邱進(jìn)雄，劉德誠，楊曉寶

（1.民勤縣麟權(quán)生態(tài)種業(yè)有限公司，甘肅 民勤 733300；2.甘肅民勤連古城國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 民勤 733300）

生物在利用環(huán)境的同時(shí)，也在改變構(gòu)建著環(huán)境[1]。土壤是陸生植物生存的基礎(chǔ)環(huán)境，其物理、化學(xué)性狀也會(huì)隨著植物的生存而改變[1-2]，表現(xiàn)為土壤演變[3]。在風(fēng)沙區(qū)，隨著林齡增加，人工梭梭固沙林內(nèi)逐漸出現(xiàn)了紅砂、畫眉草等中生、旱生和濕生植物，植物群落迅速演替[4]；隨著流沙的固定，土壤性狀的演變更加明顯[3]。風(fēng)沙區(qū)種植紫穗槐有利于改善土壤養(yǎng)分狀況，土壤細(xì)化程度隨林齡增加逐漸增大，土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮、全磷、有效磷含量隨林齡增加而增加，全鉀、銨態(tài)氮變化與林齡無關(guān)[5]。草方格固沙有利于改善土壤質(zhì)地和理化性質(zhì)，固沙30 a時(shí)，土壤有機(jī)碳、全氮含量分別從0.86～1.74 g/kg、0.18～0.32 g/kg 變 為 7.96～17.36 g/kg、0.44～0.78 g/kg，土壤細(xì)沙、極細(xì)沙、粉粒、黏粒質(zhì)量百分比分 別 從 55.44%～58.84%、0.24%～0.31%、0、0 變 為42.55%～53.30%、15.85%～21.35%、15.16%～22.75%、0.84%～1.33%[6]。

甘肅民勤地處騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠之間，1959年從新疆準(zhǔn)噶爾地區(qū)引進(jìn)梭梭造林獲得成功，之后在該區(qū)域大面積推廣[7]，已形成穩(wěn)定防風(fēng)固沙林帶，為遏制當(dāng)?shù)鼗哪瘮U(kuò)張發(fā)揮了重要作用。目前，許多學(xué)者從不同角度研究了固沙林土壤演變過程[8-9]，但所研究的時(shí)間序列均偏短，難以揭示演變?nèi)病榇?，本文采取空間代替時(shí)間的方法，通過查閱檔案資料確定不同年代人工梭梭固沙林的地理位置，調(diào)查分析其群落和土壤特征，目的在于闡述民勤沙區(qū)人工梭梭固沙林土壤演變規(guī)律，同時(shí)為干旱沙區(qū)大規(guī)模生態(tài)建設(shè)的環(huán)境效益評(píng)價(jià)提供背景資料。

1 研究區(qū)概況

民勤位于石羊河流域下游，三面環(huán)沙，地貌由沙漠、低山丘陵和平原組成，土壤有灰棕漠土、鹽土、草甸土、風(fēng)沙土4種類型。研究區(qū)屬典型溫帶大陸性荒漠氣候，年均氣溫7.4 ℃，≥10 ℃積溫3 248.8 ℃；年均降水113 mm，多集中在7～9月，占全年降水量的73%；年均蒸發(fā)2 644 mm，是降水量的24倍；全年盛行西北、西北偏西風(fēng)，夏秋季節(jié)多偏東風(fēng)。通過長期的治理，該區(qū)生態(tài)環(huán)境得到極大的改善，流沙逐漸得到固定，已形成復(fù)雜的人工—天然植被。

2 研究方法

查閱檔案資料確定該民勤人工梭梭固沙林的年代和位置，按造林年代設(shè)立樣地，分別為1960年代、1970年代、1980年代、1990年代、2003年，以流沙地對(duì)照，代表約60 a的林齡演變序列；樣地代表林齡分別取 55、45、35、25、15、0 a。樣地信息見表1。每塊樣地隨機(jī)設(shè)置樣方5個(gè)，樣方規(guī)格20 m×20 m。樣方內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)開挖土壤剖面，分層采取土樣帶回室內(nèi)測(cè)定。取樣層深度：＜ 5 cm 為表層，5～10 cm 為淺層，10～20 cm為中上層，20～40 cm為中層，40～60 cm為中下層，60～80 cm為深層。2018年6月12日采集土樣，同年11月30日～12月8日室內(nèi)測(cè)定。

土壤粒度采用馬爾文激光粒度儀測(cè)定，儀器型號(hào)Malvern 2000，以粒組質(zhì)量百分比表示；按粒徑劃分4級(jí)粒組：＜2 μm為黏粒，2～20 μm為粉粒，20～200 μm 為細(xì)沙粒，≥ 200 μm 為粗沙粒。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化—油浴加熱法測(cè)定。土壤全氮含量采用凱式法測(cè)定。計(jì)算樣地內(nèi)同層土樣測(cè)定指標(biāo)的平均值作為結(jié)果進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤粒度組成

由表2可以看出，與對(duì)照相比，土壤表層各粒組質(zhì)量百分比隨林齡增加其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義均從無變?yōu)橛?。說明其粒度組成發(fā)生了超越隨機(jī)變化的長期演變，人工梭梭固沙林的長期作用是其演變?cè)颉?/p>

表1 樣地信息

表2數(shù)據(jù)顯示，黏粒、粉粒、細(xì)沙粒3個(gè)粒組演變趨勢(shì)均為質(zhì)量百分比隨林齡增加而上升，其升幅：黏粒組至45 a齡段加劇，粉粒組至55 a齡段加劇，細(xì)沙粒組至35 a齡段趨緩。粗沙粒組演變趨勢(shì)為質(zhì)量百分比隨林齡增加而降低，其降幅至25 a齡段變緩，至55 a齡段再次加劇。說明在人工梭梭固沙林長期作用下，土壤表層粒度組成發(fā)生由粗變細(xì)的長期演變，由以≥200 μm的粗沙為主體演變?yōu)橐?0～200 μm的細(xì)沙為主體；至林齡40 a時(shí)，＜20 μm的黏粒和粉粒呈加速增加趨勢(shì)。

由表3可以看出，與對(duì)照相比，土壤淺層各粒組質(zhì)量百分比隨林齡增加其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義均從無變?yōu)橛?。說明其粒度組成發(fā)生了超越隨機(jī)變化的長期演變，人工梭梭固沙林的長期作用是其演變?cè)颉?/p>

表3數(shù)據(jù)顯示，土壤淺層黏粒、粉粒、細(xì)沙粒3個(gè)粒組演變趨勢(shì)均為質(zhì)量百分比隨林齡增加而上升，其升幅：黏粒組至45 a齡段加劇，粉粒組至55 a齡段加劇，細(xì)沙粒組呈波動(dòng)式平緩增加。粗沙粒組演變趨勢(shì)為質(zhì)量百分比隨林齡增加而降低，其降幅呈波動(dòng)式平緩變化，至45 a的齡段加劇。說明在人工梭梭固沙林長期作用下，土壤淺層粒度組成發(fā)生由粗變細(xì)的長期演變，在林齡40 a以前，＜20 μm的黏粒和粉粒呈加速增加趨勢(shì)；粒度組成一直以20～200 μm的細(xì)沙為主體。

綜合分析表2、表3數(shù)據(jù)可以看出，隨著林齡增加，人工梭梭固沙林土壤表層和淺層粒度組成演變趨勢(shì)均為由粗變細(xì)，至55 a齡組均呈加劇趨勢(shì)，兩者不同之處：一是表層演變比較強(qiáng)烈，淺層演變則比較平緩；二是表層主體粒組由≥ 200 μm 的粗沙變?yōu)?20～200 μm 的細(xì)沙，淺層則一直以20～200 μm的細(xì)沙粒組為主體。也就是說，在人工梭梭固沙林長期作用下，＜10 cm的土層發(fā)生由粗到細(xì)的長期演變，以＜5 cm的表層為主，以5～10 cm的淺層為輔；林齡＞50 a時(shí)，演變加劇。

表2 土壤表層粒度質(zhì)量百分比 %

表3 土壤淺層粒度質(zhì)量百分比 %

3.2 梭梭林地土壤有機(jī)碳和全氮的時(shí)空分布

由表4可以看出，與對(duì)照相比，土壤表層、淺層和中上層有機(jī)碳含量及測(cè)定層平均有機(jī)碳含量，隨林齡增加其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義均從無變?yōu)橛?，說明其有機(jī)碳發(fā)生了超越隨機(jī)變化的長期演變，人工梭梭固沙林的長期作用是其演變?cè)?；各齡段中層、中下層和深層有機(jī)碳含量與對(duì)照相比均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明其有機(jī)碳變化屬于隨機(jī)變化，與人工梭梭固沙林作用無關(guān)。綜合而言，在人工梭梭固沙林作用下，＜20 cm的土層有機(jī)碳發(fā)生長期演變。

表4數(shù)據(jù)顯示，表層、淺層、中上層3個(gè)土層有機(jī)碳演變趨勢(shì)均為其含量隨林齡增加而增加，以表層、淺層增幅最大，55 a齡段分別比對(duì)照增加5.42、2.60倍，測(cè)定層平均土壤有機(jī)碳含量比對(duì)照增加1.84倍，說明人工梭梭固沙林土壤有機(jī)碳呈持續(xù)增加趨勢(shì)，演變主要發(fā)生在＜20 cm的土層。表4數(shù)據(jù)顯示，≥35 a的齡段土壤有機(jī)碳含量變異系數(shù)增大。說明林齡＞30 a，人工梭梭固沙林土壤有機(jī)碳分布均勻性差，隨林地區(qū)域而異。

表4 土壤有機(jī)碳含量 mg/kg

由表4可以看出，與對(duì)照相比，土壤表層、淺層和中上層有機(jī)碳含量及測(cè)定層平均有機(jī)碳含量，隨林齡增加其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義均從無變?yōu)橛?，說明其有機(jī)碳發(fā)生了超越隨機(jī)變化的長期演變，人工梭梭固沙林的長期作用是其演變?cè)颍桓鼾g段中層、中下層和深層有機(jī)碳含量與對(duì)照相比均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明其有機(jī)碳變化屬于隨機(jī)變化，與人工梭梭固沙林作用無關(guān)。綜合而言，在人工梭梭固沙林作用下，＜20 cm的土層有機(jī)碳發(fā)生長期演變。

表4數(shù)據(jù)顯示，表層、淺層、中上層3個(gè)土層有機(jī)碳演變趨勢(shì)均為其含量隨林齡增加而增加，以表層、淺層增幅最大，55 a齡段分別比對(duì)照增加5.42、2.60倍，測(cè)定層平均土壤有機(jī)碳含量比對(duì)照增加1.84倍，說明人工梭梭固沙林土壤有機(jī)碳呈持續(xù)增加趨勢(shì)，演變主要發(fā)生在＜20 cm的土層。

表4數(shù)據(jù)顯示，≥35 a的齡段土壤有機(jī)碳含量變異系數(shù)增大。說明林齡＞30 a，人工梭梭固沙林土壤有機(jī)碳分布均勻性差，隨林地區(qū)域而異。

由表5可以看出，與對(duì)照相比，土壤各層全氮含量及測(cè)定層平均全氮含量，隨林齡增加其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義均從無變?yōu)橛校f明其全氮均發(fā)生了超越隨機(jī)變化的演變，人工梭梭固沙林的長期作用是其演變?cè)颉?/p>

表5數(shù)據(jù)顯示，表層、淺層2個(gè)土層全氮演變趨勢(shì)均為其含量隨林齡增加而增加，55 a齡段分別比對(duì)照增加3.14、2.83倍；中上層、中層、中下層、深層和測(cè)定層平均全氮演變趨勢(shì)均為其含量隨林齡增加而先增后減，55 a齡段的中上層、中層、中下層3個(gè)土層全氮含量相近，較45 a齡段減幅加劇。說明人工梭梭固沙林土壤全氮在＜10 cm土層呈長期持續(xù)增加趨勢(shì)，≥10 cm土層至林齡50 a時(shí)開始降低。

表5數(shù)據(jù)顯示，55 a齡段土壤有全氮含量變異系數(shù)明顯大于其余齡段。說明林齡＞50 a時(shí)，人工梭梭固沙林土壤全氮分布均勻性差，不同區(qū)域含量相差較大。

綜合分析表4、表5數(shù)據(jù)可以看出，人工梭梭固沙林土壤有機(jī)碳和全氮在表層、淺層演變趨勢(shì)相同，其含量均隨林齡增加而持續(xù)增加：在中上層以下土層兩者演變不同，有機(jī)碳含量變化與林齡無關(guān)，全氮含量則隨林齡增加呈先增后減式演變，尤其中層以下土層的55 a齡段減幅明顯。也就是說，在人工梭梭固沙林長期作用下，土壤有機(jī)碳和全氮長期演變主要發(fā)生在＜10 cm的土層；土層深≥10 cm時(shí)，土壤有機(jī)碳變化與林齡無關(guān)，全氮?jiǎng)t隨林齡增加而先增后減，林齡＞50 a時(shí)全氮減幅加劇。

表5 土壤全氮含量 mg/kg

4 結(jié)論與討論

在人工梭梭固沙林長期作用下，土壤長期演變主要發(fā)生＜10 cm的土層，其中土壤粒度組成為由粗到細(xì)的演變，＜5 cm的表層較5～10 cm的淺層演變更劇烈，且林齡＞50 a時(shí)演變加??；土壤有機(jī)碳和全氮均呈持續(xù)增加趨勢(shì)。土層深≥10 cm時(shí)，土壤有機(jī)碳變化與林齡無關(guān)；全氮?jiǎng)t隨林齡增加而先增后減，且林齡＞50 a時(shí)減幅加劇。

土壤有機(jī)碳和全氮主要來源于土壤微生物分解梭梭、林間灌木和草本的枯落物以及動(dòng)物殘?bào)w。干旱沙區(qū)，土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重，流動(dòng)沙丘表面的黏粒、粉粒和枯落物不易積累，加之外來降塵不能夠截獲，導(dǎo)致土壤細(xì)顆粒物質(zhì)、有機(jī)碳和全氮含量極少。自從20世紀(jì)60年代，該區(qū)域大面積營造梭梭防風(fēng)固沙林以及近年采取的生態(tài)治理措施，使得生態(tài)環(huán)境得到極大地改善，尤其是地表植物增多，使的下墊面粗糙度增加，加強(qiáng)了對(duì)細(xì)顆粒和枯落物的截取。人工梭梭固沙林的這種生態(tài)位構(gòu)建作用，一方面會(huì)破壞其自身生存環(huán)境[1]，導(dǎo)致環(huán)境不利于自身生存，從前文樣地信息表可以看出，隨著林齡增加，人工梭梭固沙林蓋度降低，同化枝長縮短，長勢(shì)衰弱，正是這種負(fù)向生態(tài)位構(gòu)建作用的反映，并證明梭梭是一種適應(yīng)流沙中生長的灌木[2]，而且低蓋度人工林也能有效促進(jìn)土壤演變[8]；另一方面為苔蘚、地衣、草本植物、其他灌木等創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的生存條件，反過來，植物的枯落物、苔蘚和地衣等的分泌物以及動(dòng)物殘?bào)w又進(jìn)一步增加了土壤中有機(jī)碳和全氮的含量。研究表明，隨著流沙的固定，人工梭梭固沙林土壤地表結(jié)皮厚度增加，土壤水分變差，尤其是深層土壤含水量，但林中植物種類豐富，逐漸出現(xiàn)了紅砂、畫眉草等中生、旱生和濕生植物，群落演替迅速[4]。本文研究從土壤粒度組成長期演變方面有效解釋了前人研究成果。因此，在干旱沙區(qū)開展植被生態(tài)建設(shè)有利于流動(dòng)沙丘的成土過程和碳氮的固定，但需要加強(qiáng)管理，避免過度干擾對(duì)表層土壤的破壞。

前人研究表明，土壤圈是陸地生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)量最大的有機(jī)碳庫，約是大氣碳儲(chǔ)量的2倍、植被碳儲(chǔ)量的3倍[10-11]，在影響大氣二氧化碳濃度和全球碳平衡方面扮演十分重要的角色[12-13]。本文研究表明，隨著林齡增加，人工梭梭固沙林土壤有機(jī)碳呈增加趨勢(shì)，林齡＞50 a時(shí)較流沙增加約2倍，再次佐證前人研究成果。土壤有機(jī)碳、全氮含量不但取決于輸入與輸出的量與微生物種類和數(shù)量，還與土壤顆粒組成（尤其是黏粒和粉粒的含量）等有著緊密的聯(lián)系。研究表明[14-15]，土壤有機(jī)碳在改善土壤結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著重要作用，而且土壤黏粒與有機(jī)碳含量顯著正相關(guān)[16-17]。賈曉紅等對(duì)沙坡頭地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳、全氮和土壤黏粒、粉粒、細(xì)沙可以通過線性方程定量描述，有利于推算沙區(qū)碳匯[18]，而且土壤粉粒不僅可以通過與有機(jī)碳結(jié)合形成復(fù)合體，起到保護(hù)有機(jī)碳的作用，還可以增加土壤水分的有效性，進(jìn)而促進(jìn)植被的生長[18]。以上研究可為干旱沙區(qū)土壤的碳匯作用以及生態(tài)修復(fù)加速成土過程提供佐證。