現(xiàn)出了降低趨勢(shì)，種植年限越長(zhǎng)pH值的降低幅度越大，這一規(guī)律在根系活動(dòng)旺盛的0～20 cm土層可以看出，土壤pH值1951年<1976年<1983年<2005年。此外，同樹齡紫穗槐土壤pH值0～20 cm土層pH值均小于30～50 cm土層。

2.3不同年份紫穗槐土壤氮素特征

2.3.1不同年份紫穗槐土壤全氮含量 從1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層全氮含量分別為0.41～0.63、0.44～0.85、0.43～0.63、0.42～0.54和0.44～0.49 g·kg-1。對(duì)0～30 cm不同年份土層之間的比較發(fā)現(xiàn)，紫穗槐種植年限越長(zhǎng)土壤全氮含量越高。而且各個(gè)年份之間均表現(xiàn)出10～20 cm土層全氮含量最高，40～50 cm土層全氮含量沒有規(guī)律性(表4)。

表2 不同株齡紫穗槐土壤機(jī)械組成Table 2 Soil physical composition of Amorpha fruticosa shrub with different ages %

表3 不同種植年限紫穗槐灌叢土壤剖面pH值Table 3 The pH values of soil profiles of Amorpha fruticosa shrub with different ages

2.3.2不同年份紫穗槐土壤銨態(tài)氮含量 干旱區(qū)土壤微生物對(duì)銨態(tài)氮強(qiáng)烈的硝化作用，導(dǎo)致銨態(tài)氮含量非常低，各層含量變化在4.19～6.27 mg·kg-1(表4)。相對(duì)于沒有種植紫穗槐的對(duì)照，銨態(tài)氮含量在表層土壤(0～20 cm)的含量略高于對(duì)照，且隨著紫穗槐種植年限的延長(zhǎng)表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，這可能是由于隨著種植年限的增加，土壤中的消化微生物數(shù)量較多從而對(duì)于銨態(tài)氮的作用較強(qiáng)所引起的。但在20～50 cm土層，無(wú)論是對(duì)同一年份不同土層比較還是對(duì)同一土層不同年份比較均無(wú)明顯規(guī)律。

2.3.3不同年份紫穗槐土壤硝態(tài)氮含量 從1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層硝態(tài)氮含量的變化范圍分別為5.68～24.23、6.27～21.68、4.85～11.93、5.92～9.98和4.69～8.94 mg·kg-1(表4)。硝態(tài)氮含量在1951年0～10 cm土層中的含量最大,達(dá)到24.23mg·kg-1，不同種植年份0～20 cm土層的硝態(tài)氮含量隨著紫穗槐種植年限延長(zhǎng)而逐漸變大，即1951年>1976年>1983年>2005年。20～50 cm土層硝態(tài)氮含量在種植紫穗槐后上升，也基本表現(xiàn)出隨種植年限增加而升高的規(guī)律。

表4 不同種植年限紫穗槐灌叢土壤剖面養(yǎng)分含量Table 4 Soil nutrient contents of soil profiles of Amorpha fruticosa shrub with different ages

2.4不同年份紫穗槐土壤磷含量

2.4.1不同年份紫穗槐土壤全磷含量 從1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層土壤全磷含量變化范圍分別為0.60～0.96、0.58～0.76、0.59～0.68、0.49～0.74和0.47～0.71 g·kg-1(表4)。相較于對(duì)照，種植紫穗槐后土壤的全磷含量均有了一定的提高，各個(gè)土層不同年份間進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，隨著種植年限的增加土壤全磷含量上升，1951年表層(0～10 cm)土壤全磷含量最高為0.96 g·kg-1。對(duì)同一年份垂直剖面土層進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，除1951年表層(0～20 cm)土壤全磷含量高于下層(20～50 cm)土層外，其它各個(gè)年份垂直剖面土層并沒有表現(xiàn)出明顯差異。

2.4.2不同年份紫穗槐土壤速效磷含量 從1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層土壤速效磷含量變化范圍分別為12.66～18.68、10.41～13.42、11.44～13.19、9.83～12.69和11.33～13.44 mg·kg-1(表4)。從土壤垂直剖面分析，表層(0～10 cm)土壤中速效磷含量表現(xiàn)為1976年>1951年>1983年>2005年，而且含量均高于下層(10～50 cm)土壤。而10～50 cm各土層之間速效磷含量并無(wú)明顯規(guī)律。

2.5不同年份紫穗槐土壤全鉀含量 全鉀含量集中在0.44～0.55 g·kg-1，雖然不同年份不同土層全鉀含量都比較高，從土壤垂直剖面來(lái)看各種植年限各個(gè)土層全鉀的含量并沒有明顯差異(表4)。對(duì)不同種植年限之間比較發(fā)現(xiàn)，各層土壤1951和1976年的全鉀含量均大于1983和2005年。

2.6不同年份紫穗槐土壤有機(jī)碳含量 從1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層土壤有機(jī)碳含量變化范圍分別為0.11～0.53、0.07～0.25、0.06～0.23、0.05～0.18和0.04～0.16 g·kg-1(表4)。有機(jī)碳含量相對(duì)于對(duì)照均有增加，且種植年限越長(zhǎng)有機(jī)碳積累量越多。1951、1976和1983年各層有機(jī)碳含量基本高于2005年和對(duì)照，且1951年>1976年>1983年。各個(gè)年份有機(jī)碳含量的垂直分布基本上隨著土層深度加深而降低。

2.7土壤各粒徑與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)系數(shù) 對(duì)土壤粒徑與各養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析可以看出，沙塵粒和各個(gè)養(yǎng)分之間的相關(guān)性相對(duì)于細(xì)沙粒、中沙粒和粗砂粒都比較高，而且隨著沙粒的增大相關(guān)性變小。塵沙粒與土壤有機(jī)碳、全氮和全磷均顯著相關(guān)(P<0.05)，與硝態(tài)氮極顯著相關(guān)(P<0.01)，與pH值負(fù)相關(guān)。細(xì)沙粒與土壤全氮顯著相關(guān)(P<0.05)(表5)。

表5 土壤機(jī)械組成和養(yǎng)分之間的相關(guān)性Table 5 Correlation analysis between soil physical composition and nutrients

3 討論

土地沙漠化是人類面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問題，中外學(xué)者一直致力于沙漠化的防治，目前認(rèn)為，植物固沙是防治沙漠化最有效的途徑之一。防治沙漠化的植物種類很多，而且許多學(xué)者對(duì)植物在沙漠化防治中的效果進(jìn)行了大量的研究[8-12]，而對(duì)穗槐的固沙效果研究則較少。

在干旱沙漠區(qū)，風(fēng)蝕過(guò)程往往伴隨土壤表層細(xì)顆粒物質(zhì)的損失，對(duì)于干旱沙漠區(qū)來(lái)講，懸移質(zhì)的粉塵(<0.05 mm)是損失的主要細(xì)顆粒物質(zhì)，因?yàn)橹挥羞@個(gè)粒徑范圍內(nèi)的懸移質(zhì)才能隨氣流作用飄揚(yáng)到另一區(qū)域[13]。固定風(fēng)沙土表層土壤性質(zhì)的改變和植物生物量的增加，極大地加速了土壤中有機(jī)物質(zhì)的積累以及礦化分解的過(guò)程[14]從土壤的機(jī)械組成來(lái)看，隨著紫穗槐種植年限延長(zhǎng)，沙化土壤表現(xiàn)出了沙土顆粒細(xì)化的現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的原因主要有：1)由于植物自身的因素，根系與土壤之間相互作用，根系及其周圍的微生物對(duì)土壤顆粒進(jìn)行化學(xué)作用，利用其中所蘊(yùn)含的礦質(zhì)元素以供自身生長(zhǎng)發(fā)育所需，而這一化學(xué)過(guò)程也加速了沙土顆粒的瓦解，形成較小的顆粒物，而且這種化學(xué)作用隨著紫穗槐種植年限的延長(zhǎng)而表現(xiàn)得越來(lái)越明顯；2)紫穗槐地上凋落物的常年積累和微生物與其之間的相互作用對(duì)表層沙土的細(xì)化也起到了非常重要的作用；3)紫穗槐灌叢形成后，不但能有效減少由于風(fēng)力作用造成的地表微小顆粒的損失，而且灌叢冠層還能攔截氣流所攜帶的微小顆粒，這也是導(dǎo)致表層沙土細(xì)化的重要原因之一。

土壤酸堿性是衡量土壤性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，對(duì)土壤的性狀有較大的影響，且土壤的酸堿性影響著灌木的生長(zhǎng)發(fā)育、微生物活動(dòng)、土壤營(yíng)養(yǎng)元素的釋放轉(zhuǎn)化、有機(jī)碳分解以及元素的遷移等。本研究顯示，種植紫穗槐后灌叢土壤的pH值相比對(duì)照土壤均有所下降，隨著土壤深度的增加pH值增加，紫穗槐灌叢土壤pH值隨著種植年限的增加而降低，說(shuō)明隨著紫穗槐樹齡的增加土壤pH值降低。一般認(rèn)為，根際pH值的變化是由于根系呼吸作用釋放CO2形成H2CO3以及在離子的主動(dòng)吸收和根尖細(xì)胞伸長(zhǎng)過(guò)程中分泌質(zhì)子和有機(jī)酸所致[15-16]。而許多學(xué)者的研究表明，pH值的變化與植物生物學(xué)特性是緊密聯(lián)系的。本研究中，紫穗槐種植年限最長(zhǎng)的已有60年樹齡，相比之下其對(duì)土壤的作用效果最為顯著，在0～20 cm的表層土壤中根系活動(dòng)旺盛，根系活動(dòng)對(duì)土壤中的陰陽(yáng)離子濃度的改變起到了很大的作用，根系的生長(zhǎng)死亡和地上部落葉枯枝凋落等過(guò)程積累的有機(jī)物改善了土壤的微環(huán)境，微生物的活動(dòng)也對(duì)pH值降低起到了很大作用。

土壤是植物賴以生存的環(huán)境，是一個(gè)復(fù)雜的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，直接影響生物的生存。土壤養(yǎng)分含量是土壤肥力狀況的一個(gè)重要指示因子，土壤中養(yǎng)分含量直接影響到植物的生長(zhǎng)狀況。岳慶玲等[17]和李曉東等[18]研究表明，隨著土層深度的增加，土壤中有機(jī)碳、全氮以及速效磷等養(yǎng)分的含量均逐漸減少。本研究亦得到類似規(guī)律，土壤養(yǎng)分硝態(tài)氮、全磷、速效磷和有機(jī)碳在土壤垂直剖面上均表現(xiàn)出表層土壤養(yǎng)分含量高于底層土壤，而且隨著土層深度的加深養(yǎng)分含量趨于穩(wěn)定，但是全氮含量在10～20 cm的土層卻達(dá)到了最大值，這一現(xiàn)象與紫穗槐本身的特性密不可分，紫穗槐屬于豆科固氮植物具有固氮的特性[19]，因此，紫穗槐根系上大量的共生根瘤菌對(duì)土壤全氮含量產(chǎn)生了影響，而且觀察發(fā)現(xiàn)根瘤大多分布在10～20 cm土層根系，故全氮含量在10～20 cm土層達(dá)到最大值。

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是植物從土壤中吸收最多的礦質(zhì)元素[20-21]。土壤中氮素的來(lái)源主要有動(dòng)、植物殘?bào)w的積累、人為肥料的施用以及土壤中微生物的固定[22]。紫穗槐灌叢土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量可能與其所生長(zhǎng)土壤的pH值有聯(lián)系，一些研究表明，在酸性土壤條件下，硝化細(xì)菌的活動(dòng)受到抑制，微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生的有效氮主要是銨態(tài)氮，而在中性和堿性土壤中則以硝態(tài)氮為主要的存在形式[23-24]。紫穗槐灌叢土壤呈中性略偏堿性，本研究中硝態(tài)氮不僅在含量上遠(yuǎn)大于銨態(tài)氮，而且隨著種植年限的增加和土層深度的加深表現(xiàn)出規(guī)律性的變化也符合這一規(guī)律。鉀素是來(lái)源于土壤母質(zhì)中的含鉀礦物，其含量與風(fēng)化物風(fēng)化程度有關(guān)[25]，土壤中的鉀素雖然含量較高，但是大部分的鉀素屬于非交換型，因此難以被植物利用[26]。本研究中同一年份不同土層之間的全鉀含量并無(wú)明顯差異，說(shuō)明紫穗槐的種植并沒有對(duì)土壤中的全鉀含量造成太大影響，但是1951和1976年兩個(gè)年份各層全鉀含量均大于1983、2005年和對(duì)照，造成這種差異可能是由于立地條件的差異而與紫穗槐本身無(wú)關(guān)。土壤pH值變化對(duì)土壤磷有重要的意義，特別是在堿性土壤中，根際的酸化可顯著提高土壤磷的有效性[27]，在薛梓瑜等[28]的研究結(jié)果也可以看到這一規(guī)律，本研究中全磷和有效磷含量在pH值最小的表層土壤中達(dá)到了最大，說(shuō)明根際酸化對(duì)提高磷的有效性非常明顯，而且這種現(xiàn)象隨著紫穗槐種植年限的延長(zhǎng)而增加。

土壤質(zhì)地是土壤的基本性質(zhì)，影響著有機(jī)碳和養(yǎng)分變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程[29-31]。造成紫穗槐灌叢土壤特異性的成因是多方面的，初級(jí)生產(chǎn)量的變化和土壤表土的再分配是兩個(gè)最主要的過(guò)程[23]。在植被恢復(fù)過(guò)程中，土壤中沙塵粒的增加，細(xì)沙粒和中沙粒含量的減少導(dǎo)致了土壤質(zhì)地細(xì)化程度加深的同時(shí)，也影響了土壤中的養(yǎng)分狀況和其他性質(zhì)，特別是pH值、有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮和全磷等的變化。從土壤機(jī)械組成和養(yǎng)分相關(guān)性的分析中可以看出，土壤沙塵粒與硝態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與有機(jī)碳、全氮和全磷呈顯著相關(guān)(P<0.05)，與pH值呈負(fù)相關(guān)。土壤沙塵粒與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性，從側(cè)面可以反映沙塵粒對(duì)土壤養(yǎng)分狀況的響應(yīng)。干旱沙漠地區(qū)土壤中沙塵粒的含量能客觀反映土壤肥力特征，可以作為土壤肥力的診斷指標(biāo)。

4 結(jié)論

對(duì)不同種植年限的紫穗槐灌叢土壤機(jī)械組成發(fā)現(xiàn)隨著種植年限的延長(zhǎng)土壤得到細(xì)化，沙塵粒含量增加。紫穗槐在土壤機(jī)械組成細(xì)化和養(yǎng)分含量增加方面起到了很好的改良效果，在干旱沙漠恢復(fù)中發(fā)揮了重要的作用。隨著紫穗槐種植年限的延長(zhǎng)，土壤中有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、全磷和速效磷含量均有所增加；而銨態(tài)氮和全鉀的含量并沒有顯示出規(guī)律性。土壤pH值隨種植年限增加呈降低趨勢(shì)。土壤機(jī)械組成和養(yǎng)分之間相關(guān)性分析顯示：沙塵粒與硝態(tài)氮極顯著相關(guān)(P<0.01)，與有機(jī)碳、全氮和全磷呈顯著相關(guān)(P<0.05)。

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