徐高興，付貴全，張 雯，邱曉娜

(甘肅省治沙研究所，甘肅蘭州 730070)

選取本土優(yōu)良固沙植被去恢復(fù)和建立植被是防治荒漠化最有效的首選措施，也是植物治沙的物質(zhì)條件和理論基礎(chǔ)。梭梭是我國(guó)西北地區(qū)優(yōu)良的治沙造林樹種，對(duì)干旱、高溫、嚴(yán)寒、風(fēng)蝕和沙埋等脅迫具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，易于繁殖，生長(zhǎng)迅速，根系發(fā)達(dá)[1]；可作飼料，木材可作燃料，被稱為“沙漠活煤”，是中藥材肉蓯蓉的主要寄主。土壤碳氮在改善土壤質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)等方面起著重要作用。土壤圈作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大碳庫，在影響大氣CO2濃度和全球C平衡方面起重要作用，一直是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[2-9]。近年來，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)土壤全氮(TN)空間異質(zhì)性及其影響因子進(jìn)行了大量報(bào)道[9-14]。干旱區(qū)土壤有機(jī)碳(SOC)和TN成為近年來的研究熱點(diǎn)[15-19]，相關(guān)學(xué)者通過對(duì)不同植被類型、植被恢復(fù)下不同階段土壤SOC和TN及其影響因子進(jìn)行研究，揭示了我國(guó)在沙區(qū)廣泛開展荒漠化治理對(duì)全球大氣CO2匯的貢獻(xiàn)。

甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站地處騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠之間，該站具有不同年代的人工梭梭林固定樣地，是開展長(zhǎng)時(shí)間序列梭梭林研究的理想場(chǎng)所。筆者通過野外調(diào)查分析不同固沙年限梭梭林土壤特征，旨在闡明梭梭固沙林演替過程中土壤粒徑與碳氮含量的變化規(guī)律，為評(píng)估荒漠化地區(qū)對(duì)全球碳平衡的影響和梭梭林的生態(tài)效益提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況研究區(qū)位于石羊河下游的甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，屬溫帶大陸性荒漠氣候，降水稀少(約113 mm)，蒸發(fā)強(qiáng)烈(約2 644 mm)，地下水位深(約23 m)，土壤類型為風(fēng)沙土。研究區(qū)固沙植被以梭梭(Haloxylonammodendron)為主，分布有少量檸條(Caraganakorshins)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)和沙拐棗(Calligonummongolicum)等固沙灌木。

1.2 研究方法在0、15、35、55年梭梭林固定樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)5個(gè)樣方(20 m×20 m)，在每個(gè)樣方內(nèi)用梅花形法取土樣(0～5和5～10 cm)。為便于描述，下文0、15、35、55年梭梭林固定樣地分別簡(jiǎn)稱為S0、S15、S35和S55。土壤粒徑組成用馬爾文激光粒度儀(Malvern 2000)測(cè)定，黏粒0.01～2.00 μm，粉粒>2.00～20.00 μm，細(xì)沙粒>20.00～200.00 μm，粗沙粒>200.00～2 000.00 μm；土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN)含量分別用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法和凱氏定氮法測(cè)定。采用SPSS進(jìn)行方差分析，采用Sigmaplot進(jìn)行方程擬合和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 梭梭林地土壤機(jī)械組成變化規(guī)律由圖1和圖2可知，隨人工梭梭林固沙年限增加，林地0～10 cm層土壤顆粒發(fā)生了明顯的變化且土壤黏粒、粉粒、細(xì)沙粒、粗沙粒含量與固沙年限可用線性方程進(jìn)行描述。在時(shí)間序列上，隨固沙年限增加，林地0～5和5～10 cm土層中黏粒、粉粒和細(xì)沙粒含量呈增加趨勢(shì)，粗沙粒含量呈下降趨勢(shì)。在0～5 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的黏粒平均含量分別增加214.29%、414.29%和2 000.00%，粉粒平均含量分別增加54.35%、89.49%和577.17%，細(xì)沙粒平均含量分別增加1.82%、83.45%和131.45%，粗沙粒平均含量分別減少2.34%、43.20%和91.75%。在5～10 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的黏粒、粉粒和細(xì)沙粒平均含量整體增加的幅度比0～5 cm土層小很多，粗沙粒平均含量減小的幅度也不大。在垂直剖面上，隨土層深度加深，黏粒和粉粒平均含量逐漸降低，細(xì)沙粒和粗沙粒平均含量逐漸升高，同比升高的幅度與黏粒和粉粒降低的幅度大致趨勢(shì)一致。

圖1 不同固沙年限0～5 cm土壤粒徑變化規(guī)律

圖2 不同固沙年限5～10 cm土壤粒徑變化規(guī)律

方差分析表明，在0～5 cm土層，S55的黏粒和粉粒平均含量與S0、S15和S35相比差異顯著；S35和S55的細(xì)沙粒平均含量與S0和S15相比差異顯著，S35和S55的細(xì)沙粒平均含量相比差異顯著；S0和S15的粗沙粒平均含量與S35、S55相比差異顯著，S35和S55的粗沙粒平均含量相比差異顯著。在5～10 cm土層，S55的黏粒、粉粒、細(xì)沙粒和粗沙粒平均含量與S0、S15和S35相比差異顯著。

2.2 梭梭林地土壤有機(jī)碳和全氮的變化規(guī)律從圖3和圖4可以看出，隨人工梭梭林固沙年限增加，林地0～10 cm層土壤SOC含量發(fā)生了明顯的變化且與固沙年限可用線性方程進(jìn)行描述。在時(shí)間序列上，隨固沙年限增加，林地0～5和5～10 cm土層中SOC含量呈增加趨勢(shì)。在0～5 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的SOC含量分別增加71.43%、228.57%和542.86%，且兩兩相比差異顯著。在5～10 cm土層，S0、S15的SOC含量與S35、S55相比差異顯著。通過線性擬合方程可知，0～5 cm土層的SOC含量隨固沙年限增加的速率比5～10 cm 土層的SOC含量快。

由圖3和圖4可知，隨人工梭梭林固沙年限增加，林地0～10 cm層土壤TN含量發(fā)生了明顯的變化且與固沙年限可用線性方程進(jìn)行描述。在時(shí)間序列上，隨固沙年限增加，林地0～5、5～10 cm土層中TN含量呈增加趨勢(shì)。在0～5 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的TN含量分別增加128.57%、133.33%和166.67%；在5～10 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的TN含量分別增加150.00%、271.43%和314.29%。通過線性擬合方程可知，0～5 cm土層的TN含量隨固沙年限增加的速率比5～10 cm土層的SOC含量快。由圖5可知，土壤SOC含量與TN含量符合線性函數(shù)(y=0.007 3+0.051 7x，R2=0.715 0)。

圖3 不同固沙年限0～5 cm土壤碳氮含量變化規(guī)律

圖4 不同固沙年限5～10 cm土壤碳氮含量變化規(guī)律

圖5 土壤有機(jī)碳和全氮的數(shù)量關(guān)系

2.3 梭梭林地土壤有機(jī)碳和全氮的變化規(guī)律由圖6可知，土壤SOC含量與土壤黏粒、粉粒、細(xì)沙粒含量呈線性正相關(guān)，與土壤粗沙粒含量呈線性負(fù)相關(guān)。這說明隨土壤粒徑變小，土壤SOC含量呈增加趨勢(shì)，也就是說隨人工梭梭林固沙年限增加，土壤顆粒逐漸變細(xì)，同時(shí)固定更多的碳。

圖6 土壤有機(jī)碳和土壤粒徑的數(shù)量關(guān)系

由圖7可知，土壤TN含量與土壤黏粒、粉粒、細(xì)沙粒含量呈線性正相關(guān)，與土壤粗沙粒含量呈線性負(fù)相關(guān)，但是與土壤SOC含量相比，擬合效果較差。這進(jìn)一步證明隨土壤粒徑變細(xì)，土壤TN含量增加。

圖7 土壤全氮和土壤粒徑的數(shù)量關(guān)系

3 結(jié)論與討論

梭梭在長(zhǎng)期的進(jìn)化中可以很好地適應(yīng)干旱、風(fēng)蝕和沙埋，其地上部分可以阻止氣流對(duì)地面直接作用，降低近地層風(fēng)速，庇護(hù)表層沙粒和捕獲顆粒物質(zhì)，加速土壤形成過程；其地下根系發(fā)達(dá)，固持土壤能力強(qiáng)，使土壤抗侵蝕能力提升，從而提高沙粒臨界風(fēng)速值，增強(qiáng)梭梭林對(duì)土壤的保護(hù)。梭梭林地土壤粒徑隨固沙年限的增加逐漸變細(xì)，這主要是由于梭梭地上部分不但可以攔截沙塵暴帶來的沙物質(zhì)，而且還能捕獲大氣降塵。伴隨著沙漠地區(qū)短歷時(shí)的強(qiáng)降雨，梭梭會(huì)產(chǎn)生樹干徑流，從而將地上部分所攔截的沙物質(zhì)和大氣降塵沖刷至土壤表面，這些沙物質(zhì)和大氣降塵包含有較高的碳氮元素，從而使得土壤的SOC和TN含量增加。梭梭林地在降低風(fēng)速的同時(shí)，捕獲了較多的沙漠植物種子，從而使得梭梭林地成為一個(gè)良好的庇護(hù)場(chǎng)所，隨固沙年限的增加，梭梭林地逐漸出現(xiàn)了土壤物理結(jié)皮、生物結(jié)皮以及草本植物，這一方面反映了生境條件的改善，另一方面也為土壤SOC和TN提供了更多的物質(zhì)來源，使得土壤SOC和TN含量逐年增加。由于植物枯落物等多發(fā)生于地表，隨土層深度的加深，土壤SOC和TN含量以及土壤中黏粒、粉粒呈降低的趨勢(shì)。大量研究結(jié)果表明，土壤SOC 含量與土壤黏粒呈正相關(guān)[17，20-21]，該試驗(yàn)的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。同時(shí)，該研究的結(jié)果與賈曉紅等[17]的研究結(jié)果一致，即土壤SOC、TN含量與土壤黏粒、粉粒、細(xì)沙粒含量呈線性正相關(guān)，但與土壤粗沙粒含量呈線性負(fù)相關(guān)。綜上可知，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)管理過度干擾對(duì)表層土壤的破壞。