卞瑩瑩， 陳 林， 王建明， 柳博文， 王家銳

(1. 寧夏大學農(nóng)學院， 寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏大學西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室， 寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學西部生態(tài)與生物資源開發(fā)聯(lián)合研究中心, 寧夏 銀川 750021)

荒漠草原是寧夏地區(qū)面積最大的天然草地類型，約占全區(qū)草地總面積的55%，由于其處于草原向荒漠的過渡區(qū)域，是干旱半干旱的農(nóng)牧交錯區(qū)，因此受到干旱氣候和人為活動的雙重影響，該區(qū)域?qū)夂蜃兓瘶O為敏感，草地沙化、土壤退化問題十分嚴重[1-4]。2003年，寧夏全面實施退耕還草、草地圍封禁牧和休牧，具體措施有退化草地圍封和補播、灌叢引入等[5]。據(jù)統(tǒng)計，目前寧夏種植的天然檸條林和人工種植檸條林的面積為44.59萬hm2，生物量高達77.03萬t，人工檸條林面積占總林木面積的60%[6]。為了提高檸條林地的生產(chǎn)力，在其生長一定年限后必須進行平茬撫育，以防止其出現(xiàn)嚴重的木質(zhì)化現(xiàn)象[7]。土壤理化性質(zhì)對植被恢復具有重要作用[8]，研究結(jié)果表明平茬措施對檸條生理特征的影響因其生長發(fā)育階段而異[9]，檸條地上部分枝條去除后具有一定的生殖補償能力[10]，可大幅度提高檸條根系的生長[11]，平茬檸條林地土壤容重和pH降低，土壤養(yǎng)分含量有效提高[12]，此外，平茬林地降雨損耗率明顯高于未平茬林地[13]。然而，這些研究多集中在半干旱黃土丘陵區(qū)，有關(guān)檸條平茬的研究報道在寧夏荒漠草原區(qū)，僅見平茬對人工檸條林間生境及檸條營養(yǎng)成分的影響[14-15]。

本研究以2011年種植，2014年平茬的人工檸條林地為研究對象，以同年種植的未平茬人工檸條林地為對照，分析平茬前后土壤機械組成、土壤養(yǎng)分、水分、pH值的變化特征及土壤機械組成與土壤因子之間的相關(guān)性，以期揭示實施平茬措施后檸條人工林土壤性質(zhì)的演變特征，對于在荒漠草原科學種植人工檸條林具有重要的理論與實踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)鹽池縣花馬池鎮(zhèn)四墩子行政村(37°04'～38°10' N，106°30'～107°47' E)，位于毛烏素沙地西南緣，是黃土高原向鄂爾多斯臺地過渡地帶。該區(qū)域海拔在1 380～1 600 m，年平均氣溫7.7℃，≥10℃的年積溫為2 949.9℃·d，年均無霜期162 d左右，年降水量289.4 mm，主要集中在7—9月，年蒸發(fā)量2 131.8 mm，是典型大陸型氣候。研究區(qū)內(nèi)的主要土壤類型為干旱土，部分區(qū)域的土壤pH值超過9.0，土壤礦化度較高。該區(qū)域植物群落結(jié)構(gòu)簡單，主要以草本和小灌木為主，屬荒漠草原，主要植被有牛枝子(Lespedezapotaninii)、老瓜頭(Cynanchumkomarovii)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冰草(Agropyroncristatum)、針茅(Stipacapillata)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、貓頭刺(Oxytropisaciphylla)和中間錦雞兒(Caraganaintermedia)等。

1.2 試驗設(shè)計

2017年9月上旬，在研究區(qū)選擇相鄰的、立地條件基本相同的帶間距為6 m，林齡為6 a的人工檸條林地為研究對象，分別建立面積為150 m×150 m的平茬人工檸條樣地(PACI)和未平茬人工檸條樣地(ACI，2014年平茬)，樣地基本特征如表1所示。將每個樣地劃分為 30 m×30 m的網(wǎng)格，在每一網(wǎng)格內(nèi)選取檸條灌叢1叢，共選擇灌叢50 叢，分別在已選好的檸條灌叢下和行帶間(距離檸條灌叢3 m處)，用土鉆按 0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～40 cm不同土層取樣。研究區(qū)降水數(shù)據(jù)來自區(qū)域內(nèi)設(shè)置的自動氣象站。

1.3 研究方法

1.3.1土樣采集 分別在已選好的檸條灌叢下和行帶間(距離灌叢下3 m處)，采用剖面法按 0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～40 cm土層取樣，各土層 3個重復，分層取樣后相同層均勻混合，共取120個土樣。所有土樣挑去活體根系，密封后帶回實驗室內(nèi)，仔細除去其中可見植物殘體及土壤動物，過60目篩，供室內(nèi)分析使用，用于pH、有機碳、全氮等理化性質(zhì)的測定(表1)。

表1 人工檸條林樣地基本特征Table 1 Description of investigated plots

1.3.2土壤理化指標的測定 土壤有機碳(organic carbon，OC)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[16]；土壤全氮(total nitrogen，TN)采用元素分析儀(Elementar Vario MACRO)測定；土壤pH采用蒸餾水(土水比1∶2.5，W/V)浸提15 min，用Mettler To-ledo 320pH計測定；堿解氮(Available nitrogen，Available N)采用堿解擴散法測定，有效鉀(available potassium，Available K)采用乙酸銨提取法，速效磷(available phosphorus，Available P)測定采用0.5 mol·L-1NaHCO3法測定[16]；土壤機械組采用激光粒度分析儀(Mastersizer 3000)測定，土壤粒徑分級采用《國際制土壤顆粒分級標準》。每個指標重復測定3次，結(jié)果取平均值。

1.3.3土壤質(zhì)量含水率測定 土壤質(zhì)量含水率測定采用烘干法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析和作圖采用Microsoft Excel 2007軟件，方差分析及相關(guān)性分析采用SPSS 22.0軟件進行。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差法(Least-significant difference，LSD)對數(shù)據(jù)進行檢驗，用Pearson相關(guān)系數(shù)判定數(shù)據(jù)的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工檸條林地土壤機械組成

如表2所示，0～5 cm土層ACI、PACI灌叢下和行帶間的土壤機械組成差異顯著(P<0.05)，其中砂粒和粘粒含量差異極顯著(P<0.01)；PACI灌叢下和行帶間土壤砂粒含量無差別；ACI灌叢下和PACI灌叢下土壤粉粒含量無差別，ACI行帶間與PACI灌叢下土壤粘粒含量無差別。5～10 cm土層，ACI、PACI灌叢下和行帶間的土壤機械組成差異顯著(P<0.05)，其中土壤粉粒含量差異極顯著(P<0.01)；ACI灌叢下和PACI灌叢下土壤粉粒、粘粒含量有差異，ACI行帶間和PACI行帶間土壤粉粒、粘粒含量有差異。10～20 cm土層，ACI、PACI灌叢下和行帶間的土壤機械組成差異極顯著(P<0.01)；ACI灌叢下和PACI灌叢下土壤砂粒、粉粒、粘粒含量有差異，ACI行帶間和PACI行帶間砂粒、粉粒、粘粒含量有差異。

2.2 人工檸條林地土壤pH值

ACI和PACI檸條灌叢下和行帶間各土層土壤pH值無顯著差異(P>0.05)。與ACI相比，PACI0～40 cm土層，灌叢下土壤平均pH值降低，行帶間土壤pH值升高(表3)。

表2 未平茬檸條灌叢與平茬檸條灌叢的土壤機械組成Table2 Soil texture of Caragana Intermidia bush before and after prune measure

注：同列不同小寫字母表示差異顯著：*表示不同處理間差異顯著(P<0.05)；**表示不同處理間差異極顯著(P<0.01)

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 levels

表3 未平茬人工檸條林地與平茬人工檸條林地的土壤pH值Table 3 Soil pH of artificial Caragana Intermidia bush before and after prune measure

2.3 人工檸條林地土壤養(yǎng)分

如圖1所示，0～5 cm土層，ACI灌叢下和行帶間土壤養(yǎng)分含量高于PACI；ACI與PACI檸條灌叢下和行帶間土壤有機碳、有效磷和速效鉀含量有顯著差異(P<0.01)，全氮、堿解氮含量無差異(P>0.05),5～10 cm土層，ACI與PACI檸條灌叢下和行帶間土壤全氮、堿解氮、有效磷含量有顯著差異(P<0.01)，有機碳、速效鉀含量無差異(P>0.05)；PACI灌叢下土壤養(yǎng)分含量高于ACI，PACI行帶間全氮、有機碳和速效鉀含量高于ACI，堿解氮和有效磷含量低于ACI,10～20 cm土層，ACI與PACI檸條灌叢下和行帶間土壤全氮、有機碳、堿解氮和有效磷含量有顯著差異(P<0.01)，速效鉀含量無差異(P=0.551)；PACI灌叢下土壤養(yǎng)分含量高于ACI，PACI行帶間土壤全氮、有機碳和速效鉀含量低于ACI，堿解氮和有效磷高于ACI,20～40 cm土層，ACI與PACI檸條灌叢下和行帶間土壤全氮、堿解氮和速效鉀含量有顯著差異(P<0.01)，有機碳、有效磷含量無差異(P>0.05)；PACI灌叢下和行帶間土壤全氮、有機碳、堿解氮、有效磷和速效鉀含量高于ACI，PACI行帶間土壤速效林含量高于ACI。

圖1 人工檸條林地不同土層土壤養(yǎng)分含量變化Fig.1 Soil nutrient content changes of different soil layers in artificial Caragana Intermedia forest

2.4 土壤水分

研究區(qū)降雨量從2018年4月開始逐月升高，8月份最高，為14.83 mm，8月后降雨量逐漸下降。ACI與PACI土壤平均含水量與降雨量的變化趨勢相同。ACI和PACI灌叢下和行帶間土壤0～40 cm土壤水分有顯著差異(P=0.04)；PACI灌叢下和行帶間土壤質(zhì)量含水量均高于ACI,5～10 cm,10～20 cm和20～40 cm土層，PACI灌叢下土壤質(zhì)量含水率高于ACI灌叢下。ACI行帶間土壤質(zhì)量含水率表現(xiàn)為表層最高后隨土層的增加而降低。PACI行帶間土壤體積含水率隨土層的增加而逐漸降低(圖2)。

2.5 土壤顆粒組成與土壤因子之間的相關(guān)性

如表4所示，ACI灌叢下土壤堿解氮、有效磷、水分與粉粒含量有極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。ACI地行帶間土壤全氮、有機碳含量與土壤砂粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤有效磷含量與土壤粘粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，水分與粉粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。PACI灌叢下土壤水分與砂粒顯著正相關(guān)(P<0.05)，與粉粒含量顯著負相關(guān)(P<0.05)，土壤速效鉀含量與粘粒含量顯著負相關(guān)(P<0.05)。PACI行帶間土壤有機碳與砂粒含量顯著負相關(guān)(P<0.05)與粘粒含量顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖2 人工檸條林地土壤質(zhì)量含水率隨土層變化Fig.2 Soil water content changes with soil layer in artificial Caragana Intermedia forest

表4 人工檸條林地土壤機械組成與土壤因子間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between soil texture and soil factors in artificial Caragana Intermedia forest

土壤因子Soil factor0～40cm土層不同粒徑組成Different particle sizes of 0～40cm soil layer砂粒Sand content0.05～2 mm/%粉粒Silt content0.01～0.05 mm/%粘粒Clay content<0.01 mm/%未平茬人工檸條灌叢下全氮TN-0.040.54-0.03Under the artificial Caragana Intermedia bushes有機碳OC-0.250.510.21堿解氮Available N0.120.74**0.13有效磷Available P0.360.80**-0.14速效鉀Available K-0.39-0.310.39pH值pH0.270.27-0.12土壤水分Water0.170.78**0.02未平茬人工檸條行帶間全氮TN-0.80**0.480.04Between the rows of artificial Caragana 有機碳OC-0.88**0.460.14Intermedia bushes堿解氮Available N0.21-0.210.46有效磷Available P0.230.080.73**速效鉀Available K-0.10-0.040.08pH值pH0.08-0.170.02土壤水分Water0.32-0.70*-0.38平茬人工檸條灌叢下全氮TN-0.400.310.31Under the pruned artificial Caragana有機碳OC-0.110.19-0.19Intermedia bushes堿解氮Available N0.21-0.14-0.56有效磷Available P0.30-0.16-0.44速效鉀Available K0.36-0.17-0.61*pH值pH0.26-0.23-0.24土壤水分Water0.68*-0.64*-0.36平茬人工檸條行帶間全氮TN-0.30-0.380.49Between the rows of artificial pruned Caragana 有機碳OC-0.73**-0.180.79**Intermedia bushes堿解氮Available N0.050.050.25有效磷Available P-0.09-0.080.46速效鉀Available K0.060.23-0.15pH值pH0.09-0.06-0.07土壤水分Water0.290.11-0.08

注：*表示不同處理間差異顯著(P<0.05)；**表示不同處理間差異極顯著(P<0.01)

Note:*indicate significant differences at the 0.05 level;**indicate significant differences at the 0.01 level

3 討論

3.1 平茬對人工檸條林地土壤機械組成的影響

種植人工檸條林使得土壤粗沙粒含量顯著下降，土壤極細沙粒和粘粉粒含量增加，改善土壤質(zhì)地，促進荒漠草原區(qū)植被恢復和土壤改善，且顯著影響土壤性質(zhì)的演變過程[17-19]；行帶式灌叢內(nèi)0.5 m高度處的防風效果最好，同風速下輸沙率隨著高度的增加而減小[20]，本研究中PACI檸條灌叢株高為65.5±3.03 cm，接近50 cm，可以有效減弱風蝕，使大量的風積物質(zhì)沉降在土壤表層，促進檸條林地土壤表層發(fā)育，使檸條灌叢下土壤砂粒含量明顯減少，粉、粘粒含量明顯增加，這與前人的研究結(jié)果相吻合[17,21-22]。

3.2 平茬對人工檸條林地土壤養(yǎng)分的影響

隨著檸條的生長表現(xiàn)出植被恢復對土壤養(yǎng)分的表聚作用，“灌叢肥島”效應(yīng)不同程度的發(fā)生[23-24]，PACI和ACI灌叢下土壤粉粒、黏粒含量與土壤全氮、有機碳含量間的呈正相關(guān)關(guān)系，平茬人工檸條灌叢下土壤有機碳、全氮含量高于未平茬人工檸條灌叢下，可能是由于隨著檸條林的生長發(fā)育過程中，檸條灌叢冠幅、高度、分枝數(shù)的增加，使枯落物得數(shù)量增加，在土壤中動物和微生物的作用下，在天然表層形成的灰褐色結(jié)皮[19]，經(jīng)過長時間的腐殖質(zhì)化過程，土壤養(yǎng)分養(yǎng)分狀況得到改善[25]。土壤有效磷、速效鉀、堿解氮含量在平茬與未平茬檸條灌叢下無顯著差異性，說明實施平茬措施與否對于這些指標的影響不大，原因還需要進一步研究。

3.3 平茬對人工檸條林地土壤水分含量的影響

人工檸條林地土壤水分含量同降雨量趨勢相同，表明降水對植物的生長和發(fā)育影響顯著[2]。本研究中平茬人工檸條林土壤含水量高于ACI，此結(jié)果與李耀林、楊永生等人的研究結(jié)果不同，甚至相反[9,13]，這可能是由于平茬措施使檸條地上組織受到很大破壞，地上葉面積大幅減少，進而導致根系生物量的減少，植物通過根系吸收土壤水分和養(yǎng)分的能力減弱的原因[26-27]。

3.4 平茬對人工檸條林地土壤pH、容重的影響

平茬人工檸條林灌叢下土壤pH值和容重下降，這與前人的研究結(jié)果一致[13]。有可能是由于平茬后檸條根系有機酸的分泌的增加以及和微生物的相互作用導致土壤pH下降[18,28]。

4 結(jié)論

平茬措施對荒漠草原區(qū)人工檸條林地土壤理化性質(zhì)的改變產(chǎn)生積極的影響，平茬措施可以有效改善荒漠草原區(qū)人工檸條林地的土壤質(zhì)地，使土壤pH值和容重下降，砂粒含量減少，粉、粘粒含量增加；平茬措施增加了人工檸條林地土壤表層有機碳和全氮的含量，增加了人工檸條林地0～40 cm土層土壤的水分含量，減少了人工檸條林的耗水量。