沙地柏人工林和天然林風沙土特性研究

拓 飛, 董治寶, 南維鴿, 楊樹俊, 武玉葉, 李 強

(1.榆林市綠化委員會辦公室, 陜西 榆林 719000;2.陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710119; 3.榆林職業(yè)技術(shù)學院 林學院, 陜西 榆林 719001;4.大同市第一中學校, 山西 大同 037008; 5.榆林學院 陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復重點實驗室, 陜西 榆林 719001)

近年來，毛烏素沙地系列重大生態(tài)工程取得了舉世矚目的成果，但生態(tài)修復過程中部分引種植被耗水量過高，導致地下水衰退和植被退化等問題，而沙地柏作為毛烏素沙地鄉(xiāng)土樹種彰顯出優(yōu)勢樹種的特征，再次成為人們關(guān)注的焦點[1-2]。沙地柏(SabinavulgarisAntoine)又名臭柏、叉子圓柏、新疆圓柏，屬柏科匍匐灌木，高50～100 cm，枝細而密，斜向上伸展，耐寒、耐旱、耐瘠薄，根系強壯，根基部易生不定根，固土保水力強，是干旱、半干旱地區(qū)防風固沙和水土保持的優(yōu)良樹種[3-4]。沙地柏分布區(qū)形成以沙地柏占優(yōu)勢的單優(yōu)群落[5]，其灌叢群落覆蓋度可達70%～95%，在毛烏素沙地，沙地柏是唯一的天然常綠針葉灌木，生長旺盛，百年經(jīng)久不衰，鑲嵌于毛烏素沙地中，形成阻止流沙的天然屏障，被譽為“沙漠衛(wèi)士”[6]。盡管沙地柏在毛烏素沙地集中成片分布總面積只有621.7 km2，占毛烏素沙地總面積的0.86%，但它保持了生長與水分的良好平衡，對區(qū)域的荒漠化防治和生態(tài)環(huán)境的改善發(fā)揮了極其重要的作用[7-8]。

土壤是控制生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程的關(guān)鍵生態(tài)因子，是植物生存的主要環(huán)境因子，與植被的恢復演替協(xié)調(diào)發(fā)展。土壤是植被生長最重要的載體，在植被恢復生態(tài)系統(tǒng)中，土壤和植被相互依存，植被影響土壤演化，土壤制約植被生長，二者相互聯(lián)系、協(xié)同發(fā)展[9-10]，而土壤質(zhì)量直接影響著植被的生長發(fā)育，可作為判定植被恢復生態(tài)效應的重要的依據(jù)[11-12]，因此，沙地柏人工林和自然林灌叢下風沙土質(zhì)量可反映植被恢復與土壤環(huán)境的互動效應。目前關(guān)于沙地柏研究多集中在扦插育苗和引種栽培、樹種自身的抗旱性、耗水性、根系等生理特性和生態(tài)功能[13-15]，也有研究指出沙地柏灌叢下具有明顯的成土過程[7,16]，關(guān)于沙地柏林下風沙土的特性及演變特征鮮有報道。鑒于此，本文選取毛烏素沙地東南緣沙地柏的人工林地和天然林地，研究林下土壤顆粒組成及養(yǎng)分含量，以期闡明沙地柏生長過程對風沙土質(zhì)量改良的影響，旨在為區(qū)域進一步防沙治沙和植被生態(tài)修復提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木沙地柏自然保護區(qū)(38°13′—39°27′N，109°40′—110°54′E)，總面積7 666 hm2，沙地柏灌叢林面積為2 200 hm2，地處毛烏素沙地東南緣，平均海拔1 200 m，境內(nèi)多固定和半固定沙丘，屬大陸性半干旱氣候。冬春干旱多大風少，年均氣溫7.6℃，年均降雨量394.7 mm，降雨多發(fā)生在夏季，多年平均蒸發(fā)量為2 484.5 mm，土壤以風沙土和黃綿土為主[16-17]。沙地柏是當?shù)剜l(xiāng)土灌木，目前天然林和人工林并存。本試驗自然林位于神木市大保鄉(xiāng)內(nèi)，人工林地位于自然保護區(qū)5 km范圍內(nèi)。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集

于2018年5月，在研究區(qū)選擇具有典型代表性的沙地柏天然林和人工林樣地各2塊，在緩坡地，隨機布置3個重復樣地，樣地間距至少100 m，每塊樣地大小為10 m×10 m，每塊樣地內(nèi)對角線法采集0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm土層樣品各3份。同一樣區(qū)不同樣點相同土層的樣品均勻混合后放入樣品袋中，帶回實驗室，去除植物根系、碎石等雜質(zhì)，自然風干后，分析土壤顆粒組成和基本性狀指標(表1)。本試驗人工林地種植初期無灌溉和施肥措施。

表1 試驗樣地概況

2.2 粒度測定

2018年7月對風沙土樣采用激光衍射儀(Laser Diffraction,LD)進行實驗室分析。稱取2 g風干沙樣置于500 ml的燒杯中，采用過氧化氫溶液和熱處理除去有機質(zhì)，稀鹽酸和熱處理除去碳酸鈣膠結(jié)物，然后將六偏磷酸鈉加入促使土粒分散，預處理完畢后；采用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer-2000，Malvern Instrμments Ltd.)進行土壤顆粒粒徑分布分析。

土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測定；土壤有效氮采用堿解法測定；土壤速效鉀采用火焰光度計測定；土壤速效磷采用Olsen法測定；土壤陽離子交換量(CEC)采用1 mol/L NaOAC法測定；土壤pH值采用電位法測定；土壤鹽分采用電導法—土壤鹽分速測儀測定；土壤全氮采用凱氏蒸餾法測定。

2.3 數(shù)據(jù)分析處理

土壤粒級按照USDA制標準劃分：黏粒(0～2 μm)、粉粒(2～50 μm)、極細砂(50～100 μm)、細砂(100～250 μm)、中砂(250～500 μm)、粗砂(500～1 000 μm)和極粗砂(1 000～2 000 μm)，作為土壤粒度組成和粒度體積分數(shù)計算依據(jù)。此外，粒級的劃分還采用Udden-Wentworth粒級劃分法，獲取粒度參數(shù)，其沉積物粒徑單位用Φ值表示[18]，系統(tǒng)輸出土壤顆粒體積分數(shù)為1%，5%，10%，16%，25%，50%，75%，84%，90%，95%，99%所對應的沙粒粒徑，試驗采用Krumbein對數(shù)轉(zhuǎn)換法計算，Φ=-lnd，其中d(mm)為土壤粒徑。平均粒徑Mz>5Φ為中粉砂(Mz<31 μm)，4～5Φ為粗粉砂(31～63 μm)，3～4Φ為極細砂(63～125 μm)，2～3Φ為細砂(125～250 μm)，1～2Φ為中砂(250～500 μm)，0～1Φ為粗砂(500～1 000 μm)，Mz<0Φ為極粗砂(Mz>1 000 μm)。4個主要粒度參數(shù)采用Folk-Ward提出的計算方法求解[19-20]，并使用其相應的粒度參數(shù)分級標準，各參數(shù)計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Mz為土壤顆粒平均粒徑；Φx為土壤粒度頻率累計為x%所對應的土壤粒度Φ值；σ為分選系數(shù)；SK為偏度；KG為峰度。

采用Excel 2010，SPSS 24.0和Sigmaplot 12.5軟件對數(shù)據(jù)進行計算、統(tǒng)計分析及制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙地柏天然林和人工林的土壤粒度特征

3.1.1 土壤顆粒組成 土壤顆粒組成大都繼承了母質(zhì)的一定特征，并綜合了環(huán)境變化的影響，因此能較好地揭示土壤演變過程。由表2可知，研究區(qū)沙地柏林下土壤顆粒組成中砂粒含量最高(97.09%)，粉粒次之(2.74%)，黏粒最少(0.17%)，而砂粒中以中砂為主(50.26%)，其次細砂(23.57%)和粗砂(21.03%)，再次極細砂(2.09%)和極粗砂(0.18%)。比較不同林地土壤粒級，黏粒含量是16 a林地(0.18%)>7 a林地(0)，天然林迎風坡(0.17%)>背風坡(0)，粉粒含量16 a林地(5.51%)>7 a林地(0.33%)，天然林迎風坡(4.04%)>背風坡(1.09%)，極細砂粒含量16 a林地(4.42%)>7 a林地(0.44%)，天然林迎風坡(2.70%)>背風坡(1.02%)，細砂含量16 a林地(22.43%)<7 a林地(30.36%)，天然林迎風坡(15.72%)<背風坡(25.77%)，粗砂粒16 a林地(21.32%)>7 a林地(15.4%)，天然林迎風坡(25.33%)>背風坡(22.07%)，中砂含量16 a林地(46.21%)<7 a林地(53.37%)，天然林迎風坡(51.88%)>背風坡(49.60%)。總之，16 a林地土壤黏粒、粉粒、極細砂粒含量和粗砂粒含量均大于7 a林地，而16 a林地土壤細砂粒和中砂粒含量均小于7 a林地；天然林地，迎風坡土壤黏粒、粉粒和極細砂粒含量均大于背風坡，迎風坡土壤細砂粒小于背風坡。各土層均表現(xiàn)為(圖1)：垂直剖面上隨土層深度增加，土壤粉粒含量減少，砂粒含量增加。

3.1.2 土壤粒度參數(shù) 本研究采用Folk等[19]提出的沉積物粒度參數(shù)計算方法，粒徑2Φ和1Φ分別對應250，500 μm。研究中樣地土壤平均粒徑16 a林地(1.67Φ)與7 a林地(1.66Φ)無差異，天然林迎風坡(1.53Φ)<背風坡(1.61Φ)。垂直剖面上，土壤平均粒徑?jīng)]有顯著變化(圖2)，分選系數(shù)表示顆粒大小均勻程度的參數(shù)，沙地柏林下土壤粒度的分選系數(shù)均大于0.60，各林地土壤顆粒大小均勻，但7 a林地和天然林背風坡分選較差，天然林迎風坡分選中等，16 a林地土壤分選較好。偏度衡量粒度分布的對稱程度，16 a林地土壤偏度均值為-0.31，屬于負偏，7 a林地土壤偏度均值為-0.04，屬于近對稱，天然林迎風坡土壤偏度均值為-0.22，屬于負偏，背風坡偏度均值為-0.08，屬于近對稱。顯而易見，16 a林地和天然林迎風坡林地土壤粒度呈現(xiàn)細偏，7 a林地和天然林背風坡土壤粒度分布均勻，分選較好至中等。峰度衡量粒度頻率曲線尖銳程度參數(shù)，反映頻率曲線中粒度分布集中分散狀況。16 a林地土壤顆粒峰度均值為1.39，呈現(xiàn)窄尖，7 a林地峰度均值0.94，屬于中等正態(tài)，天然林迎風坡土壤顆粒峰度均值為1.31，呈現(xiàn)窄尖，背風坡峰度均值為0.99，屬于中等正態(tài)，表明16 a林地和迎風坡土壤顆粒物細化趨勢，7 a林地和背風坡土壤粒度分布集中，風蝕、沉積環(huán)境穩(wěn)定。

本試驗結(jié)果表明，研究區(qū)沙地柏林下土壤粒徑較粗，以中砂為主、分選稀疏有較大區(qū)別、偏度近于對稱分布至負偏、峰度中等至窄。16 a林齡土層細粒物質(zhì)所占比重增加，土壤粒度粗細分配朝向細化趨勢，天然林地迎風坡土壤表現(xiàn)出粗細顆粒分化。

表2 不同類型沙地柏林地土壤顆粒組成分層特征

圖1 沙地柏林下土壤粒度組成

3.2 土壤性狀特征

土壤有機質(zhì)是衡量土壤質(zhì)量的重要指標之一，不僅含有植物生長所需要的各種營養(yǎng)元素，還對土壤物理、化學和生物學性質(zhì)有著深刻的影響。土壤有效氮、速效鉀、速效磷是表征土壤肥力質(zhì)量的主要指標，含有植物生長必需的3大營養(yǎng)元素。本試驗土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)見表3，不同沙地柏林下0—100 cm土壤有機質(zhì)含量為2.22 ～ 8.08 g/kg，表現(xiàn)為16 a林地(6.82 g/kg)>7 a林地(3.12 g/kg)，迎風坡(5.64 g/kg)>背風坡(2.98 g/kg)；不同樣地土壤有效氮平均含量為17.70～21.18 mg/kg，16 a林地(21.19 mg/kg)>7 a林地(19.68 mg/kg)，天然林迎風坡(20.74 mg/kg)>背風坡(17.70 mg/kg)；土壤速效鉀平均含量為22.59～49.96 g/kg，表現(xiàn)為16 a林地(49.96 mg/kg)>7 a林地(22.59 mg/kg)，迎風坡(47.33 mg/kg)>背風坡(24.79 mg/kg)；土壤速效磷平均含量為0.85～1.25 mg/kg，表現(xiàn)為16 a林地(0.92 mg/kg)>7 a林地(0.85 mg/kg)，迎風坡(1.25 mg/kg)>背風坡(1.07 mg/kg)。土壤全氮含量為0.04～0.07 g/kg；CEC含量為12.89～13.18 cmol/kg；pH值為7.50～7.60，土壤呈弱堿性；鹽分含量為0.10～0.20 g/kg，低于0.3%，土壤屬于非鹽漬土。

圖2 沙地柏林下土壤粒度參數(shù)

總而言之，沙地柏16 a林地土壤有機質(zhì)、有效氮、速效鉀和速效磷含量普遍高于7 a林地，而自然林各養(yǎng)分指標普遍迎風坡高于背風坡。土壤有機質(zhì)、有效氮、速效鉀和有效磷在土壤剖面上均先增加再降低，而土壤有機質(zhì)、有效氮和速效鉀在0—40 cm土層顯著高于60—100 cm土層(p<0.05)，土壤速效磷、CEC、鹽分、全氮含量和pH值在不同林地及不同土層均沒有差異，表明土壤中部分養(yǎng)分具有表層聚集特征。

3.3 土壤粒度與土壤性狀指標的相關(guān)性

由表4可知，土壤有機質(zhì)、速效鉀、鹽分、pH值與黏粒、粉粒、極細砂含量呈顯著(p<0.05)和極顯著正相關(guān)性(p<0.01)，與細砂粒、中砂粒呈顯著和極顯著負相關(guān)性，土壤有機質(zhì)、速效鉀、pH值、鹽分與粗砂粒、極粗砂粒含量沒有顯著關(guān)系，且土壤全氮、有效氮、速效磷、CEC與土壤各粒度也沒有顯著相關(guān)性。由此可見，較細沙物質(zhì)(粒徑<100 μm)含量的增加能夠提高土壤質(zhì)量，而細砂粒和中砂粒(100～500 μm)含量增加則會導致土壤質(zhì)量下降。

4 討 論

沙地柏林下土壤粒度集中分布在砂粒區(qū)間，體積分形維數(shù)為94%～99%，其次是粉粒和黏粒，土壤粒度頻率分布以中砂(250～500 μm)為主形成單峰曲線。本研究土壤平均粒徑1.31～1.78Φ，顯著低于Yang等[21]報道的裸地平均粒度(2.31Φ)，研究中砂含量(250～500 μm)為46.21%～53.37%明顯高于Yang等[21](29.82%)和齊雁冰[22](31.66%)研究結(jié)果，這可能與我們的測定方法(激光衍射法可能低估黏粒、粉粒含量)[23]或者與土壤風化、侵蝕、搬運、沉積等有關(guān)[24-25]。土壤顆粒平均粒徑在林齡16 a和7 a沒有顯著差異，但林齡16 a土壤中細粒物質(zhì)含量顯著增加，砂粒含量顯著減少，顆粒偏度負偏、峰度較窄，林齡7 a土壤偏度近對稱、峰度中等，這顯然與沙地柏生長、土壤顆粒中黏粒、粉粒含量增加有關(guān)，其原因可能是沙地柏通過降低風速阻礙地面表層細粒物質(zhì)吹蝕，或通過攔截地表大氣中懸浮的粉塵粒子所致[15-16]。天然林迎風坡土壤中的黏粒和粉粒含量均高于背風坡，粒度分布集中，迎風坡土壤顆粒負偏、峰度較窄，背風坡土壤顆粒偏度近對稱、峰度值中等，表明天然林土壤顆粒迎風坡呈現(xiàn)粗細顆粒分化，并朝細化趨勢發(fā)展，證實了沙地柏的固沙作用還受地形影響。而土壤各粒度參數(shù)呈現(xiàn)天然林的土壤劣于16 a人工林地土壤，這主要可能與天然林邊緣土壤收集有關(guān)，天然林蔓延的新枝拓展的區(qū)域，林齡較小，導致土壤依舊遭受較強的風蝕篩選。此外，背風坡0—20 cm土壤粒度參數(shù)與20—100 cm有所不同，0—20 cm土壤分選系數(shù)中等，細偏，峰度尖窄，表明背風坡表層土壤顆粒存在細化趨勢。

表3 沙地柏林下土壤養(yǎng)分含量

表4 土壤各粒級含量與土壤性狀的相關(guān)性

參考全國第2次土壤普查土壤肥力狀況分級標準，研究區(qū)土壤肥力屬于5～6級，土壤養(yǎng)分含量極低。但與神木裸地風沙土相比(表5)，沙地柏灌叢土壤有機質(zhì)、有效鉀含量顯著高于文獻報道，而速效磷、全氮和pH值含量均低于文獻報道[26-27]，其CEC含量高于齊雁冰[22]研究結(jié)果(5.77 cmol/kg)，表明沙地柏生長過程，風沙土已有明顯的C的累積和有效K的積累，土壤養(yǎng)分得到改善，土壤肥力有所提升，而磷素和氮素與前人研究的差異，可能與氮素、磷素的消耗有關(guān)[17]。隨土層深度增加，各養(yǎng)分指標含量先增加再降低，土壤有機質(zhì)、有效氮和速效鉀在0—40 cm土層顯著高于60—100 cm土層(p<0.05)，顯示了土壤養(yǎng)分存在表層聚集現(xiàn)象，主要是由于沙地柏遮蔭降低沙漠表層土壤溫度，促進有機物質(zhì)富集。此外，野外樣品收集時觀測到不同林地土壤結(jié)皮厚度見表1，也證實了淺層土壤質(zhì)地得到良好的改善。天然林迎風坡養(yǎng)分含量高于背風坡；人工林地則隨造林時間增加，養(yǎng)分含量增加，土壤碳儲量顯著提高，這與眾學者在榆林沙地柏林地研究結(jié)果一致[28-30]。一般沉積物中細沙物質(zhì)含量增加伴隨土壤養(yǎng)分含量增加[31-32]，本研究中土壤黏粒、粉粒、極細砂粒徑<100 μm，細砂和中砂粒徑為100～500 μm，土壤有機質(zhì)、速效鉀、鹽分含量和pH值與土壤顆粒(粒徑<100 μm)呈顯著線性正相關(guān)，而與土壤顆粒(100～500 μm)呈顯著線性負相關(guān)，這與伊利河谷研究的結(jié)論一致[33]，由此可見，細顆粒物質(zhì)能夠鎖住土壤中的C和K，并增加土壤的鹽分含量，而100 μm粒徑成為該區(qū)域土壤各粒徑體積分形維數(shù)的分界值，此結(jié)果不同于賈曉紅等[11]學者研究結(jié)果：50 μm粒徑為土壤各粒徑質(zhì)量分形維數(shù)的分界值，關(guān)于二者間的關(guān)系還需進一步深入研究。

表5 榆林裸地土壤養(yǎng)分含量

綜合分析土壤的顆粒組成和土壤養(yǎng)分，發(fā)現(xiàn)土壤細粒物質(zhì)所占比重增加，土壤結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，隨造林時間增加，效果愈明顯；沙地柏林下土壤存在較明顯的優(yōu)勢粒徑級別，且顆粒的粗細分配趨于良好趨勢發(fā)展，生態(tài)環(huán)境趨于好轉(zhuǎn)[34-35]；在沙丘迎風坡和背風坡，其固沙作用也存在一定的差異，這與目前眾多學者研究結(jié)果一致[36-37]。本研究也印證了沙漠地區(qū)沙地柏與土壤質(zhì)量間存在正向互作效應，即植被生長促進細粒物質(zhì)含量增加，增加土粒養(yǎng)分含量、改善風沙土質(zhì)量，進而反推植被生長，加速土壤演變。

5 結(jié) 論

沙地柏灌叢下土壤顆粒以中砂為主，弱堿性，土壤養(yǎng)分含量總體水平低，且具有明顯0—40 cm聚集特征。灌叢下土壤有機質(zhì)、速效鉀、鹽分含量和pH值與土壤顆粒(粒徑<100 μm)含量顯著線性正相關(guān)，而與土壤顆粒(100～500 μm)含量顯著線性負相關(guān)。由此推斷，100 μm粒徑成為該區(qū)域土壤各粒徑體積分形維數(shù)的分界值。隨沙地柏生長灌叢下土壤中細沙粒物質(zhì)和養(yǎng)分含量增加，土壤堿性減弱，其天然林地迎風坡土壤質(zhì)量優(yōu)于背風坡，人工林地造林時間增加，土壤顆粒的粗細分配趨于良好態(tài)勢發(fā)展，土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)化，土地荒漠化進程減緩，因此，沙地柏可作為毛烏素沙地防風固沙及生態(tài)恢復工程的優(yōu)良灌木。