栗忠飛，高吉喜，劉海江

(1.西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明 650224；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042；3.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012)

內(nèi)蒙古多倫縣4種植被對沙地土壤的修復效應

栗忠飛1,2，高吉喜2①，劉海江3

(1.西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，云南 昆明 650224；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所，江蘇 南京 210042；3.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012)

為揭示逆沙漠化進程中人工植被對沙地土壤的修復效應，選擇內(nèi)蒙古多倫縣治沙園區(qū)的山杏(Prunussibirica,SX)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii,NT)和黃柳(Salixgordejevii,HL)3種人工植被群落和天然草地(CD)群落，對其土壤理化特性進行研究。結(jié)果顯示：(1)各樣地有機碳含量以表層為最高， SX、CD、NT和HL樣地分別為21.3、11.0、7.3和2.0 g·kg-1；(2)土壤全氮、全磷和有機碳含量具有基本一致的變化規(guī)律；(3)土壤細黏粒(<20 μm)含量以SX 樣地為最高，達到26.5%，CD樣地次之，為10.8%，HL樣地最低，僅為6.5%；(4)0～10 cm土層全磷含量、全氮含量、含水量與有機碳含量之間呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05或P<0.01)，特別是土壤細黏粒含量，幾乎與所有土壤養(yǎng)分指標間呈顯著相關(guān)性。該研究表明，近年來大面積種植的黃柳人工群落對于土壤理化特性的改善效果不顯著，而自然發(fā)展的草地群落改善效果明顯，因此，當?shù)卦诖罅繉嵤┤斯ぶ脖恢紊车耐瑫r更應注重保護天然草地植被。

沙地修復；土壤理化特性；物種篩選；多倫縣

人工植被恢復與重建是沙漠化治理的基本途徑[1]。土壤是沙地修復過程中諸多生態(tài)效應的載體[2],是沙地植被發(fā)展與演替的重要影響因素[3-4],也是沙地修復效果評價的重要指標[5],而土壤中細黏粒物質(zhì)比例以及有機碳及氮、磷等養(yǎng)分元素的積累,是表征沙漠化程度以及退化土壤修復狀況的理想指標[6-7]。

當前,大量相關(guān)研究已經(jīng)集中在渾善達克[8-9]、科爾沁[10-14]、毛烏素[2-3]和呼倫貝爾[15-16]等沙地區(qū)域開展。這些研究基本可以歸為2個方面:(1)常通過對比不同修復或封育年份來探討植被-土壤相互作用過程;(2)采用空間代替時間序列方法,劃分不同階段的沙漠化進程,進而研究各階段的土壤演變過程[17]。然而,關(guān)于在同一時空尺度下,進行人工修復物種的對照研究,進而辨識、評估不同物種修復效果的研究還不多見,特別是針對位于北方典型農(nóng)牧交錯帶的多倫縣開展的相關(guān)研究更為鮮見。

據(jù)《內(nèi)蒙古沙漠化公報》顯示,全區(qū)沙漠化面積從2009年的52.2%下降到35.5%,沙漠化趨勢得到較為顯著的遏制,部分區(qū)域出現(xiàn)了逆沙漠化方向發(fā)展。多倫縣地處內(nèi)蒙古高原南緣,位于北方典型農(nóng)牧交錯帶的中南部,渾善達克沙地東南端。該區(qū)域的沙漠化治理工作已歷經(jīng)50余年,特別是自2000年以來,多倫縣開展了大量人工植被固沙工程。對沙地植被與其生存環(huán)境關(guān)系的理解,是沙地植被重建的重要理論基礎(chǔ),必須以此來指導沙地植被重建的物種選擇和配置模式等。然而,當前多倫縣在開展人工植被修復過程中,仍然缺乏對人工植被和修復地水土環(huán)境之間相互關(guān)系的深入研究。

針對多倫縣近年來大量種植的幾種關(guān)鍵人工植被群落,基于植被演替與土壤環(huán)境質(zhì)量協(xié)同發(fā)展規(guī)律[18]、土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性變化與植物分布耦合影響規(guī)律[19-20]等相關(guān)特征,研究沙漠化治理過程中不同植被恢復模式下土壤理化性質(zhì)的差異,研究結(jié)果有助于理解土壤發(fā)育過程及其與植被恢復的相互影響,同時為沙地退化植被的演替以及恢復和重建提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

多倫縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟南部(41°46′～42°46′ N,115°51′～116°54′ E),渾善達克沙地東南緣,是中國北方農(nóng)牧交錯帶最具典型性的一個區(qū)域。該區(qū)域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候區(qū)。年平均降水量約為400 mm,6—8月降水量可占全年降水量的65%～70%,年平均溫度約為1.5 ℃,無霜期短[21]。全年風力強勁,年平均風速為4.3～4.7 m·s-1,春季干旱風力最大,揚沙及沙塵暴天氣頻發(fā)[22]。土壤以栗鈣土和風沙土為主。栗鈣土主要成分是細砂,成壤性差,黏粒成分比較少,結(jié)構(gòu)比較松散;風沙土仍在成土母質(zhì)階段,而無明顯的土壤發(fā)育特征。

多倫縣地處中溫帶典型草原帶,地帶性植被為典型草原植被。由于區(qū)域具有多風、干旱等氣候特征,加之渾善達克沙地的影響以及農(nóng)牧交錯發(fā)展,形成了草原、沙漠、人工林和灌叢等多樣的生境類型和植被特征,構(gòu)成多種植被類型鑲嵌分布的植被復合體。區(qū)域內(nèi)沙地植被廣泛發(fā)育。沙地灌叢植被廣泛分布在沙丘陽坡及平緩的沙地區(qū)域,人工灌叢植被以檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、柳屬(Salixspp.)、山杏(Prunussibirica)和羊柴(Hedysarumlaeve)等為優(yōu)勢,這些物種在沙地修復中得到大量栽植。

2 研究方法

2000年以來,多倫縣在錫林郭勒盟“兩橫兩縱”綠色生態(tài)屏障建設(shè)和沙源治理工程建設(shè)中,承載著京津風沙源治理的重要任務,由此開展了大量退耕還林還草、禁牧和人工植被固沙等工程。大寶治沙園區(qū)和總理治沙園區(qū)是當?shù)氐湫偷纳衬卫硎痉豆こ獭?/p>

2.1 樣地的選擇與建立

基于上述情況,于2014年8月,在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟多倫縣大寶沙地治理園和總理治沙示范園,選取園區(qū)內(nèi)人工種植的山杏(SX)、檸條錦雞兒(NT)和黃柳(HL)等優(yōu)勢分布的人工物種群落,同時在大寶沙地治理園內(nèi)選取天然草地群落(CD)?？紤]到多倫縣地處北方農(nóng)牧交錯區(qū)域,典型草原植被屬于區(qū)域內(nèi)分布的地帶性植被類型。因此,在大寶沙地治理園區(qū)內(nèi)人工群落圍繞形成的空地上,選取經(jīng)自然演替發(fā)展而來的草地群落作為研究對照。

所有樣地選擇考慮所處地段的坡度、朝向等因素,使樣地生境特點盡可能一致,力求能總體上代表各自植被恢復狀況。在人工或天然植被恢復之前,樣地土壤主要是經(jīng)風蝕作用形成的風沙土,其最初來源為區(qū)域內(nèi)的地帶性沙質(zhì)栗鈣土。在每種群落類型樣地上,選擇能代表樣地平均狀況的地段,建立100 m×100 m的大樣地,在大樣地中,沿對角線方向,設(shè)置3個5 m×5 m灌木樣方,并設(shè)3個1 m×1 m草地樣方。

2.2 樣地植被蓋度和生物量測定

基于樣方格網(wǎng)數(shù)、目測估計法等,記錄草本層蓋度、物種名稱和物種數(shù)量,采用收獲法收獲草本層樣方地上生物量,帶回實驗室在85 ℃條件下烘干稱重。

2.3 樣地土壤理化特性的測定

分別在每個小樣方旁挖取1個土壤剖面,共3個。土壤剖面盡量避免因地形等因素導致的土壤變異。按0～3、>3～10、>10～20和>20～30 cm分層,在中間及兩側(cè)部位柱狀采樣,四分法棄掉多余土樣。用于土壤質(zhì)量含水量測定的樣品用鋁盒收集,并現(xiàn)場稱量鮮重,用于土壤pH值、有機碳含量、養(yǎng)分元素含量及電導率測定的樣品用布袋收集。

鋁盒樣品在實驗室內(nèi)于105 ℃條件下烘干至恒重,測定土壤質(zhì)量含水量。布袋樣品風干后研磨并過0.45 mm孔徑篩,測定土壤理化性狀。測定方法參照文獻[23]進行,土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法;全氮含量測定采用凱氏法(意大利產(chǎn)DK6,UDK140分析儀);全磷含量測定采用高氯酸/硫酸硝化-鉬銻抗比色法(日產(chǎn)UV-1601分光光度計)。土壤pH值以1∶1水土質(zhì)量比懸液,用德國產(chǎn)Multiline F/SET23分析儀測定。

采用Excel 10.0和SPSS 16.0等軟件對上述數(shù)據(jù)進行樣地間、土壤層次間差異顯著性檢驗以及各指標間相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 樣地植被概況

各植被類型樣地概況見表1。除SX樣地外,其他樣地植被類型都經(jīng)歷10 a的種植或發(fā)展時間,且土壤類型主要為風沙土,SX樣地植被為人工種植5 a,土壤類型為沙質(zhì)栗鈣土。各樣地草本層蓋度由大到小依次為SX、CD、NT和HL,草本層生物量以SX和CD樣地為較高(表1)。

表1 各植被類型樣地概況

Table 1 General information of the plots

樣地種類群落類型建群種草本層優(yōu)勢種草本層蓋度/%草本層生物量/(g·m-2)植被種植年限/a樣地原生土壤類型位置SX喬木山杏羊草、冰草、尖葉胡枝子5504635沙質(zhì)栗鈣土大寶治沙園NT灌木檸條錦雞兒羊草、冰草33339710風沙土總理治沙園HL灌木黃柳黃囊苔、褐沙蒿25018410風沙土總理治沙園CD草地羊草羊草、冰草、黃囊苔40046110風沙土大寶治沙園

3.2 土壤質(zhì)量含水量及土壤pH值

各樣地土壤質(zhì)量含水量見圖1。SX和CD樣地土壤質(zhì)量含水量隨深度的增加而顯著下降(P<0.05),NT和HL樣地卻表現(xiàn)為下層含水量高。SX和CD樣地土壤質(zhì)量含水量顯著高于NT和HL樣地(P<0.05),SX和CD樣地4層土壤質(zhì)量含水量平均值分別為8.4%和5.3%,而NT和HL樣地僅分別為2.8%和2.3%。

英文大寫字母不同表示同一土層不同樣地間土壤質(zhì)量含水量差異顯著 (P<0.05),英文小寫字母不同表示同一樣地不同土層間差異顯著(P<0.05)。圖1 樣地土壤質(zhì)量含水量Fig.1 Soil water content in the plots

各樣地土壤pH值變化見圖2。SX、NT和CD樣地土壤pH值表現(xiàn)為隨深度的增加而輕微增大的趨勢,而HL樣地則總體上呈現(xiàn)下降特征。總體上,4層土壤pH值平均值變化在6.9～7.0之間,各層間差異甚微。SX樣地pH值略偏高,4層土壤的平均值為7.1,其他樣地基本相當,處于6.9～7.0之間。各樣地及各層次之間土壤pH值差異均未達顯著水平(P>0.05)。

英文大寫字母不同表示同一土層不同樣地間土壤pH值差異顯著 (P<0.05),英文小寫字母不同表示同一樣地不同土層間差異顯著(P<0.05)。圖2 樣地土壤pH值Fig.2 Soil pH of the plots

3.3 土壤電導率

各樣地土壤電導率特征見圖3。總體上,表層(0～3 cm)土壤電導率顯著高于下層(P<0.05),SX樣地表層土壤電導率達58.0 μS·cm-1,NT、HL和CD樣地分別為23.8、15.6和29.9 μS·cm-1。SX樣地土壤電導率顯著高于其他樣地,而HL樣地顯著低于其他樣地(P<0.05)。各樣地4層土壤電導率平均值由大到小依次為SX、CD、NT和HL,其值分別為41.4、20.9、17.9和11.6 μS·cm-1。

英文大寫字母不同表示同一土層不同樣地間土壤電導率差異顯著 (P<0.05),英文小寫字母不同表示同一樣地不同土層間差異顯著(P<0.05)。圖3 樣地土壤電導率Fig.3 Soil EC of the plots

3.4 土壤有機碳含量

各樣地土壤有機碳含量特征見圖4。樣地有機碳含量隨深度增加而持續(xù)下降,土壤表層(0～3 cm)有機碳含量顯著高于其他土層(P<0.05),SX、CD、NT和HL樣地表層土壤有機碳含量分別為21.3、11.0、7.3和2.0 g·kg-1。SX和CD樣地土壤有機碳含量顯著高于其他樣地(P<0.05),4層平均值分別為9.2和5.4 g·kg-1,其后依次為NT和HL樣地,分別為3.9和0.9 g·kg-1。

英文大寫字母不同表示同一土層不同樣地間土壤有機碳含量差異顯著 (P<0.05),英文小寫字母不同表示同一樣地不同土層間差異顯著(P<0.05)。圖4 樣地土壤有機碳含量Fig.4 Content of SOC in the plots

3.5 土壤全氮含量

各樣地土壤全氮含量特征見圖5。土壤全氮含量特征與有機碳含量高度一致?？傮w上,土壤全氮含量隨土層深度的增加而顯著下降,大體上0～3和>3～10 cm土層顯著高于下層(P<0.05)。SX、CD、NT和HL樣地土壤表層(0～3 cm)全氮含量分別為1.9、1.3、1.0和0.2 g·kg-1。SX樣地土壤全氮含量顯著高于其他樣地,而HL樣地顯著低于其他樣地(P<0.05),SX、CD、NT和HL樣地4層土壤全氮含量平均值分別為1.3、0.7、0.6和0.1 g·kg-1。

英文大寫字母不同表示同一土層不同樣地間土壤全氮含量差異顯著 (P<0.05),英文小寫字母不同表示同一樣地不同土層間差異顯著(P<0.05)。圖5 樣地土壤全氮含量特征Fig.5 Content of soil total N in the plots

3.6 土壤全磷含量

各樣地土壤全磷含量特征見圖6。土壤全磷含量特征與前述有機碳、全氮含量表現(xiàn)出較為一致的規(guī)律。隨土層深度的增加,各樣地全磷含量明顯下降。SX、CD、NT和HL樣地土壤表層全磷含量分別為0.50、0.37、0.17和0.07 g·kg-1。各樣地4層土壤全磷含量平均值以SX、CD樣地為較高,分別為0.26和0.19 g·kg-1,NT和HL樣地分別為0.12和0.05 g·kg-1。

英文大寫字母不同表示同一土層不同樣地間土壤全磷含量差異顯著 (P<0.05),英文小寫字母不同表示同一樣地不同土層間差異顯著(P<0.05)。圖6 樣地土壤全磷含量特征Fig.6 Content of soil total P in the plots

3.7 土壤細黏粒含量

各樣地土壤細黏粒(粒徑<20 μm)含量特征見圖7。SX和NT樣地均表現(xiàn)為>3～10 cm土層細黏粒含量最低而再往下層相對較高的特征,且差異顯著(P<0.05),CD樣地土壤細黏粒含量大致表現(xiàn)為隨深度增加而下降的特征。SX樣地土壤細黏粒含量顯著高于其他樣地(P<0.05),而HL樣地顯著低于其他樣地(P<0.05),各樣地4層土壤細黏粒含量平均值由大到小依次為SX、CD、NT和HL,分別為26.5%、10.8%、10.4%和6.5%。

英文大寫字母不同表示同一土層不同樣地間土壤細黏粒含量差異顯著 (P<0.05),英文小寫字母不同表示同一樣地不同土層間差異顯著(P<0.05)。圖7 樣地土壤細黏粒含量Fig.7 Content of soil fine clay in the plots

3.8 各土層理化性狀相關(guān)性分析

3.8.1 0～3 cm土層相關(guān)性分析

0～3 cm土層各理化指標間的相關(guān)性見表2。有機碳含量與全氮含量、全磷含量、含水量及細黏粒含量之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤全氮含量與全磷含量、含水量、細黏粒含量之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

pH值與各養(yǎng)分元素含量雖然未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性,但存在一定的負向影響效應。土壤電導率對全磷含量具有顯著正相關(guān)效應(P<0.05)。含水量與細黏粒含量、有機碳含量、全氮含量、全磷含量之間呈顯著或極顯著相關(guān)性(P<0.05或P<0.01)。土壤細黏粒含量幾乎對所有指標具有顯著或極顯著正相關(guān)效應(P<0.05或P<0.01)。

表2 0～3 cm土層各理化指標間的相關(guān)系數(shù)

Table 2 Correlation coefficients between various physical and chemical indices in the 0-3 cm soil layer in Duolun

指標有機碳含量 全氮 含量 全磷 含量 pH值 電導率 含水量 全氮含量0990??全磷含量0866?? 0886??pH值-0005-0061 -0327電導率043405190643? -0267含水量0737??0744??0651?0024 0448細黏粒含量0822??0872??0792??-03530664? 0630?

*和**分別表示顯著相關(guān)(P<0.05)和極顯著相關(guān)(P<0.01)。

3.8.2 >3～10 cm土層相關(guān)性分析

>3～10 cm土層各理化指標間的相關(guān)性見表3。有機碳含量與全氮含量、全磷含量、含水量和細黏粒含量之間呈極顯著正相關(guān)效應(P<0.01)。土壤全氮含量與全磷含量、含水量、細黏粒含量之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤全磷含量與含水量、細黏粒含量間呈顯著或極顯著相關(guān)(P<0.05或P<0.01)。土壤含水量和細黏粒含量對有機碳含量、全氮含量、全磷含量具有顯著或極顯著正相關(guān)效應(P<0.05或P<0.01)。

表3 >3～10 cm土層各理化指標間的相關(guān)系數(shù)

Table 3 Correlation coefficients between various physical and chemical indices in the >3-10 cm soil layer in Duolun

指標有機碳 含量 全氮含量 全磷 含量 pH值 電導率 含水量全氮含量0978??全磷含量0856?? 0914??pH值-0058-0176-0418電導率053205190308 0365含水量0749??0798??0709?-02480601細黏粒含量0741??0816??0774??-00560744??0827??

*和**分別表示顯著相關(guān)(P<0.05)和極顯著相關(guān)(P<0.01)。

3.8.3 >10～20 cm土層相關(guān)性分析

土壤>10～20 cm土層各理化指標的相關(guān)性見表4。有機碳含量同樣與全氮含量、全磷含量、細黏粒含量存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)。此外,土壤細黏粒含量與有機碳含量、全氮含量、全磷含量等呈極顯著正相關(guān)效應(P<0.01)。

表4 >10～20 cm土層各土壤理化指標間的相關(guān)系數(shù)

Table 4 Correlation coefficients between various physical and chemical indices in the >10-20 cm soil layer in Duolun

指標有機碳 含量 全氮含量 全磷 含量 pH值 電導率 含水量全氮含量0993??全磷含量0957?? 0968??pH值-0237-0286-0241電導率-0207-0202-0244 -0011含水量034503210332-0112 -0102細黏粒含量0944??0950??0951??-0322-0243 0270

**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

3.8.4 >20～30 cm土層相關(guān)性分析

>20～30 cm土層各理化指標間的相關(guān)性見表5。

表5 >20～30 cm各土壤理化指標間的相關(guān)系數(shù)

Table 5 Correlation coefficients between various physical and chemical indices in the >20-30 cm soil layer in Duolun

指標有機碳含量 全氮 含量 全磷 含量 pH值 電導率 含水量全氮含量0547全磷含量0816?? 0879??pH值00660343 0166電導率01190751??0512 0717?含水量00850722?04950712? 0805??細黏粒含量04340899??0802??00100571 0482

*和**分別表示顯著相關(guān)(P<0.05)和極顯著相關(guān)(P<0.01)。

有機碳含量與全氮含量、細黏粒含量、含水量等之間不再具有顯著相關(guān)性,但全氮含量與全磷含量、電導率、含水量、細黏粒含量之間仍存在顯著或極顯著相關(guān)性(P<0.05或P<0.01)。土壤細黏粒含量對該層土壤全氮、全磷含量仍存在極顯著正相關(guān)效應(P<0.01)。

4 討論

4.1 樣地有機碳含量特征

土壤有機碳含量和全氮含量一定程度上能反映土壤養(yǎng)分含量特征,也能表征沙漠地上植被的發(fā)展程度。有關(guān)土壤剖面有機碳含量的相關(guān)研究結(jié)果均表現(xiàn)出表聚性特點[9,17,24],筆者研究得到與此類似的結(jié)果,各樣地表層(0～3 cm)土壤有機碳含量均顯著高于其他土層(圖4)。表層土壤有機碳含量較高的原因也較多,一般認為地面植被凋落物的歸還作用占主導地位,這也可能是用以解釋筆者研究結(jié)果的更為直接的因素。

SX樣地有機碳含量顯著高于其他樣地,CD樣地也明顯高于NT和HL樣地(圖4)。分析其原因,一方面,SX樣地處于多倫縣大寶治沙園內(nèi)的緩坡處,相對于其他樣地,該樣地土壤質(zhì)地偏沙質(zhì)栗鈣土,沙化程度相對較低,逆沙漠化程度較高,具有相對較高的土壤細黏粒含量(圖7);另一方面,該樣地在人工種植山杏之前,草本植被群落就已形成,在山杏人工種植5 a后,仍然保持了最高的地表草本層蓋度和生物量(表1),可見,自然土壤的屬性特征以及地表植被的分布狀況共同決定了SX樣地有機碳含量最高的特征。此外,其他3個樣地土壤質(zhì)地均為風沙土,但CD樣地有機碳含量相對較高,HL樣地最低,形成與其地表草本層蓋度及生物量同步變化的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),NT和HL樣地地表多為裸露的沙質(zhì)土壤,其有機碳含量也相對較低(圖4)。筆者研究顯示地表植被狀況對土壤有機碳含量具有顯著影響。

4.2 土壤全氮含量、全磷含量、含水量及其對有機碳含量的影響

筆者研究中,土壤全氮含量總體特征與有機碳含量基本一致,SX、CD樣地在氮素的蓄積方面較NT和HL樣地更見成效(圖5)。研究發(fā)現(xiàn),土壤全氮含量、全磷含量與有機碳含量之間存在極顯著相關(guān)性(P<0.01,表2～4),可見,土壤養(yǎng)分之間存在顯著的相互促進作用。相關(guān)研究也表明有機質(zhì)的積累和礦化會直接影響土壤氮、磷含量的變化[25]。

上述現(xiàn)象一方面可能仍然與地表草本層蓋度、生物量有關(guān),另一方面也可能受到土壤含水量的影響(圖1)。筆者研究中,0～3和>3～10 cm土層含水量與土壤養(yǎng)分元素含量間均呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05或P<0.01,表2～3)?？梢?沙地土壤含水量狀況也是影響其養(yǎng)分蓄積的一個重要因素。在受風沙影響的生態(tài)系統(tǒng)中,土壤水分條件是生態(tài)系統(tǒng)演替的重要制約因子。適宜的土壤水分可以促進地上植被生產(chǎn)力,增加土壤有機質(zhì)的輸入[26]。筆者研究中,喬-草、灌-草和對照的天然草地生態(tài)系統(tǒng)中地表植被對土壤水分的保持與利用效果不同(圖1),可能是形成地表植被生物量、蓋度差異的直接因素(表1)。此外,過低的土壤水分也會影響土壤有機質(zhì)的礦化分解[27],進而導致有機碳含量偏低。研究還顯示土壤水分通過影響土壤氮、磷元素的有效性,進而影響有機碳的積存[28],筆者研究也顯示土壤含水量與全氮、全磷含量呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05或P<0.01,表2～3)。由此可見,筆者研究中有機碳含量受到土壤含水量的強烈影響。

4.3 土壤細黏粒含量、含水量及土壤養(yǎng)分特征

土壤顆粒組成與土壤養(yǎng)分元素之間存在密切聯(lián)系[10]。筆者研究中土壤細黏粒含量以SX樣地為最高,其次是CD樣地,HL樣地最低(圖7)。特別地,土壤細黏粒含量與多數(shù)土壤養(yǎng)分指標間存在顯著相關(guān)性(表2～5)?？梢?土壤細黏粒含量顯著促進土壤養(yǎng)分的積存(兩者相互促進,并非一方影響另一方),朱志梅等[29]對多倫縣的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)土壤細顆粒物多,有機質(zhì)含量就高。

土壤細黏粒含量也是表征沙漠化逆轉(zhuǎn)程度的重要指標。筆者研究中,CD樣地是園區(qū)內(nèi)草本植被自然發(fā)展形成的,其土壤細黏粒含量相對較高,而屬性偏向沙質(zhì)栗鈣土的SX樣地則最高(圖7),可見SX、CD樣地土壤逆沙漠化特征顯著高于HL樣地,一定程度上也高于NT樣地。因此,若綜合有機碳含量和細黏粒含量這2個表征土壤逆沙漠化進程的重要指標而言(圖4、圖7),對于經(jīng)歷了相同發(fā)展時間的NT、HL和CD樣地群落而言,在沙地修復效應方面CD樣地植被顯著優(yōu)于NT和HL樣地,而HL樣地植被修復效果最差。

5 結(jié)論與建議

近年來,當?shù)卦谏车刂卫?、退耕還林等生態(tài)工程中大量種植山杏,實質(zhì)上山杏更多地適合種植在當?shù)氐姆秋L沙土區(qū)域,諸如沙質(zhì)栗鈣土地段等,由此也更能形成地上植被與土壤的協(xié)同發(fā)展。

灌木物種中,檸條錦雞兒、黃柳等在當?shù)厣车鼗謴椭幸驳玫酱罅客茝V種植,而這些物種對土壤水分、養(yǎng)分的積存等方面均處于相對較低水平,特別是黃柳,因此,應該受到政府決策部門的重新審視。

筆者研究中,自然發(fā)展的草地群落對土壤理化性狀的促進方面具有相對良好的綜合性表現(xiàn)。實質(zhì)上,自然草地是多倫縣農(nóng)-牧交錯區(qū)內(nèi)的地帶性植被類型,也是最適合當?shù)貧夂驐l件的天然生態(tài)群落,在維持和發(fā)展當?shù)剞r(nóng)-牧交錯區(qū)的經(jīng)濟方面起著重要作用,因此,著力保護好這些生態(tài)功能強、資源價值高的自然草地生態(tài)系統(tǒng),對該區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有更重要的現(xiàn)實意義。

致謝: 野外調(diào)查工作得到錫林浩特環(huán)境監(jiān)測站的大力支持,在此致以感謝!

[1] 曹成有,朱麗輝,蔣德明,等.科爾沁沙地不同人工植物群落對土壤養(yǎng)分和生物活性的影響[J].水土保持學報,2007,2l(1):168-171.[CAO Cheng-you,ZHU Li-hui,JIANG De-ming,etal.Effects of Artificial Sand-Fixation Communities on Soil Nutrients and Biological Properties in Horqin Sandy Land[J].Journal of Soil and Water Conservation,2007,2l(1):168-171.]

[2] 楊越,哈斯,孫保平,等.毛烏素沙地南緣不同植被恢復類型的土壤養(yǎng)分效應[J].中國農(nóng)學通報,2012,28(10):37-42.[YANG Yue,HA Si,SUN Bao-ping,etal.Effects of Different Vegetation Restoration Types on Soil Nutrlents in Southern Edge of Mu Us Sandy Land[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2012,28(10):37-42.]

[3] ZUO X A,ZHAO X Y,ZHAO H L,etal.Spatial Heterogeneity of Soil Properties and Vegetation-Soil Relationships Following Vegetation Restoration of Mobile Dunes in Horqin Sandy Land,Northern China[J].Plant and Soil,2009,318(1):153-167.

[4] ZUO X A,ZHAO X Y,Zhao H L,etal.Scale Dependent Effects of Environmental Factors on Vegetation Pattern and Composition in Horqin Sandy Land,Northern China[J].Geoderma,2012,173/174:1-9.

[5] MABBUTT J A.Desertification Indicators[J].Climatic Change,1986,9(1):113-122.

[6] LOBE I,AMELUNG W,PREEZ C C.Losses of Carbon and Nitrogen With Prolonged Arable Cropping From Sandy Soils of the South African Highveld[J].Europe Journal of Soil Sciences,2001,52(1):93-101.

[7] 文海燕,趙哈林,傅華.開墾和封育年限對退化沙質(zhì)草地土壤性狀的影響[J].草業(yè)學報,2005,14(1):31-37.[WEN Hai-yan,ZHAO Ha-lin,FU Hua.Effects of Years for Reclamation and Enclosure Years on Soil Properties of Degraded Sandy Grassland[J].Acta Prataculturae Sinica,2005,14(1):31-37.]

[8] 劉樹林,王濤,屈建軍.渾善達克沙地土地沙漠化過程中土壤粒度與養(yǎng)分變化研究[J].中國沙漠,2008,28(4):611-616.[LIU Shu-lin,WANG Tao,QU Jian-jun.Soil Characteristics Changes in Desertication Processes in Hunshandake Sandy Land,Northern China[J].Journal of Desert Research,2008,28(4):611-616.]

[9] 趙云杰,田赟,王曉,等.典型榆樹疏林碳氮儲量及其分配特征[J].中國水土保持科學,2014,12(6):82-89.[ZHAO Yun-jie,TIAN Yun,WANG Xiao,etal.Stock and Allocation of Carbon and Nitrogen in TypicalUlmuspumilaDominated Savanna in Inner Mongolia,China[J].Science of Soil and Water Conservation,2014,12(6):82-89.]

[10]烏云娜,裴浩,冉春秋,等.科爾沁沙地植被恢復演替過程中群落結(jié)構(gòu)及土壤理化性狀的變化[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2008,36(15):6471-6475.[WU Yun-na,PEI Hao,RAN Chun-qiu,etal.Change of Community Structure and Soil Physical and Chemical Property During Vegetation Restoration Succession in Kerqin Sandland[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences,2008,36(15):6471-6475.]

[11]CAO C Y,JIANG S Y,ZHANG Y,etal.Spatial Variability of Soil Nutrients and Microbiological Properties After the Establishment of Leguminous ShrubCaraganamicrophyllaLam. Plantation on Sand Dune in the Horqin Sandy Land of Northeast China[J].Ecological Engineering,2011,37(10):1467-1475.

[12]蔣德明,苗仁輝,押田敏雄,等.封育對科爾沁沙地植被恢復和土壤特性的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報,2013,22(1):40-46.[JIANG De-ming,MIAO Ren-hui,TOSHIO Oshida,etal.Effects of Fence Enclosure on Vegetation Restoration and Soil Properties in Horqin Sandy Land[J].Ecology and Environmental Sciences,2013,22(1):40-46.]

[13]ZHANG Y,CAO C Y,HAN X S,etal.Soil Nutrient and Microbiological Property Recoveries Via Native Shrub and Semi-Shrub Plantations on Moving Sand Dunes in Northeast China[J].Ecological Engineering,2013,53(3):1-5.

[14]李曉蘭,相吉山,趙巖,等.科爾沁沙地小葉錦雞兒人工林治沙工程效果研究[J].哈爾濱師范大學自然科學學報,2015,31(5):91-95.[LI Xiao-lan,XIANG Ji-shan,ZHAO Yan,etal.Effect on Sandy Land Engineering ofCaraganamicrophyllaArtificial Forest in Horqin Sandy Land[J].Natural Science Journal of Harbin Normal University,2015,31(5):91-95.]

[15]趙哈林,周瑞蓮,趙學勇,等.呼倫貝爾沙質(zhì)草地土壤理化特性的沙漠化演變規(guī)律及機制[J].草業(yè)學報,2012,21(2):1-7.[ZHAO Ha-lin,ZHOU Rui-lian,ZHAO Xue-yong,etal.Desertification Mechanisms and Process of Soil Chemical and Physical Properties in Hulunbeir Sandy Grassland,Inner Mongolia[J] Acta Prataculturae Sinica,2012,21(2):1-7.]

[16]李剛,修偉明,王杰,等.不同植被恢復模式下呼倫貝爾沙地土壤反硝化細菌nirK基因組成結(jié)構(gòu)和多樣性研究[J].草業(yè)學報,2015,24(1):115-123.[LI Gang,XIU Wei-ming,WANG Jie,etal.Community Structure and Diversity of Soil Denitrifying Bacteria of thenirKGene Type Under Different Vegetation Restoration Patterns in the Hulunbeier Sandy Land,Inner Mongolia[J].Acta Prataculturae Sinica,2015,24(1):115-123.]

[17]栗忠飛,高吉喜,王亞萍.內(nèi)蒙古呼倫貝爾南部沙帶植被恢復進程中土壤理化特性變化[J].自然資源學報,2016,31(10):1739-1751.[LI Zhong-fei,GAO Ji-xi,WANG Ya-ping.Changes of Soil Physical and Chemical Properties With the Development of Artificial Planted and Natural Invaded Vegetation in Southern Hulunbeir Sandy Land[J].Journal of Natural Resources,2016,31(10):1739-1750.]

[18]李新榮,趙雨興,楊志忠,等.毛烏素沙地飛播植被與生境演變的研究[J].植物生態(tài)學報,1999,23(2):116-124.[LI Xin-rong,ZHAO Yu-xing,YANG Zhi-zhong,etal.Study on Evolution of Air-Seeding Vegetation and Habitat in Maowusu Sandland[J].Acta Phytoecologica Sinica,1999,23(2):116-124.]

[19]SCHLESINGER W H,REYNOLDS J F,CUNNINGHAM G L,etal.Biological Feedbacks in Global Desertification[J].Science,1990,247(4946):1043-1048.

[20]GROSS K L,PREGITZER K S,BURTON A J.Spatial Variation in Nitrogen Availability in Three Successional Plant Communities[J].Journal of Ecology,1995,83(3):357-367.

[21]王利兵,李鋼鐵,胡小龍,等.兩種不同人工林樹木個體生長規(guī)律的研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版),2007,28(1):46-50.[WANG Li-bing,LI Gang-tie,HU Xiao-long,etal.Study on the Growth Rules of Two Plantations[J].Journal of Inner Mongolia Agricultural University(Natural Science Edition),2007,28(1):46-50.]

[22]郭建英,余偉蒞,胡小龍,等.渾善達克沙地灌叢植被的生態(tài)學研究[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技,2005,31(4):5-8.[GUO Jian-ying,YU Wei-li,HU Xiao-long,etal.Ecological Research on Shrub Vegetation in Hunshandake Sandy Land[J].Inner Mongolia Forestry Science & Technology,2005,31(4):5-8.]

[23]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上?？茖W技術(shù)出版社,1978:1-593.[Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences.Soil Physical and Chemical Analysis[M].Shanghai:Shanghai Scientific & Technical Publishers,1978：1-593.]

[24]SCHUMAN G E,JANZEN H H,HERRICK J E.Soil Carbon Dynamics and Potential Carbon Sequestration by Rangelands[J].Environmental Pollution,2002,116(3):391-396.

[25]譚明亮,段爭虎,陳小紅.流沙地恢復過程中土壤特性演變研究[J].中國沙漠,2008,28(4):685-689.[TAN Ming-liang,DUAN Zheng-hu,CHEN Xiao-hong.Study on Soli Property Evolution in Recovery of Moving Sand Land[J].Journal of Desert Research,2008,28(4):685-689.]

[26]SALA O E,PARTON W J,JOYCE L A,etal.Primary Production of the Central Grassland Region of the United States[J].Ecology,1988,69(1):40-45.

[27]BOWDEN R D,NEWKIRK K M,RULLO G M.Carbon Dioxide and Methane Fluxes by a Forest Soil Under Laboratory-Controlled Moisture and Temperature Conditions[J].Soil Biology and Biochemistry,1998,30(12):1591-1597.

[28]RODRIGUEZ-ITURBEL I,D′ODORICO P,PORPORATO A,etal.On the Spatial and Temporal Links Between Vegetation,Climate,and Soil Moisture[J].Water Resources Research,1999,35(12):3709-3722.

[29]朱志梅,楊持,曹明明,等.多倫草原土壤理化性質(zhì)在沙漠化過程中的變化[J].水土保持通報,2007,27(1):1-5.[ZHU Zhi-mei,YANG Chi,CAO Ming-ming,etal.Change of Soil Physical and Chemical Properties in Sandy Desertification on the Duolun Prairie[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2007,27(1):1-5.]

(責任編輯： 李祥敏)

Effects of Vegetation Remedying Sandy Soil in Duolun County of Inner Mongolia.

LI Zhong-fei1,2, GAO Ji-xi2, LIU Hai-jiang3

(1.College of Environmental Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China;2.Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;3.China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China)

To explore effects of vegetation restoration on soil properties in sandy land, soil samples were collected, separately, from 4 plots of land underPrunussibirica(SX),Caraganakorshinskii(NT),Salixgordejevii(HL), and natural grasses (CD) in Duolun County in Inner Mongolia for analysis of soil physical and chemical properties, such as content of soil water, pH, EC, SOC, total N, total P. Results show: (1) SOC is always the highest in the surface layer, regardless of plots, reaching 21.3, 11.0, 7.3 and 2.0 g·kg-1in Plots SX, CD, NT and HL, respectively; (2) Total P, total N and SOC varied similarly in content; (3) The content of soil fine clay in Plot SX is the highest, reaching 26.5%, that in Plot CD, the second, being 10.8%, and that in Plot HL the least, being just 6.5%; (4) In the 0-10 cm soil layer, SOC is significantly or ultra-significantly related to TN, TP and soil water in content, and the content of fine clay is almost significantly related to all soil nutrient indices (P<0.05 orP<0.01). All the findings in this research demonstrate that, large-scale cultivation ofSalixgordejeviiin recent years is not ideal in improving physical and chemical properties of the sandy soil in the studied region, however, naturally developed grasslands have much better effect. Therefore, it is wise to pay more attention to protection of natural grasslands, when trying to control desertification by revegetation.

sandy restoration; soil physicochemical property; species selection; Duolun County

2016-09-26

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(201209027);國家自然科學基金(31360122)

Q14

A

1673-4831(2017)01-0015-08

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.01.003

栗忠飛(1976—),男,內(nèi)蒙古烏海人,副教授,博士,主要從事環(huán)境生態(tài)學研究。E-mail: lizhongfei@sohu.com

① 通信作者E-mail: gjx@nies.org